DE102019114416B4 - Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens Download PDF

Info

Publication number
DE102019114416B4
DE102019114416B4 DE102019114416.7A DE102019114416A DE102019114416B4 DE 102019114416 B4 DE102019114416 B4 DE 102019114416B4 DE 102019114416 A DE102019114416 A DE 102019114416A DE 102019114416 B4 DE102019114416 B4 DE 102019114416B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
salt
geopolymer
binder
dry mix
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102019114416.7A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102019114416A1 (de
Inventor
Patrick Sturm
Hans-Carsten Kühne
Gregor J. G. Gluth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Original Assignee
Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie filed Critical Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority to DE102019114416.7A priority Critical patent/DE102019114416B4/de
Publication of DE102019114416A1 publication Critical patent/DE102019114416A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102019114416B4 publication Critical patent/DE102019114416B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/04Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/06Quartz; Sand
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/04Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/06Quartz; Sand
    • C04B14/062Microsilica, e.g. colloïdal silica
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/02Granular materials, e.g. microballoons
    • C04B14/36Inorganic materials not provided for in groups C04B14/022 and C04B14/04 - C04B14/34
    • C04B14/365Gypsum
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B18/00Use of agglomerated or waste materials or refuse as fillers for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of agglomerated or waste materials or refuse, specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B18/04Waste materials; Refuse
    • C04B18/06Combustion residues, e.g. purification products of smoke, fumes or exhaust gases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B22/00Use of inorganic materials as active ingredients for mortars, concrete or artificial stone, e.g. accelerators, shrinkage compensating agents
    • C04B22/0093Aluminates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/006Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mineral polymers, e.g. geopolymers of the Davidovits type
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B40/00Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability
    • C04B40/0075Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability making use of a decrease in temperature
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B40/00Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability
    • C04B40/06Inhibiting the setting, e.g. mortars of the deferred action type containing water in breakable containers ; Inhibiting the action of active ingredients
    • C04B40/0608Dry ready-made mixtures, e.g. mortars at which only water or a water solution has to be added before use
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00043Anhydrous mixtures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00034Physico-chemical characteristics of the mixtures
    • C04B2111/00215Mortar or concrete mixtures defined by their oxide composition
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00663Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filling material for cavities or the like
    • C04B2111/00698Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as filling material for cavities or the like for cavity walls
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00724Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 in mining operations, e.g. for backfilling; in making tunnels or galleries
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00767Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for waste stabilisation purposes
    • C04B2111/00775Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for waste stabilisation purposes the composition being used as waste barriers or the like, e.g. compositions used for waste disposal purposes only, but not containing the waste itself
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00862Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for nuclear applications, e.g. ray-absorbing concrete
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/34Non-shrinking or non-cracking materials
    • C04B2111/343Crack resistant materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/10Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)

Abstract

Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels, bestehend aus:- einem Bindemittel, wobei das Bindemittelein silicahaltiges Material undein alkalisches Aluminat umfasst; und- einer Salzgesteinskörnung, ausgewählt unter Halit und Sylvin; wobei im Bindemittel ein molares Verhältnis von SiO2zu Al2O3, ausgedrückt in mol/mol, 2,0 bis 10,0 beträgt und ein Anteil der Salzgesteinskörnung an der Trockenmischung 30,0 - 70,0 Masse-% beträgt.

