Начало Статии Строителни материали Геополимери – приложение

Геополимери – приложение

Geopolymer

Най-използваният материал в нашето съвремие е бетонът. Годишното му производство в световен мащаб достига близо 30 милиарда тона. Практически цялото произведено количество бетон е на основа портландцимент – най-масово използваното свързващо вещество. Необходимите суровини за производството на цимент са варовик и глина, но може да се използват и други продукти, които имат сходен химичен състав. Изпичането на суровинната смес, при което се получава циментов клинкер, се извършва при температура над 1400°С, което е свързано с висок разход на енергия. Допълнително, при 850–900оС протича т.нар. декарбонизация на варовика. Всичко това води до отделяне на значително количество въглероден диоксид – около 1,25 тона за всеки тон цимент. При положение, че световното производство на цимент е около 4,5 милиарда тона, това прави близо 6 милиарда тона въглероден диоксид или близо 8% от всички въглеродни емисии. При това положение е напълно обосновано да се търсят алтернативи с по-малък въглероден отпечатък. Първа стъпка в тази посока е производството на смесени цименти, при които част от клинкера се заменя с отпадни материали, близки по състав до него, като пепел от ТЕЦ и гранулирана доменна шлака. По този начин, може да се постигне редукция на клинкера с около 20 – 30%.

Далеч по-радикална възможност, водеща до почти пълно елиминиране на отделянето на СО2 е използването на композитни материали (бетони и разтвори) на основа геополимерно свързващо вещество. Те биха могли да се получат от традиционни добавъчни материали (пясък, чакъл, трошен камък), алумо-силикатен компонент (пепел от ТЕЦ, шлака, метакаолин) и активиращ алкален разтвор. По този начин се достига до материал, който има структура, близка с тази на обикновените бетони и разтвори, но ролята на „минерално лепило“ не се изпълнява от циментовата паста, а от геополимера, който се формира от алумо-силикатите и алкалния активиращ разтвор. Добавъчните материали изпълняват същите функции, както при конвенционалния бетон – намаляване на собствените деформации, икономия на свързващо вещество, увеличаване на коравината. Основната разлика между геополимерите и цимента е липсата на въглеродни емисии. Икономическият анализ показва, че бетоните, произведени с цимент и геополимер имат приблизително еднаква цена. Друго съществено предимство е възможността да се използват значително количество отпадни продукти – пепели (летящи и дънни), сгурии, шлаки и др. подобни, които съдържат силициев и/или алуминиев оксид.

При втвърдяването си, геополимерът формира продукт със структура, сходна с тази на керамиката или на синтетичен зеолит, като процесът (геополимеризация) протича при нормална температура. Ускорено втвърдяване може да се получи при повишени температури до +80⁰С. Като ускорител на втвърдяването успешно може да се използва неголямо количество метакаолин.

Втвърденият геополимерен бетон или разтвор има силно алкален характер, като по този начин се осигурява надеждна защита от корозия на стоманената армировка, когато е необходимо да се приложи такава. Някои изследователи стигат дори по-далеч, като считат, че за проектиране на строителни конструкции от геополимерен бетон биха могли да се използват същите норми, както за циментов. Допълнително геополимерните композити комбинират такива важни свойства като висока химична и температурна устойчивост (много по-добри в сравнение с обикновените бетони), добро сцепление с армировъчната стомана и съществуващ бетон и др.

Само до преди няколко години разработките в областта на този относително нов вид композитни материали бяха на етап пилотни изследвания, но вече са налице и първите нормативни документи, които очертават рамка за по-широко приложение. Първият пример за такъв документ е „Recommended Practices  Z16 – Geopolymer Concrete“, издание на австралийския институт по бетона (CIA). През 2016г. във Великобритания бе публикуван PAS 8820:2016 Construction materials – Alkali-activated cementitious material and concrete – Specification. В него са специфицирани експлоатационните изисквания към този тип материали; средства за оценяване на бетони, получени на основа алумосиликат и алкален активатор по отношение на експлоатационното им поведение и дълготрайност; изисквания към съставните материали – алумо-силикатен и алкален.

Първите продукти, произведени от геополимерни материали са предимно малогабаритни, например блокове за зидария, но вече са налице редица примери за едроразмерни конструктивни елементи. Един от лидерите в налагането на този вид материали е Австралия. Вероятно най-мащабният проект с използване на геополимерни бетони е летището в Бризбейн Уест Уелкамп в Куинсланд, построено през 2014 г. 435-милиметров слой геополимер, произведен от „Wagners“ под марката Earth Friendly Concrete (EFC), е използван за изграждането на голяма част от настилките – общо около 70 000 тона.

Първата сграда, при която са използвани подови елементи от геополимерен бетон, е тази на Global Change Institute (GCI) към университета на Куинсланд (на снимката), проектирана от HASSELL в сътрудничество с „Bligh Tanner“ и „Wagners“

Geopolymer

Сградата е на 4 етажа, за обществена ползване и съдържа 3 окачени пода от геополимерен бетон, включващ 33 подови панела (на снимката).

В заключение категорично може да се каже, че в държави, в които все още масово се използват фосилни горива и се формира значително количество отпадни продукти с алумо-силикатен характер, геополимерните бетони и разтвори са една сериозна възможност.

Автор: доц. Иван Ростовски, УАСГ.

Прочетете още за геополимери на основата на метакаолин.

За повече информация – Каолин ЕАД.