Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

In vielen Teilen der Welt ist der praktischste Weg, ein Haus zu bauen, die Verwendung der Erde selbst. Komprimierte Erdblöcke, die im Wesentlichen Ziegel aus Erde sind, die fest in Formen gepresst wurde, bieten eine kostengünstige und nachhaltige Alternative zu gebrannten Tonziegeln oder Beton. Da rohe Erde jedoch schwach ist und zerbröckelt, wenn sie nass wird, mischen Bauherren traditionell ein Bindemittel bei, um sie zusammenzuhalten. Seit Jahrzehnten ist die Standardwahl gewöhnlicher Portlandzement, ein Material, das zu einer steinähnlichen Struktur aushärtet, aber enorme Umweltkosten verursacht, da bei seiner Herstellung riesige Mengen an Kohlendioxid freigesetzt werden. Während die Welt nach grüneren Baumethoden sucht, hat sich die Aufmerksamkeit der Wissenschaftern auf ein anderes Bindemittel gelenkt: Geopolymere. Dieses Material entsteht durch das Mischen von lokalem Ton mit einer starken alkalischen Lösung, was eine chemische Reaktion auslöst, die den Ton in eine harte, gesteinsähnliche Substanz verwandelt, ohne dass eine Hochtemperaturbrandung erforderlich ist. Die Frage, der sich die Forscher stellen, ist, ob dieser neue, kohlenstoffärmere Ansatz tatsächlich der Leistung herkömmlichen Zements standhalten kann, insbesondere in den feuchten, tropischen Klimazonen, in denen diese Gebäude am dringendsten benötigt werden.

Ein Forschungsteam mit Sitz in Kamerun und Deutschland machte sich daran, diese Frage zu beantworten, indem es zwei Arten von stabilisierten Erdblöcken direkt miteinander verglich. Sie nahmen eine spezifische Art von rotem, tonreichem Boden, der als Laterit bekannt ist und in der Region häufig vorkommt, und bereiteten ihn auf zwei verschiedene Arten für die Verwendung vor. Für die erste Gruppe von Blöcken mischten sie die Erde mit gewöhnlichem Portlandzement. Für die zweite Gruppe verwendeten sie ein Geopolymer-Bindemittel aus Kaolin, einer Tonart, die zunächst auf eine hohe Temperatur erhitzt wurde, um sie chemisch reaktiv zu machen, und dann mit einer flüssigen alkalischen Lösung gemischt wurde. Sie erzeugten Blöcke mit unterschiedlichen Mengen dieser Bindemittel, die von fünf bis zehn Prozent des Gesamtgewichts reichten, und pressten sie mit einer schweren Maschine in feste Formen. Nachdem sie die Blöcke eine Woche und zwei Wochen lang ruhen und aushärten ließen, unterzog das Team sie einer Reihe strenger Tests, um zu sehen, wie stark sie waren, wie viel Wasser sie aufnahmen und wie ihre interne Struktur unter einem Mikroskop aussah.

Die Ergebnisse zeigten eine klare Spaltung in der Leistung, je nachdem, welche Art von Festigkeit entscheidend war. Als die Forscher testeten, wie viel Gewicht die Blöcke tragen konnten, bevor sie zerquetscht wurden, erwiesen sich die Geopolymer-Blöcke als der stärkere Kandidat. Bei dem höchsten Bindemittelgehalt von zehn Prozent und nach zwei Wochen Aushärtungszeit konnten die Geopolymer-Blöcke einer Quetschkraft von 10,62 Megapascal im trockenen Zustand und beeindruckenden 10,12 Megapascal selbst nach dem Tränken in Wasser standhalten. Im Gegensatz dazu konnten die Zementblöcke bei demselben Gehalt im trockenen Zustand nur 8,12 Megapascal bewältigen und fielen im nassen Zustand auf 6,75 Megapascal ab. Dieser Unterschied ist signifikant, da er zeigt, dass die Geopolymer-Blöcke nicht nur stärker begannen, sondern auch bei Kontakt mit Feuchtigkeit viel besser standhielten und nur sehr wenig an Festigkeit verloren. Die Zementblöcke hingegen erlitten einen viel größeren Festigkeitsverlust bei Nässe, was darauf hindeutet, dass sie anfälliger für Erosion und Schäden durch starke Regenfälle sind.

