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EP-4015480-B1 - RESIDUAL MATERIAL-BASED COMPOSITION FOR THE PREPARATION OF A GEOPOLYMER LIGHT STONE; GEOPOLYMER LIGHT STONE, METHOD FOR ITS PREPARATION AND ITS USE

EP4015480B1EP 4015480 B1EP4015480 B1EP 4015480B1EP-4015480-B1

Inventors

  • KRAFT, MICHAEL
  • FRÖHLICH, Peter
  • BERTAU, MARTIN
  • DOMBROWSKI-DAUBE, KATJA
  • Sachl, Jan
  • HUBER, RALF
  • LANGE, HEIKE

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20211206

Claims (12)

  1. Residual material based composition for manufacturing lightweight geopolymer blocks, comprising - at least one residual material based aluminosilicate binding material, - at least one residual material based alkaline activator, and - at least one residual material based porosification agent, wherein the ratio of the at least one residual material based alkaline activator to the at least one residual material based aluminosilicate binding material is in the range from 0.2 to 1.0, and the at least one residual material based aluminosilicate binding material is brick dust, and the at least one residual material based alkaline activator is an aqueous, alkaline solution containing aluminum.
  2. Residual material based composition according to claim 1, characterized in that the ratio of the at least one residual material based alkaline activator to the at least one residual material based aluminosilicate binding material is in the range from 0.35 to 0.55.
  3. Residual material based composition according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one residual material based porosification agent is a silicon based powder, wherein the silicon based powder is a waste product of the silicon producing and/or processing industry.
  4. Residual material based composition according to any of the claims 1 to 3, characterized in that the at least one residual material based alkaline activator is a sodium aluminate lye.
  5. Residual material based composition according to any of the claims 1 to 4, characterized in that the ratio of water to the at least one residual material based aluminosilicate binding material is in the range from 0.3 to 0.4.
  6. Residual material based composition according to any of the claims 1 to 5, characterized in that the ratio of the at least one residual material based porosification agent to the at least one residual material based aluminosilicate binding material is in the range from 0.001 to 0.02.
  7. Use of a residual material based composition according to any of the claims 1 to 6 for manufacturing a lightweight geopolymer block.
  8. Method for manufacturing a lightweight geopolymer block, comprising the steps a) Providing a residual material based composition according to any of the claims 1 to 6, b) Homogenous mixing the residual material based composition, c) Shaping the residual material based composition, d) Activating the shaped residual material based composition at a temperature in the range from 60°C to 100°C for maximum 24 h.
  9. Method according to claim 8, characterized in that after step d) a thermal treatment at a temperature in the range from 900°C to 1200°C for 3 h to 12 h is carried out.
  10. Lightweight geopolymer block, manufacturable from a residual material based composition according to any of the claims 1 to 6, characterized in that the lightweight geopolymer block comprises a porosity in the range from 50 to 90 Vol.-%, a compressive strength after 28 day of minimum 10 N / mm 2 , a mole ratio Si : Al in the range from 3 to 4.5 and a mole ratio Na : Al in the range from 0.5 to 0.7.
  11. Use of a lightweight geopolymer block according to claim 10 in furnace construction and/or building industry.
  12. Use of sodium aluminate lye and/or silicon powder for manufacturing a residual material based composition for manufacturing a lightweight geopolymer block according to any of the claims 1 to 6 and/or for manufacturing a lightweight geopolymer block according to claim 10 and/or in a method for manufacturing a lightweight geopolymer block according to claim 8 or 9.

