Геополимерен бетон

Създаването на алтернативни хидравлично свързващи композитни вещества и строителни бетони на тяхна основа, които да заменят енергоемкия портланд цимент, е актуалната задача на съвременната наука за строителни материали. Едно от решенията на водещите европейски производители е разработване и широко въвеждане в производство на геополимерен бетон на базата на геополимери. В статията ще разкажем за разликата между геополимерната технология и шлакоалканата активация, за особеностите на геополимерния бетон в сравнение с обикновения, за състава и свойствата на геополимерния бетон, за геополимерния бетон в 3D технологията за печат на сгради, за европейските производители на геополимерен бетон.

Текст: списание Строители

През 70-те години на 20 век във Франция е имало много сериозни пожари. След тяхното загасяване химикът Йосиф Давидовиц започва да работи по създаването полимерен материал, но без органични горими съединения. Няколко десетилетия по-късно, екип от учени ръководени от проф. Ерез Елош в Луизианския технологичен университет, изследват и разработват състава на иновативната бетонна смес. Така се появява геополимерната технология, основана на идеята за използване на неорганични минерални вещества. В своята триизмерна полимерна верига въглеродните атоми се заменят с неорганични силициеви и алуминиеви атоми. По този принцип се получават много композитни материали, включително геополимерни цименти и на тяхната база-геополимерен бетон. Специалистите наричат геополимерната технологията „нулев километър“, защото почти навсякъде по света в радиус от 100-200кm могат да се намерят материали за производство на бетон.

Геополимерният бетон може да се произвежда от неорганичните отпадъци на промишлени предприятия - летяща пепел, шлака и др., както и от природни минерали. Всичко зависи от наличието и достъпността на суровините.
Геополимерните свързващи вещества често се бъркат със свързващите вещества, получени на базата на гранулирана шлака от доменните пещи, активирана с алкална основа- т. нар. шлакоалкална активация. Те са били известни през 20 век и широко са използвани в производството на железобетонни изделия. За да се оценят обективно уникалните свойства на бетоните на базата на геополимерни цименти, е необходимо да се направи разлика между геополимерната технология и шлаково-алкалната активация.

Разлика между геополимерната технология и шлакоалкалната активация

Алкално активираните шлакосвързващи вещества-шлакоцименти, представляват свързващи системи на основата на фино диспергирани аморфни или кристални алумосиликатни материали, които са размесени с алкални основи или разтвори на соли с алкална реакция-обикновено разтвори на хидроксиди, силикати или алуминати на натрия и калия. Геополимерите са подклас на алкално активираните шлакосвързващи вещества, чиито свойства се осигуряват главно от силно координирани алумосиликати.
Известни са 3 основни разлики между геополимерната технология за производство на бетон, от шлакоалкалната активация. Първата е, че при производството на геополимерен цимент и бетон, не се използват активатори тъй като основните материали не изискват активиране. Достатъчно е само да започне реакцията, като материалите се разтварят доста лесно в началото. В геополимерната технология за производство на геополимерен цимент и бетон се използват реагенти или втвърдители.

Втората е, че няма разяждащи основи, нискомодулни разтворими силикати и други опасни и разяждащи компоненти, използвани при производството на шлакоалкален бетон. Геополимерната технология използва само безопасни, не разяждащи основи и не агресивни съединения, при работа с които не са необходими допълнителни мерки за безопасност. Третата е, че при правилно получен геополимерен бетон по принцип не може да има изсолване на повърхността-бяло покритие дължащо се на мигриращите натриеви или калиеви катиони. Това е така наречения „първичен“ признак, чрез който може да се определи вида на материала. За да се получат геополимерни бетони, е необходимо реакцията да продължи за да се свържат катионите, тъй като тя не е завършена. За целта се избира състав на геополимерния цимент с добавяне на свързващо структуро-образуващо вещество. Например, такова вещество може да бъде метакаолин, обработен по специален начин. Така в калциево-калиевите базирани геополимерни бетони, алуминият е напълно химически свързан, т. е. натриевите и калиевите катиони са затворени в структура и не могат да мигрират на повърхността и да реагират с други елементи. Получава се стабилна триизмерна геополимерна структура с повтарящи се атоми на силиций и алуминий, която е дълготрайно устойчива на корозия и други агресивни външни влияния.

