VYUŽITÍ ANORGANICKÝCH PLNIV V GEOPOLYMERECH
Bakalářská práce
Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: Janka Styková
Vedoucí práce: prof. Ing. Petr Louda, CSc.
Liberec 2014
Prohlášení
Byla jsem seznámena s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Využití anorganických plniv v geopolymerech Utilization of inorganic fillers in geopolymers
Abstrakt
Táto bakalárska práca sa zaoberá možnosťou využiť anorganické odpady k príprave spojivových systémov na báze geopolymérov za laboratórnych podmienok.
Práca je rozdelená na teoretickú a experimentálnu časť. V teoretickej časti sa nachádza literárna rešerš na tému kompozitov na báze geopolymérov. Všeobecný popis geopolymérov, výroba a vlastnosti geopolymérov, popis anorganických vlákien.
V experimentálnej časti je popísaný spôsob prípravy vzoriek, vyhodnotenie nameraných hodnôt a následné porovnanie výsledkov v grafoch a tabuľkách. Cieľom bakalárskej práce je zistiť mechanické vlastnosti daných zmesí a ich porovnanie.
Kľúčové slová:
geopolymér, alkalická aktivácia, kompozit, vlákna, pevnosť v tlaku, pevnosť v ohybe
Abstract
This bachelor thesis deals with the possible uses of inorganic wastes for preparation of binder systems based on geopolymer under laboratory conditions. The thesis is divided into theoretical and experimental part. In the theoretical part there is a literary research on the topic of composites based on the geopolymers, general description of geopolymers, production and properties as well as description of inorganic fibres. In the experimental part there is described a process of samples preparation, evaluation of measured values and subsequent comparison of results in graphs and tables. The goal of the thesis is determine the mechanical properties of the compositions and their comparison.
Keyword:
geopolymer, alkali activation, composite, fibers, compressive strength, flexural strength
Poďakovanie
Touto cestou sa chcem poďakovať vedúcemu práce prof. Ing. Petru Loudovi, CSc.
za cenné rady, odbornú pomoc a konzultácie, ktoré mi poskytol pri vypracovaní bakalárskej práce. Taktiež chcem poďakovať Ing. Vladimíru Kovačičovi za veľmi cenné rady a čas, ktorý mi venoval pri práci v laboratóriu a Ing. Totke Bakalovej, Ph.D.
za rady týkajúce sa formálnej stránky bakalárskej práce. Osobitné poďakovanie patrí mojej rodine a priateľovi za podporu a trpezlivosť v priebehu môjho štúdia.
Použité skratky
NMR nukleárna magnetická rezonancia
PMC kompozit s plastovou matricou
MMC kompozit s kovovou matricou
CMC kompozit s keramickou matricou
PAN polyakrylátové vlákna
Rmo [MPa] zmluvná hodnota napätia v ohybe MoMAX [Nmm] maximálny ohybový moment Wo [mm3] prierezový modul v ohybe
F [N] zaťažujúca sila
L [mm] rozpätie podpier
b [mm] šírka skúšobného telesa
h [mm] hrúbka skúšobného telesa
σf [MPa] napätie v ohybe
Ef [MPa] modul pružnosti v ohybe εfi [-] deformácia v ohybe
si [mm] hodnoty priehybu
σf1 [MPa] napätie v ohybe pre priehyb s1
σf2 [MPa] napätie v ohybe pre priehyb s2
d1 [mm] priemer podpier
d2 [mm] priemer tŕňa
Fpd [N] sila pri porušení
Rpd [MPa] zmluvná pevnosť v tlaku
S0 [mm2] pôvodný prierez skúšobného telesa FG [kg·m·s-2] tiaž závažia barana
H [mm] počiatočná výška barana
h [mm] výška, do ktorej sa vykývne baran kladiva po prerazení vzorky
SEM rastrovacia elektrónová mikroskopia
Obsah
1. Úvod ... 10
2. Teoretická časť ... 11
2.1 Geopolymér ... 11
2.1.1 História geopolymérov ... 11
2.2 Štruktúra geopolymérov ... 12
2.3 Alkalická aktivácia ... 14
2.3.1 Princíp alkalickej aktivácie ... 14
2.4 Vlastnosti geopolymérov ... 14
2.4.1 Použite geopolymérov ... 15
2.5 Zloženie geopolymérov ... 16
2.5.1 Materiály vhodné pre alkalickú aktiváciu ... 16
2.5.2 Alkalické aktivátory ... 17
2.6 Príprava geopolymérov ... 18
2.7. Definícia kompozitu ... 19
2.7.1 Synergický efekt ... 19
2.7.2 Rozdelenie kompozitných materiálov ... 20
2.7.3 Použitie kompozitov ... 21
2.8 Výstuže z anorganických odpadov ... 21
2.8.1 Sklené vlákna ... 21
2.8.2 Čadičové vlákna ... 22
2.8.3 Uhlíkové vlákna ... 23
2.8.4 Granát ... 24
2.9 Mechanické skúšky ... 26
2.9.1 Skúška ohybom ... 26
2.9.2 Skúška v tlaku ... 28
2.9.3 Skúška rázom v ohybe ... 29
3. Experimentálna časť ... 30
3.1 Použité suroviny pre prípravu vzoriek ... 30
3.2 Použité prístroje na prípravu vzoriek ... 31
3.3 Formy na prípravu vzoriek ... 31
3.4 Príprava vzoriek ... 32
3.4.1 Postup prípravy geopolymérnej matrice ... 32
3.4.2 Postup prípravy geopolyméru s plnivom (granát) ... 33
3.4.3 Postup prípravy geopolyméru s plnivom (odpadové čadičové vlákna) ... 34
3.5 Odformovanie a vytvrdzovanie vzoriek ... 35
3.6 Geometrická úprava a meranie vzoriek ... 35
3.7 Priebeh tepelnej záťaže valcových vzoriek ... 36
3.8 Meranie jednoosej pevnosti v tlaku ... 39
3.9 Meranie pevnosti v trojbodom ohybe ... 40
4.Výsledky ... 41
4.1 Výsledky zo skúšky v tlaku ... 41
4.2. Výsledky po skúške v trojbodom ohybe ... 49
5. Diskusia a zhrnutie výsledkov ... 56
6. Záver ... 59
7. Zoznam použitej literatúry: ... 61
8. Zoznam príloh ... 64
8.1 Prílohy ... 65
1. Úvod
V súčasnej dobe sa stále kladie väčší dôraz na ochranu životného prostredia. So zvyšujúcim počtom obyvateľstva rastie aj spotreba materiálov a surovín. Priemyselné fabriky produkujú stále viac odpadu, najmä u anorganických odvetví. Nebezpečný materiál produkovaný v ťažkom priemysle vyžaduje špeciálne skládky. V rámci znižovania objemu odpadov, je naprieč spoločnosťami viditeľná snaha o zdokonaľovanie technologických postupov, znižovanie energetických nárokov a predovšetkým, znižovanie emisií CO2. Ďalšia možnosť je využitie odpadov ako druhotných surovín.
Vďaka energeticky a ekonomicky nenáročnej príprave sa javia ako dobrý adept geopolymérne materiály. Tento typ spracovania je jeden zo spôsobov, ako odpady ekologicky zneškodniť a zároveň využiť k výrobe stavebných materiálov. Na rozdiel od výroby portlandského cementu, pri výrobe geopolymérov sa nevypúšťa do ovzdušia nebezpečný oxid uhličitý. V súčasnosti sa predpokladá vyššie uplatnenie druhotných surovín, buď ako prímesi do niektorých druhov cementov, alebo ako samostatných zložiek do mált a betónov.
Cieľom tejto bakalárskej práce je zistenie mechanických vlastností geopolymérnych kompozitných materiálov v závislosti so zvyšujúcou sa teplotou.
Teploty boli v rozmedzí od 20°C do 700°C. Skúšané zmesi sa skladali z spojiva a vybraných anorganických odpadov, ktoré mali rozdielne percentuálne zastúpenie.
2. Teoretická časť
2.1 Geopolymér
Geopolymér je materiál pripravovaný z alkalicky aktivovaných cementov.
