Alkalicky aktivované materiály – geopolymery

Alkalicky aktivovan materily Alkalicky aktivovan materily geopolymerygeopolymery

Doc.RNDr. Frantiek kvra Doc.RNDr. Frantiek kvra DrScDrSc

stav skla a keramikystav skla a keramikyVysokVysok kolakola chemickochemicko--technologicktechnologick

v v PraPrazeze

ObsahObsahAlkalick aktivace alumosiliktovch ltek (historie, principy)

Pojet geopolymeru

Geopolymern ltky

Mikrostruktura geopolymer

Geopolymery na bzi metakaolinu a poplk

Perspektivy

Nkolik slov vodemNkolik slov vodem

Sloit reakce ve vodnm prosted pi vym Sloit reakce ve vodnm prosted pi vym pHpH jsou zkladem jsou zkladem proces tuhnut a tvrdnut ka, malt a beton z anorganickch pproces tuhnut a tvrdnut ka, malt a beton z anorganickch pojiv, ojiv, pedevm portlandskho cementupedevm portlandskho cementu

Alit, belit + H2O hydrosiliktov fze (C-S-H fze)+ Ca(OH)2a dal reakce.

Alumosiliktov ltky (struska, poplky, pucolny, metakaolin a jin latentn hydraulick ltky) reaguj s Ca(OH)2 na hydrosiliktov resp.

hydroalumintov pojivov fze. Zklad smsnch portlandskch cement.

Aktivace latentn hydraulickch ltek ionty Ca2+ je mon i CaOresp. CaSO4Analogick (i kdy jin) situace je u alkalickch kov Na, K

Psoben Psoben alkalialkali Na,KNa,K

Negativn aspekty

Poruchy pi vrob cementuVytven nedoucch fz KC12S23, NC8A3Alkali-silica reakce v betonu

Pozitivn aspekty

Urychlen hydrataceVytven novch hydratanch fz

Potky geopolymerPotky geopolymerProf. V.D.Gluchovskij

1958

gruntosilikatygruntocementysoilcementgeocement

Stavba z gruntosiliktovch blok asi 1958

Popsny principy alkalick aktivace kaolinitickch ltek, poplk a strusek

Dal vzkum na Ukrajin: prof. Pavel Krivenko, prof. Myroslav SanyckyKongresy od roku 1978

Aktivity stavu skla a keramiky VCHT v Praze Aktivity stavu skla a keramiky VCHT v Praze v oblasti AA materilv oblasti AA materil

Vzkum alkalick aktivace od 1973

Studium alkalick aktivace portlandskch cement, slnku,

vysokopecnch strusek i kaolinitickch ltek

Dlouholet vzkum a vvoj alkalicky aktivovanch

bezsdrovcovch cement

Alkalick aktivace odpadnch materil

V souasn dob studium proces alkalick aktivace poplk

Nae motto: Nae motto: Strc FrantiekStrc FrantiekPodoben stedovkmu alchymistovi pachtil se za peludem, padalPodoben stedovkmu alchymistovi pachtil se za peludem, padal a zase se zvedal, a zase se zvedal, jene na konci jeho cesty nezil kmen mudrc, nbr universlnjene na konci jeho cesty nezil kmen mudrc, nbr universln cement. cement. Cement vyroben zCement vyroben z bezcennho svinstva nepatrnmi nklady, ale vsledek skvost. bezcennho svinstva nepatrnmi nklady, ale vsledek skvost.

Zdenk Zdenk JirotkaJirotka: Saturnin: Saturnin

Mechanismus alkalick aktivacealumosiliktovch ltek

Mechanismus Mechanismus alkalickalkalick aktivaceaktivacealumosiliktovchalumosiliktovch ltekltek

Si-O-Si + HOH 2 Si-OH (rozruen vazeb Si-O-Si v siln alkalickm prosted)

pH>12

Si-OH + NaOH Si-O-Na + HOH(neutralizace silanoltov skupiny)

Fze typu Fze typu (Na,(Na,KKnn{{--(Si(Si--O)O)zz--AlAl--O}O}nn .wH.wH22O)O)

++CC--SS--H, CH, C--AA--HH

fzefze+ +

ppadn vznik dal Hppadn vznik dal H22O O v dsledku polykondenzacev dsledku polykondenzace

=Al OH (povrchov vrstva)+ Ca2+, Mg2+ (Na+, K+)

