PDF članka
Transcription
PDF članka
Gradbeni materiali Strokovno delo Geopolimeri - "novi" gradbeni kompoziti iz odpadkov z izrazom geopolimer je v 70. letih prejšnjega stoletja francoski znanstvenik davidovits [1] poimenoval trdni kompozit, ki ga je sintetiziral iz metakaolina in alkalne raztopine. predpona »geo« simbolizira sorodnost z geološkimi vezivi v kamninah ali mineralih. podobne materiale so sicer izdelovali že egipčani in rimljani, tudi v 20. stoletju so nekateri materiali, poznani pod izrazi »zemeljski cement«, »mineralni polimeri«, »alkalna vezana keramika« in »hidrokeramika« po sestavi in lastnostih analogni geopolimerom. TEKST dr. Alenka Mauko in doc. dr. Ana Mladenovič, Zavod za gradbeništvo Slovenije V erjetno ena najbolj zanimivih debat na področju geopolimerov poteka zaradi trditve Davidovitsa, da so bili geopolimeri uporabljeni pri izgradnji velike piramide v Gizi. Po njegovi teoriji naj bi bila piramida izdelana iz geopolimera, za katerega je bila uporabljena mešanica lokalnih preperelih lapornih apnencev, apna, naravno pridobljenega natrona (naravna mešanica natrijevega karbonat dekahidrata) in sode. Dodatek apna bi naj disociiral kaolinitno glino v apnencu in oblikoval geopolimer. Kompozit, izdelan na ta način, je močno podoben fizikalnim in mikrostrukturnim lastnostim naravnega apnenca. Ta teorija nasprotuje konvencionalni hipotezi o izgradnji piramid, ki naj bi jih zgradili s klesanjem in dvigovanjem težkih apnenčastih blokov. Debata je živa že dve desetletji, saj so v preteklosti tako privrženci kot nasprotniki hipoteze podali številne mineraloško-petrografske dokaze v prid eni in drugi trditvi. Podoben primer predstavljajo tudi rimski cementi. Na Inštitutu za geopolimere v Franciji namreč trdijo, da Vitruvijeva knjiga De architectura iz 1. stoletja pred našim štetjem govori o intenzivni proizvodnji dveh umetnih reaktivnih komponent s pucolansko aktivnostjo: kalcinirane kaolinitne gline (lat. Testa) in kalcinirane vulkanske kamnine (lat. Carbunculus), iz katerih bi naj mešali rimske geopolimerne cementne različke. Kaj so geopolimeri? To so sintetični kompoziti iz anorganskih polimerov, ki so v svežem stanju tekoči ali plastični in jih je zato možno poljubno oblikovati, v otrde- 24 j u l i j 2 0 1 2 Slika 1: Posnetek v vrstičnem elektronskem mikroskopu, levo mikrostruktura geopolimera, desno mikrostruktura betona lem stanju pa se odlikujejo s številnimi odličnimi lastnostmi, ki so iskane v gradbeništvu. Nekoliko so podobni betonom (slika 1). Strukturo geopolimerov največkrat sestavljajo alumosilikatne verige ali mreže iz SiO4 in AlO4 tetraedrov, ki so med sabo povezane s kovalentnimi vezmi preko skupnih kisikovih ionov. Proces nastanka verig ali mrež se imenuje geopolimerizacija. Surovina za proizvodnjo geopolimerov so največkrat amorfni in/ali reaktivni kristalinični alumosilikati, lahko pa tudi nekatere fosforjeve spojine. Atomsko razmerje med silicijem in aluminijem v polimernih strukturah definira lastnosti in uporabnost geopolimerov. Splošno pravilo palca je, da se geopolimeri z nižjimi razmerji med Si in Al uporabljajo za enostavnejše proizvode, kot so geopolimerna opeka in keramika, okolju prijazni cementi in betoni ter za enkapsulacijo radioaktivnih in toksičnih odpadkov, medtem ko so višja razmerja primerna za visokotemperaturne kompozite. Uporabnost in lastnosti geopolimerov Geopolimere lahko uporabljamo samostojno, lahko pa jim dodajamo tudi polnila, npr. naravne ali alternativne agregate, kot so žlindra, odpadno steklo, odpadna opeka ipd. (slika 2). Slika 2. Različne strukture geopolimerov in geopolimernih kompozitov [ 3 2012 ] geopolimeri imajo številne odlične lastnosti za uporabo v gradbeništvu a c d Slika 4: Postopek restavriranja Sfinge iz Delfta. Slika a) prikazuje originalno sfingo na vazi, b) geopolimerni odlitek originala, c) kopijo iz geopolimera, ki je bila dodana na manjkajoče mesto na vazi - slika d) [3] 3 2012 ] kako čim bolj enostavno in učinkovito priti do sodobne generacije geopolimerov, v katere bi kot surovina lahko vstopali tudi drugi odpadki, ukvarjajo tudi s proučevanjem možnosti za zmanjšanje vrednosti pH pri pripravi kompozitov in s tega stališča napraviti izdelavo