Αξιοποίηση ελληνικών καολινών στην τεχνολογία των γεωπολυμερών

Abstract

The subject of this thesis is the exploitation of poor kaolins in geopolymer technology. The geopolymer technology has important applications both in the field of materials development and waste treatment. Geopolymer synthesis comprises a chemical reaction between an aluminosilicate material and an activation solution, under high alkaline conditions. The geopolymerisation of metakaolins coming from kaolins with varying chemical and mineral composition was studied. Initially, the alkaline dissolution of metakaolins and especially the effect of kaolins’ calcination temperature and the type of alkali ion were investigated. Then, the Taguchi model was applied in order to optimize the synthesis on the basis of higher compressive strength. The final products were examined by means of XRD, FTIR and SEM. Finally, the durability of geopolymer pastes and mortars at high temperature was investigated.All metakaolins exhibit high dissolution in alkaline solutions. The extent of dissolution depends on composition of the kaolin, the crystallinity of the kaolinite, the calcination temperature of the kaolin and the type of the alkali ion. Higher degree of dissolution is achieved in NaOH solution and calcination temperature of 650°C.Geopolymerisation is a complicated process affected, both, by the composition of the raw material and the activation solution. The Μ/Al, Na/(Na+K), [Si]/Μ2O (Μ: Na or/and K) ratios affect the properties of final products. In all cases, the factor, having the highest impact on the development of strength, is [Si]/M2O ratio, followed by M/Al ratio, while the kind of alkali ion has a marginal effect. For constant values of the above parameters, increase of solid/water ratio causes significant increase of compressive strength.The geopolymers exhibit strength up to 170 MPa and the presence of quartz and/or cristobalite in the raw material improves the strength. Thus, metakaolins derived from poor kaolins are preferable, against commercial metakaolins. The addition of crashed calcareous sand reduces the strength of mortars. The reduction is proportional to the percentage of sand. Mortars with sand/metakaolin ratio of 3.0 maintain 30-55% of the strength of the respective pastes. Geopolymers have satisfactory durability at high temperatures. At 600°C, pastes maintain up to 55% of their initial strength exhibit an 8% shrinkage while mortars maintain up to 40% of their initial strength with only 1% shrinkage.

Το θέμα της διατριβής είναι η αξιοποίηση ελληνικών καολινών στην τεχνολογία των γεωπολυμερών. Ο γεωπολυμερισμός περιλαμβάνει χημική αντίδραση μεταξύ ενός αργιλοπυριτικού υλικού και ενός διαλύματος ενεργοποίησης υπό έντονα αλκαλικές συνθήκες. Τα προϊόντα του, είναι κυρίως άμορφα με βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με συμβατικά υλικά.Στη διατριβή εξετάσθηκε ο γεωπολυμερισμός μετακαολινών από καολίνες με διαφοροποιημένη χημική και ορυκτολογική σύσταση. Αρχικά, μελετήθηκε η αλκαλική διαλυτοποίησή τους σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία έψησης των καολινών και του αλκαλικού ιόντος. Στη συνέχεια, με την εφαρμογή ενός μοντέλου σχεδιασμού πειραμάτων Taguchi, έγινε αριστοποίηση των συνθηκών σύνθεσης με κριτήριο τη βελτιστοποίηση των αντοχών σε θλίψη. Τα προϊόντα χαρακτηρίστηκαν με XRD, FTIR και SEM. Τέλος, εξετάσθηκε η ανθεκτικότητα γεωπολυμερικών παστών και κονιαμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες. Το εύρος διαλυτοποίησης εξαρτάται από τη σύσταση των καολινών, την κρυσταλλικότητα του καολινίτη, τη θερμοκρασία έψησης των καολινών και το είδος του αλκαλικού ιόντος. Μεγαλύτερο εύρος παρουσιάζεται σε διαλύματα NaOH, σε μετακαολίνες που έχουν παραχθεί με έψηση των καολινών στους 650°C.Ο γεωπολυμερισμός είναι πολύπλοκη διαδικασία, που επηρεάζεται από τη σύσταση της πρώτης ύλης και του διαλύματος ενεργοποίησης. Οι λόγοι Μ/Al, Na/(Na+K), [Si]/Μ2O (Μ: Na ή/και K) στο αρχικό μείγμα καθορίζουν τις ιδιότητες των γεωπολυμερών. Για όλους τους μετακαολίνες που μελετήθηκαν, ο παράγοντας με τη μεγαλύτερη συμβολή στην ανάπτυξη αντοχών είναι ο λόγος [Si]/M2O. Ακολουθεί ο λόγος M/Al, ενώ το είδος του αλκαλίου έχει οριακή επίδραση. Για σταθερές τιμές των παραπάνω παραμέτρων, η αύξηση του λόγου mστερεών/mυγρών προκαλεί σημαντική αύξηση των αντοχών.Τα γεωπολυμερή παρουσιάζουν αντοχές σε θλίψη έως 170 MPa και ενισχύονται ιδιαίτερα από την ύπαρξη χαλαζία ή/και χριστοβαλίτη στην πρώτη ύλη. Η προσθήκη ασβεστολιθικής άμμου μειώνει τις αντοχές στα κονιάματα ανάλογα με το ποσοστό της άμμου. Τα κονιάματα με αναλογία Άμμου/Μετακαολίνη = 3.0 διατηρούν το 30-55% των αντοχών των αντίστοιχων παστών.Τα γεωπολυμερή έχουν ικανοποιητική ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Στους 600°C, oι γεωπολυμερικές πάστες διατηρούν έως το 55% των αντοχών τους, παρουσιάζοντας συρρίκνωση της τάξης του 8%, ενώ τα κονιάματα διατηρούν έως το 40% των αντοχών τους, παρουσιάζοντας συρρίκνωση της τάξης του 1%.Από τα παραπάνω προκύπτει ότι κοιτάσματα πτωχά σε καολινίτη μπορούν να αξιοποιηθούν στην τεχνολογία γεωπολυμερών.