titMJednotlivé odvetvia priemyslu kladú stále vyššie nároky na používané materiály. Veľmi využívanou skupinou sú kompozitné materiály, ktorých škála rôznorodosti je neobyčajne široká. Jedným z materiálov patriacich do tejto skupiny je aj geopolymér.


Geopolymér sa čoraz častejšie vyskytuje ako alternatíva k bežne využívaným materiálom. Odolnosť voči ohňu, vysoká pevnosť, schopnosť tlmenia zvuku a tepla sú len niektoré z vlastností, ktorými sa tento materiál vyznačuje. Pre životné prostredie je však najpodstatnejšou informáciou, že pri jeho výrobe sa do ovzdušia uvoľňuje šesťkrát menšie množstvo CO2 v prípade betónu z portlandského cementu, ktorým je najčastejšie nahrádzaný. [1] To robí z geopolyméru v dnešnej dobe znižovania emisií, adekvátnu a mnohokrát lepšiu alternatívu k bežne využívaným materiálom.

Definícia geopolymérov
Pojem geopolymér bol predstavený prof. Davidovitsom v 70. rokoch 20. storočia. Predpona „geo“ má v tomto termíne spojitosť s geologickým materiálom podobným prírodnému kameňu alebo minerálu. Geopolymér je alkalický alumosilikát alebo, inak povedané, ide o prírodný materiál anorganických polymérnych skiel so štruktúrou podobnou zeolitickým materiálom. Prekurzorový cementový materiál (obr. 1) má dôležitú úlohu pri tvorbe samotného geopolyméru.

obr1
Obr. 1: Príprava geopolyméru (cement plus aktivátor)

 

Geopolymerizácia popisuje chemickú reakciu medzi oxidmi hlinitokremičitanov a silikátmi vo vysoko alkalických podmienkach, čo vytvára polymérne väzby Si-O-Al-O. Táto väzba napovedá, že iba kremík (Si) a hliník (Al) môžu byť zdrojmi geopolymerizácie a ich obsah v prekurzornom materiáli cementu musí byť značný. Alkalická aktivácia prebieha najčastejšie za pomoci aktivátorov obsahujúcich sodík (Na) alebo draslík (K). Obvykle sú týmito aktivátormi hydroxidy, uhličitany alebo vodné sklo. Alkalický aktivátor je zložka geopolymérnej reakcie, ktorá do veľkej miery ovplyvňuje pevnosť a vlastnosti vznikajúceho geopolyméru. [2], [3], [4] Na obr. 2 je znázornený už hotový geopolymérny materiál, ktorý vznikol homogenizáciou cementu a aktivátora.

Kategórie geopolymérneho cementu
Geopolymérny cement na báze trosky
Obsahuje nevyužívané kryštalické zvyšky z procesov metalurgie, ktoré vznikajú pri oddeľovaní kovových a nekovových zložiek surovej rudy. V súčasnosti sa pre alkalicky aktivované materiály (AAM) využíva niekoľko druhov trosky z rôznych procesov výroby ocele. Vysoko sopečná, vzduchom chladená, granulovaná troska zo základnej kyslíkovej pece a elektrická oblúková troska sú len niektoré z najčastejšie využívaných v prekurzorových cementoch geopolyméru na báze trosky.
Pre príklad troska, ktorá vzniká pri používaní elektrickej oblúkovej pece, vzniká zahrievaním tokov vápna alebo dolomitov do kvapalného stavu. Počas celého procesu tavenia sa tavidlá kombinujú s časťami nekompatibilnými s oceľou a nekovovými šrotovými zložkami, čím vzniká tekutá troska, ktorá pláva na povrchu roztavenej ocele. Táto troska sa potom oddelí od zvyšku a ochladením vzniká kryštalická troska, ktorej zloženie sa líši podľa typu metalurgického spracovania, podmienok a prísad použitých počas výrobného procesu. V Európe je priemerná produkcia trosky prostredníctvom elektrickej oblúkovej pece 6 Mt ročne, z čoho 13 % je určených na skládky a ďalších 11 % je dočasne uskladnených. Tento objem predstavuje významnú možnosť jeho ďalšieho využitia. [4]

