Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Geopolymer- ein ökologischer Baustoff!?

Wir kennen ihn alle: er ist hart, kühl, grau und trocken. Man trifft ihn auf jeder Baustelle an, er baut Häuser, schützt vor Wind und Wetter und ist der wichtigste, jemals konstruierte Baustoff aller Zeiten - der Zement. Doch was hat Zement mit Geopolymeren zu tun? Diese Frage beantwortete uns Herr Prof. Dr. Christian Kaps in seinem einstündigen Vortrag.

Zunächst werfen wir aber einen Blick auf die Zementherstellung. Man benötigt Ton und Kalkstein. Diese 2 Komponenten ergeben später - gebrannt als Zement und mit Kies vermischt nach Wasserzugabe - den Beton. Sie werden gemahlen, miteinander vermischt und schließlich bei 800 °C im Drehrohrofen gebrannt. Hier wird der Kalkstein thermisch in Kohlendioxid und Calciumoxid zersetzt, was für den nächsten Schritt notwendig ist. Nun werden der Branntkalk (CaO) und der Ton bei 1500 °C im wärmsten Teil des Drehrohrofens gebrannt. Das Calciumoxid reagiert mit den Tonsilikaten zu Calciumsilikat, dem Zement. Der Zement wird rasch abgekühlt, mit wenig Gips versetzt und gemahlen. Der Gips fungiert als Abbinderegulierer und bestimmt später, wie schnell der Beton aushärtet. Gibt man nun Wasser dazu, reagiert das Calciumsilikat mit den Wassermolekülen und ergibt Calciumhydroxid sowie Calciumdisilikathydrat, das sogenannte C-S-H-Gel. Das Problematische an dieser Synthese ist der hohe Kohlendioxidausstoß. Pro Tonne Zement werden 0,9 Tonnen Kohlendioxid produziert. Und auch das Brennen bei 1500 °C kostet viel Energie.

Hier kommen die Geopolymere ins Spiel. Geopolymere haben ähnliche Eigenschaften wie Zement, benötigen aber zur Verfestigung keine Calciumsilikate. Bei der Geopolymersynthese wird also kein Kalk bei 1500 °C gebrannt und dadurch der Kohlendioxidausstoß erheblich verringert.

Um einen Geopolymerbeton herzustellen, braucht man Alumosilikate wie sie in Flugasche oder Hochofenschlacke vorkommen. Diese werden mit einem Füllstoff (Kies) vermengt. Zur Aushärtung muss nun nur noch eine Natronlauge/Wasserglas-Mischung zugegeben werden. Es bildet sich ein dreidimensionales Polymernetzwerk aus Siliciumoxid- und Aluminiumoxidtetraedern aus... der Geopolymerbeton wird fest.

Die Vorteile dieses Betons sind, dass er säurebeständig, temperaturbeständig und auch kalthärtend ist. Zudem werden Sekundärrohstoffe wie Flugasche oder Hochofenschlacke verwendet.

Betrachtet man nun die Ökobilanzen für Zement-Beton und Geopolymer-Beton so sieht man, das die Herstellung der Geopolymere ca. 50 % weniger Kohlendioxid verursacht. Dafür verbraucht sie knapp 50 % mehr Energie. Der Mehrverbrauch an Energie kommt durch den Einsatz von Natronlauge und Wasserglas zustande. Deren Herstellung machen über 86 % des Energieverbrauches aus. Durch die Reduzierung des Wasserglasanteils und durch die Zugabe von Rotschlamm konnte der Energieverbrauch zwar optimiert werden, liegt aber immer noch höher als der von klassischem Beton. Obwohl es aussichtsreiche, ökologische Mischungsverhältnisse gibt, muss in Zukunft auch weiter optimiert werden.

Durch die bessere Kohlendioxid-Bilanz und die besseren Eigenschaften sind Geopolymere aber auch heute schon eine alternative zu klassischem Beton.

Frieder Pfeiffer und Sebastian Doms, LG 57