CZ36122U1

CZ36122U1 - Rychletuhnoucí geopolymerní kompozit pro speciální aplikace

Info

Publication number: CZ36122U1
Application number: CZ2022-39756U
Authority: CZ
Inventors: Ewa Katarzyna Buczkowska; Buczkowska Ewa Katarzyna Ing., Ph.D; Petr Louda; CSc Louda Petr prof. Ing.
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2022-06-07

Description

Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit pro speciální aplikace

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká kompozitního materiálu na bázi geopolymeru vyztuženého prostřednictvím dalších příměsí, které vylepšují jeho mechanické vlastnosti. Vyztužený geopolymemí kompozit je určen k využití v aplikacích, které vyžadují zlepšené mechanické vlastnosti oproti běžným geopolymerům či betonům.

Dosavadní stav techniky

Geopolymery jsou anorganické polymery vznikající polykondenzací hlinitokřemičitých materiálů v zásaditém prostředí, kterého se obvykle dosahuje pomocí speciálních aktivačních roztoku tvořených hydroxidy a oxidy alkalických kovů. Tyto materiály mohou být přírodního (metakaoliny) či umělého původu (odletový popílek). Při reakci vznikají tzv. polysialáty se zeolitickou strukturou. Tento proces imituje přírodní procesy vytvrzování hornin, byť je mnohem rychlejší. Geopolymery mají oproti portlandskému cementu (nejčastěji využívanému stavebnímu materiálu) vyšší pevnost v tlaku, odolnost proti vysokým teplotám, chemickým vlivům, nižší spotřebu energie a také emise CCT při jejich výrobě a nižší tepelnou vodivost. Nižší je naopak pevnost v tahu a ohybu, díky čemuž je vhodné geopolymery vyztužit, podobně jako beton, jehož pevnost v tahu též není příliš vysoká.

Geopolymemí kompozity je možné využít jako alternativu betonu, především do prostředí, kde jsou lépe zužitkovány jejich vlastnosti. Například jejich odolnost vůči vysokým teplotám je umožňuje využít jako formy pro odlévání skla či kovů, zatímco jejich nízká tepelná vodivost a možnost jejich jednoduchého vypěnění umožňuje jejich využití v pasivní protipožární ochraně.

Podstata technického řešení

Předmětem technického řešení je geopolymemí kompozitní materiál se specifickým složením a určitými rozsahy příměsí, které takto připravenému geopolymemímu kompozitu poskytují zlepšené mechanické vlastnosti, díky čemuž je materiál vhodný pro aplikace, při kterých je namáhán, například jako silniční podklad, stavební materiál či materiál pro nanášení ochranných vrstev na budovy či jiné objekty.

Geopolymemí kompozit je vytvořen s příměsemi, vyjádřených v procentech hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Základ kompozitu vždy tvoří geopolymemí cement a alkalický aktivátor tvořený vodným roztokem křemičitanu sodného nebo draselného v množství tvořícím 65 % až 112 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Geopolymemí cement tvoří hlinitokřemičité pojivo na bázi metakaolinu a/nebo mleté vysokopecní granulované stmsky a/nebo odletového popílku ve zvoleném jednotkovém množství, vůči tomuto užitému množství geopolymemího cementuje vztahováno a také určováno procentní množství dalších přísad geopolymemího kompozitu. Těmito přísadami kompozitu jsou dále uváděné příměsi, a to buď jednotlivě nebo ve vzájemné kombinaci. Hlavní příměsí kompozitu je sádra v práškové formě, která je obsažena v geopolymemím kompozitu vždy, a to v množství tvořícím 0,1 až 5 % použitého množství geopolymemího cementu. Další příměsí kompozitu je křemičitý písek o zrnitosti 0,1 až 0,63 mm v množství 5 až 200 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, dále silika, tvořená nanočásticemi oxidu křemičitého o jemnosti 0,1 až 0,3 pm v množství 5 až 15 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, potom uhlíková mikrovlákna o průměrů 6 ± 1 pm s délkou vláken 6 mm v množství 1 až 5 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Geopolymemí kompozit obsahuje příměs disiřičitanu sodného v práškové formě jakožto emulgátom v množství 5 až 10 % hmotnosti použitého množství geopolymemího cementu, dále příměs vysokoviskózní

-1 CZ 36122 UI hydroxyethyl celulózy v práškové formě v množství 1 až 3 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Obvyklé množství použitého aktivátoru se pohybuje okolo 90 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu.

