Wytwarzanie i właściwości geopolimerów na bazie tufu wulkanicznego

JANUSZ MIKUŁA, MICHAŁ ŁACH Wytwarzanie i właściwości geopolimerów na bazie tufu wulkanicznego WPROWADZENIE Dr hab. inż. Janusz Mikuła prof. PK, mgr inż. Michał Łach (michallach85@o2.pl) Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska Określenie geopolimery odnosi się do polimerów nieorganicznych, które są amorficznymi materiałami glinokrzemianowymi syntezowanymi w mocno zasadowym środowisku w temperaturze nie przekraczającej 100 C. Termin geopolimer został po raz pierwszy użyty w 1970 roku przez francuskiego naukowca profesora Josepha Davidovitsa [1]. Podstawowe etapy geopolimeryzacji obejmują: roztwarzanie tlenków glinokrzemianowych w roztworze wodorotlenku sodu lub potasu, dyfuzję rozpuszczonego glinu i krzemu z powierzchni cząstek do przestrzeni międzycząsteczkowej, tworzenie się fazy żelu w wyniku polikondensacji pomiędzy dodanym roztworem krzemianu oraz glinem i krzemem, następnie utwardzanie fazy żelowej [2]. Reakcja polikondensacji nie jest reakcją samorzutną i konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Jej rozpoczęcie następuje po podwyższeniu temperatury powyżej 35 C. Reakcjom polikondensacji towarzyszy wydzielanie produktu ubocznego, którym najczęściej jest woda [3]. Właściwości i zastosowania geopolimerów są przedmiotem badań wielu dyscyplin naukowych, a zakres potencjalnych zastosowań obejmuje miedzy innymi: materiały odporne na wysoką temperaturę, izolacje termiczne, płytki ceramiczne, przedmioty dekoracyjne, różnego rodzaju materiały budowlane, zbiorniki odpadów radioaktywnych i toksycznych, pokrycia stali itp. [4]. Coraz większe znaczenie spoiwa geopolimerowe zyskują w technologiach unieszkodliwiania odpadów niebezpiecznych i ogólnie w ochronie środowiska. Produkty na bazie geopolimerów o właściwościach takich jak duża wytrzymałość początkowa, szybkie wiązanie, mała przepuszczalność, dobra kwasoodporność, a także niewielki koszt wytwarzania mają liczne możliwości zastosowań do unieszkodliwiania odpadów, np.: osłony powierzchni wysypisk i składowisk odpadów, trwały materiał do hermetyzacji odpadów niebezpiecznych, immobilizacja odpadów toksycznych zawierających arsen, rtęć, ołów itp. [5]. Znane są również możliwości zastosowań materiałów geopolimerowych do pokryć stali, betonu i ceramiki. Wykorzystanie geopolimerów jako powłok ochronnych jest bardzo obiecujące ze względu na ich doskonałe własności mechaniczne, chemiczne i odporność termiczną. Geopolimery mogą być zastosowane jako podkład do malowania lub pokrycia oraz farby wierzchnie na różnych powierzchniach [6]. Materiały takie mają dużą odporność na działanie środowisk agresywnych chemicznie, a w szczególności na działanie kwasów i jonów siarczanowych. Dodatkowo geopolimery zawierające popioły lotne z polskich elektrowni wykazują dobrą odporność na działanie wysokiej temperatury [7]. Ciekawą własnością przemawiającą za spoiwami geopolimerowymi jest również siła ich przylegania do stali (połączenia są silniejsze niż w przypadku cementu portlandzkiego) oraz brak korozji zbrojenia stalowego. Przeprowadzone badania nad alkalicznie aktywowanymi kompozytowymi spoiwami mineralnymi wykazały, że w przypadku zbrojenia takich materiałów stalą, bezpośredni kontakt ze stalą mają główne produkty hydratacji spoiwa, tj. zwarta mieszanina faz C-S-H i N-A-S-H. W strefie bezpośredniego styku zaobserwowano wzbogacenie o jony Fe, co sugeruje możliwość tworzenia się połączeń o charakterze chemicznym. Potwierdzają to badania mechaniczne, które pokazują, że w próbie wyciągania gładkiego pręta z matrycy występuje