Al(OH)4- (v roztoku)Produkt alkalick aktivace:Produkt alkalick aktivace:

podle charakteru surovin a podmnek alkalick aktivace

(amorfn, sten amorfn nebo krystalick produkty)Pevn mechanismus pes roztokPevn mechanismus pes roztok

Fze typu (Na,Fze typu (Na,KKnn{{--(Si(Si--O)O)zz--AlAl--O}O}nn .wH.wH22O)O)

Koncentrace smsi pi alkalick aktivaci

W > 1-10 (zedn suspenze)

hydrotermlnpodmnky

W < 1 (hust suspenze, kae)

sodalit heulandit(Na, Ca)2Al3(Al,Si)2Si13O3612H2ONa6[AlSiO4]6.8H2O

analcimNa16 (H2O)16[Al16Si32 O96]

Krystalick zeolity Amorfn produktyKrystalick zeolity Amorfn produkty

Terminologie Terminologie DavidovitsDavidovits 19881988

Pojem Pojem geopolymergeopolymer

Vznik trojrozmrn aluminosiliktov s empirickho vzorce

M je K, Na i Ca n je stupe polykondenzacez je 1,2,3 nebo vce ne 3.

Sovit tvary jsou sloeny z SiO4 a AlO4 tetraedr spojen O mstky. Vytvej se etzce i kruhy spojen Si-O-Al mstky.

Pozitivn ionty (Na+, K+, Ca2+) mus vyrovnvat negativn nboj na Al, kter je ptomen v koordinaci 4.

DavidovitsDavidovits 19761976--1979: Geopolymer je ltka, kter vznik 1979: Geopolymer je ltka, kter vznik anorganickou polykondenzac tzv. anorganickou polykondenzac tzv. geopolymeracgeopolymerac

( v dsledku alkalick aktivace ( v dsledku alkalick aktivace alumosiliktovchalumosiliktovch ltek, n dodatek).ltek, n dodatek).

Na,Na,KKnn{{--(Si(Si--O)O)zz--AlAl--O}O}nn .wH.wH22OO

Pojet geopolymerPojet geopolymer

GeopolymerGeopolymer Nem jednolitou strukturu typu polysialato-siloxo, Nhodn uspodn 3D Obsahuje vodu v prech a v gelu Porzn struktura Voda hraje roli jen jako nosi alkalickho aktivtoru a jako reologick voda Krystalick a amorfn hydrty ptomny jen vyjmenjen za ptomnosti strusky i ltek obsahujc Ca

Souasn pohled naSouasn pohled nastrukturu strukturu geopolymerugeopolymeru, (nhodn uspodn)

souhlas s naimi vsledky

Struktura Struktura geopolymerugeopolymerupodle podle DavidovitseDavidovitse(monolitick polymerneporzn materil)

Skeln strukturaSkeln struktura Struktury geopolymeru a skla jsou velmi podobn (NMR) Si, Al,Fe,P sklotvorn prvky; Na,K,Ca,Mg modifikujc prvky, O mstky Nhodn uspodn 3D Nen ptomna voda Nen prakticky porzn

Vztah ke struktue hydratovanho portlandskho cementuVztah ke struktue hydratovanho portlandskho cementu Krystalick i amorfn hydrty Voda je konzumovna v PC na hydrty Voda v prech Porzn struktura (pry od nm do mm)

Co je tedy Co je tedy geopolymergeopolymer??(Davidovits 1999, 2005) 2727Al NMR spektra mus mt pk pi 55 Al NMR spektra mus mt pk pi 55 ppmppmAlAl sm bt jen a pouze v koordinaci 4 sm bt jen a pouze v koordinaci 4 Jinak to nesm bt nazvno Jinak to nesm bt nazvno geopolymergeopolymer, , nbr jen pouze alkalicky aktivovan ltky nbr jen pouze alkalicky aktivovan ltky

Tato striktn prosazovan definice Tato striktn prosazovan definice vyhovuje jen pro ltky vznikl vyhovuje jen pro ltky vznikl alkalickou aktivac istho alkalickou aktivac istho metakaolinumetakaolinu

Jsou geopolymery ltky vznikl i z jinch surovin ne je ist metakaolin? Jsou ltky obsahujc Al v koordinaci 6 nap. ze zbytk mullitu tak geopolymery? Jsou ltky obsahujc i fzi C-S-H tak oznaiteln jako geopolymery ? Jsou geopolymery ltky vznikajc jen pi 20oC nebo i pi hydrotermln syntze i pi

vy teplot? Jsou ltky obsahujc vedle atom Al tak atomy B a P rovn geopolymery?

