Einfärbung von zementfreien Betonen mit Bayferrox-Eisenoxidpigmenten
Die herkömmliche Betonproduktion trägt aufgrund des Herstellungsprozesses von Zement erheblich zu den Kohlenstoffemissionen bei. Doch jetzt ebnen Ingenieure und Forscher mit zementfreien Alternativen den Weg in eine grünere Zukunft. Zementfreier Beton wird in der Regel mit alternativen Bindemitteln wie Geopolymeren hergestellt, die aus industriellen Nebenprodukten oder natürlichen Materialien gewonnen werden.
Die Verwendung von Geopolymeren wird in der Bauindustrie seit Jahren mit wachsendem Interesse verfolgt. Sie werden zunehmend bei der Herstellung verschiedener Bauprodukte verwendet, da sie als wichtiger Rohstoff für die Verringerung des CO2-Fußabdrucks dieser Produkte im Vergleich zu herkömmlichem zementbasiertem Beton angesehen werden.
Aber wie sieht es mit der Einfärbung dieser Materialien aus? Die Einfärbung von Oberflächen ist ein wichtiges Thema in der Bauindustrie: Die Kunden verlangen farbige, individuell gestaltbare Produkte. Das klassische Zementgrau widerspricht diesem Wunsch und ist keine echte Alternative.
In der jüngeren Vergangenheit gab es wiederholt Unsicherheiten und Hinweise auf mögliche Probleme, die einige Geopolymersysteme hinsichtlich der Einfärbung und deren Beständigkeit aufwiesen. Diesem Thema haben sich deshalb in einem kooperativen Forschungsprojekt Pigmentexperten von LANXESS und der Harold Scholz & Co. GmbH gemeinsam mit der Rhein-Chemotechnik GmbH gewidmet. Die ersten Ergebnisse mit Fokus auf dem Einsatz von Eisenoxidpigmenten liegen nun vor.
Der Begriff Geopolymer wird im allgemeinen Sprachgebrauch oft auch für alkalisch aktivierte Materialien verwendet, obwohl das Geopolymer streng genommen nur ein Teilgebiet solcher Systeme beschreibt. Eine Unterscheidung zwischen den Systemen ist daher sinnvoll: Zum einen sind dies kalziumreiche, alkalisch aktivierte Materialien (AAM), die aus aktivierbaren Hüttensanden und Flugaschen bestehen, zum anderen speziellere Geopolymere, die mit kalziumarmen Metakaolinen hergestellt werden. Beide Systeme sind in der chemischen Zusammensetzung und den gebildeten Strukturen sehr unterschiedlich. Die Folge: Auch bei der Einfärbung verhalten sie sich anders.
Metakaoline und Tone sowie daraus hergestellte Geopolymere unterscheiden sich im Gegensatz zu alkalisch aktivierten Materialien und zementären Produkten in der Interaktion mit Eisenoxidpigmenten. Der Unterschied: Alkalisch aktivierte Materialien wie Hüttensande und Aschen zeichnen sich durch ihre puzzolanischen Eigenschaften aus, die ähnlich wie der zementbasierte Beton Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH) ausbilden. Aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkungen können sich die Eisenoxidpigmente an die entstehenden CSH-Phasen dauerhaft anlagern. Diese Wechselwirkungen können, in Abhängigkeit des verwendeten Systems und möglicher Zusatzstoffe, variieren. So bilden die Geopolymere, im Gegensatz zu den CSH-Phasen, in einer Art Kondensationsreaktion eine dreidimensionale, netzartige Struktur ohne Ladungspotenziale aus. Daraus könnten sich eventuell negative Effekte hinsichtlich der elektrostatischen Bindung des Eisenoxidpigments ergeben.
Bayferrox Eisenoxide - die richtige Lösung für zementfreien Beton
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde deshalb die Einfärbung und deren Beständigkeit in alkalisch aktivierten Materialien und Geopolymeren untersucht. Als Referenz wurde in den Versuchen auch jeweils das zementbasierte Pendant hergestellt. Die Fertigung erfolgte dabei nach Vorgaben der DIN EN12878. Zusätzlich kamen bei der Herstellung der Muster aus Geopolymeren und alkalisch aktivierten Materialien Aktivatoren und Betonzusatzmittel der Rhein-Chemotechnik GmbH zum Einsatz. Im Anschluss an die Fertigung der Muster wurden diese farbmetrisch bewertet und in weiteren Abtestungen ihre betontechnologischen Eigenschaften, sowie die Beständigkeit der Einfärbung in der Frei- und Schnellbewitterung festgestellt.
Die Ergebnisse sind positiv. In allen Systemen zeigte sich eine gute und stabile Einfärbung, die auch in der Bewitterung bestätigt werden konnte (Bild 1). Bei der Herstellung der Proben zeigten sich jedoch Unterschiede. Alkalisch aktivierte Materialien können ähnlich den zementbasierten Mustern angemischt und verarbeitet werden, härten jedoch deutlich schneller aus. Das Geopolymer-System bietet hier ein wesentlich längeres Zeitfenster zur Verarbeitung. Allerdings ist die Präparation aufwendiger, da zunächst das Metakaolin mit dem Aktivator aufgeschlossen und anschließend dieser Leim mit Zuschlägen gefüllt wird.
Diese Unterschiede betreffen jedoch lediglich das Anmischen und das Abbindeverhalten, nicht aber die Einfärbung selbst. Alle untersuchten Bindemittel-Systeme konnten problemlos und dauerhaft eingefärbt werden. Die Forschungskooperation wird im nächsten Schritt fortgesetzt. Spezialisten der Technische Universität Dresden werden dazu eingebunden, um detailliertere Informationen über den strukturellen Aufbau und Unterschiede in der technischen Performance der Systeme zu erhalten.