Tyto kompozitní směsi je také možno v závislosti na jejich využití vyztužit jednou nebo více zpevňovacími sítěmi z uhlíkových vláken, která v zásaditém prostředí geopolymemí směsi nedegradují. Vhodné jsou sítě s velikostí ok od 10 x 10 mm až do 50 x 50 mm, které jsou vloženy do tloušťky vrstvy geopolymem a vykazují měrnou hmotnost od 130 do 500 g/m².

Sádra zajišťuje rychlejší schnutí a lepší adhezi k povrchům, především k těm vertikálním, což směsi se sádrou činí ideálními pro využití jakožto odolných a izolujících omítek. Avšak příliš vysoký obsah sádry (přes 5 %) by vedl k popraskání geopolymem při schnutí. Dodatečné přísady mohou dále zlepšit užitné vlastnosti geopolymemího materiálu.

Uhlíková mikrovlákna a uhlíkové sítě zlepšují mechanické vlastnosti výsledného geopolymemího kompozitu, disiřičitan sodný slouží jako emulgátor tekuté směsi a urychluje geopolymerizaci a celulóza brání praskání směsi a zvyšuje elasticitu směsi, což zlepšuje možnost nanášení kompozitu na různé povrchy. Písek a silika také zlepšují mechanické vlastnosti geopolymemího kompozitu, přičemž písek zároveň slouží jako plnivo.

Příklady uskutečnění technického řešení

Následující příklady provedení technického řešení slouží k jeho objasnění, aniž by jimi bylo technické řešení, jakkoliv omezeno.

Příklad 1

Geopolymemí směs měla následující složení. Základ směsi tvořil geopolymemí cement obsahující hlinitokřemičité pojivo na bázi metakaolinu ve zvoleném jednotkovém množství s dalšími příměsemi, kterými jsou alkalický aktivátor tvořený vodným roztokem křemičitanu sodného nebo draselného v množství tvořícím 90 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu a sádra v práškové podobě v množství 4 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Směs je možno využít například jako stavební omítku, kdy se využívá její mechanická odolnost, nízká tepelná vodivost, a především dobrá adheze k vertikálnímu povrchu a rychlé schnutí. Nicméně obsah sádry vyšší než 5 % hmotnosti cementu může vést k praskání geopolymem. Geopolymer se využije také jako základ pro další směsi, nicméně vlastnosti kompozitu mohou být zlepšeny shora vyjmenovanými dodatečnými přísadami.

Příklad 2

Kompozitní směs obsahovala kromě základních přísad sádm v práškové podobě v množství 4 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, křemičitý písek o velikosti částic v rozmezí od 0,1 do 0,5 mm v množství 100 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu a příměs mikrosiliky o jemnosti 0,1 až 0,3 pm v množství tvořícím 10% hmotnosti geopolymemího cementu. Použité množství alkalického aktivátom představovalo 90 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu.

Podobně jako předchozí kompozitní směs je i tuto směs možné používat například jako omítku s jemným vzhledem, použitá silika a písek navíc geopolymemí směs zpevňuje a zvyšuje její trvanlivost i chemickou odolnost. Písek také slouží jako plnivo a zajišťuje směsi „hrubý“ vzhled.

Příklad 3

Další vytvořená směs obsahovala kromě základních přísad sádm v práškové podobě v množství

-2 CZ 36122 UI % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, křemičitý písek o velikosti částic v rozmezí od 0,1 do 0,63 mm v množství 100 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu a příměs uhlíkových mikrovláken o průměru 6 ± 1 pm o délce vláken 6 mm v množství 2 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Alkalický aktivátor představoval 90 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu.

Uhlíková vlákna výrazně zlepšují mechanické vlastnosti geopolymem, především pevnost v tahu za ohybu, která není u samotného geopolymem příliš dobrá. V kombinaci s křemičitým pískem a sádrou je možné tuto směs využívat jako stavební materiál nebo odolnější omítku. Uhlíková vlákna bývají obvykle využívána v kombinaci se silikou.