Die Geschichte war anders, als die Forscher die Blöcke auf Flexibilität testeten, also auf ihre Fähigkeit, sich zu biegen, ohne zu brechen. In diesem Bereich übernahmen die traditionellen Zementblöcke die Führung. Die zementstabilisierten Blöcke konnten einer Biegekraft von 4,22 Megapascal standhalten, während die Geopolymer-Blöcke nur 2,81 Megapascal schafften. Dies deutet darauf hin, dass das Geopolymer zwar ein sehr hartes und dichtes Material erzeugt, das dem Zerquetschen widersteht, aber spröder ist und weniger in der Lage ist, die Biege- oder Verdrehungskräfte zu bewältigen, die bei einem Erdbeben oder einer ungleichmäßigen Setzung des Bodens auftreten könnten. Der Zement hingegen behält im Vergleich dazu etwas mehr Flexibilität bei, wodurch er Spannungen aufnehmen kann, ohne so leicht zu brechen.

Um zu verstehen, warum diese beiden Materialien so unterschiedlich reagierten, betrachtete das Team das Innere der Blöcke mit speziellen Bildgebungswerkzeugen, die die Anordnung von Atomen und Molekülen offenbaren. Sie fanden heraus, dass die Zementblöcke die erwarteten chemischen Produkte der Zementhydratation enthielten, zusammen mit einigen unreagierten Zementpartikeln, die aufgrund des geringen Wassergehalts bei der Herstellung der Ziegel nicht vollständig gemischt worden waren. Die Geopolymer-Blöcke hingegen zeigten eine andere interne Landschaft. Anstelle von Zementkristallen enthielten sie ein dichtes, amorphes Gel – eine Substanz, die keine starre Kristallstruktur besitzt, aber die Bodenpartikel eng miteinander verbindet. Dieses Gel entstand, weil das hitzebehandelte Kaolin mit der alkalischen Lösung reagierte, um ein neues, dreidimensionales Netzwerk zu schaffen. Dieses Netzwerk war so effektiv darin, die winzigen Lücken zwischen den Bodenpartikeln zu füllen, dass die Geopolymer-Blöcke letztlich dichter und weniger porös waren als die Zementblöcke. Sie absorbierten signifikant weniger Wasser, wobei die besten Geopolymer-Proben nur etwa neun Prozent ihres Gewichts an Wasser aufnahmen, verglichen mit fast zwölf Prozent bei den Zementproben.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass keines der Materialien ein perfekter Ersatz für das andere in jeder Situation ist, aber das Geopolymer ein überzeugendes Alternativangebot für spezifische Bedürfnisse bietet. Für Bauherren in tropischen Regionen, in denen schwerer Regen eine ständige Bedrohung darstellt, bieten die Geopolymer-Blöcke einen überlegenen Widerstand gegen Wasserschäden und eine höhere Druckfestigkeit, was sie ausgezeichnet für tragende Wände macht, die trocken und solide bleiben müssen. Wenn jedoch Anwendungen im Vorderおgrund stehen, bei denen die Struktur flexibel sein oder Biegekräfte widerstehen muss, behält der traditionelle Zement den Vorteil. Die Forschung zeigt, dass es durch die Verwendung lokal verfügbarer Materialien und eines kohlenstoffarmen chemischen Prozesses möglich ist, Erdblöcke zu schaffen, die nicht nur umweltfreundlich, sondern auch technisch überlegen in Bezug auf Dauerhaftigkeit und Wasserstabilität sind. Diese Arbeit legt nahe, dass die Zukunft des nachhaltigen Wohnungsbaus in diesen Regionen darin liegen könnte, das richtige Bindemittel für den richtigen Zweck zu wählen, anstatt sich auf eine einzige, universelle Lösung zu verlassen.