Geopolimery – beton nowej generacji

Powszechne zastosowanie tradycyjnego betonu ma bardzo niekorzystne konsekwencje związane z niezwykle wysoką emisją CO₂ na etapie wytwarzania tego materiału. Wyprodukowanie jednej tony betonu powoduje powstanie takiej samej ilości gazu cieplarnianego. Wynika to z procesu technologicznego, którego jednym z etapów jest wypalanie kopalin w piecach opalanych zazwyczaj miałem węglowym w temperaturach blisko 1500 stopni Celsjusza.

Poszukując ekologicznych alternatyw, mogących zastąpić tradycyjny beton, zwrócono się w stronę materiałów syntetycznych. Są nimi geopolimery.

Jak powstają geopolimery?

Geopolimery to związki uzyskiwane w wyniku reakcji chemicznej. Powstają z połączenia bogatego w tlenki glinu i krzemu surowca z silnie zasadowym związkiem, takim jak wodorotlenek sodu lub potasu oraz krzemian sodu. Początkowo rozpuszczone glinokrzemiany formują się następnie w długie łańcuchy reakcji poliaddycji. Efektem tym przemian są amorficzne lub częściowo krystaliczne struktury szkieletowe.

Metody uzyskiwania geopolimerów

Synteza geopolimerów to proces chemiczny, który polega na połączeniu wysuszonego materiału pucolanowego z wodnym roztworem odpowiedniego krzemianu z dodatkiem silnej zasady. Powstała masa zastyga w ciągu kilku godzin.

Drugą metodą jest wypalanie materiału pucolanowego z wodorotlenkiem metalu do uzyskania jednorodnego proszku, który bardzo dobrze wiąże wodę. Uzyskany tą metodą materiał ma dużo gorsze własności mechaniczne.

Rodzaje geopolimerów

Uwzględniając surowiec, z jakiego wykonane są geopolimery, wyróżnić można powstałe z:

• metakaolitu
• popiołu lotnego
• spieków wulkanicznych
• krzemionek
• materiałów kopalnianych
• różnego rodzaju skał

Zalety geopolimerów

Geopolimery znacznie różnią się składem w porównaniu z cementem portlandzkim – głównym składnikiem tradycyjnego betonu. Mają tym samym inne cechy niż materiał z cementu portlandzkiego. Geopolimery powstałe z popiołów lotnych są bardziej porowate, uzyskany z nich beton nie poddaje się zjawisku powstawania rys skurczowych.

Uzyskany z geopolimerów materiał swoimi właściwościami może konkurować ze znanym dotychczas betonem.

Cechuje go:

• wysoka wytrzymałość na ściskanie i zginanie
• wysoka kwasoodporność
• odporność na chlorki i siarczyny
• odporność na działanie czynników atmosferycznych
• mrozoodporność
• wysoka adhezja ze stalą
• lepsza niż w przypadku tradycyjnego betonu ochrona zbrojenia przed korozją
• krótki czas wiązania

Czynnikiem dającym geopolimerom przewagę nad betonem na bazie cementu portlandzkiego jest proces ich produkcji, który nie wymaga wypalania kruszyw, a co za tym idzie - ogranicza emisję szkodliwego CO₂. Szacuje się, że zastosowanie geopolimerów pozwoli zmniejszyć nawet o 80% wytwarzanie gazów cieplarnianych.

Kolejnym proekologicznym aspektem geopolimerów jest możliwość wykorzystania w ich produkcji odpadów z innych gałęzi przemysłu, takich, jak choćby żużel wielkopiecowy, mikrokrzemionka, popiół lotny, a nawet tzw. czerwony szlam, czyli toksyczny produkt uboczny wytwarzania aluminium z boksytów.

Zastosowania geopolimerów

Ze względu na wysoką cenę w stosunku do betonów tradycyjnych „zielony beton” nie jest powszechnie stosowanym materiałem budowlanym. Doskonale sprawdza się tam, gdzie wymagana jest wysoka ogniotrwałość lub szybkie uzyskanie twardości – np. przy szybkich naprawach pasów startowych.

Geopolimery mogą być wykorzystywane do wykonania:

• zapraw naprawczych
• okładzin budynków
• pokrycia antykorozyjnego
• betonu architektonicznego
• materiałów izolacyjnych
• materiałów ognioodpornych
• kompozytów do zaawansowanych zastosowań

Historia geopolimerów

Badania naukowe nad geopolimerami prowadzone są od 50 lat, zatem należałoby uznać je jako materiał stosunkowo młody. Za ojca polimerów uważa się profesora chemii Josepha Davidovitsa, który nazwę tę wprowadził w 1978 roku na oznaczenie mineralnego polimeru powstającego na bazie geochemii.

Jednak wiadomo, że pewnej odmiany betonu geoplimerowego użyli starożytni Rzymianie do budowy kopuły Panteonu.

Licząca 25 tysięcy lat terakotowa figurka Wenus również wykonana jest z materiału geopolimerowego.

Pojawiła się hipoteza, że technologię geopolimerów wykorzystali Egipcjanie do wznoszenia piramid. Alternatywnie do transportowania wielkich bloków skalnych, mieli formować je na miejscu budowy. Poparciem tej hipotezy jest fakt, że ilasty wpień zawierający kaolinit, z którego mógł być wykonany sztuczny kamień, to materiał popularny w okolicach Gizy.

Współcześnie beton geopolimerowy używany jest w ograniczonym zakresie. Uważa się, że powoli będzie znajdował zastosowanie w innych gałęziach przemysłu, głównie w odlewnictwie czy produkcji kompozytów, a także przemyśle areronautycznym.