Fyzikáln-chemické vlastnosti geopolymer. Bc. Pavel Sedlaík

Transkript

1 Fyzikáln-chemické vlastnosti geopolymer Bc. Pavel Sedlaík Diplomová práce 2006

2

3

4 ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá studiem fyzikáln-chemických vlastností geopolymer. Byly provedeny testy pevnosti v jednoosém tlaku, mrazuvzdornosti, odolnosti proti tepelnému šoku a výluhové testy v destilované vod. Testována byla tlesa s promnlivým obsahem draselných, vápenatých a sodných iont. Dále byly tyto testy provedeny u vybraných tles s konstantním množstvím draselných a sodných iont a rznými hmotnostními procenty plniva. Klíová slova: geopolymer, pevnost v tlaku, mrazuvzdornost, odolnost proti tepelnému šoku, vyluhovací test ABSTRACT The master thesis deals with a study of physiochemical properties of geopolymers. Unconfined compressive strength, freeze-thaw resistance, thermal shock resistance and leachability in distilled water of prepared geopolymeric specimens were tested. These tests were carried out with specimens with varying contents of potassium, sodium and calcium ions. Furthermore, selected specimens with constant content of potassium or sodium ions and with different weight percentage of filler were also subjected to these tests. Keywords: geopolymer, compressive strength, freeze-thaw resistance, thermal shock resistance, leaching test

5 Dkuji vedoucímu mé diplomové práce Ing. Vratislavu Bednaíkovi, PhD. za odborné vedení a cenné rady pi realizaci mé diplomové práce. Dále dkuji za všestrannou pomoc svému konzultantovi Ing. Romanu Slavíkovi, a také všem pracovníkm analytické laboratoe za ochotu a pomoc pi ešení experimentálních problém a vytvoení dobré pracovní atmosféry. Prohlašuji, že jsem na celé diplomové práci pracoval/a samostatn a použitou literaturu jsem citoval/a. Ve Zlín, jméno diplomanta

6 OBSAH ÚVOD TEORETICKÁ ÁST VLASTNOSTI STAVEBNÍCH POJIV Cement Bitumen Sklo GEOPOLYMERY A JEJICH VLASTNOSTI Geopolymery Fyzikáln-chemické vlastnosti geopolymer METODY MENÍ FYZIKÁLN-CHEMICKÝCH VLASTNOSTÍ GEOPOLYMER EXPERIMENTÁLNÍ ÁST TESTOVANÉ VZORKY POUŽITÉ PÍSTROJE STANOVENÍ PEVNOSTI V TLAKU STANOVENÍ VYLUHOVATELNOSTI STANOVENÍ MRAZUVZDORNOSTI STANOVENÍ ODOLNOSTI PROTI TEPELNÉMU ŠOKU VÝSLEDKY A DISKUSE PEVNOST V JEDNOOSÉM TLAKU Tlesa s rzným molárním množstvím draselných iont Tlesa s rzným množstvím vápenatých iont Tlesa s rzným molárním množstvím sodných iont Tlesa s konstantním molárním množstvím K + 0,7 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva ve smsi Tlesa s konstantním molárním množstvím K + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva ve smsi Tlesa s konstantním molárním množstvím Na + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva STANOVENÍ MRAZUVZDORNOSTI STANOVENÍ ODOLNOSTI PROTI TEPELNÉMU ŠOKU STANOVENÍ VYLUHOVATELNOSTI SROVNÁNÍ GEOPOLYMERNÍCH VZORK S KOMERN POUŽÍVANÝMI STAVEBNÍMI POJIVY...44 ZÁVR...48 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...49 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOL A ZKRATEK...53 SEZNAM OBRÁZK...54 SEZNAM PÍLOH...56

7 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 7 ÚVOD Lidstvo používá stavební materiály odedávna. První použití stavebních pojiv je známé již z Asýrie z 18. a 19. století p. n. l., kdy se jako pojivo používal jíl. V 8. a 9. století p. n. l. již byli k dispozici pálené cihly a pálené vápno. Staí Egyp ané jako pojivo používali sádru a ve starovkém ím se pro výrobu cementu používal sopený popel nazývaný pucolán. Tento cement se již velmi podobá modernímu Portlandskému cementu, který poprvé použil britský inženýr John Smeaton v roce 1756 [1]. Od roku 1940 jsou známy alkalické cementy, na které se v posledních letech zam- uje výzkum, pedevším kvli jejich šetrnosti k životnímu prostedí. Pi jejich výrob jsou produkovány menší emise CO 2, než u Portlandského cementu. Krom primárního použití ve stavebnictví nacházejí v posledních letech nové uplatnní i v ochran životního prostedí. Jsou schopny solidifikovat nebezpené a dokonce i radioaktivní odpady a stabilizovat toxické polutanty ve své matrici [2,3,4]. Tyto materiály vykazují dobrou pevnost a odolnost v agresivním prostedí. Dalším píkladem jejich využití je nap. aplikace v technologii odpadních a zemdlských vod [5]. Pokud se z alkalických cement pipravují betony bez vápenaté složky, oznaují se jako geopolymery. Tento termín použil jako první ve své práci J. Davidovits [1]. Geopolymery vykazují podle dostupných informací mimoádn vysokou pevnost, chemickou odolnost a stabilitu blížící se pírodním horninám. V souasné dob jsou geopolymery, jejich píprava, vlastnosti a pedevším využití intenzivn studovány na ad pracoviš po celém svt. Oekává se, že by nové materiály na bázi geopolymer mohly v blízké budoucnosti nahradit v ad aplikací klasické stavební materiály na bázi portlandského cementu.

8 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 8 1 TEORETICKÁ ÁST 1.1 Vlastnosti stavebních pojiv Cement Beton patí mezi základní stavební materiály. Je to umlý slepenec, který je tvoen pojivem a plnivem. Nejastjším typem betonu je cementový beton, kde je pojivem cement a plnivem kamenivo. Krom tchto pímsí je zapotebí voda, po jejímž pidání probíhají ve smsi fyzikální a chemické procesy, pi kterých beton získává své specifické vlastnosti, mezi které patí mechanická pevnost a materiál se chemicky stabilizuje [6]. Podle zpsobu pípravy, pidáváním rzných plniv a aditiv mžeme ovlivovat fyzikální a chemické vlastnosti nebo rychlosti tuhnutí. Prostý beton je pipravován pouze z pojiva, plniva a vody. Má vysokou odolnost proti namáhání tlakem, ale nesnese velké tahové zatížení [6]. Dalším druhem betonu je železobeton, pi jehož výrob se krom pojiva, plniva a vody do smsi pidávají železné výztuže, které zlepšují vlastnosti pi namáhaní v tahu [6]. Pokud se ke smsi betonu pidávají kabely, které se napnou a vnášejí tlak do betonu, mluvíme pak o pedpjatém betonu. Dalšími možnostmi pi zlepšování vlastností betonu je pidávání vláken nebo drátk do smsi a potom tento materiál oznaujeme jako vláknobeton resp. drátkobeton [6]. Zvláštním pípadem betonu je tzv. pórobeton, který obsahuje malé bublinky [6]. U tohoto betonu se stejn jako u ostatních stavebních materiál mí pórovitost, která nejvýznamnjším zpsobem ovlivuje fyzikální a chemické vlastnosti jako je pevnost, kyselinovzdornost, mrazuvzdornost, nasákavost. Na vlastnosti betonu jako je mrazuvzdornost, vod odolnost, smrš ování a pórozitu má také vliv podíl vody/cementu s rozdílným pídavkem písku. Trvanlivost struktury vyztuženého betonu byla snížena pidáním vtšího podílu písku, protože ten oste zvýšil pórozitu betonu. Na trvanlivost betonu nemá vliv použití zmkovadel, nižší obsah vody a