Kaolín
Ide o ílový minerál, ktorý sa najbežnejšie využíva pri syntéze geopolymérov na báze hornín. Ďalším zdrojom prekurzorových cementov na báze hornín je metakaolín, ktorý vzniká tepelným spracovaním kaolínu. Toto spracovanie má za následok premenu kryštalických fáz na reaktívne amorfné, ktoré určujú konečnú silu geopolyméru. Teplota spracovania sa pohybuje v rozmedzí 550 – 800 °C. Tá je sprevádzaná dehydroxyláciou silne viazaných iónov a taktiež ničí hexagonálnu vrstvu kaolínu a vytvára atómové usporiadanie hliníka, ktoré je podstatne reaktívnejšie. V tropických a subtropických oblastiach sveta (Kamerun) sa vyskytujú druhy hlinitokremičitanov, ktoré obsahujú atómy železa bez dodatočných úprav. Geopolyméry vytvorené z takéhoto prekurzného cementu majú podobne mechanické vlastnosti ako na báze metakaolínu. Výhodou je, že nepotrebujú žiadne dodatočné úpravy, ktoré by produkovali ďalší plyn CO2, ako je to pri vytváraní metakaolínu, zahrievaním kaolínu. [2],[6]

Popolček
Je vedľajší produkt vznikajúci pri spaľovaní práškového uhlia v tepelných elektrárňach. Vďaka ľahkej dostupnosti, obsahu hlinitokremičitanov, nízkej potrebe vody a vysokej spracovateľnosti sa popolček stal jedným z materiálov vhodných na syntézu s geopolymérmi. Takéto materiály vykazujú zvýšenú životnosť a veľmi dobrú mechanickú pevnosť, ale veľmi limitujúcim faktorom pri tejto skupine geopolymérov je nízka reaktivita, ktorá často vedie k pomalému tuhnutiu a rozvíjaniu pevnosti. Mnohokrát sa stáva, že rozpúšťanie popolčeka nie je dokončené skôr, ako je vytvorená konečná štruktúra geopolyméru. [5]
V súčasne dobe sa realizuje veľké množstvo experimentov a štúdií, ktoré sa zameriavajú na plnivo (z angl. „filler“) využívané pri tvorbe geopolymérnych kompozitov. Plnivo, ktoré je pridávané do prekurzného cementu zlepšuje mechanické, fyzikálne, chemické a mikroštruktúrne vlastnosti hotového geopolyméru. Pevnosť v tlaku, objemová hmotnosť, pórovitosť, zvýšenie odolnosti proti ohňu a vode, zníženie zmršťovania kompozitu pri vytvrdzovaní sú len niektoré z vlastností, ktoré sú zlepšované vďaka aplikácií plniva do prekurznej zmesi cementu geopolyméru.

obr2
Obr. 2: Geopolymérny materiál

 

Environmentálny impakt geopolymérnych kompozitných materiálov
Mramorový odpad
Je jeden z materiálov, ktorý bol aplikovaný a testovaný ako výplň v geopolymérnom kompozite. Pridaním prachu bolo konkrétne dosiahnuté zvýšenie pevnosti tlaku a zníženie absorpcie vody. Testovanie obsahovalo rôzne percentuálne podiely mramorového prachu v prekurznej zmesi cementu. Maximálna pevnosť v tlaku a zníženie absorpčnej kapacity bola dosiahnutá pri 60 % obsahu mramorového odpadu v geopolymérnej zmesi. Výsledky tejto štúdie poukázali na potenciálne zavedenie novej triedy vysokopevnostných kompozitných tehál s efektívnym využitím mramorového odpadu ako hlavného materiálu. Jedným z najdôležitejších prvkov výskumu je recyklácia odpadu a vplyvu na environmentálne prostredie. [7]

Odpad z poľnohospodárskej činnosti
Je tiež možné využiť ho aj pri tvorbe geopolymérnych kompozitov. Dôkazom je meranie vlastností kompozitu, kde ako plnivo boli použité šupky z ryže, ktoré vznikajú ako odpad pri produkcii ryže. Cieľom bolo zistiť, ako bude tento druh plniva ovplyvňovať odolnosť geopolyméru voči vode. Výsledkom je zistenie, že pridaním šupiek do prekurznej cementovej zmesi sa zlepšuje vodotesnosť, ako aj iné mechanické vlastnosti. Štruktúra výsledného geopolyméru ukázala, že objem vody, ktorý by mohol vstupovať do kapilárnych otvorov, je významne znížený, čo prispieva k zachovaniu pevnosti po namočení. Tento výskum ukázal možnosti recyklácie poľnohospodárskych odpadov a podporil myšlienku ochrany životného prostredia.[8]