Příklad 4

Další kompozitní směs obsahovala sádru v práškové podobě v množství 4 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, příměs disiřičitanu sodného v práškové formě v množství 5 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu a alkalický aktivátor v množství 90 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Geopolymemí kompozit obsahoval také geopolymemí cement o zvoleném hmotnostním množství, k jehož zvolené hmotnosti se udává použité množství disiřitanu sodného a křemičitého písku. Disiřičitan sodný slouží jako emulgátor tekuté směsi, vhodný je především pro použití při větším množství dalších přísad v geopolymemím kompozitu.

Příklad 5

Další vhodná geopolymemí směs obsahuje sádru v práškové podobě v množství 4 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu a příměs vysokoviskózní hydroxyethyl celulózy v práškové formě v množství 5 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Alkalického aktivátoru je použito 90 % hmotnosti geopolymemího cementu. Základ geopolymem tvoří geopolymemí cement složený z hlinitokřemičitého pojivá na bázi metakaolinu a elektrárenský odletový popílek. Užitá celulóza brání praskání geopolymem a také zvyšuje elasticitu směsi. Takto připravená směs je vhodná pro přípravu bezvadných vrstev geopolymem či geopolymem v kombinaci s přísadami, které by neměly vyvolat praskání kompozitu, jako způsobuje příkladně sádra ve větším obsahu než 5 % hmotnosti použitého množství geopolymemího cementu.

Příklad 6

Tento příklad dokládá užití uhlíkové sítě, která je vložena buď do geopolymemí formy nebo do tloušťky vrstvy geopolymem, resp. na povrch, na který je kompozitní směs nanášena. Kompozitní směs obsahuje geopolymemí cement, 90 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu alkalického aktivátoru a sádm v práškové podobě v množství 4 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu. Užita je síť z uhlíkových vláken s velikostí ok 20 x 20 mm o měrné hmotnosti 250 g/m². Uhlíkové sítě obecně zlepšují mechanické vlastnosti geopolymem, především pevnost v tahu. Jsou vhodné prakticky pro geopolymer jakéhokoliv složení.

Příklad 7

Specifikem této geopolymemí směsi je vysoký obsah jemného křemičitého písku, konkrétně 100 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, což je nejvyšší obsah ve stanoveném rozsahu. Směs měla následující složení. Geopolymemí cement a alkalický aktivátor v množství 90 % hmotnosti z použitého množství geopolymemího cementu tvoří základní přísady kompozitu. Použitý křemičitý písek o velikosti částic v rozmezí 0,1 až 0,5 mm. Dalšími přísadami jsou mikrosilika o jemnosti 0,1 až 0,3 pm v množství tvořícím 10% hmotnosti použitého geopolymemího cementu, uhlíková mikrovlákna o průměru 6 ± 1 pm s průměrnou délkou vláken 6 mm v množství 1 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, disiřičitan sodný v práškové formě v množství 5 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, vysokoviskózní hydroxyethyl celulózy v práškové formě v množství 1 % hmotnosti použitého geopolymemího

-3 CZ 36122 UI cementu a sádra v práškové formě v množství 2 % hmotnosti použitého množství geopolymemího cementu.

Takto připravená geopolymemí směs je v hodná například jako materiál pro opravu prasklin ve stěnách či jako omítka. Dodatečně přísady dále zlepšují mechanické vlastnosti, urychlují schnutí a omezují praskání geopolymeru. Uvedené přísady je vhodné využívat současně pro výrazné zlepšení mechanických i užitných vlastností kompozitu.

Příklad 8

Specifikem této geopolymemí směsi je rovněž obsah jemného křemičitého písku, konkrétně 100 % hmotnosti oproti hmotnostnímu obsahu geopolymemího cementu. Geopolymemí cement a alkalický aktivátor v množství 90 % hmotnosti z použitého množství geopolymemího cementu tvoří základní přísady kompozitu. Směs měla následující složení. Mikrosiliku o jemnosti 0,1 až 0,3 pm v množství 10 % hmotnosti použitého množství geopolymemího cementu, uhlíková mikrovlákna o průměru 6 ± 1 pm s průměrnou délkou vláken 6 mm v množství 1 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, disiřičitan sodný v práškové formě v množství 5 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, vysokoviskózní hydroxyethyl celulózu v práškové formě v množství 1 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu a sádm v práškové formě v množství 3 % hmotnosti použitého množství geopolymemího cementu.

