PL226104B1 - Geopolymer material and method for manufacturing geopolymer material - Google Patents
Geopolymer material and method for manufacturing geopolymer materialInfo
- Publication number
- PL226104B1 PL226104B1 PL401579A PL40157912A PL226104B1 PL 226104 B1 PL226104 B1 PL 226104B1 PL 401579 A PL401579 A PL 401579A PL 40157912 A PL40157912 A PL 40157912A PL 226104 B1 PL226104 B1 PL 226104B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- tuff
- sodium
- water glass
- weight
- amount
- Prior art date
Links
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest tworzywo geopolimerowe (geopolimer) na bazie glinokrzemianów zawartych w tufie wulkanicznym oraz sposób wytwarzania tworzywa geopolimerowego na bazie glinokrzemianów zawartych w tufie wulkanicznym.The subject of the invention is a geopolymer material (geopolymer) based on aluminosilicates contained in volcanic tuff and a method of producing a geopolymer material based on aluminosilicates contained in volcanic tuff.
Tworzywa zwane geopolimerowymi, to polimery nieorganiczne na bazie mineralnych zasadowych glinokrzemianów i alkalicznych aktywatorów glinokrzemianów. Znane są one również w literaturze pod nazwą polisilatów (polisilanów), jak też aktywowanych alkalicznie glinokrzemianowych środków wiążących (AAAS).Geopolymeric materials are inorganic polymers based on mineral basic aluminosilicates and alkaline activators of aluminosilicates. They are also known in the literature as polysilates (polysilanes) as well as alkali activated aluminosilicate binders (AAAS).
Tworzywa geopolimerowe, w odróżnieniu od tradycyjnych hydraulicznych materiałów wiążących (np. cementu portlandzkiego), są wynikiem znanej i opisanej szeroko w literaturze reakcji polikondensacji mineralnej (geosyntezy). Różni je to zasadniczo od tradycyjnych materiałów (cementów) hydraulicznych, w których utwardzenie jest wynikiem hydratacji glinianów wapnia i krzemianów wapnia.Geopolymer plastics, unlike traditional hydraulic binding materials (e.g. Portland cement), are the result of the mineral polycondensation (geosynthesis) reaction known and widely described in the literature. This differs significantly from traditional hydraulic cements, in which the hardening results from the hydration of calcium aluminates and calcium silicates.
Utwardzanie geopolimerów zachodzi w czasie kilku godzin w temperaturze otoczenia, a krócej w temperaturach około 60-80°C. Charakteryzują się one wysoką wytrzymałością mechaniczną i odpornością na wysokie temperatury, co daje szerokie możliwości ich zastosowań przy mniejszym oddziaływaniu na środowisko niż tradycyjnych betonów.Hardening of geopolymers takes place within a few hours at ambient temperature, and shorter at temperatures of about 60-80 ° C. They are characterized by high mechanical strength and resistance to high temperatures, which gives a wide range of applications with a lower environmental impact than traditional concretes.
Geopolimery tworzone są przez łańcuchy tetraedrów SiO4 i AIO4, związane naprzemiennie przez atomy tlenu - J. Novotny; „Masy samoutwardzalne z geopolimerowym układem wiążącym”; VIII Konferencja Odlewnicza Technical 2005.Geopolymers are formed by chains of SiO4 and AlO4 tetrahedra, linked alternately by oxygen atoms - J. Novotny; "Self-hardening masses with a geopolymeric binding system"; VIII Technical Foundry Conference 2005.
Podstawowe zalety materiałów geopolimerowych to mała skurczliwość, szybki czas wiązania, odporność na ścieranie, odporność na działanie wysokich temperatur, odporność chemiczna, dobra adhezja do innych materiałów - D. Wala, G. Rosiek; „Adhezja kompozytów geopolimerowych do betonu, stali i ceramiki”; Kompozyty 8: 1 (2008), str. 36-40.The main advantages of geopolymer materials are: low shrinkage, fast setting time, abrasion resistance, resistance to high temperatures, chemical resistance, good adhesion to other materials - D. Wala, G. Rosiek; "Adhesion of geopolymer composites to concrete, steel and ceramics"; Composites 8: 1 (2008), pp. 36-40.
Wzrost cen energii oraz zanieczyszczenia środowiska powodują, że coraz częściej poszukuje się materiałów alternatywnych w stosunku do cementu portlandzkiego. Geopolimery są bardziej wytrzymałe na ściskanie niż beton. Standardowe betony z cementu portlandzkiego wykazują wytrzymałość na ściskanie na poziomie 30-60 MPa, natomiast geopolimery mogą osiągać wytrzymałość nawet do ponad 100 MPa. Charakteryzują się także wysoką odpornością na ogień i działanie środków chemicznych. Mogą pracować do temperatury nawet 1000°C, podczas gdy tradycyjny beton maksymalnie do 300°C. Osiągają także bardzo krótkie czasy wiązania, nawet poniżej jednej godziny. Materiały geopolimerowe znajdują coraz szersze zastosowania, dzięki ich cechom, takim jak wysoka wytrzymałość mechaniczna, podwyższona kwasoodporność, podwyższona odporność termiczna, szybszy początek wiązania, dostępność surowców i ich niższy koszt, mniejsze zużycie energii, możliwość immobilizacji toksyn (np. Ł. Gołek; „Wpływ składu chemicznego szkieł glinokrzemianowych na proces ich alkalicznej aktywacji”, Praca doktorska AGH, Kraków 2007).The increase in energy prices and environmental pollution mean that alternative materials to Portland cement are increasingly sought. Geopolymers are more compressive strength than concrete. Standard Portland cement concretes have a compressive strength of 30-60 MPa, while geopolymers can reach strength even up to over 100 MPa. They are also highly resistant to fire and chemicals. They can work up to 1000 ° C, while traditional concrete up to 300 ° C. They also achieve very short setting times, even below one hour. Geopolymer materials are used more and more due to their features, such as high mechanical strength, increased acid resistance, increased thermal resistance, faster setting start, availability of raw materials and their lower cost, lower energy consumption, the possibility of immobilizing toxins (eg Ł. Gołek; " Influence of the chemical composition of aluminosilicate glasses on the process of their alkaline activation ", Doktorska AGH, Kraków 2007).