Vláknitý kal
Ide o pojem, ktorý je spojený s výrobou celulózy a papiera. Tento odpadový materiál je produkovaný v obrovských objemoch, no v súčasnosti neexistuje žiadna reálna alternatíva na jeho recykláciu, takže končí na skládkach. V rámci výskumov boli hodnotené vlastnosti geopolymérov po krátkom, ale aj dlhšom časovom intervale. Pridaním vláknitých kalov ako výplne sa podstatne znižuje schopnosť spracovania geopolymérnej malty. Drevené vlákna nachádzajúce sa v kale podstatne napomáhajú zvyšovaniu pevnosti v tlaku, ale ich jemnosť taktiež znížila hladinu absorpcie vody. Malta s najvyšším obsahom plniva dosiahla pevnosť v tlaku po 270-tich dňoch 12,8 MPa, čo bola o 35 % vyššia hodnota oproti referenčnej vzorke. V tomto prípade takzvané starnutie vzoriek napomáha zlepšovaniu vlastností a schopnosti vytvorenia stabilných geopolymérnych produktov. Navyše, realizované analýzy ukázali, že nebezpečné prvky (napríklad Pb, Ni, Co) prítomné vo vláknitých kaloch sú účinne zadržiavané v geopolymérnej štruktúre. Výsledky umožňujú štrukturálne použitie týchto materiálov s využitím takéhoto typu plniva. Geopolymérna malta môže obsahovať až do 194 kg vláknitých kalov na tonu. Okrem zjavných environmentálnych výhod v porovnaní so súčasným spracovaním takýchto odpadov môže tento prístup napomôcť k zhodnoteniu nepreskúmaných zvyškov produkcie z rôznych iných odvetví. [9]

Oceľová troska
Ako už bolo spomínané skôr, troska vo viacerých formách tvorí základ prekurzórnych geopolymérnych cementov. Oceľová troska vznikajúca pri procese výroby ocele nie je vhodná len ako základový materiál geopolyméru, ale dokáže plniť aj úlohu plniva. Mikroštruktúra geopolymérneho materiálu ukazuje, že väzbová reakcia medzi oceľovou troskou a základnou zmesou je prospešná pre samotné zvýšenie pevnosti. Takéto využitie oceľovej trosky prispeje k efektívnejšiemu prístupu k trvalo udržateľným zdrojom a znižuje tak vplyv pevných odpadov na životné prostredie. [10]

Korkový odpad
Tiež sa považuje za vhodné aditívum pre geopolymérne kompozity. Ďalším vhodným materiálom je zeolit. Ten má mimoriadne fyzikálne vlastnosti, ktoré sú určené jeho osobitou kryštalickou štruktúrou. Výskumy ukazujú že geopolymér má lepšie absorpčné vlastnosti a pridaním zeolitu sa zvýši aj jeho pevnosť v tlaku. [11]

Odpadové sklo
Patrí do kategórie priemyselného odpadu. Odhadovaný ročný objem takéhoto skla je približne 10 Mt, z čoho je viac 70 % uložených na skládkach. Jeho využitím vo forme plniva do prekurznej cementovej zmesi by bolo možné ušetriť skládkové kapacity na jeho ukladanie a znížiť jeho environmentálne vplyvy. Analýza mikroštruktúry a nanoporálnej štruktúry ukázali vznik hustejšej gélovej fázy geopolyméru. Sklenený prach znížil rýchlosť straty vody, čo vedie k zmenšeniu zmršťovania a zlepšil sa aj modul tečenia. [12]

Záver
Geopolymérne materiály majú takmer neobmedzené možnosti kombinácií pri ich výrobe. Výhodou je možnosť kombinovať jednotlivé bázy prekurzného cementového materiálu, ako aj pridávať plnivá rôzneho charakteru. Výroba a používanie geopolymérnych materiálov má niekoľko pozitívnych vlastností:
• znižovanie produkcie oxidu uhličitého pri ich výrobe,
• úspora nákladov,
• recyklovateľnosť,
• použitie odpadových materiálov, • dlhšia životnosť,
• minimálna alebo zanedbateľná údržba týchto materiálov,
• udržateľnosť materiálov v integrácii so životným prostredím.