Takto připravená geopolymemí směs je též vhodná například jako materiál pro opravu prasklin ve stěnách či jako omítka. Využití všech dodatečných přísad dále zlepšuje mechanické vlastnosti směsi, urychluje schnutí a omezuje praskání geopolymeru. Specifikem této směsi je 3 % obsah sádry.

Příklad 9

Specifikem této geopolymemí směsi je 100 % obsah hrubého křemičitého písku s částicemi okolo 0,63 mm oproti obsahu geopolymemího cementu. Geopolymemí cement a alkalický aktivátor, kterého je použito v množství 90 % hmotnosti z použitého množství geopolymemího cementu tvoří základní přísady kompozitu. Směs měla následující složení. Mikrosiliku o jemnosti 0,1 až 0,3 pm v množství 10 % hmotnosti použitého množství geopolymemího cementu, uhlíková mikrovlákna o průměru 6 ± 1 pm s průměrnou délkou vláken 6 mm v množství 1 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, disiřičitan sodný v práškové formě v množství 3 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu, vysokoviskózní hydroxyethyl celulózu v práškové formě v množství 1 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu a sádm v práškové formě v množství 5 % hmotnosti použitého množství geopolymemího cementu.

Takto připravená geopolymemí směs je vhodná například jako termoizolační mezivrstva či omítka s hmbým vzhledem, též muže sloužil například jako základ pro směsi s dalšími příměsemi, příkladně kamínky pro vytvoření přírodního vzhledu omítky. Aplikace dodatečných přísad do kompozitu dále zlepšuje mechanické vlastnosti, urychluje schnutí a omezuje praskání geopolymeru.

Specifikem této směsi je 5 % obsah sádry. Vyšší obsah sádry zajišťuje rychlejší schnutí celé směsi a uvedený obsah 5% představuje její maximální možný podíl. Vyšší obsah sádry by vedl k popraskání povrchu kompozitu při schnutí.

Průmyslová využitelnost

Takto připravené geopolymemí směsi vykazují díky příměsi sádry zlepšenou adhezi k povrchům, včetně těch vertikálních, což umožňuje jejich využití jakožto materiálu pro opravu prasklin ve stěnách, termoizolační vrstvu či obecně jako omítku. Povrch směsi navíc není hmbý. Další přísady

-4 CZ 36122 UI dále zlepšují vlastnosti geopolymeru.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit pro speciální aplikace, vytvořený na bázi geopolymemího cementu, vyznačující se tím, že obsahuje cement složený z hlinitokřemičitého pojivá na bázi metakaolinu a/nebo mleté vysokopecní granulované strusky a/nebo odletového popílku ve zvoleném jednotkovém množství s dalšími příměsemi, kterými jsou alkalický aktivátor tvořený vodným roztokem křemičitanu sodného nebo draselného v množství tvořícím 65 až 112% hmotnosti použitého geopolymemího cementu, a sádra v práškové formě v množství 0,1 až 5 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu.
2. Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že je dále vytvořen s příměsí mikrosiliky o jemnosti 0,1 až 0,3 pm v množství 5 až 15% hmotnosti použitého geopolymemího cementu.
3. Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že je dále vytvořen s příměsí křemičitého písku o zrnitosti 0,1 až 0,63 mm v množství 5 až 200 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu.
4. Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující setím, že je dále vytvořen s příměsí uhlíkových mikrovláken o průměru 6 ± 1 pm a délkou vláken 6 mm v množství 1 až 5 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu.
5. Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující setím, že je dále vytvořen s příměsí disiřičitanu sodného v práškové formě v množství 5 až 10% hmotnosti použitého geopolymemího cementu.
6. Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující setím, že je dále vytvořen s příměsí vysokoviskózní hydroxyethyl celulózy v práškové formě v množství 1 až 3 % hmotnosti použitého geopolymemího cementu.
7. Rychletuhnoucí geopolymemí kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že v tloušťce vrstvy geopolymeru je obsažena alespoň jedna síť z uhlíkových vláken s velikostí ok od 10 x 10 mm až do 50 x 50 mm o měrné hmotnosti 130 až 500 g/m².