Geopolymery: budoucnost mostního stavitelství?

• Foto

PYRAMIDY
Velice zajímavá je hypotéza francouzského chemika profesora Josepha Davidovitse, kterou přednesl v roce 1974 na egyptologickém kongresu v Lyonu o materiálu, ze kterého jsou postaveny pyramidy. Tenkrát bylo prvně vyřčeno slovo „geopolymer“ – umělý kámen. Tento materiál podle jeho hypotézy totiž již před více než 4 500 lety nejspíše používali stavitelé pyramid [1]. V současnosti není zatím tato myšlenka zcela prokázána a potvrzena, ale i u jiných starověkých staveb (Mezopotánie, Řím) byly materiály s geopolymerními vlastnostmi použity.

GEOPOLYMERY
Prakticky jakýkoli kámen lze vytvořit uměle, a to s takovou dokonalostí napodobení, že se od přírodního dá rozlišit jen vysoce specializovanou analýzou. Špičkový francouzský chemik to dobře věděl, a tak si položil logickou otázku: Mohli dělníci před pěti tisíci lety dostat obrovské kvádry do takových výšek, když neměli důmyslné transportní mechanizmy a neznali ani kolo? Dospěl k závěru, že nikoli. Zato ho napadla daleko pravděpodobnější teorie. Ke stavbě pyramid využívali stavebníci období záplav, kdy se Nil rozlil do daleka. Tehdy snášeli mokrý
písek z nejbližšího okolí, na místě ho pěchovali do forem, smísili s aktivačními prostředky a pak nechali slunce, aby směs postupně vysušilo a proměnilo v litý kámen.

Teorii Josepha Davidovitse dnes podporují nejen dochovaná vyobrazení a hieroglyfický zápis na čtyřech staroegyptských tabulkách, ale i řada důkazů z později provedených laboratorních zkoušek. Nerost, z něhož jsou pyramidy postaveny, obsahuje vodu, pohlcuje záření a jsou v něm nepatrné vzduchové bubliny. Nic z toho se u přírodních kamenů nevyskytuje. Navíc jsou některé složky vzorků z pyramid amorfní (nezkrystalizované) a uvnitř vzorku lze najít rovněž vlasy. A když kvádrem vedete řez, zjistíte, že ve spodní části je hustější než v horní.

Vše tedy nasvědčuje tomu, že stavitelé ve starém Egyptě používali vyspělou technologii, která využívala dostupných přírodních zdrojů (vápenec, voda, jíl, soli) k výrobě „geopolymerického betonu“. Obrovské a neuvěřitelně přesné tvárnice pro stavbu pyramid dělníci neotesávali z kamenných kvádrů vytěžených v lomech Toura a Maadi poblíž Gízy, nýbrž je vyráběli z „kamenné kaše“, kterou ve velkém míchali v mělkých písečných nádržích a poté vylévali a pěchovali do předem připraveného dřevěného šalování.

Tomu, aby se dalo zjistit přesné složení takto vzniklých bloků, dosud brání odpor egyptologů. Musíme se proto spolehnout na odhady profesora Davidovitse. Podle nich obsahují tvárnice 93 – 97 % složek přírodního vápence, zbytek tvoří pojivo. V něm převažuje kaolinitický jíl z vápence v Gíze, podstatný je přídavek sody (ta pochází ze spalování palmového dřeva a natronové soli), která výslednou hmotu pojiva změnila v geologické lepidlo. Egypťanům se tak podařilo vytvořit geopolymerický cement chemicky srovnatelný s přírodním kamenem, který pojí skály. To je důvod, proč geologové nemohou klasickou metodou krystalografické analýzy rozlišit přírodní vápenec od umělého. Vynalézavost a um tvůrců si zaslouží obdiv: kdyby byly egyptské pyramidy postaveny z nejkvalitnějšího současného betonu, byly by se už dávno rozpadly [2].

VLASTNOSTI A UPLATNĚNÍ
Geopolymery nabízejí široké a různorodé uplatnění. Pro svou extrémní odolnost mohou sloužit jako vynikající izolace a stavební materiál. První aplikace ve stavebnictví pocházejí z let 1972–1976, kdy byl geopolymer nanášen na dřevotřískové desky, aby zvýšil jejich ohnivzdornost. Geopolymerní cement Pyrament™ byl použit například na opravu letištní plochy v Los Angeles. V brzké době lze očekávat využití geopolymerů při výstavbě silnic, mostů, budov a jiných původně betonových staveb [3].

