Geopolimer - Geopolymer

Geopolimery są nieorganicznymi , typowo ceramicznymi, glinokrzemianami tworzącymi dalekosiężne, związane kowalencyjnie, niekrystaliczne ( amorficzne ) sieci. Odłamki obsydianu (szkła wulkanicznego) są składnikiem niektórych mieszanek geopolimerowych. Produkowane na skalę przemysłową geopolimery mogą być wykorzystywane do powłok i klejów ognioodpornych i żaroodpornych, zastosowań medycznych, ceramiki wysokotemperaturowej, nowych spoiw do kompozytów włóknistych ognioodpornych, hermetyzacji odpadów toksycznych i radioaktywnych oraz nowych cementów do betonu. Właściwości i zastosowania geopolimerów są badane w wielu dyscyplinach naukowych i przemysłowych: nowoczesnej chemii nieorganicznej, chemii fizycznej, chemii koloidów , mineralogii, geologii oraz w innych rodzajach technologii procesów inżynierskich. Dziedzina geopolimerów jest częścią nauki, chemii i technologii polimerów , która stanowi jeden z głównych obszarów materiałoznawstwa.

Polimery są albo materiałem organicznym, tj. na bazie węgla, albo polimerem nieorganicznym , np. na bazie krzemu. Te organiczne polimery obejmują klasy naturalnych polimerów (guma, celuloza), syntetyczne polimery organiczne (włókien tekstylnych, tworzyw sztucznych, folie, elastomery itp) i naturalne biopolimery (biologii, medycyny, farmacji). Surowce stosowane w syntezie polimerów na bazie krzemu to głównie minerały skałotwórcze pochodzenia geologicznego, stąd nazwa: geopolimer . Joseph Davidovits ukuł ten termin w 1978 roku i stworzył non-profit francuską instytucję naukową (Association Loi 1901) Institut Géopolymère (Instytut Geopolimerów).

Według TF Yen geopolimery można podzielić na dwie główne grupy: czyste geopolimery nieorganiczne oraz geopolimery zawierające organiczne, syntetyczne analogi naturalnie występujących makrocząsteczek . W poniższej prezentacji geopolimer jest zasadniczo mineralnym związkiem chemicznym lub mieszaniną związków składających się z powtarzających się jednostek, na przykład tlenek krzemu (-Si-O-Si-O-), glinian krzemu (-Si-O-Al- O-), żelazokrzemoglinian (-Fe-O-Si-O-Al-O-) lub glinofosforan (-Al-OPO-), powstające w procesie geopolimeryzacji. Ta synteza minerałów (geosynteza) została po raz pierwszy zaprezentowana na sympozjum IUPAC w 1976 roku.

Mikrostruktura geopolimerów jest zasadniczo zależna od temperatury: w temperaturze pokojowej jest bezpostaciowa dla promieniowania rentgenowskiego , ale w temperaturze powyżej 500°C przekształca się w krystaliczną matrycę.

Można wyróżnić dwie drogi syntezy: w środowisku alkalicznym (Na ⁺ , K ⁺ , Li ⁺ , Ca ²⁺ , Cs ⁺ i tym podobne); lub w środowisku kwaśnym z kwasem fosforowym , organicznymi kwasami karboksylowymi z ekstraktów roślinnych ( kwas octowy , cytrynowy , szczawiowy i humusowy ).

Droga alkaliczna jest najważniejsza z punktu widzenia badań i rozwoju oraz zastosowań komercyjnych i została opisana poniżej. Szlak kwasowy jest omówiony w innym miejscu.

Co to jest geopolimer?

W latach pięćdziesiątych Viktor Glukovsky z Kijowa w ZSRR opracował materiały betonowe znane pierwotnie pod nazwami „gleby silikatowe” i „cementy gruntowe”, ale od czasu wprowadzenia koncepcji geopolimeru przez Josepha Davidovitsa, 1991 , terminologia i definicje „geopolimer” stał się bardziej zróżnicowany i często sprzeczny. Poniższe przykłady zostały zaczerpnięte z publikacji naukowych z 2011 roku napisanych przez naukowców z różnych środowisk.

