Projekty a granty

Průběh hydratace alkalicky aktivovaných pojiv

SP2015/163

Alkalicky aktivovaná (AA) hmota je připravena pomocí vstupní suroviny obsahující převážně SiO2, Al2O3 a CaO a alkalického aktivátoru. Aktivátor je látka, která nastartuje pojivovou reakci. Tyto aktivátory jsou obvykle na bázi alkalických kovů (Na, K, Li). Nejčastěji se jedná o hydroxidy, vodní skla a uhličitany [1, 4, 7]. Na rozdíl od hydraulických pojiv vyžadují AA hmoty vodu plnící pouze reologickou funkci. Teoreticky lze odlišit AA hmoty vytvořené pomocí materiálů obsahujících oxid vápenatý a tzv. geopolymery , které obsahují především oxid křemičitý a oxid hlinitý [2, 4, 6, 7, 9]. Tyto dvě skupiny látek také vytváří rozdílný pohled na AA hmoty. Projekt se zaměřuje především na pojiva obsahující CaO. Proces hydratace připisovaný těmto pojivům je ve výsledných produktech velmi podobný portlandskému cementu (PC), avšak principem se liší. U klasického PC dochází k reakci vody a slínkových minerálů a různých meziproduktů v podobě hydratovaných minerálních fází. U AA hmot, jejichž příprava probíhá s použitím vstupního materiálu (např. vysokopecní strusky), dochází ke štěpení jednotlivých oxidů aktivátorem s vysokým pH (tedy pomocí OH- iontů) a postupným spojováním a řetězením dochází ke vzniku C-S-H gelu tzv. tobermoritového typu [1, 8, 10]. V současné době jsou intenzivně studovány zejména fázové systémy různě kombinovaných vstupních materiálů. Výzkum je zaměřen také na mechanické a fyzikální vlastnosti AA hmot [1, 3, 4, 5, 7]. Mnohé projekty se snaží začlenit AA hmoty do stavebního průmyslu, pro méně významné stavební prvky jako jsou dlažby či dekorativní prvky. Pro tuto oblast však nejsou dosud vypracovány metodické postupy, které by umožnily konkrétní aplikace. Základní laboratorní výzkum AA hmot je poměrně rozsáhlý, problém však představuje transfer získaných poznatků do praxe. [1] SHI C., KRIVENKO, P.V., ROY, D., Alkali-activated cements and concretes, Taylor&Francis, Oxford, 2006 [2] ŠKVÁRA, F. Alkalicky aktivované materiály - geopolymery. Praha, 2007. ISBN 978-80-7080-004-1 [3] TOMKOVÁ F. Alkali-activated composites based on slags from iron and steel metallurgy, Metallurgy, 48 (2009), 223-227 [4] PACHECO-TORGAL, F., CASTRO-GOMES, J., JALALI, S.: Alkali-activated binders: A review Part 1. Historical background, terminology, reaction mechanisms and hydratation products, Construction and Building Materials, 22 (2008),str. 1305-1314 [5] VAVRO, M., BOHÁČOVÁ, J., MEC, P., TOMKOVÁ, V., VLČEK, J., STANĚK, S. Alkali-Activated Building Materials Based on Blast Furnace Slag and Non-Standard Aggregates. Transactions of the VŠB - Technical University of Ostrava, 2011, roč. 11, č. 2, s. 1-8. [6] DAVIDOVITS, J.: Geopolymers, Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis. 37 (1991), 1633 - 1656. [7] DAVIDOVITS, J.: Geopolymer, chemistry and application, Institut Géopolymere, 2008, ISBN: 978-2-9514820-1-2 [8] MITSUDA, T., TAYLOR H.F.W.: Normal and anomalous tobermorites, Mineralogical magazine, 42 (1978), str. 229-235 [9] LI, C., SUN, H., LI, L.: A review: The comparison between alkali-activated slag (Ca+Si) and metakaolin (Si+Al) cements, Cement and Concrete Research, 40(2010), str. 1341-1349 [10] MERLINE S., BONACCORSI, E., ARMBRUSTER, T.: Tobermorites: Their real structure and order-disorder (OD) charakter, American mineralogist, 84 (1999), str. 1613 – 1621 Pro studium hydratace připravených AA past a malt budou využity následující analytické metody: TERMICKÉ METODY pro sledování průběhu hydtatace a fázových změn Isotermální kalorimetrie bude použita pro všechny typy směsí. Tato metoda slouží pro sledování vývinu tepla v průběhu