Příprava geopolymerů
autor: Michal Řepík 2.E, konzultant: Ing. Jindřich Vorel
Cíl výzkumu
Definovat prioritní cíle při výzkumu geopolymerů bylo poměrně složité. V prvé řadě proto, že se jedná o zcela nové směsi, jež jsou známi jen ve světě, nebo v odvětvích vyšší chemie a hlavně proto, že tyto hmoty nikdy mezi zdmi školní laboratoře nebyly připraveny. Ale i tak vůbec prvním cílem bylo onu geopolymerní hmotu vytvořit. S každým novým vzorkem jsem podstupoval veliký krok do neznáma a během výzkumu se dostavovalo mnohem více otázek než odpovědí. Nakonec po vytvoření několika různorodých geopolymerních směsí jsem dospěl k jednoznačnému cíli. Omezit množství surovin natolik, aby směs vykazovala nejlepších pevnostních charakteristik. Neboli vytvořit ekonomicky i ekologicky optimální geopolymerní směs s vlastnostmi srovnatelnými s vlastnostmi betonu. Co se týče oněch surovin, zaměřil jsem se pouze na omezení vodního skla, které na pevnost geopolymeru mělo, jak se při dalším čtení dozvíme, největší vliv.
Problematika geopolymerů
Na otázku co je to vlastně geopolymer není ve skutečnosti lehké odpovědět. Pokud bychom měli být co možná nejstručnější, doslovně by pak slovo „Geopolymer“ znamenalo umělý kámen, resp. uměle vytvořený kámen. Přesněji by pak geopolymery byly amorfní až semikrystalické nanokompozitní látky vznikající tzv. geosyntézou. V posledních letech byly zaznamenány význačné pokroky ve vývoji těchto nových materiálů. Na základě geoopolymerační reakce je možno získat materiály (hydrokeramika), které konkurují tradiční keramice, a to bez nároků na vysokoteplotní procesy. Abychom se geopolymery mohli zabývat podrobněji, musíme se vrátit trochu zpět do klasické anorganické chemie. Základními stavebními kameny geopolymerní hmoty jsou totiž dva prvky, křemík (Si) a hliník (Al). Ve skutečnosti se ve směsi vyskytují i alkalické prvky jako jsou sodík (Na) nebo draslík (K), které mají vliv na celkovou stabilitu hmoty. K pochopení celé problematiky geopolymerů nám pomůže periodická soustava prvků:
Při pohledu do tabulky vidíme jasné uspořádání prvků do sloupců, neboli skupin a do řádků, kterým říkáme periody. Důležitým poznatkem, který nás v současnosti bude nejvíce zajímat je vlastní povaha prvků, tvořících geopolymer. Jednoduše řečeno, prvky, které jeví podobné chemické vlastnosti, jsou v tabulce řazeny právě do oněch skupin. Tedy do sloupců pod sebou. Jen pro příklad, v VII. A (17) skupině nalezneme tzv. halové prvky, které tvoří podobné sloučeniny (halogenidy), nebo bezkyslíkaté i kyslíkaté kyseliny. Vzájemně se však od sebe liší elektronovou konfigurací a obecně celkovou velikostí jádra a obalu atomu. Nicméně i tak mají velice podobné vlastnosti. O pár sloupců vlevo se nachází skupina IV. A (14), kde nalezneme nejdůležitější prvek v geopolymeru, křemík (Silicium). V celém sloupci se mimo jiné vyskytuje i uhlík a právě s ním má náš křemík nejvíce společného. Oba prvky totiž mají vlastnost vytvářet chemické řetězce. Uhlík se však používá, resp. vyskytuje v organické chemii, kde tvoří ve spolupráci s
vodíkem organické sloučeniny.
Křemík pak zase v přítomnosti aluminia (hliníku) vytváří jakési anorganické aluminosilikátové řetězce, ze kterých je geopolymer vytvořen. Nutno podotknout, že se jedná o prostorové (trojrozměrné) sítě tvořené pravidelnými čtyřstěny (tetraedry). Dostaneme se k nim při studiu surovin použitých pro výrobu. Dalším důležitým prvkem pro tvorbu aluminosilikátů je kyslík. Jelikož je známo, že obraz mluví za tisíce slov, podívejme se tedy na strukturu geopolymeru.
