Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2018 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Geopolimery w budownictwie

Początki stosowania geopolimerów | Struktura i klasyfikacje geopolimerów | Geopolimer jako materiał budowlany i konstrukcyjny | Proces powstawania i cechy betonu geopolimerowego
Przykładowe zniszczenia słupów żelbetowych z betonu geopolimerowego / Geopolymers in construction
Przykładowe zniszczenia słupów żelbetowych z betonu geopolimerowego / Geopolymers in construction
M.D.J. Sumajouw, B.V. Rangan

W wyniku produkcji jednej tony klasycznego cementu przedostaje się do atmosfery tona dwutlenku węgla. Podczas syntezy geopolimerów, które mogą mieć podobne zastosowanie, wydziela się 4–8 razy mniej CO2 przy zużyciu 2–3 razy mniejszej energii. Z tego powodu cement geopolimerowy nazwano zielonym cementem. Jest ekologiczny i wytrzymały, a mimo to rzadko stosowany w budownictwie.

Termin „geopolimer” składa się z członów: „geo-” oraz „-polimer”. Cząstka „geo-” powinna teoretycznie oznaczać, że określany nią materiał jest pochodzenia naturalnego, ale w przypadku geopolimerów tak nie jest. Dodano ją z powodu podobieństwa budowy tych materiałów do minerałów naturalnych. Cząstka wyrazowa „-polimer” mówi zaś o tym, że materiał zawiera wiele powtórzonych elementów, zwanych merami.

Nazwę tę wprowadził w 1978 r. prof. Joseph Davidovits – założyciel Instytutu Geopolimerów w Saint-Quentin we Francji – na oznaczenie mineralnego polimeru powstającego na bazie geochemii [1]. Podobne technologie stosowano już jednak dużo wcześniej.

Początki stosowania geopolimerów

Chociaż obecnie geopolimer uważa się za materiał nowoczesny, to nieoficjalnie historia jego stosowania sięga 25 tys. lat [2]. Szacuje się bowiem, że tyle ma figurka terakotowa Wenus – najstarszy artefakt, do którego wykorzystano materiał geopolimerowy.

Według współczesnych teorii z technologii tej korzystali już starożytni Egipcjanie podczas wznoszenia piramid. Umożliwiała ona formowanie ogromnych bloków skalnych na miejscu budowy [2]. Hipotezy te zastępują teorię o przenoszeniu wielkich bloków skalnych na duże odległości przez setki, a nawet tysiące niewolników. Francuscy naukowcy udowodnili także, że geopolimery stosowano na dużą skalę podczas budowy kanałów oraz zbiorników wodnych zapewniających wodę siedliskom ludzkim w starożytnym Egipcie oraz do budowy akweduktów w starożytnym Rzymie [2]. Powrót do tej zapomnianej technologii nastąpił w latach 50. XX w. [3]. Wówczas zainteresowano się nią w wielu gałęziach przemysłu. Największe możliwości jej wdrożenia dawało budownictwo.

W latach 90. XX w. podczas budowy lotnisk wdrożono technologię betonu na bazie geopolimerów, opracowaną przez laboratoria armii Stanów Zjednoczonych [4]. Zdecydowano się na zastosowanie tego materiału nie z powodu troski o środowisko, ale czasu przyrostu wytrzymałości, który był nieporównywalnie lepszy niż czas betonu cementowego – już po 4 godz. płyta lotniska uzyskiwała wytrzymałość wystarczającą do lądowania samolotów wielkości Boeinga 747.

Struktura i klasyfikacje geopolimerów

Geopolimer to polimer glinokrzemianu powstały z syntezy krzemu (Si) i aluminium (Al), pozyskiwanych geologicznie z minerałów. Jego skład chemiczny jest podobny do składu zeolitu, ujawnia jednak amorficzną mikrostrukturę [5].

Fot. 1. Typowa struktura polerowanego geopolimeru (100% KOH);  |  Fot. W.M. Kriven, J.L. Bell, M. Gordon, S. Mallicoat [6]

Geopolimery zawierają długie łańcuchy (kopolimery) glinokrzemu i glinu, stabilizujące je kationy metali, najczęściej sodu, potasu, litu lub wapnia, oraz związaną wodę. Oprócz dobrze zdefiniowanych łańcuchów polimerycznych występują w nich zazwyczaj różne przemieszane fazy: tlenek krzemu, nieprzereagowany substrat glinokrzemianowy oraz – niekiedy – wykrystalizowane glinokrzemiany typu zeolit (fot. 1).


