TU Darmstadt / ULB / TUprints

Zur Säurebeständigkeit von Geopolymeren

Vogt, Oliver (2021):
Zur Säurebeständigkeit von Geopolymeren. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019711,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Zur Säurebeständigkeit von Geopolymeren
Language: German
Abstract:

Die Schwefelsäure induzierte Korrosion von Beton auf Basis von Portlandzement ist ein seit Jahren bekanntes Problem, welche immense Schäden an Betonbauteilen in Biogasanlagen, Kläranlagen, Kanalsystemen und in Kühltürmen von Kraftwerken zur Folge hat. Beim Schwefelsäure-Angriff resultiert der extrem niedrige pH-Wert in einer Kombination aus lösendem und treibendem Angriff des Betons, dem die meisten Betone keinen nennenswerten Widerstand entgegenzusetzen haben. Eine seit vielen Jahren erforschte Alternative zu Betonen mit Portlandzement als Bindemittel sind sogenannte Geopolymere. Diese Sonderform der alkalisch aktivierten Bindemittel bestehen aus einem reaktiven alumosilicatischen Pulverrohstoff und einer alkalischen Aktivierungslösung, wobei der Kontakt der beiden Ausgangsstoffe zur Bildung des für Geopolymere typischen anorganischen, alumosilicatischen Polymers führt. Die im Vergleich zu Portlandzement-Bindemitteln erhöhte Säurebeständigkeit konnte in der Vergangenheit durch verschiedenste Publikationen nachgewiesen werden. Dabei wurde in vielen Fällen auf das Si/Al-Verhältnis des alumosilicatischen Polymers verwiesen, da höhere Si/Al-Verhältnisse, gleichzusetzen mit höheren Anteilen an Silicium im Geopolymer, zu einer erhöhten Säurebeständigkeit führen. Die Beurteilung des Si/Al-Einflusses auf die Säurebeständigkeit des Geopolymers wurde durch verschiedenste Analyseverfahren sowie unter Einsatz unterschiedlichster Geopolymer-Rohstoffe bzw. Geopolymer-Rezepturen erforscht. Was in diesem Zusammenhang jedoch kaum berücksichtigt wurde, sind die chemisch-physikalischen Veränderungen in bestimmten Tiefen des korrodierten Randbereichs zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Schwefelsäure-Exposition. Die vorliegende Dissertation knüpft an eben dieser noch offenen Fragestellung an. Die elementare Grundlage dieser Arbeit bildet daher eine allgemeine Recherche zum Stand der Technik im Bereich der Geopolymer-Technologie, sowie insbesondere zum Thema der Säurebeständigkeit dieser speziellen, alkalisch aktivierten Bindemittel. Das experimentelle Versuchsprogramm beinhaltet die ausführliche Charakterisierung der eingesetzten Pulverrohstoffe Metakaolin und Silicastaub, die in variierenden Anteilen mit einer Kaliumsilicatlösung aktiviert wurden. Dabei wurde Silicastaub gezielt zur Erhöhung des Si/Al-Verhältnisses in die Geopolymer-Rezepturen eingebunden. Um die Intensität der Schwefelsäure induzierten Korrosion der Geopolymere qualitativ und quantitativ beurteilen zu können, wurden verschiedenste Geopolymer-Rezepturen über einen Zeitraum von bis zu 84 Tagen in Schwefelsäure mit einem pH-Wert von 1,0 gelagert. Der Korrosionswiderstand und die durch die Schwefelsäure hervorgerufene Zerstörung des korrodierten Randbereichs zu unterschiedlichen Prüfzeitpunkten wurde unter anderem mittels XRD (Röntgendiffraktometrie), FTIR (Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie), REM (Rasterelektronenmikroskopie) und EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) geprüft. Der Schwerpunkt des experimentellen Versuchsprogramms ergibt sich durch die EDX-Analyse der Geopolymere vor und nach der Schwefelsäure-Exposition. Dabei wurde die stoffliche Zusammensetzung der Geopolymere, ausgehend vom korrodierten Randbereich der Proben, bis in den Kern der Prüfkörper durch EDX-Mappings semi-quantitativ erfasst. Die Unterteilung der EDX-Mappings in Segmente ermöglichte die Generierung von EDX-Tiefenprofilen. Mit diesen konnte in 100 µm-Schritten die stoffliche Zusammensetzung in einer beliebigen Tiefe des korrodierten Prüfkörpers nachgewiesen werden. Anhand dieser Daten wurde ersichtlich, wie sich das Si/Al-Verhältnis auf den Korrosionswiderstand auswirkt, welche Elemente zu den verschiedenen Prüfzeitpunkten aus den Prüfkörpern ausgelaugt wurden und durch welche Anteile an Silicastaub ein deutlich erhöhter Erosions- und Korrosionswiderstand erreicht werden kann. Im abschließenden Kapitel wird durch eine Regressionsanalyse der EDX-Tiefenprofile aufgezeigt, wie sich abweichende Si/Al-Verhältnisse der Geopolymere, bzw. abweichende Anteile an Silicastaub in den Rezepturen, auf die Korrosionsrate und den Korrosionsfortschritt auswirken.