Mechanické vlastnosti geopolymerů hlavně pevnosti v tlaku rostou i v časovém období 360–520 dnů (vývoj pevností je sledován již devět let) ,vykazují minimální smrštění, mikromechanické a další mechanické vlastnosti jsou stále ve stadiu výzkumu [4].

Už nyní se tyto materiály využívají rovněž v jiných oborech např. na výrobu výfukového potrubí vozů Formule 1 nebo na výrobu tepelných štítů pro raketoplány. A do budoucna může být velmi podstatná stabilizace nebezpečných a radioaktivních odpadů pomocí geopolymerních matric (tzv. solidifikace) nebo schopnost zpracovat jako surovinu pro výrobu geopolymerů (alkalicky aktivovaných materiálů) odpadní produkty z teplárenských a energetických provozů [3]. Tyto výzkumy v České republice provádí již řadu let Ústav skla a keramiky VŠCHT ve spolupráci s Fakultou stavební ČVUT v Praze (od roku 1973).

SROVNÁNÍ GEOPOLYMERŮ S BETONEM
Předností geopolymerů ve srovnání s betonem je především jejich vyšší pevnost v tlaku, ale nezanedbatelná je rovněž značná odolnost proti ohni, chemická odolnost, mrazuvzdornost, a také podstatně ekologičtější způsob výroby. Při běžné výrobě geopolymerů vzniká šestkrát méně oxidu uhličitého než při výrobě cementu. Při výrobě jedné tuny cementu unikne do ovzduší stejné množství CO₂, tedy rovněž jedna tuna! V absolutním vyjádření tak výroba cementu v roce 2005 celosvětově vyprodukovala 1,8 miliardy tun CO₂. Současná produkce cementu tvoří osm procent všech emisí, které mají na svědomí skleníkový efekt a vznik ozonové díry, a přesto se počítá s růstem potřeby cementu na celosvětovém trhu již do roku 2020 na dvojnásobek. Jako jeden z významných prostředků řešení hrozící ekologické katastrofy se nabízejí právě geopolymery. Určitě beton okamžitě nenahradí, ale mohou účinně pokrýt zvýšení poptávky [3], [5].

VÝROBA
Geopolymery se obecně vyrábějí alkalickou aktivací vhodného materiálu, což jsou např. odpadní materiály jako elektrárenský popílek a různé strusky a nebo materiálů již využívaných v betonářském průmyslu jako např. metakaolin a Portlandský cement (PC). Nejčastěji se využívají a zkoumají jejich různě připravené směsi spolu s plnivy (kamenivem a výztuží) ve snaze nalézt kombinaci s co nejlepšími vlastnostmi.

Na světě existují ložiska pro výrobu geopolymerů, která se už nemusí aktivovat (tedy tepelně zpracovat při teplotě 600–700 °C). Znamená to, že pak při výrobě geopolymerů nevznikají žádné emise. V tuto chvíli jsou známa dvě taková ložiska. První se nachází v Austrálii, druhé v České republice.

Český trumf pro ekologickou výrobu geopolymerů představují haldy lupku poblíž Zbůhu u Plzně. Lupek je odpad z těžby černého uhlí. Původně se nacházel ve slojích (vrstvách) nad vrstvami uhlí. Protože jde o materiál málo kompaktní, který by se při rubání uhlí na horníky zřítil, bylo nutné ho odtěžit. Tak se stalo, že tato směs kaolínů a jílů s poměrně velkým množstvím organických látek byla navezena na haldy, jejichž výška dosáhla až 70 metrů (výška Petřínské rozhledny).