Vzniká zložitým procesom, nazývaný geopolymerizácia. Geopolymerizácia je proces založený na reakcii hlinito-kremičitanových minerálov v zásaditom prostredí za normálnej teploty, za normálneho tlaku. Hlavná výhoda je, že šetria nerastné suroviny a aj životné prostredie, pretože sú bez vápenatých zložiek, teda uvoľňujú sa len malé objemy emisií CO2 do ovzdušia. Tento materiál je na hranici medzi keramickými, sklenými materiálmi a anorganickými spojivami. [1]
2.1.1 História geopolymérov
História geopolymérov sa datuje už od obdobia pred naším letopočtom. Podľa teórie francúzskeho chemika Josepha Davidovitsa prvé geopolymérne zmesi sa objavili už v starovekom Egypte. K stavbe pyramíd využívali obdobie záplav, kedy natlačený piesok zmiesený s aktivačnými prostriedkami vo formách zalial rozliaty Níl. Slnko postupne zmes vysušilo a premenilo v liaty kameň. V dnešnej dobe prevedené laboratórne skúšky preukázali, že kameň, z ktorého sú postavené pyramídy obsahuje vodu, pohlcuje žiarenie a sú v ňom nepatrné vzduchové bubliny. Žiadne z týchto úkazov sa u prírodných kameňov nevyskytuje. V niektorých vzorkách sa našli aj vlasy. Všetky tieto poznatky nasvedčujú, že stavitelia v starovekom Egypte použili vyspelú technológiu, ktorá využívala dostupných prírodných zdrojov k výrobe geopolymérneho betónu. [2]
Ďalší príklad môžeme uviesť tehly, ktoré sa používali pri stavaní zikkurat v starovekej Mezopotámii od tretieho tisícročia pred naším letopočtom. Zikkuraty boli vysoké chrámové veže s pravouhlým alebo kruhovým pôdorysom, s terasovitými stupňami členenými výstupkami a ústupkami so stenami smerom nahor s malou svätyňou na vrchole veže. [3] Tehly, ktoré boli používané na výstavbu týchto chrámov sa vyznačujú výbornou trvanlivosťou. Štruktúra tohto materiálu je veľmi podobná úlomkom pálených tehiel. Pálenie tehiel je však spochybňované, pretože v oblasti, kde sa nachádzajú zikkuraty, je málo paliva na ich výpal. Naskytla sa teória použitia geopolymérneho materiálu, pre jeho tvorbu je v lokalite dostatok surovín. Toto vysvetlenie podporuje nález nezuhoľnateľných organických vlákien v hmote tehiel. [4]
O novodobých dejinách geopolymérov možno hovoriť od roku 1939. Jedným z priekopníkov výskumu bol prof. V.D. Glukchovsky, ktorý zdôraznil rozdiel medzi zložením tradičného portlandského cementu a základných horninotvorných minerálov v zemskej kôre. Bol prvým autorom, ktorý skúmal spojivá používané na starých rímskych a egyptských stavbách. Ďalším z autorov bol Krivenko, ktorý skúmal kompozity ako spojenie alkálií s aluminosilikátmi prírodného a odpadového pôvodu produktu. So svojimi spolupracovníkmi vyvíjal materiály na báze mletej granulovanej vysokopecnej trosky, ktorú aktivoval roztokom hydroxidu, uhličitanu alebo najvýhodnejšie sodným vodným sklom. [5]
Radikálnejším spôsobom sa do histórie geopolymérov zapísal Joseph Davidovits, ktorý v roku 1974 vyvinul a patentoval spojivá získané alkalickou aktiváciou metakaolínu. Davidovits je autorom teórie, že egyptské pyramídy neboli vytvorené z prírodného kameňa, ale zo spojiva vyrobeného človekom. Na základe chemického a mineralogického rozboru uviedol, že bloky pyramíd boli vytvorené zo zmesi vápencového piesku s hydroxidom vápenatým, uhličitanom vápenatým, uhličitanom sodným a vodou. [1, 6]
2.2 Štruktúra geopolymérov
Základom štruktúry geopolyméru je trojrozmerná alumosilikátová fáza, ktorá má empirický vzorec Na, Kn {- (Si-O)z – Al – O}n . wH2O, kde n je stupeň polykondenzácie a z je 1, 2, 3 alebo viac než 3. Priestorová štruktúra sa skladá z tetraéderov SiO4 a AlO4, ktoré sú spojené cez zdieľané atómy kyslíka. Týmto spôsobom sa vytvárajú reťazce, ktoré sú spojené Si-O-Al mostíkmi (Obr. 1). [6]
Obr.1: Mostík Si-O-Al [6]
Vnútri siete sú atómy hliníka negatívne nabité a tetraedricky usporiadané, do rovnováhy sú uvádzané katiónmi alkalických kovov ,napr. sodík, draslík a vápnik. [7]
Môžeme rozoznať dva pohľady na štruktúru geopolyméru. Prvý pohľad podľa Davidovitsa, vysvetľuje ako monolitický polymér (Obr. 2), neporézny materiál. [6]
Obr.2: Štruktúra geopolyméru podľa Davidovitsa [6]
Súčasný pohľad na štruktúru hovorí o náhodnom usporiadaní. Nemá jednoliatu štruktúru typu polysialato- siloxo (Obr. 3). Kryštalické a amorfné hydráty sú prítomné len výnimočne, za prítomnosti trosky či látok obsahujúcich Ca. Geopolyméry sú porézne, v póroch sa nachádza voda, ktorá hrá rolu, len ako nosič alkalického aktivátoru. Štruktúra geopolyméru a skla je veľmi podobná, s tým rozdielom, že v skle nie je prítomná voda a je prakticky neporézne. [6]
Obr.3: Súčasný pohľad na štruktúru geopolyméru [6]
2.3 Alkalická aktivácia
Podľa definície prof. Davidovitsa v roku 1976, je možné označiť slovom geopolymér iba materiál, ktorý vzniká anorganickou polykondenzáciou, tzv. geopolymerizáciou v dôsledku alkalickej aktivácie alumisilikátových látok. V NMR spektru 27Al musí byť len v koordinácii 4 a materiál nesmie obsahovať vápnik. Ak nie sú tieto podmienky splnené, nesmú byť nazývané geopolymérmi, ale len alkalicky aktivované látky. Táto definícia teda vyhovuje len pre materiály získané alkalickou aktiváciou metakaolínu a čiastočne materiály získané aktiváciou popolčekov s veľmi nízkym obsahom vápnika.[8]
2.3.1 Princíp alkalickej aktivácie
Podmienkou pre alkalickú aktiváciu je silne zásadité prostredie, aby mohlo dôjsť k rozkladu trojrozmernej štruktúry východiskového hlinitokremičitanu za vzniku kremičitanových a hlinitanových aniónov. Geopolymerizácia vyvoláva exotermnú chemickú reakciu hlinitokremičitanových oxidov s alkáliami za vzniku polymerických väzieb Si-O-Al. Vznikajúca pevná látka anorganického polyméru je vytvorená zo sústavy soľ – gél. Prekurzorom reakcie je voda, ktorá počas reakčného procesu pomaly a postupne odchádza. Alkalickou aktiváciou metakaolínu vzniká geopolymér typu Na2O.Al2O3.xSiO2.yH2O obsahujúci jednotku sialát – siloxo [-Si-O-Al-O-Si-O-] , prípadne sialát – disiloxo [-Si-O-Al-O-Si-O- Si-O-] (Obr. 4). [9]
Obr.4: Amorfné produkty pri alkalickej aktivácii [6]
2.4 Vlastnosti geopolymérov
Vlastnosti geopolymérov závisia najmä od vlastností vstupných materiálov, spôsobu spracovania, doby a podmienok tvrdnutia. Vytvrdnuté geopolymérne materiály
odlišný. Voda pri tvrdnutí geopolyméru slúži ako nosič alkalického aktivátoru a zostáva v štruktúre. Prebytočná voda sa odparuje, vznikne sieť pórov a kapilár. Geopolyméry získavajú okolo 70% svojej pevnosti v prvých 3-4 hodinách. Teplota je ďalší dôležitý faktor pri tvrdnutí zmesi. So zvyšujúcou teplotou sú reakcie rýchlejšie. Pri zvýšenej teplote je väčšia tvrdosť materiálu, ale aj väčšia pórovitosť. [10,11]
Technické vlastnosti:
vysoká pevnosť;
nerozpustnosť vo vode;
výborné tepelnoizolačné vlastnosti;
odolnosť voči vysokým teplotám do 1000°C;
odolnosť voči chemickým vplyvom.
