Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 6/2019 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Właściwości fibrogeopolimerów

Badania nad geopolimerami | Cechy fibrogeopolimerów
Właściwości fibrogeopolimerów </br> Properties of fibre-geopolymers
Właściwości fibrogeopolimerów
Properties of fibre-geopolymers
N.P. Thanh, T. Huynh Le Hong

Trwają prace nad udoskonalaniem właściwości materiałów na bazie spoiw geopolimerowych, zwłaszcza parametrów związanych z rozciąganiem i zginaniem. Ciekawym rozwiązaniem w tym zakresie mogą być fibrogeopolimery jako fibrokompozyty zbrojone włóknami.

Rozwój geopolimerów w budownictwie związany jest z poszukiwaniem zastępczych, bardziej ekologicznych spoiw do produkcji betonu [1]. Praktyczne zastosowanie tych materiałów jest jednak nadal bardzo ograniczone.

Obecnie największe zastosowanie mają geopolimerowe zaprawy naprawcze. Wynika to głównie z ich parametrów wytrzymałościowych oraz czasu, w jakim je osiągają.

Zobacz też: Geopolimery w budownictwie

Stosunek wytrzymałości na ściskanie do wytrzymałości na rozciąganie w tych produktach wynosi ok. 10:5,5 (w klasycznych betonach ze spoiwem z cementu portlandzkiego stosunek ten wynosi od 10:1 do 10:1,5) [2], co powoduje, że wiązania polimerowe bardzo dobrze sprawdzają się jako materiały służące do wypełniania obszarów zarysowania konstrukcji oraz większych spękań. 

Na większą skalę spoiwa geopolimerowe stosowane są m.in. w odlewnictwie. Ta gałąź przemysłu, w przeciwieństwie do budownictwa, jest o wiele bardziej elastyczna w kwestii innowacji i wprowadzania zmian.

Badania nad geopolimerami

Od kilku lat we francuskich laboratoriach trwają prace nad spoiwem przeznaczonym do zastosowań specjalnych. Jego budowa opiera się na wiązaniach polimerowych minerałów otrzymywanych z tetraedrów glino-krzemianowych [3]. Wykorzystuje się je do produkcji rdzeni do odlewania ciśnieniowego oraz odlewów z wtopionymi częściami metalowymi.

ABSTRAKT

W artykule omówiono rozwój i możliwości stosowania geopolimerów w budownictwie. Przedstawiono stan badań nad spoiwami geopolimerowymi oraz właściwości i proces otrzymywania fibrogeopolimerów. Zaprezentowano wyniki badań odporności kompozytów fibrogeopolimerowych na działanie różnych związków chemicznych i wysokiej temperatury oraz podano prognozy dotyczące dalszego rozwoju tych materiałów.

The article discusses the development and the possibilities of using geopolymers in construction. Research on geopolymer binders and their properties as well as the process of production of fibre­‑geopolymers were presented. Results of tests for resistance of fibre­‑geopolymer to various chemical substances and high temperatures were presented and prognoses concerning the future development of these materials were put forward.

Również w Czechach opracowano nowy układ wypełniający na bazie spoiwa geopolimerowego, który mógłby zastąpić stosowane dotychczas szkło wodne.

Nowy wypełniacz przejawia cechy znacznie lepsze od uzyskiwanych wskutek żelowania się szkła wodnego, a proces żelowania znacznie odbiega od polimeryzacji – polega na działaniu utwardzacza estrowego na szkło wodne, które po danym czasie (zależnym od stopnia stężenia) tworzy stały i elastyczny żel.

Proces powstania geospoiwa jest taki sam jak betonu i opiera się na procesie polimeryzacji. Inną różnicą jest rodzaj destrukcji, jakiej ulegają połączenia obu materiałów. Żel szkła wodnego ma niższą wytrzymałość, a w związku z tym charakter zniszczenia jest kohezyjny, tzn. dochodzi do zerwania połączenia ze wzglądu na utratę wytrzymałości samego spoiwa (fot. 1).