hydratace. Sdružená DCS/TG analýza bude prováděna na vzorcích rozemletých na analytickou zrnitost Zmíněné metody jsou na pracovišti ICT umístěném na FAST VŠB-TUO a jejich použití není omezeno. Finančně je nutno zajistit pouze spotřební materiál. SPEKTROSKOPICKÉ METODY pro studium fázových struktur Infračervená spektroskopie bude prováděna na vzorcích rozemletých na analytickou zrnitost. Analýza bude provedena na Ústavu geoniky Akademie věd. Předpokládá se analýza přibližně 30 vzorků v ceně 600kč/vzorek. Spektroskopie NMR dokáže poskytnout informaci o struktuře materiálu. Využití této metody je velmi drahé a předpokládá se analýza pouze několika vybraných vzorků do celkové ceny 20000kč. Rentgenová prášková difrakce pro stanovení fázových struktur. Analýzy budou prováděny na VŠB a jsou podmíněny nákupem spotřebního materiálu a případnou účastí na publikačních výstupech. MKROSKOPICKÉ METODY Skenovací elektronová mikroskpie a transmisní elektronová mikroskopie pro studium struktur v materiálu. Analýzy prováděny na VŠB podmíněné nákupem spotřebního materiálu a případnou účastí na publikačních výstupech. FYZIKÁLNÍ A MECHANICKÉ ZKOUŠKY Zkoušení pevností a základních parametrů bude prováděno v laboratoři stavebních hmot na FAST. ČLENOVÉ TÝMU: Ing. Pavel Mec - hlavní řešitel, disertační práce shodná s problematikou projektu Ing. Jana Boháčová - spoluřešitel, disertační práce zaměřená na fyzikálně mechanické vlastnosti AA hmot bc. Josef Koňařík - obhájená bakalářská práce v oblasti AA hmot, diplomová práce zaměřená na AA hmoty bc. Petr Závrský - obhájená bakalářská práce v oblasti AA hmot, diplomová práce zaměřená na AA hmoty Ing. Martina Turicová - zaměstnanec laboratoře stavebních hmot, provádění základních chemických analýz a parametrů zkoušených vzorků PUBLIKAČNÍ VÝSTUPY V DANÉ OBLASTI: MEC, P., VAVRO, M., PTICEN, F. Vývoj a výzkum vlastností lehčených vápenných malt s přídavkem metakaolínů. Sborník vědeckých prací VŠB-TUO, řada stavební, 2011, roč. XI., č. 1, s. 65-74. (Jrec) MEC, P. Malty s vysokými užitnými vlastnostmi a možnosti jejich využití. In Moderní stavební materiály a jejich využití. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 2011, s. 32-38. (článek domácí) VAVRO, M., BOHÁČOVÁ, J., MEC, P., TOMKOVÁ, V., VLČEK, J., STANĚK, S. Alkali-Activated Building Materials Based on Blast Furnace Slag and Non-Standard Aggregates. Transactions of the VŠB - Technical University of Ostrava, 2011, roč. 11, č. 2, s. 1-8. (Jrec) MEC, P., MURÍNOVÁ, T., BOHÁČOVÁ, J. Pojivové systémy s experlitovým plnivem. In Maltoviny 2012. Brno : Vysoké učení technické v Brně, 2012, s. 64-69. (článek konference) MEC P., MURÍNOVÁ T., KUBEČKA, K.: Possibilities of thermal analysis for the evaluation of construction materials, Advanced Materials Research, vol. 899(2014) str. 69-72 (D) BOHÁČOVÁ J., STANĚK S., MEC P.: Thermal insulation Alkali-Activated materials with lightweight aggregate, Advanced Materials Research 897(2014) str. 65-68 (D) BOHÁČOVÁ J., STANĚK S., MEC P.: Preparation and properties of pressed metakaolin and fly ash based alkali-activated binders, Advanced Materials Research vol. 897(2014) str. 65-68 (D) MEC P., KHESTL F., MURÍNOVÁ T., BOHÁČOVÁ J.: Thermoanalytical study of binders containing pozzolanic and latent hydraulic materials, Advanced Materials Research 897(2014) str. 21-24 (D) Koňařík, J.:Vliv aktivátoru na základní vlastnosti alkalicky aktivovaných systémů, bakalářská práce, VŠB - TU Ostrava, 2014 Závrský, P.:Ověření vlastností alkalicky aktivovaných systémů v závislosti na zvoleném typu plniva, bakalářská práce, VŠB - TU Ostrava, 2014

2015

2015

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Mec Pavel Ing.