Definicje terminu geopolimer

Dla chemików

„...Geopolimery składają się z polimerowego szkieletu Si–O–Al, podobnego do zeolitów. Główną różnicą w stosunku do zeolitu jest to, że geopolimery są amorficzne, a nie krystaliczne. Obserwowana przez TEM mikrostruktura geopolimerów w skali nanometrycznej składa się z niewielkich skupisk glinokrzemianów z porami rozproszonymi w wysoce porowatej sieci. Rozmiary klastrów wynoszą od 5 do 10 nanometrów”.

Dla chemików zajmujących się materiałami geopolimerowymi

„...reakcja wytwarza SiO ₄ i AlO ₄ , tetraedryczne struktury połączone wspólnymi tlenami jako poli(sialany) lub poli(sialan–silokso) lub poli(sialan–disilokso) w zależności od stosunku SiO ₂ /Al ₂ O ₃ w system. Połączenie struktur czworościennych następuje poprzez wiązania kowalencyjne dalekiego zasięgu. Tak więc struktura geopolimeru jest postrzegana jako gęsta faza amorficzna składająca się z półkrystalicznej 3-D mikrostruktury glinokrzemianowej”.

Dla naukowców zajmujących się cementem alkalicznym

„...Geopolimery to struktury szkieletowe wytwarzane przez kondensację tetraedrycznych jednostek glinokrzemianowych, z jonami metali alkalicznych równoważącymi ładunek związany z tetraedrycznym Al. Konwencjonalnie geopolimery są syntetyzowane z dwuczęściowej mieszanki, składającej się z roztworu alkalicznego (często rozpuszczalnego krzemianu) i stałych materiałów glinokrzemianowych. Geopolimeryzacja zachodzi w temperaturze otoczenia lub nieznacznie podwyższonej, gdzie ługowanie stałych surowców glinokrzemianowych w roztworach alkalicznych prowadzi do przeniesienia wyługowanych form z powierzchni stałych do rosnącej fazy żelowej, a następnie do zarodkowania i kondensacji fazy żelowej do postaci ciała stałego spoiwo.'

Dla chemików zajmujących się ceramiką geopolimerową

„…Chociaż geopolimer jest generalnie bezpostaciowy dla promieniowania rentgenowskiego, jeśli jest utwardzany w standardowych ciśnieniach i temperaturach, po podgrzaniu przekształci się w krystaliczne fazy ceramiczne, takie jak leucyt lub pollucyt”.

Dla naukowców zajmujących się ceramiką

„...Geopolimery to klasa całkowicie nieorganicznych materiałów ceramicznych na bazie glinokrzemianów, których ładunek jest zrównoważony przez tlenki grupy I. Są to sztywne żele, które są wytwarzane we względnie temperaturze i ciśnieniu otoczenia w ciałach o wymiarach zbliżonych do wartości netto, a które można następnie przekształcić w materiały krystaliczne lub szkło-ceramiczne”.

Synteza geopolimerów

Koordynacja jonowa czy wiązanie kowalencyjne?

W 1937 WL Bragg opublikował metodę klasyfikacji wszystkich rodzajów krzemianów i ich struktur krystalicznych, opartą na koncepcji teorii jonów Linusa Paulinga . Podstawową jednostką jest tetraedryczny kompleks składający się z małego kationu, takiego jak Si ⁴⁺ lub Al ³⁺ w tetraedrycznej koordynacji z czterema tlenami (pierwsza zasada Paulinga). Wiele podręczników wyjaśnia geometrię czworościanu SiO ₄ ^4- i innych struktur mineralnych określoną przez względne rozmiary różnych jonów.