nagłe zerwanie połączenia przy większych naprężeniach niż w przypadku betonu porównawczego na bazie cementu portlandzkiego [8]. Szerokie spectrum możliwości zastosowań geopolimerów oraz ich właściwości przemawiają za potrzebą ich ciągłych badań i poszerzania wiedzy na ich temat oraz poszukiwania nowych materiałów mogących posłużyć do wytwarzania spoiw geopolimerowych zarówno materiałów odpadowych, jak i naturalnych. Dotychczas najwięcej uwagi poświęca się alkalicznej aktywacji popiołów lotnych, ewentualnie żużli wielkopiecowych, oraz aktywacji materiałów naturalnych typu metakaolinu. Niewiele jest opracowań dotyczących specyficznych materiałów naturalnych występujących lokalnie takich, jak np. tufy wulkaniczne występujące w okolicach Krakowa. W Polsce już w latach 50. ubiegłego stulecia pracowano nad wykorzystaniem tufów filipowickich jako źródła potasu [10], tlenku glinu i surowca do produkcji cementu, a także jako surowca skaleniowego w przemyśle ceramicznym. Już od połowy XIX wieku tuf filipowicki był eksploatowany jako materiał stosowany na bloki dla lokalnego budownictwa, a z czasem tuf ten zaczęto nazywać marmurem filipowickim. Tufy ze złoża Kowalska Góra były cennym materiałem budowlanym ze względu na lekkość, własności izolacyjne i odporność na zmienne warunki atmosferyczne. Obecnie koło Filipowic znajduje się nieczynny kamieniołom na południowym zboczu Kowalskiej Góry. Eksploatacja przemysłowa nie jest prowadzona pomimo tego, iż stwierdzono przydatność tufu filipowickiego i minerałów w nim występujących w różnych gałęziach przemysłu. Celem pracy była próba wytworzenia geopolimerów na bazie wulkanicznego tufu o wytrzymałości porównywalnej do standardowych betonów oraz zbadanie i analiza ich wybranych właściwości. MATERIAŁ DO BADAŃ Tufy filipowickie to tufy i tufity porfirowe występujące pomiędzy Karniowcami a Filipowicami oraz w Myślachowicach. Mają strukturę porfirową z fenokryształami skalenia. Ich barwa jest czerwonoróżowawa, często z białymi plamami wtórnego kalcytu lub zielonymi smugami chlorytu. Tufy filipowickie są utworami czerwonego spągowca (ok. 290 mln lat) [9]. W tufie filipowickim jako główny składnik występuje sanidyn oraz minerały, takie jak: kaolinit, biotyt i illit, a także kwarc. Występujące ziarna biotytu są wielkości do 8 mm, pozostałe składniki mają bardzo zróżnicowane wielkości od kilku milimetrów do 5 cm [11]. Występujące w tufie filipowickim składniki przedstawiono na rysunkach: illit + kaolinit rysunek 1; sanidyn rysunek 2; biotyt rysunek 3. W tabeli 1 przedstawiono skład tlenkowy tufu filipowickiego. Straty prażenia tufu wynoszą około 2,36%. 270 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

Rys. 1. Obraz SEM tufu filipowickiego. Illit i kaolinit Fig. 1. SEM image of Filipowice tuff. Illite and kaolinite Stosunek molowy /Al 2 w badanym tufie filipowickim wynosi 5,69. Na rysunku 4 przedstawiono dyfraktogram tufu filipowickiego. Analiza wykazała, że wszystkie główne piki pochodzą od fazy KAlSi 3 O 8 oraz. W tabeli 2 przedstawiono właściwości fizyczne tufu filipowickiego. Tuf wulkaniczny poddano obróbce cieplno-mechanicznej. Bryły tufu pobrane ze złoża zostały rozdrobnione i zmielone do wielkości cząstek poniżej 100 µm. Tak przygotowany proszek tufu poddano wyprażeniu w temperaturze 850 C przez czas 4 h. Prażenie miało na celu pozbycie się cząstek organicznych oraz wilgoci. Przeprowadzone badania zmiany masy tufu w funkcji zmiany temperatury wykazały, że powyżej 800 C masa tufu pozostaje niezmieniona, a straty prażenia wynoszą około 2,5%. Następnie wyżarzony proszek zmielono tak, aby średni wymiar cząstek