popioły lotne, geopolimery, kompozyty geopolimerowe, zastosowania i przykłady wdrożeń geopolimerów, zbrojenie rozproszone, geopolimery na bazie popiołów lotnych, własności mechaniczne
geopolymers, geopolymers composites, applications and case studies of geopolymers, geopolymers based on fly ash, mechanical properties
Przejście w Europie do gospodarki opartej na wiedzy i innowacjach to kwestia najbliższych 10–15 lat. W okresie tym należy się liczyć z dalszym zaostrzeniem wymogów ochrony środowiska i to przede wszystkim w kierunku promowania ekoinnowacyjności, zasadniczego zmniejszenia zużycia zasobów naturalnych przez zmiany energochłonności i materiałochłonności jednostkowej produktów oraz wzrostu recyrkulacji surowców i artykułów nabywanych, a także wzrostu konsumpcji dóbr niematerialnych. Wyjątkowo istotne będzie ograniczenie emisji gazów cieplarnianych. Istnieje zatem potrzeba kompleksowego podejścia do rozwoju (integracji polityki sektorowej z ekologiczną), promowania ekoinnowacyjności i rozwiązań alternatywnych, tak by móc sprostać zaostrzonym wymogom ekologicznym. Taką politykę należy rozpocząć już teraz, gdyż pozwoli ona na uzyskanie podwójnej korzyści – przewagi konkurencyjnej na rynku i zmniejszenia presji na środowisko (która też będzie miała ścisły wymiar ekonomiczny po wdrożeniu w szerszym zakresie mechanizmów handlu emisjami). Monografia przedstawia istotne zagadnienia dotyczące innowacyjnych i przyjaznych środowisku materiałów geopolimerowych (Część 1) oraz innych materiałów kompozytowych (Część 2), będących rozwiązaniami proekologicznymi. Produkcja najważniejszego materiału budowlanego XX wieku, cementu portlandzkiego, związana jest z istotnym zanieczyszczeniem środowiska oraz problemami natury energetycznej. Jego uzyskiwanie odbywa się w bardzo wysokiej temperaturze rzędu 1400–1500°C. Podczas produkcji emitowane są do atmosfery znaczne ilości dwutlenku węgla oraz wysoko toksyczne tlenki azotu. Jednym z głównych czynników stymulujących rozwój technologii nieorganicznych polimerów (geopolimerów) jest możliwość stworzenia realnej alternatywy dla cementu portlandzkiego. Szacuje się, że synteza geopolimerów jest zdecydowanie mniej energochłonnym procesem niż produkcja cementu portlandzkiego oraz powoduje wydzielanie 4–8 razy mniej dwutlenku węgla. Energetyka oraz przemysł wydobywczy i metalurgiczny wytwarzają ogromne ilości odpadów poprocesowych, których deponowanie w środowisku może powodować poważne problemy ekologiczne związane z zanieczyszczeniem gleby oraz wód powierzchniowych i podziemnych. Dlatego jednym z priorytetów w zakresie gospodarowania tego typu odpadami jest ich wykorzystanie do produkcji nowych, bezpiecznych dla środowiska materiałów. Produkcja geopolimerów może być realną alternatywą dla zagospodarowania niektórych odpadów sektora energetycznego, górniczego i metalurgicznego, w tym popiołów lotnych i żużli. W procesie geopolimeryzacji możliwe jest wykorzystanie znacznych ilości odpadów wytwarzanych przez te sektory i produkcję nowych wyrobów, a w związku z tym minimalizowanie wpływu tych sektorów na środowisko. Przede wszystkim energetyka powinna zauważyć, że wytwarza nie tylko energię elektryczną i gorącą wodę, ale również minerały antropogeniczne, które są surowcem do produkcji wyrobów w procesach nisko energochłonnych i nisko emisyjnych. Niebagatelną sprawą dla wizerunku sektora energetycznego w Polsce jest pokazanie go jako wytwórcy surowca do produkcji betonów geopolimerowych, mogących przyczynić się do istotnego ograniczenia emisji CO2. Część I zawiera następujące rozdziały: 1. Geopolimery – nowa przyjazna środowisku alternatywa dla betonów na bazie cementu portlandzkiego. Wprowadzenie. 2. Geopolimery – nowa przyjazna środowisku alternatywa dla betonów na bazie cementu portlandzkiego. Przykłady wdrożenia i wyniki badań. 3. Geopolimery zbrojone rozproszonym włóknem stalowym. 4. Nowoczesne kompozyty geopolimerowe zbrojone mączką drzewną. 5. Wpływ proporcji składników użytych przy wytwarzaniu na rozszerzalność cieplną i inne własności geopolimerów. 6. Antykorozyjne i odporne termicznie powłoki geopolimerowe i ich znaczenie dla środowiska. 7. Zagospodarowanie popiołów lotnych ze spalania węgla kamiennego w procesach zeolityzacji. 8. Przegląd technologii immobilizacji odpadów niebezpiecznych z wykorzystaniem geopo-limerów. W dwóch pierwszych rozdziałach przedstawiono rys historyczny technologii geopolimerów, opisano technologię wytwarzania, teoretyczne podstawy powstawania wiązań w geopolimerach oraz warunki procesu polikondensacji. Zaprezentowano najważniejsze właściwości materiałów geopolimerowych. Opisano również ich wpływ na środowisko. Scharakteryzowano parametry popiołów lotnych do produkcji materiałów geopolimerowych. Przedstawiono wybrane przykłady zastosowań geopolimerów, m.in. takie jak zastosowania w budownictwie, w odlewniach, jako składnik kompozytów, materiał na rury, podkłady kolejowe i wiele innych. Opisano przykłady wdrożeń technologii geopolimerów