Fot. 1–2. Zerwanie połączenia na bazie szkła wodnego (1) i kompozytu geopolimerowego (2)  |  Fot. J. Novotny [4]

W geopolimerach rozszczepienie cząstek ma charakter adhezyjny – nie dochodzi do rozerwania spoiwa, ale do oderwania go od łączonych cząstek (fot. 2).

Fot. 1–2. Zerwanie połączenia na bazie szkła wodnego (1) i kompozytu geopolimerowego (2)  |  Fot. J. Novotny [4]

Zerwanie połączenia nie przebiega na linii spoiwo – materiał łączący, lecz tuż za nią. Zniszczeniu ulega materiał łączący, a nie łączony. Świadczy to o tym, jak silne jest wiązanie polimerowe w porównaniu z dotychczas stosowanymi.

Cechy fibrogeopolimerów

Betony towarowe zbrojone są głównie za pomocą włókien stalowych i polipropylenowych. Coraz częściej pojawiają się jednak rozwiązania oparte na nylonie czy włóknach węglowych.

Nowością w tej dziedzinie jest zastosowanie technologii nanorurek, które mają dużą wytrzymałość na rozciąganie i bardzo mały przekrój. Pierwsze zastosowanie zbrojenia rozproszonego w betonach to przełom lat 80. i 90.

Zawartość zbrojenia rozproszonego w elementach kompozytowych waha się najczęściej od 1% do 2% objętości betonu.

W przypadku materiałów kompozytowych niebudowlanych stosowanych w innych gałęziach przemysłu najczęstszym zbrojeniem są włókna szklane typu e-glass, włókna bazaltowe oraz węglowe [5, 6].

Tabela 1. Zawartość włókien w przykładowych fibrokompozytach [5]

W tabeli 1 zestawiono kompozyty oraz zawartość włókien i gęstość gotowego materiału. Produkty te mają mały ciężar objętościowy, wysoką wytrzymałość, odporność na działanie substancji toksycznych oraz zmian klimatycznych.

Ponadto są względnie tanie do wytworzenia (w porównaniu z substytutami, jakie można spotkać obecnie na rynku). Najważniejszymi właściwościami mechanicznymi tych fibrokompozytów są moduł sprężystości oraz wytrzymałość na zerwanie przy zginaniu.

Fot. 3–4. Fibrogeopolimer na bazie plecionki bazaltowej: plecionka z włókien bazaltowych (3), włókna pokrywane materiałem geopolimerowym (4)  |  Fot. H.T. Doan, P. Louda, D. Kroisova, O. Bortnovsky [8]

Parametry mechaniczne samego spoiwa są również zadowalające. Materiały te mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie (od 10 MPa do 50 MPa) [7] – podobnie jak zbrojenie. Dzięki połączeniu dwóch półproduktów w kompozyt otrzymuje się wytrzymałość na poziomie 130–280 MPa.

Fot. 3–4. Fibrogeopolimer na bazie plecionki bazaltowej: plecionka z włókien bazaltowych (3), włókna pokrywane materiałem geopolimerowym (4)  |  Fot. H.T. Doan, P. Louda, D. Kroisova, O. Bortnovsky [8]

Na fot. 3–5 przedstawiono sposób przygotowania produktu oraz próbki przykładowego kompozytu na osnowie bazaltowej.

Fot. 5. Próbki kompozytu fibrogeopolimerowego gotowe do badań  |  Fot. N.P. Thanh, T. Huynh Le Hong [6]

Przedstawione w tabeli 1 trzy rodzaje kompozytów wykazują w badaniach wysoką odporność na działanie roztworów różnych kwasów [5]. Oddziaływano na nie kwasem siarkowym, azotowym oraz kwasem solnym.

Potrzebujesz więcej TREŚCI?

Odbierz TUTAJ
IZO-newsletter »

Materiały te miały o wiele mniejszą utratę masy pod wpływem tych najmocniejszych związków niż sam materiał gepolimerowy, który ma niską podatność na działanie takich czynników (rys. 1–4).

Najlepsze wyniki uzyskał materiał na osnowie z włókien szklanych oraz bazaltowych. Trochę gorzej, lecz również na zadowalającym poziomie (z wartością dochodzącą do 10% utraty masy), wypadł kompozyt na osnowie z włókna węglowego.