Průběh hydratace alkalicky aktivovaných pojiv

SP2015/163

Alkalicky aktivovaná (AA) hmota je připravena pomocí vstupní suroviny obsahující převážně SiO2, Al2O3 a CaO a alkalického aktivátoru. Aktivátor je látka, která nastartuje pojivovou reakci. Tyto aktivátory jsou obvykle na bázi alkalických kovů (Na, K, Li). Nejčastěji se jedná o hydroxidy, vodní skla a uhličitany [1, 4, 7]. Na rozdíl od hydraulických pojiv vyžadují AA hmoty vodu plnící pouze reologickou funkci. Teoreticky lze odlišit AA hmoty vytvořené pomocí materiálů obsahujících oxid vápenatý a tzv. geopolymery , které obsahují především oxid křemičitý a oxid hlinitý [2, 4, 6, 7, 9]. Tyto dvě skupiny látek také vytváří rozdílný pohled na AA hmoty. Projekt se zaměřuje především na pojiva obsahující CaO. Proces hydratace připisovaný těmto pojivům je ve výsledných produktech velmi podobný portlandskému cementu (PC), avšak principem se liší. U klasického PC dochází k reakci vody a slínkových minerálů a různých meziproduktů v podobě hydratovaných minerálních fází. U AA hmot, jejichž příprava probíhá s použitím vstupního materiálu (např. vysokopecní strusky), dochází ke štěpení jednotlivých oxidů aktivátorem s vysokým pH (tedy pomocí OH- iontů) a postupným spojováním a řetězením dochází ke vzniku C-S-H gelu tzv. tobermoritového typu [1, 8, 10]. V současné době jsou intenzivně studovány zejména fázové systémy různě kombinovaných vstupních materiálů. Výzkum je zaměřen také na mechanické a fyzikální vlastnosti AA hmot [1, 3, 4, 5, 7]. Mnohé projekty se snaží začlenit AA hmoty do stavebního průmyslu, pro méně významné stavební prvky jako jsou dlažby či dekorativní prvky. Pro tuto oblast však nejsou dosud vypracovány metodické postupy, které by umožnily konkrétní aplikace. Základní laboratorní výzkum AA hmot je poměrně rozsáhlý, problém však představuje transfer získaných poznatků do praxe. [1] SHI C., KRIVENKO, P.V., ROY, D., Alkali-activated cements and concretes, Taylor&Francis, Oxford, 2006 [2] ŠKVÁRA, F. Alkalicky aktivované materiály - geopolymery. Praha, 2007. ISBN 978-80-7080-004-1 [3] TOMKOVÁ F. Alkali-activated composites based on slags from iron and steel metallurgy, Metallurgy, 48 (2009), 223-227 [4] PACHECO-TORGAL, F., CASTRO-GOMES, J., JALALI, S.: Alkali-activated binders: A review Part 1. Historical background, terminology, reaction mechanisms and hydratation products, Construction and Building Materials, 22 (2008),str. 1305-1314 [5] VAVRO, M., BOHÁČOVÁ, J., MEC, P., TOMKOVÁ, V., VLČEK, J., STANĚK, S. Alkali-Activated Building Materials Based on Blast Furnace Slag and Non-Standard Aggregates. Transactions of the VŠB - Technical University of Ostrava, 2011, roč. 11, č. 2, s. 1-8. [6] DAVIDOVITS, J.: Geopolymers, Inorganic polymeric new materials, Journal of Thermal Analysis. 37 (1991), 1633 - 1656. [7] DAVIDOVITS, J.: Geopolymer, chemistry and application, Institut Géopolymere, 2008, ISBN: 978-2-9514820-1-2 [8] MITSUDA, T., TAYLOR H.F.W.: Normal and anomalous tobermorites, Mineralogical magazine, 42 (1978), str. 229-235 [9] LI, C., SUN, H., LI, L.: A review: The comparison between alkali-activated slag (Ca+Si) and metakaolin (Si+Al) cements, Cement and Concrete Research, 40(2010), str. 1341-1349 [10] MERLINE S., BONACCORSI, E., ARMBRUSTER, T.: Tobermorites: Their real structure and order-disorder (OD) charakter, American mineralogist, 84 (1999), str. 1613 – 1621 Pro studium hydratace připravených AA past a malt budou využity následující analytické metody: TERMICKÉ METODY pro sledování průběhu hydtatace a fázových změn Isotermální kalorimetrie bude použita pro všechny typy směsí. Tato metoda slouží pro sledování vývinu tepla v průběhu hydratace. Sdružená