Calciumaluminat-Zement und alkali-aktivierte Bindemittel in Kanalisationssystemen

Kanalisationssysteme zählen zu den kritischsten Anlagen der städtischen Infrastruktur. Sie dienen zum Sammeln und Transportieren von Industrie- und Haushaltsabwasser und in städtischen Gegenden bisweilen auch als Ablauf vom Niederschlag zu Abwasseranlagen. Ein erheblicher Teil der Abwassersysteme wie z.B. Kanalisationsabläufe, Schächte, Pumpengruben und Pumpwerke bestehen aus Beton. Beton erleidet in Kanalisationsumgebung unter bestimmten Bedingungen starke Beschädigungen, die zu strukturellem und funktionellem Ausfall während der angestrebten Lebensdauer führen kann. Im Allgemeinen stehen etwa 60% der Ausfälle im Zusammenhang mit ungeeigneter statischer  Konzeption, mangelhafter Konstruktion oder Installation, sowie unzureichender Kontrolle und Wartung. Circa 40% der Schäden werden durch biogene Säurekorrosion verursacht [1]. Die erstgenannten 60% der Ausfälle können durch geeignete Bauplanung und Konstruktion vermieden werden. Es bleibt die Herausforderung, mit der Betonkorrosion durch biogene Säure umzugehen.

Alice Titus Bakera, Mark Alexander und Hans Beushausen, Institut für Bauingenieurwesen, Universität Kapstadt, Südafrika

Biogene Säurekorrosion ist eine biologische Aktivität mancher Mikroorganismen in einer Kanalisationsumgebung, die zur Korrosion der Betonbauteile führt.  Die Korrosion tritt nach einer Folge von mehreren komplexen Prozessen im Abwasser, in der Abwasseratmosphäre und auf den Betonoberflächen auf. Das Fehlen von Sauerstoff im Abwasser, während es durch Kanalrohre fließt, führt zu anaeroben Bedingungen, die das Wachstum von sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) erleichtert. Diese Bakterien leben in der Schlammschicht (Biofilm) zwischen Beton und Abwasser, und zersetzen in der Kanalisation vorhandene organische Nährstoffe und Schwefelverbindungen zu Schwefelwasserstoff- (H2S) und Kohlendioxid- (CO2) Gasen, siehe Abb. 1.

Die Mechanismen des Angriffs

Die Kanalisationshydraulik (d.h. Turbulenz und Fließgeschwindigkeit) beeinflusst die Ableitung der Gase in die Kanalisationsatmosphäre. Wenn diese Gase, insbesondere H2S, austreten, erzeugen sie schädliche Gerüche, die die Umwelt belasten. Wenn die Gase in die Kanalisationswand diffundieren, carbonatisiert CO2 den Beton, während H2S zu Sulfat-Zwischenverbindungen (natürlicher Schwefel, Sulfit und Thiosulfat) oxidiert, die für das Wachstum von schwefeloxidierenden Bakterien (SOB) erforderlich sind. Die SOBs ernähren sich von den Zwischensulfaten und wandeln sie in Schwefelsäure (H2SO4) um, die die Betonmatrix angreift und Gips- und Ettringitbilding bewirkt. Gips (CS̅) und Ettringit sind expansive Produkte, die beim Beton zur inneren Rissbildung und zu Abplatzungen führen und dadurch Wege für das weitere Eindringen von Säure schaffen. Dabei verliert der Beton seine strukturelle Unversehrtheit und die darunterliegende Stahlbewehrung wird früher oder später der Korrosion ausgesetzt.

Das herkömmliche für die meisten Kanalrohrsysteme verwendete Bindemittel ist einfacher Portlandzement (PC), aber die schlechte Leistungsfähigkeit der mit einfachem PC hergestellten Betonkanalrohre unter sehr aggressiven Bedingungen zeigte, dass dies keine gute Wahl ist. Es ist seit Jahrzehnten bekannt, dass Bindemittelsysteme wie Calciumaluminat-Zement (CAC) über ein hohes Potential der Beständigkeit gegenüber Säureangriffen in Kanalisationsumgebung verfügen. Neuere Entwicklungen haben dies bestätigt, aber sie zeigen auch, dass alkali-aktivierte Zement-/ Bindemittelsysteme (AAC) über ein ähnliches Potential der Beständigkeit gegenüber Säureangriffen in Kanalisationen verfügen könnten. Diese zementbasierten Materialien können daher von der Industrie für die Herstellung von Kanalisationen eingesetzt werden, insbesondere für Teile wie Rohre, Schächte und Pumpengruben.

