Die zentrale Hürde für den breiteren Einsatz von nachhaltigem Beton überwinden
Beton ist das weltweit am meisten verarbeitete Baumaterial und nach Wasser das am häufigsten verbrauchte Material. Er wird aus Zement gefertigt, und aus der Zementherstellung stammen etwa acht Prozent der globalen CO2-Emissionen. Gleichzeitig wird eine enorme Menge Wasser und natürlicher Bodenschätze verbraucht. Daher ist es wichtig, eine umweltfreundlichere Alternative zu finden. Geopolymerbeton (GPC, geopolymer concrete) ist eine mögliche Lösung, doch sein Verhalten im Brandfall ist noch unvorhersehbar. Unterstützt über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) wurden im Rahmen des Projekts TemGPC die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Geopolymerbeton bei verschiedenen Bedingungen charakterisiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage der wissensbasierten Konstruktion von verbessertem Geopolymerbeton.
Geopolymerbeton im Vergleich zu herkömmlichem Beton
Portlandzement wird hergestellt, indem Kalkstein und Alumosilikatgestein (wie Ton oder Schiefer) in einem Drehofen bei Temperaturen von bis zu 1 500 °C erhitzt werden. Dem pulverförmigen Zement wird Wasser beigemischt, mit Sand wird er zu Zementmörtel und mit Zuschlagstoffen (großen Steinen) entsteht Beton. Für die Herstellung von Geopolymerbeton sind weder Kalkstein noch hohe Temperaturen notwendig und der Wasserbedarf ist auch geringer. Das kommt daher, dass Geopolymerzement hergestellt wird, indem Alumosilikatmaterialien (aus verschiedenen industriellen Nebenerzeugnissen oder Abfällen) in einer alkalisch aktivierenden Lösung bei milder Temperatur gelöst werden, sodass es zur Geopolymerisation kommt. Wie auch beim Portlandzement werden Geopolymermörtel und -beton erzeugt, indem der Geopolymermischung Sand und grobe Zuschlagstoffe beigefügt werden. Trotz der Vorteile ist das Verhalten von Geopolymerbeton im Brandfall unvorhersehbar und möglicherweise gefährlich. Geopolymerbeton ist ein poröses Material. „Der Druck in den Poren kann rasant ansteigen, wenn das Wasser in den Poren verdampft. Dadurch kann der Beton explosionsartig auseinanderbrechen (explosionsartige Abplatzungen). Um das Risiko zu senken, muss das thermische und mechanische Verhalten von Geopolymerbeton bei erhöhten Temperaturen bekannt sein“, erklärt der Projektleiter Long-Yuan Li von der Universität Plymouth.
Experimentelle und theoretische Untersuchungen
Der MSCA-Stipendiat Min Yu hat umfassende experimentelle und theoretische Untersuchungen von Geopolymermörtel und -beton mit und ohne Stahlfasern, in unbelasteten und vorgespannten Materialien und bei verschiedenen erhöhten Temperaturen und Bedingungen nach Bränden durchgeführt. Aus den Messungen der Druckfestigkeit, dem Elastizitätsmodul, der Höchstbelastung, der Duktilität und der thermischen Belastung hat Yu theoretische Zustandsgleichungen zu Spannung und Dehnung hergeleitet. Aus den Versuchen zur vorübergehenden Belastung wurde ein theoretisches Vorhersagemodell abgeleitet. Schließlich „wurde mittels COMSOL eine Finite-Elemente-Methode zur kombinierten Analyse der Wärmeübertragung, dem Stoffübergang und der thermisch-mechanischen Belastung aufgestellt. Mit der numerischen Analyse wurden die Fehlerarten des Geopolymermörtels und -betons nachgebildet, die bei den Versuchen mit beständiger und vorübergehender Belastung beobachtet wurden“, erklärt Yu.
Feuerverhalten möglicherweise besser als mit Portlandbeton
Die Versuchsdaten von TemGPC dienen als Richtwert für Geopolymerbeton. Mit den theoretischen Modellen kann die Feuerbeständigkeit von Geopolymerbeton berechnet werden, um leichter brandsichere Konstruktionen mit Betonstrukturen aus Geopolymerbeton zu entwerfen. „Bei unseren Versuchen ergab sich, dass die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Geopolymerbeton anders sind als bei Portlandbeton. Doch bei angemessener Konstruktion und Mischung kann das Feuerverhalten von Geopolymerbeton besser sein als das von Portlandbeton“, fasst Yu zusammen. Durch die ökologischen Vorteile, die Haltbarkeit und die Leistungsmerkmale stellt Geopolymerbeton eine attraktive Alternative für nachhaltiges Bauen dar, insbesondere in rauen und aggressiven Umgebungen. Mit den Werkzeugen von TemGPC wurde ein großes Manko überwunden und der Weg für neuen und verbesserten Geopolymerbeton und somit ein umweltfreundlicheres Bauwesen geebnet.
Schlüsselbegriffe
TemGPC, GPC, Beton, Feuer, Geopolymer, Zement, OPC, Geopolymerbeton, Finite-Element-Methode, explosionsartige Abplatzungen, gewöhnlicher Portlandzement