Je nutn vdeck diskuzeJe nutn vdeck diskuze.

Pi analze a klasifikaci ltek vzniklch alkalickou aktivac Pi analze a klasifikaci ltek vzniklch alkalickou aktivac geopolymeracgeopolymeracvznik ada otzek :vznik ada otzek :

Suroviny pro Suroviny pro geopolymerygeopolymery

Obsah C-S-H a C-A-H fze

Obsah Ca

Koncentrace Na2O v aktivtoru

Relativn

ob

sah

Obsah fze typu (Na,Kn{-(Si-O)z-Al-O}n .wH2O)

slnek strusky poplky metakaolin

Od slnku k metakaolinu nutn vy obsah Na2O v alkalickm aktivtoruNutnost silnj aktivace (od uhliitanu ke smsm hydroxidu a kemiitanu)

Koexistence CSH fze a fz typu (Na,Kn{-(Si-O)z-Al-O}n .wH2O)

Suroviny pro Suroviny pro geopolymerygeopolymery

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Fakt

or n

ro

nost

i (re

l.)

metak

aolin

popl

ek e

rn u

hlpo

plek

hnd

uhl

strus

ka m

let

odpa

d kera

mick

ceme

nt

Systmov analza surovin (ekonomick, energetick, ekologick hlediska)nejmn vhodn je nejmn vhodn je metakaolinmetakaolin (faktor nronosti 7)(faktor nronosti 7)

Nejvce je vhodn poplekNejvce je vhodn poplek resp. strusky, dle odpady z keramickho prmyslu (Weil, Dombrowski, Buchwald: Studie surovin pro geopolymery, Weimar 2006 )

Pozn. V R odpad ron 10 mil.t poplk, asi jen 1 mil.t je vyuvno (probeton, cement, uml kamenivo, psada do betonu, silnin stavitelstv)

Alkalicky aktivovan materily i Alkalicky aktivovan materily i geopolymerygeopolymery??ToTo otzka?otzka?

Co je spolen alkalicky aktivovanm materilm ?

Ptomnost fze Na,Na,KKnn{{--(Si(Si--O)O)zz--AlAl--O}O}nn .wH.wH22O)O)

Jak tuto fzi nazvat? Fze NN--SS--AA--HH i KK--SS--AA--HH (podle cementskch zvyklost)

Nebo fze zeolitu podobnfze zeolitu podobn (Gluchovskij)(analogie s fz tobermoritu podobn tobermorite like, dnes C-S-H fze)

Pokud opustme striktn definici geopolymeru podle Davidovitse (vzan na ist metakaolin) dostvme se k velmi rozshl nov skupin anorganickch pojiv se znanm ekologickm a energetickm potencilem.

Pak bychom mohli tyto materily definovat podle surovin nap.:

geopolymerngeopolymern materil na bzi poplkmateril na bzi poplkgeopolymerngeopolymern materil na bzi materil na bzi metakaolinumetakaolinu atd.atd.

Nebo bychom mohli pout zcela jin oznaen:polymersiliktpolymersilikt, , inorganicinorganic polymer polymer concreteconcrete

Pojiva ve starovkch pyramidch Pojiva ve starovkch pyramidch geopolymerygeopolymery??Hypotza prof. Hypotza prof. DavidovitseDavidovitse materil egyptskch pyramid geopolymern beton

Souasn vdeck nzor:Souasn vdeck nzor: pro potvrzen i vyvrcen tto hypotzy jsou nutn dal vdeck vsledky

Stabilita tchto (geopolymernch??) pojiv cca 6000 let

Stabilita pojiv na bzi C-S-H fze znma 2000 let (msk stavby)

PC vs. AA materilyPC vs. AA PC vs. AA materilymaterilyPortlandskPortlandsk cementcement

AlkalickAlkalick aktivace

5 CaCO3 + 2SiO2 Ca3SiO5 + Ca2SiO3 + 5 CO2

C-S-H fze + Ca(OH)2Ca3SiO5 + H2O

aktivace

Fze (Na,Kn{-(Si-O)z-Al-O}n .wH2O)

