Projekti / Programi
Mehanizmi utrjevanja pepelov po postopku geopolimerizacije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.01.00 |
Tehnika |
Gradbeništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T220 |
Tehnološke vede |
Gradbeništvo, hidravlika, priobalna tehnologija, mehanika zemljin |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.01 |
Tehniške in tehnološke vede |
Gradbeništvo |
odpadni pepeli, reciklaža, geopolimeri, alkalno aktivirani materiali, mehanizmi utrjevanja, gradbeni proizvodi, trajnost
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
11292 |
dr. Vilma Ducman |
Gradbeništvo |
Vodja |
2014 - 2016 |
503 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
1502 |
Zavod za gradbeništvo Slovenije |
Ljubljana |
5866324000 |
10.455 |
Povzetek
Geopolimeri so anorganski materiali, ki temeljijo na (i) reaktivni komponenti v trdnem stanju, ki vsebuje SiO2 in Al2O3 v zadostni količini in reaktivni obliki (denimo razni pepeli, predhodno žgane gline), in (ii) alkalna aktivacijska raztopin, ki (poleg vode) vsebuje hidrokside in silicate. Z mešanjem obeh component pride najprej do raztapljanja elementov v alkalnem mediju ter nato do utrjevanja zaradi tvorbe alumosilikatov, ki so lahko amorfni ali delno kristalinični. Ti materiali predstavljajo novo vrsto perspektivnih materialov, ki so okoljsko prijazna in tehnično sprejemljiva alternative okoljsko obremenjujočemu cementu Čeprav raziskave na področju geopolimerov intenzivno potekajo, jezaradi kompleksnega procesa še vedno nerazjasnjenih veliko vprašanj, prav tako tudi metodologija še ni enoznačno vzpostavljena.
V sklopu predlaganega projekta je glavni cilj preveriti vsaj pet pepelov, ki so lokalno na voljo, glede njihove potencialne uporabnosti za geopolimere ter iz njih pripraviti učinkovite geopolimere s čim bolšjimi lastnostmi. Preverili bomo koliko je pepelov na voljo ter jih okarakterizirali z namemom določitve njihove uporabnosti za geopolimere skladno z najnovešimi spoznanji iz procesa geopolimerizacije. Predvidene analize bodo obsegale določevanje kemijske sestave, kristalne faze in delež amorfne faze oz. delež topnega aluminija in silicija ter fizikalnih parametrov kot je velikost delcev in specifična površina. Glede na rezultate analiz pepelov, bomo pripravili vzorce z različnimi razmerji dodatka aktivatorjev: različni aktivatorji v različni količini, predvidoma NaOH in natrijev silikat (vodno steklo) bodo dodani izbranim pepelom.
Tako pripravljene vzorcev bomo preskušali v svežem in otrdelem stanju; pri tem bomo
uporabili standardne metode za preskušanje malt. Vzorce bomo istočasno ovrednotili tudi na mikrostrukturnem nivoju (rentgenska analiza, SEM, FTIR, Hg, porozimetrija, BET, μCT...) kar nam bo omogočilo ugotavljanje vpliva parametrov izhodnega materiala na končne lastnosti.
Izbrane, optimizirane vzorce bomo nato izpostavili različnim trajnostnim testom (zmrzovanje, izpostavitev solem, segrevanje do povišanih temperatur…) za določitev njihove odpornosti oz trajnosti. Analiza rezultatov (od analize vhodnih surovin do lastnosti vzorcev pred in po staranju skupaj z mikrostrukturnimi analizami) nam bo dala vpogled v mehanizme vezanja, kar nam bo omogočilo načrtovanje geopolimerov z želenimi lastnostmi.
Novo pridobljene materiale bomo ocenili za uporabo v gradbeništvu (poudarkek na mehanskih lastnostih in trajnosti) in pridobili nova znanja za načrtovanje geopolimerov z različnimi lastnostmi tudi za druge namene ter s tem vzpostavili metodologijo za oceno druge vrste odpadkov (npr. lokalno dostopne žlindre in raznih muljev) za geopolimerizacijo.
