Geopolimeri kot podnebju prijazna cementna alternativa

Geopolimeri usati nella costruzione di antichi templi? La storia da riscrivere (Junij 2019).

Anonim

Raziskovalci na TU Darmstadtu predlagajo geopolimere kot alternativo cementu. Ta mineralna veziva niso le okolju prijaznejša, temveč so bolj odporna na kemikalije in visoko temperaturo.

Pri razpravi o emisijah toplogrednih plinov običajno obstaja en vidik, ki se slabi: gradnja z betonom vpliva na podnebje tako, da letno sprosti več ogljikovega dioksida kot svetovni zračni promet. Razlog je v proizvodnji cementa, najbolj priljubljenega veziva v gradbeništvu. Cement je izdelan z mletjem in gorenjem apnenca, gline in laporja.

To zahteva veliko energije in tudi odstranjuje ogljikov dioksid iz apnenca. Več kot 5% svetovnih emisij ogljikovega dioksida prihaja iz proizvodnje cementa. To ni nujno, meni profesor Eddie Koenders, gradbeni inženir in vodja Inštituta za gradbeništvo in gradbene materiale pri TU Darmstadt. Njegova skupina dela z geopolimeri kot obetavna alternativa cementu.

Geopolimeri so dvokomponentni sistemi, ki vsebujejo reaktivne trdne snovi, ki vsebujejo silicijev in aluminijev oksid ter bazično aktivacijsko raztopino alkalijskih hidroksidov ali alkalijskih silikatov v vodi. Trdna snov je naravni kamen ali mineral, zaradi česar ima predpono "geo". Kadar se raztopina za aktiviranje pomeša z bruseno trdno snovjo, na katero pripadajo agregati in druge snovi, je odvisno od uporabe, rezultat pa bo kamninski, anorganski polimer. Molekulske komponente, monomeri, so tetraedroni z atomi kisika na štirih vogalih in notranjost silicijevega ali aluminijskega atoma.

Izraz "geopolimer" je v sedemdesetih letih začel francoski kemik Joseph Davidovits. Doslej materiali niso bili na masovnem trgu, vendar je trenutna podnebna razprava zdaj dala nov zagon geopolimernim raziskavam. "Obstaja velik mednarodni interes, " pravi veseli Koenders, ki skupaj s podjetji in raziskovalci iz Španije, Francije, Avstrije in Združenega kraljestva trenutno pripravlja vlogo za projekt EU.

Prvi geopolimeri so temeljili na metakaolinu, toplotno obdelani kaolinski glini. Ko se segreje na približno 600 stopinj Celzija, kaolin spremeni svojo strukturo, postane bolj reaktiven in hitro nastavi, ko je v stiku z aktivacijsko raztopino. Vprašanje je, da toplotna obdelava porabi veliko energije. Ker pa kaolin ne vsebuje nobenega omejenega ogljikovega dioksida, ki se med segrevanjem sprosti, in da je temperatura vžiga precej nižja kot pri gorenju cementa, je ogljični odtis očitno boljši.

Vendar pa je metakaolin izredno fin material in delo z geopolimeri, izdelanimi iz njega, je zelo drugačen kot delo s cementno pasto. Ti so, na primer, tiksotropni: ko jih premešate ali jih pretresete, utekočinjeni - kot ketchup, to najprej ne želi zapustiti steklenice, nato pa nenadoma izlije. Aktivacijska rešitev prav tako naredi geopolimere nekoliko lepljiva, zato je težje odstraniti opaž.

"Geopolimeri bodo kdaj zamenjali beton in cement v velikem obsegu, če imajo enako obdelavo, " poudarja Koenders. Njegovo osebje, dr Neven Ukrainczyk in Oliver Vogt, preizkušajo različne surovine, da bi poskušali izboljšati ravnanje. Manj čisti kaolini, ki vsebujejo železov oksid in druge tuje minerale, se izkazujejo kot bolj primerni in stroškovno učinkovitejši.

Leteči pepel, odpadni proizvod iz dimnih plinov in trak iz naravnega kamna so možna mešanica ali alternativa metakaolinu. Raziskovalci dobivajo pot iz Eifla, kjer so nastali po vulkanskih izbruhih. Po izkopu se trasa grindrira in se lahko nato uporabi neposredno. Dodatna prednost je, da je bogata z alkalijami.

To lahko zmanjša koncentracijo alkalne raztopine za aktiviranje - kar zmanjša stroške. Raziskave se osredotočajo ne samo na glavne sestavine geopolimerov, temveč tudi na iskanje novih dodatkov, namenjenih posebnim lastnostim gradbenega materiala. Konvencionalni superplastifikatorji, na primer, ki ločujejo delce veziva v samokompaktirnih betonih, ne delajo v geopolimerih zaradi njihove različne kemične sestave in jih je zato treba preoblikovati.

Vogt in Ukrainczyk sta odlična ekipa za to, ker kot kvalificirani gradbeni inženir Vogt vedno skrbi za praktično uporabo, medtem ko je kemični inženir Ukrainczyk strokovnjak za molekularno osnovo in fizikalno-kemijsko analizo. Ko se je leta 2014 pridružil TU Darmstadtu, se je Koenders strinjal, da bi bilo mogoče vzpostaviti mikrolaboratorij za preučevanje geopolimerov in drugih gradbenih materialov na mikro do nano lestvici. Koliko vode je potrebno za reagiranje novega materiala? Kakšna je njegova molekularna struktura? Kako se obnaša pri različnih temperaturah, na primer pri minus 60 in pri več kot 100 stopinjah Celzija?

V mikro laboratoriju so na voljo kalorimeter, rentgenski defektometer, viskozimetr in druga posebna oprema, ki odgovorijo na takšna vprašanja. Naslednji nakup bo elektronski mikroskopski skenirni pregled, ki lahko preuči gradbene materiale pri različnih vlažnostih in temperaturah ter pri mehaničnem obremenitvi. Konvencionalni optični elektronski mikroskopi, od katerih jih je nekaj na TU Darmstadtu, delujejo samo v visokem vakuumu in ne odražajo pogojev okolice, v katerih se uporabljajo gradbeni materiali.

Cement je še vedno najpogosteje uporabljen gradbeni material na svetu, vendar pa geopolimeri lahko izpodbijajo to razvrstitev, ko gre za posebne aplikacije. Ne samo, da jim njihov ogljični odtis daje boljšo učinkovitost, imajo pa tudi tehnične prednosti. Geopolimeri so bolj toplotno stabilni kot beton - vezana voda, ki v primeru požara gradi parni tlak, povzroči uničevanje ali razpoke. Prav tako so bolj odporni na kemikalije, saj ne vsebujejo produktov za hidratacijo, ki se raztopijo, ko so izpostavljeni kislinam ali drugim agresivnim snovem. Prav tako je treba omeniti, da za geopolimere potrebujemo samo en dan za razvoj tlačnih trdnosti, ki so podobne visokokakovostnim betonom.

Hitro jih je mogoče demontirati, zato so primerni za množično proizvodnjo montažnih konstrukcijskih elementov. Ekipa TU je trenutno zaposlena, saj izdeluje geopolimerne kanalizacijske cevi, ki so odporne na biokemijske kemikalije. Do sedaj so novi gradbeni materiali dražji od konvencionalnega cementa ali betona, pravi Koenders, vendar bi njihova trajnost omogočila višjo ceno. "Iščemo rešitve, ki so tudi ekonomsko zanimive. Želimo čim hitreje uporabiti geopolimere."

menu
menu