był mniejszy niż 40 µm. Na rysunku 5 przedstawiono wyniki badań rozkładu wielkości cząstek metodą laserową. Średnia arytmetyczna średnicy cząstek wynosiła 31,52 µm. Badania porozymetryczne metodą BET wykazały, że wartość powierzchni właściwej dla tufu w postaci naturalnej wynosi około 9,708 m 2 /g. Rys. 2. Obraz SEM tufu filipowickiego sanidyn Fig. 2. SEM image of Filipowice tuff sanidine Rys. 4. Dyfraktogram tufu filipowickiego Fig. 4. Diffractogram of Filipowice tuff Tabela 2. Właściwości fizyczne tufu filipowickiego z rejonu Krzeszczowic [13] Table 2. The physical properties of Filipowice tuff [13] Gęstość kg/dm 3 Porowatość % Nasiąkliwość % Ścieralność na tarczy Boehmego cm Wytrzmałość na ściskanie MPa 2,63 23,1 8,3 0,5 27,5 Rys. 3. Przykład występującej w tufie frakcji biotytu Fig. 3. Biotite fraction in tuff Tabela 1. Zawartość tlenków w tufie filipowickim użytym do badań Table 1. Oxide content of Filipowice tuff Al 2 Fe 2 CaO K 2 O MgO TiO 2 Na 2 O 56,04 16,73 5,38 5,39 9,16 0,60 0,85 0,39 Rys.5. Rozkład wielkości cząstek tufu użytego do badań Fig. 5. The particle size distribution of tuff NR 3/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 271

Badania przeprowadzone w Narodowym Instytucie Zdrowia Publicznego, w Zakładzie Ochrony Radiologicznej i Radiobiologii wykazały aktywność pierwiastków promieniotwórczych na dopuszczalnym poziomie. Wyniki tych badań przedstawiono w tabeli 3. Wyniki te pozwalają stwierdzić, że tuf filipowicki spełnia wymogi zawarte w 3 pkt 1 z Rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 2 stycznia 2007 r. (Dz.U. nr 4/07, poz. 29) w sprawie wymagań dotyczących zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych w surowcach i materiałach stosowanych w budownictwie w odniesieniu do surowców i materiałów budowlanych stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi lub inwentarza żywego. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań było określenie wybranych własności tufu filipowickiego, jego obróbka oraz stwierdzenie przydatności do wytwarzania spoiw aktywowanych alkalicznie zwanych geopolimerami. Wykonano szereg próbek o różnych proporcjach molowych tlenków. Oceniano mikrostrukturę otrzymanych materiałów oraz dla wybranych kompozycji wykonano badania wytrzymałości na ściskanie. Dla materiału charakteryzującego się największą wartością wytrzymałości na ściskanie wykonano badania odporności na wysoką temperaturę. Przeprowadzono również wizualną ocenę pojawiania się wykwitów i zbadano ich strukturę. WYNIKI BADAŃ Sposób wytwarzania geopolimerów Do wytworzenia geopolimerów zastosowano techniczny wodorotlenek sodu i potasu w postaci płatków. Zastosowano wodny roztwór krzemianu sodu R-145 o module molowym 2,5 i gęstości około 1,45 g/cm 3 oraz wodny roztwór krzemianu potasu R-40 o module molowym 3,0 i gęstości 1,38 g/cm 3. Dodawana woda zarobowa była wodą wodociągową, nie stosowano wody destylowanej. Roztwór alkaliczny przygotowywano w ten sposób, że stały wodorotlenek sodu lub potasu zalewano wodnym roztworem krzemianu sodu lub potasu i wodą. Roztwór dokładnie mieszano i pozostawiono do czasu wyrównania się stężeń i osiągnięcia stałej temperatury. Stałe składniki mieszanki, czyli proszek tufu z ewentualnym dodatkiem piasku mieszano na sucho do czasu uzyskania jednolitej mieszanki, następnie dodawano roztwór alkaliczny i dokładnie mieszano. Czas mieszania wynosił od 5 do 10 minut. Po uzyskaniu jednorodnej masy o konsystencji gęsto plastycznej, mieszaninę przenoszono do cylindrycznych form z tworzywa sztucznego o wymiarach 35 70 mm. Próbki formowano, stosując docisk ręczny, a