Rys. 1–2. Utrata masy czystego materiału geopolimerowego (1) oraz kompozytu fibrogeopolimerowego na osnowie z włókna węglowego (2) pod wpływem działania różnych związków chemicznych  |  Fot. X.N. Thang, D. Kroisova, P. Louda, O. Bortnovsky [5]

Przeczytaj: Nanocementy i nanobetony

Charakter utraty masy wszystkich rodzajów kompozytów, podobnie jak czystego spoiwa geopolimerowego, jest szczególny. W pierwszej fazie działania kwasów dochodzi do znacznej utraty masy. Dalsze oddziaływanie substancji korozyjnych nie przyczynia się jednak do dużego ubytku, którego przyrost zostaje znacznie spowolniony.

Rys. 1–2. Utrata masy czystego materiału geopolimerowego (1) oraz kompozytu fibrogeopolimerowego na osnowie z włókna węglowego (2) pod wpływem działania różnych związków chemicznych  |  Fot. X.N. Thang, D. Kroisova, P. Louda, O. Bortnovsky [5]

Taki przebieg korozji spowodowany jest tym, że oddziaływanie na próbki odbywa się raptownie i na całej ich powierzchni. Kiedy badany materiał skoroduje powierzchniowo (co jest widoczne na wykresie w pierwszej fazie), dalszy postęp zostaje spowolniony. Związane jest to z wysoką szczelnością i niską porowatością materiału.

Tabela 2. Zestawienie utraty wytrzymałości fibrogeokompozytu na bazie włókien węglowych pod wpływem działania temperatury [5]

W opisywanym badaniu najgorzej wypadły włókna węglowe, mają one jednak najlepsze parametry mechaniczne i w połączeniu z matrycą geopolimerową uzyskują najwyższą wytrzymałość na rozciągane kompozytu.

Rys. 3–4. Utrata masy kompozytu fibrogeopolimerowego na osnowie z włókien bazaltowych (3) oraz na osnowie z włókien szklanych (4) pod wpływem działania różnych związków chemicznych  |  Fot. X.N. Thang, D. Kroisova, P. Louda, O. Bortnovsky [5]

ZOBACZ TAKŻE
Jak obniżyć koszty ogrzewania budynku?
Jak obniżyć koszty ogrzewania budynku?
Pobierz ZA DAMO PDF!

Przeprowadzone badania wykazały także wyjątkowo dużą stabilność wytrzymałości po poddaniu próbek działaniu wysokiej temperatury w porównaniu z wytrzymałością początkową. Materiał fibrogeokompozytowy po godzinnej ekspozycji na temperaturę dochodzącą do 1000°C, miał nadal 50% wytrzymałości początkowej oraz 65% modułu sprężystości (tabela 2).

Te dane dowodzą, że kompozyty na bazie materiałów geopolimerowych właściwościami przewyższają materiały obecnie wytwarzane i stosowane w ochronie przeciwpożarowej [8].

Podobnie jak w przypadku cementu portlandzkiego, w przypadku cementu geopolimerowego problemem jest uzyskanie materiału o niezmiennym składzie chemicznym. Taka cecha jest konieczna do wprowadzenia norm i wytycznych projektowych, które pozwoliłyby na swobodne stosowanie nowego materiału.

Aktualne badania i operaty naukowe opierają się głównie na użyciu geopolimeru pochodzenia odpadowego w postaci pyłu lotnego z elektrowni węglowych. Skład chemiczny cementu geopolimerowego zawiera substancje niekorzystne w procesie wiązania i twardnienia, które powodują osłabienie struktury dojrzałego betonu (Tabela 3). Dodatkowo opisane ilości są zmienne (±5%).

Tabela 3. Przykładowe zestawienie składu spoiwa używanego do produkcji betonu geopolimerowego [2]

Oczywiście, istnieją także inne metody uzyskania cementu geopolimerowego [1], stosowane w produkcji materiałów niebudowlanych. Pozwalają one na przeprowadzenie procesu w taki sposób, by uzyskać pożądany, optymalny skład geopolimeru. Można uzyskać dzięki nim materiał o wyjątkowych cechach fizyko-chemicznych, mimo stosowania spoiw pochodzenia odpadowego.

