PL226104B1 - Tworzywo geopolimerowe oraz sposob wytwarzania tworzywa geopolimerowego - Google Patents
Tworzywo geopolimerowe oraz sposob wytwarzania tworzywa geopolimerowegoInfo
- 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
- 229920000876 geopolymer Polymers 0.000 title claims description 50
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 27
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 17
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 51
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 42
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Inorganic materials [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 38
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 26
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 22
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims description 21
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 19
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N Na2O Inorganic materials [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 15
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 12
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052626 biotite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 8
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 8
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 7
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 5
- 235000019353 potassium silicate Nutrition 0.000 claims description 5
- RLQWHDODQVOVKU-UHFFFAOYSA-N tetrapotassium;silicate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[K+].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] RLQWHDODQVOVKU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 239000003513 alkali Substances 0.000 claims description 2
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 10
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 6
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 description 5
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 4
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 4
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 3
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 3
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- DLHONNLASJQAHX-UHFFFAOYSA-N aluminum;potassium;oxygen(2-);silicon(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Si+4].[Si+4].[Si+4].[K+] DLHONNLASJQAHX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002956 ash Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000012241 calcium silicate Nutrition 0.000 description 2
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 2
- 239000010433 feldspar Substances 0.000 description 2
- 239000010438 granite Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 235000011837 pasties Nutrition 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 229910052654 sanidine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004111 Potassium silicate Substances 0.000 description 1
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052910 alkali metal silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005354 aluminosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 229910001579 aluminosilicate mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- -1 calcium aluminates Chemical class 0.000 description 1
- JHLNERQLKQQLRZ-UHFFFAOYSA-N calcium silicate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] JHLNERQLKQQLRZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052918 calcium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002734 clay mineral Substances 0.000 description 1
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011396 hydraulic cement Substances 0.000 description 1
- 229910052900 illite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001387 inorganic aluminate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000592 inorganic polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052909 inorganic silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052622 kaolinite Inorganic materials 0.000 description 1
- VGIBGUSAECPPNB-UHFFFAOYSA-L nonaaluminum;magnesium;tripotassium;1,3-dioxido-2,4,5-trioxa-1,3-disilabicyclo[1.1.1]pentane;iron(2+);oxygen(2-);fluoride;hydroxide Chemical compound [OH-].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[F-].[Mg+2].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[K+].[K+].[K+].[Fe+2].O1[Si]2([O-])O[Si]1([O-])O2.O1[Si]2([O-])O[Si]1([O-])O2.O1[Si]2([O-])O[Si]1([O-])O2.O1[Si]2([O-])O[Si]1([O-])O2.O1[Si]2([O-])O[Si]1([O-])O2.O1[Si]2([O-])O[Si]1([O-])O2.O1[Si]2([O-])O[Si]1([O-])O2 VGIBGUSAECPPNB-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 229920000548 poly(silane) polymer Polymers 0.000 description 1
- NNHHDJVEYQHLHG-UHFFFAOYSA-N potassium silicate Chemical compound [K+].[K+].[O-][Si]([O-])=O NNHHDJVEYQHLHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052913 potassium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- JBJWASZNUJCEKT-UHFFFAOYSA-M sodium;hydroxide;hydrate Chemical compound O.[OH-].[Na+] JBJWASZNUJCEKT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- CCEKAJIANROZEO-UHFFFAOYSA-N sulfluramid Chemical group CCNS(=O)(=O)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F CCEKAJIANROZEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003053 toxin Substances 0.000 description 1
- 231100000765 toxin Toxicity 0.000 description 1
- 108700012359 toxins Proteins 0.000 description 1
- 238000010626 work up procedure Methods 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
- Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
Description
Opis wynalazku
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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.
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,
PL 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.
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.
Tuf wulkaniczny jest minerałem dość powszechnie występującym w przyrodzie. Cechą charakterystyczną tufów jest duża porowatość oraz związany z nią niewielki ciężar właściwy.
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.
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.
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.
Przeciętny skład tlenkowy tufu filipowickiego (w % mas.) przedstawiono w tabeli 1.
T a b e l a 1
| SiO2 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO | MgO | TiO2 | K2O | Na2O |
| 56,04 | 5,38 | 16,73 | 5,39 | 0,60 | 0,85 | 9,16 | 0,39 |
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.
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.
