Využití anorganických polymerů a druhotných surovin pro stavebnictví

1. Využití anorganických polymerů a druhotných surovin pro stavebnictví Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR Oddělení chemie geopolymerů Hanzlíček T., Perná I., Steinerová M., Straka P.

2. Schéma tvorby polymerních řetězců a síťování aluminuim-silikátových vazeb • (Al-Si)solid+(OH-)liquid=[Al(OH)4]-+[OSi(OH)3]-(1) . [OSi(OH)3]-+OH-=-OSi(OH)2O-+H2O(2) .-OSi(OH)2O- + OH- = -OSi(OH)O- + H2O (3) • M+ + -OSi (OH)3 = M+-OSi (OH)3 (4) monomer • 2M+ + -OSi(OH)2O- = M+-OSi (OH)2O-+M (5) monomer monomer • 3 M+ + -OSi(OH)O- = M+-OSi(OH)O-+M (6) monomer • M+ + [Al(OH)4]- + OH- = M+ -OAl(OH)3 + H2O (7) monomer . -OSi(OH)3 + M+-OSi(OH)3 + M+ = M+-OSi(OH)2–O–Si(OH)3 + MOH (8) dimer

3. Schéma konečného polymerního řetězce • Tvořená třírozměrná a prostorová síť je elektricky vyvážena atomy sodíku, respektive draslíku, • Základní schéma : ||||| [ - Si – O – Si – O – Al – O – Si – O – Si -]-Na+ ||||| • Tvorba anorganických polymerů proběhne za 12 – 16 hodin při normální teplotě a tlaku okolí, • Směs neobsahuje ani cement ani vápno a je prosta organických pojiv.

4. Základní vlastnosti geopolymerních materiálů • Nerozpustnost ve vodě. • Odolnost proti vysokým teplotám do 1000 °C. • Odolnost proti změnám teplot ( 900 – 20 °C). • Odolnost proti vlivu zředěných kyselin a zásad. • Nehořlavost – hmoty nevyvíjejí žádné zplodiny. • Základní „báze“ je schopná akceptovat a uzavírat do polymerní sítě řadu dalších materiálů včetně materiálů druhotných.

5. Příklady inhibovaných materiálů v geopolymerní síti • Písky včetně monofrakcí. • Vysokopecní a ocelářské strusky. • Popílky z elektrofiltrů. • Obrusy slídy. • Kamenný prach ( vápenec, čedič, opuka apod.). • Drcený porcelán. • Odpady z výroby SiC. • Dřevěné štěpky, případně papír.

6. Vstupní suroviny geopolymerních reakcí • Laboratoř úpravy nerostných surovin je zaměřena na solidifikaci druhotných a odpadových surovin v ČR, • výběr základních jílových je orientován na těžené ale nezpracovávané jíly ( znečištěné barvicími oxidy, organickými látkami apod.), • kvalifikovaný odhad množství těchto jílů je cca 250 000 tun ročně, • Množství haldovaných průmyslových odpadů je v milionech tun ( vysokopecní strusky, ocelářské strusky, popílky apod.)

7. Hlavní přednosti geopolymerních směsí • Pevné a nerozpustné polymerní hmoty jsou tvořeny za normální teploty a tlaku. • Neobsahují cement ani vápenatá pojiva, stejně tak neobsahují pojiva sádrová. • Příprava jílových materiálů – jejich aktivace nevyžaduje vysoké teploty na rozdíl od výroby cementu. • Do ovzduší při aktivaci neuniká CO2 ale pouze voda. • Podle druhu a zrnitosti plniva lze plynule měnit fyzikální vlastnosti materiálů pro různé účely použití. • Dosažení základní pevnosti lze dosáhnout již během 1 hodiny zvýšením teploty při zrání na 45 – 60 °C.

8. Historické souvislosti • Práce italských, francouzských a španělských vědeckých ústavů a laboratoří poukazuje na skutečnost, že řada antických památek nebyla postavena z tesaného kamene, ale kamene aglomerovaného. • Naše práce na tomto úseku výsledky potvrzuje na studiu originálních vzorků stavebních dílů Sumerských a v poslední době i na vzorcích přivezených z Ctesiphonu (Perská stavební památka, jihovýchodně od Bagdadu- cca 100 let př.n.l.). • V obou případech bylo prokazatelně potvrzeno, že stavební prvky nebyly páleny – nejsou tedy cihlami v pravém slova smyslu, ale byly připraveny jako aglomerát spraší s polymerní Al-O-Si vazbou. • Toto poznání i vzhledem k trvanlivosti staveb ( Pantheon v Římě, Via Appia, Ctesiphon a další) vede k zamyšlení nad možností využít geopolymerních reakcí jak ke stavebním tak rekonstrukčním účelům památek.

9. Pantheon v Římě 118-120 před n.l.

10. Závěr • Předpokládáme, vzhledem k velkému množství kvalitních jílových ale nevyužívaných zásob, možnost nejen tyto jíly zpracovat, ale využít nabízených možností v jejich vytvořené amorfní polymerní síti inhibovat řadu dalších odpadů – vytvořit tak alternativní stavební materiál s řadou zajímavých vlastností. • Vzhledem k plně anorganické skladbě geopolymerů tyto materiály odolávají vysokým teplotám při kterých již nelze použít cement. • Výrazný je i význam ekologický nejen při zpracování skládek průmyslových odpadů ale důležitá je i možnost snížení emisí CO2 v ovzduší. • Práce na solidifikaci a inhibici průmyslových odpadů jsou řešeny v rámci přijatého výzkumného plánu AVOZ 30460519 AV ČR.