teh materialov varnejšo in dostopnejšo. Zaključek Uporaba geopolimerov, kot porabnikov odpadkov in imobilizatorjev strupenih snovi, z razvijanjem učinkovitejših in varnejših postopkov priprave in aplikacije predstavlja eno od pomembnih smeri v razvoju novih, zelenih kompozitov, ki so v skladu s konceptom trajnostnega gradbeništva. Članek je bil pripravljen v okviru aktivnosti projekta ReBirth - Promocija recikliranja industrijskih in gradbenih odpadkov in njihove uporabe v gradbeništvu. Več informacij o projektu lahko najdete na www.re-birth.eu. julij 2012 25 r e v i j a . s i Viri [1] Joseph DAVIDOVITS (2011): Geopolymer Chemistry and Applications. Institut Géopolym`ere. [2] http://www.irsm.cas.cz/abstracts/Prezentace/GP2011-Perna1.pdf [3] http://www.irsm.cas.cz/abstracts/Prezentace/Statue_2110.pdf - proizvajajo manj toplogrednih plinov, potem našteto jasno kaže, da se uporaba konvencionalnih gradbenih materialov zmanjšuje na račun novih kompozitov, v katerih so pogosto kot surovina uporabljePlast papirja za zaključno dekoracijo notranje stene. ni odpadki. Številne raziskave Penjena plast s toplotnimi in v svetu, tako na laboratorijakustičnimi lastnostmi skem kot tudi na in-situ nivoju potrjujejo možnost in uporabNosilna plast – geopolimer z no vrednost odpadkov in manj dodatkom pepela iz biomase in ostankov lesa kakovostnih naravnih virov za uporabo v geopolimerih. Pri Polistirenska plast – toplotna tem prevladujejo različni elekizolacija, ki je na obeh trofiltrski pepeli in metalurške straneh z geopolimerom zaščitena pred požarom žlindre, pa tudi odpadni industrijski mulji in rdeče blato iz procesov pridobivanja aluminiSlika 3: Izolativni geopolimerni kompozit [2] ja. Generično gledano so potencialno perspektivni vsi tisti odpadki, ki vsebujejo silicij in aluminij v zadosUporabnost odpadkov za tni količini, z ustrezno atomsko koordinacijo in izdelavo geopolimerov Situacija na področju sestave in uporabe grad- v pravilnem razmerju, da ob aktivaciji z alkalijabenih kompozitov se močno in hitro spreminja mi pride do kolapsa obstoječih kristalnih rešetk predvsem zaradi okoljskega vidika, saj nova pa- ali amorfne mreže in nato geopolimerizacije siliradigma, ki jo praktično privzema ves razviti svet, cija in aluminija v novo strukturo. Nevarne snovi, proglaša številne odpadke, zlasti tiste iz industrij- običajno gre v teh primerih za strupene kovine, skih procesov, za vire surovin. Obenem se ome- se imobilizirajo na dva načina in sicer se na eni juje možnosti odlaganja odpadkov na deponi- strani fizično ujamejo v matrico geopolimera, na jah in razpoložljivost naravnih virov. Če pri tem drugi strani pa je dokazano, da kemično vstopaupoštevamo še pričakovanja oziroma zahteve jo v produkte geopolimerizacije. Pospešene razipo vpeljavi procesov, ki porabijo manj energije in skave na tem področju se poleg tehničnih izzivov, [ b m i n e r a l Geopolimeri so znani po nekaterih odličnih mehansko-fizikalnih in toplotnih lastnostih, v katerih presegajo lastnosti konvencionalnih gradbenih kompozitov, predvsem betonov. Tako imajo visoko odpornost proti korozivnim dejavnikom, ki so posledica atmosferskih vplivov ali antropogenih vplivov iz okolja (sulfatna korozija alkalijsko-silikatna korozija, soli, kisline). Že od iznajdbe dalje je znana njihova odpornost na visoke in tudi na ekstremno nizke temperature in s tem uporabnost kot požarna in toplotna zaščita (slika 3). Geopolimeri zelo hitro dosežejo končne trdnosti, geopolimerizacija pa lahko poteka pri ambientnih temperaturah ali rahlo zvišanih temperaturah. Zaradi tega so zanimivi za področja, kjer je potrebno hitro doseganje končnih trdnosti materiala (npr. letališke steze). Svoje mesto so geopolimeri našli tudi na področju umetnosti in za restavriranje objektov kulturne dediščine (slika 4). Njihove slabosti so visoka cena v proizvodnji, problem varnosti pri delu zaradi ravnanja z alkalijskimi aktivatorji (visok pH) in razmeroma zahtevna priprava receptur. Zaradi navedenih pomanjkljivosti je bila do sedaj njihova praktična uporaba v glavnem omejena na nekatere specialne aplikacije. Ena od teh je denimo kot učinkovita matrica za imobilizacijo nizko-radioaktivnih in nevarnih odpadkov.