Calciumaluminat-Zement (CAC)

Calciumaluminat-Zement wird durch Sintern oder Schmelzen von Kalkstein mit Bauxit- oder Aluminiumhydroxidmischungen produziert. Daher besteht er hauptsächlich aus zwei Oxiden; Al2O3 und CaO. Die Hydratation von CAC führt zur Bildung von zwei Calciumaluminathydraten (CAH10 und C2AH8) und Alumina-Gel (AH3). CAH10 wird bei niedrigerer Temperatur unter 20°C gebildet, während C2AH8 bei einer Temperatursteigerung gebildet wird. Oberhalb von 30°C werden beide Hydrate in eine stabile kubische C3AH6 -Phase umgewandelt. Die Umwandlung dieser Hydrate führt zu zusätzlichen Mengen an Alumina-Gel [2], die eine erhebliche Rolle für die Beständigkeit gegenüber biogenen Säureangriffen spielen (Abb. 2).

Bei biogenen Säureangriffen ist CAC weithin bekannt als Bindemittel mit hervorragender Schwefelsäurebeständigkeit. Dies aufgrund seiner langen Auflösungs- und Neutralisierungskette (Abb.2) durch seine Hydrate sowie die Stabilität von Alumina-Gel bei einem pH zwischen 3 und 4. Daneben reagiert das produzierte Alumina-Gel mit H2SO4, um Aluminiumsulfat zu bilden, bei dessen Ionen wie zum Beispiel Al3+ man davon ausgeht, dass sie in dem mikrobiellen Ökosystem einen bakteriostatischen Effekt haben.

In Südafrika werden Kanalrohre oft mit einer Kombination aus zwei Bindemittelsystemen hergestellt, wobei Betonrohre aus PC eine interne korrosionsbeständige CAC-Auskleidung erhalten. Mit Blick auf die relativ hohen Kosten von CAC bietet dies auf wirtschaftliche Weise strukturell stabile und dauerhafte Kanalrohrsysteme. Diese Technologie wurde nach experimentellen Langzeitstudien in aktiven Kanalisationssystemen übernommen, insbesondere bei der Versuchskanalisation Virginia Experimental Sewer (VES) in dem südafrikanischen Bundesland Free State. Die VES enthält verschiedene Abschnitte mit zwei Bindemittelsystemen (PC und CAC) und drei Arten von Betonzuschlägen; kalkhaltige (dolomitische), kieselsaure und Aluminataggregate (Abb. 3). Nach 14 Jahren der Überwachung der Leistungsfähigkeit der Kanalisation wurde beobachtet, dass die Abschnitte aus CAC mit Dolomit- und Aluminataggregaten anderen Abschnitten überlegen waren, wobei die durchschnittliche Korrosionsrate viermal niedriger war als die mit PC-Bindemittel. Aus diesem Grund wurde empfohlen, dass bei der Planung von Kanalisationssystemen die Kombination aus CAC mit dolomitischem Zuschlag eine wirtschaftlich vorzuziehende und dauerhafte Möglichkeit ist. Wenn zusätzliche Dauerhaftigkeit wichtiger als Kosten ist, dann kann anstatt von dolomitischem Aggregat Aluminataggregat verwendet werden [3].

Alkali-aktivierte Zemente/ Bindemittel (AAC)

Alkali-aktivierter Zement - auch bekannt als Geopolymer-Zement - ist eine Klasse anorganischer Polymere, die durch eine aktivierte Polykondensationsreaktion zwischen einer alkalischen Reagenzlösung und einem Aluminosilikat-Material gebildet werden, was zu einer gehärteten, betonartigen Textur führt, mit ähnlichen oder besseren strukturellen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichem PC [4]. Die verwendeten Aluminosilikat-Materialien bestehen aus kalzinierten Tonen, Vulkangestein, Hochofenschlacke, Metakaolin und Flugasche, und bei den alkalischen Reagenzlösungen handelt es sich um alkalische Metall- (Natrium oder Kalium) Hydroxid-/ Silikatlösungen [5].