Description

  • Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens
  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Verschluss- und Stützbauwerke und betrifft die Sicherung von End- oder Zwischenlagern für Reststoffe.
  • Vorbekannter Stand der Technik
  • Seit einigen Jahrzehnten werden Verschluss- und Stützbauwerke mit zementgebunden Bindemitteln (Portlandzement, HO- oder Magnesiumchloridzement) unter der Verwendung von Salz (z. B. Steinsalz als Gesteinskörnung) und Sand untersucht. Die US 2012/ 0 024 196 A1 offenbart eine Trockenmischung für ein Geopolymerbindemittel und einen daraus herstellbaren Geopolymerbeton oder -mörtel, die SiO2-haltiges Material wie Flugasche und weitere silicahaltige Gelier- und Härtungsmittel wie Metakaolin, Nanosilica, Zeolithe, Bettasche, Hüttensand etc. sowie Natriumaluminat, Calciumchlorid und Gips umfasst, jedoch kein Salz (z.B. Steinsalz) als Gesteinskörnung für den Beton beinhaltet. S. Greiser (2018) beschreibt in der Dissertation „NMR-Untersuchungen zum Reaktionsprozess von one-part Geopolymeren“; Humboldt-Universität zu Berlin; die Entwicklung von 29Si MAS NMR und 29Si-17Al TRADPOR MAS NMR Methoden zur Charakterisierung von einkomponentigen Geopolymeren.
  • Nachteile des Standes der Technik
  • Aufgrund ihrer Massigkeit und der Verwendung von chloridhaltigen Salzen als Gesteinskörnung und der teilweisen Lösung von Chloriden kommt es zu einer meist sehr hohen Wärmeentwicklung während der Erhärtung dieser Baustoffe. Die thermische Dehnung und das zumeist vorhandene chemische oder Trocknungsschwinden führen zu unerwünschter Rissbildung in solchen Bauteilen. Für die Funktion eines Verschlussbauwerks in einem End- oder Zwischenlager ist die weitestgehende Rissfreiheit und die Dichtigkeit des Baustoffs aber eine grundlegende Eigenschaft. Außerdem erfordern herkömmliche Verfahren der Erzeugung von Geopolymeren den Einsatz hochalkalischer Lösungen, beispielsweise von Wasserglas. Der Umgang mit derlei hochalkalischen Lösungen (Lösungen der Salze einer starken Base und einer schwachen Säure sind hochalkalisch) ist mit entsprechenden Gefahren für die Gesundheit des Anwenders verknüpft und erfordern entsprechende Schutzvorkehrungen.
  • Problemstellung
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Baustoff und ein Verfahren zu dessen Verwendung bereitzustellen, der zur Bereitstellung eines Verschlussbauwerks in einem End- oder Zwischenlager geeignet ist. Über die Eigenschaften des Baustoffs sollen dabei insbesondere die Rissfreiheit und die Dichtigkeit bei gleichzeitig ausreichender mechanischer Festigkeit und Dauerhaftigkeit gewährleistet werden. Außerdem soll der Arbeitsschutz im Umgang mit den erforderlichen Komponenten erleichtert werden.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • Erfindungsgemäß wird die Erzeugung von Geopolymeren aus SiO2-reichen Ausgangsstoffen und alkalischen Aluminaten, insbesondere Natriumaluminat, zur Herstellung von nahezu schwindungsfreien und damit rissfreien Verschlussbauteilen großen Volumens/Masse unter Verwendung von NaCl - umfassender Gesteinskörnung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Die mechanischen Eigenschaften, das Brandverhalten und chemische Dauerhaftigkeitsverhalten der so erhaltenen Materialien übersteigt das konventioneller Systeme zum Teil sehr deutlich. Weitere Ausführungsformen, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine Trockenmischung zum Erhalt eines Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels vorgeschlagen. Die Trockenmischung umfasst ein Bindemittel und eine Salzgesteinskörnung. Das Bindemittel weist die zwei Komponenten: SiO2-reiches Material und alkalisches Aluminat auf. So gut wie keine Gesteinskörnung aus natürlich vorkommendem Salz ist ein reinphasiges Mineral. Die Salzgesteinskörnung wird ausgewählt unter Halit und Sylvin, d.h. ein Gestein mit einem hohen Anteil an diesen Halogenid-Mineralen (Salinargestein). Dabei weist das Bindemittel ein molares Verhältnis von SiO2 zu Al2O3, ausgedrückt in mol/mol, von 2,0 bis 10,0, bevorzugt 3,5 bis 6,0 auf. Bezogen auf die Masse des silicahaltigen Materials (SiO2-reiches Material) und die Masse des alkalischen Aluminats (Alumina-Rohstoffe) entspricht das einem Masseverhältnis von 0,75 bis 3,00 im trockenen Bindemittel. In diesem Zusammenhang wird unter einem SiO2-reichen Material ein Material verstanden, das zumindest 80 Masse-% SiO2 umfasst.
