Właściwości fibrogeopolimerów

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.

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.

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

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].

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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%).

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.

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.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!