Kształtowanie właściwości materiałów geopolimerowych w zależności od modułów molowych SiO2/Al2O3 oraz SiO2/Na2O

• Autorzy: Sikora Szymon , Skowera Karol , Hynowski Mariusz , Rusin Zbigniew

Identyfikatory

DOI

10.32047/CWB.2022.27.2.3

Warianty tytułu

EN

Formation of geopolymeric materials properties depending on the molar modules of SiO2/Al2O3 and SiO2/Na2O

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Sektor budowlany jest odpowiedzialny za około 37% światowej emisji dwutlenku węgla [CO2], do atmosfery. Z tego względu ograniczenie jego emisji oraz ograniczenie emisji innych gazów cieplarnianych, w tym sektorze, ma szczególne znaczenie wobec postępujących zmian klimatycznych. Ważne jest, aby nowe wyroby budowlane cechował mniejszy wpływ na środowisko naturalne, podczas ich całego cyklu życia, a ich produkcja została oddzielona od wykorzystania energii pierwotnej. W niniejszej pracy zbadano wybrane właściwości materiałów geopolimerowych. Geopolimery to nieorganiczne, amorficzne polimery glinokrzemianowe, które w określonych zastosowaniach mogą stanowić alternatywę dla wyrobów, zastępując cement portlandzki. W niniejszej pracy przedstawiono właściwości zapraw geopolimerowych, m.in. porowatość oraz wytrzymałość mechaniczną, w zależności od ich składu chemicznego. Ten ostatni opisany przez odpowiednie stosunki molowe tlenków SiO2/Al2O3 oraz SiO2/Na2O. Wyniki badań pokazują, iż wzrost zawartości SiO2 względem Al2O3 w mieszaninie reakcyjnej wpływa na zmniejszenie porowatości zapraw geopolimerowych. Zaprawy o dużym module molowym SiO2/Al2O3 mają zwartą i szczelną mikrostrukturę oraz wysoką wytrzymałość mechaniczną. Podobny efekt otrzymano stosując wyższe stężenia roztworu wodorotlenku sodu [NaOH], w stosunku do roztworu krzemianu sodu [Na2SiO3], w mieszaninie aktywatora w procesie geopolimeryzacji.

EN

The construction sector is responsible for around 37% of global emissions of the carbon dioxide to the atmosphere. Therefore, reducing gas emissions, in this construction sector, is particularly important, given the progressing climate change. For this reason, limiting its emissions and limiting the emission of other greenhouse gases in this sector, is of particular importance in view of the progress of climate change. It is important that new construction products have less impact on the environment during their entire life cycle, and their production has been decoupled from the use of primary energy. In this work, selected properties of geopolymeric materials were examined. Geopolymers are inorganic aluminosilicate polymers with an amorphous microstructure, which may be an alternative in certain applications, for products based on Portland cement. Here, the properties of geopolymer mortars, i.e. porosity, microstructure and mechanical strength, were compared. The influence of the composition of reaction mixture on these properties, defined by the appropriate SiO2/Al2O3 and SiO2/Na2O molar ratios, was also defined. The results show that increasing the content of SiO2 in relation to Al2O3 in the composition of the reaction mixture, reduces porosity. Thus, leading to a more compact microstructure and higher mechanical strength. A similar effect occurs when a higher NaOH solution concentration is used, in comparison to the sodium silicate [Na2SiO3] solution.

Słowa kluczowe

PL

geopolimer; popiół lotny; żużel wielkopiecowy; porowatość; wytrzymałość mechaniczna

EN

geopolymer; fly ash; blast-furnace slag; porosity; mechanical strength

• Wydawca: Fundacja Cement, Wapno, Beton
• Czasopismo: Cement Wapno Beton
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 27, nr 2
• Strony: 115--125
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Sikora Szymon