9 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 9 cementu. Tento beton s vysokým podílem písku je možné použít pouze pro nízké zatížení [7]. Jednou z možností, jak ovlivnit vlastnosti pipravovaného betonu, je použití popela z rostlinného odpadu jako pímsi do cementových materiál v betonu. Rostlinný odpad musí být dostaten pomlet a kontrolovan spalován. Po této úprav je možné tento materiál smíchat a použít s cementem k píprav betonu. Tento postup zlepší vytvrzení a dlouhodobou odolnost proti moské vod (5 % roztok NaCl) pipraveného betonu [8]. Dalším typem cementových výrobk je tzv. samozhutující beton, do kterého se pidávají mikroplniva. Tato technologie pípravy betonu byla vyvinuta v USA. V R se tímto výzkumem zabývalo Centrum Dopravního Výzkumu a jako mikroplnivo do betonu používalo jemné kemiité úlety (mikrosilika), velmi jemn mletou strusku, jemn mletý vápenec, elektrárenský popílek a kamenné odprašky. U takto pipravených vzork bylo provedeno mení pevnosti v tlaku. Výsledky byli nameny po 28 denní vytvrzovací lht, nejvtší pevnost v tlaku byla asi 70 MPa a kolem této hodnoty mly vzorky s pídavkem strusky a s kombinovaným mikroplnivem pipraveným z 1/3 kamenných odprašk a 2/3 mleté strusky [9]. Na fyzikální vlastnosti betonu pipravovaného z portlandského cementu má vliv porosita cementových past. Kapilární porosita cementových past byla zmena gravimetrickou metodou, založenou na objemu volné vody. Tato studie dokázala, že ím menší je kapilární porosita cementových past, tím vtší je pevnost v tlaku u vzork Portlandského cementu [10]. Jedním z možných využití cementu v oblasti ochrany životního prostedí je cementace, což je solidifikaní postup, pi kterém se odpad mísí s cementem za normální teploty na dostupných zaízeních a má pomrn nízkou cenu. Výhodou cementace je, že cement není ovlivnn oxidaními inidly. Naproti tomu nevýhodou tohoto postupu je velký objem výsledného produktu [4] Bitumen Tímto termínem oznaujeme stavební pojiva na bázi asfaltu. Asfalty slouží jako stavební materiál pro stavbu vozovek, ale díky jejich dobrým vlastnostem jako je pilna-

10 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 10 vost k podkladu, hydrofobní vlastnosti a nízká cena si nacházejí své uplatnní ve stavebnictví jako izolace. Další jejich vlastností je elektroizolace a lazurový lesk používaný k píprav lesklých erných lak, pímsí v gumárenských provozech a v neposlední ad jako pojivo pro stabilizaci nebezpených odpad [11]. Asfalty jsou plastické až tuhé podíly z ropy, které obsahují asfaltény, ropné prysky- ice a nejtžší ropné olejové podíly. Získávají se odpaením tkavých podíl z ropy a pokud se tak dje v pírod, nazýváme tyto asfalty jako pírodní. Dalšími zpsoby výroby asfalt jsou vakuové destilaní zbytky pi zpracování ropy a nazýváme je destilaní asfalty. Dalším typem asfalt jsou asfalty z krakování, které oznaujeme jako krakovací asfalty nebo z extrakních postup nap. asfalty propanové [11]. Vlastnosti asfalt se upravují rznými technologiemi jako je oxidace, modifikace polymery, emulgováním nebo rozpouštním. Pro dosáhnutí optimálních vlastností je také možné mísit nkolik asfaltových výrobk. U asfalt se sleduje jejich reologie, což je jejich deformaní chování a také stejn jako u beton pórovitost [11]. Jedním z možných využití asfaltu je proces solidifikace, který oznaujeme jako bitumenaci. Tímto postupem se rozumí mísení odpad s asfaltovými pojivy za zvýšených teplot. Pro tento postup musí být zpracovávané odpady odvodnny, protože asfalt má hydrofobní vlastnosti. Nejastjším použitím bitumenace je fixace kal a kapalných koncentrát [4]. Výhodou bitumenace je lepší zpracování odpad z hlediska vyluhovatelnosti a menšího objemu výsledného produktu. Mezi nevýhody asfalt patí jejich ekologický dopad a holavost II. tídy. Také mže dojít k uvolnní nebezpených látek z odpad pi vysoké teplot bitumenace [4] Sklo Sklo je dalším materiálem, který je možno využívat ve stavebnictví, ale také pro stabilizaci odpad. Pro tyto úely jsou nejastji používána borosilikátová skla, kvli jejich pevnosti a teplotní odolnosti.

11 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 11 Borosilikátová skla, která jsou pro vitrifikaci nejvhodnjší, se vyrábjí pod komerními znakami jako je Simax, Jenatherm G nebo Pyrex. Od bžných skel se liší menším zásaditým výluhem a jejich hlavní výhodou je dobrá teplotní odolnost. Jejich teplota mknutí se pohybuje okolo 500 C [12]. Borosilikátová skla vtšinou obsahují asi 80 % SiO 2, % B 2 O 3, 3,5 4,2 % Na 2 O, malé množství Al 2 O 3, MgO, CaO a K 2 O. Takto pipravená skla, díky B 2 O 3, mají schopnost pohlcovat pomalé neutrony, mají velkou propustnost pro rentgenové záení nap. destika o tlouš ce 1 cm propouští až 75 % rentgenového záení o vlnové délce 0,01 nm. Další jejich výbornou vlastností je vysoká elektroizolaní schopnost [12]. Borosilikátová skla se nejastji používají pro výrobu laboratorního skla, jako bezpenostní a izolaní skla ve stavebnictví a pro stabilizaci nebezpených odpad. Vitrifikací se rozumí zeskelnatní tavením pi vysokých teplotách a je používána pro solidifikaci toxických zbytk ze spaloven nebo toxických prach obsahujících zejména sloueniny Pb, Cd, Zn, Cu, As, Sb, P, F, Se. Dalšími využitími vitrifikace je zneškodování radioaktivních odpad s nízkou a stední aktivitou a kal z brusíren skla. Pi vitrifikaci se k odpadm, které neobsahují dostatek sklotvorných látek pidávají odpadní skelné stepy [4]. Vitrifikaní produkty jsou odolné vi psobení vody, jsou inertní a mají malý objem, protože všechny sloueniny jsou pevedeny na oxidy. Speciálním zpsobem vitrifikace je stabilizace popílku pi teplot 1200 C, pi níž lze získat kondenzací par m, stíbro, zinek, kadmium a olovo, tento koncentrát se následn mže dále zpracovávat [4]. 1.2 Geopolymery a jejich vlastnosti Geopolymery Jako geopolymery oznaujeme materiály pipravované z alkalických cement bez vápenaté složky. Jsou to syntetické materiály na bázi hlinitokemiitan. Hlavními výho-

