CZ23171U1

CZ23171U1 - Vysokopevnostní geopolymemí kompozit

Info

Publication number: CZ23171U1
Application number: CZ201124194U
Authority: CZ
Inventors: Louda@Petr; Kroisová@Dora; Doan Hung@Tran; Xiem Nguyen@Thang
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-01-05

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká vysokopevnostního geopolymemího kompozitu, který obsahuje jednak složku pevnou vystupuj ící jako plnivo a jednak dvousložkové geopolymerní pojivo sestávající z pevné složky a z kapalné složky. Dosavadní stav techniky

Vysokopevnostní geopolymerní kompozity jsou známé, přičemž jejich chemické složení a podíly jednotlivých jejich komponent se různí podle zaměření účelu užití výrobku a doby potřebné k nabytí potřebné pevnosti geopolymemího kompozitu. Snahou je, aby geopolymerní kompozit io dosahoval potřebné pevnosti v krátké době a to bez potřeby zvyšování jeho teploty za účelem urychlení chemických reakcí při vytvrzování materiálu.

Geopolymerní matrice je složena z vytvrzené směsi alkalických silikátů a dalších složek na bázi oxidů křemíku, hliníku a dalších prvků. Tento materiál je na rozdíl od kompozitů na bázi organických pryskyřic nehořlavý. Geopolymery neboli anorganické polymery jsou tedy alkalicky aktivované hlinitokřemiČitany, u kterých vytvrzování probíhá polymerací na rozdíl od pojiv na bázi portlandského cementu, kde tvrdnutí probíhá hydratací slínkových minerálů. Všechny tyto kroky probíhají u geopolymerů ve vysoce alkalickém prostředí, které je podmínkou pro rozpuštění hlinitokřemičitanů. Rozpustnost hlinitokřemiěitanů lze zvýšit jejich zahřátím až na teplotu několika set stupňů celsia. Následná polymerace však vede ke vzniku nové amorfní nebo krysta20 lické fáze. Bylo zjištěno, že přídavek suroviny obsahující vápník urychluje proces tuhnutí a přispívá k dosažení vysokých pevností již během několika dnů zrání geopolymemího kompozitu.

Tak příkladně v patentovém spisu US 4 509 985 je uveden a popsán minerální polymer na bázi směsi metakaolínu a alkalického aktivátoru na bázi křemičitanu draselného a/nebo sodného a dále za přítomnosti hydroxidu draselného a/nebo sodného s dalším přídavkem vysokopecní gra25 nulované strusky. Nevýhodou tohoto materiálu je použití hydroxidu draselného resp. sodného pro přípravu alkalického aktivátoru a jeho užité množství, což vede k delší době tuhnutí směsi při pokojové teplotě a tím současně k pomalejšímu růstu pevnosti geopolymerů.

Patentový spis US 4 642 137 obsahuje pojivo sestávající ze 100 hmotnostních dílů metakaolínu, z 20 až 70 hmotnostních dílů mleté vysokopecní granulované strusky, z 85 až 130 hmotnostních dílů popílku nebo kalcinovaného lupku, ze 70 až 215 hmotnostních dílů amorfní siliky a z 55 až 145 hmotnostních dílů alkalického křemičitanu, který obsahuje 0 až 90 hmotnostních dílů hydroxidu sodného a/nebo draselného. Nevýhodou tohoto pojivá je obsah hydroxidu sodného a/nebo draselného jakožto alkalického aktivátoru.

V patentovém spisu US 5 482 549 je popsán cement, obsahující 20 až 80 % mleté vysokopecní granulované strusky, 30 až 70 % mletého elektrárenského popílku, dále 2 až 15 % mletého slínku portlandského cementu a 2 až 12 % pevného hydratovaného křemičitanu sodného se silikátovým modulem SiO₂: Na₂O = 0,8 : 1 až 1,2 : 1.