Jesteś pracownikiem firmy budowlanej albo projektantem/ architektem? Specjalizujesz się w dziedzinie izolacji lub studiujesz budownictwo? Jeśli jesteś związany z szeroko pojętą branżą izolacyjną lub budowlaną, możesz łatwo zyskać dostęp do fachowych artykułów i najnowszych informacji. Zamów bezpłatny newsletter serwisu www.izolacje.com.pl.

Większość metod syntezy geopolimerów sprowadza się do jednego procesu: rozdrobniony i wysuszony materiał pucolanowy mieszany jest z wodnym roztworem odpowiedniego krzemianu (np. krzemianu sodu lub potasu) z dodatkiem silnej zasady – z reguły stężonego wodorotlenku sodu lub potasu. Powstała pasta zachowuje się jak cement – zastyga do twardej masy w ciągu kilku godzin. Drugą metodą przygotowania geopolimerów jest wypalanie materiału pucolanowego z wodorotlenkiem metalu do uzyskania jednorodnego proszku, który bardzo dobrze wiąże wodę – podobnie jak cement portlandzki. Metoda ta jest jednakże problematyczna ze względu na dużo gorsze własności mechaniczne powstałego materiału [7].

Zobacz także: Rewitalizacja budynków z betonu komórkowego zalanych podczas powodzi

Jeszcze inna, niedawno zaproponowana metoda przypomina tradycyjną syntezę z zastosowaniem metakaolinu, roztworu krzemianu i wodorotlenku, ale dodatkowo stosuje się w niej krzemionkę koloidalną, co pozwala zredukować zużycie pucolany oraz zwiększyć zawartość krzemu w geopolimerze ponad maksymalną wartość osiągalną w tradycyjnych metodach preparatywnych [8].

Istnieją dwie główne klasyfikacje geopolimerów. W pierwszej uwzględnia się podstawowe jednostki łańcuchów polimerycznych:

  • PSDS – Si-O-Al-O-Si-O-Si-O – poli(disilokso-sialan),
  • PSS – Si-O-Al-O-Si-O – poli(silokso-sialan),
  • PS – Si-O-Al-O – polisialan.

W drugiej natomiast bierze się pod uwagę pochodzenie geopolimerów, a dokładnie ich pucolanowego materiału glinokrzemianowego. Ze względu na to kryterium wyróżnia się geopolimery powstałe z:

  • popiołu lotnego,
  • metakaolinu,
  • różnego rodzaju skał,
  • spieków wulkanicznych,
  • krzemionek,
  • materiałów kopalnianych.

Geopolimer jako materiał budowlany i konstrukcyjny

Zastosowanie geopolimerów w budownictwie to przede wszystkim produkcja betonu zawierającego spoiwo powstałe na bazie glinokrzemianów zamiast klasycznego cementu. Główną różnicą obu spoiw jest rodzaj reakcji chemicznej powodującej ich twardnienie i zamianę plastycznej mieszanki betonowej w ciało stałe.

Skład cementu geopolimerowego i portlandzkiego

tabelach 1–2 porównano skład cementu geopolimerowego ze składem cementu portlandzkiego.

Tabela 1. Skład mineralny cementu geopolimerowego [9]

W tabeli 1 przedstawiono uśrednioną zawartość minerałów w popiołach lotnych wytworzonych w jednej z elektrociepłowni ze spalania węgla kamiennego, a w tabeli 2 – uśrednioną zawartość minerałów w czystym cemencie portlandzkim wytworzonym wskutek wypalania wapieni, margli, gliny oraz gipsu.

Tabela 2. Skład mineralny cementu portlandzkiego [10]

Z zestawień przedstawionych w tabelach 1–2 wynika, że składy mineralne obu materiałów znacznie się różnią. Podstawą składu geopolimeru są tlenki krzemu i glinu. Domieszki kationów metali takich jak sód czy potas stanowią tutaj materiał stabilizujący. Głównym składnikiem cementu portlandzkiego są natomiast trój- i dwuwapniowe krzemiany, zwane alitem i belitem, oraz glinian trójwapniowy. Łącznie stanowią one nawet do 90% objętości, w zależności od składu masy klinkierowej [10]. Czysty cement portlandzki jest wolny od domieszek innych tlenków, ponieważ wypala się go z materiałów odpowiednio segregowanych i dobieranych. Geopolimer powstaje zaś zwykle na bazie popiołów lotnych, które są jedynie materiałem ubocznym procesu spalania węgla.

Proces powstawania i cechy betonu geopolimerowego

Klasyczne cementy wiążą dzięki szczególnemu zjawisku solwatacji – uwodnieniu, zwanemu inaczej hydratacją. Jest to proces złożony – poszczególne fazy klinkierowe reagujące z wodą nakładają się i wpływają na siebie.