• Research and Development Center, Atlas sp. z o.o., Leszcze, Poland

autor

Skowera Karol

• Kielce University of Technology, Kielce, Poland

autor

Hynowski Mariusz

• Research and Development Center, Atlas sp. z o.o., Leszcze, Poland

autor

Rusin Zbigniew

• Kielce University of Technology, Kielce, Poland

Bibliografia

• 1. United Nations Environment Programme, Global Status Report for Buildings and Construction: Towards a Zero-emission. Efficient and Resilient Buildings and Construction Sector. https://wedocs.unep.org/20.500.11822/34572 (dostęp: 21.03.2021).
• 2. Global Cement and Concrete Association. The GCCA 2050 Cement and Concrete Industry Roadmap for Net Zero Concrete. https://gccassociation.org/concretefuture/wp-content/uploads/2021/10/GCCA-Concrete-Future-Roadmap-Document-AW.pdf (dostęp: 1.03.2021).
• 3. Stowarzyszenie Producentów Cementu, Deklaracja Środowiskowa III typu - EPD. Cementy CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV, CEM V produkowane w Polsce. https://www.polskicement.pl/wp-content/uploads/2020/11/Deklaracja-srodowiskowa.pdf (access: 1.03.2021).
• 4. Ł. Gołek, W. Szudek, G. Łój, Utilization of ground waste glass cullet in the industrial production of precast concrete elements. Cem. Wapno Beton, 26(2), 118-133 (2021). https://doi.org/10.32047/CWB.2021.26.2.6
• 5. J. Mikuła, Rozwiązania proekologiczne w zakresie produkcji. Nowoczesne materiały kompozytowe przyjazne środowisku. Tom 1, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, 2014.
• 6. K. Rajczyk, G. Janus, Mikrostruktura i właściwości geopolimerów powstających w procesie alkalicznej aktywacji popiołu lotnego. Cem. Wapno Beton, 26(4), 279-293 (2021). https://doi.org/10.32047/CWB.2021.26.4.2
• 7. J.L. Provis, J.S.J. Deventer, Geopolymers: Structures, processing, properties and industrial applications (ISBN 9781845694494), Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering, UK, 2009.
• 8. J. Małolepszy, J. Deja, W. Brylicki, The Application of Metallurgical Slag for the Building Materials Production in Poland, Stud. Environ. Sci. 48, 671-672 (1991). https://doi.org/10.1016/S0166-1116(08)70470-9
• 9. V. Shobeiri, B. Bennett, T. Xie, P. Visintin, A comprehensive assessment of the global warming potential of geopolymer concrete. J. Clean. Prod. 297(6), 126669 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126669
• 10. A. Heath, K. Paine, M. McManus, Minimising the global warming potential of clay based geopolymers. J. Clean. Prod. 78, 75-83 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.04.046
• 11. S. Czernik, M. Hynowski, B. Michałowski, M. Piasecki, J. Tomaszewska, J. Michalak, Analysis of the environmental impact of the production of building gypsum using natural and flue gas desulfurization gypsum in the Polish contex. Cem. Wapno Beton, 26(2), 134-145 (2021). https://doi.org/10.32047/CWB.2021.26.2.8
• 12. S. Grzeszczyk, The truth about geopolymers. Cem. Wapno Beton, 26(2), 101-108 (2021). https://doi.org/10.32047/cwb.2021.26.2.7
• 13. S. Sikora, E. Gapys, i in., Geopolymer coating as a protection of concrete against chemical attack and corrosion, E3S Web of Conferences, 49, 00101 (2018). https://doi.org/10.1051/e3sconf/2018490010
• 14. J. Davidovits, Geopolymer Chemistry and Applications (ISBN 9782951482098), Institute Geopolymer, Saint Quentin, Francja, 2015.
• 15. N. Shehata, E. T. Sayed, i in., Recent progress in environmentally friendly geopolymers: A review. Sci. Total Environ. 762, 143166 (2021). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143166
• 16. K. Rajczyk, G. Janus, Microstructure and properties of geopolymers formed in the alkali activation process of fly ash. Cem. Wapno Beton, 26(4), 279-293 (2021). https://doi.org/10.32047/CWB.2021.26.4.2
• 17. D. Bondar, C. J. Lynsdale, N.B. Milestone, N. Hassani, A.A.Ramezanianpour, Effect of type, form and dosage of activators on strength of alkali-activated natural pozzolans. Cem. Concr. Comp. 33(2), 251-260 (2011). https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2010.10.021