  • Die vorgeschlagene Trockenmischung ist für die Ausbildung von Baustoffen auf der Basis von traditionell alkaliaktivierten Bindemitteln (z.B. vorbekannten Geopolymeren), insbesondere für die Herstellung von dichten und dauerhaften Verschluss- oder Stützbauwerken für End- und Zwischenlager in Salzlagerstätten geeignet. Vorteilhaft belegen experimentelle Ergebnisse der Verwendung der bezeichneten Trockenmischung, dass sowohl während der Ausbildung der Geopolymere entstehendes, als auch in der Gesteinskörnung oder als Gesteinskörnung enthaltenes Natriumchlorid die Polymerisationsreaktion zur Ausbildung von Geopolymeren nicht nachweisbar beeinflusst. Die in der vorgeschlagenen Trockenmischung enthaltene Salzgesteinskörnung, je nach Korngrößenverteilung für Salzbeton (Salzgesteinskörnung > 4 mm) und Salzmörtel (Salzgesteinskörnung < 4 mm) ist somit inert gegenüber dem Bindemittel. Zu seiner Aktivierung wird entgegen vorbekannten Methoden (Rezepturen) der Erzeugung von Geopolymeren kein Wasserglas, sondern ausschließlich Wasser benötigt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kommen als SiO2-reiches Material insbesondere Mikrosilica, industrielle Filterrückstände (z. B. aus der Chlorosilanherstellung), biogene Silica (z. B. Reisschalenasche) und geothermale Silica in Frage.
  • Vorteilhaft können so kostengünstig oder gar zu negativen Kosten erhältliche Reststoffe großtechnischer Prozesse einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das alkalische Aluminat ausgewählt unter: einem Natriumaluminat (NaAlO2); einem Lithiumaluminat (LiAlO2) und einem Kaliumaluminat (KAlO2).
  • Vorteilhaft stehen die benannten Aluminate großtechnisch zur Verfügung und fallen als Nebenprodukte an, beispielsweise beim Bayer-Verfahren zur Aluminiumproduktion und bei der Aluminiumeloxierung, sodass deren Verwertung häufig zu geringen Kosten möglich ist.
  • Ein Anteil der Gesteinskörnung an der Trockenmischung beträgt 30,0-70,0 Masse-%.
  • Vorteilhaft kann über den bezeichneten Anteil der Salzgesteinskörnung ein Festigkeits- und Verformungsverhalten ähnlich zum umgebenden Muttergestein erzielt werden. Somit können negative Wechselwirkungen zwischen dem Verschlussbauwerk und umgebendem Gebirge minimiert werden. Die zu erwartenden Druckfestigkeiten liegen dabei nach 91 Tagen bei ≥ 20 MPa, betragen beispielsweise ≥ 22 MPa.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Verwendung der beschriebenen Trockenmischung zum Herstellen eines Verschlussbauwerks oder eines Stützbauwerkes vorgeschlagen, wobei das Verschlussbauwerk und das Stützbauwerk in direktem Kontakt zu einem Salzstock, einem Salinargestein oder einem Grubengebäude einer Salzlagerstätte steht.
  • Vorteilhaft haben die erhältlichen Verschluss- und Stützbauwerke neben dem zuvor ausgeführten Festigkeits- und Verformungsverhalten, vor allem eine hohe Dichtigkeit (Luftpermeabilität im trockenen Zustand < 1×10-10 m2) und damit verbunden einen hohem Abschirmungsgrad für endgelagerte Materialien. Die langsam freiwerdende Reaktionswärme begünstigt die Bildung eines dichten und rissfreien Gefüges, da nicht mit Rissbildung auf Grund von thermischer Ausdehnung bei Erhärten und nachträglichen Schwinden durch die Abbindereaktion oder Abkühlung zu rechnen ist. Der Einsatz von Natrium bei den entsprechend hohen pH-Werten der Porenlösung nach der Wasserzugabe stabilisiert NaCl (Steinsalz), bzw. KCl, weshalb nicht zwingend wie bei anderen Materialien mit einer gesättigten Salzlösung an Stelle von Wasser gearbeitet werden muss.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden, Hohlraum einer Salzlagerstätte vorgeschlagen, wobei der Schadstoff in dem Hohlraum angeordnet ist. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
    • - Bereitstellen einer Trockenmischung wie vorstehend beschrieben;
    • - Anmischen der Trockenmischung mit Wasser oder einer wässrigen Lösung, wobei ein massebezogener Wasser/Bindemittelwert von 0,3 bis 0,6 eingestellt wird, was Wasser/Feststoffwerten von 0,12 bis 0,24 entspricht; und
    • - Verschließen der Öffnung mit der mit Wasser oder der wässrigen Lösung angemischten Trockenmischung.
