Geopolymerní materiály

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Geopolymerní materiály"

Eduard Matějka
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Geopolymerní materiály Doc.RNDr. František Škvára DrSc Ústav skla a keramiky Vysoká škola chemicko-technologická v Praze

2 Počátky geopolymerů Prof. V.D.Gluchovskij 1958 Popsány principy alkalické aktivace kaolinitických látek, popílků a strusek gruntosilikaty gruntocementy soilcement geocement Stavba z gruntosilikátových bloků asi 1958 Další výzkum na Ukrajině: prof. Pavel Krivenko, prof. Myroslav Sanycky Kongresy od roku 1978

3 Mechanismus alkalické aktivace alumosilikátových látek ph>12 Si-O-Si + HOH 2 Si-OH (rozrušení vazeb Si-O-Si v silně alkalickém prostředí) Si-OH + NaOH Si-O-Na + HOH (neutralizace silanolátové skupiny) =Al OH (povrchová vrstva) + Ca 2+, Mg 2+ (Na +, K + ) Al(OH) 4- (v roztoku) Převážně mechanismus přes roztok Fáze typu (Na,K n {-(Si-O) z -Al-O} n.wh 2 O) + C-S-H, C-A-HC fáze + případně vznik další H 2 O v důsledku polykondenzace Produkt alkalické aktivace: podle charakteru surovin a podmínek alkalické aktivace (amorfní, částečně amorfní nebo krystalické produkty)

4 Pojetí geopolymerů Struktura geopolymeru podle Davidovitse (monolitický polymer) Předpoklad: Na vázán iontovou vazbou Současný pohled na strukturu geopolymeru, (náhodné uspořádání) souhlasí s našimi výsledky, Na v solvatované formě slaběji vázán (výkvěty!!) Geopolymer Nemá jednolitou strukturu typu polysialato-siloxo, Náhodné uspořádání 3D Obsahuje vodu v pórech a v gelu Porézní struktura Voda hraje roli jen jako nosič alkalického aktivátoru a jako reologická voda Krystalické a amorfní hydráty přítomny jen vyjímečně jen za přítomnosti strusky či látek obsahující Ca Skelná struktura Struktury geopolymeru a skla jsou velmi podobné (NMR) Si, Al,Fe,P sklotvorné prvky; Na,K,Ca,Mg modifikující prvky, O můstky Náhodné uspořádání 3D Není přítomna voda Není prakticky porézní Vztah ke struktuře hydratovaného portlandského cementu Vztah ke struktuře hydratovaného portlandského cementu Krystalické i amorfní hydráty Voda je konzumována v PC na hydráty Voda v pórech Porézní struktura (póry od nm do mm)

5 Co je tedy geopolymer? (Davidovits 1999, 2005) 27 Al NMR spektra musí mít pík při 55 ppm Al smí být jen a pouze v koordinaci 4 Jinak to nesmí být nazýváno geopolymer, nýbrž jen pouze alkalicky aktivované látky Tato striktně prosazovaná definice vyhovuje jen pro látky vzniklé alkalickou aktivací čistého metakaolinu Při analýze a klasifikaci látek vzniklých alkalickou aktivací geopolymerací vzniká řada otázek : Jsou geopolymery látky vzniklé i z jiných surovin než je čistý metakaolin? Jsou látky obsahující Al v koordinaci 6 např. ze zbytků mullitu také geopolymery? Jsou látky obsahující i fázi C-S-H také označitelné jako geopolymery? Jsou geopolymery látky vznikající jen při 20 o C nebo i při hydrotermální syntéze či při vyšší teplotě? Jsou látky obsahující vedle atomů Al také atomy B a P rovněž geopolymery? Je nutná vědecká diskuze.

6 Suroviny pro geopolymery Koncentrace Na 2 O v aktivátoru Relativní obsah Obsah Ca Obsah fáze typu (Na,K n {-(Si-O) z -Al-O}n.wH 2 O) Obsah C-S-H a C-A-H fáze slínek strusky popílky metakaolin Suroviny - obecně alumosilikátové látky Od slínku k metakaolinu nutný vyšší obsah Na 2 O v alkalickém aktivátoru Nutnost silnější aktivace (od uhličitanu ke směsím hydroxidu a křemičitanu) Koexistence CSH fáze a fází typu (Na,K n {-(Si-O) z -Al-O} n.wh 2 O)

7 Typy geopolymerních materiálů Alkalicky aktivovaný portlandský cement (Pyrament( Pyrament) Alkalicky aktivovaný portlandský slínek (bezsádrovcový portlandský cement) Geopolymer jako produkt alkalické aktivace strusek (struskoalkalické cementy) Geopolymer jako produkt alkalické aktivace popílků Geopolymer jako produkt alkalické aktivace metakaolinu Geopolymer na bázi kapalného prekurzoru