Ta jonowa reprezentacja koordynacji nie jest już dostosowana do wymagań chemii geopolimerów, które rządzą się mechanizmami wiązania kowalencyjnego. Różnice między koncepcją jonową (koordynacją) a wiązaniem kowalencyjnym są głębokie. Struktura podwójnego czworościanu (koordynacja) dzieli jeden anion tlenu O ^2- , podczas gdy w strukturze molekularnej Si-O-Si- wiązanie kowalencyjne uzyskuje się dzięki współdzieleniu przez Si i O tylko jednego elektronu. Powoduje to silniejsze wiązanie w ramach tej ostatniej struktury. Amerykański mineralog i geochemik GV Gibbs i jego zespół badali wiązanie polimerowe Si-O-Si-O i stwierdzili w latach 1982-2000: Udane modelowanie właściwości i struktur krzemionki… potwierdza twierdzenie, że polimorf krzemionki jak kwarc może być postrzegany jako gigantyczna cząsteczka połączona ze sobą zasadniczo tymi samymi siłami, które wiążą atomy szkieletu Si-O-Si w małą cząsteczkę siloksanu . Termin gigantyczna cząsteczka użyty przez GV Gibbsa jest odpowiednikiem definicji geopolimeru, a sformułowanie mała cząsteczka siloksanu opisuje rzeczywiste oligomery związków krzemoorganicznych, dobrze znane jako polimer silikonowy . Te oligomery siloksanowe mają taką samą strukturę jak oligomery krzemianowo-glinianowe opisane poniżej w tym artykule.

Geopolimeryzacja zaczyna się od oligomerów

Geopolimeryzacja to proces łączenia wielu małych cząsteczek zwanych oligomerami w kowalencyjnie związaną sieć. Syntezy geochemiczne prowadzone są poprzez oligomery (dimer, trimer, tetramer, pentamer), które dostarczają rzeczywistych struktur jednostkowych trójwymiarowego gmachu makrocząsteczkowego. W 2000 roku TW Swaddle i jego zespół udowodnili istnienie rozpuszczalnych izolowanych cząsteczek glinokrzemianów w roztworze o stosunkowo wysokich stężeniach i wysokim pH . Jednym z głównych ulepszeń w ich badaniach było to, że badania były prowadzone w bardzo niskich temperaturach, tak niskich jak -9°C. Rzeczywiście, odkryto, że polimeryzacja oligosialanów w temperaturze pokojowej zachodzi w skali czasowej około 100 milisekund, tj. 100 do 1000 razy szybciej niż polimeryzacja jednostek orto-krzemianowych, oligo-silokso. W temperaturze pokojowej lub wyższej reakcja jest tak szybka, że ​​nie można jej wykryć konwencjonalnym sprzętem analitycznym.

Obraz przedstawia 5 rozpuszczalnych oligomerów rodzajów K-poli(sialanu) / poli(sialanu-silokso), które są faktycznymi jednostkami wyjściowymi geopolimeryzacji glinokrzemianowej na bazie potasu.

Przykład geopolimeryzacji (-Si-O-Al-O-) z metakaolinem MK-750 w środowisku alkalicznym

Obejmuje cztery główne fazy obejmujące siedem etapów reakcji chemicznych:

• Depolimeryzacja alkaliczna warstwy poli(silokso) kaolinitu ;
• Tworzenie indywiduów monomerycznych i oligomerycznych, w tym cząsteczki „orto-sialanu” (OH) ₃ -Si-O-Al-(OH) ₃ (nr 1 na figurze);
• W obecności szkła wodnego (rozpuszczalnego K-polisiloksonianu) dochodzi do powstania struktury cyklicznej orto-sialan-disilokso (np. #5 na rysunku), dzięki czemu wodorotlenek jest uwalniany w reakcjach kondensacji i może ponownie reagować;
• Geopolimeryzacja ( polikondensacja ) do wyższych oligomerów i polimerowych sieci 3D.