Większość metod syntezy geopolimerów sprowadza się do jednego procesu - rozdrobniony, wysuszony materiał pucolanowy (np. metakaolin, popiół lotny) miesza się jest z wodnym roztworem krzemianu metali alkalicznego (zwykle krzemianu sodu lub potasu) z dodatkiem silnej zasady, z reguły stężonego wodorotlenku sodu lub potasu. Powstająca pastowata kompozycja zachowuje się podobnie, jak cement portlandzki i zastyga do twardej masy.Most methods of geopolymer synthesis come down to one process - comminuted, dried pozzolanic material (e.g. metakaolin, fly ash) is mixed with an aqueous solution of alkali metal silicate (usually sodium or potassium silicate) with the addition of a strong base, usually concentrated sodium hydroxide or potassium. The resulting pasty composition behaves similar to Portland cement and solidifies to a hard mass.
Z opisu patentowego nr PL 193 373 wiadomo jest, że w przeciwieństwie do tradycyjnych cementów, jako źródło glinokrzemianów dla uzyskania tworzyw geopolimerowych można stosować naturalną lub prażoną glinę, żużel, lotne popioły, szlamy belitowe, czy rozdrobnioną skałę, a jako aktywator reakcji utwardzania - roztwory alkaliczne jak wodorotlenek, krzemian, siarczan czy węglan metalu alkalicznego (zwykle sodu lub potasu).From the patent description PL 193 373 it is known that, unlike traditional cements, natural or calcined clay, slag, fly ash, belite sludge or crushed rock can be used as a source of aluminosilicates to obtain geopolymeric materials, and as an activator of the hardening reaction - solutions alkali metals such as alkali metal (usually sodium or potassium) hydroxide, silicate, sulfate or carbonate.
Oznacza to, że naturalne źródła surowców dla wytwarzania geopolimerów są prawie nieograniczone. Ma to duże znaczenie w bieżącej sytuacji gospodarczej, gdy wzrost cen energii oraz zanieczyszczenia środowiska powodują, że coraz częściej poszukuje się alternatywnych w stosunku do cementu portlandzkiego tworzyw i materiałów wiążących. Naukowcy szacują, że przy produkcji geopolimerów powstaje sześć razy mniej dwutlenku węgla niż przy produkcji cementu, co ma istotne znaczenie dla ochrony środowiska.This means that the natural sources of raw materials for the production of geopolymers are almost limitless. This is of great importance in the current economic situation, when the increase in energy prices and environmental pollution mean that more and more often alternatives to Portland cement are sought for plastics and binders. Scientists estimate that the production of geopolymers produces six times less carbon dioxide than the production of cement, which is important for environmental protection.
Niemalże wszystkie dostępne opisy i zgłoszenia patentowe, jak również opracowania naukowe, dotyczą geopolimerów wytwarzanych poprzez alkaliczną aktywację glinokrzemianów zawartych w materiałach pucolanowych (metakaolinie, popiołach lotnych, żużlu wielkopiecowym). Wymienić tutaj należy rozwiązania ujawnione przykładowo w opisach nr nr PL 193 373, EP 2 061 732, US 8 172 940,Almost all available descriptions and patent applications, as well as scientific studies, concern geopolymers produced by alkaline activation of aluminosilicates contained in pozzolanic materials (metakaolin, fly ash, blast furnace slag). Mention should be made here of the solutions disclosed, for example, in the descriptions No. PL 193 373, EP 2 061 732, US 8 172 940,
PL 226 104 B1PL 226 104 B1
ON 101 891 498, CN 101 857 387, CN 101 830 654, KR 2007 0 095 187, NZ 527 772, SK 332 004, WO 2010/030 560.ON 101 891 498, CN 101 857 387, CN 101 830 654, KR 2007 0 095 187, NZ 527 772, SK 332 004, WO 2010/030 560.
Wprawdzie w zgłoszeniu patentowym nr WO 03/099 738 wskazano na możliwość użycia do wytworzenia geopolimerów degradowanych granitów jako źródła skalenia (zasadowych glinokrzemianów Na, K, Ca), to jednak literatura fachowa i patentowa, nie zawiera doniesień dotyczących wykorzystywania do produkcji geopolimerów tufów wulkanicznych, które w przeciwieństwie do granitów są minerałami o znacznie bardziej skomplikowanym składzie i strukturze oraz nie do końca jeszcze rozpoznanych właściwościach.Although the patent application No. WO 03/099 738 indicates the possibility of using degraded granite as a source of feldspar for the production of geopolymers (basic Na, K, Ca aluminosilicates), the professional and patent literature does not contain reports on the use of volcanic tuffs for the production of geopolymers, which, unlike granites, are minerals with a much more complicated composition and structure, and properties that are not yet fully recognized.
