Využití anorganických polymerů a druhotných surovin pro stavebnictví Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR Oddělení chemie geopolymerů Hanzlíček T., Perná I., Steinerová M., Straka P.

. [OSi(OH)3]-+OH-=-OSi(OH)2O-+H2O (2) Schéma tvorby polymerních řetězců a síťování aluminuim-silikátových vazeb (Al-Si)solid+(OH-)liquid=[Al(OH)4]-+[OSi(OH)3]- (1) . [OSi(OH)3]-+OH-=-OSi(OH)2O-+H2O (2) . -OSi(OH)2O- + OH- = -OSi(OH)O- + H2O (3) M+ + -OSi (OH)3 = M+-OSi (OH)3 (4) monomer  2M+ + -OSi(OH)2O- = M+-OSi (OH)2O-+M (5) monomer monomer 3 M+ + -OSi(OH)O- = M+-OSi(OH)O-+M (6) monomer M+ + [Al(OH)4]- + OH- = M+ -OAl(OH)3 + H2O (7) . -OSi(OH)3 + M+-OSi(OH)3 + M+ = M+-OSi(OH)2–O–Si(OH)3 + MOH (8) dimer

Schéma konečného polymerního řetězce Tvořená třírozměrná a prostorová síť je elektricky vyvážena atomy sodíku, respektive draslíku, Základní schéma : | | | | | [ - Si – O – Si – O – Al – O – Si – O – Si -]- Na+ Tvorba anorganických polymerů proběhne za 12 – 16 hodin při normální teplotě a tlaku okolí, Směs neobsahuje ani cement ani vápno a je prosta organických pojiv.

Základní vlastnosti geopolymerních materiálů Nerozpustnost ve vodě. Odolnost proti vysokým teplotám do 1000 °C. Odolnost proti změnám teplot ( 900 – 20 °C). Odolnost proti vlivu zředěných kyselin a zásad. Nehořlavost – hmoty nevyvíjejí žádné zplodiny. Základní „báze“ je schopná akceptovat a uzavírat do polymerní sítě řadu dalších materiálů včetně materiálů druhotných.

Příklady inhibovaných materiálů v geopolymerní síti Písky včetně monofrakcí. Vysokopecní a ocelářské strusky. Popílky z elektrofiltrů. Obrusy slídy. Kamenný prach ( vápenec, čedič, opuka apod.). Drcený porcelán. Odpady z výroby SiC. Dřevěné štěpky, případně papír.

Vstupní suroviny geopolymerních reakcí Laboratoř úpravy nerostných surovin je zaměřena na solidifikaci druhotných a odpadových surovin v ČR, výběr základních jílových je orientován na těžené ale nezpracovávané jíly ( znečištěné barvicími oxidy, organickými látkami apod.), kvalifikovaný odhad množství těchto jílů je cca 250 000 tun ročně, Množství haldovaných průmyslových odpadů je v milionech tun ( vysokopecní strusky, ocelářské strusky, popílky apod.)

Hlavní přednosti geopolymerních směsí Pevné a nerozpustné polymerní hmoty jsou tvořeny za normální teploty a tlaku. Neobsahují cement ani vápenatá pojiva, stejně tak neobsahují pojiva sádrová. Příprava jílových materiálů – jejich aktivace nevyžaduje vysoké teploty na rozdíl od výroby cementu. Do ovzduší při aktivaci neuniká CO2 ale pouze voda. Podle druhu a zrnitosti plniva lze plynule měnit fyzikální vlastnosti materiálů pro různé účely použití. Dosažení základní pevnosti lze dosáhnout již během 1 hodiny zvýšením teploty při zrání na 45 – 60 °C.

Historické souvislosti Práce italských, francouzských a španělských vědeckých ústavů a laboratoří poukazuje na skutečnost, že řada antických památek nebyla postavena z tesaného kamene, ale kamene aglomerovaného. Naše práce na tomto úseku výsledky potvrzuje na studiu originálních vzorků stavebních dílů Sumerských a v poslední době i na vzorcích přivezených z Ctesiphonu (Perská stavební památka, jihovýchodně od Bagdadu- cca 100 let př.n.l.). V obou případech bylo prokazatelně potvrzeno, že stavební prvky nebyly páleny – nejsou tedy cihlami v pravém slova smyslu, ale byly připraveny jako aglomerát spraší s polymerní Al-O-Si vazbou. Toto poznání i vzhledem k trvanlivosti staveb ( Pantheon v Římě, Via Appia, Ctesiphon a další) vede k zamyšlení nad možností využít geopolymerních reakcí jak ke stavebním tak rekonstrukčním účelům památek.

Pantheon v Římě 118-120 před n.l.

Závěr Předpokládáme, vzhledem k velkému množství kvalitních jílových ale nevyužívaných zásob, možnost nejen tyto jíly zpracovat, ale využít nabízených možností v jejich vytvořené amorfní polymerní síti inhibovat řadu dalších odpadů – vytvořit tak alternativní stavební materiál s řadou zajímavých vlastností. Vzhledem k plně anorganické skladbě geopolymerů tyto materiály odolávají vysokým teplotám při kterých již nelze použít cement. Výrazný je i význam ekologický nejen při zpracování skládek průmyslových odpadů ale důležitá je i možnost snížení emisí CO2 v ovzduší. Práce na solidifikaci a inhibici průmyslových odpadů jsou řešeny v rámci přijatého výzkumného plánu AVOZ 30460519 AV ČR.