Prawda o geopolimerach

• Autorzy: Grzeszczyk Stefania

Identyfikatory

DOI

10.32047/cwb.2021.26.2.7

Warianty tytułu

EN

The truth about the geopolymers

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Podstawy produkcji geopolimerów opracował prof. Hans Kühl, znany do dnia dzisiejszego z wprowadzenia modułu nasycenia wapnem klinkieru: MNLP =100 CaO/2,8SiO2 + 1,65Al2O3 + 0,70Fe2O3. Wzór ten Kühl oparł na założeniu, że najlepszy klinkier powinien składać się z C3S, C3A i C2F, a stosunek masowy CaO do występujących w tych fazach składników wynosi odpowiednio: 2,8, 1,65 i 0,70. Analiza warunków równowagowych w układzie czteroskładnikowym doprowadziła Kühla do tak zwanego kryterium wapna, odpowiadającego dopuszczalnej maksymalnej ilości wapna w klinkierze, w warunkach odległych od stanu równowagi: MNLP =100 CaO/2,8SiO2 + 1,1Al2O3 + 0,7Fe2O3. Natomiast bardzo mało znana jest hipoteza Kühla, który stwierdził, że dobrym aktywatorem żużla wielkopiecowego są siarczany i stosował aktywację żużla wielkopiecowego za pomocą wapna i anhydrytu, na co uzyskał patent niemiecki: DRP 237777, w roku 1907. Ten cement siarczanowo-żużlowy zawierał 80-85% żużla granulowanego, 10-15% anhydrytu i 5% klinkieru. Był on znormalizowany we Francji, Wielkiej Brytanii, Belgii i w Niemczech. Także Kühl już w roku 1907 stwierdził możliwość wytwarzania cementów z żużla aktywowanego wodorotlenkiem sodu. Wynika stąd że Kühl był prekursorem wytwarzania „geopolimerów”. Bardzo wiele jest badań żużli aktywowanych związkami sodu i potasu. Zwykle stosuje się oba te związki i od pewnego czasu ilościową przewagę uzyskuje krzemian potasu. Głuchowski uzyskał w 1958 r. patent na cement uzyskany z żużla aktywowanego wodorotlenkiem sodu. Natomiast jedynym zastosowaniem przemysłowym tego spoiwa i betonu z niego uzyskanego była budowa w roku 1965 kilku domów w Kijowie, przez Głuchowskiego. Głuchowski wprowadził również nazwę „geopolimer”, która wywołała burzę krytyki w byłym Związku Radzieckim, a w tych latach było w Rosji wielu wybitnych znawców chemii cementu – wychowanków Budnikowa, na przykład Butt i Timaszew, a oprócz nich także Mczedłow-Petrosjan, organizator Kongresu Chemii Cementu w Moskwie, w roku 1974. Przemysłowe zastosowanie geopolimerów w Polsce ogranicza się do działalności profesora Małolepszego, który zastosował to spoiwo, z żużla wielkopiecowego aktywowanego dodatkiem NaOH, do budowy hotelu studenckiego w Krakowie. Wypada także dodać, że jest bardzo mało publikacji na temat stosowania geopolimerów do wytwarzania betonów i, co najważniejsze, brak ich zupełnie o stosowaniu tych spoiw i betonów w budownictwie. Natomiast jest bardzo wiele publikacji przedstawiających badania laboratoryjne geopolimerów, aktywowanych głównie dwoma dodatkami: NaOH i K2SiO3. Szczególnie krzemian potasu jest ostatnio podstawowym aktywatorem, gdyż przyspiesza powstawanie fazy C-S-H i tym samym zwiększa wytrzymałość geopolimeru.

EN

The basis for the geopolymers production was drawn up by prof. Kühl, well known to present day from the introduction of the modulus of clinker lime saturation: MNLP =100 CaO/2.8SiO2 + 1.65Al2O3 + 0.70Fe2O3. This Kühl’s formula was lined on the assumption that the best clinker should be composed of C3S, C3A and C2F and the mass ratio of CaO in respect to other components is equal adequately: 2.8, 1.65 and 0.70. The analyses of the equilibrium condition in the four components system led Kühl to the so-called lime criterion, equal to the permissible maximal lime content in clinker, in the conditions far from the equilibrium: MNLP =100 CaO/2.8SiO2 + 1.1Al2O3 + 0.7Fe2O3. However, very little is known about Kühl’s hypothesis, which establishes that the good activators for blast furnace slag are sulphates and the slag activation was applied with lime and anhydrite, for which he obtained German patent: DRP 237777, in the year 1907. This sulphate-slag cement contained 80 - 85% of granulated slag, 10 - 15% of anhydrite and 5% of clinker. It was standardized in France, Great Britain and Germany. Also, Kühl already in the year 1907, establish the possibility of cement production from slag, activated with sodium hydroxide. Thus Kühl was the precursor of the geopolymers production. There are many studies of slag activated with the compounds of sodium and potassium. Usually, these compounds are both applicate and from some time the content of potassium silicate became higher. Gluhovsky obtained in 1958 the patent for cement obtained from slag activated with sodium hydroxide. However, the only industrial application of this binder and concrete obtained from, was the construction in 1965 of some houses in Kyiv by Gluhovsky. Gluhovsky introduced also the term “geopolymer”, which caused the storm of the critic in the former Soviet Union. In these years was in Russia many outstanding experts of the cement chemistry - alumni of Budnikov, for example, Butt and Timachev, and besides also Mchedlov-Petrosian, the organizer of 6th Congress of Cement Chemistry in Moscow, in 1974. Industrial application of geopolymers in Poland is limited to the activity of professor Małolepszy, which used this binder of blast furnace slag activated with NaOH addition to the construction of the students’ hotel, in Cracow. It should be also added that there are very few articles about the application of geopolymers for concrete production and, what is the most important, is the shortage of the papers of these binders and concretes, in the construction applications. However, there are many papers about the laboratory studies of geopolymers, activated principally by two compounds NaOH and K2SiO3. Particularly the potassium silicate is in the last time the principal activator because it accelerates the C-S-H phase formation and simultaneously increases the strength of geopolymer.