Description

Die Erfindung betrifft eine reststoffbasierte Zusammensetzung zur Herstellung eines Geopolymer-Leichtsteins, einen Geopolymer-Leichtstein, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung. Die Verwertung von Reststoffen unterschiedlichster Industriezweige zur Herstellung von neuen Produkten spielt im Interesse einer nachhaltigen Nutzung von Ressourcen und Rohstoffen eine große Rolle. Im Bereich des Bauwesens stellen Geopolymere eine ressourcenschonende Alternative dar, z.B. als Zementersatz oder zur Herstellung von Ziegeln als Baumaterial. Geopolymere sind anorganische calciumfreie Polymere auf Basis von Silicium- und Aluminiumoxid. Davidovits et al beschreiben die Herstellung von Geopolymeren als chemische Reaktion, insbesondere Polykondensation, von Alumo-Silikat-Oxiden mit alkalischen Polysilikaten, welche in polymeren Si-O-Al Bindungen resultiert. Sie entstehen bei der Reaktion eines hochalkalischen Aktivators und einer reaktiven Komponente auf Basis von Silicium- und Aluminiumoxid. Ein Beispiel für eine reaktive Komponente auf Basis von Silicium- und Aluminiumoxid ist Metakaolin, welches aus natürlich vorkommenden, kaolinitischem Ton hergestellt wird. Die hochalkalischen Aktivatoren enthalten Alkalisilikate, wie bspw. Alkaliwassergläser und deren Lösungen. Geopolymere sind schnell erhärtend, binden schrumpffrei ab und weisen hohe Druckfestigkeiten auf. Des Weiteren sind sie aufgrund ihrer Struktur und Zusammensetzung nicht brennbar, temperaturbeständig, formstabil und zeigen gegenüber allen anorganischen und organischen Säuren (außer Flusssäure) eine erhöhte Beständigkeit. Geopolymere aus Reststoffen herzustellen ist bspw. aus Zawrah et al bekannt. Hier werden aus Ziegelmehl, einem Abfallprodukt der Ziegelherstellung, Hüttensand und einer alkalischen Aktivatorlösung aus NaOH und Na2SiO3 Geopolymer-Formkörper für den Einsatz als Baumaterial hergestellt. Tuyan et al untersuchen die Auswirkungen der Aktivatorkonzentration auf das Aushärteverhalten von Geopolymermischungen aus Ziegelmehl, Natriumsilikat, Natriumhydroxid und Sand. WO 2020/120405 A1 offenbart eine Geopolymer-Schaumzusammensetzung aus einem chemisch und einem mechanisch geschäumten Aluminiumsilikat-Geopolymer. In DE 100 41 834 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Porenbetonbauelementen offenbart, bei dem ein Treibmittel wie Aluminiumpulver der Schlämme zugegeben wird. In EP 2 462 075 B1 wird eine Zusammensetzung zur Herstellung eines Feuerleichtsteins enthaltend wenigstens ein Aluminiumsilikat und/oder ein Calcium-Aluminiumsilikat und ein anorganisches Bindemittel, wie Gips, Calciumsulfat-Halbhydrat, Anhydrit, offenbart. EP 1 686 105 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen feuerfester Leichtsteine aus Schleif- oder Mahlstaub von Feuerleichtsteinen, einem Bindemittel, wie Wasserglas oder Aluminiumphosphat, und Zusatzstoffen. WO 2008/017109 A1 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines Geopolymers. Dabei wird einer alkalischen Prozessflüssigkeit aus unterschiedlichen Verfahrensstufen des Bayer-Prozesses, eine SiO2- und eine Al2O3-Quelle, wie u.a. Flugasche zugegeben. Weiterhin kann eine ätzende Lösung, wie eine konzentrierte wässrige Lösung eines Alkalimetals oder Erdalkalihydroxids, zugegeben werden. DE 10 2017 120 789 A1 offenbart einen Mörtel für Kanalsanierungen, umfassend ein Geopolymer, umfassend Silica (bspw. Microsilica als Reststoff der chemischen Industrie) und Natriumaluminat (bspw. aus Abfallströmen der Aluminium-Anodisierung), und ein Additiv, umfassend CaO (bspw. gemahlener Hüttensand, Stein-/Braunkohleflugasche oder Zement). WO 2019/072993 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines dichten Geopolymers aus einem Precursor, umfassend eine Gibbsit-reiche Quelle, wobei der Precursor alkalisch aktiviert - bspw. mittels reststoffbasierter alkalischer Lösungen - gemischt und geformt und hydrothermal ausgehärtet wird. KR 2020 0001255 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines leichten Geopolymerblocks. Dabei wird ein Geopolymerrohmaterial aus dem Reststoff Schlacke und einem reststoffbasierten Porosierungsmittel mit einer komplexen Aktivatorlösung gemischt. DE 10 2014 003 104 A1 beschreibt eine Zusammensetzung zur Herstellung von Schaum- und Blähmassen aus einem alumosilikatischen Bindemittel, wie bspw. Flugasche oder Ziegelmehl, einem alkalischen Aktivator, wie bspw. Kaliumhydroxid oder Natronlauge. Der Zusammensetzung können Additive, bspw. Porosierungsmittel, wie Ausbrennstoffe oder mit Wasser exotherm reagierende Stoffe, wie bspw. Styropor, Brandkalk zugegeben werden. Aus dem Stand der Technik sind derzeit keine vollständig reststoffbasierten Zusammensetzungen zur Herstellung von Geopolymer-Leichtsteinen bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine vollständig reststoffbasierte Zusammensetzung zur Herstellung von Geopolymer-Leichtsteinen, als auch einen Geopolymer-Leichtstein und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch eine reststoffbasierte Zusammensetzung, e