Tuf wulkaniczny jest minerałem dość powszechnie występującym w przyrodzie. Cechą charakterystyczną tufów jest duża porowatość oraz związany z nią niewielki ciężar właściwy.Volcanic tuff is a mineral that is quite common in nature. A characteristic feature of tuffs is high porosity and the associated low specific weight.
Tufy są piroklastycznymi skałami powstałymi przez scementowanie różnych frakcji materiału okruchowego spoiwem ilastym lub krzemionkowym. Są produktem konsolidacji tefry (okruchowe produkty wybuchu wulkanicznego). Tuf fest lekką i porowatą skałą o różnoziarnistej strukturze. W jego skład wchodzą: lapille (z wł. „lapilli” - małe kamyczki) - materiały piroklastyczne o wielkości ziaren od do 64 mm, bomby wulkaniczne - bryły lawy o objętości od kilku cm3 do 1 m3 wyrzucane przez wulkan i zakrzepłe w czasie lotu oraz popioły i pyły wulkaniczne.Tufts are pyroclastic rocks formed by cementing different fractions of crumb material with a clay or silica binder. They are a product of the consolidation of tephra (crumb products of a volcanic eruption). The tuff is a light and porous rock with a diversified structure. It consists of: lapille (Italian "lapilli" - small pebbles) - pyroclastic materials with grain sizes from up to 64 mm, volcanic bombs - lava lumps with a volume from a few cm 3 to 1 m 3 ejected by the volcano and solidified in time flight as well as volcanic ash and ash.
W skład tufów wchodzą także minerały ilaste i zeolity - minerały glinokrzemianowe o specyficznych właściwościach i bardzo szerokim zastosowaniu. Mają one właściwości jonowymienne. W ich strukturze występują puste kanalikowate przestrzenie, których prześwit ma rozmiary kilku A. W czasie ogrzewania oddają zwartą w nich wodę bez naruszania struktury kryształów, a co ważne proces ten jest odwracalny.The tuff also includes clay minerals and zeolites - aluminosilicate minerals with specific properties and a very wide range of applications. They have ion exchange properties. In their structure there are empty, tubular spaces, the lumen of which is several A in size. During heating, they release the water contained in them without disturbing the crystal structure, and, importantly, this process is reversible.
W Polsce dostępne są głównie złoża tufu Kowalska Góra, zlokalizowane w okolicach Filipowic (Małopolska). W tufie filipowickim jako główny składnik występuje sanidyn (skaleń potasowy) oraz minerały takie jak kaolinit, biotyt i illit, a także kwarc (wolna krzemionka). Występujące ziarna biotytu są wielkości do 8 mm, pozostałe składniki mają bardzo zróżnicowane wielkości od kilku milimetrów do 5 cm. Tuf filipowicki zawiera liczne ziarna skaleni potasowych (sanidynu) a także drobne blaszki biotytu. Podrzędnie pojawia się skorodowany kwarc, skaleń może wykazywać objawy kaolinizacji, a biotyt jest częściowo schlorytyzowany. Tuf ten jest silnie alkaliczny, zawiera około 8,5-12% mas. K2O, podczas gdy ilość Na2O jest niewielka. Korzystne parametry fizyko-mechaniczne powodowały, że był on chętnie stosowany w budownictwie jako surowiec skalny łatwy w obróbce i o dobrych właściwościach termoizolacyjnych.The main deposits of the Kowalska Góra tuff, located near Filipowice (Małopolska), are available in Poland. The main component of Filipovice tuff is sanidine (potassium feldspar) and minerals such as kaolinite, biotite and illite, as well as quartz (free silica). The present biotite grains are up to 8 mm in size, the other components vary in size from a few millimeters to 5 cm. Filipowicki tuff contains numerous grains of potassium feldspar (sanidine) as well as fine biotite plaques. Corroded quartz appears in minor terms, feldspar may show signs of kaolinization, and biotite is partially chloritized. This tuff is strongly alkaline, it contains about 8.5-12 wt.%. K 2 O, while the amount of Na2O is small. Due to its favorable physical and mechanical parameters, it was readily used in construction as a rock material that was easy to process and with good thermal insulation properties.
Przeciętny skład tlenkowy tufu filipowickiego (w % mas.) przedstawiono w tabeli 1.The average oxide composition of Filipowice tuff (in wt.%) Is presented in Table 1.
T a b e l a 1T a b e l a 1
Zgodnie z wynalazkiem, tworzywo geopolimerowe zawierające naturalne glinokrzemiany, alkaliczne aktywatory i wodę, charakteryzuje się tym, że jako źródło glinokrzemianów zawiera tuf wulkaniczny, rozdrobniony do wielkości ziaren 10-800 μm, korzystnie poniżej 100 μm i kalcynowany przez 2-4 godz. w temperaturze 700-850°C.According to the invention, the geopolymeric material containing natural aluminosilicates, alkaline activators and water is characterized in that it comprises a volcanic tuff as the source of the aluminosilicates, ground to a grain size of 10-800 µm, preferably below 100 µm, and calcined for 2-4 hours. at a temperature of 700-850 ° C.