  • Vorteile des Verfahrens erwachsen aus dem zuverlässigen Verschluss der bezeichneten Hohlräume (ehemalige Salzbergwerke) zum Verschluss und Abdichtung von Endlagern gegenüber der Umwelt, auf Grund des Festigkeits- und Verformungsverhaltens und der Dichtigkeit des Materials.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, das vorstehend beschriebene Verfahren zu verwenden für die Sicherung eines End- oder Zwischenlagers eines (u. U. radioaktiven) Reststoffs in einem Hohlraum einer Salzlagerstätte.
  • Bekanntermaßen kommen Salzlagerstätten zur Deponierung bestimmter (u. U. radioaktiver) Reststoffe möglicherweise in Betracht. Vor diesem Hintergrund ermöglicht die vorgeschlagene Verwendung der Trockenmischungen die Errichtung von Stütz- und Verschlussbauwerken in/an End- und Zwischenlagern von gefährlichen Stoffen in Salzlagerstätten.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in geeigneter Weise modifiziert und abgewandelt werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung, einzelne Merkmale und Merkmalskombinationen einer Ausführungsform mit Merkmalen und Merkmalskombinationen einer anderen Ausführungsform geeignet zu kombinieren, um zu weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen zu gelangen.
  • Neben wasserfreien Natriumaluminat (NaAlO2) hat auch Hydroxid (NaAl(OH)4) in wässriger Lösung eine große technische Relevanz.
  • Geopolymere zeichnen sich während der Erhärtung durch eine deutlich langsamere Freisetzung der Reaktionswärme aus als herkömmliche Zemente. Der eigentliche Erhärtungsvorgang (Kondensationsreaktion) findet nahezu ohne das Einbinden von chemisch gebundenem Wasser statt und das Trocknungsschwinden kann über die Rezepturparameter (Salz zu Bindemittel- und Wasser zu Bindemittel- bzw. Wasser zu Feststoff-Verhältnis) minimiert bzw. vermieden werden. Grundsätzlich begünstigen möglichst hohe Salz- und möglichst geringe Wassergehalte das geringe Schwindverhalten.
  • Die Verarbeitungstechnologie ist im Prinzip gleich wie für normalen Beton, insofern ist eine technische Umsetzbarkeit ohne hohe Zusatzinvestitionen gegeben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt Resultate der Röntgenbeugungsanalyse (eng. X-Ray Diffraction; XRD) an zwei verschiedenen Salzmörteln, basierend auf einkomponentigen alkaliaktivierten Bindemitteln.
    • 2 zeigt eine Platte des erfindungsgemäß beschriebenen alkaliaktivierten Salzbetons mit einem molaren SiO2/Al2O3-Verhältnis von 6 im Bindemittel, einem massebezogenem Verhältnis Wasser: Bindemittel = 0,5 und einem massebezogenen Verhältnis Bindemittel: Salz = 1:2 und einer Druckfestigkeit von 22 MPa nach 91 Tagen Lagerung bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit in einem Lagerraum mit Klimasteuerung. Die Salzkörnung (NaCl) besteht zu je 50 M.-% aus einem gröberen Anteil (d ≤ 4 mm) und einem feineren Anteil (d ≤1 mm).
    • 3 zeigt einen Würfel desselben alkaliaktivierten Salzbetons mit einem massebezogenen Verhältnis Bindemittel: Salz = 1:2 und einer Druckfestigkeit von 22 MPa nach 91 d Lagerung bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit.
    • 4 zeigt einen Zylinder des alkaliaktivierten Salzbetons mit einem molaren SiO2/Al2O3-Verhältnis von 6 im Bindemittel, einem massebezogenem Verhältnis Wasser: Bindemittel = 0,5 einem massebezogenen Verhältnis Bindemittel: Salz = 1:2 und einer Druckfestigkeit von 10 MPa nach 28 Tagen Lagerung bei 23°C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit in einem Lagerraum mit Klimasteuerung. Die Salzkörnung besteht vollständig aus groben NaCl (d ≤4 mm)
  • Detaillierte Beschreibung
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, SiO2-reiche Ausgangsstoffe (z.B. Mikrosilica, biogene Reisschalenasche, industrielle Filterrückstände aus der Chlorosilanherstellung, geothermale Silica, also aus geothermalen Flüssigkeiten ausgefälltes SiO2) mit alkalischen Aluminaten, insbesondere mit Natriumaluminat, zu vermischen und unter Verwendung einer NaCl-haltigen Gesteinskörnung und Wasser einen alkaliaktivierten (Geopolymer)-Baustoff auszubilden, der die eingangs genannten Anforderungen erfüllt.
  • Das molare SiO2/Al2O3-Verhältnis (X), dem dabei eine Schlüsselrolle zukommt, kann hierbei in einem weiten Rahmen 2 < X ≤ 10 mol/mol variiert werden. Der Wasser/Feststoff Wert ist auf 0,12 (w/b = 0,3) bis 0,24 (w/b = 0,6), beispielsweise auf 0,15 bis 0,2, zu begrenzen.
