Gradbeni materiali
Strokovno delo
Geopolimeri -
"novi" gradbeni kompoziti iz odpadkov
z izrazom geopolimer je v 70. letih prejšnjega stoletja francoski znanstvenik davidovits [1] poimenoval trdni kompozit, ki ga je sintetiziral iz metakaolina in alkalne raztopine. predpona
»geo« simbolizira sorodnost z geološkimi vezivi v kamninah ali mineralih. podobne materiale so
sicer izdelovali že egipčani in rimljani, tudi v 20. stoletju so nekateri materiali, poznani pod
izrazi »zemeljski cement«, »mineralni polimeri«, »alkalna vezana keramika« in »hidrokeramika« po sestavi in lastnostih analogni geopolimerom.
TEKST
dr. Alenka Mauko in doc. dr. Ana Mladenovič, Zavod za gradbeništvo Slovenije
V
erjetno ena najbolj zanimivih debat na
področju geopolimerov poteka zaradi trditve Davidovitsa, da so bili geopolimeri uporabljeni pri izgradnji velike piramide v Gizi.
Po njegovi teoriji naj bi bila piramida izdelana
iz geopolimera, za katerega je bila uporabljena
mešanica lokalnih preperelih lapornih apnencev, apna, naravno pridobljenega natrona (naravna mešanica natrijevega karbonat dekahidrata) in sode. Dodatek apna bi naj disociiral
kaolinitno glino v apnencu in oblikoval geopolimer. Kompozit, izdelan na ta način, je močno
podoben fizikalnim in mikrostrukturnim lastnostim naravnega apnenca. Ta teorija nasprotuje konvencionalni hipotezi o izgradnji piramid,
ki naj bi jih zgradili s klesanjem in dvigovanjem
težkih apnenčastih blokov. Debata je živa že
dve desetletji, saj so v preteklosti tako privrženci kot nasprotniki hipoteze podali številne
mineraloško-petrografske dokaze v prid eni in
drugi trditvi. Podoben primer predstavljajo tudi
rimski cementi. Na Inštitutu za geopolimere v
Franciji namreč trdijo, da Vitruvijeva knjiga De
architectura iz 1. stoletja pred našim štetjem
govori o intenzivni proizvodnji dveh umetnih reaktivnih komponent s pucolansko aktivnostjo:
kalcinirane kaolinitne gline (lat. Testa) in kalcinirane vulkanske kamnine (lat. Carbunculus), iz
katerih bi naj mešali rimske geopolimerne cementne različke.
Kaj so geopolimeri?
To so sintetični kompoziti iz anorganskih polimerov, ki so v svežem stanju tekoči ali plastični
in jih je zato možno poljubno oblikovati, v otrde-
24 j u l i j 2 0 1 2
Slika 1: Posnetek v vrstičnem elektronskem mikroskopu, levo mikrostruktura geopolimera, desno
mikrostruktura betona
lem stanju pa se odlikujejo s številnimi odličnimi
lastnostmi, ki so iskane v gradbeništvu. Nekoliko so podobni betonom (slika 1). Strukturo geopolimerov največkrat sestavljajo alumosilikatne
verige ali mreže iz SiO4 in AlO4 tetraedrov, ki so
med sabo povezane s kovalentnimi vezmi preko
skupnih kisikovih ionov. Proces nastanka verig
ali mrež se imenuje geopolimerizacija. Surovina
za proizvodnjo geopolimerov so največkrat amorfni in/ali reaktivni kristalinični alumosilikati, lahko pa tudi nekatere fosforjeve spojine. Atomsko
razmerje med silicijem in aluminijem v polimernih
strukturah definira lastnosti in uporabnost geopolimerov. Splošno pravilo palca je, da se geopolimeri z nižjimi razmerji med Si in Al uporabljajo
za enostavnejše proizvode, kot so geopolimerna
opeka in keramika, okolju prijazni cementi in betoni ter za enkapsulacijo radioaktivnih in toksičnih odpadkov, medtem ko so višja razmerja primerna za visokotemperaturne kompozite.
Uporabnost in lastnosti
geopolimerov
Geopolimere lahko uporabljamo samostojno, lahko pa jim dodajamo tudi polnila, npr. naravne ali alternativne agregate, kot so žlindra,
odpadno steklo, odpadna opeka ipd. (slika 2).
Slika 2. Različne strukture geopolimerov in
geopolimernih kompozitov
[ 3 2012
]
geopolimeri imajo številne odlične lastnosti za uporabo v gradbeništvu
a
c
d
Slika 4: Postopek restavriranja Sfinge iz Delfta. Slika a) prikazuje originalno sfingo na vazi, b) geopolimerni
odlitek originala, c) kopijo iz geopolimera, ki je bila dodana na manjkajoče mesto na vazi - slika d) [3]
3 2012
]
kako čim bolj enostavno in učinkovito priti do sodobne generacije geopolimerov, v katere bi kot
surovina lahko vstopali tudi drugi odpadki, ukvarjajo tudi s proučevanjem možnosti za zmanjšanje vrednosti pH pri pripravi kompozitov in s tega
stališča napraviti izdelavo teh materialov varnejšo in dostopnejšo.