Wspomniany tuf zawiera SiO2, w postaci glinokrzemianów potasowych K(AI2Si3O8), w ilości 30 do 70% masowych, K2O w ilości 5 do 20% masowych i Al2O3 w ilości 5 do 30% masowych w przeliczeniu na masę tufu, przy stosunku molowym SiO2:Al2O3 wynoszącym 5 do 6,1.Said tuff contains SiO 2 in the form of potassium aluminosilicates K (Al 2 Si 3 O 8 ) in an amount of 30 to 70% by weight, K 2 O in an amount of 5 to 20% by weight and Al 2 O 3 in an amount of 5 to 30% by weight based on the weight of the tuff, with a SiO 2 : Al 2 O 3 molar ratio of 5 to 6.1.
Jako alkaliczne aktywatory glinokrzemianów, tworzywo geopolimerowe według wynalazku zawiera szkło wodne sodowe i/lub potasowe w wodnym roztworze wodorotlenku sodu i/lub potasu.As alkaline activators of aluminosilicates, the geopolymeric material of the invention comprises sodium and / or potassium water glass in an aqueous solution of sodium and / or potassium hydroxide.
Stosunek molowy składników kompozycji tworzywa jest taki, że Na2O/SiO2 < 0,15, Na2O/AI2O3 < 1,0, H2O/Na2O > 10, K2O/SiO2 < 0,20; K2O/AI2O3 < 1,5; H2O/K2O > 5.The molar ratio of the components of the material composition is such that Na2O / SiO2 <0.15, Na2O / Al2O3 <1.0, H2O / Na2O> 10, K2O / SiO2 <0.20; K2O / Al2O3 <1.5; H2O / K2O> 5.
Korzystnie jest, aby w wynalazku stosować tuf oczyszczony przynajmniej w części z niepożądanych, na przykład inertnych składników, a zwłaszcza z biotytu i z kwarcu, gdyż umożliwia to lepsze warunki dla prowadzenia reakcji polikondensacji mineralnej, skrócenie czasu jej przebiegu oraz uzyskanie z tak oczyszczonego tufu zestalonego tworzywa geopolimerowego o bardziej jednolitej strukturze wewnętrznej, bez wtrąceń i wypełnień.It is preferable to use in the invention a tuff purified at least in part from undesirable, for example inert, components, in particular biotite and quartz, as this enables better conditions for the mineral polycondensation reaction, shortening the time of its course and obtaining solidified material from such purified tuff. geopolymeric material with a more uniform internal structure, without inclusions and fillings.
Sposób wytwarzania tworzywa geopolimerowego zawierającego naturalne glinokrzemiany, alkaliczne aktywatory i wodę, w którym materiał stanowiący źródło glinokrzemianów miesza się z wod4A method for the production of a geopolymer material containing natural aluminosilicates, alkaline activators and water, in which the material constituting the source of aluminosilicates is mixed with water
PL 226 104 B1 nym roztworem wodorotlenku metalu alkalicznego i szkła wodnego, charakteryzuje się tym, że jako źródło glinokrzemianów stosuje się tuf wulkaniczny, który przed zmieszaniem z pozostałymi komponentami rozdrabnia się do wielkości ziaren 10-800 μm, korzystnie poniżej 100 μm i kalcynuje przez 2-4 godz. w temperaturze 700-850°C, a poza tym korzystnie oczyszcza przynajmniej w części z niepożądanych (np. inertnych) składników, zwłaszcza z biotytu i z kwarcu.With a solution of alkali metal hydroxide and water glass, it is characterized by the fact that volcanic tuff is used as the source of aluminosilicates, which, before mixing with the remaining components, is ground to a grain size of 10-800 μm, preferably below 100 μm, and calcined for 2 -4 hours at a temperature of 700-850 ° C, and furthermore preferably removes at least some of undesirable (e.g. inert) components, especially biotite and quartz.
Operacja usuwania z tufu z niepożądanych składników może być prowadzona przed lub po operacji kalcynowania.The operation of removing undesirable components from the tuff may be carried out before or after the calcining operation.
W sposobie stosuje się tuf, który zawiera SiO2, w postaci glinokrzemianów potasowych K(AI2Si3O8), w ilości 30 do 70% masowych, K2O w ilości 5 do 20% masowych i Al2O3 w ilości 5 do 30% masowych w przeliczeniu na masę tufu, przy stosunku molowym SiO2:Al2O3 wynoszącym 5 do 6,1.The process uses tuff which contains SiO2 in the form of potassium aluminosilicates K (Al2Si3O8) in the amount of 30 to 70% by weight, K2O in the amount of 5 to 20% by weight and Al2O3 in the amount of 5 to 30% by weight, based on the weight of the tuff, with a SiO2: Al2O3 molar ratio of 5 to 6.1.