Technologické vlastnosti:
rýchle tuhnutie;
jednoduchý a energeticky nenáročný proces vytvárania.
Environmentálne vlastnosti:
minimálna produkcia CO2 v súvislosti so vznikom vstupných surovín a konečného produktu;
spracovanie veľkých množstiev odpadov pri výrobe;
vysoká trvanlivosť;
schopnosť uzatvárať do polymérnej siete škodliviny prítomné v základných surovinách (ťažké kovy). [11]
2.4.1 Použite geopolymérov
Oblasť využitia geopolymérov je veľmi široká zásluhou ich dobrých vlastností.
Od stavebníctva, archeológie cez kompozitné materiály, až po využitie odpadov.
V stavebníctve môžu byť použité ako stavebný materiál (tehly, kvádre, dlaždice), vďaka rýchlemu tuhnutiu a nízkym emisiám CO2.
Z hľadiska ekológie sa využívajú odpady na výrobu geopolymérov. Odpady predstavujú záťaž pre životné prostredie, a tak je tu možnosť, ako ich využiť. Zástupcovia odpadov sú napríklad: popolček, troska, recyklované uhlíkové, čadičové vlákna, recyklované vlákna z pneumatík. [11]
V súčasnej dobe sa zvyšuje dopyt na opravy starých kamenných pamiatok a tu sa naskytuje ďalšie využitie geopolymérnych materiálov. Aplikácia je podporovaná rozsiahlym archeologickým prieskumom prof. Josepha Davidovitsa. [12]
2.5 Zloženie geopolymérov
Hlavými zložkami geopolymérov je aktivovaná zložka na báze hlinitokremičitanu a aktivátoru.
2.5.1 Materiály vhodné pre alkalickú aktiváciu
Pre alkalickú aktiváciu sa používajú kremičité alebo hlinitokremičité materiály, ktoré sa vyznačujú latentnými hydraulickými vlastnosťami. Patria sem materiály syntetického alebo prírodného pôvodu, napríklad metakaolín, popolčeky, vysokopecná troska alebo ich zmesi.
Metakaolín
Metakaolín predstavuje perspektívnu pucolánovú prísadu do betónu. Získava sa tepelnou úpravou kaolínu a kaolinických ílov v rozmedzí teplôt 650 – 800 °C. Prídavok metakaolínu kladne ovplyvňuje fyzikálne a mechanické vlastnosti betónu a zároveň sa znižuje spotreba cementu. Pre prípravu geopolymérov sa používa najčastejšie, najmä pre jeho dostupnosť. [9]
Popolčeky
Popolček je odpad produkovaný pri spaľovaní organických látok. Popolčeky môžeme rozdeliť podľa druhu spaľovaných surovín na popolčeky zo spaľovania uhlia, biomasy, komunálneho odpadu. V stavebníctve sú využívané najmä popolčeky, ktoré vznikli vysokoteplotným spaľovaním uhlia. Vyznačuje sa obsahom amorfného SiO2, ktorý je príčinou pucolánových vlastností. Reaguje za bežných teplôt s hydroxidom vápenatým. Reakcia je však pomalá, čo je spôsobené skleným stavom popolčekových zŕn. Veľkosť popolčekových zŕn býva zrovnateľná s veľkosťou zŕn cementu. Niekedy sa popolček premieľa, tým sa zvyšuje reakčný povrch, teda aj pucolánová aktivita. [13]
Alkalicky aktivované materiály s popolčekom sa zdajú byť dobrá a lacná alternatíva pre materiály používané na stavbu dočasných monolitických blokov. [14]
Vysokopecná troska
Je vedľajším produktom pri výrobe surového železa. Troska sa skladá z hlušiny kovonosných materiálov, troskotvorných prídavkov a koksového prachu. Štruktúrne komponenty sa dajú rozdeliť do troch skupín:
1. Pyroxény MeO.SiO2
2. Olivíny 2 MeO.SiO2
3. Skupina gelenitu a melilitu mMeOxnAl2O3p.SiO2
Pre spracovanie a zužitkovanie je rozhodujúce chemické a mineralogické zloženie.
Dôležitý je:
charakter hlavných mineralogických komponentov
rýchlosť kryštalizácie
rozmer a forma kryštálov
výskyt sklovitej fáze [15]
Oceliarenská troska
Oceliarenská troska je vedľajší produkt pri premene železa na surovú oceľ v kyslíkovom konvertore, alebo v elektrickej oblúkovej peci pri tavení šrotu. Dôležitým procesom pri zužitkovaní oceliarenskej trosky je delenie do dvoch častí: kovová časť (oceľový šrot) a demetalizovaná troska. Demetalizovanú časť trosky môžeme použiť v stavebníctve. [15]
2.5.2 Alkalické aktivátory
Najčastejšie sa používajú kremičitany, hydroxidy alebo uhličitany, u niektorých surovín sa dá použiť aj síran sodný, síran hlinito-draselný. Pri alkalickej aktivácii sú využívané zmesi z viac druhov roztokov.
Vodné sklo
Vodné sklo je tavenina alkalických kremičitanov premenlivého stechiometrického zloženia aj vodné roztoky týchto tavenín. Je to vlastne koloidný roztok alkalických kremičitanov (sodného, draselného alebo lítneho) vzniknutý rozpúšťaním alkalicko – kremičitého skla vo vode. [16] Zloženie vodného skla býva charakterizované kremičitým modulom, čo znamená molárny pomer SiO2/Me2O.
Hustota vodného skla poskytuje informáciu o koncentrácii roztoku a o zložení počiatočného skla. Ďalšou charakteristikou je viskozita a hodnota pH. Viskozita závisí na koncentrácii a na hodnote kremičitého modulu východiskového skla. Vodné sklo má široké použite napríklad: ako lepidlo, prísada do odmasťovacích, pracích čistiacich prostriedkov, ako spojivo pri výrobe pieskových foriem. Pre tieto účely sa používa sodné vodné sklo. [17]
Alkalické soli
Uhličitany sú soli kyseliny uhličitej. S výnimkou uhličitanu sodného, draselného a amonného sa takmer nerozpúšťajú vo vode. Všetky sa rozkladajú pôsobením kyselín silnejších, ako je kyselina uhličitá a zahrievaním. Dochádza k chemickej premene uhličitanov na sírany resp. dusičnany. Pre prípravu geopolymérnych mált sa najčastejšie
používajú uhličitan sodný Na2CO3 (sóda), draselný K2CO3, výnimočne uhličitan amónny (NH4)2CO3. Ostatné uhličitany, napr. uhličitan líthny Li2CO3, sa vďaka nízkej rozpustnosti vo vode pre prípravu alkalicky aktivovaných materiálov nepoužívajú. [4]
Hydroxid sodný
Hydroxid sodný sa vyrába elektrolýzou solanky. Typ elektrolýzy ovplyvňuje kvalitu produkovaného roztoku hydroxidu. Je bezfarebný, leptavá chemická látka, ktorá sa dobre rozpúšťa vo vode a etanole. Pri rozpúšťaní hydroxidu sodného sa uvoľňuje veľké množstvo tepla. Viskozita roztoku rastie s koncentráciou a mierne klesá s teplotou. Môže sa použiť ako urýchľovač hydratácie spojiva. Po siedmich, až štrnástich dňoch dochádza k poklesu pevnosti. [9]
2.6 Príprava geopolymérov
Teória prípravy geopolymérov sa značne líši. Existujú dva základné postupy miešania geopolymérov. Prvý postup hovorí o tom, že je potrebné najprv zmiešať pevné zložky zmesi a aktivátor pripraviť zvlášť. Následným zmiešaním týchto dvoch zložiek zmes treba aktivovať. Druhý postup doporučuje miešať zmes v poradí metakaolín, hydroxid, vodné sklo a trosku. Nezávisle na poradí pridania zložiek, je pre správny priebeh chemickej reakcie dôležitá homogenizácia.
V závislosti na zložení a vlastnostiach aktivovaného materiálu sa môže líšiť príprava geopolymérnych zmesí. Všeobecne platí, že chemická reakcia, ktorá prebieha pri tvorbe geopolymérov, prebieha v roztoku, a tým je ovplyvnený postup pri príprave týchto materiálov. V prvom kroku musí dôjsť k rozpusteniu aktivovanej zložky v silnej alkálii.