12 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 12 dami tchto materiál je, že šetí nerostné suroviny a protože jsou pipraveny bez vápenatých složek, uvolují jen malé objemy emisí CO 2 do životního prostedí [13]. Struktura geopolymer je podobná jako u pírodních zeolit a díky tomu mohou tvoit amorfní až semikrystalické prostorové sít [13]. Geopolymery jsou materiály na bázi hlinitokemiitan, které mohou být pipravované pedevším z tepeln aktivovaného kaolinitu. Kaolinit adíme do skupiny minerál s typickým vzorcem Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O. Jak je patrné z následujícího obr. 1, tato skupina minerál je tvoena jednou dioktaedrickou a jednou tetraedrickou sítí, které spolu tvoí vrstvu o tlouš ce 0,7 nm [14]. Obr. 1. Schématické znázornní vrstevnaté struktury kaolinitu [15]. Dioktaedrickou sí tvoí dv roviny nejtsnjšího uspoádání atom, vytváející oktaedrické prostory, které jsou obsazeny trojmocnými kationy Al 3+. Pro zachování elektroneutrálnosti sít jsou poteba dva kationy Al 3+ na obsazení tí oktaedrických pozic [14]. Tetraedrická sí je tvoena SiO 4 tetraedry, které jsou spojeny do sít prostednictvím tí atom kyslíku a vytváí hexagonální uspoádání. tvrtý kyslík, který se nazývá vrcholový, tvoí spojení s oktaedrickou sítí, resp. v pípad kaolinitu s dioktaedrickou sítí [14]. Samotná geopolymerace probíhá jako polykondenzaní reakce hlinitokemiitanových minerál (kaolinit) aktivovaných pi urité teplot. Aktivovaný kaolinit reaguje

13 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 13 v siln alkalickém roztoku NaOH a vodního skla. Samotná tvorba geopolymeru probíhá za vzniku vazeb Si O Al. Schématicky je proces pípravy geopolymeru znázornn na obr. 2. Obr. 2. Píklad syntézy alkalicky aktivovaných materiál [16] Fyzikáln-chemické vlastnosti geopolymer Aluminosilikátová pojiva mají vysokou pevnost, hutnou mikrostrukturu, nízkou vyluhovatelnost, odolnost v agresivním prostedí, neholavost, odolnost proti vysokým teplotám (až 1200 C), piemž alkalické ionty jsou pevn zabudovány v krystalické mížce. Tyto vlastnosti umožují použití geopolymerních materiál v mnoha prmyslových oblastech, píkladem je použití geopolymer ve stavebnictví, strojírenství, galvanizovnách, protipožární technice, automobilovém a leteckém prmyslu [17, 18, 19]. Aluminosilikátové materiály mají vysoký potenciál a urení jejich fyzikálnchemických vlastností se provádí srovnáním s podobnými materiály, které mají nahromadny zeolitické krystaly v amorfní gelové fázi. Stupe krystalinity a složení se uruje z prachu rentgenovou difraktometrií, mikroskopicky, elektronovou difraktometrií, kalorimetricky [3].

14 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 14 Obr. 3. Srovnání pevnosti v tlaku u geopolymeru a portlandského cementu [20]. Díky dobrým vlastnostem aluminosilikátových pojiv se jich využívá pro solidifikaci odpad. Systémy se popisují kinetikou chemické reakce a jejich ovování se provádí diferenní skenovací kalorimetrií (DSC) [21]. Schopnost geopolymer chemicky vázat odpady se posuzuje výluhovými testy. Fyzikální testy na pevnost v tlaku vypovídají o kvalit vzniklých produkt z hlinitokemiitan smíchaných s odpady [22]. Strukturní uspoádání u alkalických pojiv na modelovém systému v pítomnosti tžkých kov, které jsou typické pro odpady z galvanizoven, bylo spolehliv dokázáno, že probíhá imobilizace tžkých kov do geopolymerní matrice. Odpad z galvanizovny obsahoval sloueniny kadmia, rtuti, niklu, chromu a olova. Tyto materiály s imobilizovanými tžkými kovy se uplatnili zejména pi stavb silnic [18]. Aluminosilikáty také vykazují lepší vlastnosti pi solidifikaci, než pi imobilizování odpad do skla. Jak se potvrdilo výluhovými testy, je tedy solidifikace odpad do geopolymer významnjší než vitrifikace [23]. Výsledné produkty jsou aluminosilikátové minerály podobné svým složením sopenému písku [3]. Dle práce kolektivu autor Bankowskiho, Zou a Hoges [17] se do geopolymerní matrice dá zabudovávat popílek i popel ze spalování hndého uhlí pro energetické úely. Mením bylo zjištno, že stabilizací prachu se snížilo množství kovu ve výluhu. Nejvtší úinnost fixace byla zjištna u Ca, As, Se, Sr a Ba.

15 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 15 Obr. 4. Množství nebezpených prvk zachycených v geopolymerní matrici [19] Vlastnosti aluminosilikát mžeme upravovat, a to zejména nastavením vhodných reakních podmínek a pídavkem vhodných komposit, které mohou být ve form krátkých nebo dlouhých vláken nebo destiek. Tmito zpsoby se zlepšují hlavn teplotní a mechanické vlastnosti. Studie [24] ukázala, že pi výrob komposit na bázi SiO 2 + Al 2 O 3, byla matrice geopolymer stabilní do 500 C. Pi teplot zahátí na 500 C byl zmen 35 % úbytku hmotnosti a lineární smrštní 1,2 %. Nebylo však pozorováno mikrostrukturální poškození. Pi podrobnjším sledování mechanických vlastností hlinitokemiitan bylo zjištno, že pidávaná vlákna do kompizit zlepšují pevnost v tlaku a tuhost. Delší vlákna mají výraznjší vliv na zlepšení tchto vlastností, u kratších vláken jsou mechanické vlastnosti zlepšeny mén výrazn, ale dosahuje se lepší odlévatelnosti [24]. Na vlastnosti geopolymer má také vliv, jaké výchozí látky jsou zvoleny pro geopolymeraci. Byly studovány rzné materiály nap. kaolinit, albit nebo popílek. Výsledky ukázaly, že popílek má amorfní strukturu a je nejmén energeticky vázán, a proto je bhem geopolymerace nejreaktivnjší ze všech uvedených látek. Stanovení struktury a složení výchozího materiálu bylo ureno rentgenovou difraktometrií, rentgenovou fluorescencí a NMR spektroskopií. Rznými kombinacemi výchozích materiál se dá dosáhnout požadovaného složení gelové fáze a koneného produktu [25]. Kationty alkalických kov ovlivují celý prbh geopolymerace a mají významný dopad na fyzikáln-chemické vlastnosti produkt. Reologická mení, vyluhovatelnost, tlakové zkoušky, testy povrchového naptí a IR spektroskopie dokázaly, že na fyzikáln-