W sposobie według wynalazku jako alkaliczne aktywatory glinokrzemianów stosuje się szło wodne sodowe i/lub potasowe w wodnym roztworze wodorotlenku sodu i/lub potasu, w takich ilościach aby stosunek molowy składników kompozycji tworzywa wynosił Na2O/SiO2 < 0,15, Na2O/AI2O3 < 1,0, H2O/Na2O > 10, K2O/SiO2 < 0,20; K2O/AI2O3 < 1,5; H2O/K2O > 5.In the process according to the invention, sodium and / or potassium water glass in an aqueous sodium and / or potassium hydroxide solution are used as alkaline activators of aluminosilicates, in such amounts that the molar ratio of the components of the material composition is Na2O / SiO2 <0.15, Na2O / Al2O3 <1 .0, H2O / Na2O> 10, K2O / SiO2 <0.20; K2O / Al2O3 <1.5; H2O / K2O> 5.
W korzystnej realizacji wynalazku używa się tufu rozdrobnionego do średniej wielkości ziarna poniżej 100 μm, a najlepiej poniżej 40 μm. W przypadku stosowania jako aktywatorów szkła wodnego sodowego i wodorotlenku sodu, dąży się do uzyskania w mieszance następujących stosunków molowych: Na2O/SiO2 < 0,15; Na2O/AI2O3 < 1,0; H2O/Na2O > 10. Gwarantuje to wysoką wytrzymałość na ściskanie oraz brak wykwitów, które mogłyby osłabiać wiązania geopolimerowe. W przypadku stosowania jako aktywatorów szkła wodnego potasowego i wodorotlenku potasu lub mieszania ich ze szkłem wodnym sodowym lub NaOH dąży się do uzyskania stosunków molowych na poziomie: K2O/SiO2 < 0,20; K2O/AI2O3 < 1,5; H2O/K2O > 5.In a preferred embodiment of the invention, an average grain size of less than 100 µm, preferably less than 40 µm, is used. When sodium water glass and sodium hydroxide are used as activators, the following molar ratios are sought in the mixture: Na2O / SiO2 <0.15; Na2O / Al2O3 <1.0; H2O / Na2O> 10. It guarantees high compressive strength and no blooms that could weaken geopolymeric bonds. When using potassium water glass and potassium hydroxide as activators or mixing them with sodium or NaOH water glass, the following molar ratios are aimed at: K2O / SiO2 <0.20; K2O / Al2O3 <1.5; H2O / K2O> 5.
Najkorzystniej jest stosować jako aktywatory szkło wodne sodowe i wodorotlenek sodu w ilości 0,05 do 0,3 cz, wag. szkła wodnego sodowego i 0,05 do 0,3 cz. wag. wodorotlenku sodu na 1 cz. wag. tufu.Most preferably, sodium water glass and sodium hydroxide in an amount of 0.05 to 0.3 parts by weight as activators are used. sodium water glass and 0.05 to 0.3 parts. wt. sodium hydroxide for 1 part wt. tuff.
Ponadto, potwierdzono doświadczalnie, że korzystne jest łączenie w aktywatorze związków dwóch różnych metali alkalicznych, a zwłaszcza stosowanie jako aktywatora wodorotlenku potasu i szkła wodnego sodowego. W przypadku geopolimerów z takim aktywatorem nie tylko nie zaobserwowano występowania wykwitów na powierzchni utwardzonego geopolimeru, ale i stwierdzono że geopolimery te charakteryzują się krótszymi czasami wiązania i wytrzymałością na ściskanie powyżej 30 MPa. Te korzystne efekty wyraźnie występują, gdy aktywator geopolimeru zawiera 0,1 do 0,3 cz. wag. szkła wodnego sodowego i 0,1 do 0,3 cz. wag. wodorotlenku potasu na 1 cz. wag. tufu.Moreover, it has been experimentally confirmed that it is advantageous to combine compounds of two different alkali metals in the activator, in particular the use of potassium hydroxide and sodium waterglass as activator. In the case of geopolymers with such an activator, not only did there be no blooms on the surface of the hardened geopolymer, but also it was found that these geopolymers are characterized by shorter bonding times and a compressive strength above 30 MPa. These beneficial effects clearly occur when the geopolymer activator contains 0.1 to 0.3 pb. wt. sodium water glass and 0.1 to 0.3 parts. wt. potassium hydroxide for 1 part wt. tuff.
Powyżej opisane cechy związane z komponowaniem aktywatora ze związków dwóch różnych metali alkalicznych istotnie różni wynalazek od pozostałych rozwiązań znanych ze stanu techniki, bowiem według niniejszego wynalazku jako substancje aktywujące można stosować zarówno wodorotlenek potasu, jak i sodu lub ich mieszaniny - występujące zawsze w połączeniu ze szkłem wodnym potasowym i/lub sodowym. Należy przy tym podkreślić, iż używanie jako aktywatorów reakcji geosyntezy mieszanin związków dwóch różnych metali alkalicznych - nie było według dotychczasowej wiedzy znane, przez co stanowi to zaskoczenie dla znawców.The above-described features related to the composition of an activator from compounds of two different alkali metals significantly differ the invention from other solutions known from the state of the art, because according to the present invention, both potassium and sodium hydroxide or mixtures thereof can be used as activating substances - always in combination with glass. aqueous potassium and / or sodium. It should be emphasized that the use of mixtures of compounds of two different alkali metals as activators of the geosynthesis reaction has not been known according to the hitherto knowledge, which is why it is surprising for experts.
