Geopolimeri pe Bază de Metacaolin Activați Alcalin cu Adaos de Puzzolane

Domeniu: Chimie Generală

Conține 1 fișier: doc

Pagini : 46 în total

Cuvinte : 8699

Mărime: 5.77MB (arhivat)

Publicat de: Ducu Irimia

Puncte necesare: 8

Descarcă acum

1. Noţiuni introductive. 2
1.1. Definire. 2
1.2. Mecanisme de formare – geopolimerizare. 7
2. Rolul şi influenţa materiilor prime utilizate. 8
2.1. Componentul solid. 8
2.1. Componentul lichid. 12
2.3. Influenţe ale componenţilor geopolimerilor asupra proprietăţilor mecanice de rezistenţă la compresiune. 15
3. Proprietăţi. Aplicaţii existente 18
4. Partea experimentală 26
4.1. Materii prime şi activatori. Metode experimentale 26
4.2. Proprietăţi mecanice, termice şi ceramice 29
4.2.1. Proprietăţi mecanice şi termice 29
4.2.2. Proprietăţi ceramice 34
4.3. Analize termice 37
4.4. Studii de spectrometrie FTIR
4.3. Studii electronomicroscopice
5. Concluzii
Bibliografie. 22

1. Noţiuni introductive

1.1. Definire

În 1972, Davidovits a denumit reţelele alumino-silicatice tridimensionale “geopolimeri”. Acest tip de materiale se formează la temperaturi mici, în timp scurt, din alumino-silicaţi. În prezent, există nenumărate modalităţi de denumire a acestor materiale, inclusiv denumirile de ceramici liate alcalin, hidroceramici sau cimenturi activate alcalin. Toate aceste denumiri creează confuzii, dar în toate cazurile menţionate, este implicată activarea alcalină. Un termen mai general valabil pentru aceste materiale ar putea fi acela de „polimeri anorganici”.

Geopolimerii au compoziţii chimice similare zeoliţilor dar au microstructură amorfă. Sunt obţinuţi prin co-polimerizarea entităţilor alumino-silicaţilor individuale, rezultate la dizolvarea surselor de siliciu şi aluminiu la un pH mare, în prezenţa silicaţilor alcalini solubili. S-a arătat că prin geopolimerizare se poate transforma o gamă foarte mare de materiale alumino-silicate (naturale sau deşeuri) în materiale de construcţii cu proprietăţi deosebite, cum ar fi rezistenţa la foc sau la medii acide.

Glukhovsky a propus un mecanism de activare a materialelor care conţin silice şi alumină reactivă. Acest mecanism presupunea trei etape: a. ruperea reţelelor şi coagulare; b. coagulare – condensare; c. condensare – cristalizare. Mai mulţi autori au extins această teorie şi au aplicat-o pentru explicarea procesului de geopolimerizare care are loc la sinteza zeoliţilor. În figura 1 se prezintă într-un mod simplificat mecanismul de geopolimerizare.

Mecanismul prezentat în figura 1 evidenţiază rolul important al etapei de transformare a sursei de aluminosilicaţi (materia primă) în aluminaţi şi silicaţi, prin dizolvare. Procesul de dizolvare a sursei de aluminosilicaţi se face prin hidroliză alcalină, cu eliberarea de specii silicatice şi aluminoase.Trebuie subliniat că procesul de geopolimerizare depinde de materia primă folosită, de fineţea de măcinare a acesteia şi de tratamentul termic aplicat. Soluţia apoasă în care ajung speciile aluminosilicatice după dizovare poate conţine deja specii silicatice care aparţin soluţiei activatoare. Astfel se formează un amestec complex de specii silicatice, aluminatice şi aluminosilicatice realizându-se un echilibru între aceste specii. Procesul de dizolvare este rapid la pH mare, formându-se o soluţie aluminoslilicatică suprasaturată. În astfel de soluţii se formează faza gelică, prin condensarea oligomerilor din soluţie şi cu eliberare de apă – folosită iniţial pentru dizolvare. Se poate spune că apa joacă numai rolul de mediu de reacţie, ea regăsindu-se ulterior în porii gelului. Timpul necesar gelifierii soluţiei aluminosilicatice suprasaturate variază considerabil funcţie de natura materiiei prime, de condiţiile de procesare şi de compoziţia soluţiei.

Figura 1. Mecanismul de geopolimerizare

După gelifiere, sistemul continuă să se reorganizeze şi are loc creşterea reţelei aluminosilicatice tridimensionale atribuite geopolimerilor. Această etapă de reorganizare structurală este determinantă pentru microstructura şi distribuţia porilor geopolimerului rezultat, ambii fiind parametrii importanţi pentru proprietăţile geopolimerilor.

Structurile geopolimerilor sunt complexe, fiind constituite din lanţuri, placuţe şi reţele tridimensionale, formate din diferite unităţi structurale(sialat sau polisialat) realizate din tetraedre SiO44- şi AlO43- (numarul de tetraedre dintr-o unitate poate varia de la 1 la 5, iar numarul de oxigeni putaţi care unesc aceste tertraedre variază între 0 şi 4). În figura 2 se prezintă modele grafice ale polimerilor de tip Mn-(-Si-O-Al-O-)n (poli(sialat)) şi Mn-(-Si-O-Al-O-Si-O-)n (poli(sialat-silxo), precum şi reţele asociate.