Na haldách došlo k samovznícení materiálu, takže výše zmíněný proces aktivace už zde proběhl přírodní cestou. Uvnitř haldy hoří neustále, ale jde o endogenní (tedy vnitřní) hoření hlušiny s minimem kyslíku. Oxid uhličitý se při tomto procesu uvolňuje už dlouhá léta, ovšem v téměř neměřitelném množství. Více ho unikne jen tehdy, když hoření pronikne na povrch. Právě teď přišel čas, aby lupek přestal zahálet: z „kontrolovaného odpadu“ se stane výrobní surovinou. Na haldách u Zbůhu je ho tolik, že by dokázal nahradit poptávku po cementu pro celou Českou republiku zhruba na 20 let. Přesto v nejbližší době půjde jen o doplněk výroby cementu byť výslednou kvalitou nesrovnatelně lepší a ekologicky významný. Není však vyloučeno, že právě zde stojíme na prahu „tiché materiálové revoluce“ [6].

V současnosti studované druhy materiálů na bázi geopolymerů použitelných v budoucnu pro náročné aplikace ve stavebnictví např. pro stavbu mostů, můžeme rozdělit do několika skupin, které se vzájemně prolínají.
 

ALKALICKY AKTIVOVANÝ PORTLANDSKÝ CEMENT
Složení pojivové matrice:

• standardní portlandský cement (s vyšším měrným povrchem),
• popílek,
• metakaolin,
• mletá struska,
• alkalická sůl (např. K₂CO₃ , Na₂CO₃).

Vlastnosti:

• velmi vysoké počáteční pevnosti, za 2–4 hod. pevnost v tlaku 10–25 MPa, konečná 40–80 MPa

Průmyslové aplikace:

• speciální práce, opravy poškozeného betonu, výstavba přistávacích drah např.: Pyrament™ (USA, Francie) [4]

ALKALICKY AKTIVOVANÝ PC SLÍNEK
Složení pojivové matrice:

• bezsádrovcový portlandský cement (BS cement),
• mletý slínek PC (příp. struska) s vyšším měrným povrchem,
• anionaktivní tenzid (např. ligninsulfonan) ,
• hydrolyzovatelná alkalická sůl (např. Na₂CO₃).

Vlastnosti:

• pevnosti přes 100 MPa,
• rychle tuhnoucí a tvrdnoucí vysokopevnostní cement,
• žárovzdorný cement, vysoká odolnost vůči agresivnímu prostředí, tuhne při záporných teplotách.

Průmyslové aplikace:
Česká republika BS cement… speciální práce, žáruvzdorný cement Finsko F-cement [9].

GEOPOLYMER JAKO PRODUKT ALKALICKÉ AKTIVACE STRUSEK
Složení pojivové matrice:

• mletá struska,
• slínek,
• alkalický aktivátor (roztoky Na₂CO₃, vodní sklo, NaOH).

Vlastnosti:

• pevnost v tlaku 30–100 MPa,
• hydrotermální podmínky – pevnost v tlaku 150–180 MPa,
• vysoká odolnost vůči agresivnímu prostředí.

Průmyslové aplikace:
Ukrajina, Finsko, Česká republika, USA, Francie a další země.

Speciální práce, fixace těžkých kovů a radioaktivních odpadů experimentální stavby (domy, vlnolamy, kanalizace atd.), [4]

GEOPOLYMER JAKO PRODUKT ALKALICKÉ AKTIVACE POPÍLKŮ
Složení pojivové matrice:

• mleté popílky,
• alkalický aktivátor (roztoky NaOH, KOH, vodní sklo),
• hydraulicky aktivní látky (zdroj Ca iontů).

Vlastnosti:

• pevnosti v tlaku 20–60 MPa, za přítomnosti látek obsahující Ca až 160 MPa

Průmyslové aplikace:
Speciální odolné produkty (BRD, USA)

GEOPOLYMER JAKO PRODUKT ALKALICKÉ AKTIVACE METAKAOLINU
Složení pojivové matrice:

• metakaolin,
• alkalický aktivátor (roztoky NaOH, KOH, vodní sklo).

Vlastnosti:

• pevnosti v tlaku 10–80 MPa

Průmyslové aplikace:
Aplikace ve stadiu projektů, prototypů a úvah (2007), [12]

GEOPOLYMERY A MOSTY?
Jak již bylo zmíněno, geopolymery by mohly být v budoucnu vhodným materiálem nahrazujícím klasické betony Portlandského typu nejen v běžném stavitelství, ale i v náročných aplikacích, jako jsou stavby mostů.

