MOŽNOSTI VYUŽITÍ GEOPOLYMER PRO HLUBINNÉ ÚLOŽIŠT

Transkript

1 MOŽNOSTI VYUŽITÍ GEOPOLYMER PRO HLUBINNÉ ÚLOŽIŠT Abstrakt T. ernoušek, P. Kovaík, P. Votava, P. Polivka Centrum výzkumu ež s.r.o., Hlavní 130,Husinec ež, Základní požadavkem návrhu technického ešení hlubinného úložišt je jeho bezpenost, kterou zajišuje multibariérový systém. Rozsah použití betonu v HÚ není v souasnosti znám, ale uvažuje se jeho využití pro aplikace v oblastech uzavení vrtu ocelovo-betonovou zátkou, betonových píek a pístupových chodeb a jiných aplikací. Z dlouhodobého hlediska se beton nepovažuje za dostaten stabilní materiál pro HÚ. Degradace betonu vede ke vzniku nových minerál a alkalických roztok. Tyto alkalické roztoky mohou následn ovlivnit stabilitu bentonitové geotechnické ochrany. Pro zajištní dlouhodobé životnosti a bezpenosti hlubinného úložišt se jeví velice výhodné nahradit uvažovaný beton za geopolymerní beton, který se vyznauje vysokou pevností, chemickou odolností, svou stabilitou se blíží pírodnímu kameni a je kompatibilní s bentonitem. Abstract The basic requirement for technical design of deep geological repository is the safety that is ensured by the multi-barrier system. Scope of application of concrete in deep geological repository is currently unknown, but its use is being considered for applications in the fields of borehole closure of steel-concrete plug, concrete walls and access corridors and other applications. In the long term, concrete is not considered stable enough material for deep geological repository. Degradation of concrete is dependent on the presence of water, which leads to the formation of new minerals and alkaline solutions. These alkaline solutions may adversely affect the stability of bentonite geotechnical protection. To ensure a long service life and safety of a deep geological repository seems very appropriate to the candidate for geopolymer concrete, which is characterized by high strength, chemical resistance, its stability is approaching natural stone and is compatible with bentonite. Úvod V souasné dob je považováno za jedno z pijatelných ešení pro ukonení palivového cyklu z hlediska koneného zneškodnní vyhoelého jaderného paliva a vysoceaktivních radioaktivních odpad hlubinné úložišt (HÚ). Základním požadavkem návrhu technického ešení HÚ na obr. 1 je jeho bezpenost, kterou zajišuje multibariérový systém sloužící proti úniku radioaktivních látek do životního prostedí. Obr.1: Hlubinné úložišt (

2 Plánovaný multibariérový systém se v R má skládat z inženýrské bariérové ochrany (úložný obalový soubor, geotechnická vícevrstvá ochrana bentonitem a jiné) a pírodní bariérové ochrany (geologické prostedí granitických hornin) na obr. 2. Obr.2: Multibariérový systém Geotechnickou ochranu zajišuje materiál na bázi bentonitu, který utsuje, tlumí a vypluje okolí úložného obalového souboru. Její funknost závisí na dlouhodob stabilních vlastnostech minerálního prostedí bentonitu. Na základ souasného konceptu hlubinného úložišt v R pedstavují bentonit a beton základní prvky pi budování hlubinného úložišt, které však nejsou úpln kompatibilní, vzhledem k možnému ovlivnní stability bentonitu pi kontaktu s betonem a vlivem možných korozních napadení betonu spolu s jeho stárnutím. Souasný stav Rozsah použití betonu v HÚ není v souasnosti znám, ale uvažuje se jeho využití pro aplikace v oblastech uzavení vrtu ocelovo-betonovou zátkou, betonových píek, pístupových chodeb, spárování a utsnní trhlin v horninové formaci a pro rzné pomocné konstrukce potebné pro innost úložišt. V aplikaci týkající se skalní podpory se pedpokládá použití technologie nanášení pomocí stíkaného betonu, která je z hlediska asu a ceny velice úinná. V pípad španlského konceptu hlubinného úložišt (granitické horninové prostedí) se pedpokládá, že bude poteba m 3 betonu pro konstrukní úely a ve švédském a finském konceptu hlubinného úložišt (granitické horninové prostedí) je množství betonu, které zstane v hlubinném úložišti odhadováno na tun[1]. Beton je kompozitní materiál, který se skládá ze tech hlavních ástí: cementu, kameniva a vody. Nejbžnji používaný druh cementu pi výrob standardního betonu je portlandský cement, který v betonu vytváí alkalickou pórovou vodu v rozsahu ph od 12,6 do 13,5. Z dlouhodobého hlediska se beton nepovažuje za dostaten stabilní materiál pro HÚ, vzhledem k psobení mnoha korozních vliv (hydrolytická koroze, síranové narušení beton, karbonatace a další), které výrazn zvyšují mocnost betonu a mohou negativn ovlivnit stabilitu bentonitu[2, 3]. V pípad kontaktu bentonitu s betonem, za psobení spodních vod, dochází k narušení stability bentonitu vlivem loužení alkalických roztok z betonu dosahujících hodnot ph=13,5 (k omezenému poškození bentonitu dochází teprve pod hodnotou ph=11). Pro zajištní dlouhodobé stability bariérové ochrany bylo navrženo nahradit beton, který je v kontaktu s bentonitem, nízkoalkalickým betonem (nap. fosfovápenaté cementy, hoenato fosfátové cementy a vápenato síranohlinité cementy), který by ml dosahovat alkality ph 11. Toto ešení se v souasnosti rozsáhle zkoumá a je ve stádiu výzkumu[4]. Nevýhodou nízkoalkalických beton oproti bžným betonm je napíklad