Mit AAC hergestellter Beton kann verglichen mit PC über eine höhere Säurebeständigkeit verfügen [6,8]. Sein säureinduzierter Korrosionsprozess unterscheidet sich von dem des PC-Betons. AAC besteht allgemein verglichen mit PC-Beton aus weniger Calciumanteil, was zum Fehlen von Zementhydraten (d.h. Portlandite) führt, die anfällig sind für Säureangriffe. Seine Beständigkeit gegen Angriff wird hauptsächlich gesteuert durch i) Ionenaustauschreaktion zwischen den eindringenden Säureprotonen (H+) und den Kationen (Na+, Ca2+ oder K+) der Aluminosilikatstruktur, d.h. durch Absorption und Auslaugung, ii) Depolymerisation wegen des Aufbrechens von Aluminosilikat-Ketten in Si-OH- und Al-OH-Gruppen, was zu einer Erhöhung des pH-Wertes der Lösung (Neutralisierungskapazität) führt, sowie durch iii) die Undurchlässigkeit der AAC-Bindemittel im Allgemeinen [9,10].

Einige Studien [9-12] kommen jedoch zu dem Schluss, dass AAC sich gut verhält gegenüber einem biogenen Säureangriff, und dies aufgrund seiner experimentellen Leistungsfähigkeit gegenüber einem direkten mineralischen Schwefelsäureangriff, ohne zu berücksichtigen, dass diese beiden Angriffsarten sich unterscheiden [13]. Das Verhalten von AAC-Beton in einer Kanalisationsumgebung ist bislang noch nicht geklärt, wegen der Bandbreite einfließender Faktoren, einschließlich der Art des spezifischen AAC-Betons. Khan u. a. [5] untersuchten für eine Dauer von 12 Monaten die Widerstandsfähigkeit von AAC-Beton auf Flugasche- und Schlackebasis in einer natürlichen aggressiven Kanalisationsumgebung. Sie beobachteten, dass beide Bindemittel biogener Beschädigung unterliegen, mit einer größeren Beschädigung bei dem Geopolymerbeton auf Flugaschebasis. Sie erklärten, dass die Ursache der Beschädigung mit der Depolymerisation von Aluminosilikat in Verbindung steht, was zur Bildung von hoch expansiven Produkten wie Gips führt.

Bei Vergleichen der Leistungsfähigkeit von AAC mit CAC und PC ist sich die Literatur bisher nicht einig. Dies kann auf die begrenzte Anzahl von Studien zu dem Thema, insbesondere in aktiven Kanalisationen, zurückzuführen sein. In [14] wurde die Leistungsfähigkeit von AAC-, PC- und CAC-Systemen unter Verwendung des beschleunigten Tests von Fraunhofer UMSICHT (ein vom Fraunhofer-Institut UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg, Deutschland, entwickelter beschleunigter biogener Säuretest, um die potentielle Beständigkeit von Baumaterialien für Kanalisationsinfrastrukturen zu bewerten) verglichen. Es wurde beobachtet, dass der AAC-Beton nicht beständig war, und dass er sich während der Belastung in eine weiche, weiße Paste verwandelte, während der Beton auf CAC-Basis eine bessere Leistungsfähigkeit zeigte. Andererseits wurde in [15] die Leistungsfähigkeit von AAC-, PC- und CAC-Beton in Kanalisationsumgebung verglichen. Nach 12 Monaten Belastung in aggressiver Kanalisation zeigte der AAC-Beton keine Zeichen struktureller Schäden, während bei CAC-Beton und PC-Beton anfängliche strukturelle Oberflächenzerstörungen bzw. stark sichtbare Beschädigungen beobachtet wurden. Drugă u. a. [16] untersuchten die Art der Biofilmbildung auf AAC-basierten Mörteln im Vergleich zu PC- und CAC-Mörteln nach Belastung mit echtem städtischem Abwasser. Sie beobachteten, dass AAC auf seiner Oberfläche weniger Biofilm bildete, gefolgt von CAC, während PC die höchste Biofilm-Affinität hatte. Ebenso beobachteten Abdel-Gawwad u. a. [17], dass AAC im Vergleich zu PC eine höhere Beständigkeit gegenüber dem biologischen Abbaueffekt von SOBs hatte. Allerdings untersuchten die in [16, 17] beschriebenen Studien nur das Potential der Beständigkeit von AAC gegenüber dem Biofilmwachstum, nicht aber gegenüber eigentlicher biogener Säurekorrosion.

Allgemein war der Einsatz von AAC in Kanalisationssystemen zur höheren Beständigkeit gegenüber biogener Säurekorrosion bislang beschränkt, obwohl er für Spritzauskleidung zur Sanierung von Kanalrohren oder für vorgefertigte Betonkanalrohre verwendet wurde [18, 19]. Dies zeigt die Notwendigkeit von mehr intensiven Langzeitstudien bezüglich der Kanalisationsumgebung, ähnlich denen, die für PC und CAC durchgeführt wurden, um einen endgültigen Nachweis zu erhalten, der die Einführung in die Industrie beeinflussen können.