V Sloveniji še ni skupine, ki bi se sistematsko ukvarjala z geopolimeri, še posebej ne za uporabo v gradbeništvu. Tako bo s pričujočo nalogo odprto novo raziskovalno polje na nacionalnem nivoju, z možnostjo prenosa znanj v industrijo in izobraževalni proces.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskave geopolimerov oz alkalno aktiviranih materialov so v velikem vzponu v zadnjih letih; da je problematika aktualna dokazujejo številne objave, citati, patenti, projekti, prenosi v industrijo… Ocenjujem, da je največji doprinos k znanosti v okviru projekta dosežen z analizo petih lokalno dostopnih pepelov in oceno njihovega potenciala za proces geopolimerizacije. Na elektrofilterskih pepelih je bilo narejenih že precej preiskav, na pepelih iz biomase pa ni veliko dostopnih informacij oz so le-ti manj primerni za proces geopolimerizacije, saj zaradi vsebnosti predvsem organskih delcev. Podobno se je potrdilo tudi v naših raziskavah, kjer je od petih lokalno dostopnih pepelov ocena, da sta dva primerna za postopke alkalne aktivacije. Za vrste pepelov, ki pa niso primerni pa potekajo aktivnosti, do kakšne mere je takšne mogoče separirati v frakcije, ki se pa lahko uporabijo (ali se uporabijo drugje). V sklopu projekta smo bili uspešni tudi pri pripravi geopolimernih pen z dodatkom Al prahu in H2O2. Določili smo potebne dodatke penilcev kakor tudi proces nege, tako da smo dosegli gostote 0,3 g/cm3 ob zadovoljivih tlačnih trdnostih. Pri procesu penjenja smo analizirali tudi proces stabilizacije pen, kar je zelo pomembno za dosego stabilne uniformno porozirane strukture. Članek z naslovom »The influence of the stabilizing agent SDS on porosity development in alkali-activated fly-ash based foams« je trenutno še v recenziji. Aktivnosti so bile objavljene v štirih člankih s SCI indeksom in predstavljene na več konferencah in delavnicah. Od teh članek »Characterization of geopolymer fly-ash based foams obtained with the addition of Al powder or H2O2 as foaming agents« dosega že prve citate. Nekaj prispevkov iz tematike projekta pa je še v recenziji oz. v pripravi. Dodatno pa k razvoju znanosti in stroke prispevamo s sodelovanjem v Rilemovem tehničnem komiteju TC DTA. Za trajnostne teste smo znotraj komiteja TC 247-DTA vzpostavili oz. modificirali naslednje teste: FprCEN/TS 12390-10, 12: Resistance to carbonation (accelerated, natural), ASTM C666 – 92: Resistance to rapid freezing and thawing, NT Build 443: Chloride penetration, RILEM recommended test method AAR 3 (RILEM TC 219-ACS) Potential alkali reactivity, in ASTM C1012/C1012M-09 Sulphate resistance of mortars. ZAG je tudi edini partner (izmed 50) v TC DTA, ki je izvedel vseh pet trajnostnih testov. Na podlagi rezultatov in dodatnih analiz lahko tako ocenimo dolgoročnost obnašanja tovrstnih materialov v različnih pogojih.
Pomen za razvoj Slovenije
Glede na to, da gre za recikliranje odpadnih surovin in s tem velik prispevek k ohranjanju naravnih virov kakor tudi k zniževanju CO2 odtisa, so aktivnosti projekta skladne z usmeritvami tako nacionalne raziskovalne politike kakor prioritetnih tematik EU. Poznavanje vplivnih parametrov in mehanizma utrjevanja odpadnih pepelov oz tudi drugih materialov bo podlaga za oceno odpadkov (tistih, ki vsebujejo Al in Si) glede ustreznosti za proces geopolimerizacije. Z dobrim poznavanjem procesa geopolimerizacije lahko razvijamo nove proizvode. Med potencialnimi proizvodi so vse vrste gradbenih proizvodov (kot nadomestilo betona, mikroarmirani geopolimeri, penjeni geopolimeri, hibridni geopolimeri v kombinaciji s cementom, kot materiali za sanacije), kakor tudi v industriji ognjevzdržnih materialov, ker praviloma prenesejo visoke temperature, v avtomobilski industriji… Tako, da ocenjujemo, da bodo aktivnosti generirale nove tehnologije in proizvode, uporabne v gradbeništvu kakor tudi v drugih industrijah. Po postopku geopolimerizacije bomo lahko reciklirali različne odpadke v proizvode z večjo dodano vrednostjo. In ker so mnogi od teh proizvodov uporabni v gradbeništvu, ki lahko absorbira velike količine, se lahko problemi z odlaganjem odpadnih pepelov znatno zmanjšajo prav tako pa na ta način ohranjamo naravne vire. Uvajanje novih tehnologij pomaga tudi pri ustvarjanju novih delovnih mest ali vsaj ohranitvi obstoječih. Iz tematike projekta smo namreč že pridobili tri mednarodne projekte, in sicer: - H2020 InnoWEE: Innovative pre-fabricated components including different waste construction materials reducing building energy and minimising environmental impacts (2016-2020), - EIT KIC RawMaters project MIN-PET: Mineral products from Petrit-T sidestream technology (2016-2018), - EIT KIC RawMaters project RECOVER: Innovation in Motion: Red mud and Copper slag Valorisa-tion in Engineered Products (2017-2019). Hkrati smo vključeni v več mednarodnih združenj (Rilem, COST, KIC RawMaters NOI ResidueFlex in NOI Extreme) kjer izmenjujemo znanja iz področja alkalne aktivacije. Tako prenašamo v slovensko prakso najnovejša spoznanja in mednarodne izkušnje na tem področju; in zato tudi pričakujem, da se bo del znanj prenesel tudi v slovensko gospodarstvo ter da se deloma posreduje naprej tudi v okviru posameznih fakultet tako preko mentorstev kot tudi v okviru določenih predmetov (iz tematike potekajo v sodelovanju z ZAG že raziskave za doktorsko disertacijo na Univerzi v Mariboru). Pri tem je pomembno tudi to, da Sloveniji še ni bilo skupine, ki bi se intenzivno ukvarjala z raziskavami geopolimerov; še posebej za gradbeništvo. Zdaj se tekom projekta in novo pridobljenih evropskih projektov formirala skupina, ki bo dosežena znanja lahko še nadgrajevala.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