16 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 16 chemické vlastnosti geopolymerního pojiva a popílku mají významný vliv ionty Na + a K +. Tyto kationty ovlivují uspoádání iont, rozpustnost, strukturu, orientace iont bhem tvrzení a krystalické uspoádání [26]. Byly studovány korozní úinky kyselin na geopolymery [27]. Korozní úinky za- ínají vyluhování Na + a Ca 2+, které jsou v matrici nahrazovány ionty H +. Následn mže docházet k reakci kyselinových proton s polymerní vazbou Si O Al. Tento druhý krok je závislý na koncentraci kyseliny, sodných a vápenatých iont, dále na rychlosti difuse iont v pevné matrici. Sodné soli se dostávají do výluhu, ale vápenaté se ukládají do korozní vrstvy, která poskytuje ochranu a zpomaluje proces rozrušování [27]. 1.3 Metody mení fyzikáln-chemických vlastností geopolymer U stavebních materiál jsou provádna rzná mení pro popsání jejich fyzikálních a chemických vlastností. V souasnosti nejsou k dispozici žádné legislativní pedpisy nebo normy SN, které by ošetovaly metodiku mení fyzikáln-chemických vlastností geopolymer. Z tohoto dvodu pro popis fyzikáln-chemických vlastností byly zvoleny normy ady SN EN 14617, které popisují metodiku mení fyzikáln-chemických vlastností umlého kamene. Mezi nejvýznamnjší stanovení patí urení pórovitosti zkoušeného materiálu, která je definována podílem objemu dutin a pór v objemové jednotce zkoušeného vzorku. Celková porosita se skládá z kapilárního a volného vzduchu, které se oznaují jako aktivní a u volného vzduchu jako neaktivní porosita. Pro posouzení tchto porosit se používají testy na mechanické vlastnosti betonu pi mnícím se stavu vlhkosti. Ukázalo se, že snižující se vlhkost má vtší vliv na mechanické vlastnosti u aktivní porosity. U neaktivní porosity se neprojevují zmny mechanických vlastností s mnící se vlhkostí [28]. Pórovitost se nestanovuje pímo, ale výpotem z hustoty a objemové hmotnosti: n porosita [%] s hustota [kg.m -3 ] ρ n = ( 1 ) 100 ρ s

17 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 17 objemová hmotnost [kg.m -3 ] Bylo zjištno, že struktura pór se mní prbžn po celou dobu tuhnutí betonu, pomocí rtu ové porosimetrie. Nevýhodou rtu ové porosimetrie je použití vzork o malé velikosti, která významn ovlivuje stanovení hodnot porosity vedoucí k nesourodostem. Korekce výsledk mení se provádí matematickým výpotem vzhledem k použitému betonu [29]. Pro urení rozdlení velikosti pór s polomrem 10-3 až 10-2 m se používá nízkoteplotní adsorpce dusíku. Rozdlení velikosti se uruje podle této metody s adsorpní a desorpní izotermy [30]. Hustota je další významnou veliinou, která se stanovuje u stavebních materiál. Je to hmotnost objemové jednotky tuhé fáze. Do hustoty se nepoítají póry a dutiny. Stanovuje se pyknometrickou metodou na Gay-Lussacov pyknometru a ped samotným mením musí být materiál rozmlnn. Vzorek vkládaný do piknometru musí být vysušen pi teplot 105 C [29]. s hustota [kg.m -3 ] m 1 hmotnost prázdného pyknometru [kg] m 2 hmotnost pyknometru se vzorkem [kg] m 3 hmotnost pyknometru se vzorkem a vodou [kg] V objem pyknometru [m 3 ] w hustota vody pi 20 C [kg.m -3 ] Objemová hmotnost je definována jako hmotnost tuhé, plynné a kapalné fáze v objemové jednotce vzorku a stanovuje se bu pi vlhkosti kdy byl vzorek dodán do laboratoe, nebo pi 100 % nasycení vodou [29]. Toto mení je dáno normou SN EN a vztahem: ( m ρ s = V ρ w 2 m ρ s = V m1 ) ρ w + ( m m 1 3 ) objemová hmotnost [kg.m -3 ]

18 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 18 m hmotnost [kg] V objem [m 3 ] Dalšími stanoveními, která se provádjí u stavebních materiálu je test vyluhovatelnosti. Toto mení je dležité zejména pi solidifikaci odpad a jejich následnému uložení. Testy vyluhovatelnosti se provádí podle vyhlášky pro odpady 383/2001 Sb. a zákona o odpadech a o zmn nkterých dalších zákon 185/2001 Sb. Podle tchto test se solidifikované odpady zaazují do tíd vyluhovatelnosti a podle tchto tíd je s nimi dále manipulováno. Stanovení pevnosti v tlaku se provádí podle normy SN EN Pevnost v tlaku se mí na hydraulickém lisu, jako nejvtší síla, kterou zkušební tleso snese pi namáhání jednoosým tlakem. Tato síla je vztažená na poátení prez zkoušeného tlesa. Pevnost se stanovuje na pravidelných tlesech, kde má znaný význam pomr výšky zkušebního tlesa k jeho pínému rozmru, tento pomr by ml být 2:3. Ped samotným m- ením je dležité zabrousit zátžové plochy, dostedné zatížení vzorku a pomalé nanášení zatžující síly. Obr. 5. Schéma zkoušky pevnosti v tlaku F p = S p pevnost v jednoosém tlaku [MPa]

19 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 19 F S síla pi porušení soudržnosti vzorku [kn] plocha píného prezu [cm] V této práci byla pro stanovení mrazuvzdornosti použita normou SN EN Stanovení mrazuvzdornosti pro umlý kámen a toto stanovení úzce souvisí s mením pevnosti v tlaku. Pro urení mrazuvzdornosti jsou tlesa nasycena vodou a následuje 50 cykl zmražení a rozmražení. Teploty pi zmrazování vzork jsou -20 C a pi rozmrazování 20 C. Po provedení zmrazovacích a rozmrazovacích postup se u testovaných vzork zmí pevnost v tlaku, která se srovná s kontrolními tlesy, které neprošly zmrazovacími a rozmrazovacími cykly. Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku upravené normou SN EN Vzorky jsou vysušeny pi 105 C a následn ponoeny do vody o teplot 15 C, po provedení dvaceti opakování tohoto postupu se zkušební tlesa zváží a provede se stanovení pevnosti v tlaku. Chemická odolnost vi kyselinám se provádí u vysušeného vzorku v nadbytku 0,1 M kyseliny chlorovodíkové. Krom kyseliny chlorovodíkové se používá ješt kyselina sírová. Následn se v pefiltrovaném výluhu zmí ph, konduktivita a atomovou absorpní spektroskopií stanoví požadované kovy [29].

20 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 20 2 EXPERIMENTÁLNÍ ÁST 2.1 Testované vzorky Dodané vzorky pro pevnost v tlaku byly ve tvaru válcových tles pipraveny v 6 sadách. U první sady se mnil obsah draselných iont ve vzorku, který byl 0,5; 0,7; 0,9; 1,1; 1,3 a 1,85 mol.kg -1 pipravené reakní smsi. Druhou sadu tvoily vzorky s vápenatými ionty a to v množství 0; 0,076; 0,1 a 0,2 mol.kg -1 ve smsi a tetí sada byla pipravena s pídavky sodných iont a to s 0,5; 0,7; 0,9; 1,1; 1,3 a 1,85 mol.kg -1 ve smsi. Další ti sady byly pipraveny s konstantním množstvím draselných, resp. sodných iont a mnil se obsah plniva. První vzorky z každé sady byly vždy bez plniva a další byly pipraveny vždy s 25, 50, 75 a 80 % plniva. V prvním pípad bylo množství draselných iont 1,85 mol.kg -1, ve druhé 0,7 mol.kg -1 a ve tetím bylo použito 1,85 mol.kg -1 sodných iont. Pro všechny provádné zkoušky a stanovení byly pedlohou normy ady SN EN 14617, což jsou normy pro testování umlého kamene. Tyto normy byly modifikovány pro geopolymery. 2.2 Použité pístroje Pedvážky Scaltec SPB 52, Scaltec Instruments, Germany Analytické váhy Scaltec SBC 32, Scaltec Instruments, Germany Lis hydraulický H-52, Trystom s. r. o., Olomouc, Czech republic

21 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 21 ph-metr CPH 52, Elteca, Turnov, Czech republic Konduktometr LF 3000, WTW, Germany Trouba elektrická Mora 524, Czech republic Atomový absorpní spektrometr GBC 933AA, Australia Tepaka RS 10 basic IKA, USA 2.3 Stanovení pevnosti v tlaku Tato zkouška byla provedena podle normy SN EN , která popisuje zkušební metody pro umlý kámen Stanovení pevnosti v tlaku. K provedení této zkoušky bylo použito hydraulického lisu, posuvného mítka, smirkového papíru, poítae s kamerou. Nejdíve byl u jednotlivých vzork zmen posuvným mítkem jejich prmr, aby bylo možno vypoítat plochu píného prezu vzork, na kterou psobí síla potebná k rozdrcení vzorku. Poté byly smirkovým papírem odstranny nerovnosti z horní strany jednotlivých vzork, které vznikly pi tuhnutí.