Особености на геополимерния бетон в сравнение с обикновения

Якостта, времето за втвърдяване и другите свойства на обикновения бетон се определят от „естествените“ характеристики на портланд-цимента, при производството му. Те зависят от качеството на суровините, режимите на смилане и изпичане на клинкера. За да се увеличи или намали времето за втвърдяване на бетона, е необходимо да се въвеждат скъпи добавки, които променят свойствата на портланд-цимента. В геополимерния бетон могат да се постигнат същите резултати без използването на добавки, като се проектират различни състави от геополимерен цимент, които променят свойствата му. Този материал е по-малко чувствителен към инертните компоненти.

Производството на геополимерния бетон се състои от два етапа.
Първо се получава геополимерен цимент, чрез процеса на геополимеризация, след което се добавят инертни материали. Необходимо е стриктно да се спазва последователността на подаване на материалите и времето за тяхното смесване до получаване на хомогенна маса. При спазване на определено съотношение, всички тези реагенти образуват монолит. Внимателното претегляне гарантира наличието на определени свойства на сместа.

При промишленото производството на разтвора за геополимерен бетон е необходимо използването на ниски температури. При тях в готовата смес започват да протичат химични процеси. В резултат се получава монолит със значително повишена якост и устойчивост на влага, в сравнение с портланд цимента.Освен произведен от производител, геополимерният бетон може да приготви по определена рецептура в обикновен бетоносмесител. Производители са разработили мобилни автоматизирани инсталации, които дават възможност за производство на геополимерен бетон, на самата строителната площадка.

Състав

Съставът на геополимерния бетон включва само естествени компоненти, като водно стъкло, летяща пепел, шлака и други, които служат за свързване и емулгиране на сместа. За да се приготви един килограм геополимерна бетонна смес са необходими, калиев хидроксид 45%-90g, воднo стъкло 60%-200g, летяща пепел-330 g, доменна шлака натрошена на прах- 330g, и чиста вода-55g.
Водното стъкло, е воден алкален разтвор на натриеви или калиеви силикати(често наричано още силикатно лепило), който се използва за направата на киселинно-устойчив цимент, огнеупорни бои, покрития за дърво, импрегниране на тъкани, както и за залепване на целулозни материали. Разтвореният силициев диоксид във водното стъкло, способства за по-бързата полимеризация и ускоряване на втвърдяването.

„Летяща пепел“ е негорим остатък, който се получава в промишлени предприятия със собствени котелни, както и в ТЕЦ, при изгаряне на въглища за получаване на наситена водна пара. Пепелните частици имат сферична форма и са съставени от силициев диоксид, двуалуминиев триоксид, двужелезен триоксид и калциев оксид. Високото съдържание на аморфен силициев диоксид и двуалуминиев триоксид, създава възможност за алкална активация и синтезиране на геополимери. Химическият състав на летящата пепел се променя в широки граници в зависимост от различните видове въглища, които се използват в предприятията и ТЕЦ. За да се получи геополимерен бетон с най-голяма якост, пепелта се смесва с доменната шлака в съотношение 1:1.

Доменната шлака е отпаден продукт от производството на метали. След изсушаване и смилане, тя се използва като минерална добавка в производството на цимент. Съдържа главно силициеви, алуминиеви и калциеви оксиди, но без железни оксиди. Като алумосиликатен компонент към сместта могат да се добавят метакаолин, естествени зеолити, вулканична пепел, перлит, калцинирани шисти, микросилициев прах и др. Калиевият хидроксид се използва като алкален реагент. Той е неорганично съединение, което е във вид на малки безцветни кристали, които добре абсорбират водата и бързо се стопяват под въздействието на кислорода. Също като алкален реагент може да се използва и калциев хидроксид- гасена вар. Геополимерите, активирани с последната набират по-бавно якост, което улеснява работата на строителите. Добавката може да се използва заедно с друг алкален компонент. Само 1% от активното вещество, добавено към сместа, увеличава времето за втвърдяване с 40-60min.