Rys. 1–2. Zestawienie faz hydratacji cementu portlandzkiego (1) [10] oraz polimeryzacji (2) [11]  |  Fot. W. Kurdowski (1) [10], D. Hardjito, S.E. Wallah, D.M.J. Sumajouw, B.V. Rangan (2) [11]

Całkowity proces hydratacji dzieli się na trzy podstawowe etapy, w tym na rozpuszczanie w wodzie związków rozpuszczalnych, czyli hydratację właściwą, która polega na utworzeniu pierwotnej fazy w stanie koloidalnym (powstanie masy plastycznej), oraz krystalizację produktów hydratacji (twardnienie masy plastycznej). Początkowy etap hydratacji właściwej cementu związany jest przede wszystkim z fazą C3A [10]. W wyniku szybkiej reakcji tej fazy wytworzone zostają duże kryształy uwodnionych glinianów wapniowych (rys. 1). Na rys. 1–2 zobrazowano etapy hydratacji i porównano je z wiązaniem mieszanki polimerowej.

Fot. 2. Początkowa faza zaczynu polimerowego  |  Fot. F. Škvára, J. Doležal, P. Svoboda et al. [9]

Jak widać na rys. 1–2, proces powstawania betonu na bazie geopolimerów przebiega inaczej niż betonu na cemencie portlandzkim. Proces polimeryzacji betonu geopolimerowego składa się z reakcji następujących po sobie, nie zaś przenikających się. W każdej fazie dochodzi do stopniowego wydzielania się początkowo dodanej wody [12]. Substancja, która pierwotnie jest proszkiem, wchodzi w fazę żelu, aby następnie po rozpoczęciu polimeryzacji właściwej stać się ciałem stałym [13]. Dokładny schemat przedstawiono na rys. 2. Odmienny proces wiązania obu opisywanych spoiw różnicuje badane materiały pod względem parametrów wytrzymałościowych. Proces polimeryzacji jest gwałtowniejszy, co przekłada się na szybsze uzyskanie przez beton geopolimerowy nominalnych wytrzymałości (niż byłoby to możliwe w przypadku betonu cementowego). Co więcej, wiązania polimerowe zapewniają mieszance betonowej uzyskanie wytrzymałości 2–3 krotnie większej niż wytrzymałość klasycznego betonu na bazie cementu portlandzkiego [10, 13].

Fot. 3. Końcowa faza zaczynu polimerowego  |  Fot. F. Škvára, J. Doležal, P. Svoboda et al. [9]

Na fot. 2–4 przedstawiono strukturę zaczynu polimerowego w momencie wiązania (fot. 2), po 28 dniach od przygotowania (fot. 3), a także strukturę betonu na spoiwie cementowym (fot. 4).

Fot. 4. Struktura betonu na bazie cementu portlandzkiego  |  Fot. D. Hardjito, S.E. Wallah, D.M.J. Sumajouw, B.V. Rangan [11]

Najprostszym sposobem uzyskania spoiwa geopolimerowego do wytwarzania betonu jest zastosowanie popiołów lotnych, które są produktem ubocznym w procesie spalania węgla w elektrowniach węglowych. Istnieją opracowane składy mieszanek pozwalające uzyskać beton mający wysoką wytrzymałość. 

Potrzebujesz więcej TREŚCI?

Odbierz TUTAJ
IZO-newslettera »

Dokładne badania przeprowadzono m.in. w czeskich laboratoriach, w których przeanalizowano cechy betonu powstałego na bazie spoiwa geopolimerowego uzyskanego wskutek reakcji aktywatora alkaicznego (w postaci wodorotlenku sodu oraz krzemianu sodowego) działającego na produkt uboczny spalania węgla kamiennego.

Badania te wykazały, że uzyskany beton geopolimerowy ma inne cechy niż materiał z cementu portlandzkiego [9], a mianowicie:

  • struktura geopolimerów uzyskanych z popiołów lotnych to głównie AlQ4(4Si), SiQ4(4Al) oraz SiQ4(4Al);
  • geopolimer uzyskany na bazie popiołów lotnych jest materiałem bardzo porowatym, co wpływa na jego wytrzymałość; dodatki w postaci materiałów zawierających Ca (np. gips) znacznie zmniejszają porowatość materiału;
  • beton wytworzony ze spoiwa geopolimerowego nie poddaje się zjawisku powstawania rys skurczowych, a stosunek wytrzymałości na ściskanie do wartości wytrzymałości na rozciąganie waha się w granicach 10:5,5 (szacuje się, że w odniesieniu do klasycznego betonu cementowego stosunek ten wynosi 10:1–10:1,5 [14]);
  • cechy reologiczne geopolimeru różnią się od cech reologicznych betonu na cemencie portlandzkim – zauważono zwiększenie odporności betonu na korozję chemiczną oraz na działanie niskiej temperatury;
  • nie zaobserwowano zmiany struktury warstwy kontaktowej na granicy spoiwa oraz zbrojenia, tak jak ma to miejsce w przypadku klasycznego cementu portlandzkiego.
Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 5/2013

Komentarze

(1)
Feliks | 26.09.2013, 15:32
Jakoś wolę tradycyjny beton
   1 / 1   

Wybrane dla Ciebie


Najlepszy system stropowy?


