BETOANE CU POLIMERI INORGANICI (GEOPOLIMERI)

BETOANE CU POLIMERI INORGANICI (GEOPOLIMERI)Pe masura cresterii interesului pentru protectia mediului, s-a pus accent pe reducerea emisiilor gazoase responsabile de efectul de sera si ploile acide, reducerea concentratiei poluantilor din efluentii lichizi si nu in ultimul rand reducerea deseurilor solide, iar cand este posibil valorificarea acestora. In aceasi arie tematica se incadreaza si valorificarea deseurilor rezultate prin arderea combustibilor solizi in termocentrale.Dintre deeurile industriale rezultate, cenuile de la termocentrale ocup un loc preponderent prin volumul mare si consecinele produse datorit acumulri crescnde. In procesul de producere a energiei din combustibili solizi rezulta un subprodus (cenusa) format din partea minerala si cea nearsa a carbunelui si compusii rezultati in urma desulfurarii gazelor de ardere (cand aceasta se realizeaza), recunoscut ca principal poluant al termocentralelor.Inca de la inceputul obtinerii energiei din combustibili solizi au fost generate milioane de tone de cenusa, in mod curent pe glob se produc anual in jur de 600 milioane tone de cenusa, din care 75-80% (aproximativ 500 milioane tone) este cenusa de termocentrala In Europa rezulta anual peste 40 milioane tone de cenusa de termocentrala.

n Romnia anual rezult cantiti mari de cenu, deoarece sistemul energetic este supradimensionat i se utilizeaz combustibili inferiori. n 1980 s-au produs 15 milioane de tone de cenu, iar n 1985 au rezultat 30 milioane de tone. Dup 1990 cantitatea de cenu a sczut datorit scderii consumului de electricitate. n Iai functioneaz o central termic tip I (CET II Holboca), cu o capacitate de 610 MW, pe baz de combustibil solid. Un calcul estimativ indic c anual rezult n jur de 21740 tone de cenu. n ultimii 20 de ani n aceast zon au rezultat aproximativ 500 milioane tone de cenu, din care o cantitate mic a fost valorificat. Cenua neutilizat este depozitat. Referitor la compozitia chimica, cenusa contine 60-65% silice, 25-30 % alumina, 6-15% magnetit. Cenusa poate contine diferite elemente esentiale, macronutrienti P, K, Ca, Mg si micronutrienti Zn, Fe, Cu, Mn, B, si Mo pentru cresterea pantelor.

Fig. 1. Direcii de valorificare a cenuii de termocentralaProprietati cum ar fi: greutatea specifica, permeabilitatea, densitatea in vrac, distributia granulometria, suprafata specifica, porozitatea, determina domeniile de utilizare a acestui sub-produs.In ultimii ani studiului schimbarilor climatice determinate de incalzirea globala li se acorda o importanta deosebita. In ce priveste incalzirea globala emisiile de CO2 contribuie cu aproximativ 65%, industria cimentului fiind cel mai mare responsabil pentru acestea (McCaffery, 2002). Global, industria cimentului emite anual in jur de 1.35 bilione tone de gaze cu efect de sera, ceea ce reprezinta in jur de 7% din totalul gazelor emise in atmosfera.Cercetarile experimentale au urmarit reducerea utilizarii cimentului portland, aceasta implicand utilizarea de materiale cimentoide cum ar fi: cenusa de termocentrala, silicea, zgura de furnal, metacaolinitul si dezvoltarea de noi materiale liante. Cercetarile au avut ca obiectiv: economia de materii prime, scaderea consumului de energie necesar decarbonatarii calcarului si clincherizarii amestecului de materii prime (temperatura de 1500C, cu o energie consumata de 17001800 MJ/t clinker).Ca o alternativa pentru inlocuirea cimentului portland literatura de specialitate recomanda un nou material denumit geopolimer, obtinut prin activarea alcalina la diferite temperaturi a unor materii prime naturale sau chiar deseuri. Denumirea de geopolimer a fost propusa pentru a descrie un mineral sintetic similar cu cel din crusta Pamantului .Geopolimerii fac parte din familia zeolitilor silico-aluminati, dar sunt diferiti de acestia prin proprietatile diferite si prin faptul ca in esenta sunt polimeri amorfi. Geopolimerii sunt cunoscuti ca noi materiale avand urmatoarele proprietati si utilizari: rezistenta mecanica ridicata, rezistenta in medii agresive, usor de reciclat, imobilizarea ionilor de metale grele, rezistenta la foc, timp de intarire rapid (ajung la 70% din rezistenta la compresiune finala in primele 4 ore de intarire), etc.Geopolimerii sunt de asemenea cunoscuti ca materiale nepoluante (verzi) datorita emisiilor reduse si consumului mic de energie pentru obtinere.Tratamentul termic la temperaturi relativ scazute face ca geopolimerii sa fie considerati materiale prietenoase cu mediu, consumand cu 3/5 mai putina energie decat cimentul portland, in paralel cu emiterea unor cantitati reduse de CO2 .Geopolimerii obtinuti prin activare alcalina sunt lianti alumino-silicati si cuprind trei clase de polimeri anorganici, in functie de raportul silice/alumina: (SiOAlO) poli-sialati, SiO2/Al2O3 = 2; (SiOAlOSiO), poli-sialati siloxo - SiO2/Al2O3 = 4; (SiOAlOSiOSiO), poli-sialati disiloxo - SiO2/Al2O3 = 6 (Andini s.a. 2008).Geopolimerii se obtin prin condensare la temperaturi intre 20 si 90 C, in timp ce cristalizarea acestora are loc in autoclave la 150200 C. Structura polimerului cristalin se aseamana cu a zeolitului tip A.Compozitia amestecului si conditiile de reactie cum ar fi: raportul SiO2/Al2O3, concentratia hidroxidului, temperatura de activare, timpul de activare, raportul solid/lichid si pH-ul influenteaza semnificativ formarea si proprietatile geopolimerilor. Betoanele cu polimeri inorganici (BPI) pot fi obtinute predominant din deeuri industriale cum ar fi: cenua de termocentral, zgur granulat de furnal, soluri contaminate. Aceste materiale sunt denumite geopolimeri sau cimenturi activate cu alcali. Ele conin aluminiu i siliciu care sunt solubile n soluii puternic alcaline. Combinaiile dizolvate sunt apoi supuse policondensrii pentru a produce materiale cu proprieti mecanice dorite. n timp ce cimenturile puzzolane n general depind de prezena calciului, polimerii inorganici nu utilizeaz forma de hidrat de calciu-silicat pentru formarea matricii i pentru rezisten. Aceste diferene structurale dau betonului cu geopolimeri unele avantaje, cum ar fi o rezisten iniial mai devreme dect n cazul betonului cu ciment.Polimerii inorganici sunt materiale stabile cu proprieti fizice i chimice dovedite. n multe cazuri betoanele cu geopolimeri depesc ca performan pe cele cu ciment portland n ceea ce privete rezistena la compresiune, rezistena la acizi i rezistena la foc. Din aceste motive tehnologia obinerii betonului cu geopolimeri ctig interes, mai ales c aceste betoane sunt competitive ca pre cu betoanele obinuite.n general materialele de start pentru sinteza betoanelor cu geopolimeri sunt nisip, cenu, agregate grosiere i zgur de furnal. Faza de soluie (n mod normal se refer la soluia de activare) const din una sau mai multe din urmtoarele componente: carbonat de sodiu (Na2CO3), silicat de sodium (Na2SiO3), i hydroxid de sodium (NaOH).