Rozpúšťanie sa prevádza pri normálnej teplote. V druhom kroku sa pridáva vodné sklo o známom silikátovom module, aby bol dosiahnutý obsah alkálii. Potom sa pridávajú ostatné zložky – plniva, prímesi, ktoré zlepšujú spracovateľské vlastnosti aj mechanické charakteristiky výsledného materiálu. [18]
2.7. Definícia kompozitu
Kompozitný materiál je heterogénny materiál, zložený z dvoch alebo viac fáz, ktoré sa líšia svojimi mechanickými, fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. Zložky sa vzájomne nerozpúšťajú ani nezlučujú. Medzi zložkami sa nachádza rozhrnie, tzn.
vlastnosti zložiek sa menia skokom. Od zliatin sa líšia tým, že sa vyrábajú mechanickým miešaním zložiek. [19]
Kompozity sa skladajú z matrice a z výstuže. Matrica je spojitá fáza, výstuž je nespojitá fáza obvykle má vyššie mechanické vlastnosti ako matrica.
Materiál ako kompozit môžeme definovať, ak splňuje tieto podmienky:
bol vytvorený umelo;
skladá sa najmenej z dvoch chemicky odlišných zložiek;
zložky majú z makroskopického hľadiska rovnomerné rozloženie v celom objeme;
výsledné vlastnosti kompozitu sa odlišuje od vlastností zložiek. [20]
2.7.1 Synergický efekt
Pre kompozitné materiály je charakteristický tzv. synergizmus čo znamená, že vlastnosti kompozitu sú vyššie ako vlastnosti jednotlivých zložiek. Existencia je veľmi významná, pretože vedie k získavaniu materiálov kvalitatívne celkom nových vlastností. [19]
U kompozitov sa dajú stanoviť len niektoré základné parametre. Tuhosť, pevnosť a tvrdosť ovplyvňuje synergický efekt (Obr. 5), preto určenie týchto vlastností je zložité. [21]
Obr.5: Synergické správanie zložiek kompozitu [20]
2.7.2 Rozdelenie kompozitných materiálov
Vlastnosti kompozitných materiálov ovplyvňujú rôzne faktory, preto aj ich rozdelenie môžeme previesť z viacerých hľadísk: podľa vzájomného usporiadania jednotlivých fáz, podľa tvaru a materiálu výstuže, materiálu matrice atď. Základné rozdelenie je:
Rozdelenie podľa druhu matrice:
- s plastovou matricou (PMC) – napr. reaktoplasty, termoplasty a elastomery;
- s kovovou matricou (MMC) – najčastejšie používané ľahké zliatiny hliníka (poprípade horčíka), má množstvo výhod vyššia tepelná odolnosť, elektrická a tepelná vodivosť, nehorľavosť;
- s keramickou matricou (CMC) – ich výhoda je vysoká pevnosť, aj pri vysokých teplotách. [19]
Rozdelenie podľa druhu výstuže (Obr. 6):
- Časticové kompozity (partikulárne) – výstuž je tvorená časticami, ktoré majú sférický, nepravidelný tvar alebo monokryštalické častice s veľkým povrchom. Kompozity s časticovou výstužou majú všeobecne nižší objemový zlomok ako kompozity s vláknovou výstužou. Častice nie sú vzájomne orientované. Výsledné vlastnosti určuje najmä matrica.
- Vláknové kompozity – môžeme ich rozdeliť do dvoch skupín. Výstuž tvoria krátke vlákna, pomer dĺžky ku priemeru je menší ako 100.
Kompozit má izotropný charakter. Výstuž tvoria dlhé vlákna, pomer dĺžky a priemeru je väčší ako 100. Vlákna bývajú usporiadané, majú anizotropný charakter.
- Lamináty – majú vrstevnatú štruktúru. Zložené sú z viacerých lamin, ktoré sú orientované vo forme tenkých vrstiev. Najideálnejší prípad
Obr.6: Druhy kompozitov
a) časticový, b) s krátkymi vláknami, c) s dlhými vláknami [23]
nastáva, keď vláknová výstuž v jednotlivých vrstvách je jednosmerne orientovaná a deformácia vnútri laminátu je spojitá. [22]
2.7.3 Použitie kompozitov
Vďaka svojim dobrým vlastnostiam sú kompozitné materiály často používané.
Sú však drahšie ako klasické materiály. Aj napriek vyššej cene majú široké využite:
automobilový priemysel (kryty svetiel, výfuky,...);
letectvo (krídla, vrtule helikoptér,...);
lodný priemysel (turbíny, paluby,...);
šport (lyže, palice, tenisové rakety,...).
2.8 Výstuže z anorganických odpadov
Výstuže sa do kompozitných materiálov používajú pre zlepšenie ich mechanických vlastností. Za hlavných zástupcov anorganických odpadov môžeme pokladať sklené, čadičové a uhlíkové vlákna, granát. Efekt výstuže má za úlohu preniesť vonkajšie napätie ,deformujúce matricu na vystužujúce vlákna.
2.8.1 Sklené vlákna
Sklené vlákna majú silikátový základ (SiO2). Sklovitý stav je charakteristický nekryštalickou krehkou štruktúrou. Vyrábajú sa z ťažením z taveniny zmesi oxidov Si a s malým množstvom oxidu alkalických kovov Na a K. Potrebný priemer sa dosiahne dĺžením prúdu skla tečúceho tryskami. Povrchové spracovanie prilepuje jednotlivé fibrily a obmedzuje porušenie vlákien spôsobené povrchovými defektami. Nevýhodou je, že pri tavení musí byť dosiahnutých vysokých teplôt. Vysoká viskozita spôsobuje zhoršenie homogenizácie. [19, 24, 25]
Podľa chemického zloženia rozdeľujeme skla na:
E – skla : majú dobré elektroizolačné vlastnosti, vysokú pevnosť a postačujúci modul pružnosti.
C – skla : majú nižšiu teplotu mäknutia ,odolávajú dobre chemickej korózii, sú menej pevné a ich mechanické vlastnosti rýchlo klesajú s rastúcou teplotou.
S – skla : majú vysoký obsah kremíka a odolnosť voči vyšším teplotám.
V porovnaní s E sklami majú vyššiu pevnosť a modul pružnosti, nižšiu hustotu.
Používajú sa väčšinou v kompozitoch s epoxidovou matricou.
AR - skla : odolávajú zásaditému prostrediu. Používajú sa ako náhrada azbestu v strešných krytinách. [19, 24]
Vlastnosti sklených vlákien:
Sklené vlákna (Obr. 7) odolávajú ohňu a rade chemikálii. Hustota je okolo 2,5 g/cm3. Veľkou nevýhodou je nízka odolnosť voči statickému dlhodobému namáhaniu. Rozpor medzi vysokou pevnosťou a vysokou zmáčavosťou, preto je žiadúca úprava povrchu. Tuhosť sklených vlákien je približne ako hliník. Vlastnosti sú výhodné najmä pri výrobe kompozitných materiálov ako vystužujúce vlákna. Konečné výrobky vyrobené so sklenými vláknami majú uplatnenie predovšetkým v automobilovom a leteckom priemysle, v stavebníctve, v chemickom priemysle a v elektronike. [19, 24, 25]
2.8.2 Čadičové vlákna
Čadičové vlákna (Obr. 9) sú anorganické vlákna, ktoré sa vyrábajú z roztaveného čadiča. Čadič je najčastejšia skala v zemskej kôre. Je to druh vyvretej horniny vytvorenej rýchlym ochladením lávy na zemskom povrchu. Vlastnosti čadiča sa líšia od zdroja lávy, rýchlosti chladenia. Z chemického rozboru sa jedná o kremičito- železnato-vápenato - horečnato – hlinito - sodnú horninu. Vysoko kvalitné vlákna sa vyrábajú z čadiča, ktorý má jednotné chemické zloženie. [26] Výroba vlákien je založená na tavnom zvlákňovaní pri teplote 1500-1700 °C. Pri dostatočne rýchlom schladení vzniká sklovitá hmota, pri pomalšom sa tvoria kryštály zo zmesi minerálov.