  • zeigt im oberen Bildteil (A) einen Ausschnitt aus dem Diffraktogramm der Röntgenbeugungsanalyse eines Salzmörtels mit hohem Al-Gehalt (SiO2/Al2O3 = 2 mol/mol). Im unteren Bildteil (B) sind betreffende XRD Resultate für einen Salzmörtel mit hohem Si-Gehalt (SiO2/Al2O3 = 6 mol/mol) gezeigt. In den gezeigten Ausschnitten belegt der mit „g“ gekennzeichnete Peak das Vorhandensein von Gibbsit, der mit „q“ bezeichnete Peak kennzeichnet das Quarz zuzuordnende Signal. „NaCl“ kennzeichnet durch Halit bedingte Signale. Die Ergebnisse belegen, dass in der Rezeptur eingesetzte halitische Gesteinskörnung (NaCl) nach einer 56 tägigen Erhärtung bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit weiter vorliegt.
  • Untersuchungen zu weiteren technischen Anwendungen (z.B. hinsichtlich der Anwendung als säurebeständige Instandsetzungsmörtel oder als Feuerfestmaterialien) der hier beschriebenen alkaliaktivierten Bindemittel haben gezeigt, dass in dem beschriebenen hochalkalischen Milieu, das nach Wasserzusatz zu Aluminaten vorliegt, und Verwendung von Halit als Gesteinskörnung bei hohem Natriumgehalt der Aluminate Chloride der SiO2-reichen Ausgangsmaterialien als NaCl ausgefällt werden.
  • Dieser Umstand erklärt die beobachtete Stabilität des als Gesteinskörnung verwendeten Mineralsalzes (Halit), auch ohne den Einsatz von gesättigten NaCl-Lösungen an Stelle von Wasser.
  • Ausführungsbeispiele
  • Erfindungsgemäß dient eine Geopolymerbindemittelmatrix in der Verbindung mit Salzgestein als Sand bzw. Gesteinskörnung als Basis für massige Bauwerke, die rissfrei erhärten.
  • Für eine beschleunigte Erhärtung ist eine initiale Wärmebehandlung vorteilhaft. Eine langsame Erhärtung bei niedrigeren Temperaturen (z. B. 23 °C) kann je nach gewünschten Eigenschaften weitere Vorteile aufweisen, insbesondere frei sein von jeglichen makroskopischen Rissen. Mörtel mit einem Verhältnis SiO2/Al2O3 = 6 mol/mol im Bindemittel, einem Verhältnis Salz/Bindemittel von 2 g/g und einem Wasser/Bindemittelwert (w/b) von 0.5 g/g erreichen eine Würfeldruckfestigkeit von ca. 10 MPa in einem Alter von 28 Tagen. Die Festigkeit wird im Anschluss bis zu einem Alter von 91 Tagen mehr als verdoppelt und erreicht Werte bis 22 MPa (Bestimmung der Würfeldruckfestigkeit nach DIN EN 12390-3:2001). Gleichzeitig zeichnen sich die langsam erhärteten Proben durch eine hohe Dichtigkeit aus. Im Exsikkator getrocknete Proben (Lagerung über getrocknetem Silicagel bei 23 °C) weisen ohne weitere Optimierung einen Permeabilitätskoeffizienten von 1,10 × 10-17 m2 auf. Eine langsame Reaktion führt zudem zu einer nur langsam freigesetzten Reaktionswärme und verhindert vorteilhaft unerwünschte thermische Verformungen, sodass die Ausbildung makroskopischer Risse oder eine Rissweitenzunahme zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
  • Der beschriebene Syntheseweg der einkomponentigen alkaliaktivierten Bindemittel (Geopolymere), das heißt die Synthese aus den festen Ausgangsstoffen Silica und Alumina sowie Wasser generiert eine höhere soziale und ökonomische Akzeptanz, als für die klassischen zweikomponentigen alkaliaktivierten Bindemittel. Dabei werden alumosilicatische Ausgangsstoffe (z. B. Metakaolin, Flugasche) mit hochalkalischen Lösungen (z.B. Natriumhydroxid oder Natriumsilicat-Lösungen) aktiviert.
  • Zusammenfassend wird die Erzeugung von neuartigen Salzmörteln und -betonen auf der Basis von einkomponentigen alkaliaktivierten Bindemitteln (Geopolymeren) aus (Silica-)SiO2-reichen Ausgangsstoffen und alkalischen Aluminaten, insbesondere Natriumaluminat, zur Herstellung von nahezu schwindungsfreien und damit rissfreien Bauteilen großen Volumens/Masse unter Verwendung von Salzgesteinskörnung vorgeschlagen. Der resultierende Salzmörtel bzw. Salzbeton ist auf Grund seiner niedrigen Permeabilität bei guten mechanischen Kennwerten potentiell als Baustoff für Verschlussbauwerke von Endlagern im Salzgestein geeignet. Die Verarbeitung kann dabei unter Einsatz von konventioneller Technik erfolgen, weshalb keine zusätzlichen Anpassungskosten anfallen.
  • Kurz zusammengefasst bietet die vorgeschlagene Lösung die folgenden Vorteile:
    • 1. Geopolymer
    • 2. Salzgesteinskörnung
    • 3. Salzsand
    • 4. Verschlussbauwerke
    • 5. Stützbauwerke
    • 6. Rissfreie Erhärtung ― kein chemisches Schwinden bei geringster Wärmeentwicklung
    • 7. Wenig bzw. kein chemisch gebundenes Wasser
    • 8. Permeabilität
    • 9. Trocknungsschwinden
    • 10. Dauerhaftigkeit