+event. C-S-H, C-A-H

OH-, pH>12Strusky, poplky, jly

NaOH, Na2CO3, Na2SiO3

Proces vzniku materil alkalickou aktivac je teoreticky mon Proces vzniku materil alkalickou aktivac je teoreticky mon bez emis CObez emis CO22 a bez vvoje Ca(OH)a bez vvoje Ca(OH)22

Alkalick aktivace PC geopolymern PC

Alkalick aktivace PC Alkalick aktivace PC geopolymerngeopolymern PCPC

Pyrament alkalickyalkalicky aktivovanaktivovan smsmsnsn PCPC (USA, Francie)

StandardnStandardn portlandskportlandsk cementcement (s vym mrnm povrchem)(s vym mrnm povrchem)+ poplek + + poplek + metakaolinmetakaolin + + mletmlet struskastruska

+ K+ K22COCO33 (Na(Na22COCO33))

Velmi vysok poten pevnosti, 2-4 hod. 10-25 MPa beton

Prmyslov aplikace: Speciln prce, opravy pokozenho betonu

Alkalick aktivace slnku PCgeopolymern cement

Alkalick aktivace slnku PCAlkalick aktivace slnku PCgeopolymerngeopolymern cementcement

BezsdrovcovBezsdrovcov portlandskportlandsk cementcement (BS (BS cementcement))

mlet mlet slnekslnek PCPC(pp. struska) s vym mrnm povrchem(pp. struska) s vym mrnm povrchem+ + anionaktivnanionaktivn tenzidtenzid (nap. (nap. ligninsulfonanligninsulfonan) )

++hydrolyzovatelnhydrolyzovateln alkalickalkalick slsl (na p. Na2CO3)(ptomnost sdrovce je nedouc)

Kae, malty, betony zpracovateln pi nzkm w 0.20 - 0.27Pevnosti pes 100 MPaRychletuhnouc a tvrdnouc vysokopevnostn cementrovzdorn cement, vysok odolnost vi agresivnmu prosted, tuhne pi zpornch teplotch

Prmyslov aplikace:esk republika BS cement speciln prce, ruvzdorn cementFinsko F-cement

Diplomov prce VCHT v Praze 1973Diplomov prce VCHT v Praze 1973--19961996Vclav evk:PhD Vclav evk:PhD tzetze (1996), Tom Slameka :PhD (1996), Tom Slameka :PhD tzetze (2000), (2000), Kateina Kateina MoresovMoresov : PhD : PhD tzetze (2002), SK VCHT v Praze(2002), SK VCHT v Praze

Geopolymer jako produkt alkalick aktivace strusek

Geopolymer jako produkt alkalick Geopolymer jako produkt alkalick aktivaceaktivace strusekstrusek

Mlet struska (Mlet struska (evtlevtl. . + 1+ 1--7% 7% slnekslnek) + ) + alkalickalkalick aktivtoraktivtor

Strusky: vysokopecn, granulovan (CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)0.6-1.05strusky z vroby fosforu , strusky z vroby Pb,Ni,Cu

Aktivtor: roztoky Na2CO3, Na silikt (SiO2/Na2O ..1,2,2-3)(vodn sklo + NaOH)

Pevnost v tlaku 30-100 MPa ( 28 dn) podle typu aktivtoruHydrotermln podmnky pevnost v tlaku a 150-180 MPaVysok odolnost vi agresivnmu prosted

Prmyslov aplikace:Ukrajina, Finsko, esk republika, USA, Francie a dal zem

Speciln prce, fixace tkch kov a radioaktivnch odpadexperimentln stavby (domy, vlnolamy, kanalizace atd.)

Diplomov prce VCHT v Praze 1973Diplomov prce VCHT v Praze 1973--19961996

Geopolymer jako produkt alkalick aktivace poplk

Geopolymer jako produkt alkalick Geopolymer jako produkt alkalick aktivaceaktivace poplkpoplk

PoplkyPoplky ((pevnpevn FF--ttypyp, , mn Cmn C--typtyp ) + ) + alkalickalkalick aktivtoraktivtor

Aktivtor: roztoky Na,KOH ; Na, K kemiitanu, vodn skla

Mlet/nemlet poplkyOptimln psada hydraulicky aktivn ltky (struska, slnek)(zdroj Ca iont)

Pevnosti v tlaku 20-60 MPa, za ptomnosti ltek obsahujc Ca a 160 MPa

Prmyslov aplikace: Speciln odoln produkty (BRD, USA ZeoTech)

