Σύνθεση και ιδιότητες γεωπολυμερών απο βιομηχανικά πετρώματα και παραπροϊόντα

Abstract

Geopolymers are new building materials possessing interesting properties such as high resistance to thermal attack and rapid development of compressive strength. The geopolymer synthesis has many advantages such as the exploitation of industrial by-products and the use of low temperatures resulting to a major energy save and the reduction of CO2 emissions. The formation of geopolymers involves a chemical reaction between an aluminosilicate material and sodium silicate solution in a highly alkaline environment. There is a number of factors that are reported to affect geopolymerization, including the type and quantity of the starting materials as well as the curing conditions of the mixture. The subject of this dissertation is the geopolymerization of specific industrial minerals and by-products and the study of the factors affecting the properties of the resulting geopolymers. Two industrial by-products (fly ash, slag) and two minerals (zeolite, natural pozzolana) were used as raw materials. Initially, their leaching ability in alkaline media and the effect of certain parameters (time, alkalinity, type of alkali ion) were investigated. Then, the effect of selected parameters on the geopolymerization of the raw materials was studied, using the method of “changing one factor at a time. Finally, applying the Taguchi experimental designing model, the synergetic effect of the most important factors, as they were determined previously, was determined. As it is concluded, all the studied raw materials participate in the geopolymer synthesis. The extend of participation depends on the chemical/mineral composition and the thermal history of the starting material. Slag geopolymers possess the best performance concerning the compressive strength (~100 ΜPa), followed by fly ash geopolymers(~40 ΜPa). Zeolite and pozzolana geopolymers develop poor compressive strength (~10 ΜPa). The compressive strength of the produced geopolymers is affected by the Si/Al ratio, the kind of alkali and the quantity of alkalis and water in the starting mixture. The optimal synthesis conditions for fly ash geopolymers are R/Al=0,85, Na/(Na+K)=0 and [Si]/R2O=1,35 while the optimal synthesis conditions for slag geopolymers are R/Al=1,5, Na/(Na+K)=1,0 and [Si]/R2O=2,0. The factor having the greatest impact on the development of compressive strength for the fly ash geopolymers was the alkali- aluminum ratio while for slag geopolymers was the concentration of Si in the activation solution.

Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της αξιοποίησης ελληνικών βιομηχανικών ορυκτών και παραπροϊόντων στην τεχνολογία των γεωπολυμερών. Ως πρώτες ύλες χρησιμοποιήθηκαν ιπτάμενη τέφρα, σκωρία υψικαμίνων, ζεόλιθος και μηλαϊκή γη. Αρχικά διερευνήθηκε το εύρος της διαλυτοποίησης σε αλκαλικά διαλύματα των υλικών αυτών καθώς και οι παράμετροι που την επηρεάζουν (χρόνος, αλκαλικότητα διαλύματος, είδος αλκαλικού ιόντος). Στη συνέχεια, μελετήθηκε μια σειρά παραμέτρων με την μέθοδο της «μεταβολής ενός παράγοντα τη φορά» και παρασκευάστηκαν διαφορετικές σειρές δοκιμίων από κάθε υλικό προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των παραμέτρων αυτών στον γεωπολυμερισμό των συγκεκριμένων πρώτων υλών. Κριτήριο για τον καλό γεωπολυμερισμό αποτέλεσε η επίδοσή των τελικών προϊόντων κατά τη δοκιμή σε μονοαξονική, ανεμπόδιστη θλίψη ενώ πραγματοποιήθηκε και μελέτη τους με XRD, FTIR και SEM προκειμένου να ερευνηθούν οι δομικές αλλαγές στην μικροδομή τους. Τέλος, με χρήση του πολυπαραγοντικού μοντέλου σχεδιασμού πειραμάτων Taguchi μελετήθηκε η συνδυαστική επίδράση των παραμέτρων που, όπως προέκυψε από το προηγούμενο στάδιο, επηρεάζουν σημαντικά τον γεωπολυμερισμό. Όπως προέκυψε, όλα τα υλικά που μελετήθηκαν μπορούν να γεωπολυμεριστούν. Ο βαθμός γεωπολυμερισμού, η δομή και οι ιδιότητες των τελικών προιόντων διαφοροποιούνται σημαντικά από υλικό σε υλικό και εξαρτώνται από τη χημική και ορυκτολογική σύσταση των πρώτων υλών καθώς και από τη θερμική τους προιστορία. Τα υλικά που μελετήθηκαν διαφοροποιούνται επίσης και ως προς τις μηχανικές αντοχές των αντίστοιχων γεωπολυμερών. Τα γεωπολυμερή της σκωρίας αναπτύσσουν τις υψηλότερες αντοχές σε θλίψη (~100 ΜPa), ακολουθούν τα γεωπολυμερή της Ιπτάμενης Τέφρας (~40 ΜPa), ενώ τα γεωπολυμερή του ζεολίθου και της μηλαικής γης αναπτύσσουν χαμηλές αντοχές (~10 ΜPa). Οι μηχανικές αντοχές των τελικών προϊόντων βρέθηκε πως επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τον λόγο Si/Al, την ποσότητα αλκαλίων και νερού που περιέχονται στο αντιδρών αλκαλικό διάλυμα αλλά και από το είδος του αλκαλικού ιόντος που περιέχει. Η μελέτη της συνδυαστικής επίδρασης των παραμέτρων που επηρεάζουν τον γεωπολυμερισμό με χρήση του πολυπαραγοντικού μοντέλου σχεδιασμού πειραμάτων Taguchi έδειξε ότι η ιπτάμενη τέφρα και η σκωρία, αν και είναι και τα δύο βιομηχανικά παραπροϊόντα με θερμική προϊστορία, εντούτοις επηρεάζονται διαφορετικά από τις παραπάνω παραμέτρους, εξαιτίας των μεγάλων διαφορών στη χημική και ορυκτολογική τους σύσταση.