[27]
Vlastnosti čadičových vlákien:
Čadičové vlákna majú podobné chemické zloženie ako sklené vlákno, ale majú lepšie mechanické vlastnosti. Sú odolné voči alkáliám, kyselinám, slaným roztokom, preto sú vhodné pre betónové, mostné a pobrežné stavby. V porovnaní s uhlíkovým
Obr.7: Sklené vlákna [28] Obr.8: Lom skleným vláknom [29]
vláknom majú vyššiu odolnosť voči oxidácii, vyššiu odolnosť voči žiareniu, vyššiu pevnosť v šmyku a tlaku. [26] Ďalšie prednosti čadičových vlákien sú environmentálne a zdravotné výhody, oproti iným vláknam. Pri výrobe a likvidácii je menšia záťaž na životné prostredie a aj menšie riziko pri spracovaní. Preto sa ukazujú ako dobrý kandidát do geopolymérnych kompozitov. Používajú sa pre ochranné žiaruvzdorné pracovné odevy do prevádzky s veľkou tepelnou záťažou a s agresívnym chemickým prostredím. Dobré využitie majú aj v oblasti stavebníctva ako tepelne - izolačné zmesi pre žiaruvzdorné stavebné hmoty. [30]
Obr.9: Čadičové vlákna [31] Obr.10: Lom čadičového vlákna [32]
2.8.3 Uhlíkové vlákna
Jedná sa o dlhý tenký prameň materiálu o priemere 5 – 8 µm zloženého prevažne z atómu uhlíku. Kryštálové usporiadanie spôsobuje, že vlákno je aj napriek malej hrúbke veľmi pevné. Hustota je 1,8 až 2 g/cm3, obsahujú 90- 95 % čistého uhlíka.
Uhlíkové vlákna (Obr. 11) sa najčastejšie vyrábajú z polyakrylonitrilových vlákien (PAN). Nemôžu sa vyrábať rovnakým spôsobom ako kovové, sklené vlákna, vzhľadom k tomu, že sa uhlík netopí, nie je ťažný a je odolný voči rozpúšťadlám. Výrobu by sme mohli rozdeliť do troch základných krokov:
1.Stabilizácia pri teplotách okolo 200 - 300°C pri pôsobení ťahového napätia v oxidačnom prostredí je PAN vlákno stabilizované. Dôjde k zosieťovaniu makromolekúl kyslíkovými mostíkmi, vlákno stmavne a stane sa netaviteľným.
2.Karbonizácia pri teplotách 1200 až 1500 °C v čistom dusíku. Odstráni sa vodík, zníži sa obsah kyslíka a dusíka, 80 až 95 % hmoty tvorí uhlík. Vlákno dosiahne maximálnu pevnosť v ťahu.
3.Grafitizácia pri teplotách do 3000 °C v dusíku s argónom. Zvýši sa obsah uhlíka, dochádza k prekryštalizácii na grafit. Vyvinutejšie mikrokryštály vedú k zväčšeniu tuhosti vlákna. [19, 24]
Vlastnosti uhlíkových vlákien:
Uhlíkové vlákna majú široké spektrum mechanických vlastností pri pomerne malej hustote. Majú vynikajúce tepelné vlastnosti, stabilné sú do 1000°C, ak sú chránené pred oxidáciou. Výhodou uhlíkových vlákien oproti skleným je, že majú asi desaťnásobnú tuhosť, polovičnú hustotu, predĺženie pri pretrhnutí je menšie a veľká odolnosť voči únave. Nevýhodou je malá odolnosť ostrým ohybom. Často majú zlú adhéziu k matrici, preto je nutné ich povrchovo upravovať. Sú odolné voči kyselinám, zásadám a rozpúšťadlám. Dobre tlmia vibrácie a aj preto sa používajú do rôznych konštrukcií, ako sú napríklad karosérie. Za normálnych okolností sú veľmi krehké, ľahko sa lámu, preto sa povrchovo upravujú. [19]
Obr.11: Uhlíkové vlákna [33] Obr.12: Lom uhlíkových vlákien [34]
2.8.4 Granát
Granát (Obr. 13) je významný horninotvorný minerál. V prírode rozlišujeme 15 druhov granátov, podľa pomeru zastúpenia jednotlivých chemických prvkov. Päť z nich sa vyskytuje pomerne často, ostatné sú vzácne. [35] Prírodný granát je chemicky neutrálny, nekovový inertný materiál, bez obsahu toxických prímesí. Je charakteristický relatívne vysokou tvrdosťou a pevnosťou, preto sa môže použiť viackrát a tým znížiť náklady na spotrebovávaný materiál. Neabsorbuje vlhkosť, preto je jeho skladovanie aj používanie veľmi jednoduché. Teplota topenia granátu je približne 1500°C, záleží od druhu. [36]
Tab. 1: Chemické zloženie makro zrna [36]
Špecifikácia Chemické zloženie - makro zrna ( % )
FeO SiO2 Al2O3 TiO3 CaO MgO Fe2O3
25-40 35-40 18-25 < 2 < 2 < 2 < 1,5
V súčasnej dobe ponúka množstvo nerastných surovín veľké možnosti ako špeciálne technické materiály. Granát pre svoju tvrdosť, spôsob lomu a charakteristickú krehkosť je vhodným brusivom pre niektoré operácie. Z tohto dôvodu sa často používa ako abrazíva pri rezaní vodným lúčom. [36] Použitie granátu je možné pri minimálnom pracovnom tlaku tryskania. Výhodou je zníženie spotreby voči tradičným abrazívam a znížená hlučnosť. [36]Významné je, že majú rovnaké fyzikálne vlastnosti vo všetkých smeroch a nie sú štepné. V priebehu drvenia sa lámu na ostrohranné úlomky. Granátová drvina sa používa pre voľné brúsenie, alebo sa z nej vyrábajú brúsne kotúče. Granát sa tiež uplatňuje ako súčasť mechanických filtrov vody. [37]
Obr.13: Granát [37]
2.9 Mechanické skúšky
Mechanické skúšky sa používajú pre zisťovanie základných charakteristík správania materiálu pri mechanickom namáhaní. Medzi základné mechanické vlastnosti patria pružnosť, plasticita, pevnosť, húževnatosť.
2.9.1 Skúška ohybom Princíp skúšky:
Skúšobná tyč je obdĺžnikového alebo kruhového prierezu. Položí sa na opory, vo väčšine prípadov valčeky. Skúšobný stroj pracuje v režime tlakového zaťažovania.
Hornú časť prípravku tvorí jeden tŕň, ktorý pôsobí silou uprostred tyče, ak sa jedná o trojbodový ohyb. Pri štvorbodovom ohybe sú tŕne dva, umiestnené symetricky, vzhľadom k stredu tyče. [38, 39]
Účelom skúšky je získať závislosť: sila – priehyb tyče. Pri priehybe sa napätie v priereze tyče mení. Napätie je rozložené tak, že v horných vrstvách je ťahové a smerom k neutrálnej osi sa zmenšuje na nulu, v dolnej časti sa mení na tlakové.
Skúška sa používa pre hodnotenie krehkých materiálov. Umožňuje stanoviť modul pružnosti E u materiálov, pri ktorých to nejde určiť z ťahovej skúšky. Za pevnosť v ohybe sa berie maximálna hodnota ťahového napätia, pôsobiaceho na povrchu tyče v okamihu lomu. Hodnota zmluvnej pevnosti v ohybe Rmo je daná vzťahom (1): [38, 40]
Rmo = Mo
max
Wo (1) Momax – maximálny ohybový moment [Nmm]
Wo - prierezový modul v ohybe [mm3]
U trojbodového ohybu maximálny ohybový moment Momax = F·L/4. Hodnota Rmo je závislá na kvalite povrchu skúšobného telesa.
Napätie v ohybe (2) je menovité napätie vonkajšieho povrchu skúšobného telesa uprostred rozpätia podpier: [40]
σ
f = 2∙b∙h3∙F∙L2 (2) F – zaťažujúca sila [N]L - rozpätie podpier [mm]
b - šírka skúšobného telesa [mm]
h – hrúbka skúšobného telesa [mm]
Modul pružnosti v ohybe Ef – vypočítajú sa priehyby si (3) odpovedajúce daným hodnotám deformácie ohybom εfi podľa rovnice :
si = εfi ∙ L2
6∙h (3) si – hodnoty priehybu [mm]
εfi – odpovedajúca deformácia v ohybe [-]
L – rozpätie podpier [mm]
h – hrúbka skúšobného telesa [mm]
Modul pružnosti v ohybe dopočítame zo vzťahu (4): [40]
Ef = σf2 − σf1
εf2 − εf1
(4) σf2 – napätie v ohybe pre priehyb s1 [MPa]
σf2 – napätie v ohybe pre priehyb s2 [MPa]
Skúška trojbodovým ohybom:
Využíva sa pre krátke a tenké vzorky (Obr. 14).