22 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 22 Takto pipravené vzorky byly vkládány do hydraulického lisu a byla mena síla potebná k jejich rozdrcení. Stupnice hydraulického lisu byla snímána kamerou a ze získaných záznam byla odetena síla F potebná k rozdrcení vzorku. podle vzorce: Z takto získaných hodnot je možno vypoítat pevnost vzorku v jednoosém tlaku, F p = S p F S pevnost v jednoosém tlaku [MPa] síla pi porušení soudržnosti vzorku [kn] plocha píného prezu [cm] 2.4 Stanovení vyluhovatelnosti Stanovení vyluhovatelnosti se provádí podle aktuální vyhlášky pro odpady 383/2001 Sb. a zákona o odpadech 185/2001 Sb. Vysušený a rozdrcený vzorek byl zvážen a peveden do sklenné uzavíratelné lahve. Poté bylo do lahve pidáno takové množství destilované vody, které odpovídá desetinásobku hmotnosti vzorku. Láhev byla uzavena a následn byla tepána 24 h. Po uplynutí této doby bylo tepání zastaveno, výluh byl pefiltrován pes filtr ze sklenných mikrovláken typu Z 8. U takto pipraveného filtrátu byla zmena konduktivita a ph. Vzorek filtrátu byl peveden do 25 ml odmrné baky s pídavkem pti kapek koncentrované kyseliny dusiné pro stabilizaci. Takto pipravené vzorky filtrátu byly uloženy v lednici a následn provedeny analýze kov pomocí AAS. 2.5 Stanovení mrazuvzdornosti Jako pedloha pro stanovení mrazuvzdornosti u dodaných vzork geopolymer byla použita norma SN EN pro umlý kámen. Zkouška se skládala u z 25-ti opakujících se cykl. Jeden cyklus je složen se zmrazovací ásti, kdy se tleso nasáklé vodou vlo-

23 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 23 ží do mrazícího boxu na 2 h pi teplot -20±5 C. Po zmrazovací ásti následuje rozmrazovací krok, ve kterém se zkušební tlesa vloží na 2 h do vody o teplot 20±5 C. Zkouška byla ukonena vysušením tles a následným stanovením jejich pevnosti v tlaku. Získané hodnoty byly porovnány s referenním tlesem, které nebylo vystaveno zmrazovacím a rozmrazovacím krokm. 2.6 Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku Stanovení odolnosti proti teplotnímu šoku pro vzorky geopolymer bylo modifikací normy SN EN pro umlý kámen. Testované tlesa byla zvážena na analytických vahách a vysušena pi 105±5 C do konstantní hmotnosti. Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku probíhalo podobn jako zkouška mrazuvzdornosti v cyklech. Jeden cyklus byl složen ze dvou krok. Prvním krokem bylo sušení tlesa v sušárn po dobu 2 h pi teplot 105±5 C. V druhém kroku bylo tleso ponoeno do vody po dobu 2 h o teplot 20±5 C. Hladina vody dosahovala výšky 6 cm nad horní stranou testovaných tles a navzájem se nedotýkala. Stanovení bylo ukoneno po 20-ti cyklech. Tlesa byla vysušena do konstantní hmotnosti a následovalo stanovení pevnosti v tlaku. Získané hodnoty byly porovnány podobn jako v pípad stanovení modifikované mrazuvzdornosti s referenním tlesem.

24 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 24 3 VÝSLEDKY A DISKUSE 3.1 Pevnost v jednoosém tlaku Tato ást práce sleduje, jaký vliv na pevnost vzork má jejich složení a to zejména vliv rzného obsahu draselných, vápenatých a sodných iont. Potom byla pevnost zmena ješt u vybraných vzork s konstantním obsahem tchto iont a rzným obsahem plniva. Testování každého vzorku bylo provedeno po 7, 14 a 28 dnech Tlesa s rzným molárním množstvím draselných iont Prvním aspektem, který byl studován a má vliv na pevnost vzork v tlaku je rzný obsah K + ve zkušebních tlesech. Dodané vzorky vykazovaly rzný obsah K + od 0,5 do 1,85 mol.kg -1 smsy. Namená pevnost u této sady tles je uvedena v grafu na obr p [MPa] ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,85 Obsah K + [mol.kg -1 ] Po 7 dnech Po 14 dnech Po 28 dnech Obr. 6. Pevnost v tlaku u tles s rzným obsahem draselných iont Z obr. 6. je zejmé, že se zvyšujícím se molárním množstvím draslíku se u tles zvyšuje pevnost.

25 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 25 Maximální pevnosti bylo dosaženo u tles s obsahem draslíku 1,3 mol na kg pipravené smsi. Již po 7 dnech byla u této sady tles pevnost nejvyšší a to i oproti ostatním tlesm, která takové pevnosti nedosahovala ani po 28 dnech. U této sady tles byla pevnost po 7 dnech 39,6 MPa a po 28 dnech byla namena hodnota 49,2 MPa. U tles pipravených s obsahem draslíku 1,85 mol na kg smsi se pevnost zaala opt snižovat. Se vzrstající dobou vytvrzování se zlepšuje pevnost tles pi namáhaní v jednoosém tlaku. U vtšiny tles se pevnost po 28 dnech od pipravení zvýšila o 7 10 MPa oproti mením, která byla provedena po 7 dnech (viz. píloha P 1) Tlesa s rzným množstvím vápenatých iont Tato sada tles obsahovala rzné množství Ca 2+ a to v rozmezí od 0 do 0,2 mol.kg -1 smsy. Namené hodnoty pevnosti v tlaku u tles s rzným obsahem Ca 2+ jsou uvedeny v grafu na obr p [MPa] ,076 0,1 0,2 Obsah Ca 2+ [mol.kg -1 ] Po 7 dnech Po 14 dnech Po 28 dnech Obr. 7. Pevnost v tlaku u tles s rzným obsahem vápenatých iont

26 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 26 Z takto pipravených tles bylo nejvyšší pevnosti dosaženo u tles z obsahem Ca 2+ 0,2 mol.kg -1. Pevnost v tlaku u tchto tles po 7 dnech byla 39,6 MPa, po 14 dnech 44,93 MPa a po 28 dnech bylo dosaženo maximální pevnosti 49,2 MPa. Stejn jako u tles s rzným obsahem K + se i u této sady tles pevnost postupn s delší dobou tuhnutí zvyšovala a to v rozmezí od 3 MPa u prvních dvou tles, až po 10 MPa u tles pipravených s 0,1 resp. 0,2 mol.kg -1 Ca 2+ (viz. píloha P 2) Tlesa s rzným molárním množstvím sodných iont Tetí sada tles byla pipravena s rzným množstvím Na + v rozmezí od 0,5 mol.kg -1 do 1,85 mol.kg -1 Na + na množství pipravené smsi. Hodnoty získané pi mení jsou uvedeny v grafu na obr p [MPa] ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,85 Obsah Na + [mol.kg -1 ] Po 7 dnech Po 14 dnech Po 28 dnech Obr. 8. Pevnost v tlaku u tles s rzným obsahem sodných iont Jak je zejmé z obr. 8., se zvyšujícím se množstvím Na + ve vzorcích se zvyšuje i pevnost, podobn jako tomu bylo u tles pipravených s ionty K + nebo Ca 2+. Maximální pevnosti bylo dosaženo u tlesa pipraveného s obsahem Na + 1,85 mol/kg. Namené hod-