3 vyšší korozní rychlost železobetonových výztuh, vyšší poréznost, horší zpracovatelnost betonu a vyšší dimenzionální nestabilita (významné smrštní v raném vku)[5]. Geopolymery a geopolymerový beton Geopolymery (tzv. anorganické polymery, minerální polymery, alkalicky aktivovaná pojiva, a jiné) jsou pevný a stabilní hlinitokemiitanový materiál, který vzniká alkalickou aktivací pomocí hydroxidového nebo kemiitanového prekurzoru. Základními složkami geopolymer jsou alkalické roztoky a výchozí materiál. Výchozím materiálem pro geopolymery jsou hlinitokemiitany bohaté na kemík a hliník, které jsou tvoeny pírodními minerály (kaolinit, jíl, slída, analusit a jiné) nebo vedlejším materiálem (nap. popílek, vysokopecní struska, ervený kal). V závislosti na výbru použitých surovin a podmínek zpracování vznikají geopolymery s mnoha rozdílnými vlastnostmi[6]. Zkušenosti s tímto materiálem prokázaly, že geopolymery mají vysokou poátení pevnost, nízké smrštní, žáruvzdornost, mrazuvzdornost, korozivzdornost a odolnosti proti kyselinám[7-10]. Z hlediska ceny výroby geopolymer bylo vypoteno, že cena náklad výroby geopolymeru mže být až dvakrát vyšší než výroba Portlandského cementu. Tato cena je uskutenitelná pouze s ohledem na nejvhodnjší zdroj vstupních surovin a nejnižší náklady dopravy[11]. Geopolymerní beton pedstavuje nový alternativní stavební materiál nahrazující standardní beton, ve kterém je pojivo zcela nahrazeno anorganickým polymerem bez využití cementu. Tento materiál má zárove potenciál snížit emise CO 2 o %[12] nebo 70% [13] v porovnání s emisemi vznikající pi výrob cementu, kdy z 1000 kg cementu vzniká pibližn 1000 kg CO 2 (0,55 t se uvolní pi kalcinaci vápence a 0,40 t vzniká spalováním paliva). Pi výrob geopolymeru se jedná pouze o emise CO 2, které vznikají z produkce vstupních surovin (hydroxid sodný, kemiitan sodný, popílek). V porovnání s portlandským cementovým betonem mají vyrábné geopolymerové betony relativn vyšší pevnost, vynikající objemovou stálost, lepší trvanlivost, vysokou tepelnou odolnost a nevykazují nebezpené alkalické reakce kameniva. Geopolymerní beton mže být nanášen technologií stíkaného betonu a nebo se mže kombinovat s ocelovými prvky pedstavující vyztužený beton[14, 15]. Alkalita pórového roztoku geopolymerového betonu se mže pohybovat v závislosti na složení smsi v rzném rozsahu (ph = nebo ph = 11,5 12, a jiné)[16, 17]. Tato alkalita je souasn závislá na teplot tepelné úpravy (teplota zrání) geopolymeru, která se stoupající teplotou klesá (nap. pvodní hodnota ph=10,5 pi teplotní úprav t=85 C klesá na hodnotu ph = 9,5 pi teplotní úprav t = 300 C). Použití vyšší teploty bhem zrání zárove zvyšuje výslednou mechanickou odolnost geopolymeru[18]. Uvedené vlastnosti geopolymerního betonu naznaují, že lze nahradit dosud uvažovaný standardní a nízkoalkalický beton za geopolymerní beton pro výstavbu hlubinného úložišt. Vzhledem k vyšším požadavkm na bezpenost je ale nutné získat dlouhodobá data týkající se jeho životnosti. Dosavadní výzkumy zabývající se životností geopolymerního betonu ukazují, že základní geopolymerní pojivo se jeví odolné a reakní produkty jsou stabilní v prbhu asu[19]. Závr Pro zajištní dlouhodobé životnosti a bezpenosti HÚ se jeví geopolymer jako ideální náhrada za standardní a nízkoalkalický beton, vzhledem k jeho vlastnostem, vlivm na životní prostedí a kompatibilit s bentonitem. V pípad použití geopolymer vyvstává mnoho výzkumných úkol, které bude poteba v budoucnu uskutenit, aby bylo možné aplikovat geopolymer v hlubinném úložišti. Jedná se napíklad o stanovením obecných zásad a doporuených postup pro použití geopolymeru, navržení geopolymeru o alkalit ph11,