• 18. B. Zhang, H. Zhu, P. Fang, P. Zheng, A review on shrinkage-reducing methods and mechanisms of alkali-activated/geopolymer systems: Effects of chemical additives. J. Build. Eng. 49, 104056 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104056
• 19. F. Farooq, J. Xin, M.F. Javed, A. Akbar, M.I. Shah, F. Aslam, R. Alyousef, Geopolymer concrete as sustainable material: A state of the art review. Constr. Build. Mater. 306, 124762 (2021). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124762
• 20. S. A. Bernal, R.S. Nicolas, J. S. J. van Deventer, J. Provis, Alkali-activated slag cements produced with a blended sodium carbonate/sodium silicate activator. Adv. Cem. Res. 28(4), 262-273 (2016). https://doi.org/10.1680/jadcr.15.00013
• 21. S. Sikora, Analysis of selected physicochemical and mechanical properties of geopolymeric materials, PhD. Thesis, Kielce University of Technology, Kielce, 2020 (in Polish).
• 22. PN-EN 450-1:2012 „Popiół lotny do betonu - Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności”.
• 23. PN-EN 15167-1:2006 „Mielony granulowany żużel wielkopiecowy stosowany do betonu, zaprawy i zaczynu - Część 1: Definicje, wymagania i kryteria zgodności”.
• 24. PN-EN 13263-1+A1:2010 „Pył krzemionkowy do betonu - Część 1: Definicje, wymagania i kryteria zgodności”.
• 25. PN-EN 1015-10:2001 „Metody badań zapraw do murów - Część 10: Określenie gęstości wysuszonej stwardniałej zaprawy”.
• 26. PN-EN 196-1:2016-07 „Metody badania cementu - Część 1: Oznaczanie wytrzymałości”.
• 27. Sindhunata, J. S. J. Van Deventer, Effect of curing temperature and silicate concentration on fly-ash based geopolymerization. Ind. Eng. Chem. Res. 10(45), 3559-3568 (2006). https://doi.org/10.1021/ie051251p
• 28. H. Cheng, K.L. Lin, R. Cui, C.L. Hwang, Y.M. Chang, T.W. Cheng, The effects of SiO2/Na2O molar ratio on the characteristics of alkali-activated waste catalyst-metakaolin based geopolymers. Constr. Build. Mater. 95, 710-720 (2015). http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.07.028
• 29. P. He, M. Wang, S. Fu, D. Jia, S. Yan, J. Yuan, J. Xu, P. Wang, Y. Zhou, Effect of Si/Al ratio on the structure and properties of metakaolin based geopolymers. Ceram. Int. 42(13), 14416-14422 (2016). http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.06.033
• 30. R. N. Thakur, S. Ghosh, Effect of mix composition on compressive strength and microstructure of fly ash based geopolymer composites, ARPN J. Eng. Appl. Sci. 4(4), 68-74 (2009).
• 31. H. M. Khater, Effect of silica fume on the characterization of the geopolymer materials, Int. J. Adv. Struct. Eng. 5(1) (2013). http://dx.doi.org/10.1186/2008-6695-5-12
• 32. P. Duxon, J. L. Provis, G.C. Lukey, S.W. Mallicoat, W.M. Kriven, J.S.J.van Deventer, Understanding the relationship between geopolymer composition, microstructure and mechanical properties. Colloid. Surf. A 269(1-3), 47-58 (2005). https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2005.06.060
• 33. H. Wang, H. Wu, Z. Xing, R. Wang, S. Dai, The Effect of Various Si/Al, Na/Al Molar Ratios and Free Water on Micromorphology and Macro-Strength of Metakaolin-Based Geopolymer. Materials, 14(14), 3845 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14143845
• 34. J. W. Phair, J. S. J. Van Deventer, Effect of silicate activator pH on the leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers. Miner. Eng. 14(3), 289-304 (2001). https://doi.org/10.1016/S0892-6875(01)00002-4
• 35. K. Gao, K. L. Lin, D.Y. Wang, C.L. Hwang, H.S. Shiu, Y.M. Chang, T.W. Cheng, Effect of SiO2/Na2O molar ratio on mechanical properties and the microstructure of nano-SiO2 metakaolin-based geopolymers. Constr. Build. Mater. 53, 503-510 (2014). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.12.003
• 36. Y. W. Mai, B. Cotterell, Porosity and mechanical properties of cement mortar. Cem. Concr. Res. 15(6), 995-1002 (1985). https://doi.org/10.1016/0008-8846(85)90090-0
• 37. A. M. Neville, Właściwości betonu (ISBN 9788361331162), Edycja V, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków, 2012.