Claims (8)

  1. Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels, bestehend aus: - einem Bindemittel, wobei das Bindemittel ein silicahaltiges Material und ein alkalisches Aluminat umfasst; und - einer Salzgesteinskörnung, ausgewählt unter Halit und Sylvin; wobei im Bindemittel ein molares Verhältnis von SiO2 zu Al2O3, ausgedrückt in mol/mol, 2,0 bis 10,0 beträgt und ein Anteil der Salzgesteinskörnung an der Trockenmischung 30,0 - 70,0 Masse-% beträgt.
  2. Trockenmischung nach Anspruch 1, wobei das molare Verhältnis von SiO2 zu Al2O3 3,5 bis 6,0 beträgt.
  3. Trockenmischung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das silicahaltige Material ausgewählt ist unter: Mikrosilica, einem industriellen Filterrückstand, einer biogenen Silica und/oder einer geothermalen Silica.
  4. Trockenmischung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das alkalische Aluminat ausgewählt ist unter: Natriumaluminat NaAlO2; Lithiumaluminat LiAlO2 und einem Kaliumaluminat KAlO2.
  5. Verwendung der Trockenmischung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Herstellen eines Verschlussbauwerks oder eines Stützbauwerks, wobei das Verschlussbauwerk und das Stützbauwerk in direktem Kontakt zu einem Salzstock, einem Salinargestein und/oder einem Grubengebäude einer Salzlagerstätte steht.
  6. Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, wobei der Schadstoff in dem Hohlraum angeordnet ist, umfassend: - Bereitstellen einer Trockenmischung nach zumindest einem der Ansprüche 1-4; - Anmischen der Trockenmischung mit Wasser oder einer wässrigen Lösung, wobei ein Wasser/Feststoffwert von 0,12 bis 0,24, entsprechend einem w/b-Wert von 0,3 bis 0,6 eingestellt wird; und - Verschließen der Öffnung mit der mit Wasser oder der wässrigen Lösung angemischten Trockenmischung.
  7. Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 6 zum Sichern eines End- oder Zwischenlagers für einen Reststoff in einem Hohlraum einer Salzlagerstätte.
  8. Verwendung gemäß Anspruch 7, wobei der Reststoff ein radioaktiver Reststoff ist.
DE102019114416.7A 2019-05-29 2019-05-29 Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens Active DE102019114416B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019114416.7A DE102019114416B4 (de) 2019-05-29 2019-05-29 Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019114416.7A DE102019114416B4 (de) 2019-05-29 2019-05-29 Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102019114416A1 DE102019114416A1 (de) 2020-12-03
DE102019114416B4 true DE102019114416B4 (de) 2021-10-07