Rys. 3–4. Utrata masy kompozytu fibrogeopolimerowego na osnowie z włókien bazaltowych (3) oraz na osnowie z włókien szklanych (4) pod wpływem działania różnych związków chemicznych  |  Fot. X.N. Thang, D. Kroisova, P. Louda, O. Bortnovsky [5]

Podsumowanie

W przemyśle materiałów kompozytowych od dłuższego czasu korzysta się z zalet geopolimerów. Także w budownictwie coraz częściej stosuje się wiązania polimerowe – nie tylko jako materiały naprawcze, ale również w postaci mieszanki betonowej. Z przeprowadzanych badań wynika, że materiały te są lepsze niż materiały na klasycznym cemencie portlandzkim.

Fibrobetony najczęściej stosowane są do wykonywania posadzek przemysłowych lub drobnych elementów betonowych, których zbrojenie nie może odbyć się w klasyczny, ciągły sposób. Coraz częściej służą także jako materiał konstrukcyjny [9].

Wciąż trwają prace nad ich udoskonaleniem, a prowadzone badania zmierzają ku całkowitemu wyeliminowaniu zbrojenia ciągłego z konstrukcji żelbetowych. Zbrojenie to ma być zastąpione przez rozproszone włókna stalowe, polimerowe czy – w niedalekiej przyszłości – przez nanorurki.

Prężnie rozwijająca się technologia fibrobetonów opiera się, niestety, na słabym spoiwie cementowym, mającym niską wytrzymałość na rozciąganie, słabe parametry ochrony chemicznej i najwyżej średnią wytrzymałość na działanie wysokiej temperatury.

Przyszłość tej dziedziny tkwi w połączeniu najnowocześniejszych rozwiązań, tj. betonów z proszków reaktywnych, betonu geopolimerowego oraz fibromateriałów. Mogłoby to skutkować powstaniem materiału konstrukcyjnego o właściwościach dzisiaj nieosiągalnych, którego cechy pozwoliłyby tworzyć budowle lżejsze, bardziej wytrzymałe oraz przyjazne środowisku.

Proces wdrożenia nowych technologii jest jednak długotrwały i nie zawsze spotyka się z akceptacją producentów, którzy zainwestowali już w inne linie produkcyjne.

Literatura

  1. M. Król, T. Błaszczyński, „Geopolimery w budownictwie”, „Izolacje”, nr 5/2013, s. 38–44.
  2. F. Škvára, J. Doležal, P. Svoboda, L. Kopecký et al., „Concrete based on fly ash geopolymers”, ICT Prague, Faculty of Chemical Technology, Dept. of Glass and Ceramics, Czech Technical University, Faculty of Civil Engineering, Dept. of Building Technology, Betonconsult Praha.
  3. P.S. Singh, T. Bastow, M. Trigg, „Outstanding problems posed by nonpolymeric particulates in the synthesis of a well-structured geopolymeric material”, „Cement and Concrete Research”, nr 10/2004, s. 1943–1947.
  4. J. Novotny, „Masy samoutwardzalne z geopolimerowym układem wiążącym”, Sand-Team, Brno 2005.
  5. X.N. Thang, D. Kroisova, P. Louda, O. Bortnovsky, „Moisture and chemical resistant of geopolymer composites”, Department of Material Science, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec, Czech Republic, 2010.
  6. N.P. Thanh, T. Huynh Le Hong, „Estimate the elastic modulus and strength of composites with basalt woven fiber reinforcement and thermal silica geopolymer matrix by ANSYS software”, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec, Czech Republic 2010.
  7. T.D. Hung, D. Pernica, D. Kroisová et al., „Composites Base on Geopolymer Matrices: Preliminary Fabrication, Mechanical Properties and Future Applications”, Department of Material Science, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec, Czech Republic 2010.
  8. H.T. Doan, P. Louda, D. Kroisova, O. Bortnovsky, „Thermal-Mechanical Behavior of silica based carbon composite”, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec, Czech Republic 2010.
  9. T. Błaszczyński, M. Przybylska-Fałek, „Fibrobeton jako materiał konstrukcyjny”, „Izolacje”, nr 11/12/2012, s. 44–50.
Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 9/2013

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Na czym polega ciepły montaż okien?