4 ekonomický rozbor geopolymeru, studium dlouhodobé životnosti geopolymeru, studium interakcí mezi bentonitem a geopolymerem a další. Tyto a další výzkumné innosti mohou zárove podpoit rozvoj prmyslové výroby geopolymeru v R, vedoucí ke snížení emisí CO 2. Literatura [1] Ahn, J., and Apted, M. J., 2010, Geological Repository Systems for Safe Disposal of Spent Nuclear Fuels and Radioactive waste, Taylor & Francis Group. [2] Romer, M., Holzer, L., and Pfiffner, M., 2003, "Swiss tunnel structures: concrete damage by formation of thaumasite," Cement and Concrete Composites, 25(8), pp [3] Glasser, F. P., Marchand, J., and Samson, E., 2008, "Durability of concrete Degradation phenomena involving detrimental chemical reactions," Cement and Concrete Research, 38(2), pp [4] García Calvo, J. L., Hidalgo, A., Alonso, C., and Fernández Luco, L., 2010, "Development of low-ph cementitious materials for HLRW repositories: Resistance against ground waters aggression," Cement and Concrete Research, 40(8), pp [5] Coumes, C. C. d., 2008, "Low ph cements for waste repositories a review," 2nd International Workshop Mechanisms and modelling of waste/cement interactionsle Croisic/France. [6] Duxson, P., Fernández-Jiménez, A., Provis, J. L., Lukey, G. C., Palomo, A., and van Deventer, J. S., 2007, "Geopolymer technology: the current state of the art," Journal of Materials Science, 42(9), pp [7] Sata, V., Sathonsaowaphak, A., and Chindaprasirt, P., 2012, "Resistance of lignite bottom ash geopolymer mortar to sulfate and sulfuric acid attack," Cement and Concrete Composites, 34(5), pp [8] Zhao, R., and Sanjayan, J. G., 2011, "Geopolymer and Portland cement concretes in simulated fire," Magazine of Concrete Research, pp [9] Miranda, J. M., Fernández-Jiménez, A., González, J. A., and Palomo, A., 2005, "Corrosion resistance in activated fly ash mortars," Cement and Concrete Research, 35(6), pp [10] Bakharev, T., 2005, "Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions," Cement and Concrete Research, 35(6), pp [11] McLellan, B. C., Williams, R. P., Lay, J., van Riessen, A., and Corder, G. D., 2011, "Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary portland cement," Journal of Cleaner Production, 19(9 10), pp [12] Lloyd, N. A., and Rangan, B. V., 2009, "Geopolymer Concrete: A review of development and opportunities," CI Premier PTE LTD. [13] Weil, M., Dombrowski, K., and Buchwald, A., "Development of Geopolymers Supported by Systems Analysis." [14] Sakulich, A. R., 2011, "Reinforced geopolymer composites for enhanced material greenness and durability," Sustainable Cities and Society, 1(4), pp [15] Provis, J. L., and Van Deventer, J. S. J., 2009, Geopolymers: Structure, Processing, Properties and Industrial Applications, CRC Press. [16] Wang, Q., Ding, Z. Y., Zhang, J., Qiu, L. G., and Sui, Z. T., 2011, "Study on Slag-Based Geopolymer Hydration Process," Key Engineering Materials, 477, pp [17] Álvarez-Ayuso, E., Querol, X., Plana, F., Alastuey, A., Moreno, N., Izquierdo, M., Font, O., Moreno, T., Diez, S., Vázquez, E., and Barra, M., 2008, "Environmental, physical and structural characterisation of geopolymer matrixes synthesised from coal (co-)combustion fly ashes," Journal of Hazardous Materials, 154(1 3), pp

5 [18] Davidovits, J., 2008, Geopolymer: Chemistry & Applications, Geopolymer Institute. [19] Xu, H., Provis, J. L., van Deventer, J. S. J., and Krivenko, P. V., 2008, "Characterization of aged slag concretes," ACI Materials Journal, 105(2). Tato práce vznikla za podpory projektu SUSEN CZ.1.05/2.1.00/ (ERDF)