Jako alkaliczne aktywatory glinokrzemianów, tworzywo geopolimerowe według wynalazku zawiera szkło wodne sodowe i/lub potasowe w wodnym roztworze wodorotlenku sodu i/lub potasu.
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.
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.
Sposób wytwarzania tworzywa geopolimerowego zawierającego naturalne glinokrzemiany, alkaliczne aktywatory i wodę, w którym materiał stanowiący źródło glinokrzemianów miesza się z wod4
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.
Operacja usuwania z tufu z niepożądanych składników może być prowadzona przed lub po operacji kalcynowania.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
Wynalazek objaśniono poniżej w kilku praktycznych przykładach jego realizacji, pokazujących kolejne etapy procesu wytworzenia tworzywa geopolimerowego.
PL 226 104 B1
P r z y k ł a d 1 (przygotowanie tufu do wytworzenia geopolimeru)
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.
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.
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.
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.
Tak spreparowany tuf wulkaniczny stanowi surowiec do sporządzenia na jego bazie tworzywa geopolimerowego.
P r z y k ł a d 2 (wytworzenie geopolimeru)
Przygotowuje się następujące składniki:
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.
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 temperaturach
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.
P r z y k ł a d 3 (wytworzenie geopolimeru)
Przygotowuje się następujące składniki:
części wagowych tufu filipowickiego (poddanego zgodnie z wynalazkiem uprzedniej obróbce mechanicznej i termicznej wg przykładu 1), część wagową szkła wodnego sodowego,
0,5 części wagowej wodorotlenku potasu KOH,
0,3 części wagowej wody.
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.
P r z y k ł a d 4 (wytworzenie geopolimeru)
Przygotowuje się następujące składniki:
części wagowych tufu filipowickiego (poddanego zgodnie z wynalazkiem uprzedniej obróbce mechanicznej i termicznej wg przykładu 1), część wagową szkła wodnego sodowego,
0,25 części wagowej wodorotlenku sodu NaOH,
0,5 części wagowej wody.
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.
Przedstawione wyżej przykłady należy traktować jako szczegółowe objaśnienie wynalazku, w niczym nie ograniczające jego istoty, ani zakresu ochrony.
Claims (10)
1. Tworzywo geopolimerowe zawierające naturalne glinokrzemiany, alkaliczne aktywatory glinokrzemianów i wodę, znamienne tym, że jako źródło glinokrzemianów zawiera tuf wulkaniczny, 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, rozdrobniony do wielkości ziaren 10-800 μm, korzystnie poniżej 100 μm i kalcynowany przez 2-4 godz. w temperaturze 700-850°C, zaś jako alkaliczne aktywatory zawiera sodowe i/lub potasowe szło wodne w wodnym roztworze wodorotlenku sodu i/lub potasu, przy czym 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.
2. Tworzywo geopolimerowe według zastrz. 1, znamienne tym, że zawiera tuf oczyszczony przynajmniej w części z niepożądanych składników, a zwłaszcza z biotytu i z kwarcu.
3. Tworzywo geopolimerowe według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że zawiera tuf rozdrobniony do średniej wielkości ziarna poniżej 100 μm, a najlepiej poniżej 40 μm.
4. Tworzywo geopolimerowe według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że zawiera 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.
5. Tworzywo geopolimerowe według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że 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.
6. Sposób wytwarzania tworzywa geopolimerowego zawierającego naturalne glinokrzemiany, alkaliczne aktywatory glinokrzemianów i wodę, w którym materiał stanowiący źródło glinokrzemianów miesza się z wodnym roztworem wodorotlenku metalu alkalicznego i szkła wodnego metalu alkalicznego, znamienny 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 oraz korzystnie oczyszcza przynajmniej w części z niepożądanych składników, zwłaszcza takich jak biotyt i kwarc, przy czym 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, natomiast jako alkaliczne aktywatory stosuje się sodowe i/lub potasowe szło wodne w wodnym roztworze wodorotlenku sodu i/lub potasu, w takiej ilości 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.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że niepożądane składniki usuwa się z tufu przed lub po operacji kalcynowania.
8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że używa się tufu rozdrobnionego do średniej wielkości ziarna poniżej 100 μm, a najlepiej poniżej 40 μm.
9. Sposób według zastrz. 6 albo 8, znamienny tym, że używa się alkalicznych aktywatorów zawierających 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.