Takže podobně jako uhlík tak i křemík dokáže vytvářet řetězce, aluminosilikátové řetězce se často nazývají jako řetězce sialátové a podle složitosti a periodičnosti jednotlivých atomů prvků v sialátové síti rozeznáváme řady: poly(sialate), poly(sialate-siloxo) a poly(sialate disiloxo). Tyto podrobnosti, ač nám jsou velmi dobře známé, nejsou předmětem této práce a proto se o nich zmiňujeme pouze letmo. Při výrobě našeho geopolymeru pak máme na mysli aluminosilikátovou poly(sialatovou) síť. Sialátová síť obsahuje SiO44- a tetraedry AlO45- střídavě propojované kyslíkovými anionty. Pro vyrovnání náboje tetraedicky koordinovaného Al3+ jsou ve struktuře geopolymeru obsaženy kationy Na+, resp. K+, které jsou do směsi přidávány v podobě alkalického média (NaOH a KOH). Existuje teorie, že geopolymery byly používané již ve starověkém Egyptě jako materiál při budování pyramid. Touto hypotézou by pak následně odpadla problematika mechanického transportu kamenných dílců na stanoviště výstavby a jejich až neuvěřitelně přesné osazení do stavby. Realizace stavby by následně byla uskutečněna pomocí bednění, do kterého by se čerstvá geopolymerní směs lila a následně tuhla. Pevnost egyptských geopolymerů se po dvou měsících tuhnutí a tvrdnutí odhaduje na 15 MPa.
Kotvení pozinkované výztuže
autor: Lukáš Ryant 1.B, konzultant: Ing. Jindřich Vorel, Michal ŘepíkÚvod
V železobetonech se jako výztužný prvek pro tahová napětí používají různé druhy stavebních ocelí. Předpokládá se, že v betonech je alkalické prostředí, způsobeno přítomností Ca(OH)2 který vzniká při hydrataci cementu. Jelikož pro zvýšení ochrany oceli proti korozi některé firmy používají pozinkování, rozhodl jsem se vzhledem k tomu, že danou problematiku (chování zinku v alkalickém prostředí) dobře znám vyzkoušet daný jev na kotvení výztuže v betonu.
Z literatury je známé, že při reakci kovového zinku v alkalickém prostředí vzniká plynný vodík, který způsobuje porézní charakter cementového tmelu, zejména kolem pozinkované výztuže, a tím se sníží adheze mezi výztuží a cementovým tmelem a současně bude i menší koheze cementového tmelu vlivem zvýšení jeho pórovitosti. Plynný vodík se totiž v čerstvém stavu betonu implantuje i do vrstev vzdálených až několik milimetrů od výztuže.
Při reakci zinku s hydroxidem vápenatým vznikají různé druhy komplexních sloučenin typu hlinitanů např. [Zn(OH)3]-
Problematika pozinkovaných výztuží
Při trhání zabetonovaných výztuží jsem pro lepší posouzení prováděl vyhodnocení i graficky, díky kterému jsem mohl podrobněji zkoumat mechanismus posunu jednotlivých výztuží při jejich vytahování. Zjištěné skutečnosti jsou uvedeny v následujících grafech. Je zde patrno, že klasická ocel EZ 11373 bez povrchové úpravy se vytahuje v určitých intervalech, tak jak dochází k jejímu plastizování na mezi kluzu spojené se zmenšením profilu průřezu. Tento jev vychází z toho, že je ocel velmi dobře fixována na cementový tmel a tudíž adheze ji neuvolní až po odloupnutí zapříčiněné zmenšením jejího průřezu. Zatím co ocel pozinkovaná se vytahuje najednou vzhledem k tomu, že soudržnost mezi ocelí resp. povrchovou úpravou (zinkováním) je narušena tvořícím se vodíkem v nezatvrdlém cementovém tmelu. Grafický záznam je tak hladký a vytahování oceli je oproti nepozinkované plynulé s podstatně nižší (sníženou) přilnavostí výztuží a betonu.
Závěr
Zjistil jsem sníženou adhezi mezi pozinkovanou výztuží a cementovým tmelem. Z toho vyplývá, že povrchová ochrana výztuží zejména pozinkováním je absolutně nevhodná pro betonářské práce. Stejně tak se chovají pozinkované formy, které zapříčiňují zhoršení vzhledu povrchu betonových výrobků. Pozink nemůžeme použít jako výztuž, ale mohli bychom z něho vyrobit formu pro beton, který by byl použit jako obklad nebo dlažba.
