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Granulier- und Abbindeverhaltenvon geopolymerbasierten Systemen

D.Mosz, K.G. Süzük, Prof. Dr. R.TelleRWTH Aachen, Institut für Gesteinshüttenkunde, Aachen / Deutschland

Keramisches Festsymposium – 11./12.09.2013 Hardheim

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Gliederung

EINLEITUNG

MATERIALIEN

3 GRANULIERUNG

• Geopolymere

• Herstellung von Geopolymeren

• Herstellung von geopolymerbasierten Systemen

ABBINDEVERHALTEN

FASERVERSTÄRKUNG

3

EINLEITUNG - Geopolymere

Aktivierung reaktiver Alumosilikate mit alkalischen Aktivatoren

Polykondensation, ähnlich organischen Polymeren, bei Temperaturen < 100°C

1 Davitovits, US Patent 4,349,386: Mineral polymers and methods of making them

Si Al

� Es entsteht ein amorphes bis teilkristallines Netzwerk aus SiO4 & AlO4 Tetraedernmit Natrium- oder Kaliumkationen Koordination

1

4


Silizium/Aluminiumverhältnis hat Einfluss auf• Reihenfolge der SiO4 & AlO4 Tetraeder• Anordnung der Struktur (linear oder 2D bzw. 3D ) 2

2 J. Davidovits; Geopolymer Chemistry & Applications , 2 (2008), 4-26 B.

Verwendete Nomenklatur um molare Zusammensetzung von Geopolymeren zu beschreiben

z.B.: • Na-PSS• Na2O : Al2O3 : SiO2 : H2O 1 : 1 : 4 : 11

5


Aushärtemechanismus in alkalischer Umgebung unterscheiden sich stark von Hydratationsprozessen andere anorganischer Binder

3 P. Duxon, A. Ferández-Jimémez, J.L. Provis; Geopolymer technology: the current state of the

art, J. Mater Sci 42 (2007), 2917-2933

3Geopolymerisation beginnt mit alkalischer Hydrolysedes festen Alumosilikates• Lösen von silikatischen & alumosilikatischen

Monomeren• Je nach Rohstoff nur an Partikeloberfläche oder

gesamte Partikel

Neben gelösten Monomere des Alumosilikates zudem gelöste Silikate aus Wasserglas in wässriger Lösung

Gleichgewicht aus allen gelösten Spezies stellt sich ein• durch rasches Lösen bei hohem pH-Wert entsteht

eine übersättigte Alumosilikat-Lösung

Lösung geliert durch Polykondensation der Monomere• Netzwerk aus Alumosilikat-Oligomeren entsteht

Durch weitere Reorganisation kann Netzwerk weiter ausdehnen & verknüpfen• es entstehen bspw. 3D-verknüpfte, amorphe bis

teilkristalline Strukturen

( kristalline Strukturen bei starker Verdünnung & hydrothermalen Bedingungen -> Zeolite)

Geopolymer Binder6

FESTSTOFF

EINLEITUNG - Herstellung von Geopolymeren

Alumosilikatquelle:

• Meta-Tone• Schlacken• Flugaschen• …

Alkali-Aktivator:

• Natronlauge / Na-Wasserglas

• Kalilauge/K-Wasserglas

• Alkalicarbonate• …

FLÜSSIGKEIT

Geopolymer Binder7

FESTSTOFF

EINLEITUNG - Herstellung von Geopolymeren

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

Alkali-Aktivator:

Natronlauge / Wasserglas

FLÜSSIGKEIT

Geopolymer Binder8

FESTSTOFF

EINLEITUNG – Herstellung geopolymerbasierter Systeme

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

Alkali-Aktivator:


FLÜSSIGKEIT

Füllstoff:• Metallische Aggregate• Keramische Aggregate• Fasern

Mischen

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FESTSTOFF

EINLEITUNG – Herstellung geopolymerbasierter Systeme

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

Alkali-Aktivator:


FLÜSSIGKEIT

Füllstoff:• Metallische Aggregate• Keramische Aggregate• Fasern GRANULIERUNG

Mischen

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FESTSTOFF

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

Alkali-Aktivator:


FLÜSSIGKEIT

Füllstoff:• Metallische Aggregate• Keramische Aggregate• Fasern GRANULIERUNG

MATERIALIEN – Metakaoline

Abbildung 1: Verwendete Metakaoline

Bestandteil Anteil [%] Imerys ARGICAL-M 1200S Refracer Mefisto L05

SiO2 55 52,26

Al2O3 39 43,9

K2O 1,0

0,6

Na2O 0

Fe2O3 1,8 1,03

TiO2 1,5 1,77

CaO 0,6

0,11

MgO 0,15

Tabelle 1: Bestandteile der verwendeten Metakaoline

- Bestandteile

11

FESTSTOFF

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

MATERIALIEN – Metakaoline - Partikelgrößenanalyse

Diagramm 1: Partikelgrößenverteilung des Imerys Metakaolins in Wasser Diagramm 2: Partikelgrößenverteilung des Refracer Metakaolin in Wasser

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FESTSTOFF

MATERIALIEN – Füllstoffe - Kohlefasern


Kohlenstofffasern inkl. Schlichte Kohlenstofffasern entschlichtet

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FLÜSSIGKEITEN

MATERIALIEN – Füllstoffe - Kohlefasern

Alkali-Aktivator:


• Natronlauge 6 – 12 M

• Wasserglas SiO2:Na2O Molverhältnis 2,1 – 2,6

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• 1L Mischerideal um Brücke zwischen Labor-& Industrieanwendung zu schlagen

• Kunststoffbehältergute Alternative für alkalische Lösungenwenig geeignet bei harten Aggregaten

• TemperaturmessungKontrolle exothermer Reaktionen

• verwendet mit 600 – 2500 [1/min]• Gegenstrom-Betrieb

MATERIALIEN – Mischer

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GRANULIERUNG

• Zugabereihenfolge

• Rührgeschwindigkeit

• Bindermenge

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GRANULIERUNG - Zugabereihenfolge

Mischen

FESTSTOFF

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

Alkali-Aktivator:


FLÜSSIGKEIT


17


Mischen

FESTSTOFF

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

Alkali-Aktivator:


FLÜSSIGKEIT


+ FESTSTOFF

nur Aggregate vorlegenFeststoffe vorlegen

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Einfluss der Zugabereihenfolge auf die Granulation• System aus Geopolymerbinder & metallischen Aggregaten• Metakaolin D90 ~ 12µm• Aggregate D90 ~ 350 µm

Granulien unter Angabe der Zugabereihenfolge. Hergestellt mit 44.4 [wt%] Bindemittelanteil.

nur Aggregate vorlegenFeststoffe vorlegen

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Einfluss der Zugabereihenfolge auf die Granulation

• Zugabereihenfolge hat Einfluss auf homogene Granalienherstellung

Granulien unter Angabe der Zugabereihenfolge. Hergestellt mit 44.4 [wt%] Bindemittelanteil.

250020001200

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GRANULIERUNG - Rührdrehzahl

Einfluss der Rührgeschwindigkeit auf die Granulation

Granulien unter Angabe der Rührdrehzahl [1/min]. Hergestellt mit 44.4 [wt%] Bindemittelanteil.

250020001200

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GRANULIERUNG - Rührdrehzahl

Einfluss der Rührgeschwindigkeit auf die Granulation

• Durch Rührgeschwindigkeit kann die Granaliengröße gezielt eingestellt werden

Granalien unter Angabe der Rührdrehzahl [1/min]. Hergestellt mit 44.4 [wt%] Bindemittelanteil.

44.437.528.6

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GRANULIERUNG - Bindermenge

Einfluss des Bindemittelanteiles auf die Granulation

• ausreichende Bindemittelmenge erforderlich um Granulat herzustellen

Granalien unter Angabe des Bindemittelanteil in [wt%]. Hergestellt bei 2000 [1/min].

44.437.528.6

23

GRANULIERUNG - Bindermenge

Einfluss des Bindemittelanteiles auf die Granulation

• Granulatherstellung nur mit Bindemittelanteil von ca. 30 – 50 wt% möglich

Granalien unter Angabe des Bindemittelanteil in [wt%]. Hergestellt bei 2000 [1/min].

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ABBINDEVERHALTEN

GießenPressen

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ABBINDEVERHALTEN

Mischen

FESTSTOFF

Alumosilikatquelle:

Metakaolin

Alkali-Aktivator:


FLÜSSIGKEIT


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ABBINDEVERHALTEN

System aus Geopolymerbinder & keramischen Aggregaten• unmittelbar nach Granulation• Feuchtigkeit 14 wt%

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ABBINDEVERHALTEN

System aus Geopolymerbinder & keramischen Aggregaten• Abbindeprozess nach 24h abgeschlossen

• vorzeitigem Abbinden kann mit kühler Lagerung entgegengewirkt werden

• max. Zeit vor Verpressen 24h

Abbildung : Pressling aus 48h gelagertem Granulat nach Kaltdruckfestigkeitsbestimmung