Kinetyka geopolimeryzacji odpowiednio dla poli(sialanu-silokso) i K-poli(sialanu-silokso) jest nieco odmienna. Wynika to prawdopodobnie z różnych wymiarów kationów Na ⁺ i K ⁺ , przy czym K ⁺ jest większy niż Na ⁺ .

Przykład geopolimeryzacji zeolitu (Si-O-Al-O-) z popiołem lotnym w środowisku alkalicznym

Obejmuje 5 głównych faz

• Etap zarodkowania, w którym glinokrzemiany z cząstek popiołu lotnego rozpuszczają się w środowisku alkalicznym (Na ⁺ ), uwalniając gliniany i krzemiany, prawdopodobnie w postaci monomerów .
• Te monomery reagują ze sobą, tworząc dimery , które z kolei reagują z innymi monomerami, tworząc trimery, tetramery i tak dalej.
• Gdy roztwór osiągnie nasycenie, wytrąca się żel bogaty w glin (oznaczony jako Żel 1) .
• W miarę postępu reakcji, więcej grup Si-O z początkowego stałego źródła rozpuszcza się, zwiększając stężenie krzemu w pożywce i stopniowo zwiększając udział krzemu w żelu prekursorowym zeolitu (żel 2).
• Polikondensacja w struktury 3D przypominające zeolit.

Geopolimerowe ramy 3D

Geopolimeryzacja tworzy szkielety glinokrzemianowe podobne do tych w minerałach skałotwórczych. Istnieją jednak zasadnicze różnice. W 1994 Davidovits przedstawił teoretyczną strukturę K-poli(sialan-siloxo) (K)-(Si-O-Al-O-Si-O), która była zgodna z widmami NMR . Nie wykazuje obecności wody w strukturze, ponieważ skupił się tylko na relacji między atomami Si, Al, Na, K,. Woda występuje tylko w temperaturach poniżej 150°C – 200°C, zasadniczo w postaci grup -OH, podczas gdy liczne zastosowania przemysłowe i komercyjne geopolimerów działają w temperaturach powyżej 200°C, do 1400°C, czyli w temperaturach powyżej dehydroksylacji . Niemniej jednak naukowcy pracujący nad zastosowaniami niskotemperaturowymi, takimi jak cementy i gospodarka odpadami , próbowali określić uwodnienie kationów i cząsteczki wody. Model ten pokazuje niecałkowicie przereagowany geopolimer (po lewej na rysunku), który zawiera wolne grupy Si-OH, które później z czasem lub temperaturą polikondensują się z przeciwstawnymi wiązaniami Al-OK, w wiązania Si-O-Al-O sialanowe. Woda uwolniona w tej reakcji albo pozostaje w porach, jest związana ze szkieletem podobnie do wody zeolitowej , albo może zostać uwolniona i usunięta. Kilka struktur 3D opisano w książce „Geopolymer Chemistry and Applications”. Po dehydroksylacji (i odwodnieniu), na ogół powyżej 250 °C, geopolimery stają się coraz bardziej krystaliczne (na zdjęciu) i powyżej 500-1000 °C (w zależności od charakteru obecnego kationu alkalicznego) krystalizują i mają dyfrakcję rentgenowską wzory i struktury szkieletowe identyczne z ich geologicznymi odpowiednikami.

Aplikacje komercyjne

Istnieje wiele różnych potencjalnych i istniejących zastosowań. Niektóre z zastosowań geopolimerów są wciąż w fazie rozwoju, podczas gdy inne są już uprzemysłowione i skomercjalizowane. Zobacz niepełną listę udostępnioną przez Instytut Geopolimerów. Są one wymienione w trzech głównych kategoriach:

Żywice i spoiwa geopolimerowe

• Materiały ognioodporne, izolacja termiczna, pianki;
• Płytki ceramiczne niskoenergetyczne , elementy ogniotrwałe , materiały ogniotrwałe na szok termiczny;
• Zaawansowane technologicznie systemy żywic, farby, spoiwa i fugi;
• Biotechnologie (materiały do ​​zastosowań medycznych);
• Przemysł odlewniczy (żywice), oprzyrządowanie do produkcji kompozytów z włókien organicznych;
• Kompozyty do naprawy i wzmacniania infrastruktury, ognioodporne i żaroodporne zaawansowane technologicznie kompozyty z włókna węglowego do wnętrz samolotów i samochodów;
• Przechowywanie odpadów radioaktywnych i toksycznych;

Cementy i betony geopolimerowe

• Materiały budowlane low-tech (cegły gliniane),
• Cementy i betony o niskiej zawartości CO ₂ ;

Sztuka i archeologia

• Dekoracyjne artefakty z kamienia, sztuka i dekoracja;
• Dziedzictwo kulturowe, archeologia i historia nauk.

Żywice i spoiwa geopolimerowe

Klasa materiałów geopolimerowych opisana przez Davidovitsa obejmuje:

• Spoiwo geopolimerowe na bazie Metakaolin MK-750

wzór chemiczny (Na,K)-(Si-O-Al-O-Si-O-), stosunek Si:Al=2 (zakres 1,5 do 2,5)

• Spoiwo geopolimerowe na bazie krzemionki

wzór chemiczny (Na,K)-n(Si-O-)-(Si-O-Al-), stosunek Si:Al>20 (zakres 15 do 40).

• Spoiwo geopolimerowe na bazie zol-żel (syntetyczny MK-750)

wzór chemiczny (Na,K)-(Si-O-Al-O-Si-O-), stosunek Si:Al=2

Pierwsza żywica geopolimerowa została opisana we francuskim zgłoszeniu patentowym złożonym przez J. Davidovitsa w 1979 r. Amerykański patent US 4 349 386 został udzielony 14 września 1982 r. pod tytułem Mineralne polimery i sposoby ich wytwarzania . Zasadniczo polegała ona na geopolimeryzacji rozpuszczalnego w alkaliach krzemianu [szkło wodne lub (Na,K)-polisiloksonian] z kalcynowaną glinką kaolinitową (później ukuto metakaolin MK-750 w celu podkreślenia znaczenia temperatury kalcynacji , a mianowicie 750 °C w tym przypadku). W 1985 roku Kenneth MacKenzie i jego zespół z Nowej Zelandii odkryli koordynację Al(V) kalcynowanego kaolinitu (MK-750), opisującą „chemiczne przesunięcie pośrednie między tetraedrycznymi a oktaedrycznymi”. Miało to ogromny wkład w lepsze zrozumienie reaktywności geopolimerowej.

Od 1979 roku przemysł chemiczny na całym świecie opracował różnorodne żywice, spoiwa i fugi .

Potencjalne wykorzystanie materiałów kompozytowych geopolimerowych

Żywice geopolimerowe na bazie Metakaolin MK-750 i krzemionki stosowane są do impregnacji włókien i tkanin w celu uzyskania kompozytów włóknistych na bazie matrycy geopolimerowej. Produkty te są ognioodporne; nie wydzielają dymu ani toksycznych oparów. Zostały przetestowane i rekomendowane przez główne instytucje międzynarodowe, takie jak Amerykańska Federalna Administracja Lotnictwa FAA. FAA wybrała kompozyt węglowo-geopolimerowy jako najlepszego kandydata do programu kabin ognioodpornych (1994-1997). Geopolimery są atrakcyjnymi materiałami macierzystymi do unieruchamiania odpadów jądrowych ze względu na ich wysoką trwałość środowiskową i elastyczność na zmiany składu odpadów. Są już wykorzystywane na skalę przemysłową do unieruchamiania trudnych strumieni odpadów radioaktywnych w Czechach i na Słowacji.