W porównaniu do materiałów geopolimerowych znanych ze stanu techniki, głównymi zaletami zastosowania w wynalazku tufów do produkcji geopolimerów jest niski koszt tufu (dużo niższy niż koszt metakaolinu) oraz brak szkodliwych substancji, jonów metali ciężkich itp., które zawsze występują w popiołach lotnych lub żużlach i mogą być wymywane oraz zanieczyszczać środowisko.Compared to prior art geopolymer materials, the main advantages of using tuffs for the production of geopolymers in the invention are the low cost of the tuff (much lower than that of metakaolin) and the absence of harmful substances, heavy metal ions, etc., which are always present in fly ash or slag and they can leach and pollute the environment.
Zastosowanie tufu wulkanicznego, po opisanym wyżej procesie obróbki, jako głównego składnika do wytwarzania geopolimerów pozwala na uzyskanie tworzyw geopolimerowych, charakteryzujących się szybkim czasem twardnienia (wiązania), dużą wytrzymałością na ściskanie i dobrą przycze pnością do podłoża (zarówno betony, ceramika jak i stale).The use of volcanic tuff, after the above-described treatment process, as the main component for the production of geopolymers, allows to obtain geopolymer materials, characterized by a fast hardening (setting) time, high compressive strength and good adhesion to the substrate (both concrete, ceramics and steels) .
Przyczyn tych korzystnych skutków zastosowania tufu jako materiału do produkcji geopolimerów należałoby upatrywać w równoczesnym występowaniu w tufach glinokrzemianów przestrzennych i warstwowych oraz minerałów z grupy mik. Dodatkowo cząstki tufu ze względu na dużą porowatość mają bardzo rozwiniętą powierzchnię właściwą, co również wpływa na jakość otrzymywanych z nich geopolimerów. Kolejnym bardzo istotnym atutem zastosowania tufu do wytwarzania geopolimerów jest stosunek molowy SiO2 : Al2O3, wynoszący w używanym według wynalazku tufie 5 do 6,1.The reasons for these beneficial effects of the use of tuff as a material for the production of geopolymers should be sought in the simultaneous presence of spatial and layered aluminosilicates and minerals from the mic group in the tuffs. In addition, the tufa particles, due to their high porosity, have a very developed specific surface, which also affects the quality of geopolymers obtained from them. Another very important advantage of the use of tuff for the production of geopolymers is the molar ratio of SiO2: Al2O3, which in the tuff used according to the invention is 5 to 6.1.
Wynalazek objaśniono poniżej w kilku praktycznych przykładach jego realizacji, pokazujących kolejne etapy procesu wytworzenia tworzywa geopolimerowego.The invention is explained below in several practical examples of its implementation, showing the successive steps of the geopolymer material production process.
PL 226 104 B1PL 226 104 B1
P r z y k ł a d 1 (przygotowanie tufu do wytworzenia geopolimeru)Example 1 (preparation of tuff for geopolymer production)
Kęsy kopalnego tufu, który zawiera SiO2, w postaci glinokrzemianów potasowych K(AI2Si3O8), w ilości 30 do 70% masowych, K2O w ilości 5 do 20% masowych i Al2O3 w ilości 5 do 30% masowych, w przeliczeniu na masę tufu, przy stosunku molowym SiO2:Al2O3 wynoszącym 5 do 6,1, a najlepiej tufu filipowickiego o składzie tlenkowym podanym w tabeli nr 1, oczyszcza się przed obróbką z zanieczyszczeń organicznych, jak fragmenty roślin i gleba, po czym w kilkuetapowym znanym procesie mielenia rozdrabnia się aż do uzyskania ziaren o średniej wielkości 10-800 μm.Billets of fossil tufa containing SiO2 in the form of potassium aluminosilicates K (Al2Si3O8) in the amount of 30 to 70% by weight, K2O in the amount of 5 to 20% by weight and Al2O3 in the amount of 5 to 30% by weight, based on the weight of the tuff, with a molar ratio of SiO2: Al2O3 of 5 to 6.1, and preferably a Filipovic tuff with an oxide composition given in Table 1, is cleaned of organic contaminants, such as plant fragments and soil, before treatment, and then shredded in a known multistage grinding process until obtaining grains with an average size of 10-800 μm.
Korzystnie jest jednak, aby średnia wielkość ziaren nie przekraczała 100 μm, a zwłaszcza 40 μm, gdyż zapewnia to w dalszych etapach procesu uzyskanie lepszych warunków dla reakcji polikondensacji mineralnej geopolimeru z tak rozdrobnionego surowca oraz bardziej jednolitą strukturę wewnętrzną zestalonego tworzywa.It is preferable, however, that the average particle size does not exceed 100 μm, in particular 40 μm, as this ensures in further stages of the process obtaining better conditions for the mineral polycondensation reaction of the geopolymer from the fragmented raw material and a more uniform internal structure of the solidified material.
Rozdrobniony tuf kalcynuje się następnie w znanych piecach przy dostępie powietrza, przez czas 2-4 godz. w temperaturze 700-850°C, w celu usunięcia wody krystalicznej i wypalenia ewentualnych resztek zanieczyszczeń organicznych.The shredded tuff is then calcined in known furnaces, exposed to air, for 2-4 hours. at a temperature of 700-850 ° C, in order to remove crystalline water and burn off any residual organic pollutants.