Geopolymery mají výrazně vyšší pevnost v tlaku. Standardní betony z Portlandského cementu mají pevnost v tlaku asi 30 MPa, speciálně upravené betony až 60 MPa, oproti tomu geopolymery dosahují přibližně pevnosti 100 MPa. Nezanedbatelná je rovněž jejich značná tepelná odolnost (beton max. do 300 °C, geopolymery až 1 000 °C) a chemická odolnost, ale také podstatně ekologičtější způsob výroby.

Většina geopolymerů vykazuje nižší pevnost v tahu za ohybu, ale z výzkumů je známo, že lze použít v těchto materiálech výztuž běžně používanou u klasických betonů tj. uhlíkovou ocel a antikorozní ocel. Tato výztuž má korozní odolnost v geopolymerech stejnou nebo naopak vyšší než v klasických betonech.

Díky silně zásaditému prostředí samozřejmě nelze použít žádné materiály z lehkých kovů a slitin [13], ale ani skleněnou výztuž z běžně používaných skelných vláken typu E (eutalová), která jsou v prostředí cementové nebo geopolymerní matrice rychle napadána a velmi rychle zcela ztrácí výztužnou schopnost. V těchto aplikacích je pak nutné použít alkalivzdorná skelná vlákna tzv. zirkoničitého typu nebo vlákna z organických polymerů [14].

ZÁVĚR
Myšlenky pro použití geopolymerů při výstavbě mostů jsou jistě zajímavým směrem v současné moderní době. Bude však ještě třeba provést mnoho výzkumů a ověřit nespočet možných vyřčených i nevyřčených hypotéz, ale pokud by byly dané úvahy, hypotézy a výzkumy kladné, jistě by naše současnost zanechala budoucnosti významný objev v této oblasti a stavitelům ukázala nové směry a možnosti při realizacích podobných staveb, stejně jako stavitelé dávných staveb zanechali nám.

LITERATURA:
[1] Davidovits, J.: Nové dějiny pyramid, Fontána 2006, ISBN 80-7336-341-0
[2] Straňák, V.: Klonování kamene aneb vzpomínky na budoucnost – Alternativy, 2008, 218
[3] Straňák, V.: Geopolymery, Matrix-2012, http://www.matrix-2012.cz (accessed Aug 18, 2010) [4] Škvára, F.: Alkalicky aktivované materiály – kopolymery, prezentace, VŠCHT Praha, Ústav skla a keramiky, 2007
[5] Kynclová, M.: Geopolymetní betony – materiály šetrné k životnímu prostředí, Juniorstav 2008 – 4.2 Nové stavební hmoty; Ed.; 2008
[6] Technik, materiály Geopolymer Valley: Nitky směřují do České republiky, [Online] 2007, http://technik.ihned.cz/c1-21783300-geopolymer-valley-nitky-smeruji-do-ceske-republiky
(accessed Aug 18, 2010)
[7] Barbosa, V. F. F., Mackenzie, K. J. D., Thaumaturgo, C.: Int.J. Inorg. Mater, 2, 309–317 (2000)
[8] Škvára, F. a kol.: Concrete based on fly ash geopolymers, VŠCHT Praha, Ústav skla a keramiky, 2007, 185–197
[9] Ševčík, V., Slamečka, T., Moresová, K.: PhD téze a diplomové práce, VŠCHT v Praze 1973–2000
[10] Allahverdi, A., Minaříková, M.: Diplomové práce a PhD téze, VŠCHT v Praze 1996–2006
[11] POPbeton^®. http://www.geopolymery.eu (accessed Aug 18, 2010)
[12] Perná, I.: PhD téze, ÚSK VŠCHT Praze, 2004
[13] Morris, J., Hodges, S.: Corrosion of metals in fly ash-based geopolymers, MPT Solutions, Lower Hutt, New Zealand, Geopolymer, Green Chemistry and Sustainable Development Solutions, Edited Davidovits, J., World congress Geopolymer 2005
[14] Skleněná výztuž. Sklocement Beneš. http://www.sklocement.cz/ (accessed Aug 18, 2010)

Geopolymers: Future of Bridge Construction?
Rheological characteristics concrete on base geopolymer are different from rheology quality concrete from Portland cement. Overview of the alkali activated materials. Properties of alkali activated materials in comparison with standard Portland cement.

Autor

• Ing. Dědečková Lenka

Geopolymery: budoucnost mostního stavitelství?