27 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 27 noty dosahují u tohoto tlesa po 7 dnech pevnosti 16,4 MPa a po 28 dnech se pevnost zvýšila o 7,8 MPa, na hodnotu 24,2 MPa. Pestože jsou vzorky s obsahem 1,85 mol.kg -1 sodíku pipravené smsi z této sady nejpevnjší, nedosahují takové pevnosti jako nejpevnjší tlesa z pedešlých dvou sad. Oproti tmto tlesm je hodnota pevnosti v tlaku asi poloviní (viz. píloha P 3) Tlesa s konstantním molárním množstvím K + 0,7 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva ve smsi Tyto sady tles byly pipraveny s množstvím K + 0,7 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva. Tém všechna tlesa takto pipravené vykazovala sílu potebnou k rozdrcení vzorku pod mezí stanovitelnosti, což je 1 kn. Jediného reprodukovatelného výsledku bylo dosaženo u tles bez pídavku plniva po 28 dnech, tato hodnota inila 5,1 MPa Tlesa s konstantním molárním množstvím K + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva ve smsi U této sady tles bylo zvoleno konstantní množství K + 1,85 mol.kg -1 pipravené smsi. Pevnost byla porovnávána podle množství plniva, které bylo vzrstající od tles pipravených bez plniva, až po tlesa s pídavkem 80 % plniva na celkovou hmotnost smsy. Jako plnivo byl použit jemný písek. Výsledky tchto zkoušek pevnosti jsou uvedeny v grafu na obr. 9.

28 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [MPa] Obsah plniva [%] Po 7 dnech Po 14 dnech Po 28 dnech Obr. 9. Pevnost v tlaku u tles s konstantním množstvím K + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva Nejvtší pevnosti v tlaku z této sady tles bylo dosaženo u tlesa s obsahem plniva 25 % a to po 28 dnech 49,2 MPa. Po 7 dnech byla u tohoto tlesa pevnost v tlaku tém shodná s pevností jako u tlesa bez pídavku plniva asi 40 MPa. Bhem 28 dní došlo u tles pipravených s 25 % plniva k lepšímu ztuhnutí, než u tles bez plniva. U dalších vzork se pevnost tles se zvyšujícím se obsahem plniva snižovala a nejnižších hodnot bylo dosaženo u tles pipravených s 80 % plniva po 7 dnech 7,2 MPa. Po delší dob tuhnutí se i u tchto tles pevnost zvýšila, a to asi o 5 MPa (viz. píloha P 4) Tlesa s konstantním molárním množstvím Na + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva Tato tlesa byla pipravena s molárním množstvím Na + 1,85 mol.kg -1 geopolymerního pojiva a pevnost byla porovnávána v závislosti na pídavku plniva od 0 do 80 % na hmotnost pipravované smsi. Jak již bylo uvedeno výše, se vzrstajícím obsahem plniva v tlesech se snižuje jejich pevnost v tlaku. To je zejmé i z obr. 10.

29 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [MPa] Obsah plniva [%] Po 7 dnech Po 14 dnech Po 28 dnech Obr. 10. Pevnost v tlaku u tles s konstantním množstvím Na + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva Tato sada vykazuje nejvyšší pevnost u tles pipravených s 25 % plniva, podobn jako tomu bylo u tles s 1,85 mol.kg -1 K. Ovšem u tles s Na + je výsledná pevnost po 28 dnech o 20 MPa nižší (viz. píloha P 5). U této sady tles bylo zjištno, že k dosažení maximální pevnosti dochází již po 14 dnech, protože hodnoty jsou podobné výsledkm získaným po 28 dnech. Jako nevyhovující se ukázaly vzorky pipravené s 80 % plniva, které i po 28 dnech vykazovaly hodnotu pevnosti v tlaku menší jak 1 MPa. Testy s touto sadou tles ukázaly, že geopolymery s obsahem sodných iont mají výrazn horší vlastnosti než obdobné geopolymery obsahující ionty draselné. 3.2 Stanovení mrazuvzdornosti Jak bylo uvedeno výše, pro testy mrazuvzdornosti byla použita norma SN EN Tyto zkoušky byly provedeny se zkušebními tlesy po 28 dnech tuhnutí a tvrdnutí, s rzným obsah K +, Ca +, Na + a u vybraných vzork s 1,85 mol.kg -1 K +, resp. Na + a rz-

30 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 30 ným obsahem plniva. Jako referenní tlesa byla použita vždy tlesa pipravená z identických geopolymerních smsí, která nebyla podrobena zmrazování a rozmrazování. Dodané vzorky s rzným obsahem K + 0,5; 0,7; 0;9; 1,1; 1,3 a 1,85 mol.kg -1 pojiva byly podrobeny 25 cyklm zmražení a rozmražení. Vzorky s 0,5 a 0,7 mol.kg -1 K + se rozpadly po 11, resp. po 6 cyklech. Ostatní vzorky v této sad se ukázaly jako odolné proti psobení mrazu a bylo u nich provedeno všech 25 cykl. Jejich konené hodnoty pevnosti v tlaku byly srovnány s referenními tlesy a jsou uvedeny na obr p [Mpa] ,9 1,1 1,3 1,85 Obsah K + [mol.kg -1 ] Vzorky po testu mrazuvzdornosti Referenní tlesa Obr. 11. Stanovení mrazuvzdornosti u tles s rzným obsahem K + Z obrázku je zejmé, že psobení mrazu má na pevnost tles negativní vliv. Pevnost v tlaku u tles této sady se po 25 cyklech snížila o MPa. Jako nejodolnjší po testech mrazuvzdornosti bylo dosaženo u tles s obsahem K + 1,3 mol.kg -1 pojiva, kde se narozdíl od ostatních tles snížila pevnost pouze o 2 MPa (viz. píloha P 6). Další dodaná tlesa obsahovala rzná množství Ca +. U tchto tles byla mrazuvzdornost lepší, než u pedešlé sady s rzným obsahem K +.

31 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [Mpa] ,076 0,1 0,2 Obsah Ca 2+ [mol.kg -1 ] Vzorky po testu mrazuvzdornosti Referenní tlesa Obr. 12. Stanovení mrazuvzdornosti u tles s rzným obsahem Ca + Vtšina tles s rzným obsahem vápenatých iont se ukázala jako odolná proti psobení mrazu, protože se tém nezmnila jejich pevnost oproti referenním tlesm. Jediným pípadem, kde se psobení mrazu projevilo výrazným zhoršením pevnosti, jsou tlesa s obsahem Ca 2+ 0,1 mol.kg -1 (viz. píloha P 7). Tetí sada tles, která byla testována na mrazuvzdornost, obsahovala rzná množství Na +. Výsledky test u této sady tles jsou uvedeny na obr. 13.