Montaż taki pozwala wyeliminować mostki termiczne powstające na łączeniu muru z oknem... ZOBACZ »


Zarabiaj pieniądze sprzedając prąd »

Kiedy i gdzie stosować płyty warstwowe?

Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego... czytaj dalej »

Panele wybierane są przez wielu architektów jako elementy wieńczące i tworzące... czytaj dalej »

Sprawdzone sposoby na ocieplenie i izolację budynku »


Konieczność ocieplania ścian zewnętrznych wynika nie tylko ze względów ekonomicznych – im lepiej izolowane ściany, tym... ZOBACZ »


Na czym polegają prace uszczelniające?

Wszystko o izolacjach technicznych »

Prace uszczelniające mają na celu odcięcie niebezpiecznych materiałów, substancji lub po prostu... czytaj dalej » Produkty przeznaczone do instalacji klimatyzacyjnych i wentylacyjnych, jak i... czytaj dalej »

Fakty i mity na temat szarego styropianu »

Od kilku lat rośnie popyt na styropiany szare. W Niemczech i Szwajcarii większość spr...
czytaj dalej »


Od czego zacząć termomodernizację domu? Co zrobić, aby uzyskać dotację?

Czego użyć do naprawy balkonu lub tarasu?

Jak dzięki termomodernizacji zmniejszyć zuzycie energii na ogrzewanie domów nawet o 69%?.. czytaj dalej » Nawierzchnia drenażowa typu kamienny dywan powstaje z połączenia naturalnego kruszywa marmurowego... czytaj dalej »

Chemia budowlana - porady ekspertów »


Masz wątpliwości i pytania jak rozwiązać Twój problem techniczny? Dobierz stosowną technologię do Twoich potrzeb... ZOBACZ »


Czego użyć do izolacji dachu?

Chcesz zaoszczędzić nawet 30% na zużyciu energii?

Rozwiązaniem, które zapewnia optymalne zaizolowanie są... czytaj dalej » Oprócz niższych rachunków za energię mamy zdecydowanie wyższy komfort mieszkania... czytaj dalej »

Jak zrobić spadki na balkonie i tarasie?


Dach, balkon czy taras jest płaski, a więc jak wygląda kwestia odwodnienia? ZOBACZ »


Co warto wiedzieć o systemach natryskowych?

Jak zabezpieczyć budynek przed wilgocią?

Budynek ocieplony pianką jest szczelny akustycznie a przede wszystkim... czytaj dalej »

Wilgoć pojawiająca się w budynku i związana z nią pleśń szkodzą naszemu zdrowiu, powodują wyższe rachunki za ogrzewanie i niszczą mury... czytaj dalej »

Planujesz wymianę dachu? Sprawdź »


Dzięki lekkości dachówek nie ma potrzeby wzmacniania Twojej starej struktury dachowej. W niektórych przypadkach jest nawet... ZOBACZ »


Elewacja, która wygląda jak drewno, marmur czy kamień »

Jak budować energooszczędnie?

Ładna fasada stanowi wizerunek budynku. Estetyczny wygląd elewacji często... czytaj dalej »

Przekonaj się, jakie rozwiązania sprawdzą się w nowoczesnym, energooszczędnym budownictwie... czytaj dalej »

Ekspert Budowlany - zlecenia

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 »
7/8/2020

Aktualny numer:

Izolacje 7/8/2020
W miesięczniku m.in.:
  • - Tarasy wentylowane
  • - Zastosowanie kruszyw lekkich
Zobacz szczegóły
Flowcrete Polska Sp. z o.o. Flowcrete Polska Sp. z o.o.
Flowcrete Polska Sp. z o.o. Jesteśmy producentem i dystrybutorem materiałów do wykonywania bezspoinowch posadzek żywicznych -...
Dlaczego warto zadbać o balkon i taras?

Dlaczego warto zadbać o balkon i taras?

Trudno wyobrazić sobie nowoczesny dom bez jego wizytówki, czyli balkonu lub tarasu. Elementy te stanowią dodatkową powierzchnię, która pozwala na chwilę oddechu na...
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

.