Ponieważ każdy tuf zawiera niekorzystne mineralne składniki, np. inertne, nie biorące udziału w reakcji polikondensacji mineralnej, a stanowiące jedynie wypełnienie w strukturze zestalonego tworzywa geopolimerowego, to w razie takiej konieczności usuwa się je w całości lub w części z kalcynowanego tufu. Przede wszystkim zaś usuwa się biotyt oraz wolną krzemionkę, występującą w tufie w postaci kwarcu.Since each tuff contains unfavorable mineral components, e.g. inert, not participating in the mineral polycondensation reaction, but constituting only a filling in the structure of the solidified geopolymer material, if necessary, they are completely or partially removed from the calcined tuff. First of all, biotite and free silica, present in the form of quartz in the tuff, are removed.
Tak spreparowany tuf wulkaniczny stanowi surowiec do sporządzenia na jego bazie tworzywa geopolimerowego.Such prepared volcanic tuff is a raw material for the preparation of a geopolymeric material based on it.
P r z y k ł a d 2 (wytworzenie geopolimeru)Example 2 (geopolymer production)
Przygotowuje się następujące składniki:The following ingredients are prepared:
części wagowych tufu filipowickiego (poddanego zgodnie z wynalazkiem uprzedniej obróbce mechanicznej i termicznej wg przykładu 1), część wagową szkła wodnego sodowego, część wagową wodorotlenku potasu KOH, części wagowej wody.parts by weight of Filipovice tufa (subjected according to the invention to prior mechanical and thermal treatment according to Example 1), part by weight of sodium water glass, part by weight of potassium hydroxide KOH, part by weight of water.
W celu sporządzenia geopolimeru z tych składników, rozpuszcza się wodorotlenek w wodzie i łączy ze szkłem wodnym, a następnie po ujednorodnieniu roztworu miesza z tufem. Otrzymaną ciastowatą kompozycję wlewa się przykładowo do formy i pozostawia w temperaturze otoczenia aż do związania lub aby przyspieszyć proces polikondensacji kompozycję umieszcza się w temperaturachIn order to prepare a geopolymer from these components, the hydroxide is dissolved in water and combined with water glass, and then, after homogenizing the solution, mixed with the tuff. The resulting pasty composition is poured, for example, into a mold and left at ambient temperature until it sets, or to accelerate the polycondensation process, the composition is placed at temperatures
60-80°C.60-80 ° C.
Geopolimer sporządzony w ten sposób charakteryzuje się czasem wiązania poniżej 48 h i wytrzymałością na ściskanie po 28 dniach powyżej 25 MPa.The geopolymer prepared in this way has a setting time of less than 48 hours and a compressive strength of more than 25 MPa after 28 days.
P r z y k ł a d 3 (wytworzenie geopolimeru)Example 3 (geopolymer production)
Przygotowuje się następujące składniki:The following ingredients are prepared:
części wagowych tufu filipowickiego (poddanego zgodnie z wynalazkiem uprzedniej obróbce mechanicznej i termicznej wg przykładu 1), część wagową szkła wodnego sodowego,parts by weight of Filipowicki tufa (subjected according to the invention to prior mechanical and thermal treatment according to example 1), part by weight of sodium water glass,
0,5 części wagowej wodorotlenku potasu KOH,0.5 part by weight of potassium hydroxide KOH,
0,3 części wagowej wody.0.3 parts by weight of water.
W celu sporządzenia geopolimeru z tych składników postępuje się jak w przykładzie 2. Geopolimer sporządzony w ten sposób charakteryzuje się czasem wiązania poniżej 24 h i wytrzymałością na ściskanie po 28 dniach powyżej 35 MPa.To prepare a geopolymer from these components, the procedure is as in Example 2. The geopolymer prepared in this way has a setting time of less than 24 hours and a compressive strength of more than 35 MPa after 28 days.
P r z y k ł a d 4 (wytworzenie geopolimeru)Example 4 (geopolymer production)
Przygotowuje się następujące składniki:The following ingredients are prepared:
części wagowych tufu filipowickiego (poddanego zgodnie z wynalazkiem uprzedniej obróbce mechanicznej i termicznej wg przykładu 1), część wagową szkła wodnego sodowego,parts by weight of Filipowicki tufa (subjected according to the invention to prior mechanical and thermal treatment according to example 1), part by weight of sodium water glass,
0,25 części wagowej wodorotlenku sodu NaOH,0.25 part by weight of sodium hydroxide NaOH,
0,5 części wagowej wody.0.5 part by weight of water.
W celu sporządzenia geopolimeru z tych składników postępuje się jak w przykładzie 2. Geopolimer sporządzony w ten sposób charakteryzuje się czasem wiązania poniżej 24 h i wytrzymałością na ściskanie po 28 dniach powyżej 30 MPa.To prepare a geopolymer from these components, the procedure is as in Example 2. The geopolymer prepared in this way has a setting time of less than 24 hours and a compressive strength of more than 30 MPa after 28 days.