Geopolymerní cement je popsán v patentovém spisu US 5 372 640 a obsahuje 40 až 140 hmotnostních dílů metakaolínu, 20 až 70 hmotnostních dílů mleté vysokopecní granulované strusky,

85 až 130 hmotnostních dílů popílku nebo kalcinovaného lupku, 40 až 500 hmotnostních dílů speciálního typu amorfní siliky a 5 až 60 hmotnostních dílů alkalického křemičitanu, obsahujícího 1 až 50 hmotnostních dílů hydroxidu sodného a/nebo draselného. Nevýhodou tohoto postupu výroby geopolymemího cementu je použití hydroxidu sodného a/nebo draselného pro přípravu alkalického aktivátoru.

V patentovém spisu US 7 229 491 je popsán geopolymerní cement vhodný pro stavebnictví, který kromě metakaolínu obsahuje mletou vysokopecní granulovanou strusku o průměrné velikosti částic 15 až 25 pm a alkalicky aktivovanou kalcinovanou zvětralou žulu, která částečně

-1CZ 23171 Ul nebo úplně nahrazuje metakaolin. Jako alkalický aktivátor je použit draselný alkalický aktivátor se silikátovým modulem SiO₂ : K₂O = 1,27 : 1, jehož lze dosáhnout jen použitím hydroxidu draselného.

V patentovém spisu US 7 311 964 je popsána metoda přípravy kompozitního systému s použitím alkalirezistentních skleněných vláken s apreturou na bázi epoxidu, přičemž adheze mezi vlákny a anorganickou matricí se zlepšuje nanesením dodatečné mezivrstvy tvořené pryskyřicí. Nevýhodou tohoto způsobuje nutnost další výrobní operace.

Účelem technického řešení je vytvořit geopolymerní kompozit s dobrými mechanickými vlastnostmi, zejména vysokou pevností, jíž je možno dosáhnout již v průběhu několika málo dnů zráni kompozitu a to za běžné okolní teploty v rozmezí 20 až 30 °C.

Podstata technického řešení

Uvedené předpoklady splňuje vysokopevnostní geopolymerní kompozit, který obsahuje složku pevnou vystupující jako plnivo a dvousložkové geopolymerní pojivo, sestávající jednak z pevné složky a jednak z kapalné složky. Pevná složka a kapalná složka geopolymerního pojivá vytvářejí matrici geopolymemího kompozitu. Podstata řešení spočívá v tom, že pevnou složku dvousložkového geopolymemího pojivá tvoří suroviny obsahující metakaolinit a mletou vysokopecní granulovanou strusku. Kapalnou složku dvousložkového geopolymemího pojivá tvoří sodný alkalický aktivátor. Geopolymerní kompozit potom obsahuje 40 až 60 hmotnostních procent suroviny obsahující metakaolinit, 10 až 35 hmotnostních procent mleté vysokopecní granulované strusky a 10 až 30 hmotnostních procent sodného alkalického aktivátoru. Složkou pevnou ve formě plniva je u tohoto kompozitu žulový a/nebo čedičový kámen o zrnitosti 5 až 20 mm a to v množství 20 až 40 hmotnostních procent. Kromě žulového a/nebo čedičového kamene je možno do kompozitu přidat ještě 10 až 20 hmotnostních procent křemenného písku o zrnitosti 0,5 až 2 mm. Tento křemenný písek plní v geopolymemím kompozitu rovněž funkci plniva.