8 Příprava betonu Příprava geopolymerních kaší, malt a betonů Popílek Kamenivo Alkalický aktivátor NaOH + Na křemičitan ( vodní sklo ) Ms= , Na 2 O= 6-10%, w= Charakter výchozí suroviny Na 2 O/SiO 2 a Σ Na 2 O v aktivátoru Poměr SiO 2 :Al 2 O 3 : CaO (MgO) v surovině Složení kameniva Způsob přípravy (teplota, hydrotermální podmínky) Nutná experimentální optimalizace podmínek přípravy Geopolymerace Uložení Otevřená atmosféra o C 6-12 hodin Otevřená atmosféra Je možné užít i alkalický aktivátor obsahující K, vyšší cena, nižší pevnosti Geopolymerní beton na bázi popílku Společný projekt Fakulty stavební ČVUT A VŠCHT v Praze

9 Geopolymerní beton Špatně složený geopolymerní beton Správně složený a zhutněný geopolymerní beton

10 Mechanické vlastnosti Pevnosti v tlaku rostou i v časovém období dnů (vývoj pevností sledován již 9 let) Jiný poměr pevnosti v tlaku a v prostém tahu Smrštění (po termální přípravě Compressive strength (MPa ) Fly ash content in concrete (mass%) 28 d 14 d 7 d minimální, při volném tuhnutí měřitelné) 180 Maximální dosažená pevnost geopolymeru 163 MPa Compressive strength (MPa) flyash 590,slag 520 m2/kg 2 28 Time (days) ungrd. flyash 210,slag 350m2/kg

11 Mikrostruktura geopolymeru NMR MAS Si Al SEM Na

12 Porozita geopolymeru dv/dlog(r) (cm3/g) Fly ash+slag r (nm)

13 Rozhraní v geopolymerním betonu Geopolymer concrete Geopolymer reinforced concrete Al2O3/SiO2 (weight ratio) Al2O3/SiO2 (weight ratio) Distance from aggregate particle (μm) Distance from steel microreinforcement (μm)

14 Koroze geopolymeru na bázi popílku Pevnost v tlaku (MPa) days 540 days 720 days NaCl Na2SO 4 MgSO4 Roztok NaCl (164g/dm 3 ) 600 dnů expozice žádné sekundární produkty Roztok Na 2 SO 4 (44g/dm 3 ) Roztok MgSO 4 (5g/dm 3 ) T.Jílek : Diplomová práce 2004, VŠCHT v Praze

15 Vysokoteplotní vlastnosti geopolymeru na bázi popílku Vysoké zbytkové pevnosti geopolymeru po výpalu U PC dehydratace C-S-H C H fáze, Ca(OH)2, rozpad T 0.5 = 630 o C T.Jílek : Diplomová práce 2004, VŠCHT v Praze R.Žyla Žyla: : Diplomová práce 2006, VŠB, VŠCHT

16 Mrazuvzdornost geopolymeru na bázi popílku Po 150 cyklech (malta) 1 Jahr 180 Tage 28 Tage nach 150 Cyklen Mörtel Mörtel +5% PZ Mörtel +gem. Kalkstein Mörtel + Kalkstein Mörtel + LuftporenbildnerA Mörtel + LuftporenbildnerB Mörtel + LuftporenbildnerC 10 0 T.Jílek : Diplomová práce 2004, VŠCHT v Praze Pevnost v tlaku (MPa)

17 Výkvěty na povrchu geopolymerů (popílek, metakaolin) Existuje tendence k tvorbě výkvětů u geopolymerů bez ohledu na suroviny, nejsou známy detailně podmínky pro jejich tvorbu.. Na 2 CO 3.nH 2 O, Na 6 (SO 4 )(CO 3,SO 4 ) V rámci intenzivního výzkumu jsou hledány způsoby pro zabránění výkvětů. Použití K aktivátoru (K 2 CO 3 netvoří hydráty) není optimální, vysoká cena, nízké pevnosti geopolymerů na bázi popílků i metakaolinu T.Vojta : Diplomová práce 2006, VŠCHT v Praze L.Alberovská: Bakalářská práce 2007, VŠCHT v Praze

18 Perspektivy alkalicky aktivovaných pojiv - geopolymerů Nové materiály ( Chemically bonded ceramics, Cold ceramics ) Recyklace anorganických odpadů (silný ekologický podtext) Potenciální možnost sníženís emisí CO 2 při výrobě anorganických pojiv a stavebních hmot Fixace toxických a radioaktivních odpadů Využití surovin obsahující Al,Si (velmi široký sortiment) Kompozitní materiály

19 Děkuji Vám za pozornost

Podobné dokumenty

Alkalicky aktivované materiály geopolymery

Alkalicky aktivované materiály geopolymery Doc.RNDr. František Škvára DrSc Ústav skla a keramiky Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Obsah Alkalická aktivace alumosilikátových látek (historie,