na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. Zaprezentowano też wyniki badań najważniejszych własności tej grupy materiałów, takie jak: wytrzymałość na ściskanie, współczynnik przewodzenia ciepła, odporność na wysokie temperatury, nasiąkliwość czy mrozoodporność. W dwóch kolejnych rozdziałach przedstawiono wyniki badań nad własnościami kompozytów zbrojonych rozproszonymi włóknami stalowymi oraz mączką drzewną. Stwierdzono, że dodatek włókien stalowych do mieszanki geopolierowej poprawia w znaczny sposób właściwości mechaniczne betonu geopolimerowego. Beton geopolimerowy wykazuje bardzo dobrą adhezję (przyleganie) do stali. Powoduje to bardzo dobre zakotwiczenie włókien stalowych w matrycy geopolimerowej, dzięki czemu nie występują mikropęknięcia między włóknem stalowym a matrycą geopolimerową. Potwierdza to tezę, że zaczyn geopolimerowy reaguje ze stalą, a bezpośrednio na granicy stal – geopolimer występuje zwarta mieszanina faz C-S-H i N-A-S-H. Dokonano oceny wpływu dodatku mączki drzewnej w procesie wytwarzania masy geopolimerowej na właściwości mechaniczne oraz gęstość tak otrzymanego kompozytu geopolimerowego. Stwierdzono, że dodatek mączki drzewnej podnosi wytrzymałość mechaniczną geopolimerów przy jednoczesnym obniżeniu ich gęstości. Wraz ze wzrostem ilości mączki drzewnej w kompozycie geopolimerowym obserwowano wykładniczy ubytek masy kompozytów. Potwierdzono odporność tego typu kompozytu na wysokie temperatury. W kolejnych dwóch rozdziałach przedstawiono wpływ rodzaju użytego popiołu lotnego oraz ilości zastosowanego przy wytwarzaniu betonów geopolimerowych aktywatora na rozszerzalność cieplną, wytrzymałość na ściskanie, odporność na uderzenia, odporność na ścieranie oraz wytrzymałość termiczną geopolimerów oraz przedstawiono możliwości zastosowań geopolimerów na powłoki ochronne zabezpieczające przed działaniem wysokiej temperatury oraz czynników korozyjnych. Rozszerzalność cieplna to niezwykle istotna cecha materiałów konstrukcyjnych. Decyduje ona o możliwym zakresie temperatur ich stosowania, a także determinuje możliwości współpracy w danej konstrukcji elementów wykonanych z różnych materiałów. Przeprowadzone badania wykazały, że geopolimery, wytwarzane na bazie popiołów lotnych z polskich elektrociepłowni, mogą być pełnowartościowym zamiennikiem dla materiałów dotychczas stosowanych do wytwarzania betonów portlandzkich oraz powłok ochronnych przed korozją i działaniem wysokich temperatur. Zarówno betony geopolimerowe, jak i powłoki ochronne wykonane z tych materiałów wykazują własności nie gorsze, a czasami nawet lepsze niż materiały konwencjonalne. Przedstawiono najważniejsze własności geopolimerów, związane z ochroną powierzchni takich materiałów jak stal, beton i drewno. Opisano dotychczasowe zastosowania oraz znaczenie powłok geopolimerowych dla środowiska. W części badawczej przedstawiono wyniki badań powłok geopolimerowych na bazie tufu wulkanicznego oraz popiołów lotnych. Zaprezentowano wyniki odporności na ścieranie, odporności na uderzenia oraz odporności na działanie wysokich temperatur. Rozdział dotyczący immobilizacji odpadów stanowi przegląd zastosowań procesu geopolimeryzacji jako rozwiązania technologicznego używanego do unieszkodliwiania odpadów niebezpiecznych, w tym toksycznych i radioaktywnych. Została w nim przedstawiona ogólna charakterystyka tematyki i jej krytyczna analiza na bazie dostępnych źródeł literaturowych, w tym najważniejszych prac badawczych w tym zakresie. Stanowi on próbę wyjaśnienia mechanizmów chemicznych i reakcji, dzięki którym możliwy jest proces związania pierwiastków niebezpiecznych. W artykule opisane zostały również istniejące luki i możliwości zastosowań dla procesu geopolimeryzacji w immobilizacji odpadów. Proces ten pozwala uzyskiwać materiały o wysokich właściwościach użytkowych i stanowi atrakcyjną alternatywę dla innych technologii immobilizacji. W porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami jest on tańszy, przyjazny dla środowiska oraz efektywny energetycznie. Na zakończenie tego rozdziału przedstawiono ogólne informacje dotyczące wytwarzania popiołów lotnych w Polsce oraz metody ich zagospodarowania. Zaprezentowano wyniki badań nad procesem alkalicznej aktywacji popiołów lotnych pochodzących z kotłów fluidalnych. Badania wykazały, że fluidalne popioły lotne mogą zostać wykorzystane do syntezy materiałów zeolitowych, stanowiąc tym samym jeden ze sposobów zagospodarowania tego typu popiołów. Badania otrzymanych materiałów zeolitowych wykazały, że charakteryzują się one bardzo dobrymi właściwościami powierzchniowo-sorpcyjnymi. Otrzymane materiały zeolitowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie jako sorbenty mineralne czy też sita molekularne.
792400 Inżynieria materiałowa
471900 Przemysł materiałów budowlanych
471929 Przemysł materiałów ogniotrwałych
631300 Materiały i wyroby budowlane
790000 Zagadnienia ogólne i międzydyscyplinarne nauk stosowanych oraz gałęzi gospodarki narodowej
470000 Przemysł mineralny
630000 Budownictwo