Diplomov prce VCHT v Praze 1996Diplomov prce VCHT v Praze 1996--20062006Ali Allahverdi: PhD Ali Allahverdi: PhD tzetze (2002), (2002), Martina Minakov: PhD Martina Minakov: PhD tzetze (2005)(2005)

Geopolymer jako produkt alkalick Geopolymer jako produkt alkalick aktivace aktivace metakaolinumetakaolinu

MetakaolinMetakaolin + + alkalickalkalick aktivtoraktivtor

Aktivtor: roztoky Na,K OH , Na, K kemiitanu, vodn skla

Surovina: dehydratovan kaolinitick ltky vyplen na teplotu 600-700oC

kaolinit Al4(OH)8Si4O20 2(Al2O3.2SiO2) metakaolin + 4 H2O

Pevnosti v tlaku 10-80 MPa

Prmyslov aplikace: Aplikace ve stadiu projekt, prototyp a vah

Ivana Pern: PhD Ivana Pern: PhD tzetze (2004), SK VCHT v Praze(2004), SK VCHT v Praze

Geopolymer na bzi kapalnho Geopolymer na bzi kapalnho prekurzoruprekurzoru

GeopolymernGeopolymern prekurzorprekurzor Rudal (vodn sklo se zvenm obsahem Al)

Prmyslov aplikace: Slvrensk formovac smsi f.Sandteam R, ada slvren

GeopolymernGeopolymern prekurzoryprekurzoryf.Cordi Geopolymre (Davidovits) cena 379-399 /kg (110 tisc K/tuna !!)

Prmyslov aplikace: Zkuebn aplikace, prototypy, projekty, vahy

Zpsob ppravy Zpsob ppravy geopolymernchgeopolymernchmaterilmateril

Pprava Pprava geopolymernchgeopolymernch ka, malt a betonka, malt a beton

Poplek Alkalick aktivtorNaOH + Na kemiitan (vodn sklo)

Ms=1.0-1.9, Na2O= 6 - 10%, w=0.23 0.45

Kamenivo

UloenOteven atmosfra

Geopolymerace

20-80oC 6-12 hodinOteven atmosfra

Faktory ovlivujc vlastnosti Faktory ovlivujc vlastnosti geopolymernchgeopolymernchmaterilmateril

Charakter vchoz surovinyCharakter vchoz suroviny

NaNa22O/SiOO/SiO2 2 a a NaNa22O O v aktivtoruv aktivtoru PomrPomr SiOSiO22:Al:Al22OO33: : CaOCaO ((MgOMgO) ) v surovinv surovin Sloen kamenivaSloen kameniva

Zpsob ppravy (teplota, Zpsob ppravy (teplota, hydrotermlnhydrotermln podmnky)podmnky)

Nutn experimentln optimalizace podmnek ppravyNutn experimentln optimalizace podmnek ppravy

Mechanick vlastnosti geopolymerMechanick vlastnosti geopolymer

Pevnosti v tlaku rostou i v asovm obdob 360 520 dn

(vvoj pevnost sledovn ji 9 let)

Jin pomr pevnosti v tlaku a v prostm tahu

Smrtn minimln

Dal mechanick vlastnosti ve stadiu vzkumu

Mikromechanick vlastnosti (ve stadiu vzkumu)

Mikrostruktura geopolymerMikrostruktura geopolymerMikrostruktura geopolymeramorfn sklovit mikrostruktura

reakn produkty: ltky podobn zeolitm

zeolitick prekurzor Mn{-(Si-O)Z-Al-O}N .wH2O

2D-3D anorganick polymer obsahujc H2O

chyb typick hydratan produkty PC: Ca(OH)2,, ettringit

interpretace sloen produkt je obtn (nutno pout kombinace metod: I spektrometrie, RTG difrakce, SEM s bodovou analzou, pedevm 29Si, 27Al, 23Na NMR v pevn fzi)

Mikrostruktura Mikrostruktura geopolymerugeopolymeru na bzi na bzi metakaolinumetakaolinu

NMR 29Si

NMR 27Al

SEM lomov plochy

I.Pern: PhD I.Pern: PhD tzetze 2004, VCHT v Praze, esk suroviny2004, VCHT v Praze, esk suroviny

r (nm)

10-1 100 101 102 103 104 105 106

dV/d

log(

r)

cm3 /

g

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0.6/30

Hg-porozimetrie

75

80

85

90

95

100

105

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Teplota (C)