Betonowe stropy można produkować na różne sposoby – z betonu przygotowanego na placu budowy lub w fabryce, gdzie panują kutemu optymalne warunki. ZOBACZ »


"Wirtualne malowanie" - wykonaj sam symulację online »

Dobierz najlepszy materiał izolacyjny »

Obok wiedzy na temat produktów, równie istotna jest znajomość technologii, którą... czytaj dalej » Niski poziom ochrony cieplnej generuje wysokie koszty utrzymania budynku, stanowiące duże obciążenie budżetu... czytaj dalej »


Zgarnij bony o wartości 100zł. Zobacz jak »

Jak dobrać posadzkę do obiektu?

3 kroki do Super CashBack
czytaj dalej »

Wybierz posadzkę, która będzie funkcjonalna i łatwa w czyszczeniu... czytaj dalej »

Czym skutecznie zaizolować fundament?

Zadaniem hydroizolacji jest zablokowanie dostępu wody i wilgoci do wnętrza obiektu budowlanego. Istnieje kilka rodzajów izolacji krystalizujących, a ich znajomość ułatwia zaprojektowanie i wykonanie szczelnej budowli. czytaj dalej »

 


Jak zapewnić trwałość mocowania elewacji?


Wsporniki przejmują ciężar muru i za pomocą zabetonowanych szyn kotwiących lub kotew przekazują go na ścianę nośną... ZOBACZ »


Płynne membrany poliuretanowe - gdzie je stosować?

Uszczelnianie obiektów inżynieryjnych - jak to robią specjaliści?

Siła związania do podłoża przekraczająca 20 kg/cm2, wysoka odporność na niszczące czynniki eksploatacyjne...
czytaj dalej »

Jak prawidłowo chronić ściany fundamentwe i zapewnić gwarancję żywotności obiektu? czytaj dalej »

Jak wykonać trwałe posadzki?

Jakich technologii oraz materiałów użyć do wykonania podłóg przemysłowych, naprawy betonów lub przeprowadzenia renowacji posadzek?  czytaj dalej »


Dowiedz się więcej o hydroizolacji dachów »

Chcesz ograniczyć straty ciepła z budynku? Zobacz »

Dostarczamy innowacyjne systemy hydroizolacji oraz pokryć dachowych, mające na celu zmianę sposobu życia i pracy naszych klientów... czytaj dalej » W obecnych czasach rosnące ceny energii cieplnej i elektrycznej skłaniają do analizy strat ciepła w budynkach mieszkalnych. Jedynym sposobem ograniczenia kosztów jest... czytaj dalej »

Jak mocować elewacje wentylowane?


Jak w realnych warunkach zachowują się różne systemy mocowań elewacji wentylowanych? ZOBACZ »


Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Jak zabezpieczyć rury przed stratami ciepła?

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr... czytaj dalej » Czym powinieneś kierować się przy wyborze odpowiedniej izolacji rur? czytaj dalej »

Innowacyjny system kompozytowych wzmocnień konstrukcji »


W przypadku gdy temperatura przekroczy temperaturę zeszklenia, wówczas żywica nie jest... ZOBACZ »


prof. dr hab. eur. inż. Tomasz Z. Błaszczyński
prof. dr hab. eur. inż. Tomasz Z. Błaszczyński
Ukończył Politechnikę Poznańską z wyróżnieniem. W 1989 r. otrzymał stopień dr. nauk technicznych, a w 2009 r. dr. hab. nauk technicznych w dziedzinie budownictwo. Od 2012 r. jest profesorem nadzwyc... więcej »
mgr inż. Maciej Król
mgr inż. Maciej Król
Ukończył w 2010 r. Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Koszalińskiej na kierunku budownictwo, w specjalności konstrukcje budowlane i inżynierskie. Obronił pracę dyplomową na ... więcej »
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Alpha Dam Alpha Dam
O FIRMIE Alpha Dam Sp. z o.o. produkuje od ponad 10 lat profesjonalne materiały wodochronne i przeciwwilgociowe dla budownictwa.  Do 2008...
9/2019

Aktualny numer:

Izolacje 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Nowoczesne rozwiązania elewacyjne
  • - Jakość wykonania izolacji z szarego styropianu
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.