Einfluss der Struktur von Aluminium-Metaphosphaten auf die chemische Härtung von Kalium-Wasserglas-Bindern

In dieser Arbeit wurden erstmals die strukturelle Wechselwirkung zwischen Kalium- Wasserglas-Systemen mit Aluminium-Tetrametaphosphat sowie generell uber Wasserglas-Systeme mit Aluminium-Hexametaphosphat als chemischer Harter untersucht. Dabei wurde der kristalline Phasengehalt mittels Pulverdiffraktometrie und anschliesender Rietveld-Analyse qualitativ und quantitativ beschrieben. Die Untersuchung des amorphen Phasengehalts erfolgte uber verschiedene spektroskopische Methoden (NMR-, ATR-IR- und Raman-Spektroskopie). Das Loslichkeitsverhalten der chemischen Harter in alkalischer Umgebung wurde mit der optischen Emissions- und Elektronenabsorptionsspektroskopie gemessen. Fur die Untersuchung der mechanischen Parameter kamen die Drei-Punkt- Biegefestigkeitsprufung, die Resonanz-Frequenz-Dampfungsanalyse und die Saureprufung zum Einsatz. Die Gefuge-Struktur der chemisch geharteten Wasserglaser wurde rasterelektronenmikroskopisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Reaktionsmechanismus der Hartungsreaktion von Kalium-Wasserglasern und Aluminium-Metaphosphaten in Abhangigkeit von der Metaphosphat-Struktur auf unterschiedlichen Wegen ablauft. Bei Aluminium- Tetrametaphosphat bildet sich beim Herauslosen der Aluminium-Ionen aus dem Metaphosphat in einer Ionen-Austauschreaktion das Kalium-Tetrametaphosphat- Dihydrat. Bei Proben mit Aluminium Hexametaphosphat konnte keine vergleichbare Struktur nachgewiesen werden. Parallel dazu findet eine Depolymerisationsreaktion der cyclischen Phosphat-Struktur statt, die stufenweise uber mehrere Schritte zum kristallinen Kaliumdihydrogenphosphat abgebaut wird. Das Einbringen des jeweiligen Aluminium-Metaphosphats verursacht einen Abfall des pH-Wertes, wodurch die Polykondensation der Wasserglas-Struktur in Gang gesetzt wird. Diese Polykondensation wird weiter verstark, indem bei der Depolymerisation des Metaphosphats die Kalium-Ionen in Form von unterschiedlich stark kondensierten Kaliumphosphaten bzw. Kaliumhydrogenphosphaten dem Wasserglas entzogen werden, was zu einer weiteren Herabsetzung des pH-Wertes und somit zu einer Senkung der elektrostatischen Stabilisierung des Wasserglases fuhrt. Die aus der Aluminium-Metaphosphat-Struktur herausgelosten Aluminium-Ionen dringen in die abbindende, silikatische Netzwerkstruktur ein und bilden eine alumosilikatische Bindermatrix. Dieser Effekt ist bei Aluminium-Hexametaphosphat deutlich starker ausgepragt als bei Aluminium-Tetrametaphosphat. Weiterhin entstehen rontgenamorphe, hydratisierte Aluminiumphosphat-Strukturen, die in eigenen Bereichen innerhalb der amorphen Bindermatrix vorliegen. Daraus folgt, dass es sich bei den chemisch gebundenen Kalium-Wasserglas-Bindern um kein homogenes System handelt. Dies liegt hauptsachlich an der hohen Oberflachenladung und der Viskositat des Wasserglases, da mit dem Eintrag des feinen Harterpulvers dieses sofort verklumpt. Trotz optimierter Homogenisierungstechniken bleiben Teile des Harters in begrenzten Bereichen bestehen, die dazu fuhren, dass dieser nicht vollstandig umgesetzt wird. Innerhalb der amorphen Bindermatrix liegen teilweise verschieden stark kondensierte Phosphat-Einheiten, silikatische und alumosilikatische Phasen angrenzend nebeneinander vor. Dazu kommen neugebildete kristalline Phasenbestandteile sowie Anteile an nicht vollstandig umgesetztem Aluminium-Metaphosphat-Harter. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften lasst sich zusammenfassen, dass mit zunehmender MVZ des Kalium-Wasserglases die Saurebestandigkeit der Probe sowie der Grad der Porositat zunehmen. Die mechanische Festigkeit und der Elastizitatsmodul hingegen nehmen mit steigender MVZ ab. Mit einer Anderung der Metaphosphat-Struktur vom Aluminium-Tetrametaphosphat zum Aluminium- Hexametaphosphat nimmt die chemische Bestandigkeit gegenuber dem Saureangriff ab, auch sinkt der Grad der Porositat. Die Biegefestigkeit und der Elastizitatsmodul liegen bei den Proben mit Aluminium-Hexametaphosphat als chemischen Harter niedriger. Somit lassen sich Aussagen uber kunftige Wirkungsweisen hinsichtlich der Rezeptoptimierung treffen, um gezielt die chemische Bestandigkeit oder die mechanischen Eigenschaften wie Porositat, Festigkeit oder Steifigkeit nach dengewunschten Anforderungen anzupassen.