Surovina obsahující metakaolinit je tvořena alespoň ze 40 % hmotnostních AI2O3. Takovýto obsah A1₂O₃ v surovině zabezpečuje větší rozpustnost hliníku a křemíku v alkalickém prostředí. Takováto surovina je reaktivnější a má větší schopnost vytvářet pevnou matrici. Tato surovina ve směsi s mletou granulovanou vysokopecní struskou tvoří výhodnou pevnou složku dvousložkového geopolymemího pojivá. Sodným alkalickým aktivátorem tvořícím kapalnou složku dvousložkového geopolymemího pojívaje výhodně tekuté sodné vodní sklo se silikátovým modulem SiO₂: Na₂O - 1,6 : 1 až 2,1 : 1. Použité sodné vodní sklo je bez obsahu hydroxidu sodného. Do kapalné složky dvousložkového geopolymemího pojivá se při její výrobě přimíchá voda a to tak, aby hmotnostní poměr tekutého vodního skla sodného k hmotnostnímu poměru vody činil 1 : 0,1 až 1 : 0,9. Potom hmotnostní poměr pevné složky dvousložkového geopolymemího pojivá k hmotnostnímu poměru kapalné složky dvousložkového geopolymemího pojivá je v rozmezí 1 : 0,1 až 1 : 0,6.

Ze shora uvedeného složení geopolymemího kompozitu potom vychází, Že hmotnostní poměr pevné složky ve formě plniva k hmotnostnímu poměru dvousložkového geopolymemího pojivá jako takového je v rozsahu 1 : 1 až 1 : 4,17.

Při výrobě dvousložkového geopolymemího pojivá se postupuje tak, že se zvlášť připraví pevná složka dvousložkového geopolymemího pojivá a zvlášť kapalná složka geopolymemího pojivá. Obě části pevné složky dvousložkového geopolymemího pojivá, to je metakaolinit a mletá vysokopecní granulovaná struska, se smíchají v uvedených hmotnostních poměrech v mísiči a dobře promísí. Kapalná složka dvousložkového geopolymemího pojivá se rovněž dostatečně promíchá s vodou v uvedených hmotnostních poměrech. Dvousložkové geopolymerní pojivo se potom připraví přidáním kapalné složky k pevné složce dvousložkového geopolymemího pojivá. Smíchání pevné složky a kapalné složky dvousložkového geopolymemího pojivá se provede těsně před jeho použitím, přičemž se do směsi přidá plnivo, to je žulový a/nebo čedičový kámen o zrnitosti 5 až 20 mm v uvedených hmotnostních poměrech, čímž se dosáhne vytvoření geopoly-2CZ 23171 Ul memího kompozitu. Kromě žulového a/nebo čedičového kamene je možno ještě přidat uvedená množství křemenného písku o zrnitosti 0,5 až 2,0 mm jakožto další pevnou složku ve formě plniva. Směs je třeba dobře homogenizovat v mísiči či v míchačce. Vzniklou směs je možno využít jako geopolymemí maltu čí jako geopolymemí beton nebo jako geopolymemí vyztužený kompo5 zit.

Příklady provedení technického řešení

Příklad 1

Pevná složka vysokopevnostního geopolymemího pojivá byla vytvořena z 45 % hmotnostních ze suroviny obsahující metakaolinit a z 10 % hmotnostních mleté vysokopecní granulované strusky, ío vztaženo k sušině těchto látek. Kapalnou složku vysokopevnostního geopolymemího pojivá tvoří % hmotnostních sodného alkalického aktivátoru kterým je tekuté sodné vodní sklo se silikátovým modulem SiO₂: Na₂O = 1,8 : 1.

Po důkladném promísení pevné složky a po provedeném naředění tekutého sodného vodního skla vodou v poměru 1 : 0,3 byla tekutá složka vmíšena do pevné složky vysokopevnostního geopo15 lymemího pojivá. Pro vytvoření vysokopevnostního geopolymemího kompozitu bylo do uvedené směsi přidáno plnivo kterým je žulový a čedičový kámen o zrnitosti v rozmezí 5 až 20 mm a to v množství 35 % hmotnostních.

Ze zhomogenizované směsi je možno vytvořit různé tvarované předměty, příkladně ozdobné, architektonické prvky, odlitky do forem, obkladové panely, výrobky pro opravy budov a vozo20 vek, krycí desky, náhrobní kameny a další výrobky pro stavebnictví jako je umělý kámen, hranoly, obrubníky apod.