Zaključek
Uporaba geopolimerov, kot porabnikov odpadkov in imobilizatorjev strupenih snovi, z razvijanjem učinkovitejših in varnejših postopkov priprave in aplikacije predstavlja eno od pomembnih
smeri v razvoju novih, zelenih kompozitov, ki so v
skladu s konceptom trajnostnega gradbeništva.
Članek je bil pripravljen v okviru aktivnosti
projekta ReBirth - Promocija recikliranja industrijskih in gradbenih odpadkov in njihove uporabe v gradbeništvu. Več informacij o projektu
lahko najdete na www.re-birth.eu.
julij 2012
25
r e v i j a
.
s i
Viri
[1] Joseph DAVIDOVITS (2011): Geopolymer Chemistry and Applications. Institut Géopolym`ere.
[2] http://www.irsm.cas.cz/abstracts/Prezentace/GP2011-Perna1.pdf
[3] http://www.irsm.cas.cz/abstracts/Prezentace/Statue_2110.pdf
-
proizvajajo manj toplogrednih plinov, potem našteto jasno kaže, da se uporaba konvencionalnih
gradbenih materialov zmanjšuje na račun novih
kompozitov, v katerih so pogosto kot surovina uporabljePlast papirja za zaključno
dekoracijo notranje stene.
ni odpadki. Številne raziskave
Penjena plast s toplotnimi in
v svetu, tako na laboratorijakustičnimi lastnostmi
skem kot tudi na in-situ nivoju
potrjujejo možnost in uporabNosilna plast – geopolimer z
no vrednost odpadkov in manj
dodatkom pepela iz biomase
in ostankov lesa
kakovostnih naravnih virov za
uporabo v geopolimerih. Pri
Polistirenska plast – toplotna
tem prevladujejo različni elekizolacija, ki je na obeh
trofiltrski pepeli in metalurške
straneh z geopolimerom
zaščitena pred požarom
žlindre, pa tudi odpadni industrijski mulji in rdeče blato iz
procesov pridobivanja aluminiSlika 3: Izolativni geopolimerni kompozit [2]
ja. Generično gledano so potencialno perspektivni vsi tisti
odpadki, ki vsebujejo silicij in aluminij v zadosUporabnost odpadkov za
tni količini, z ustrezno atomsko koordinacijo in
izdelavo geopolimerov
Situacija na področju sestave in uporabe grad- v pravilnem razmerju, da ob aktivaciji z alkalijabenih kompozitov se močno in hitro spreminja mi pride do kolapsa obstoječih kristalnih rešetk
predvsem zaradi okoljskega vidika, saj nova pa- ali amorfne mreže in nato geopolimerizacije siliradigma, ki jo praktično privzema ves razviti svet, cija in aluminija v novo strukturo. Nevarne snovi,
proglaša številne odpadke, zlasti tiste iz industrij- običajno gre v teh primerih za strupene kovine,
skih procesov, za vire surovin. Obenem se ome- se imobilizirajo na dva načina in sicer se na eni
juje možnosti odlaganja odpadkov na deponi- strani fizično ujamejo v matrico geopolimera, na
jah in razpoložljivost naravnih virov. Če pri tem drugi strani pa je dokazano, da kemično vstopaupoštevamo še pričakovanja oziroma zahteve jo v produkte geopolimerizacije. Pospešene razipo vpeljavi procesov, ki porabijo manj energije in skave na tem področju se poleg tehničnih izzivov,
[
b
m i n e r a l
Geopolimeri so znani po nekaterih odličnih
mehansko-fizikalnih in toplotnih lastnostih, v
katerih presegajo lastnosti konvencionalnih
gradbenih kompozitov, predvsem betonov.
Tako imajo visoko odpornost proti korozivnim dejavnikom, ki so posledica atmosferskih vplivov ali antropogenih vplivov iz okolja
(sulfatna korozija alkalijsko-silikatna korozija,
soli, kisline). Že od iznajdbe dalje je znana njihova odpornost na visoke in tudi na ekstremno nizke temperature in s tem uporabnost
kot požarna in toplotna zaščita (slika 3). Geopolimeri zelo hitro dosežejo končne trdnosti,
geopolimerizacija pa lahko poteka pri ambientnih temperaturah ali rahlo zvišanih temperaturah. Zaradi tega so zanimivi za področja, kjer je potrebno hitro doseganje končnih
trdnosti materiala (npr. letališke steze). Svoje
mesto so geopolimeri našli tudi na področju
umetnosti in za restavriranje objektov kulturne dediščine (slika 4). Njihove slabosti so visoka cena v proizvodnji, problem varnosti pri
delu zaradi ravnanja z alkalijskimi aktivatorji (visok pH) in razmeroma zahtevna priprava receptur. Zaradi navedenih pomanjkljivosti je bila do sedaj njihova praktična uporaba
v glavnem omejena na nekatere specialne
aplikacije. Ena od teh je denimo kot učinkovita matrica za imobilizacijo nizko-radioaktivnih
in nevarnih odpadkov.