Dr. Diana Freudendahl, Dr. Heike Brandt, Dr. Ramona Langner
Ein großer Teil unserer Infrastrukturen und Wohnräume basiert auf Betonkonstruktionen. Unglücklicherweise gehört die Herstellung von Beton aus Zement jedoch mit zu den größten Verursachern von CO2-Emissionen, weshalb grüne Betone zunehmend an Bedeutung gewinnen. Eine Möglichkeit zur Reduktion der CO2-Emissionen mineralischer Baustoffe besteht in der Verwendung von Geopolymeren.
Dabei werden zumeist alumosilikatreiche industrielle Nebenprodukte und Abfallstoffe – wie etwa Flugasche, Hüttensandmehl, Minenschlämme oder fein gemahlene Bauabfälle – mit in der Regel stark alkalischen Aktivatoren (z. B. Natronlauge oder Natriumsilikatlösung) zu einem anorganischen Polymer vernetzt. Da für viele Geopolymere keine so CO2-intensive Herstellung wie bei herkömmlichem Zement erforderlich ist, können ihre herstellungsbedingten CO2-Emissionen – je nach Rohstoffbasis, Aktivator und Systemgrenzen – im Vergleich zu klassischem Portlandzementbeton um etwa 40 bis 70 Prozent niedriger ausfallen. Bei geschäumten Geopolymeren werden in das Mischgut zusätzlich ein Gas (z. B. Luft, Wasserstoff, Sauerstoff) und Stabilisatoren eingebracht, wodurch zementähnliche, aber gleichzeitig hochporöse Werkstoffe entstehen (Porosität > 70 Vol.-%). Diese hochporösen Materialien weisen gegenüber typischen Leichtbetonen neben einer besseren Ökobilanz zudem verbesserte Eigenschaften in Bezug auf Wärmedämmung, Chemikalienbeständigkeit und Feuerfestigkeit auf.
Geschäumte Geopolymere eignen sich daher beispielsweise sehr gut für großformatige nicht-tragende Wandelemente in Gebäuden oder für Auskleidungen von Tunneln. Neben den bereits genannten Eigenschaften ist auch die auf der Porenstruktur beruhende Schallabsorption für diese Anwendungsfelder von Interesse. Geopolymerschaum ist nicht brennbar und bleibt abhängig von der Zusammensetzung auch bis zu 1200 °C strukturell stabil. Ihre Hitze- und Feuerbeständigkeit macht sie daher auch für die Auskleidung von Industrieöfen interessant. Studien konnten nachweisen, dass die relative Restfestigkeit bei Hitze sogar ansteigt, weil der Werkstoff bei hohen Temperaturen sintert. Des Weiteren weisen geschäumte Geopolymere aufgrund ihrer Struktur und Zusammensetzung eine sehr gute chemische Beständigkeit auf. Ihre hohe Resistenz gegenüber Säuren, Sulfaten und Chloriden macht sie beispielsweise zu attraktiven Auskleidungsmaterialien für Abwasserkanäle oder als Baustoffe für Chemieparks.
Geopolymerschäume sind potenziell auch für die Stabilisierung von radioaktiven Abfällen geeignet. Da bei der Herstellung von Geopolymeren, im Gegensatz zu Zement, kein Wasser in die kristalline Struktur eingebaut wird, sondern in den Poren verbleibt oder während der Härtung abgegeben wird, ist die Spaltung chemischer Bindungen (Radiolyse) im Werkstoff durch die Strahlung radioaktiver Abfälle verringert. Kommt es doch zur Spaltung von eingelagertem Wasser, ist das Material porös genug, um lokal entstehenden Druck zu puffern.
Ein besonderer Einsatzbereich außerhalb des Bauwesens ist ihre Verwendung als Filter- und Sorptionsmaterialien in der Wasseraufbereitung, für die sie als offenporige Schäume oder Granulate hergestellt werden können. Neben Schwermetallen eignen sie sich u. a. auch zur Adsorption von Farbstoffen und zur Bindung von Ammonium. Geopolymerschäume sind zudem auch als Unterfütterungen und Hinterfüllungen für Straßen und Gleise interessant, bei denen geringes Gewicht, ausreichende Festigkeit sowie Wasser- und Frostbeständigkeit von großer Bedeutung sind. Bei der Verwendung geeigneter Pulver und der Herstellung spezifischer Porenstrukturen überstehen sie Frost-Tau-Zyklen und Nass-Trocken-Wechsel mit nur geringen Festigkeitsverlusten. Geopolymerschäume profitieren zudem von Kombinationen mit anderen Werkstoffen, z. B. durch Einlagerung von Aerogelen (Verbesserung der thermischen und akustischen Dämmleistung) oder Phasenwechselmaterialien (Verbesserung des Wärmespeichervermögens).
