Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
Diese Studie zeigt, dass unter den mit variierenden Moduli hergestellten, auf Reisschalenasche-basierten Natriumsilikat-aktivierten Abfallglaspulver-Zement-Materialien ein Modul von 1,5 die höchste 28-Tage-Druckfestigkeit (39,6 MPa) liefert, indem das Gleichgewicht zwischen der Depolymerisation des Netzwerks im frühen Alter und der Polykondensation im späteren Alter durch einen signifikanten Anstieg des Brückenoxid-Verhältnisses optimiert wird.
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In der modernen Welt steht die Bauindustrie vor einer doppelten Herausforderung: Sie muss Wege finden, stärkere, langlebigere Strukturen zu bauen und gleichzeitig den massiven CO2-Fußabdruck zu reduzieren, den die traditionelle Zementproduktion hinterlässt. Gleichzeitig produzieren Städte enorme Mengen an Festabfällen, insbesondere Glas, das nicht verrottet oder natürlich abgebaut wird und oft auf Deponien landet. Wissenschaftler wissen schon lange, dass zerstoßenes Glas als Ersatz für einen Teil des Sandes und Kieses in Beton verwendet werden kann, aber das bloße Beigeben reicht nicht aus, um es stark zu machen. Um Abfallglas in ein Bindematerial zu verwandelt, das Gebäude zusammenhält, nutzen Forscher einen Prozess namens Alkalieaktivierung. Dies beinhaltet das Mischen von Glaspulver mit einer hochalkalischen Flüssigkeit, die wie ein chemisches Lösungsmittel wirkt, um die starre Glasstruktur aufzubrechen und sie dann zu einem neuen, festen Gel neu zu montieren. Der Schlüssel zu diesem Prozess liegt in der flüssigen Aktivatorlösung selbst. Wenn die Flüssigkeit zu stark ist, baut sie das Glas schnell ab, verfügt aber möglicherweise nicht über genügend Bausteine, um später ein starkes Netzwerk zu bilden. Wenn sie zu schwach ist, kann sie das Glas nicht effektiv auflösen. Das Finden der perfekten Balance ist entscheidend für die Schaffung eines Materials, das sowohl umweltfreundlich als auch mechanisch robust ist.
Ein Forschungsteam der Quzhou University in China setzte sich zum Ziel, dieses Balanceverhältnis unter Verwendung zweier spezifischer Abfallstoffe zu lösen: Abfallglaspulver und Reisschalenasche. Reisschalenasche ist ein Nebenprodukt der Reisverarbeitung, das reich an Siliziumdioxid ist, dem gleichen Hauptbestandteil, der auch in Glas und Sand zu finden ist. Anstatt teure kommerzielle Chemikalien zu kaufen, um das Glas zu aktivieren, erstellte das Team ihren eigenen flüssigen Aktivator, indem sie die Reisschalenasche in einer Natriumhydroxidlösung auflösten. Sie mischten diese selbstgemachte Flüssigkeit dann mit dem Abfallglaspulver, um eine Paste herzustellen. Um zu verstehen, wie das Rezept die endgültige Festigkeit beeinflusst, bereiteten sie drei verschiedene Chargen vor. In jeder Charge hielten sie die Menge an Glas gleich, änderten jedoch das Verhältnis der Inhaltsstoffe in der flüssigen Aktivatorlösung. Eine Charge hatte ein niedrigeres Verhältnis von Siliziumdioxid zu Natrium, eine andere hatte ein mittleres Verhältnis und die dritte hatte ein hohes Verhältnis. Sie testeten dann, wie hart diese Materialien nach einer Woche und nach vier Wochen wurden.
Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster in der Entwicklung des Materials im Laufe der Zeit. Nach nur einer Woche war die Charge mit dem niedrigsten Siliziumdioxid-Verhältnis die stärkste und erreichte eine Druckfestigkeit von 31,4 MPa. Dies geschah, weil die höhere Konzentration der alkalischen Komponente in dieser Mischung das Glasnetzwerk sehr schnell aufbrach, was eine frühe Aushärtung ermöglichte. Doch im Laufe der Zeit änderte sich die Geschichte. Bis zum Vier-Wochen-Zeitpunkt war die Charge mit dem mittleren Siliziumdioxid-Verhältnis der klare Gewinner und erreichte eine Druckfestigkeit von 39,6 MPa, was signifikant höher war als bei den anderen beiden Gruppen. Die Charge mit dem höchsten Siliziumdioxid-Verhältnis, die über die meisten Bausteine verfügte, landete im Mittelfeld, während diejenige, die stark begann, auf die geringste Festigkeit der Gruppe absank. Diese Verschiebung zeigte, dass, obwohl ein starker anfänglicher chemischer Angriff hilft, das Material schnell fest werden zu lassen, die langfristige Festigkeit davon abhängt, genügend gelöstes Siliziumdioxid zur Verfügung zu haben, um im Laufe der Zeit ein dichtes, vernetztes Netzwerk aufzubauen.
Um zu verstehen, warum dies geschah, untersuchten die Forscher das Innere des Materials mit fortschrittlichen Bildgebungswerkzeugen, die die Anordnung der Atome und die Struktur der chemischen Bindungen sichtbar machen konnten. Sie fanden heraus, dass der Prozess keine neuen Kristalle erzeugte; stattdessen transformierte sich das Glas in einen ungeordneten, amorphen Feststoff, ähnlich dem ursprünglichen Glas, aber mit einer anderen internen Struktur. Durch die Analyse der chemischen Bindungen maßen sie das Verhältnis der „Brückenoxid“-Atome, welche die Verbindungen sind, die die Siliziumatome zu einem starken dreidimensionalen Geflecht zusammenhalten. Nach einer Woche wies die Mischung mit dem niedrigsten Siliziumdioxid-Verhältnis die höchste Anzahl dieser Verbindungen auf, was ihre frühe Festigkeit erklärte. Aber nach vier Wochen hatte die Mischung mit dem mittleren Verhältnis die höchste Anzahl an Brückenverbindungen entwickelt und erreichte 63,25 Prozent. Diese Zunahme der Verbindungen entsprach direkt dem Anstieg der Festigkeit. Die Mischung mit dem niedrigsten Siliziumdioxid-Verhältnis ging zu früh mit den Bausteinen zu Ende, um mehr Verbindungen zu bilden, während die Mischung mit dem höchsten Siliziumdioxid-Verhältnis das Glas nicht schnell genug auflöste, um all diese zusätzlichen Blöcke zu nutzen. Nur die mittlere Mischung schaffte es, das Glas gleichzeitig aufzulösen und die Verbindungen zu bilden, wodurch die stärkstmögliche Struktur entstand.
Diese Studie zeigt, dass der Weg zu einem stärkeren, grüneren Baumaterial nicht darin besteht, eine einzelne Zutat zu maximieren, sondern darin, das präzise Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit der chemischen Reaktion und der Versorgung mit Baumaterialien zu finden. Durch die Verwendung von Reisschalenasche zur Herstellung des Aktivators zeigten die Forscher, dass es möglich ist, zwei verschiedene Arten von Abfall in einen Hochleistungs-Zementersatz zu verwandeln. Die Ergebnisse legen nahe, dass für diese spezifische Kombination von Materialien eine moderate Menge an Siliziumdioxid im Aktivator die beste Umgebung bietet, damit sich das Glas auflöst und zu einem dichten, dauerhaften Netzwerk neu zusammensetzt. Dieser Ansatz bietet einen praktischen Bauplan, um die wachsenden Glasberge und landwirtschaftlichen Abfälle der Welt in eine wertvolle Ressource für nachhaltiges Bauen zu verwandeln, und beweist, dass das richtige chemische Rezept das, was einst als Müll galt, in ein Fundament für die Zukunft verwandeln kann.
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