Свойства

Според изследванията геополимерния бетон е много устойчив на корозия. Той се втвъдява много по-бързо. След 2 дни с такъв материал могат да се извършват първите манипулации, като за окончателното му втвърдяване ще е необходима само седмица. На обикновения бетон за окончателно втвърдяване са му нужни от 2 седмици до цял месец. Геополимерът, освен че се втвърдява бързо, той е устойчив на множество цикли на „размразяване-замразяване“. Освен това, за разлика от обикновения бетон, той има значително по-малко тегло.
При производството на геополимерния цимент емисиите на въглероден диоксид в атмосферата се намаляват 10 пъти, което допринася за намаляване на „парниковият ефект“ с 90%, спрямо портланд цимента. Така се подобрява цялостната екологична ситуация на планетата. В сравнение, при производството на портланд цимент се отделя значително количество въглероден диоксид - около 1,25t за всеки тон цимент.

При положение, че световното производство на цимент е около 4,5 милиарда тона, това прави близо 6 милиарда тона въглероден диоксид или близо 8% от всички въглеродни емисии. Затова напълно обосновано е производителите да търсят алтернатива, каквато е геополимерното хидравлично свързващо вещество с по-малки въглеродни емисии. За разлика от класическия цимент, геополимерният има висока степен на адхезия към всяка повърхност. В допълнение, той издържа на температурни промени, както и на различни киселинни реакции. Запазва перфектно формата си, не се напуква, не се разрушава под въздействието на различни метеорологични условия, не се деформира след дълго време. Правилно подбраните пълнители дават висока огнеустойчивост на материала.

Геополимерният бетон може да издържи до 1200°C. Текто-алуминиево-силикатният тип на триизмерната структура на геополимерната мрежа осигурява нанопорьозност, като позволява химически и физически свързани молекули вода да се изпаряват при нагряване, без да кипят и разрушават бетона отвътре. От друга страна, геополимерният бетон има висока мразоустойчивост и може да се използва при температури до -20°C без допълнително нагряване. С намаляване на диаметъра на порите, намалява температурата при която дори чистата дестилирана вода замръзва в тях. Така може да се достигне ниво на издръжливост от -40°C до -50°C. Реагентът-воден алкален разтвор, действащ като електролит, също понижава температурата на замръзване на течността в структурата на бетона.
Топлината на реакцията и повишаването на температурата по време на набиране на якост в геополимерния бетон, е значително по-ниска от обикновения. Признак на реакцията е нагряване на сместа, придружено от отделяне на мехурчета въглероден диоксид.

По време на процеса на смесване възниква екзотермична химическа реакция и генерираната топлина се компенсира от ниската температура на течността. Ако геополимерният състав допълнително се нагрее до 80°C, той се втвърдява за един ден. Ниската степен на съсъхване(свиване), позволява да се започне обработката на повърхността веднага след изсушаване. Окончателното втвърдяване при нормални условия продължава до седмица.
Химичните процеси, протичащи вътре в бетона, го превръщат в солидна монолитна структура приличаща на естествен камък, подходяща за строителство. Използването на този материал трябва да се извършва в сухо, топло време. Причината е, че с изсъхването на повърхността се образува малко количество твърд кристален тънък филм, който набъбва от излишната влага в околната среда.

Характерно за геополимерите е по-ниската топлопроводимост. По отношение на качеството на задържане на топлина в помещение е установено, че геополимерен бетон с дебелина само с 30сm, заменя тухлена стена с дебелина 125сm. Така значително се намаляват разходите за отопление.
Нанопорьозността на геополимерната структура осигурява ненадмината водонепропускливост, почти равна на пропускливостта на гранита. Големите водни молекули не могат да проникнат в геополимерната матрица дори под налягане. Съответно конструкциите, изработени от геополимерен бетон, не изискват допълнителна защита от вода, което намалява разходите за тяхното производство и изграждане като цяло.

Поради липсата на калциеви съединения геополимерния бетон има висока устойчивост на сулфати, както и устойчивост на различни видове соли и киселини. Уникалната химическа устойчивост на материала е особено важна за изградените конструкции, изложени на агресивна среда в крайбрежните райони. Често възниква въпросът за агресивния ефект на алкалните основи участващи в геополимерната полимеризация, върху металната армировка на конструкциите. В геополимерните бетони (както и в случая с портланд цимент по време на реакцията му с вода) се осигурява висока алкалност на средата, тоест протича обратният процес-пасивиране на повърхността на стоманената армировка и защита срещу корозия. Силно алкалната среда е гаранция за защитните свойства на бетона по отношение на армировката.