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Sulfuric acid-induced corrosion of portland cement-based concrete has been a well-known problem for years, causing immense damage to concrete building components in biogas plants, sewage plants, sewage systems and in cooling towers of power plants. In the case of sulfuric acid attack, the extremely low pH results in a combination of dissolving and expanding attack of concrete, which most concretes have no significant resistance to. An alternative to concrete with portland cement as a binder, which has been researched for many years, are so-called geopolymers. This special type of alkali-activated binder consists of a reactive, aluminosilicate, powdery raw material and an alkaline activating solution, whereby the contact of the two precursors leads to the formation of the inorganic, aluminosilicate polymer typical of geopolymers. The increased acid resistance compared to portland cement binders has been demonstrated by various publications in the past. In many cases, reference was made to the Si/Al ratio of the aluminosilicate polymer, since higher Si/Al ratios, equivalent to higher proportions of silicon in the geopolymer, lead to an increased acid resistance. The evaluation of the Si/Al influence on the acid resistance of the geopolymer has been researched by a wide variety of analytical methods as well as by using various geopolymer precursors or geopolymer formulations. What has hardly been considered in this context, however, are the chemical-physical changes at certain depths of the corroded surface layer at different durations of exposure to sulfuric acid. The present dissertation takes up precisely this still open question. The elementary basis of this work is therefore a general research on the state of the art in the field of geopolymer technology, and in particular on the subject of the acid resistance of these special alkali-activated binders. The experimental program includes the detailed characterization of the powdery precursors metakaolin and silica fume, which were activated in varying proportions with a potassium silicate solution. Silica fume was specifically incorporated into the geopolymer formulations to increase the Si/Al ratio. In order to qualitatively and quantitatively assess the intensity of sulfuric acid induced corrosion of the geopolymers, a wide variety of geopolymer formulations were stored in sulfuric acid with a pH of 1.0 for a period of up to 84 days. The corrosion resistance and the destruction of the corroded surface layer caused by the sulfuric acid at different durations of exposure were analysed using XRD (X-ray diffraction), FTIR (Fourier-transform infrared spectroscopy), SEM (scanning electron microscopy) and EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy), among other methods. The main focus of the experimental test program results from EDX analysis of the geopolymers before and after sulfuric acid exposure. Thereby, the material composition of the geopolymers, starting from the corroded surface layer of the samples to the core of the test specimens, was semi-quantitatively recorded by EDX mappings. The subdivision of those EDX mappings into segments enabled the generation of EDX depth profiles. With these, the chemical composition could be detected in 100 µm steps at any depth of the corroded specimen. Based on these data, it was possible to see how the Si/Al ratio affects corrosion resistance, which elements were leached from the specimens at various durations of exposure, and which proportions of silica fume can be applied to achieve a significantly increased erosion and corrosion resistance. In the final chapter of the dissertation, a regression analysis of the EDX depth profiles shows, how deviating Si/Al ratios of the geopolymers, resp. deviating proportions of silica fume in the formulations, affect the corrosion rate and the corrosion progress.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVIII, 218 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Construction and Building Materials
Date Deposited: 11 Oct 2021 12:09
Last Modified: 11 Oct 2021 12:09
DOI: 10.26083/tuprints-00019711
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197113
Referees: Koenders, Prof. Dr. Eduardus A. B. ; Dehn, Prof. Dr. Frank
Refereed: 9 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19711
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