Identifikation von Wirkmechanismen herkömmlicher Fließmittel sowie neuartiger Bio-basierter Fließmittel in Calcium-freien Geopolymer-Modellsystemen

Abstract

Im Rahmen des Projektes wurden Untersuchungen zur Identifikation von Wirkmechanismen herkömmlicher Fließmittel sowie neuartiger Bio-basierter Fließmittel in Calcium-freien Geopolymer-Modellsystemen durchgeführt. Folgende grundlegende Erkenntnisse wurden im Rahmen des Forschungsprojektes erzielt:

Herkömmliche Fließmittel auf Polycarboxylatester- und -ether-Basis (PCE) zeigen keine dispergierende Wirkung in Geopolymerleimen, aktiviert mit Laugen (NaOH, KOH) und Alkalisilicatlösungen [1].

Durch Exposition der PCE in verschieden konzentrierten Natron- und Kalilaugen (1 M, 4 M,8 M) sowie Natriumsilicatlösungen konnte die Degradation (vermutlich Abtrennen der PEG-Seitenketten) durch Größenausschlusschromatographie ermittelt werden [1].

Des Weiteren konnte durch DLS-Messungen (Dynamic light scattering) nachgewiesen werden, dass die PCE ab einer definierten Konzentration der Laugen (≥ 3 mol/l) zum Verwickeln („Coiling“) und zur Bildung großer Agglomerate untereinander neigen, sodass unabhängig von der Architektur der PCE (MPEG, IPEG und HPEG) Inkompatibilität mit den alkalischen Aktivatoren der Geopolymere vorliegt [2].

Es wurden anionische und kationische stärkebasierte Fließmittel (SFM) durch chemische Modifizierung synthetisiert und deren Kompatibilität mit den für Geopolymere typischen hochalkalischen Aktivatoren durch DLS-Messungen nachgewiesen.

Durch Sol-Gel-Synthesen und die Pechini-Methode wurden Alumosilicate erzeugt, die als Modellsystem genutzt werden sollten. Anhand von Löslichkeits- und Zetapotentialuntersuchungen wurden wesentliche Unterschiede zwischen Metakaolin und dem synthetischen Alumosilicat festgestellt, so dass im Weiteren mit Metakaolin gearbeitet wurde.

Die anionischen SFM zeigen ausschließlich in Kalilauge eine verflüssigende Wirkung, während die kationischen SFM in Kali- und Natronlauge eine Verflüssigung des Geopolymerleimes bewirken [2]. Die Polymer-Partikel-Wechselwirkung ist gekennzeichnet durch Adsorptionsprozesse der SFM an den Oberflächen des Metakaolins [2].

Während die Reaktionskinetik der Geopolymerleime durch die SFM unwesentlich beeinflusst wird, können die mechanischen Kennwerte z. T. deutlich durch die mögliche Reduzierung des l/s-Verhältnisses gesteigert werden.

Within the project, investigations were carried out to identify the mechanisms of action of conventional superplasticizers and novel bio-based superplasticizers in calcium-free geopolymer model systems. The following fundamental findings were obtained as part of the research project:

Conventional polycarboxylate ester and ether (PCE)-based superplasticizers show no dispersing effect in geopolymer pastes activated with alkali hydroxide solutions (NaOH, KOH) and alkali silicate solutions [1].

Exposure of the PCE to various concentrations of sodium hydroxide and potassium hydroxide solutions (1 M, 4 M, 8 M) and sodium silicate solutions revealed degradation (presumably separation of the PEG side chains) by size exclusion chromatography [1].

Furthermore, DLS (dynamic light scattering) measurements showed that, above a defined concentration of alkali hydroxide solutions (≥ 3 mol/L), the PCEs tend to coil and form large aggregates, so that, regardless of the architecture of the PCEs (MPEG, IPEG, and HPEG), there is incompatibility with the alkaline activators of the geopolymers [2].

Anionic and cationic starch-based superplasticizers (SFM) were synthesized by chemical modification and their compatibility with the highly alkaline activators typical of geopolymers was demonstrated by DLS measurements.

Aluminosilicates were produced by sol-gel synthesis and the Pechini method, which were to be used as a model system. Solubility and zeta potential tests revealed significant differences between metakaolin and synthetic aluminosilicate, so metakaolin was used in further tests.

The anionic SFM only have a liquefying effect in geopolymer pastes activated by KOH, while the cationic SFMs cause liquefaction of geopolymer paste activated by both NaOH and KOH [2]. The polymer-particle interaction is characterized by adsorption processes of the SFM on the surfaces of the metakaolin [2]

While the reaction kinetics of the geopolymer pastes are insignificantly influenced by the SFM, the mechanical characteristics can be significantly increased by the possible reduction of the w/b value [2].