Vogt, Oliver (2021)
Zur Säurebeständigkeit von Geopolymeren.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00019711
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Schwefelsäure induzierte Korrosion von Beton auf Basis von Portlandzement ist ein seit Jahren bekanntes Problem, welche immense Schäden an Betonbauteilen in Biogasanlagen, Kläranlagen, Kanalsystemen und in Kühltürmen von Kraftwerken zur Folge hat. Beim Schwefelsäure-Angriff resultiert der extrem niedrige pH-Wert in einer Kombination aus lösendem und treibendem Angriff des Betons, dem die meisten Betone keinen nennenswerten Widerstand entgegenzusetzen haben. Eine seit vielen Jahren erforschte Alternative zu Betonen mit Portlandzement als Bindemittel sind sogenannte Geopolymere. Diese Sonderform der alkalisch aktivierten Bindemittel bestehen aus einem reaktiven alumosilicatischen Pulverrohstoff und einer alkalischen Aktivierungslösung, wobei der Kontakt der beiden Ausgangsstoffe zur Bildung des für Geopolymere typischen anorganischen, alumosilicatischen Polymers führt. Die im Vergleich zu Portlandzement-Bindemitteln erhöhte Säurebeständigkeit konnte in der Vergangenheit durch verschiedenste Publikationen nachgewiesen werden. Dabei wurde in vielen Fällen auf das Si/Al-Verhältnis des alumosilicatischen Polymers verwiesen, da höhere Si/Al-Verhältnisse, gleichzusetzen mit höheren Anteilen an Silicium im Geopolymer, zu einer erhöhten Säurebeständigkeit führen. Die Beurteilung des Si/Al-Einflusses auf die Säurebeständigkeit des Geopolymers wurde durch verschiedenste Analyseverfahren sowie unter Einsatz unterschiedlichster Geopolymer-Rohstoffe bzw. Geopolymer-Rezepturen erforscht. Was in diesem Zusammenhang jedoch kaum berücksichtigt wurde, sind die chemisch-physikalischen Veränderungen in bestimmten Tiefen des korrodierten Randbereichs zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Schwefelsäure-Exposition. Die vorliegende Dissertation knüpft an eben dieser noch offenen Fragestellung an. Die elementare Grundlage dieser Arbeit bildet daher eine allgemeine Recherche zum Stand der Technik im Bereich der Geopolymer-Technologie, sowie insbesondere zum Thema der Säurebeständigkeit dieser speziellen, alkalisch aktivierten Bindemittel. Das experimentelle Versuchsprogramm beinhaltet die ausführliche Charakterisierung der eingesetzten Pulverrohstoffe Metakaolin und Silicastaub, die in variierenden Anteilen mit einer Kaliumsilicatlösung aktiviert wurden. Dabei wurde Silicastaub gezielt zur Erhöhung des Si/Al-Verhältnisses in die Geopolymer-Rezepturen eingebunden. Um die Intensität der Schwefelsäure induzierten Korrosion der Geopolymere qualitativ und quantitativ beurteilen zu können, wurden verschiedenste Geopolymer-Rezepturen über einen Zeitraum von bis zu 84 Tagen in Schwefelsäure mit einem pH-Wert von 1,0 gelagert. Der Korrosionswiderstand und die durch die Schwefelsäure hervorgerufene Zerstörung des korrodierten Randbereichs zu unterschiedlichen Prüfzeitpunkten wurde unter anderem mittels XRD (Röntgendiffraktometrie), FTIR (Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie), REM (Rasterelektronenmikroskopie) und EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) geprüft. Der Schwerpunkt des experimentellen Versuchsprogramms ergibt sich durch die EDX-Analyse der Geopolymere vor und nach der Schwefelsäure-Exposition. Dabei wurde die stoffliche Zusammensetzung der Geopolymere, ausgehend vom korrodierten Randbereich der Proben, bis in den Kern der Prüfkörper durch EDX-Mappings semi-quantitativ erfasst. Die Unterteilung der EDX-Mappings in Segmente ermöglichte die Generierung von EDX-Tiefenprofilen. Mit diesen konnte in 100 µm-Schritten die stoffliche Zusammensetzung in einer beliebigen Tiefe des korrodierten Prüfkörpers nachgewiesen werden. Anhand dieser Daten wurde ersichtlich, wie sich das Si/Al-Verhältnis auf den Korrosionswiderstand auswirkt, welche Elemente zu den verschiedenen Prüfzeitpunkten aus den Prüfkörpern ausgelaugt wurden und durch welche Anteile an Silicastaub ein deutlich erhöhter Erosions- und Korrosionswiderstand erreicht werden kann. Im abschließenden Kapitel wird durch eine Regressionsanalyse der EDX-Tiefenprofile aufgezeigt, wie sich abweichende Si/Al-Verhältnisse der Geopolymere, bzw. abweichende Anteile an Silicastaub in den Rezepturen, auf die Korrosionsrate und den Korrosionsfortschritt auswirken.

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