Obr.14: Trojbodový ohyb - d1 - priemer podpier; d2 – priemer tŕňa; L – rozpätie podpier; b- šírka skúšobného telesa; h – hrúbka skúšobného telesa
Obr.15: Rozdelenie napätia v priereze materiálu [39]
2.9.2 Skúška v tlaku Princíp skúšky:
Skúšobným telesom je spravidla valček o výške ho a priemere do. Skúšobné teleso sa položí medzi dve podložky (Obr. 16). Jedna je uložená v guľovom sedle, ktoré zaisťuje zaťaženie v osi valčeku. Skúšobné teleso sa zaťaží rovnomerne rastúcou silou, kým sa neobjavia prvé trhliny, alebo nedôjde k celkovému porušeniu. Zaznamenáva sa tlaková sila v závislosti na veľkosti stlačenia výšky valčeka. Pevnosť v tlaku sa vypočíta zo vzťahu: [38, 39]
Rpd = Fpd
S0 (5) Fpd - sila pri porušení [N]
So - pôvodný prierez skúšobného telesa [mm2]
Obr.16: Skúška tlakom [39]
Tlakovou skúškou sa hodnotí pevnosť krehkých a tvrdých materiálov.
2.9.3 Skúška rázom v ohybe
Skúškou sa zisťuje odolnosť materiálu voči krehkému porušeniu pri dynamickom, rázovom zaťažení. Krehké porušenie je nestabilné oddelenie častíc materiálu. Vznik lomovej plochy pri nominálnom napätí nižšom než je medza sklzu materiálu. Medza sklzu je zistená statickou skúškou v ťahu. Krehký lom vzniká náhle, šíri sa vysokou rýchlosťou. Lomová plocha je kolmá na najväčšie normálové ťahové napätie. Spotrebovaná energia na porušenie vzorky je minimálna. [38, 41]
Princíp skúšky:
Skúška sa uskutočňuje na kyvadlovom kladive nazývané Charpyho kladivo (Obr. 17). Skúšobná tyč je jednostranne uložená medzi podpery prerazená nárazom kyvadlového kladiva (Obr. 18). Práca spotrebovaná na prerazenie skúšobnej tyče K je daná rozdielom potenciálnych energií:
K = FG
H−h
(6)
FG - tiaž závažia barana [kg·m·s-2] H - počiatočná výška barana [mm]h - výška, do ktorej vykývne baran kladiva po prerazení vzorky [mm]
Nárazovej energii je priamo úmerný uhol α. Súčasťou Charpyho kyvadlového kladivo je mechanický uhlomer, ktorý umožňuje odčítať veľkosť nárazovej práce. [35, 41]
Obr.17: Skúška rázom v ohybe [41] Obr.18: Charpyho kladivo [41]
3. Experimentálna časť
Experimentálna časť sa zaoberá tvorbou geopolymérnych vzoriek s výstužami z anorganických odpadov. Následne vzorky boli podrobené mechanickým skúškam, aby sa zistili ich mechanické vlastnosti.
3.1 Použité suroviny pre prípravu vzoriek
V rámci riešenia bakalárskej práce k príprave vzoriek boli použité tieto suroviny:
Austrálsky granát z výroby rezania vodným lúčom – (Obr. 20) veľkosť zrna desiatky mikrometra. Teplota topenia je približne 1400 °C.
Odpadové čadičové vlákna – (Obr. 20) krátke vlákna s dĺžkou 1-3mm. Priemer vlákien je v rozmedzí 5𝜇m - 10 𝜇m. Medzi vláknami sa nachádzajú inkrusty – zosilnené vlákna. Teplota topenia je približne 1300 až 1550°C.
Cement Baucis L160 - (Obr. 21) komerčne dodávaná prášková zložka. Vyrába sa vo firme České lupkové závody, a.s.. Pri normálnych podmienkach sa chová ako portlandský cement. Vyniká vysoko rýchlym tvrdnutím, 40-50% konečnej pevnosti sa dosiahne za prvý deň. Doba tuhnutia spojivovej zmesi sa pohybuje 140 – 240 minút.
Aktivuje sa sodným aktivátorom. [42]
Hydroxid sodný – komerčne dodávaný geopolymérny aktivátor Baucis L160
Obr.19: Granát z výroby Obr.20: Recyklované čadičové vlákna
3.2 Použité prístroje na prípravu vzoriek
Stojanová miešačka Heidolph RZR 2020 (Obr.22)
Vibračný vysokofrekvenčný stolík VSB 15 (Obr.23)
Digitálne váhy (Obr.24)
Obr.23: Vibračný stolík
Obr.22: Stojanová miešačka Obr.24: Digtálne váhy
3.3 Formy na prípravu vzoriek
Pre prípravu vzoriek sa použili dva druhy foriem. Prvá súprava foriem slúžila pre skúšku v tlaku (Obr. 25). Rozmery formy ϕ12,5 -28,5 mm a boli vyrobené z polypropylénu.
Ďalšia súprava foriem pre vzorky na skúšku v ohybe (Obr. 26) boli vyrobené z vysokopevnostného silikónového kaučuku N8200. Rozmery formy 10 x 10 x 140 mm.
Obr.25: Forma č.1 pre vzorky na skúšku v tlaku
Obr.26: Forma č. 2 pre vzorky na skúšku v ohybe
3.4 Príprava vzoriek
V experimentálnej časti bolo testovaných 8 spojivových systémov. Spojivo sa skladalo z dvoch zložiek. Prvá zložka cement, ktorý bol aktivovaný hydroxidom sodným ako druhá zložka. Namiešané zmesi sa líšili použitou výstužou, buď nebola použitá žiadna výstuž ( Zmes A ), alebo ako výstuž sa použil austrálsky granát ( Zmes B, Zmes C, Zmes D ), alebo odpadové čadičové vlákna ( Zmes E, Zmes F, Zmes G, Zmes H). Pri použití rovnakej výstuže sa jednotlivé zmesi líšili percentuálnym zastúpením. Jednotlivé typy zmesí sú popísané v tabuľke.
Tab. 2: Zloženie jednotlivých zmesí
3.4.1 Postup prípravy geopolymérnej matrice
Jednotlivé zložky geopolyméru boli navážené na laboratórnych váhach. Do naváženého množstva cementu bolo pomaly pridávané odvážené množstvo aktivátoru.
Dvadsať minút bola zmes rozmiešavaná stojanovou miešačkou (Obr. 28). Pre lepšiu homogenizáciu zmesi sa menila rýchlosť otáčok a pohybovalo sa miskou, aby na
Zmes A
Zmes B
Zmes C
Zmes D
Zmes E
Zmes F
Zmes G
Zmes H Cement
[%] 55,56 52,77 49,36 45,63 55,27 54,99 52,63 49,38 Aktivátor
[%] 44,44 42,22 40,64 39,37 44,23 44,01 42,37 40,62 Granát
[%] - 5 10 15 - - - -
Čadičové vlákna[%]
g]
]
- - - - 0,5 1 5 10
nežiadúce hrudky. Po dostatočnom zhomogenizovaní bola miska s geopolymérom uložená na vibračný vysokofrekvenčný stolík. Vďaka vibráciám sa odstránila väčšina nežiadúcich vzduchových bublín. Zmes bola striasavaná 5 minút (Obr. 27), následne bola naliata do vopred pripravených foriem (Obr. 29). Všetky vzorky v plastových formách bolo nutné jednotlivo premiešať a dôkladne preklepať, aby došlo k uvoľneniu vzduchových bublín z namiešanej zmesi, ktoré by mohli znížiť výslednú pevnosť.
Formy sa uzatvorili, aby sa zamedzilo prístupu vzduchu. Hmota v silikónových formách bola zarovnaná pomocou špachtle. Formy boli zakryté mikroténovým sáčkom, pre zabránenie prístupu vzduchu. Vzorky boli ponechané pri laboratórnej teplote.
Obr.27: Striasavanie hmoty
Obr.28: Miešanie hmoty Obr.29: Formovanie 3.4.2 Postup prípravy geopolyméru s plnivom (granát)
Príprava geopolyméru s plnivom bola v tom rozdielna, že najprv bol rozmiešavaný cement s aktivátorom po dobu 10 minút. Navážené množstvo granátu bolo prisypávané opatrne, pretože bolo žiadúce, aby bol granát do zmesi aktivátoru a cementu dokonale zmiešaný. Miešanie hmoty bolo ďalších 20 minút.