Słowa kluczowe

PL

geopolimer; aktywator; wodorotlenek sodu; krzemian potasu; obróbka cieplna; stłuczka szklana

EN

geopolymer; activator; sodium hydroxide; potassium silicate; thermal treatment; glass cullet

• Wydawca: Fundacja Cement, Wapno, Beton
• Czasopismo: Cement Wapno Beton
• Rocznik: 2021
• Tom: R. 26, nr 2
• Strony: 101--108
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Grzeszczyk Stefania

• Politechnika Opolska

Bibliografia

• 1. H. Kühl, Zement Chemie, Verlag Technik, Berlin, 1952.
• 2. H. Kühl, http://www.uni-weimar.de/Bauing/fi b/forschung/eng-fo_shz.htm
• 3. H. Kühl, H., German patent: DRP 237777
• 4. J. Gebauer, Calcium Hydroxide Issues: An Industrial View. In Calcium Hydroxide in Concrete. J. Skalny, J. Gebauer, I. Odler (eds.), The American Ceramic Society, Westerville, 2001.
• 5. W.D. Głuchowski, G.S. Rostowskaja, G.W. Rumnaja, High strength slag-alkaline cements., Proc. 8th ICCC Paris 1980, III, 164-168 (1980).
• 6. J. Davidovits, Geopolymer cement. A review. Geopolymer Institute, Technical papers, 21 1-11 (2013).
• 7. J. Davidovits, Geopolymers of the first generation: siliface proces, Proc. 1st Eur. Congr. On Soft Minealogy (Geopolymer ’88), France, 1, 49-67 (1988).
• 8. J. Davidovits, Geopolymers. Inorganic polymeric new materials. J. Therm. Anal. 37(8), 1633-1656 (1991).
• 9. V.F.F. Barbosa, K.J.D. MacKenzie, C. Thaumaturgo, Syntheis as characterization of materials based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers. Int. J. Inorg. Mater. 2, 309-317 (2000).
• 10. S.D. Wang, K.L. Scrivener, Hydration Products of Alkali Activated Slag Cement. Cem. Concr. Res. 25(3), 561- 571, (1995).
• 11. H.F.W. Taylor, Cement Chemistry, Academic Press, 1990.
• 12. J. Małolepszy, M. Petri, High strength slag alkaline binders. 8th ICCC Rio de Janeiro 1986, IV, 108-112 (1986).
• 13. J. Deja, J. Małolepszy, Resistance of alkali activated slag mortars to chloride solution. 3rd Int. Conf. on Fly ash, Silica Fume, Slag and natural Pozzolans in Concrete, Trondheim, Norway 1989. 2, 1547-1563 (1989).
• 14. J. Małolepszy, W. Brylicki, S. Stryczek. Use of Blast-Furnace Slag Cements in the Boreholes in Salt Beds. 4th Int. Conf. Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete Istanbul 1992. II, 1583-1600 (1992).
• 15. J. Małolepszy, K. Przybylski, Effect of paste composition and microstructure on the durability of alkali activated slag concretes. 14th Int. Corrosion Congr. South Africa, 1999, II(123), 1-7 (1999).
• 16. F. W. Locher, Low energy clinker. Proc. 8th ICCC Rio de Janeiro 1986. I, 57-67 (1986).
• 17. Ł. Gołek, Glass powder and high-calcium fly ash based binders - Long term examinations. J. Clean. Prod. 220, 493-506 (2019).
• 18. Ł. Gołek, E. Kapeluszna, Comparison of the properties of alkali activated monticellite and gehlenite glasses. Cem. Wapno Beton 19(6) 416 - 420 (2014).
• 19. Ł. Gołek, J. Deja, M. Sitarz, The hydration process of alkali activated calcium aluminosilicate glasses. Eur. J. Glass Sci. Techn. B. 60(2), 78-90, (2019).
• 20. L.K. Turner, F.G. Collins, Carbon dioxide equivalent (CO2–e) emissions: A comparison between geopolymer and OPC cement concrete, Constr. Build. Mater. 43, 125 - 130 (2013).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).