10. Sposób według zastrz. 6 albo 8, znamienny tym, że używa się alkalicznych aktywatorów zawierających szkło wodne sodowe i wodorotlenek potasu, w ilości 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL401579A PL226104B1 (pl) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | Tworzywo geopolimerowe oraz sposob wytwarzania tworzywa geopolimerowego |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL401579A PL226104B1 (pl) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | Tworzywo geopolimerowe oraz sposob wytwarzania tworzywa geopolimerowego |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL401579A1 PL401579A1 (pl) | 2014-05-26 |
| PL226104B1 true PL226104B1 (pl) | 2017-06-30 |
Family
ID=50771785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL401579A PL226104B1 (pl) | 2012-11-12 | 2012-11-12 | Tworzywo geopolimerowe oraz sposob wytwarzania tworzywa geopolimerowego |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL226104B1 (pl) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112239330A (zh) * | 2020-11-05 | 2021-01-19 | 兰州大学 | 一种碱激发凝灰岩胶凝材料及其制备方法 |
| CN113548823A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-10-26 | 深圳大学 | 一种硅铝酸钾纳米凝胶前驱体外加剂及其在低钙体系地聚合物中的应用 |
| 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 (zh) * | 2020-03-13 | 2021-10-19 | 常熟理工学院 | 利用凝灰岩制备羟基磷灰岩功能化地质聚合物吸附剂的方法 |
| CN111606617A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-09-01 | 中建西部建设新疆有限公司 | 一种凝灰岩地质聚合物复合材料及其制备方法 |
-
2012
- 2012-11-12 PL PL401579A patent/PL226104B1/pl 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 (zh) * | 2020-11-05 | 2021-01-19 | 兰州大学 | 一种碱激发凝灰岩胶凝材料及其制备方法 |
| CN113548823A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-10-26 | 深圳大学 | 一种硅铝酸钾纳米凝胶前驱体外加剂及其在低钙体系地聚合物中的应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL401579A1 (pl) | 2014-05-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yıldırım et al. | Development of alkali-activated binders from recycled mixed masonry-originated waste | |
| Tchadjie et al. | Enhancing the reactivity of aluminosilicate materials toward geopolymer synthesis | |
| Bagci et al. | Fully reacted high strength geopolymer made with diatomite as a fumed silica alternative | |
| Görhan et al. | The effect of curing on the properties of metakaolin and fly ash-based geopolymer paste | |
| Kürklü | The effect of high temperature on the design of blast furnace slag and coarse fly ash-based geopolymer mortar | |
| RU2599742C2 (ru) | Геополимерный композит для бетона ультравысокого качества | |
| Morsy et al. | Effect of sodium silicate to sodium hydroxide ratios on strength and microstructure of fly ash geopolymer binder | |
| Reig et al. | Influence of the activator concentration and calcium hydroxide addition on the properties of alkali-activated porcelain stoneware | |
| ES2638051T3 (es) | Procesamiento de cenizas volantes y fabricación de artículos que incorporan composiciones de cenizas volantes | |
| CN100349822C (zh) | 基于聚[硅铝酸盐－二硅氧基]的地质聚合物水泥 | |
| PL226104B1 (pl) | Tworzywo geopolimerowe oraz sposob wytwarzania tworzywa geopolimerowego | |
| Sarıdemir et al. | Effects of Ms modulus, Na concentration and fly ash content on properties of vapour-cured geopolymer mortars exposed to high temperatures | |
| 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 | |
| Kourti et al. | Geopolymers prepared from DC plasma treated air pollution control (APC) residues glass: properties and characterisation of the binder phase | |
| KR20120044014A (ko) | 고강도 지오폴리머 조성물 및 그 제조방법 | |
| RU2074144C1 (ru) | Сырьевая смесь для приготовления химически стойкого кремнебетона автоклавного твердения | |
| CN102875039A (zh) | 用硫酸镁溶液提高氢氧化钠激发矿渣胶凝材料强度的方法 | |
| Molinari et al. | Zeolites and modified clays in environmentally sustainable building materials | |
| JP4630446B2 (ja) | 無機質硬化性組成物とその製造方法、無機質硬化体とその製造方法及び石膏系硬化体並びにセメント系硬化体 | |
| Luhar et al. | Valorization of geopolymer paste containing wastes glass | |
| Colorado Lopera et al. | Alkali-activated cement manufactured by the alkaline activation of demolition and construction waste using brick and concrete wastes | |
| Muduli et al. | Wetting and drying cycle effect on strength of geopolymer fly ash building brick | |
| Jiemsirilers | 3 Development of |