Hm

otno

st (%

)

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

T (C

)

TG - 0,6/30

TG - 0,6/35

TG - 0,74/30

TG - 0,74/35

TG - 0,74/40

DTA - 0,6/30

DTA - 0,6/35

DTA - 0,74/30

DTA - 0,74/35

DTA - 0,74/40

Amorfn porzn materil obsahujc HAmorfn porzn materil obsahujc H22O,s O,s AlAl v koordinaci 4v koordinaci 4

Termick analza

Mikrostruktura Mikrostruktura geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplku

Zbytky Zbytky poplkovchpoplkovch sticstic

Geopolymer Na Geopolymer Na AluminosiliktAluminosilikt (ED Analza)(ED Analza)

ProvitostProvitostzavleen vzduch + zbytky poplku zavleen vzduch + zbytky poplku + vnitn provitost poplku + provitost + vnitn provitost poplku + provitost geopolymerugeopolymeru

MakropryMakropry(zavleen vzduch)(zavleen vzduch)

stice poplku stice poplku ((nezreagovannezreagovan))Dut(!!)Dut(!!)

DetailDetail

Mikrostruktura Mikrostruktura geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplku

stice poplkuGeopolymer

Zbytek poplkov stice

Geopolymer

Detail struktury geopolymeru

Mikrostruktura Mikrostruktura geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplku

0 200 400 600 800 1000

88

92

96

100

0 200 400 600 800 1000

Temperature (oC)

88

92

96

100

Weight (%)

w = 0,32

w=0.27

GTA, pozvoln bytek H2O

Rtg.difrakce, amorfn produkt zbytky krystalickch fz z poplku

1 10 100r (nm)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

dV/d

log(

r) (c

m3 /

g)

0.27

0.23

Fly ash+slag

0.32

BET

Vnitn provitostgeopolymeru

Kapilrnprovitostgeopolymeru

Hg porozimetrie

Geopolymer

Geopolymer 160 MPa

Mikrostruktura Mikrostruktura geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplku

fly ash

fly ash

geopolymer

geopolymer

29Si NMR spectrum

27Al NMR spectrum

GeopolymerGeopolymer NMR spektra odlin.Koordinace Si(0Al) je vrazn minoritn, hlavn koordinace jeAlQ4(4Si) a SiQ4(2-3Al).Ve spektru Al jsou zeteln zbytky mullitick fze z nezreagovanhopoplku (koordinace Al 6).

Prnik Al do st tetraedr [SiO4]4-

Na ve form {Na(H2O)n}+

Poplek (CZ)Poplek (CZ)Spektrum 29Si: Hlavn koordinaceSiQ4(0Al) tetraedrick [SiO4]4- , mn zastoupen koordinace SiQ4(2-3Al), mullitSpektrum 27Al: Koordinace AlQ4(4Si), AlQ2 (2Si) a AlQ3(3Si)

23Na NMR spektrumgeopolymer

Geopolymer na bzi poplk + ltky obsahujc CaGeopolymer na bzi poplk + ltky obsahujc Ca

AAFa + gem. Kalkstein (Mrtel, Sand 1:1.5, w = 0.32) 12 St. 70oC

32

44

5558

68

30

46

57

43

61

67

0

10

20

30

40

50

60

70

80

2 28 90

Tage

Dru

ckfe

stig

keit

(MPa

)

0%

10% gem.Kalkstein, Ms=1.06,7.7%Na2O

10%gem. Kalkstein, Ms=1.43,7.2%Na2O

10% gem.dol.Kalkstein, Ms=1.06,7.7%Na2O

AAFa + SPC Lochkov (Mrtel 1:1.5, w = 0.32) 12 St. 70oC

32

44

53

35

58 57

51

59 59

54 5551

61 6263

0

10

20

30

40

50

60

70

2 28 90

Tage

Dru

ckfe

stig

keit

(MPa

)

0%

10% SPC Lochkov,Ms=1.06, 7:7%Na2O10% SPC Lochkov,Ms=0.7, 8.3%Na2O

10% SPC Lochkov,Ms=1.43, 7.1%Na2O5% SPC Lochkov, Ms=1.3,8%Na2O

Vpenec

SPC

Perspektivn je sms poplku s sdrovcem produkty odsiovacch proces

Geopolymer na bzi poplku a struskyGeopolymer na bzi poplku a strusky

228

210360

ungrd. flyash 210,slag 350m2/kg

flyash 590,slag 520 m2/kg

95

138152

164

8096 102

128

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Pevn

ost v

tlak

u (M

Pa)