32 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [Mpa] ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,85 Obsah Na + [mol.kg -1 ] Vzorky po testu mrazuvzdornosti Referenní tlesa Obr. 13. Stanovení mrazuvzdornosti u vzork s rzným obsahem Na + Tlesa dodaná s rzným obsahem Na + se ukázala jako mrazu odolná od 0,9 do 1,3 mol.kg -1 Na +. Nejmén odolná byla tlesa s obsahem Na + 0,5 a 1,85 mol.kg -1, u kterých se pevnosti snížily o 6 MPa a u tles s obsahem 1,85 mol.kg -1 Na + dokonce o 16,5 Mpa (viz. píloha P 8). Další dv sady dodaných tles byly pipraveny s konstantním obsahem K + a Na +. U první sady byl zvolený obsah K + 1,85 mol.kg -1 pojiva a mnilo se hmotnostní procento plniva, které bylo použito k píprav. Všechna tato tlese prošla 25 cykly zmražení a rozmražení a namené hodnoty jsou uvedeny na obr. 14.

33 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [Mpa] Obsah plniva [%] Vzorky po testu mrazuvzdornosti Referenní vzorky Obr. 14. Stanovení mrazuvzdornosti u tles s obsahem K + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva U tles s 0, 25, 75 a 80 % se psobení teplot -20 C neprojevilo a namené hodnoty jsou tém shodné s referenními tlesy. U tles s obsahem plniva 50 % se pevnost v tlaku dokonce zvýšila oproti referennímu tlesu a to o 10 MPa (viz. píloha P 9). Poslední sada tles, která byla testována na mrazuvzdornost obsahovala konstantní množství Na + 1,85 mol.kg -1 geopolymeraního pojiva a stejn jako v pedchozím pípad se jednotlivé vzorky lišily obsahem plniva v hmotnostních procentech vzhledem k množství smsi. Tato sada vzork se ukázala jako nejmén odolná proti psobení mrazu, jak ukazuje obr. 15. Referenní tlesa s obsahem 80 % plniva nedosahovala po 28 dnech tuhnutí mitelných hodnot pevnosti v tlaku a pi testech mrazuvzdornosti se v prmru po 3 cyklech rozpadla. Vzorky s 50 % plniva nebyly dodány a proto u nich nebyly provedeny zkoušky pevnosti v tlaku ani mrazuvzdornosti.

34 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [Mpa] Obsah plniva [%] Vzorky po testu mrazuvzdornosti Referenní vzorky Obr. 15. Stanovení mrazuvzdornosti u tles s obsahem Na + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva Tato tlesa dosahovala nejnižších hodnot pevnosti v tlaku a po zkouškách mrazuvzdornosti se ješt jejich mechanické vlastnosti zhoršily. U nejpevnjšího tlesa z této sady se pevnost snížila o 4 MPa. Z tles, která vydržela všech 25 cykl se nejvíce pevnost snížila u tles bez plniva, u nichž se pevnost snížila o 7 MPa (viz. píloha P 10). 3.3 Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku Pro stanovení odolnosti proti tepelnému šoku byla jako pedloha použita norma SN EN , která byla upravena pro testování geopolymerních vzork. Testování bylo provedeno ve 20 cyklech, kdy byla tlesa vysušena pi 105±5 C a následn ponoena do vody o teplot 15±5 C. Testované sady tles byly dodány jako v pedešlém pípad s rzným obsahem K +, Ca 2+ a Na +. Dále byla ješt testována tlesa s konstantním obsahem K + a Na +, která mla stejné složení jako u testu mrazuvzdornosti.

35 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 35 Tlesa se zvyšujícím se obsahem K + byla podrobena 20 cyklm a následn provedena zkouška na pevnost v tlaku. Hodnoty pevnosti jsou uvedeny na obr p [Mpa] ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,85 Obsah K + [mol.kg -1 ] Vzorky po zkoušce tepelného šoku Referenní vzorky Obr.16. Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku u tles s rzným obsahem K + Z obr. 16. je zejmé, že tém u všech vzork byla pevnost po zkouškách odolnosti proti tepelnému šoku vyšší, než u referenních tles, a to v rozmezí od 7 MPa do 17 MPa (viz. píloha P 11). To by mohlo být zapíinno sušením vzorku v sušárn pi 105 C, ímž mohlo být urychleno tuhnutí vzork. U vzork s obsahem K + 1,85 mol.kg -1 pojiva byla pevnost po tchto zkouškách nižší a to o 3,4 MPa. Další sada dodaných vzork, která byla testována, obsahovala rzná množství Ca 2+. U tchto vzork jsou hodnoty pevnosti po zkoušce odolnosti proti tepelnému šoku srovnatelné s referenními tlesy, jak je uvedeno na obr. 17.

36 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [Mpa] ,076 0,1 0,2 Obsah Ca 2+ [mol.kg -1 ] Vzorky po zkoušce tepelného šoku Referenní vzorky Obr. 17. Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku u tles s rzným obsahem Ca 2+ Jak již bylo zjištno zkouškami pevnosti v tlaku, nejlepšího výsledku bylo dosaženo u tles s obsahem Ca 2+ 0,2 mol.kg -1. Po zkoušce odolnosti proti tepelnému šoku se pevnost ješt zvýšila oproti referennímu vzorku o 5 MPa (viz. píloha P 12). Další sada tles mla zvyšující se obsah Na + od 0,5 do 1,85 mol.kg -1 pojiva. Také u této sady tles všechny tlesa vydržela 20 cykl sušení a ponoení do vody. Jak je vidt z obr. 18. i u této sady se po provedení zkoušky odolnosti proti tepelnému šoku pevnost tles zvýšila, a to nejvíce u tlesa s obsahem Na + 1,3 mol.kg -1. Jediné tleso, u kterého se pevnost pro provedení této zkoušky snížila, bylo tleso s obsahem Na + 1,85 mol.kg -1 smsi, a to o 10 MPa.

37 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [MPa] ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,85 Obsah Na + [mol.kg -1 ] Vzorky po zkoušce tepelného šoku Referenní tlesa Obr. 18. Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku u tles s rzným obsahem Na + Jak již bylo uvedeno výše, nejlepší pevnosti dosáhly vzorky pipravené s obsahem Na + 1,3 mol.kg -1 pojiva, která se z pvodní hodnoty 18,8 MPa zvýšila po 20 cyklech na 33,3 MPa (viz. píloha P 13). Další 2 sady tles, u kterých byla provedena zkouška odolnosti proti tepelnému šoku, byla tlesa s konstantním množstvím K +, resp. Na + a rznými množstvími plniva v hmotnostních procentech od 0 až po 80 % plniva na kg smsi. U vtšiny tles této sady se také projevilo zlepšení pevnosti v tlaku po provedení této zkoušky. Jediné tleso, u kterého se pevnost oproti referennímu tlesu zhoršila, bylo tleso s 25 % plniva, jak je uvedeno na obr. 19.

38 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [MPa] Obsah plniva [%] Vzorky po zkoušce tepelného šoku Referenní vzorky Obr. 19. Stanovení odolnosti proti teplotnímu šoku u tles s konstantním množstvím K + 1,85 mol.kg -1 a rzným množstvím plniva U tchto tles dosahovala nejvyšších hodnot referenní tlesa s obsahem plniva 25 %. Po provedení zkoušky na odolnost proti tepelnému šoku došlo k lepšímu ztuhnutí u tles bez plniva a pevnost byla o 1 MPa vyšší, než u referenních tles s 25 % plniva. U vzorku s 25 % se navíc pevnost po provedení této zkoušky snížila o 6 MPa (viz. píloha P 14). Poslední sada tles, u které byla provedena zkouška odolnosti proti tepelnému šoku byla s množství Na + 1,85 mol.kg -1 pojiva a mnilo se množství plniva, které bylo pidáváno do smsi. Srovnání s referenními tlesy je uvedeno na obr. 21.