następnie, aby pozbyć się pęcherzyków powietrza, próbki poddano wibrowaniu przez około 15 minut. Szczelnie zamknięte formy wygrzewano w suszarce laboratoryjnej przez 24 h w różnej temperaturze pod ciśnieniem atmosferycznym. Po 24 godzinach próbki wyjmowano i rozformowywano. Do czasu badania wytrzymałości na ściskanie próbki przechowywano w temperaturze pokojowej w szczelnie zamkniętych pojemnikach. Wybrane proporcje molowe w zaczynach geopolimerowych przedstawiono w tabeli 4 dla kompozycji z użyciem wodorotlenku potasu KOH i szkła wodnego potasowego R-40. Dla kompozycji z użyciem wodorotlenku sodu NaOH i szkła wodnego sodowego R-145, proporcje molowe w wytworzonych zaczynach geopolimerowych przedstawiono w tabeli 5. Istotna różnica pomiędzy zaczynami z użyciem KOH a zaczynami z użyciem NaOH polega na proporcji wody do części stałych W/S. Z użyciem wodorotlenku potasu proporcje te są znacznie mniejsze. W tym przypadku było możliwe uzyskanie mieszanki o żądanej konsystencji przy znacznie mniejszej zawartości substancji ciekłych, głównie wody. Mikrostruktura Badania strukturalne i fraktograficzne wytworzonych spoiw geopolimerowych zostały wykonane na skaningowym mikroskopie elektronowym z mikroanalizatorem rentgenowskim EDS. Wyniki badań dla wybranych kompozycji z wykorzystaniem wodorotlenku sodu jako aktywatora alkalicznego przedstawiono na rysunkach 6 8. Widoczne na zdjęciach mikropęknięcia są wynikiem wcześniejszego poddania badanych próbek badaniu wytrzymałości na ściskanie. Na podstawie analizy SEM/EDS stwierdzono, że w próbkach występują w przeważającej większości najprawdopodobniej fazy N-A- -S-H wzbogacone również w żelazo i potas, który pochodzi z tufu. Mikrostruktura próbek wyraźnie różni się od siebie. Wynika to z różnych stosunków molowych Na 2 w wytworzonych kompozycjach. Na rysunku 7 w punktach 1 i 2 są widoczne cząstki nieprzereagowanego. W punkcie 3 obserwowano typową fazę N-A-S-H. Na rysunkach 6 8 są widoczne nieroztworzone cząstki, głównie krzemionki niereaktywnej pochodzącej ze skały wulkanicznego tufu, oraz ziarna biotytu. Mikrostruktury poszczególnych kompozycji różnią się ilością występującej w nich fazy amorficznej i fazy krystalicznej. Powstają w nich również odmienne fazy krystaliczne. Ich dokładna interpretacja wymaga przeprowadzenia bardziej szczegółowych analiz. Na rysunkach 9 11 przedstawiono mikrostrukturę spoiw geopolimerowych na bazie tufu filipowickiego, gdzie jako aktywator alkaliczny wykorzystano wodorotlenek potasu KOH. Mikrostruk- Tabela 4. Proporcje molowe w zaczynach geopolimerowych na bazie tufu filipowickiego (KOH, szkło wodne potasowe R-40) Table 4. The molar ratios of the geopolymers based on Filipowice tuff (KOH, potassium silicate solution R-40) /Al 2 K 2 K 2 O/Al 2 H 2 O/Na 2 O W/S 1 6,50 0,17 1,08 8,29 0,19 2 6,50 0,21 1,35 6,62 0,19 3 6,50 0,29 1,90 4,72 0,17 4 6,60 0,23 0,97 13,14 0,27 5 6,50 0,19 1,24 7,20 0,19 6 6,54 0,19 1,25 7,38 0,19 Tabela 3. Aktywność pierwiastków promieniotwórczych w tufie Table 3. Activity of radioactive elements in tuff Potasu K-40 Radu Ra-226 Toru Th-228 2599,07±35,53 Bq/kg 17,67±2,85 Bq/kg 24,72 ± Bq/kg Wskaźniki f 1 = 1,05±0,05; f 2 = 17,67±2,85 gdzie: f 1 wskaźnik aktywności określający zawartość naturalnych izotopów promieniotwórczych, f 2 wskaźnik określający zawartość izotopu radu Ra-226. Tabela 5. Proporcje molowe w zaczynach geopolimerowych na bazie tufu filipowickiego (NaOH, szkło wodne sodowe R-145) Table 5. The molar ratios of the geopolymers based on Filipowice tuff (NaOH, sodium silicate solution R-145) /Al 2 Na 2 Na 2 O/Al 2 H 2 O/Na 2 O W/S A 7,05 0,25 1,75 11,53 0,40 B 7,39 0,40 2,95 8,57 0,44 C 6,54 0,17 1,10 11,53 0,27 D 6,54 0,23 1,48 10,86 0,34 272 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