Abschlussbemerkungen

Die Betonfertigteilindustrie führt seit vielen Jahren Untersuchungenen zur Wahl geeigneter zementbasierter Materialien für den Einsatz im Kanalbau durch. Dies ist auf die schlechte Leistungsfähigkeit von Betonkanalrohren aus einfachem PC zurückzuführen. Zwei Alternativen für PC sind CAC und AAC, wobei die Industrie zugunsten von CAC als die beste Wahl tendiert. Erhebliche Unsicherheit verbleibt in Bezug auf die Entscheidung für AAC, obgleich er in einigen Ländern empfohlen und eingesetzt wird. Es ist klar, dass ein bestimmter AAC sich gegenüber einem chemischen Säureangriff gut verhält, aber es sollte nicht verallgemeinert werden, dass er sich ähnlich gut gegenüber einem biogenen Säureangriff verhält, da beide Angriffe sich voneinander unterscheiden. Deshalb sind weiterhin intensive Studien ähnlich denen für PC und CAC erforderlich, um die Berechtigung des Einsatzes von AAC in Kanalisationsumgebungen zu rechtfertigen.

Quellen
[1] W. Kaempfer and M. Berndt, “Estimation of Service Life of Concrete Pipes in Sewer Networks,” 8th Conf. Durab. Build. Mater. Components, vol. 1, pp. 36–45., 1999.
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[3] A. M. Goyns, “Design Manual for Concrete Pipe outfall sewers,” Pipes, Infrastructural Prod. Eng. Solut. Div., no. April, 2009.
[4] J. Davidovits, Geopolymer chemistry and applications : 4th edition. Saint-Quentin, France: nstitut Géopolymère 16 rue Galilée F-02100, 2015.
[5] H. A. Khan, M. S. H. Khan, A. Castel, and J. Sunarho, “Deterioration of alkali-activated mortars exposed to natural aggressive sewer environment,” Constr. Build. Mater., vol. 186, pp. 577–597, Oct. 2018.
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[9] T. Luukkonen, A. Heponiemi, H. Runtti, J. Pesonen, J. Yliniemi, and U. Lassi, “Application of alkali-activated materials for water and wastewater treatment: a review,” Rev. Environ. Sci. Biotechnol., vol. 18, no. 2, pp. 271–297, 2019.
[10] F. Pacheco-Torgal, Z. Abdollahnejad, S. Miraldo, S. Baklouti, and Y. Ding, “An overview on the potential of geopolymers for concrete infrastructure rehabilitation,” Constr. Build. Mater., vol. 36, pp. 1053–1058, 2012.
[11] A. Hassan, M. Arif, and M. Shariq, “Use of geopolymer concrete for a cleaner and sustainable environment – A review of mechanical properties and microstructure,” J. Clean. Prod., vol. 223, pp. 704–728, 2019.
[12] L. Gu, P. Visintin, and T. Bennett, “Evaluation of accelerated degradation test methods for cementitious composites subject to sulfuric acid attack; application to conventional and alkali-activated concretes,” Cem. Concr. Compos., vol. 87, pp. 187–204, 2018.
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[14] J. Herisson, D. Guinot, and F. Saucier, “Accelerated biodeterioration of various cementitious materials through an accelerated laboratory chamber,” in Final Conference of RILEM TC 253-MCI: Microorganisms-Cementitious Materials Interactions Volume 1, 2018, no. June, pp. 33–43.
[15] C. Grengg et al., “Microbial induced acid corrosion from a field perspective - Advances in process understanding and construction material development,” in RILEM TC 253-Microorganisms-Cementitious Materials Interactions, 25-26 June 2018, Toulouse, 2018, pp. 3–10.
[16] B. Drugă, N. Ukrainczyk, K. Weise, E. Koenders, and S. Lackner, “Interaction between wastewater microorganisms and geopolymer or cementitious materials: Biofilm characterization and deterioration characteristics of mortars,” Int. Biodeterior. Biodegrad., vol. 134, no. May, pp. 58–67, 2018.
[17] H. A. Abdel-Gawwad, S. Abd El-Aleem, S. A. Abo El-Enein, and M. Khalifa, “Resistivity of eco-friendly alkali activated industrial solid wastes against sulfur oxidizing bacteria,” Ecol. Eng., 2018.
[18] Milliken Infrastructure Solutions, “GeoSpray TM geopolymer mortar system for structural rehabilitation of sewer and storm water infrastructure,” 2014.
[19] Concrete Institute of Australia, Recommended Practice Geopolymer Concrete. Sydney, 2011.