Materiał ognioodporny

Rozgorzenie to zjawisko charakterystyczne dla pożarów pomieszczeń, w których produkty niecałkowitego spalania gromadzą się przy suficie i zapalają się, powodując całkowite zaangażowanie materiałów komory i sygnalizując koniec możliwości przeżycia człowieka. W konsekwencji, w pożarze pomieszczenia czas rozgorzenia jest czasem dostępnym na ucieczkę i jest to najważniejszy czynnik w określaniu zagrożenia pożarowego materiału lub zestawu materiałów w pożarze pomieszczenia. Federalna Administracja Lotnictwa (Federal Aviation Administration) wykorzystała czas do rozgorzenia materiałów w testach kabin samolotów jako podstawę kryteriów akceptacji uwalniania ciepła i szybkości uwalniania ciepła dla materiałów kabin samolotów komercyjnych. Rysunek pokazuje, w jaki sposób najlepsza matryca organiczna wykonana z technicznych tworzyw termoplastycznych osiąga rozgorzenie po 20 minutowym okresie zapłonu i generuje znaczny dym, podczas gdy kompozyt geopolimerowo-matrycowy nigdy nie zapali się, nie osiągnie rozgorzenia ani nie wygeneruje żadnego dymu w pożarze pomieszczenia.

Kompozyt węglowo-geopolimerowy jest stosowany w samochodach wyścigowych wokół części układu wydechowego. Technologia ta mogłaby zostać przeniesiona i zastosowana do masowej produkcji zwykłych części samochodowych (odporne na korozję rury wydechowe itp.) oraz osłon termicznych. Znany producent samochodów opracował już geopolimerowo-kompozytowy układ wydechowy.

Cementy geopolimerowe

Wytwarzanie Geopolimer cementu wymaga glinokrzemian prekursora materiał, taki jak metakaolin lub popiół lotny , reagent zasadowy przyjazny dla użytkownika (na przykład, sodu lub potasu, rozpuszczalne krzemiany o stosunku molowym MR SiO ₂ : M ₂ O ≥ 1,65, przy czym M Na lub K ) i wody (Patrz definicja odczynnika „przyjaznego dla użytkownika” poniżej). Utwardzanie w temperaturze pokojowej łatwiej osiąga się po dodaniu źródła kationów wapnia, często żużla wielkopiecowego .

Chemia cementu portlandzkiego a chemia geopolimerów

Po lewej: utwardzanie cementu portlandzkiego (PC) poprzez uwodnienie krzemianu wapnia do hydratu krzemianu wapnia (CSH) i portlandytu Ca(OH) ₂ .

Po prawej: utwardzanie (wiązanie) cementu geopolimerowego (GP) poprzez polikondensację oligo-(sialanu-silokso) potasu w usieciowaną sieć poli(sialan-silokso) potasu.

Kategorie cementu geopolimerowego

Kategorie obejmują:

• Cement geopolimerowy na bazie żużla.
• Cement geopolimerowy na bazie skalnej.
• Cement geopolimerowy na bazie popiołu lotnego
  • Typ 1: geopolimer z popiołu lotnego aktywowany alkaliami.
  • Typ 2: cement geopolimerowy na bazie żużla/popiołu lotnego.
• Cement geopolimerowy na bazie żelazosilanu.

Cement geopolimerowy na bazie żużla

Składniki : metakaolin (MK-750) + żużel wielkopiecowy + krzemian alkaliczny (przyjazny dla użytkownika).

Uzupełnienie geopolimerowe: Si:Al = 2 w rzeczywistości stały roztwór Si:Al=1, Ca-poli(di-sialan) (typ anortytu) + Si:Al = 3 , K-poli(sialan-disiloxo) (ortoklaza typu) i hydrat CSH Ca-krzemianu.

Pierwszy cement geopolimerowy opracowany w latach 80. był typu (K, Na, Ca)-poli(sialan) (lub cementem geopolimerowym na bazie żużla) i był wynikiem prac badawczych prowadzonych przez Josepha Davidovitsa i JL Sawyera w Lone Star Industries , USA i zaowocowało wynalezieniem cementu Pyrament®. Amerykańskie zgłoszenie patentowe zostało złożone w 1984 r., a patent US 4,509,985 został przyznany 9 kwietnia 1985 r. pod tytułem „Wczesny polimer mineralny o wysokiej wytrzymałości”.