3.4.3 Postup prípravy geopolyméru s plnivom (odpadové čadičové vlákna)
Cement s aktivátorom bol rozmiešavaný 10 minút, kým sme si neboli istí, že zmes je dokonale homogénna. Presne navážené množstvo čadičových vlákien (Obr. 31) bolo nasypané do sitka a cez sitko vmiešavané do zmesi (Obr. 30). Je potrebné, aby vlákna boli postupne vmiešavané, pretože inak pri vyšších percentuálnych koncentráciách by bol problém s rozmiešaním. Ak by čadičové vlákna boli preosiate zvlášť a potom prisypávané do zmesi, bolo by ich ťažšie rozmiešať, pretože by sa vlákna znovu zhlukli do malých hrudiek. Pri nepoužití sitka je rozmiešanie zmesi s vysokým podielom vlákien takmer nereálne.
Obr.30: Miešanie s čadičovými
vláknami Obr.31: Navážanie čadičových vlákien
3.5 Odformovanie a vytvrdzovanie vzoriek
K odformovaniu vzoriek (Obr. 32) došlo po dvoch dňoch od naplnenia hmoty do foriem. Vzorky z plastových foriem išli von veľmi ťažko. Formy by bolo lepšie vymazať silikónovým olejom, aby sa vzorky ľahšie vybrali. Zo silikónových foriem išli von vzorky dobre, bolo však treba dávať väčší pozor, aby sa nezlomili, pretože sú veľmi krehké. Po vybratí všetkých vzoriek nasledovala vizuálna kontrola. Niektoré vzorky aj napriek dôkladnému striasavaniu a premiešavaniu vo formách mali na povrchu malé póry a na niektorých miestach čierne sfarbenie (Obr. 33). Farba sa po niekoľkých hodinách vrátila do pôvodnej podoby.
Vytvrdzovanie prebiehalo pri laboratórnej teplote 18 až 22°. Čas vytvrdzovania sa počítal od zaformovania zmesi.
Obr.32: Odformovanie Obr.33: Vzorka po vybratí z formy
3.6 Geometrická úprava a meranie vzoriek
Po vytvrdení vzoriek sa museli steny podstáv valčeku zbrúsiť pred tým, ako pôjdu na skúšku v tlaku. Podstavy museli byť rovnobežné, aby nedošlo k skresleniu výsledkov. Vzorky boli najprv brúsené na hrubšom brúsnom papieri so zrnitosťou 60 a dobrúsené na brúsnom papieri zrnitosti 320, aby povrch vzorky zostal hladký. Dávalo sa pozor na rovnobežnosť podstáv a kolmosť podstavy a plášťa valčeka.
Všetky vzorky sa premerali digitálnym posuvným meradlom, ktorý meria presne na dve desatinné miesta. Merala sa výška a na troch miestach priemer valčeka, z ktorých bol vypočítaný aritmetický priemer. Namerané hodnoty sa zapísali do tabuľky.
3.7 Priebeh tepelnej záťaže valcových vzoriek
Po 28 dňoch od zaformovania vzoriek a vysychaní boli vzorky vystavené tepelnému zaťaženiu v peci. Doba výdrže na stanovenej teplote bola 30 minút a následné ochladenie vzoriek na vzduchu pri laboratórnej teplote.
Vzorky od každého druhu zmesi boli rozdelené do piatich skupín. Prvá skupina vzoriek nepodliehala tepelnej záťaži pre porovnanie ostatných skupín. Ďalšie štyri skupiny boli zaťažované pri teplotách 100°C , 300°C, 500°C, 700°C.
Tepelná záťaž prebiehala pre každú skupinu vzoriek rovnako, rozdiel bol len v nastavenej teplote. Na začiatku sa nastavila pec na požadovanú teplotu, potom sa do nej umiestnili vzorky a ponechali sa na teplote po dobu 30 minút. Po uplynutí stanoveného času boli vzorky vybraté z pece a ponechané pri laboratórnej teplote chladnúť. Tento postup sa použil u všetkých vzoriek tepelne zaťažovaných.
Vzorky na tlak po tepelnej záťaži 100°C
Zmes A – tvarovo stály, trhliny celým objemom materiálu Zmes B – tvarovo stály, mierne vlasové trhliny
Zmes C – tvarovo stály, takmer bez trhlín Zmes D – tvarovo stály, vlasové trhliny Zmes E – tvarovo stály, väčšie vlasové trhliny Zmes F – tvarovo stály, trhliny celým objemom Zmes G – tvarovo stály, povrch bez trhlín Zmes H – tvarovo stály, povrch bez trhlín Vzorky na tlak po tepelnej záťaži 300°C
Zmes A – tvarovo stály, malé zmrštenie, na povrchu sú mierne vlasové trhliny Zmes B – tvarovo stály, malé zmrštenie, takmer bez trhlín
Zmes C – tvarovo stály, malé zmrštenie, takmer bez trhlín Zmes D – tvarovo stály, malé zmrštenie, takmer bez trhlín Zmes E – tvarovo stály, malé zmrštenie, bez trhlín
Zmes F – tvarovo stály, malé zmrštenie, takmer bez trhlín
Zmes G – tvarovo stály, malé zmrštenie, na povrchu malé trhliny Zmes H – tvarovo stály, povrch bez trhlín
Vzorky na tlak po tepelnej záťaži 500°C
Zmes A – tvarovo stály ,väčšie zmrštenie, viditeľné trhliny
Zmes B – tvarovo stály, väčšie zmrštenie, malé trhliny na povrchu Zmes C – tvarovo stály, malé zmrštenie, malé viditeľné trhliny Zmes D – tvarovo stály, malé zmrštenie, občasne mierne trhliny Zmes E – tvarovo stály, malé zmrštenie, viditeľné trhliny Zmes F – tvarovo stály, malé zmrštenie, viditeľné trhliny
Zmes G – tvarovo stály, malé zmrštenie, na povrchu malé trhliny Zmes H – tvarovo stály, povrch bez trhlín
Vzorky na tlak po tepelnej záťaži 700°C
Zmes A – mierne tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, väčšie trhliny, drsný povrch Zmes B – mierne tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, väčšie trhliny, drsný povrch Zmes C – tvarovo stály, veľké zmrštenie, viditeľné trhliny, drsný povrch
Zmes D – tvarovo stály, veľké zmrštenie, popraskanie, drsný povrch Zmes E – tvarovo stály, veľké zmrštenie, popraskanie, drsný povrch Zmes F – tvarovo stály, veľké zmrštenie, popraskanie, drsný povrch Zmes G – tvarovo stály, veľké zmrštenie, popraskanie, drsný povrch Zmes H – tvarovo stály, malé zmrštenie, povrch bez trhlín, drsný povrch Vzorky na ohyb po tepelnej záťaži 100°C
Zmes A – tvarovo stály, bez viditeľných trhlín Zmes B – tvarovo stály, mierne vlasové trhliny Zmes C – tvarovo stály, takmer bez trhlín Zmes D – tvarovo stály, bez viditeľných trhlín Zmes E – tvarovo stály, vlasové trhliny
Zmes F – tvarovo stály, vlasové trhliny (menšie ako u zmesi E) Zmes G – tvarovo stály, povrch bez trhlín
Zmes H – tvarovo stály, povrch bez trhlín Vzorky na ohyb po tepelnej záťaži 300°C
Zmes A – tvarovo stály, malé zmrštenie, bez viditeľných trhlín Zmes B – tvarovo stály, malé zmrštenie, bez viditeľných trhlín Zmes C – tvarovo stály, malé zmrštenie, takmer bez trhlín Zmes D – tvarovo stály, malé zmrštenie, bez viditeľných trhlín Zmes E – tvarovo stály, malé zmrštenie, malé trhliny na povrchu Zmes F – tvarovo stály, malé zmrštenie, viditeľné trhliny
Zmes G – tvarovo stály, malé zmrštenie, na povrchu malé trhliny
Zmes H – tvarovo stály, povrch bez trhlín Vzorky na ohyb po tepelnej záťaži 500°C
Zmes A – tvarovo stály ,väčšie zmrštenie, viditeľné trhliny Zmes B – tvarovo stály, väčšie zmrštenie, viditeľné trhliny Zmes C – tvarovo stály, malé zmrštenie, malé viditeľné trhliny Zmes D – tvarovo stály, malé zmrštenie, bez viditeľných trhlín Zmes E – tvarovo stály, malé zmrštenie, viditeľné trhliny Zmes F – tvarovo stály, malé zmrštenie, viditeľné trhliny Zmes G – tvarovo stály, malé zmrštenie, popraskanie Zmes H – tvarovo stály, mierne vlasové trhliny Vzorky na ohyb po tepelnej záťaži 700°C
Zmes A – tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, popraskanie na povrchu Zmes B – tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, prehnuté do oblúku, trhliny
Zmes C – tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, prehnuté do oblúku, mierne trhliny Zmes D – tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, prehnuté do oblúku, bez trhlín Zmes E – tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, viditeľné trhliny
Zmes F – tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, prehnuté do oblúku, popraskanie Zmes G – tvarovo deformovaný, veľké zmrštenie, mierne prehnuté do oblúku,
popraskanie
Zmes H – tvarovo deformovaný, malé zmrštenie, prehnuté do oblúku, popraskanie
Obr.34 Vzorka na ohyb po tepelnej záťaži 700°C
Obr.35 Vzorka na tlak po tepelnej záťaži
3.8 Meranie jednoosej pevnosti v tlaku
Pevnosť v tlaku bola stanovená podľa EN ČSN 197-1 po 28 dňoch vytvrdzovania pri laboratórnej teplote, a po jednom dni čo boli vzorky podrobené tepelnej záťaži. Skúšobné vzorky mali počiatočný priemer približne ϕ12mm a výške 22- 25mm. Pevnosť v tlaku sa merala na prístroji INSTRON model 4202 (Obr. 36) s rozsahom merania 0 – 10kN.