Уникалните свойства на геополимерния бетон му осигуряват широк спектър от приложения, особено в специални области, където изискванията за бетон са много високи. Например, летището в Бризбейн през 2014 година е построено изключително от геополимерен бетон, а във Венеция той се използва за подови настилки и реставрация на архитектурни паметници. В допълнение, такъв бетон може да се използва за изграждане на мостове. Поради своята еластичност, той им придава отлична стабилност. Високата му якост на натиск, прави възможно изграждането и на големи многосекционни сгради.
На базата на геополимерен бетон строителни експертите са разработили състав за 3D технология за строителен печат на сгради.

Геополимерен бетон в 3D технология за печат на сгради

Конкретните изисквания за 3D печат в строителството са различни от тези за обикновения бетон. Той не може да бъде произведен при използване на стандартни подходи и конвенционално оборудване. На първо място, всяка партида бетон за 3D печат трябва да има точно същите параметри като предишната. Различните коефициенти, използвани при производството на готов бетон, тук не са приложими. Необходимо е да се използва по-точно измервателно оборудване, за да се избегне неправилна дозировка на компонентите, а също и да се контролират свойствата на всеки материал, като се започне с цимента и се завърши с пясъка-използването на по-големи агрегати е ограничено от размера на печатащата дюза на полагащата машина.

С технологията за строителство на 3D печат, бетонът се нанася на слоеве, без да се използва кофраж. При това той същевременно трябва да има кратко време за втвърдяване-30-50min, да не се разтича, когато се екструдира от дюзата и да придобие якост много бързо-за по-малко от един час, така че следващият печатащ слой да не смачка предишния. Ако свойствата на всяка партида от сместа са различни, това може да доведе до  преждевременно втвърдяване на сместа в технологичното оборудване и необходимост от спиране на процеса на печат и промиване на всички системи(което увеличава времето за изграждане на конструкцията). Или, обратно, сместа няма придобие якост твърде дълго време- слоевете просто ще се сплескат или ще се размият, без да създадат желаната форма.

Постигането на такава висока стабилност е изключително трудно, когато се използва портланд цимент, тъй като той има доста високо различие на свойства дори в една и съща партида. Това ще доведе до необходимостта да се контролира всяка постъпваща партида цимент и постоянно корегиране на състава на бетонната смес. Важен фактор за стабилност и получаване на висока производителност е правилният подбор на инертните пълнители-различни фракции от пясък с гранулометрична крива, близка до идеалната.
Например, когато се използват няколко пясъци с различни фракции поради по-плътното разположение на структурата, якостта на натиск на геополимерния бетон за 3D печат на възраст 28 дни е 46,3 MPa, а на възраст 60 дни-91MPa.
Показателите за подвижност на бетона са тествани в съответствие с ASTM C 1437-01.

По този начин, поради правилния подбор на инертни пълнители, е възможно значително да се намали дозировката на геополимерния цимент и реагент, като се получават същите показатели за якостта и подвижността на смесите. Така се намаляват разходите за прозводство на бетон. Използването на геополимерен бетон и съответното оборудване за автоматизирано смесване позволява постигане на свойства характеризиращи се с висока стабилност. Съставът за 3D печат на базата на геополимерен цимент е с 30% по-евтин от състава със сходни характеристики на базата на портланд цимент.

снимка: B HASSEL

Европейски производители

Не всяка строителна фирма обича да експериментира. А в случая с геополимерния бетон е по-лесно да се купи готова смес, отколкото самостоятелно да се направи строителен бетон. През 2012 г. е установено индустриално производство на геополимерен бетон. LAFARGE-Франция, е най-големият производител в света на циментови и бетонови смеси. Произвежда не само цимент, но и нерудни материали и геополимерен бетон. GRUPOSUBDI-Испания, е друг производител предлагащ сухи строителни смеси с високо качество. Heidelberger Cement-Германия, е производител на готов бетон със световна репутация.