Przedstawione wyżej przykłady należy traktować jako szczegółowe objaśnienie wynalazku, w niczym nie ograniczające jego istoty, ani zakresu ochrony.The examples presented above should be considered as a detailed explanation of the invention, without limiting its spirit or scope of protection in any way.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL401579A PL226104B1 (en) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | Geopolymer material and method for manufacturing geopolymer material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL401579A PL226104B1 (en) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | Geopolymer material and method for manufacturing geopolymer material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL401579A1 PL401579A1 (en) | 2014-05-26 |
| PL226104B1 true PL226104B1 (en) | 2017-06-30 |
Family
ID=50771785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL401579A PL226104B1 (en) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | Geopolymer material and method for manufacturing geopolymer material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL226104B1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112239330A (en) * | 2020-11-05 | 2021-01-19 | 兰州大学 | Alkali-activated tuff cementing material and preparation method thereof |
| CN113548823A (en) * | 2021-08-23 | 2021-10-26 | 深圳大学 | Potassium aluminosilicate nanogel precursor additive and application thereof in low-calcium system geopolymer |
| US11820707B2 (en) * | 2020-03-18 | 2023-11-21 | Saudi Arabian Oil Company | Geopolymer cement slurries, cured geopolymer cement and methods of making and use thereof |
| US11820708B2 (en) | 2020-03-18 | 2023-11-21 | Saudi Arabian Oil Company | Geopolymer cement slurries, cured geopolymer cement and methods of making and use thereof |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111250039B (en) * | 2020-03-13 | 2021-10-19 | 常熟理工学院 | Method for preparing hydroxyapatite functionalized geopolymer adsorbent by using tuff |
| CN111606617A (en) * | 2020-05-25 | 2020-09-01 | 中建西部建设新疆有限公司 | Tuff geopolymer composite material and preparation method thereof |
-
2012
- 2012-11-12 PL PL401579A patent/PL226104B1/en unknown
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11820707B2 (en) * | 2020-03-18 | 2023-11-21 | Saudi Arabian Oil Company | Geopolymer cement slurries, cured geopolymer cement and methods of making and use thereof |
| US11820708B2 (en) | 2020-03-18 | 2023-11-21 | Saudi Arabian Oil Company | Geopolymer cement slurries, cured geopolymer cement and methods of making and use thereof |
| CN112239330A (en) * | 2020-11-05 | 2021-01-19 | 兰州大学 | Alkali-activated tuff cementing material and preparation method thereof |
| CN113548823A (en) * | 2021-08-23 | 2021-10-26 | 深圳大学 | Potassium aluminosilicate nanogel precursor additive and application thereof in low-calcium system geopolymer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL401579A1 (en) | 2014-05-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xiao et al. | Strength, microstructure, efflorescence behavior and environmental impacts of waste glass geopolymers cured at ambient temperature | |
| Tchadjie et al. | Enhancing the reactivity of aluminosilicate materials toward geopolymer synthesis | |
| Moukannaa et al. | Alkaline fused phosphate mine tailings for geopolymer mortar synthesis: Thermal stability, mechanical and microstructural properties | |
| Yıldırım et al. | Development of alkali-activated binders from recycled mixed masonry-originated waste | |
| Kürklü | The effect of high temperature on the design of blast furnace slag and coarse fly ash-based geopolymer mortar | |
| Görhan et al. | The effect of curing on the properties of metakaolin and fly ash-based geopolymer paste | |
| Bagci et al. | Fully reacted high strength geopolymer made with diatomite as a fumed silica alternative | |
| Morsy et al. | Effect of sodium silicate to sodium hydroxide ratios on strength and microstructure of fly ash geopolymer binder | |
| RU2599742C2 (en) | Geopolymer composite for ultra-high quality concrete | |
| Reig et al. | Influence of the activator concentration and calcium hydroxide addition on the properties of alkali-activated porcelain stoneware | |
| Castaldelli et al. | Study of the binary system fly ash/sugarcane bagasse ash (FA/SCBA) in SiO2/K2O alkali-activated binders | |
| Ding et al. | Application of geopolymer paste for concrete repair | |
| ES2638051T3 (en) | Processing of fly ash and manufacture of articles that incorporate fly ash compositions | |
| PL226104B1 (en) | Geopolymer material and method for manufacturing geopolymer material | |
| KR20080077002A (en) | Multi-function composition for settable composite materials and methods of making the composition | |
| Kourti et al. | Geopolymers prepared from DC plasma treated air pollution control (APC) residues glass: properties and characterisation of the binder phase | |
| Koutnik et al. | Low viscosity metakaolinite based geopolymer binders | |
| CA3084903A1 (en) | Control of time of setting of geopolymer compositions containing high-ca reactive aluminosilicate materials | |
| Hernández-Palomares et al. | Precipitated silica, alkali silicates and zeolites from construction and demolition waste materials | |
| Mostafa et al. | Characterization of low-purity clays for geopolymer binder formulation | |
| Cardoza et al. | Alkali-activated cement manufactured by the alkaline activation of demolition and construction waste using brick and concrete wastes | |
| KR20120044014A (en) | Geopolymer composition having high strength and manufacturing method thereof | |
| Alok et al. | Strength studies on geopolymer concrete produced by recycled coarse aggregate and quarry stone dust as fine aggregate | |
| JP4630446B2 (en) | INORGANIC CURABLE COMPOSITION AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, INORGANIC CURED BODY AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, Gypsum-based Cured Body, and Cement-Based Cured Body | |
| CZ300134B6 (en) | Two-component geopolymeric binding agent and process for producing thereof |