Cement geopolimerowy na bazie skalnej

Zastąpienie pewnej ilości MK-750 wybranymi tufami wulkanicznymi daje cement geopolimerowy o lepszych właściwościach i mniejszej emisji CO ₂ niż prosty cement geopolimerowy na bazie żużla.

Komponenty produkcyjne: metakaolin MK-750, żużel wielkopiecowy, tufy wulkaniczne (kalcynowane lub niekalcynowane), odpady kopalniane i krzemiany alkaliczne (przyjazne dla użytkownika).

Uzupełnienie geopolimerowe: Si:Al = 3, w rzeczywistości stały roztwór Si:Al=1 Ca-poli(di-sialan) (typ anortytu) + Si:Al = 3-5 (Na,K)-poli(silat) -multisiloxo) i hydrat CSH Ca-krzemianu.

Cementy geopolimerowe na bazie popiołu lotnego

Później, w 1997 roku, opierając się na pracach prowadzonych z jednej strony nad żużlowymi cementami geopolimerowymi, az drugiej nad syntezą zeolitów z popiołów lotnych, Silverstrim i in. a van Jaarsveld i van Deventer opracowali geopolimerowe cementy na bazie popiołu lotnego. Silverstrima i in. Patent US 5,601,643 został zatytułowany „Materiał cementujący z popiołu lotnego i sposób wytwarzania produktu”.

Emisje CO ₂ podczas produkcji

Według australijskiego eksperta ds. betonu BV Rangan, rosnące światowe zapotrzebowanie na beton jest wielką szansą na rozwój wszelkiego rodzaju cementów geopolimerowych o znacznie niższym poziomie dwutlenku węgla CO ₂ . W roku 2021 badania oceny cyklu życia przeprowadzone przez naukowców z University of New South Wales (UNSW Sydney), Australia, potwierdził, że Geopolimer moździerze ustalić wytrzymałość na ściskanie i zginanie, które są odpowiednie do zastosowań budowlanych i korzyści obecny zrównoważonego rozwoju w Global Warming Potential , co sugeruje, że mogą być potencjalnymi zamiennikami zwykłego cementu portlandzkiego. Jednak obróbka odpadów przemysłowych (tj. przygotowanie popiołu lotnego) wyczerpuje zbiorniki wodne, a krzemian sodu powoduje znaczne obciążenia środowiskowe podczas jego produkcji, stając się kluczowym czynnikiem zwiększającym trwałość geopolimeru.

Potrzeba standardów

W czerwcu 2012 r. instytucja ASTM International zorganizowała sympozjum Geopolimerowe systemy spoiwowe. We wstępie do sympozjum czytamy: Kiedy pisano specyfikacje właściwości użytkowych cementu portlandzkiego, spoiwa inne niż portlandzkie były rzadkością... Nowe spoiwa, takie jak geopolimery, są coraz częściej badane, wprowadzane na rynek jako produkty specjalistyczne i badane pod kątem zastosowania w betonie konstrukcyjnym. Sympozjum ma dać ASTM okazję do rozważenia, czy istniejące normy dotyczące cementu zapewniają z jednej strony efektywne ramy do dalszych badań nad spoiwami geopolimerowymi, az drugiej strony niezawodną ochronę dla użytkowników tych materiałów .