Structurile de tip sialat (silico-oxo-aluminat), este formată din tetraedre SiO44- şi AlO43-, unite alternativ prin ioni de oxigen puntaţi. Cationii precum Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+ sau NH3+, H3O+ sunt poziţionaţi în interstiţiile reţelei.

Davidovits, J., 1988a. Soft Mineralurgy and Geopolymers. In: Davidovits, J., Orlinski, J. (Eds.), Proceedings of the 1st International Conference on Geopolymer ’88, vol. 1, Compiegne, France, 1–3 June, pp. 19– 23.

Davidovits, J., 2005. Geopolymer chemistry and sustainable Development. The Poly(sialate) terminology : a very useful and simple model for the promotion and understanding of green-chemistry. In: Davidovits, J. (Ed.), Proceedings of the World Congress Geopolymer, Saint Quentin, France, 28 June–1 July, pp. 9–15.

Duxson, P., Fernandez-Jimenez, A., Provis, J.L., Lukey, G.C., Palomo, A., Van Deventer, J.S.J., 2007c. Geopolymer technology: the current state of the art. Journal of Materials Science 42, 2917–2933.

Fernandez-Jimenez, A., Palomo, A., Criado, M., 2005. Microstructure development of alkali-activated fly ash cement: a descriptive model. Cement and Concrete Research 35 (6), 1204–1209.

Fernandez-Jimenez, A., Palomo, A., Sobrados, I., Sanz, J., 2006. The role played by the reactive alumina content in the alkaline activation of fly ashes. Microporous and Mesoporous Materials 91 (1–3), 111–119.

Van Deventer, J.S.J., Provis, J.L., Duxson, P., Lukey, G.C., 2007. Reaction mechanisms in the geopolymeric conversion of inorganic waste to useful products. Journal of Hazardous Materials 139 (3), 506–513.

Davidovits, J., 1991. Geopolymers: Inorganic polymeric new materials. Journal of Thermal Analysis 37, 1633–1656.

Perera, D.S., Uchida, O., Vance, E.R., Finnie, K.S., 2007. Influence of curing schedule on the integrity of geopolymers. Journal of Material Science 42, 3099–3106.

Grutzeck, M.W., Siemer, D.D., 1997. Zeolites synthesised from class F fly ash and sodium aluminate slurry. Journal of American Ceramic Society 80 (9), 2449–2458.

Xu, H., Van Deventer, J.S.J., 2002a. Microstructural characterisation of geopolymers synthesized from kaolinite/stilbite mixtures using XRD, MAS-NMR, SEM/EDX, TEM/EDX and HREM. Cement and Concrete Research 32, 1705–1716.

Barbosa, V.F.F., Mackenzie, K.J.D., 2003a. Synthesis and thermal behaviour of potassium sialate geopolymers. Materials Letters 57, 1477–1482.

Palomo, A., Grutzeck, M.W., Blanco, M.T., 1999. Alkali-activated fly ashes – A cement for the future. Cement and Concrete Research 29 (8), 1323–1329.

Bakharev, T., 2005. Geopolymeric materials prepared using Class F fly ash and elevated temperature curing. Cement and Concrete Research 35, 1224–1232.

Glukhovsky, V.D., 1994. Ancient, modern and future concretes. In: Krivenko, P.V. (Ed.), Proceedings of the 1st International Conference on Alkaline Cements and Concretes, 11–14 October. VIPOL Stock Company, Kiev, Ukraine, pp. 1–9.

Yip, C.K., Lukey, G.C., Van Deventer, J.S.J., 2005. The coexistence of geopolymeric gel and calcium silicate hydrate at the early stage of alkaline activation. Cement and Concrete Research 35 (9), 1688– 1697.

Panagiotopoulou, Ch., Kontori, E., Perraki, Th., Kakali, G., 2007. Dissolution of aluminosilicate minerals and by-products in alkaline media. Journal of Materials Science 42, 2967–2973.

De Silva, P., Sagoe-Crenstil, K., Sirivivatnanon, V., 2007. Kinetics of geopolymerization: Role of Al2O3 and SiO2. Cement and Concrete Research 37 (4), 512–518.

Chindaprasirt, P., Chareerat, T., Sirivivatnanon, V., 2007. Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymers. Cement & Concrete Composites 29, 224–229.

Perera, D.S., Blackford, M.G., Vance, E.R., Hanna, J.V., Finnie, K.S., Nicholson, C.L., 2004. Geopolymers for the immobilization of radioactive waste. In: Klemmer, J., Fert, A., Bass, J., Sun, J.Z. (Eds.), Proceedings of the Materials Research Society Symposium, pp. 607–612.

Sofi, M., Van Deventer, J.S.J., Mendis, P.A., Lukey, G.C., 2007. Engineering properties of inorganic polymer concretes (IPCs). Cement and Concrete Research 37, 251–257.

Fletcher, R.A., MacKenzie, K.J.D., Nicholson, C.L., Shimada, S., 2005. The composition range of aluminosilicate geopolymers. Journal of the European Ceramic Society 25 (9), 1471–1477.

Yip, C.K., Lukey, G.C., Van Deventer, J.S.J., 2004. Effect of blast furnace slag addition on microstructure and properties of metakaolinite geopolymeric materials. Ceramic Transactions 153, 187–209.