Dny

Poplek:struska = 0.5, hydrothermln podmnky (80oC) + x dn

PorozitaPorozita 2%2%

J.J.BohunkBohunk : Diplomov prce 1997, VCHT v Praze: Diplomov prce 1997, VCHT v Praze

Roztok NaCl (164g/dm3)

360day

s

540 da

ys

720 da

ysMgSO4

Na2SO4NaCl

0

10

20

30

40

50

60

70

80Pe

vnos

t v tl

aku

(MPa

)

Koroze Koroze geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplku

600 dn expozicedn sekundrnprodukty

Roztok Na2SO4 (44g/dm3)

Roztok MgSO4 (5g/dm3)T.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v PrazeT.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v Praze

Koroze Koroze geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplkuPrnik iont Cl- a SO42- do hmoty geopolymeru

Bodov analza (el.mikrosonda)

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Depth (mm)

Cl-

(wt.%

) 1,5 year2 years

0

0,5

1

1,5

2

0 5 10 15 20

Depth (mm)

S (w

t.%)

Na2SO4 (1,5year)Na2SO4 (2 years)

MgSO4 (1 year)

MgSO4 (1,5 year)

T.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v PrazeT.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v Praze

Kyselinov koroze Kyselinov koroze geopolymerugeopolymeru na bzi poplkna bzi poplk

100 m 100 m

3 msce v H2SO4, pH= 1Povrchov rozpoutn Al,Cazbytek vrstva obohacen Si

3 msce v HNO3, pH= 1

korozekoroze korozekoroze

10m

Mechanismus kyselinov koroze Mechanismus kyselinov koroze geopolymerugeopolymeruje analogick korozi Si,je analogick korozi Si,AlAl skelskel

Vytven sdrovce v korozn vrstv

A.Allahverdi: PhD A.Allahverdi: PhD tzetze 2001, VCHT v Praze2001, VCHT v Praze

Fixace tkch kovFixace tkch kov

Geopolymern matrice (struska, poplek, metakaolin) pedstavuj innou matricipro fixaci anorganickch odpad, zejmna tkch kov, ppadn radioaktivnch odpad.

Velmi inn je fixace tkch kov Me+ a Me 2+.

Obtn je fixace prvk v anionick form jako je AsO43-, CrO42-, Cr2O72- a dal..

Tk kovy na rozdl od PC neovlivuj prbh solidifikace. (nkter tk kovy zcela blokuj hydrataci PC (Zn)

M.Minakov : PhD M.Minakov : PhD tzetze 2005, VCHT v Praze2005, VCHT v Praze

Vysokoteplotn vlastnosti Vysokoteplotn vlastnosti geopolymerugeopolymeru na bzi na bzi poplkupoplku

T0.5 = 630oC

Vysok zbytkov pevnosti Vysok zbytkov pevnosti geopolymerugeopolymerupo vpalupo vpalu

Portlandsk cement:Portlandsk cement:Dehydratace C-S-H fze, Ca(OH)2, rozpad Deformace geopolymernho betonu

T.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v PrazeT.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v PrazeR.R.ylayla: Diplomov prce 2006, VB, VCHT: Diplomov prce 2006, VB, VCHT

Vysokoteplotn vlastnosti Vysokoteplotn vlastnosti geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplku

1000 oC (ptomnost taveniny)

300 oC

Mrazuvzdornost Mrazuvzdornost geopolymerugeopolymeru na bzi poplkuna bzi poplku

Mrtel

Mrtel +5%

PZ

Mrtel +gem

. Kalkstein

Mrtel + Ka

lkstein

Mrtel + Lu

ftporenbildn

erA

Mrtel + Lu

ftporenbildn

erB

Mrtel + Lu

ftporenbildn

erC

nach 150 Cyklen

28 Tage180 Tage

1 Jahr

55

62 62 62

48 4753

30

42

3432

2926

31

0

10

20

30

40

50

60

70

Pevn

ost v

tlak

u (M

Pa)

Po 150 cyklech (malta)

T.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v PrazeT.Jlek : Diplomov prce 2004, VCHT v Praze

Mikrostruktura Mikrostruktura geopolymernhogeopolymernho betonu na bzi poplkubetonu na bzi poplku

Kamenivo Geopolymer(Opt.Mikr.)