39 UTB ve Zlín, Fakulta technologická p [Mpa] Obsah plniva [%] Vzorky po testech tepelného šoku Referenní vzorky Obr. 20. Stanovení odolnosti proti tepelnému šoku u tles s konstantním množstvím Na + 1,85 mol.kg -1 a rzným obsahem plniva Z tles této sady, která byla k dispozici, mla nejvtší pevnost tlesa bez plniva. Tlesa s 25 %, u kterých se dala pedpokládat nejvtší pevnost, vzhledem k tomu, že referenní tlesa s 25 % plniva byla z této sady nejpevnjší, nebyla dodána. U tles bez plniva se po provedení zkoušky odolnosti proti tepelnému šoku pevnost ješt zvýšila na hodnotu 11 MPa (viz. píloha P 15). U tles s 80 % plniva nebyly nameny reprodukovatelné výsledky, protože jak u zkoušených tles, tak u referenních tles byla síla potebná k rozdrcení vzorku menší jak 1 kn. 3.4 Stanovení vyluhovatelnosti Tato ást diplomové práce se zabývá závislosti ph a konduktivity vodných výluh zkušebních tles na složení vzork a jejich modifikací s K +, Ca 2+ a Na +. Pro pípravu vodných výluh byly použity vzorky s pedešlých test na pevnost v tlaku po dob tuhnutí 28 dní. Jako první byl porovnáván vliv rzných množství draselných iont ve vzorku na ph a konduktivitu. Výsledky jsou uvedeny na obr. 21.

40 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 40 12, , ph [1] 12,10 12, [ms.m -1 ] 11, ph Konduktivita 11, ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 Obsah K [mol.kg -1 ] Obr. 21. Závislost ph a konduktivity na obsahu K + Jak je uvedené na obr. 21 ph u vzork s rostoucím obsahem K + má stoupající trend. Nejnižší je hodnota u tles s obsahem K + 0,5 mol.kg -1 tato hodnota je 11,84. Konduktivita má klesající trend, pouze u tles s obsahem K + 1,85 mol.kg -1 konduktivita roste a to na hodnotu 351 ms.m -1. Obecn lze íci, že delší doba tuhnutí tles snižuje jak hodnoty ph a to o 0,3 0,7, tak hodnoty konduktivity o ms.m -1 (viz píloha P 16). Vzorky pipravené s rzným obsahem Ca 2+ a jejich hodnoty ph a konduktivity jsou uvedeny na obr , , ph [1] 12,20 12, [ms.m -1 ] 11, ph Konduktivita 11, ,04 0,08 0,12 0,16 0,2 Obsah Ca + [mol.kg -1 ] Obr. 22 Závislost ph a konduktivity na obsahu Ca 2+ v tlesech

41 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 41 Stejn jako u tles s rzným obsahem K + je i u tles s Ca 2+ vývoj ph rostoucí od nejnižších množství vápníku po 0,2 mol.kg -1 a i konduktivita se pi vyšších koncentracích vápník snižuje. Také zde se projeví delší doba vytvrzení snížením jednotlivých hodnot ph o 0,3 1,1 a konduktivita se sníží o ms.m -1 (viz. píloha P 16) V pípad mnícího se obsahu Na + v tlesech je vývoj ph také stoupající jako u pedešlých vzork, ale nárust ph je více znatelný než u vzork s K +, resp. Ca 2+, to je zejmé z obr , ,10 ph [1] 12,80 ph Konduktivita [ms.m -1 ] 12, ,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 Obsah Na [%] Obr. 23. Závislost ph a konduktivity na obsahu Na + V tomto pípad, na rozdíl od pedešlých dvou sad tles, konduktivita s vtším množství Na + v tlesech roste, a to od hodnot 500 ms.m -1 u tles s 0,5 mol.kg -1 do 1600 ms.m -1 pi obsahu Na + 1,85 mol.kg -1 (viz. píloha P 17). Také zde se delší doba tuhnutí projeví snížením hodnot ph a konduktivity. Další ti sady vzork byly pipraveny vždy s konstantním množstvím K +, pop. Na + v geopolymerním pojivu a rzným pídavkem plniva. U první sady dodaných tles bylo množství K + 0,7 mol.kg -1 pojiva a rzný obsah plniva. Hodnoty ph a konduktivity jsou uvedeny v grafu na obr. 24.

42 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 42 12,30 ph Konduktivita , ph [1] 11,70 11, [ms.m -1 ] 11, , Obsah plniva [%] Obr. 24. Závislost ph a konduktivity na obsahu plniva u tles s 0,7 mol.kg -1 K + U této sady vzork jako u jediné mlo ph klesající trend, a to od 12,12 u tles bez plniva až po hodnoty okolo ph 11 u vzork s 75 % a 80 % plniva (viz. píloha P 17). Vývoj konduktivity je zpoátku klesající až po tlesa s 50 % plniva, poté zaínají hodnoty konduktivity opt narstat. Druhá testovaná sada obsahovala tlesa s konstantním množstvím K + 1,85 mol.kg -1 a rzným procentem plniva. Výsledky vyluhovacích test jsou v grafu na obr , ,10 ph [1] 11, [ms.m -1 ] ph Konduktivita 11, Obsah plniva [mol.kg -1 ] Obr. 25. Závislost ph a konduktivity na obsahu plniva u tles s 1,85 mol.kg -1 K +

43 UTB ve Zlín, Fakulta technologická 43 U této sady je vývoj ph i konduktivity opaný, než u sady tles s 0,7 mol.kg -1 K +. Hodnota ph má rostoucí tendenci od tles bez plniva až po tlesa pipravená s 75 % plniva. U tles s 80 % je patrné ostré snížení hodnot ph až na hodnotu 11,8. Konduktivita u tchto tles roste s poátení hodnoty 160 ms.m -1, až po hodnotu 250 ms.m -1, která byla namena u tles s 50 % plniva. U ostatních tles této sady se konduktivita snižuje až k hodnotám okolo 150 ms.m -1, které byly zmeny u tles se 75 a 80 % plniva. Stejn jako v pedešlých pípadech jsou zde hodnoty ph a konduktivity nižší po 28 dnech od pípravy tles, než hodnoty namené 7 dní po píprav (viz. píloha P 18). Poslední sada tles s rzným obsahem plniva byla dodána s konstantním množstvím Na +, které inilo 1,85 mol.kg -1 geopolymeraního pojiva. U této sady tles je vývoj konduktivity podobný jako u tles s 1,85 mol.kg -1 K +, jak je patrné z obr ,20 ph Konduktivita , ph [1] 12, [ms.m -1 ] 12, , Obsah plniva [%] Obr. 26. Závislost ph a konduktivity na obsahu plniva u tles s 1,85 mol.kg -1 Na + V tomto pípad ph roste od 12,2 až do 13,2, což je hodnota namená u tles s 50 % plniva. U dalších tles této sady ph klesá až na hodnotu 11,7, která byla namena u tles s 80 % plniva. Vývoj konduktivity u této sady tles má podobnou tendenci jako vývoj hodnot ph. Výluh u tles bez plniva ml konduktivitu 260 ms.m -1 a s vtšími obsahy plniva je konduktivita rostoucí až po tlesa s 50 % plniva, u kterých byla konduktivita 626 ms.m -1. Poté konduktivita opt klesala a u tles s 80 % plniva byla namena 230 ms.m -1 (viz. píloha P 18).