Geschäumte Geopolymere werden seit ca. 20 Jahren intensiver erforscht und entwickelt. Die Herstellung poröser Strukturen, hat sich zunächst ausschließlich auf einfache Möglichkeiten des Schäumens beschränkt, die mittlerweile gezielt weiterentwickelt werden. Zu den am häufigsten verwendeten Methoden zählen die Direktschäumung, bei der Luft oder Gas mechanisch in eine homogene Aufschlämmung eingebracht wird, sowie die chemische Schäumung, bei der z. B. durch Zugabe von Wasserstoffperoxid Gas in situ erzeugt wird. Anschließend härten die Schäume bei Umgebungstemperatur aus, wobei ein kontinuierliches, dreidimensionales anorganisches Netzwerk entsteht. Um die instabilen Gasblasen in den nassen Schäumen zu erhalten und die Porengrößen kontrollieren zu können, werden der Mischung zudem Stabilisierungsmittel (wie Tenside, Partikel, Fasern) beigemischt. Beispielsweise erlaubt der Zusatz von Nano-Siliziumoxid eine beschleunigte Polymerisation und führt zur Entwicklung deutlich feinerer Poren und somit zur Kontrolle der Mikrostruktur. Die Integration von Fasermaterialien wie Stahl-, Polymer- oder Naturfasern (wie Basalt, Miscanthus) kann z. B. zur Stabilisierung des angehärteten Materials beitragen, die Bildung von Schrumpfrissen reduzieren und lokaler Entmischung vorbeugen. Ziel dabei ist, die Bruchzähigkeit sowie die Fähigkeit zur Energieaufnahme positiv zu beeinflussen und Belastungsrisse während der Verwendung zu reduzieren. Eine weitere in der Entwicklung befindliche Herstellungsmethode stellt die additive Fertigung dar, für die spezielle druckfähige Geopolymerschaum-Mischungen entworfen werden. In jüngster Zeit konnten so bereits erfolgreich eine Vielzahl poröser Bauteile (wie Gerüste, Filter, Leichtbaumaterialien) hergestellt werden. Dabei wird zum einen versucht, Teile zu drucken, die eine komplexe, nicht stochastische Porosität aufweisen, und zum anderen die Porengröße, -form und -anzahl möglichst präzise zu steuern. Dies würde zukünftig funktionale Gradienten (z. B. innen stärker geschäumt, außen dichter) in Bauteilen ermöglichen.
Trotz der vielversprechenden Eigenschaften sind Geopolymerschäume weiterhin eine Nischentechnologie, da bisher noch keine Normen und Zertifizierungen für diese Materialien existieren. Grund dafür ist unter anderem die große Variabilität der verwendeten Rohstoffe. Abfallstoffe wie Flugasche, Schlacken, Rotschlamm etc. können stark in ihrer Zusammensetzung und Reaktivität schwanken. Gerade für den Großmaßstab ist die Prozessführung unter diesen Bedingungen eine Herausforderung, da dennoch eine gleichbleibende Stabilität der Schäume gewährleistet werden muss. Die zur Aktivierung der Vernetzung verwendeten Reagenzien sind teilweise relativ teuer in der Herstellung und sicherheitstechnisch anspruchsvoll. Hier wird zwar bereits an nachhaltigeren und zuverlässigen Alternativen gearbeitet, die Marktreife ist aber noch nicht erreicht. Geschäumte Geopolymere stehen zudem, abhängig von der Anwendung, in Konkurrenz zu diversen gut etablierten Technologien wie zementbasierten Leichtbetonen oder auch organischen Dämmstoffen.
Aus industrieller Sicht sind geschäumte Geopolymere immer dann interessant, wenn insbesondere lokale Reststoffe verwendet werden können und eine Verbesserung der CO2-Bilanz, z. B. von Bauprojekten, angestrebt wird. Sie sind auch dann relevant, wenn multifunktionale Leichtbauteile benötigt werden, bei denen beispielsweise Dämmung, Feuer- und Schallschutz sowie eine gewisse Tragwirkung erreicht werden sollen. Geschäumte Geopolymere werden auch in der Zukunft keinen universellen Leichtbetonersatz liefern, aber sie haben das Potenzial bestehende Systeme an vielen Stellen sinnvoll zu ergänzen, insbesondere wenn CO2-Kosten den Druck auf klassische Zementlösungen weiter erhöhen.