Istniejące normy dotyczące cementu portlandzkiego nie są dostosowane do cementów geopolimerowych. Muszą być tworzone przez komitet ad hoc . Wymaga to jednak również obecności standardowych cementów geopolimerowych. Obecnie każdy ekspert prezentuje własną recepturę opartą na lokalnych surowcach (odpadach, produktach ubocznych lub wydobytych). Istnieje potrzeba doboru odpowiedniej kategorii cementu geopolimerowego. Stan badań i rozwoju geopolimerów z 2012 r. zasugerował wybór dwóch kategorii, a mianowicie:

• Cement geopolimerowy typu 2 na bazie żużla/popiołu lotnego: popioły lotne są dostępne w głównych krajach wschodzących;

oraz

• Cement geopolimerowy na bazie żelazosilanu: ten geologiczny surowiec bogaty w żelazo jest obecny we wszystkich krajach na całym świecie.

oraz

• odpowiedni przyjazny dla użytkownika odczynnik geopolimerowy.

Zastosowania geopolimerów w sztuce i archeologii

Ponieważ artefakty geopolimerowe wyglądają jak kamień naturalny, kilku artystów zaczęło odlewać repliki swoich rzeźb w formach z gumy silikonowej. Na przykład w latach 80. francuski artysta Georges Grimal pracował nad kilkoma odlewanymi formami kamienia geopolimerowego.

Egipskie kamienie piramidy

Jeśli chodzi o zastosowania archeologiczne, w połowie lat 80. Joseph Davidovits przedstawił swoje pierwsze wyniki analityczne przeprowadzone na prawdziwych kamieniach piramidowych. Twierdził, że starożytni Egipcjanie wiedzieli, jak wywołać reakcję geopolimerową podczas tworzenia ponownie aglomerowanych bloków wapiennych. Ukraiński naukowiec GV Glukhovsky poparł badania Davidovitsa w swoim głównym referacie dla pierwszego stażysty. Konf. na Alkaline Cements and Concretes, Kijów, Ukraina, 1994. Później kilku materiałoznawców i fizyków przejęło te badania archeologiczne i publikuje ich wyniki, głównie na kamieniach piramidowych.

cementy rzymskie

Z kopania starożytnych rzymskich ruin wiadomo, że około 95% betonów i zapraw tworzących rzymskie budowle składa się z bardzo prostego cementu wapiennego, który powoli twardniał w wyniku wytrącania dwutlenku węgla CO ₂ , z atmosfery i tworzenia hydrat krzemianu wapnia (CSH). Jest to bardzo słaby lub średnio dobry materiał, który był używany głównie do wykonywania fundamentów i budynków dla ludności.

Ale do budowy swoich „ouvrages d'art”, zwłaszcza prac związanych z magazynowaniem wody (cysterny, akwedukty), rzymscy architekci nie wahali się stosować bardziej wyszukanych i droższych składników. Te znakomite cementy romańskie oparte są na wapniowej aktywacji kruszyw ceramicznych (po łacinie testa , odpowiednik naszego nowoczesnego metakaolinu MK-750) i bogatych w alkalia tufów wulkanicznych (cretoni, zeolityczna pucolana), odpowiednio wapnem. Badania spektroskopowe MAS-NMR zostały przeprowadzone na tych zaawansowanych technologicznie cementach romańskich datowanych na II wiek naszej ery. Pokazują swój geopolimerowy makijaż.

Świątynia Kanchi Kailasanathar

Świątynia Kanchi Kailasanathar z VII wieku z okresu Pallava może być zbudowana z geopolimeru, który wygląda jak piaskowiec.

Zobacz też

• Zeolit

Bibliografia

Bibliografia

• Geopolimer Chemistry and Applications , Joseph Davidovits, Institut Géopolymère, Saint-Quentin, Francja, 2008, ISBN  9782951482050 (3rd ed., 2011). W języku chińskim: National Defense Industry Press, Pekin, ISBN  9787118074215 , 2012.
• Geopolimery Struktura, przetwarzanie, właściwości i zastosowania przemysłowe , John L. Provis i Jannie SJ van Deventer, Woodhead Publishing, 2009, ISBN  9781845694494 .

Zewnętrzne linki

• Instytut Geopolimerów: https://www.geopolymer.org/
• Sojusz Geopolimerów: https://web.archive.org/web/20130409024601/http://geopolymers.com.au/