Family

ID=73264701

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019114416.7A Active DE102019114416B4 (de) 2019-05-29 2019-05-29 Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019114416B4 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020134133A1 (de) 2020-12-18 2022-06-23 Technische Universität Bergakademie Freiberg, Körperschaft des öffentlichen Rechts Reststoffbasierte Zusammensetzung zur Herstellung eines Geopolymer-Leichtsteins; Geopolymer-Leichtstein, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und deren Verwendung
CA3216435A1 (en) * 2021-04-23 2022-10-27 Eric WITT Alkaline activated cement precursor forming cementitious dry and wet mixture, methods and systems

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120024196A1 (en) 2009-01-22 2012-02-02 The Catholic University Of America Tailored geopolymer composite binders for cement and concrete applications

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120024196A1 (en) 2009-01-22 2012-02-02 The Catholic University Of America Tailored geopolymer composite binders for cement and concrete applications

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GREISER, S.: NMR-Untersuchungen zum Reaktionsprozess von One-part Geopolymeren, unv. Diss., Humboldt-Universität zu Berlin, 2018.

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019114416A1 (de) 2020-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sturm et al. Sulfuric acid resistance of one-part alkali-activated mortars
Alsaif Utilization of ceramic waste as partially cement substitute–A review
US7537655B2 (en) Slag concrete manufactured aggregate
EP2404885B1 (de) Neue Baustoffmischungen
EP2313352B1 (de) Galvanische Metallanode, eingebettet in ein hydraulisches Bindemittel umfassend ein latent-hydraulisches Alumosilikatglas und einen Alkaliaktivator
EP3415481A1 (de) Verbundstoffzement und verfahren zur herstellung von verbundstoffzement
Maghsoodloorad et al. Efflorescence formation and control in alkali-activated phosphorus slag cement
DE202010010080U1 (de) Neue Baustoffmischungen
DE102019114416B4 (de) Trockenmischung zum Erhalt eines alkaliaktivierten Geopolymer-Salzbetons und/oder eines Geopolymer-Salzmörtels und Verwendung, Verfahren zum Verhindern eines Austretens eines Schadstoffes aus einem, eine Öffnung aufweisenden Hohlraum einer Salzlagerstätte, und Verwendung des Verfahrens
Reddy et al. Partial replacement of cement in concrete with sugarcane bagasse ash and its behaviour in aggressive environments
US5928420A (en) Cement composition for alkali-reactive aggregate and for sulphate resistance
DE202012011152U1 (de) Katalysatorzusammensetzung zur Verwendung bei Puzzolanzusammensetzungen
EP4015480A2 (de) Reststoffbasierte zusammensetzung zur herstellung eines geopolymer-leichtsteins; geopolymer-leichtstein, sowie ein verfahren zu dessen herstellung und deren verwendung
JP3382754B2 (ja) セメント組成物、それを用いたセメント硬化体、及びその製造方法
DE102013007937B4 (de) Verwendung eines mineralischen, hydraulischen Bindemittel in wasserhaltigen Frischmassen, sowie in mineralischen, hydraulischen Trockenmörteln, in mineralischen Frischmörteln und Frischbetonen
DE3049003A1 (de) Hydraulische anorganische masse
DE102010061456A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Baustoffzusammensetzung, die als Bestandteil eines Bindemittels oder als Bestandteil einer Baustoffmischung mit einem Bindemittel vorgesehen ist, und Bindemittel
WO2022012795A1 (de) Verfahren zum herstellen eines baustoffes
EP0540552B1 (de) Verfahren zur herstellung kalkhydratreicher bindemittel für betone oder mörtel und verwendung der so hergestellten bindemittel
WO2021185734A1 (de) Verfahren zur herstellung eines geopolymerbetons und/oder -mörtels
JP6819740B1 (ja) コンクリート
JP2001122650A (ja) セメント混和材及びセメント組成物
US20210094879A1 (en) Self-healing and durable cement paste, mortars, and concretes
DE2953652C1 (de) Hydraulische anorganische Masse
JPH081126A (ja) 石炭灰質固化物の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final