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FASERVERSTÄRKUNG

• Ziel & Mechanismen

• Kohlefaserverstärkung

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FASERVERSTÄRKUNG – Zweck & Mechanismen

Zweck ist es die Zähigkeit des Geopolymersystemes zu erhöhen

• Verbundwerkstoff besteht aus 2 Komponenten & 3 wirkenden Phasen• lasttragende Faser, zu verstärkende Matrix• verbindende Grenzschicht zwischen Faser & Matrix4

4 C. Freudenberg; “Textile Faserstoffe“, Textile Werkstoffe für den Leichtbau, Springer-Verlag Heidelberg, (2011), 39-109.

Anforderungen an Fasern mit Verstärkungswirkung

• E-Modul,• Bruchfestigkeit,• Bruchdehnung höher als die der Matrix

• zudem müssen Fasern bei Verwendung einer Geopolymermatrix ausreichende Alkaliresistenz aufweisen(z.B. PP-, AR-Glas-, Kohlefasern)

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Lastverteilung während BB-Versuches unverstärkter vs. kohlefaserverstärkter Geopolymere

5 T. Lin, D. Jia, P. He, M. Wang; “In situ crack growth observation and fracture behavior of short carbon fiber reinforced

geopolymer matrix composites”, Materials Science and Engineering, A 527 (2010), 2404–2407.

Abbildung : Vergleich Lastverteilung Matrix / Composit 5

• unverstärkte, spröde Probe: charakteristische spitze Lastverteilung, katastrophaler Bruch

• faserverstärkte Probe:viele Mikrorisse, durch Fasern abgefangen, gleichmäßigere Lastverteilung

• Effekt: faserverstärkte Probe besitzt pseudoplastisches Bruchverhalten

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Verantwortliche Mechanismen

• Rissüberbrückung & DebondingEntlastung der Rissspitze durch Überbrückung

6 Prof. R.Telle; Vorlesungsfolien Werkstoffkunde 2; Institut für Gesteinshüttenkunde, RWTH Aachen.

• PulloutEntlastung der Rissspitze durch lösen der Faser aus der Matrix

• RissablenkungVerzögerung des Hauptrisses durchHerausdrehen der Rissfront durch die Faser

6

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Wichtige Faktoren

• Riss darf Fasern nicht durchtrennen

• optimale Dispersion

• optimale Orientierung

• optimale Form

6 Prof. R.Telle; Vorlesungsfolien Werkstoffkunde 2; Institut für Gesteinshüttenkunde, RWTH Aachen.

6

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FASERVERSTÄRKUNG – Kohlefaserverstärkung

Versuche mit kohlefaserverstärkten Geopolymeren

• Verwendung von Fasern 3-12 mm• bis zu 2 wt% Fasern (bzgl. Metakaolin) verwendet• Charakterisierung mittels BB-Festigkeit

Abbildung : faserverstärkte Geopolymerprobe nach BB-Versuch

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Versuche mit kohlefaserverstärkten Geopolymeren• BB-Versuch nach DIN 843-1• nicht verstärkte Probe: linearer Anstieg der Spannung gefolgt von Sprödbruch• verstärkte Probe:

Diagramm : Biegespannung/Biegeverformungsdiagramm einer faserverstärkten (rot) & nicht verstärkten (blau) Geopolymerprobe

Bereich 1: keine Ausbildung von Mikrorissen, Matrix kompensiert BiegelastBereich 2: Ausbildung von Mikrorissen, Wachstum bis Fasern erreicht werden (Verstärkungsmechanismen treten ein) hohe mechanische Belastung liegt auf Grenzschicht

Bereich 3: erreichen einer kritischen Last, Fasern werden durch lösen der Grenzschicht aus der Matrix gezogen & es entsteht ein Hauptriss

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REM Aufnahmen nicht verstärkter & faserverstärkter Geopolymerprobennach BB-Versuch

Abbildung : Bruchkante nicht verstärkter Geopolymerprobe Abbildung : Bruchkante faserverstärkter Geopolymerprobe

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Rissablenkung an Fasern

Abbildung : REM Aufnahme verstärkter Geopolymerprobe

Rissablenkung entlang der Faser

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Mögliche Grenzschicht zwischen Fasern & Matrix

Abbildung : REM Aufnahme verstärkter Geopolymerprobe

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

D.Mosz, K.G. Süzük, Prof. Dr. R.TelleRWTH Aachen, Institut für Gesteinshüttenkunde, Aachen / Deutschland

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