TEXT/FOTO Ing. Patrik Kaščák, doc. Ing. Lucia Knapčíková, PhD., Ing. Paed. IGIP, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií, Prešov

Príspevok lektoroval: doc. Ing. Martin Straka, PhD., Technická univerzita v Košiciach, Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológií

Použitá literatúra
[1] Rodrigue Cyriaque Kaze, Lynn Myllyam Beleuk à Moungam, Maria Cannio, Roberto Rosa, Elie Kamseu Uphie Chinje Melo Cristina Leonelli,: Microstructure and engineering properties of Fe2O3(FeO)-Al2O3-SiO2 based geopolymer composites ((https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.07.171)) r. 2018
[2] Mohd Mustafa Al Bakri Abdullah, Liew Yun Ming, Heah Cheng Yong and Muhammad Faheem Mohd Tahir,: Clay-Based Materials in Geopolymer Technology DOI: 10.5772/intechopen.74438. ((https://www.intechopen.com/books/cement-based-materials/clay-based-materials-in-geopolymer-technology)),2018.
[3] F. Pacheco-Torgal, J. P. Castro-Gomes, S. Jalali,: Alkali activated geopolymeric binder using tungesten mine waste: preliminary investigation (https://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/4870/1/Torgal_CI_2005.pdf), 2005.
[4] Katja Traven, Mark Češnovar, Vilma Ducman,: Particle size manipulation as an influential parameter in the development of mechanical properties in electric arc furnace slag-based AAM (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.296) r. 2019
[5] Sanjay Kumar, Rakesh Kumar, S. P. Mehrotra,: Influence of granulated blast furnace slag on the reaction, structure and properties of fly ash based geopolymer (https://link.springer.com/article/10.1007/s10853-009-3934-5) r.2010
[6] Anıl Ni̇ş, Melis B. Altundal: Mechanical strength degradation of slag and fly ash based geopolymer specimens exposed to sulfuric acid attack ((https://www.researchgate.net/profile/anil_nis/publication/336698606_mechanical_strength_degradation_of_slag_and_fly_ash_based_geopolymer_specimens_exposed_to_sulfuric_acid_attack/links/5dadabea299bf111d4bf7b1b/mechanical-strength-degradation-of-slag-and-fly-ash-based-geopolymer-specimens-exposed-to-sulfuric-acid-attack.pdf)), 2019.
[7] Anil Kumar Thakur, Asokan Pappu, Vijay Kumar Thakur,: Synthesis and characterization of new class of geopolymer hybrid composite materials from industrial wastes (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.05.081), 2019.
[8] Guangwei Liang, Huajun Zhu, Zuhua Zhang, Qisheng Wu, Jianzhou Du,: Investigation of the waterproof property of alkali-activated metakaolin geopolymer added with rice husk ash (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.05.111), 2019.
[9] Rui M. Novais, João Carvalheiras, Luciano Senff, Maria P.Seabra, Robert C. Pullar, João A.Labrincha,: In-depth investigation of the long-term strength and leaching behaviour of inorganic polymer mortars containing green liquor dregs (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.02.170), 2019.
[10] Tao Bai, Zi-Ge Song, Yan-Guang Wu, Xiao-Di Hu, Hua Bai,: Influence of steel slag on the mechanical properties and curing time of metakaolin geopolymer (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.243), 2018.
[11] Alcina Sudagar, Slávka Andrejkovičová, Carla Patinha, Ana Velosa, Amy McAdam, Eduardo Ferreira da Silva, Fernando Rocha,: A novel study on the influence of cork waste residue on metakaolin-zeolite based geopolymers (https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.11.013), 2018.
[12] Ruizhe Si, Qingli Dai, Shuaicheng Guo, Jiaqing Wang,: Mechanical property, nanopore structure and drying shrinkage of metakaolin-based geopolymer with waste glass powder (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118502), 2020.