Compoziii de betoane cu polimer inorganic S-a fcut amestecarea, mai nti a componenilor uscai apoi cu adaosul de soluie. Se amestac pn la obinerea unei paste uniforme. Apoi se toarn n tipare, se vibreaz. Spre deosebire de betonul obinuit, BPI se poate ntri mult mai rapid, n cteva minute, depinde de compoziie.De obicei 5-10 minute pentru turnarea betonului i nceperea ntririi. ntrirea rapid creeaz probleme, de aceea ntrzierea prizei creaz ngrijorri, deoarece poate afecta rezistena i durabilitatea betonului.Pentru BPI prezentai n experiment s-au respectat prevederile referitoare la turnarea i pstrarea betonului obinuit: turnare n tipare de oel, decofrare dup 24 ore, inui n acest interval la (3035 C, >80% RH). Apoi probele au fost pstrate la 240C timp de 28 de zile pn la testare.3. RezultateDensitatea betonului fr agregate grosiere a fost de 2205.8 kg/m3, iar cea a compoziiei 4 a fost de 2408.1 kg/m3. Densitile sunt apropiate ca valori de cele ale betonului obinuit, care are valori ntre 2300i 2600 kg/m3. Rezultatele din Tabelul 3 indic faptul c nu sunt diferene majore ntre densiti.Rezistena la compresiuneRezistena la compresiune a betonului obinuit nu este mai mult de 50 MPa. Pentru betonul obinuit, rezistena caracteristic la compresiune este definit ca rezistena atins la 28 zile de 95% din probe. Rezistena la compresiune la 28 de zile pentru BPI a fost de 50 MPa, avnd o medie de 52,4 MPa. Se observ o cretere a rezistenei de la 7 zile la 28 zile cu circa 10-15 MPa, datorit reaciilor de polimerizare care continu dup 7 zile. Variaiile rezistenelor la fiecare compoziie se atribuie diferenelor dintre tipurile de cenu i soluiilor de activare.Rezistena la ntindere prin despicareRezistena la ntindere prin despicare i rezistena la ntindere din ncovoiere s-au determinat conform standardelor. Rezistena caracteristic la ntindere la 28 zile se poate determina cu relaia:

n figura 1 rezultatele experimentale i cele date de relaia 1 sunt prezentate.

Standardul european indic rezistena caracteristic la ntindere axial ( fctk) funcie de valoarea medie la ntindere:

i Se observ c valorile experimentale ale rezistenei la ntindere sunt deasupra valorilor cerute pentru majoritatea compoziiilor de BPI. Pentru aceleai rezistena la compresiune , rezistenele la ntindere din despicare satisfac cerinele date de standarde.ConcluziiDensitile sunt similare cu cele ale betonului obinuitRezistena la compresiune este apropiat de valoarea de calcul, avnd o medie de 52,4 Mpa.Rezistenele la ntindere prin despicare i ncovoiere au valori comparabile cu cele ale betonului obinuit.Ca i la betoanele obinuite proprietile mecanice ale BPI depind de proiectarea compoziiei i de metoda de tratare.