Makropry

Kamenivo Geopolymer

Makropry

(SEM)

Mikrostruktura rozhranMikrostruktura rozhran

Pechodov vrstva, mk ne fze C-S-H

Beton z PC, nbrus, SEM Geopolymern beton, nbrus, SEM,BSEPechodov vrstva mezi geopolymerem a kamenivem

nen vizuln zetelnNa nbrusu je zeteln charakter pechodovvrstvy mezi zatvrdlm cementem a kamenivem

Mikrostruktura rozhranMikrostruktura rozhran

0.01 0.1 1 10 100 1000Distance from aggregate particle (m)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Al 2

O3/

SiO

2

Geopolymer concrete

0.01 0.1 1 10 100 1000Distance from aggregate particle (m)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Na 2

O/S

iO2

(wei

ght r

atio

)

Geopolymer concrete

Rozhran kamenivo Rozhran kamenivo zatvrdl PCzatvrdl PCExistence pechodov vrstvy obsahujcettringit, Ca(OH)2, C-S-H s jinm sloenm ne je ve hmot zatvrdlho cementu

Rozhran kamenivo Rozhran kamenivo geopolymergeopolymerPrakticky stejn sloen ve hmot geopolymerui v tsn blzkosti kameniva

Vkvty Vkvty

Na2CO3. nH2O, Na6(SO4)(CO3,SO4)

Existuje tendence k tvorb vkvt u geopolymer bez ohledu na suroviny, nejsou znmy detailn podmnky pro jejich tvorbu. V rmci intenzivnho vzkumu jsou hledny zpsoby pro zabrnn vkvt.

T.Vojta : Diplomov prce 2006, VCHT v PrazeT.Vojta : Diplomov prce 2006, VCHT v PrazeL.Alberovsk: Bakalsk prce 2007, VCHT v PrazeL.Alberovsk: Bakalsk prce 2007, VCHT v Praze

Perspektivy alkalicky aktivovanch pojiv -geopolymer

PerspektivyPerspektivy alkalicky aktivovanchalkalicky aktivovanch pojivpojiv --geopolymergeopolymer

Nov materily ( Chemically bonded ceramics, Cold

ceramics)

Recyklace anorganickch odpad (siln ekologick podtext)

Monost snen emis CO2 pi vrob anorganickch pojiv

Fixace toxickch a radioaktivnch odpad

Vyuit surovin obsahujc Al,Si (velmi irok sortiment)

Kompozitn materily

Dal postupDal postupV dal sti vzkumu a vvoje geopolymernch hmot je zapoteb zskat vce

informac v oblasti:mechanismu geopolymern reakce, reaktivity surovin, optimlnch podmnek pro geopolymern reakci

materilovch vlastnost geopolymernch pojiv

vlastnost a technologie stavebnch hmot (zejmna betonu, betonu s vztu) na bzi geopolymernch pojiv

dlouhodobch vlastnost stavebnch hmot na bzi geopolymernch pojiv (zejmna beton) v relnch podmnkch stedoevropskho klimatu

vyluhovatelnosti geopolymer (testy zdravotn zpsobilosti podle EU pedpis pronov materily, mon problmy pi uit odpad jako surovin)

podmnek pro tvorbu vkvt

alkalicko-kemiit reakce v betonu na bzi geopolymernch pojiv (existuje tato reakce v geopoolymernch materilech?)

OdkazOdkazText celho pspvku je na strnkch stavu skla a keramiky VCHT v Praze:

http://www.vscht.http://www.vscht.czcz/sil/pojiva/Geo/sil/pojiva/Geo07.07.pdfpdf

, Ve dnech 21. Ve dnech 21. -- 22. ervna 2007 22. ervna 2007

se uskuten mezinrodn konferencese uskuten mezinrodn konference

Alkalicky aktivovan materily Alkalicky aktivovan materily -- vzkum, vroba a vyuitvzkum, vroba a vyuit

v Karolinu, Universita Karlova v Praze, Ovocn trh 5, Praha 1.v Karolinu, Universita Karlova v Praze, Ovocn trh 5, Praha 1.

http://www.konference.http://www.konference.claypolymersclaypolymers..comcom

Konference je soust projektu, kter je spolufinancovn Evropskou uni

Dkuji Vm za pozornost