Výrobky je možno po jejich vytvrzení mechanicky opracovávat, brousit a také leštit. Tyto geopolymemí kompozity vykazují vysokou pevnost, tepelnou odolnost až do 1200 °C, odolnost proti kyselinám a také vysoký součinitel mrazuvzdomosti včetně rozměrové stálosti.

Podle obsahu jednotlivých složek ve vysokopevnostním geopolymemím kompozitu vychází doba tuhnutí dvousložkových geopolymemích pojiv od dvou hodin do cca pět a půl hodiny. Výhodou je, že se děje tak za běžné okolní teploty, to je mezi 20 až 30 °C. Rovněž počátek doby tuhnutí dvousložkových geopolymemích pojiv se různí a to od jedné hodiny až do cca čtyř hodin. Vlastní doba ztuhnutí dvousložkového geopolymemího pojivá je již relativně velmi krátká.

Příklad 2

Při přípravě pevné složky a tekuté složky vysokopevnostního geopolymemího pojivá v souladu s příkladem 1 se do takto připravené směsi kromě žulového a čedičového kamene vmísí navíc ještě 15 % hmotnostních křemenného písku o zrnitosti 0,5 až 2,0 mm, přičemž hmotnostní obsah žulového a čedičového kamene se sníží na hodnotu 20 hmotnostních procent. Dosažená struktura vysokopevnostního geopolymemího kompozitu se v důsledku obsahu křemenného písku zjemní a probarví odstínem užitého křemenného písku.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Vysokopevnostní geopolymemí kompozit, obsahující složku pevnou vystupující jako plnivo a dvousložkové geopolymemí pojivo sestávající jednak z pevné složky a jednak z kapalné

40 složky, vyznačující se tím, že pevnou složku dvousložkového geopolymemího pojiva tvoří suroviny obsahující metakaolinit a mletou vysokopecní granulovanou strusku a kapalnou složku dvousložkového geopolymemího pojivá tvoří sodný alkalický aktivátor, přičemž geopolymemí kompozit obsahuje 40 až 60 % hmotnostních suroviny obsahující metakaolinit, 10 až

-3CZ 23171 Ul

35 % hmotnostních mleté vysokopecní granulované strusky a 10 až 30 % hmotnostních sodného alkalického aktivátoru, přičemž složku pevnou ve formě plniva tvoří žulový a/nebo čedičový kámen o zrnitosti 5 až 20 mm v množství 20 až 40 % hmotnostních.
2. Vysokopevnostní geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím,

5 že surovinu obsahující metakaolinit tvoří alespoň ze 40 % hmotnostních A1₂O₃.
3. Vysokopevnostní geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že sodným alkalickým aktivátorem je tekuté sodné vodní sklo se silikátovým modulem SiO₂: Na₂O = 1,6 :1 až 2,1 :1.
4. Vysokopevnostní geopolymemí kompozit podle nároku 3, vyznačující se tím, io že hmotnostní poměr tekutého vodního skla sodného k hmotnostnímu poměru vody je v rozmezí

1 : 0,1 až 1 : 0,9.
5. Vysokopevnostní geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že hmotnostní poměr pevné složky dvousložkového geopolymemího pojivá k hmotnostnímu poměru kapalné složky dvousložkového geopolymemího pojívaje v rozsahu 1 : 0,1 až 1 : 0,
6.

15 6. Vysokopevnostní geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že další složkou pevnou ve formě plniva je 10 až 20 % hmotnostních křemenného písku o zrnitosti 0,5 až 2,0 mm.
7. Vysokopevnostní geopolymemí kompozit podle nároků 1 a 6, vyznačující se tím, že hmotnostní poměr pevné složky ve formě plniva k hmotnostnímu poměru dvousložko20 vého geopolymemího pojívaje v rozsahu 1 : 1 až 1 : 4,17.