Wytwarzanie i właściwości geopolimerów na bazie tufu wulkanicznego

• Autorzy: Mikuła J. , Łach M.

Warianty tytułu

EN

Manufacturing method and properties of geopolymer products based on volcanic tuff

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono sposób wytwarzania i właściwości geopolimerów wytwarzanych na bazie tufu wulkanicznego pochodzącego z okolic Krzeszowic koło Krakowa. Termin geopolimery określa nieorganiczne materiały glinokrzemianowe, które powstają przez alkaliczną aktywację. Geopolimery w porównaniu z tradycyjnymi spoiwami na bazie cementu portlandzkiego cechują się między innymi: wysoką wytrzymałością początkową, krótkim czasem wiązania, małą przepuszczalnością, dużą kwasoodpornością, a także niewielkim kosztem wytwarzania i dużą odpornością na działanie agresywnych chemicznie środowisk. Wytwarzane są głównie z popiołów lotnych pochodzących ze spalania węgla kamiennego oraz z surowców pochodzenia naturalnego typu metakaoliny itp. W pracy przedstawiono wyniki badań geopolimerów z naturalnego surowca jakim jest tuf wulkaniczny. Przedstawiono krótką charakterystykę tufu wulkanicznego użytego do wytworzenia spoiwa geopolimerowego. Opisano jego właściwości fizyczne i chemiczne, mikrostrukturę, skład mineralogiczny, aktywność promieniotwórczą oraz sposób przygotowania tego surowca. Zaprezentowano wyniki badań wytrzymałości na ściskanie i mikrostruktury otrzymanych geopolimerów. Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić przydatność tufu filipowickiego do wytwarzania spoiw geopolimerowych. Uzyskane geopolimery mogą być wykorzystywane w produkcji materiałów budowlanych. Wyniki badań potwierdziły również, że jest możliwy dobór parametrów, takich jak: warunki reakcji, stężenia substancji aktywujących i sposób obróbki materiału bazowego tak, aby uzyskać właściwości wytrzymałościowe geopolimerów porównywalne z wytrzymałością tradycyjnych spoiw hydraulicznych. Spoiwa geopolimerowe na bazie tufu filipowickiego charakteryzują się wysoką wytrzymałością na ściskanie rzędu 40÷50 MPa oraz żaroodpornością do temperatury ok. 1000°C. Po ekspozycji w temperaturze 900°C wytrzymałość na ściskanie wytworzonych spoiw wynosi 66 MPa. Możliwe jest ograniczenie lub całkowite wyeliminowanie występowania wykwitów alkalicznych na powierzchni elementów z tego typu spoiwa przez odpowiedni dobór aktywujących substancji alkalicznych. W badaniach zaobserwowano, że uzyskanie żądanej konsystencji gęsto plastycznej spoiw jest możliwe dla aktywatorów potasowych przy mniejszych proporcjach woda/części stałe niż dla kompozycji z wykorzystaniem aktywatorów sodowych. Wpływa to oczywiście na wzrost wytrzymałości gotowych wyrobów.

EN

This paper presents a manufacturing method and properties of geopolymer products based on volcanic tuff mined in Krzeszowice near Krakow, Poland. The term geopolymers determines inorganic aluminosilicate materials that are formed by alkaline activation. Geopolymers compared to traditional binders based on Portland cement are characterized by, e.g. high initial strength, short setting time, low permeability, high acid resistance, low production costs and high resistance to chemically aggressive environments. They are made primarily of fly ash from coal combustion and raw materials of a natural origin such as metakaolins etc. This paper characterizes geopolymers produced from a natural raw material tuff. It gives a brief description of tuff concerning its physical and chemical properties, microstructure, mineralogical composition, radioactivity, and its preparation for the production of a geopolymer binder. This article provides the results of compression tests and microstructure observations of the produced geopolymers. The test results confirm the suitability of using Filipowice tuff to produce geopolymer binders. Those geopolymers can be used in the production of building materials. The results also confirm that it is possible to select the geopolymer production parameters such as reaction conditions, activator concentrations and base material treatment method so as to achieve mechanical properties comparable to those of traditional hydraulic binders. The geopolymer binder based on Filipowice tuff has a high compressive strength of 40÷50 MPa and is heat-resistant to a temperature of about 1000°C. After exposure to 900°C, the compressive strength is 66 MPa. It is also possible to reduce or completely eliminate the occurrence of efflorescence on the geopolymer product surface by a proper selection of the alkaline substances. Finally, it was observed that the desired thick plastic binder consistency is possible to obtain for potassium activators at a lower water-to-solid (W/S) ratio than for sodium activators. This obviously affects an increase in strength of the finished products.

Słowa kluczowe

PL

geopolimer; kompozyt; spoiwo; glinokrzemiany; tuf wulkaniczny; alkaliczna aktywacja

EN

geopolymer; composite; binder; aluminium silicates; tuff; alkali activation

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 3
• Strony: 270--276
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mikuła J.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska

autor

Łach M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska

Bibliografia

• [1] Provis L., Jannie S. J. van Deventer: Geopolymers: structure, processing, properties and industrial applications. Wyd. Woodhead Publishing Limited and CRC (2009).
• [2] Xu H., Van Deventer J.: The geopolymerisation of aluminosilicate minerals. International Journal of Mineral Processing 59 (3) (2000) 247÷266.
• [3] Skupień P., Hilbig A., Müller E.: Wytwarzanie i właściwości kompozytów na osnowie geopolimerowej zbrojonych włóknem bazaltowym. Inżynieria Materiałowa 3 (2005) 139÷143.
• [4] Davidovits J.: Geopolymer. Chemistry and application. Institut Geopolymere, France (2008).
• [5] Jaarsveld J. G. S., Denventer J. S. J., Lorenzen L.: The potential use of geopolymeric materials to immobilise toxic metals: Part I. Theory and applications. Materials Engineering 10 (7) (1997) 659÷669.
• [6] Yong S. L., Feng D. W., Lukey G.C., van Deventer J.S.J. ; Chemical characterisation of the steel–geopolymeric gel interface; Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 302 (2007) 411–423
• [7] Wala D.; Rosiek G.; Adhezja kompozytów geopolimerowych do betonu, stali i ceramiki; Kompozyty 8:1 (2008) 36-40
• [8] Petri M.; Alkalicznie aktywowane kompozytowe spoiwa mineralne. Granica kontaktowa pomiędzy stalą a stwardniałym zaczynem; Kompozyty 10:3 (2010) 276-281
• [9] Głogowska M.; Walory edukacyjne odsłonięć geologicznych i obiektów górniczych w okolicy Trzebini,; Rozprawa doktorska AGH, Kraków 2007
• [10] Szafnicki J.; Tufy filipowieckie – potencjalne źródło potasu nawozowego; Chemik Nauka-Technika-Rynek; 1961, 14, Nr 3
• [11] Smolak W., Michalik M.; The lower permian filipowice tuff – are there primary components in it?, Mineralogical society of poland – special papers, vol 20, 2002
• [12] Najafi Kani E.; Allahverdi A.; Provis J. L.; Efflorescence Control In Geopolymer Binders Based on Natural Pozzolan; Cement & Concrete Composites 34 (2012) 25-33
• [13] Piasta J.; Beton zwykły: Dobór kruszyw i cementów. Projektowanie betonu. Trwałość betonu. Odporność chemiczna i termiczna. Arkady, Warszawa 1994
• [14] Provis L. J.; Jannie S.J. van Deventer; Alkali Activated Materials; Springer; 2014