DCS/TG analýza bude prováděna na vzorcích rozemletých na analytickou zrnitost Zmíněné metody jsou na pracovišti ICT umístěném na FAST VŠB-TUO a jejich použití není omezeno. Finančně je nutno zajistit pouze spotřební materiál. SPEKTROSKOPICKÉ METODY pro studium fázových struktur Infračervená spektroskopie bude prováděna na vzorcích rozemletých na analytickou zrnitost. Analýza bude provedena na Ústavu geoniky Akademie věd. Předpokládá se analýza přibližně 30 vzorků v ceně 600kč/vzorek. Spektroskopie NMR dokáže poskytnout informaci o struktuře materiálu. Využití této metody je velmi drahé a předpokládá se analýza pouze několika vybraných vzorků do celkové ceny 20000kč. Rentgenová prášková difrakce pro stanovení fázových struktur. Analýzy budou prováděny na VŠB a jsou podmíněny nákupem spotřebního materiálu a případnou účastí na publikačních výstupech. MKROSKOPICKÉ METODY Skenovací elektronová mikroskpie a transmisní elektronová mikroskopie pro studium struktur v materiálu. Analýzy prováděny na VŠB podmíněné nákupem spotřebního materiálu a případnou účastí na publikačních výstupech. FYZIKÁLNÍ A MECHANICKÉ ZKOUŠKY Zkoušení pevností a základních parametrů bude prováděno v laboratoři stavebních hmot na FAST. ČLENOVÉ TÝMU: Ing. Pavel Mec - hlavní řešitel, disertační práce shodná s problematikou projektu Ing. Jana Boháčová - spoluřešitel, disertační práce zaměřená na fyzikálně mechanické vlastnosti AA hmot bc. Josef Koňařík - obhájená bakalářská práce v oblasti AA hmot, diplomová práce zaměřená na AA hmoty bc. Petr Závrský - obhájená bakalářská práce v oblasti AA hmot, diplomová práce zaměřená na AA hmoty Ing. Martina Turicová - zaměstnanec laboratoře stavebních hmot, provádění základních chemických analýz a parametrů zkoušených vzorků PUBLIKAČNÍ VÝSTUPY V DANÉ OBLASTI: MEC, P., VAVRO, M., PTICEN, F. Vývoj a výzkum vlastností lehčených vápenných malt s přídavkem metakaolínů. Sborník vědeckých prací VŠB-TUO, řada stavební, 2011, roč. XI., č. 1, s. 65-74. (Jrec) MEC, P. Malty s vysokými užitnými vlastnostmi a možnosti jejich využití. In Moderní stavební materiály a jejich využití. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 2011, s. 32-38. (článek domácí) VAVRO, M., BOHÁČOVÁ, J., MEC, P., TOMKOVÁ, V., VLČEK, J., STANĚK, S. Alkali-Activated Building Materials Based on Blast Furnace Slag and Non-Standard Aggregates. Transactions of the VŠB - Technical University of Ostrava, 2011, roč. 11, č. 2, s. 1-8. (Jrec) MEC, P., MURÍNOVÁ, T., BOHÁČOVÁ, J. Pojivové systémy s experlitovým plnivem. In Maltoviny 2012. Brno : Vysoké učení technické v Brně, 2012, s. 64-69. (článek konference) MEC P., MURÍNOVÁ T., KUBEČKA, K.: Possibilities of thermal analysis for the evaluation of construction materials, Advanced Materials Research, vol. 899(2014) str. 69-72 (D) BOHÁČOVÁ J., STANĚK S., MEC P.: Thermal insulation Alkali-Activated materials with lightweight aggregate, Advanced Materials Research 897(2014) str. 65-68 (D) BOHÁČOVÁ J., STANĚK S., MEC P.: Preparation and properties of pressed metakaolin and fly ash based alkali-activated binders, Advanced Materials Research vol. 897(2014) str. 65-68 (D) MEC P., KHESTL F., MURÍNOVÁ T., BOHÁČOVÁ J.: Thermoanalytical study of binders containing pozzolanic and latent hydraulic materials, Advanced Materials Research 897(2014) str. 21-24 (D) Koňařík, J.:Vliv aktivátoru na základní vlastnosti alkalicky aktivovaných systémů, bakalářská práce, VŠB - TU Ostrava, 2014 Závrský, P.:Ověření vlastností alkalicky aktivovaných systémů v závislosti na zvoleném typu plniva, bakalářská práce, VŠB - TU Ostrava, 2014

2015

2015

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Mec Pavel Ing.