Vzorky pre skúšku v tlaku sa museli upraviť tak, aby obe podstavy valca boli rovnobežné a rovné. Touto úpravou sa malo zabrániť skresleniu nameraných hodnôt.
Následne sa uložili do lisu tak, aby vzorky boli uprostred zaťažovacej sily. Vzorky sa postupne zaťažovali .Zaťažovanie bolo plynulé, ukončené bolo pri deštrukcii vzorku a určila sa maximálna sila. Zmluvná pevnosť v tlaku bola určená zo vzťahu :
Rpd = FMAXS
0 FMAX – maximálna sila pri porušení vzorku [N]
S0 – zaťažovaná plocha [mm2]
Obr.36: Prístroj pre meranie pevnosti v tlaku
3.9 Meranie pevnosti v trojbodom ohybe
Pevnosť v trojbodom ohybe sa zisťovala po 35 dňoch vytvrdzovania vzoriek a deň po tepelnej záťaži. Skúšobné vzorky mali približne prierez 100mm a dĺžka vzoriek kolísala od 132 – 141mm. Pevnosť v ohybe sa merala na prístroji INSTRON model 4202 s rozsahom merania 0 – 10kN, na ktorom sa nastavili prípravky na ohyb.
Podpery sa uložili tak, že ich rozpätie bolo 50mm a boli symetricky uložené k tŕňu stroja (Obr. 37). Vzorky sa ukladali do stredu podpier, a tak aby stred vzorky bol v ose zaťažovacieho tŕňu. Vzorky sa postupne zaťažovali, až kým neprišlo k prelomeniu vzorky. Zaťažovanie bolo plynulé. Zisťovala sa maximálna sila pri porušení vzorky.
Zmluvná pevnosť v ohybe sa stanovila zo vzťahu:
Rmo = Mo
max
Wo Momax – maximálny ohybový moment [Nmm]
Wo - prierezový modul v ohybe [mm3]
Obr.37: Meranie pevnosti v ohybe
4.Výsledky
4.1 Výsledky zo skúšky v tlaku
V nasledujúcich tabuľkách sú zapísané priemerné hodnoty pevnosti v tlaku jednotlivých zmesí. Pre lepšiu prehľadnosť hodnôt sa pod každou tabuľkou nachádza odpovedajúci graf. Štatistické veličiny – smerodajná odchýlka, priemerná hodnota boli vypočítaná pomocou programu Microsoft Excel.
Zmes A – čistý geopolymér
Tab. 3: Vzorky čistého geopolyméru po rôznej tepelnej záťaži tepelná záťaž
t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 35,13 2,68
100 25,22 1,89
300 10,65 3,74
500 8,24 1,42
700 8,12 1,81
Graf 1: Závislosť napätia v tlaku čistého geopolyméru na teplote 35,13
25,22
10,65
8,24 8,12
0 5 10 15 20 25 30 35 40
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
Zmes B – 5% austrálskeho granátu
Tab. 4: Vzorky s pridaním 5% granátu po rôznej tepelnej záťaži tepelná záťaž
t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 30,64 4,11
100 18,39 2,56
300 13,42 1,8
500 16,44 2,26
700 7,69 1,05
Graf 2: Závislosť napätia v tlaku s pridaním 5% granátu na teplote Zmes C – 10% austrálskeho granátu
Tab. 5: Vzorky s pridaním 10% granátu po rôznej tepelnej záťaži tepelná záťaž
t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 24,45 4,15
100 26,52 4,01
300 19,21 2,09
500 19,07 3,24
700 12,47 0,99
30,64
18,39
13,42
16,44
7,69
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
Graf 3: Závislosť napätia v tlaku s pridaním 10% granátu na teplote Zmes D – 15% austrálskeho granátu
Tab. 6: Vzorky s pridaním 15% granátu po rôznej tepelnej záťaži tepelná záťaž
t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 21,54 1,29
100 17,59 2,75
300 18,56 3,28
500 15,74 1,23
700 17,06 1,88
Graf 4: Závislosť napätia v tlaku s pridaním 15% granátu na teplote 24,45 26,52
19,21 19,07
12,47
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
21,54
17,59 18,56
15,74 17,06
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
Zmes E – 0,5% odpadových čadičových vlákien
Tab. 7: Vzorky s pridaním 0,5% odpadových čadičových vlákien po rôznej tepelnej záťaži
tepelná záťaž t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 30,57 1,77
100 18,63 2,09
300 11,61 3,19
500 9,17 3,72
700 13,74 2,04
Graf 5: Závislosť napätia v tlaku s pridaním 0,5% odpadových čadičových vlákien na teplote
Zmes F – 1% odpadových čadičových vlákien
Tab. 8:Vzorky s pridaním 1% odpadových čadičových vlákien po rôznej tepelnej záťaži tepelná záťaž
t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 23,18 2,76
100 21,97 3,94
300 11,07 0,69
500 13,00 2,8
700 7,77 1,89
30,57
18,63
11,61
9,17
13,74
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
Graf 6: Závislosť napätia v tlaku s pridaním 1% odpadových čadičových vlákien na teplote
Zmes G – 5% odpadových čadičových vlákien
Tab. 9: Vzorky s pridaním 5% odpadových čadičových vlákien po rôznej tepelnej záťaži
tepelná záťaž t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 21,22 1,54
100 22,46 2,27
300 11,56 0,93
500 11,64 1,98
700 9,20 0,88
Graf 7: Závislosť napätia v tlaku s pridaním 5% odpadových čadičových vlákien na teplote
23,18 21,97
11,07 13,00
7,77
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
21,22 22,46
11,56 11,64
9,20
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
Zmes H – 10% odpadových čadičových vlákien
Tab. 10: Vzorky s pridaním 10% odpadových čadičových vlákien po rôznej tepelnej záťaži
tepelná záťaž t [°C]
priemerná pevnosť v tlaku
Rpd [MPa]
smerodajná odchýlka σ [MPa]
20 24,73 4,50
100 28,04 3,82
300 19,45 1,53
500 15,28 1,70
700 10,34 2,66
Graf 8: Závislosť napätia v tlaku s pridaním 10% odpadových čadičových vlákien na teplote
24,73
28,04
19,45
15,28
10,34
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota t [°C]
33,96
22,82
10,65
8,24 8,12
29,02
18,39
13,42 16,44
7,69
24,45 26,52
19,21
19,07
12,47 21,54
17,59 18,56
15,74 17,06
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00
20 100 300 500 700
Napätie v tlaku Rpd[MPa]
Teplota [°C]
čistý geopolymér 5%granát
10%granát 15%granát