Rys. 6. Mikrostruktura geopolimeru na bazie tufu filipowickiego (aktywator NaOH + szkło wodne sodowe) Fig. 6. Microstructure of geopolymer based on Filipowice tuff (NaOH activator + sodium silicate solutions) Rys. 8. Mikrostruktura obserwowanej powierzchni dla geopolimeru na bazie tufu filipowickiego Fig. 8. Microstructure of the observed surface for geopolymer based on Filipowice tuff Rys. 9. Mikrostruktura geopolimeru na bazie tufu filipowickiego (aktywator KOH + szkło wodne potasowe) Fig. 9. Microstructure of geopolymer based on Filipowice tuff (KOH activator + potasium silicate solutions) Rys. 10. Mikrostruktura geopolimerów na bazie tufu wulkanicznego z aktywatorem potasowym Fig. 10. Microstructure of geopolymer with potassium activator Rys. 7. Mikrostruktura i widma promieniowania rentgenowskiego w wybranych punktach dla geopolimeru na bazie tufu filipowickiego Fig. 7. Microstructure and X-Ray spectra at selected points for geopolymer based on Filipowice tuff NR 3/2014 tura tych próbek różni się od poprzednich uzyskanych z użyciem NaOH. Widoczne są obszary, w których występuje duża ilość fazy powstałej z żelu zasadowego glinowo-krzemowego. Duża koncentracja potasu potwierdzona analizą EDS świadczy o efektywności procesu alkalicznej aktywacji. INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 273

Rys. 12. Zależność wytrzymałości na ściskanie od temperatury wyżarzania spoiw na bazie tufu filipowickiego Fig. 12. The dependence of the compressive strength on the annealing temperature, of binders based on Filipowice tuff Rys. 11. Analiza SEM/EDS zaczynu na bazie tufu filipowickiego próbka 1 Fig. 11. SEM/EDS analysis of product based on Filipowice tuff specimen 1 Wytrzymałość na ściskanie próbek zawierających NaOH i szkło wodne sodowe zawierała się w przedziale 15 25 MPa i zwiększała się wraz ze wzrostem proporcji Na 2, przy czym wpływ na zmniejszenie tej wytrzymałości miał stosunek W/S. Przy dużych wartościach modułu Na 2 na próbkach pojawiały się bardzo wyraźne wykwity. Wykwity na powierzchniach geopolimerów Wytrzymałość na ściskanie Dla wybranych kompozycji geopolimerów na bazie tufu filipowickiego przeprowadzono badania wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach sezonowania. Wyniki przedstawiono w tabeli 6. Dla materiału charakteryzującego się największą wytrzymałością na ściskanie przeprowadzono badania odporności na wysoką temperaturę. Wyniki przedstawia tabela 7 i rysunek 12. Próbki po 28 dniach sezonowania, które nie były poddawane ekspozycji w podwyższonej temperaturze charakteryzują się dużą wytrzymałością na ściskanie na poziomie 45 MPa. Przedstawione w tabeli 7 wyniki badania wytrzymałości na ściskanie w zależności od temperatury ekspozycji pokazują, że materiał ten charakteryzuje się wysoką żaroodpornością. Wytrzymałość na ściskanie zwiększa się w miarę wzrostu temperatury, osiągając w temperaturze 800 C wartość ok. 74 MPa. Zaobserwowano spadek wytrzymałości w temperaturze 600 C, co prawdopodobnie jest związane z występującą w tej temperaturze przemianą fazową. Tabela 6. Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach Table 6. The values of compressive strength after 28 days A B C D 1 2 3 5 6 MPa 17 19 20 25 18 11 19 35 45 Tabela 7. Wytrzymałość na ściskanie po ekspozycji w podwyższonej temperaturze Table 7. The values of compressive strength after exposure to elevated temperature C 22 400 600 800 900 MPa 45 68 51 74 66 W geopolimerach mogą ujawniać się na powierzchniach nieestetyczne wykwity spowodowane nadmiarem tlenków sodu lub potasu (rys. 13, 14). Są to pozostałości nieprzereagowanego materiału. Gdy geopolimery mają kontakt z wilgocią, woda przemieszcza się przez działanie sił kapilarnych, następnie odparowuje z powierzchni, pozostawiając alkaliczne kationy. Mogą one reagować z CO 2 znajdującym się w atmosferze, co powoduje powstawanie białych osadów (węglanów sodu lub potasu) [12]. Próby jakościowe na pojawianie się wykwitów przeprowadzono przez wizualne porównanie próbek. Próbki zanurzone były w 50 ml wody destylowanej i przechowywane na świeżym powietrzu w temperaturze pokojowej do momentu, aż woda całkowicie odparuje. Pojawianie się wykwitów i nalotów jest zjawiskiem bardzo niekorzystnym nie tylko ze względu na walory estetyczne. Może to prowadzić również w skrajnych przypadkach do całkowitej degradacji struktury. Zaobserwowano wpływ pojawiających się wykwitów na własności wytrzymałościowe otrzymywanych spoiw, dlatego eliminacja tego zjawiska ma duże znaczenie. Kompozycje, które zawierały znaczne ilości wodorotlenku sodu z czasem ulegały degradacji, co zaprezentowano na rysunku 13. Po kilku dniach na powierzchniach próbek pojawiły się wykwity i z czasem zjawisko to zaczęło penetrować w głąb materiału, co doprowadziło do wykruszania się znacznej części spoiwa. Analiza EDS potwierdziła, że pojawiające się białe naloty to węglany sodu w postaci różnego rodzaju pręcików, wyrostków (rys. 15-17. Ze względu na ograniczenia metody EDS na rysunku 17 nie zarejestrowano widma od węgla. Prowadzone badania dowiodły, że jest możliwe odpowiednie dobranie składu geopolimeru tak, aby wykwity nie pojawiały się na powierzchni, a struktura materiału była stabilna i nie ulegała degradacji (rys. 14). Przedstawione rozwiązanie wykorzystania tufu jako materiału do wytwarzania spoiw geopolimerowych zostało zgłoszone w Urzędzie Patentowym Rzeczypospolitej Polskiej numer zgłoszenia: P.401579. 274 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

Rys. 13. Próbki spoiwa geopolimerowego po testach na pojawianie się wykwitów Fig. 13. Samples of geopolymer binder after testing the appearance of efflorescence Rys. 16. Obraz SEM wykwitów pojawiających się na geopolimerach na bazie tufu filipowickiego Fig. 16. SEM image of efflorescence Rys. 14. Próbka bez wykwitów oraz próbka, która uległa całkowitej degradacji na skutek pojawienia się wykwitów Fig. 14. The sample without efflorescence and sample, which has been completely degraded Rys. 15. Obraz SEM wykwitów pojawiających się na geopolimerach na bazie tufu filipowickiego Fig. 15. SEM image of efflorescence WNIOSKI W pracy przedstawiono krótką charakterystykę tufu wulkanicznego z rejonu Krzeszowic oraz opisano sposób wytwarzania spoiw geopolimerowych na bazie tufu. Przedstawiono wyniki badań własności geopolimerów, takich jak: wytrzymałość na Rys. 17. Analiza SEM/EDS wykwitów pojawiających się na geopolimerach. Fig. 17. SEM/EDS analysis of efflorescence ściskanie, odporność termiczna, mikrostruktura, skład chemiczny oraz zjawisko pojawiania się wykwitów. Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić przydatność tufu filipowickiego do wytwarzania spoiw geopolimerowych. Uzyskane geopolimery mogą być wykorzystywane w produkcji materiałów NR 3/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 275

budowlanych. Wyniki badań potwierdziły, że jest możliwy dobór parametrów, takich jak: warunki reakcji, stężenia substancji aktywujących i sposób obróbki materiału bazowego tak, aby uzyskać właściwości wytrzymałościowe geopolimerów porównywalne do wytrzymałości tradycyjnych spoiw hydraulicznych. Spoiwa geopolimerowe na bazie tufu filipowickiego charakteryzują się dużą wytrzymałością na ściskanie rzędu 40 50 MPa oraz żaroodpornością do temperatury rzędu 1000 C. Po ekspozycji w temperaturze 900 C wytrzymałość na ściskanie wytworzonych spoiw wynosi 66 MPa. Przeprowadzona analiza jakościowa i obserwacje wizualne pozwalają stwierdzić, że jest możliwe ograniczenie lub całkowite wyeliminowanie występowania wykwitów alkalicznych na powierzchni elementów z tego typu spoiwa przez odpowiedni dobór aktywujących substancji alkalicznych. W badaniach zaobserwowano, że uzyskanie żądanej konsystencji gęsto plastycznej spoiw jest możliwe dla aktywatorów potasowych przy niższych stosunkach W/S niż dla kompozycji z wykorzystaniem aktywatorów sodowych. Wpływa to na wzrost wytrzymałości gotowych wyrobów. Rodzaj użytej zasady wpływa również na mikrostrukturę otrzymanych geopolimerów. Mikrostruktura różni się stopniem przereagowania materiału, występowaniem w różnych ilościach odmian amorficznych i krystalicznych poszczególnych faz, a także różna jest zwartość czy porowatość próbek. Analiza prac badawczych prowadzonych na świecie [14] oraz wyniki przedstawionych badań pozwalają stwierdzić, że możliwość sterowania właściwościami wytrzymałościowymi i strukturą geopolimerów sprawia, że są one perspektywicznym materiałem mogącym w przyszłości zastąpić w wybranych zastosowaniach spoiwa na bazie cementu portlandzkiego. LITERATURA [1] Provis L., Jannie S. J. van Deventer: Geopolymers: structure, processing, properties and industrial applications. Wyd. Woodhead Publishing Limited and CRC (2009). [2] Xu H., Van Deventer J.: The geopolymerisation of aluminosilicate minerals. International Journal of Mineral Processing 59 (3) (2000) 247 266. [3] Skupień P., Hilbig A., Müller E.: Wytwarzanie i właściwości kompozytów na osnowie geopolimerowej zbrojonych włóknem bazaltowym. Inżynieria Materiałowa 3 (2005) 139 143. [4] Davidovits J.: Geopolymer. Chemistry and application. Institut Geopolymere, France (2008). [5] Jaarsveld J. G. S., Denventer J. S. J., Lorenzen L.: The potential use of geopolymeric materials to immobilise toxic metals: Part I. Theory and applications. Materials Engineering 10 (7) (1997) 659 669. [6] Yong S. L., Feng D. W., Lukey G.C., van Deventer J.S.J. ; Chemical characterisation of the steel geopolymeric gel interface; Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 302 (2007) 411 423 [7] Wala D.; Rosiek G.; Adhezja kompozytów geopolimerowych do betonu, stali i ceramiki; Kompozyty 8:1 (2008) 36-40 [8] Petri M.; Alkalicznie aktywowane kompozytowe spoiwa mineralne. Granica kontaktowa pomiędzy stalą a stwardniałym zaczynem; Kompozyty 10:3 (2010) 276-281 [9] Głogowska M.; Walory edukacyjne odsłonięć geologicznych i obiektów górniczych w okolicy Trzebini,; Rozprawa doktorska AGH, Kraków 2007 [10] Szafnicki J.; Tufy filipowieckie potencjalne źródło potasu nawozowego; Chemik Nauka-Technika-Rynek; 1961, 14, Nr 3 [11] Smolak W., Michalik M.; The lower permian filipowice tuff are there primary components in it?, Mineralogical society of poland special papers, vol 20, 2002 [12] Najafi Kani E.; Allahverdi A.; Provis J. L.; Efflorescence Control In Geopolymer Binders Based on Natural Pozzolan; Cement & Concrete Composites 34 (2012) 25-33 [13] Piasta J.; Beton zwykły: Dobór kruszyw i cementów. Projektowanie betonu. Trwałość betonu. Odporność chemiczna i termiczna. Arkady, Warszawa 1994 [14] Provis L. J.; Jannie S.J. van Deventer; Alkali Activated Materials; Springer; 2014 276 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV