environmental-and-sustainable-engineering
ניצול השימוש ב- Geopolymer Concrete כאלטרנטיבה בת קיימא
Table of Contents
מהו Geopolymer Concrete?
חומר פולימר גיאוגני נוצר באמצעות הפעלה כימית של מבשרי אלומיניום - באופן חסכוני על ידי תוצרים תעשייתי כגון זבוב אפר, קרקע דחוסה פיצוץ slag, או metakaolin - עם פתרונות אלקליניים כמו לספק תחמוצת נתרן או sodium סגסוגת.
הרעיון נחקר לראשונה באופן שיטתי בשנות ה-70 על ידי פרופסור ג'וזף דייווידבייט, שטבע את המונח "גסטומר" כדי לתאר פולימרים מינרליים סינתטיים שניתן לייצר בטמפרטורות ממושכות במקצת או מעט.מאז, המחקר הציף את העולם, מונע על ידי הצורך הדחוי להחריב את מגזר הבנייה ולהקטין את ההסתמכות על משאבים טבעיים.
יתרונות סביבתיים: דיבה עמוקה
היתרונות הסביבתיים של בטון גיאופומרי הם משמעותיים ומבוססים היטב על הערכות מחזור חיים.על ידי ביטול מלט פורטלנד - אשר מהווה כ 8% מפליטת CO2 האנתרופוסופית הגלובלית - בטון מגווקומר יכול להפחית את פליטות גזי החממה ב 70-80% בהשוואה למלט רגיל בפורטלנד (OPC) בטון, בהתאם לתכנון התערובת הספציפי ולמרחקי תחבורה.
טביעת רגל נמוכה יותר
ייצור מלט פורטלנד כרוך חימום אבן גיר וחימר ליותר מ 1,400 מעלות צלזיוס, שחרור CO2 הן מבעירה דלק והן מן הפירוק הכימי של אבן גיר (CaCO3 ; CaO + CO2). Geopolymer כובלים להימנע זה צעד השקיה לחלוטין.רוב פליטות עולות מן הייצור של פועלי אלקליין (במיוחד sodiumicate) ותחבורה.
ניצול פסולת תעשייתית
חומר קונקרטי גיאופוי הופך חומרי פסולת - מאפר מתחנות כוח מכוסות פחם, מזחלת ייצור ברזל ופלדה, וצנבוים שלי - בחומרי בנייה יקרים.זה לא רק מסיט מיליוני טונות של פסולת ממזומנים, אלא גם מקטין את החילוץ של חומרי גלם בתולה. באזורים רבים, זבוב אפר או slag זמין בעלות נמוכה, מה שהופך את הקונקרטית מבחינה כלכלית ואטרקטיבית.
צריכת אנרגיה מופחתת
הריצוף הגיאוגרפי מתרחש בדרך כלל בטמפרטורה של הסביבה (בין 20 מעלות צלזיוס ו -30 מעלות צלזיוס) או עם האצה קלה חום (60-80 ° C) עבור פיתוח כוח מוקדם. לעומת זאת, OPC דורש clinkerization עתירי זמן גבוהה ואחריו תקופות ריפוי ארוכות.האנרגיה המוטבעת הכוללת של בטון גיאופומלימר היא לעתים קרובות 40–60% נמוך יותר מזה של OPC, לתרום חיסכון באנרגיה גבוהה יותר מאשר חיסכון באנרגיה.
תכונות: מכונות ותכונות
בטון גיאו-פוימר אינו רק משכפל את המאפיינים של בטון OPC - בקטגוריות ביצועים רבות, הוא מצטיין.מבנה המיקרו הייחודי שלו מספק התנגדות יוצאת דופן להתקפה כימית, אש, מחזורי הקפאה, מה שהופך אותו למועמד חזק ליישומים מבניים תובעניים.
כוח מדכא ו Tensile
בטון גיאו-פוימר יכול להשיג נקודות דחיסות של 30-100 MPa, בהתאם לסוג המבשר, ריכוז פועל, וריפוי משטר. וריאנטים גבוהים-קרוב-המוח מגיעים עד 60 MPa בתוך 24 שעות תחת חום מרפא. פיצול צמיגים וכוח גמיש דומים OPC של כוח דחיסה שווה, עם כמה מחקרים דיווחו מעט גבוה יותר גמישה בשל חזק הקשר בין חזק לבין רוחב מצטבר חזק.
התנגדות כימית וסולפט
רשת אלומיניום של בטון גיאופומרי הוא עמיד בפני חומצות, סולפטים, וכלורידים. בבדיקות ⁇ עם 5% חומצה sulfuric, מרגמות גיאופומרימר מציגות אובדן המוני 2-4 פעמים נמוך יותר מאשר מרגמות OPC, כי הם חסרים תחמוצת סידן חינם להגיב אגרסיבי עם פתרונות חומציים.
Fire and High-Temperature Performance
הגיאו-פוימר בטון שומר על שלמות מבנית בטמפרטורות עד 1000 מעלות צלזיוס, בעוד ש- OPC קולטן מאבד עד 70% מכוחו ב-600 מעלות צלזיוס בשל התייבשות של לימפוציטים סיליליים ופירוק של פורטלנדיט.המטריקס פולימרי לא חווה השפלה תרמית משמעותית, מה שהופך את הגיאופומרי למנימר חומר אידיאלי עבור כריות, ציפויי אש, טמפרטורות תעשייתיות, וקרנות פרווה תעשייתיות.
הקפאת שיער והתנגדות
מחקרים בשטח באקלים קר הוכיחו עמידות קפואה של סלולים גיאופומריים מעל זה של בטון קונבנציונלי, במיוחד כאשר אימון אוויר הוא אופטימיזציה. abrasion התנגדות, נמדד על ידי מבחן ASTM C944, הוא דומה או מעט יותר טוב מ- OPC, הודות לדבקות מיקרו-מבנה ודבקות גבוהה יותר.
ייצור ושילוב עיצוב
הפחתת בטון גיאופומרימר כרוך במספר שלבים נפרדים משילוב בטון סטנדרטי.
- (FLT:0S בחירה של מבשר: 1FLT 1 Fly Ash (Class F או C), slag, metakaolin, או ערבוב שם של זבוב נמוך-קלקליום זבוב הוא המועדף על עמידות כימית גבוהה, בעוד slag מאיץ זמן הגדרת.
- (FLT:0) הכנה של הפועל אקטוקטורטור: Aשילוב של נתרן hydroxide (NaOH) flakes או פתרון ו sodium silicate (Na2SiO3) מומס במים, בדרך כלל 12-16 M ריכוז. יחס של silicate ל- תחמוצת-חמצני משפיע על כוח ותעסוקה.
- (FLT:0) Mixing:FLT:1 The Activator משולב עם המבשר והצטברות בתערובת סטנדרטית. כי התגובה מתחילה מיד, אובדן עבודה הוא מהיר יותר מאשר OPC; superplasticizers ו retarders נמצאים בפיתוח כדי להאריך את זמן הטיפול.
- (FLT:0) ⁇ וקומפקטיות: FLT:1 סטנדרטי ציוד הצבת בטון ניתן להשתמש. עבור תערובת מכוננת, תשומת לב זהירה ללחות באמצעות בורקה רטובה או הפלסטיק חיוני כדי למנוע ייבוש מוקדם.
- (FLT:0)Curing:veFLT:1 , Heat curing (60–80 ° C במשך 6-24 שעות) הוא נפוץ עבור אלמנטים precast כדי להשיג כוח מוקדם. Ambient מרפא ב 20-30 מעלות צלזיוס הוא אפשרי עם תערובות עשירות slag slag תשואות מספיקות עבור סלאבים וקרנות.
אופטימיזציה עיצובית תערובת נשאר אזור מחקר פעיל.מודלים למידת מכונות מועסקים כעת כדי לחזות יחס אופטימלי של מבשר, פועל, ומים המבוססים על תכונות חומרים מקומיות וביצועים הרצויים.
השוואות עם רגיל פורטלנד Cement Concrete
| Property | Geopolymer Concrete | OPC Concrete |
|---|---|---|
| CO₂ emissions | ~0.2–0.3 tonnes/m³ | ~0.8–1.0 tonnes/m³ |
| Embodied energy | 1.5–2.0 GJ/m³ | 3.5–5.0 GJ/m³ |
| Setting time | 30 min – 4 hours (adjustable) | 2–6 hours |
| Compressive strength (28 day) | 30–100 MPa | 20–80 MPa |
| Fire resistance | Up to 1,000°C with little strength loss | Rapid strength loss above 400°C |
| Chemical resistance | Excellent (acid, sulfate, chloride) | Moderate to poor |
| Curing requirement | Ambient or mild heat (60–80°C) | Ambient (water curing critical) |
| Cost (material only) | 10–20% higher (activator cost) | Baseline |
יישומים ומחקרי מקרים
בטון גיאו-פוימר התקדם מסקרנות מעבדה ועד פריסת העולם האמיתי על פני מגזרים רבים.
תשתיות
נמל התעופה בריסביין West Wellcamp באוסטרליה (2014) השתמש ביותר מ 40,000 מ"ר של בטון גיאופומרי עבור המסלול הראשי שלה וחללים פרוספקטיביים - השימוש הגדול ביותר של החומר בכל העולם באותו זמן.ה קונקרטי, בהתבסס על אפר ו- slag, השיג 40 MPa דחיסות כוח הראה סדקים מינימליים או הידרדרות לאחר כמעט עשור של עומס וחשיפה למזג אוויר דומה הושלמו בהודו, סין, וכביש דרום אפריקה.
יסודות Precast
בלוקים מוקדמים, צינורות ופאנלים נהנים מחום הייבוש כי מפעלים יכולים לספק בקלות. בארצות הברית, מפיק precast גדול מציע עכשיו גיאופוחיות גיאופומרימר וקופסאות שירות, המציין ירידה של 70% טביעת רגל פחמן ליחידה. באירופה, ג'ובעמר מסילות רכבת מותקנות מותקנות הותקנו בסעיפים מבחן, מה שמפגין תכונות לחות דומות ל-OPC Sleepers.
מבנים ימיים וחוףיים
יון הכלוריד הנמוך של בטון גיאופומרימר (בדרך כלל 40-60 אחוזים נמוך יותר מ- OPC) הופך אותו אידיאלי עבור נמלים, לוויינים ופלטפורמות offshore. פרויקט טייס בנמל מלבורן השתמש בטון גיאופומרימר עבור קיר שמירה, ולאחר חמש שנים ⁇ במים מגרדים, לא כלור חיזוק מושרה כלור היה מזוהה.
פריחה גבוהה ובטיחות אש
ציפויים המבוססים על Geopolymer ממוצבים כהוכחה אש למבנים פלדה, מחליפים חומרים מסורתיים של ריסוס-אש יישומיים שעשויים להכיל אסבסט או סיבים אורגניים. האג"ח החומרי ישירות פלדה, ויצרו שכבת בידוד שנשארת שלם במהלך החשיפה באש.
אתגרים ומגבלות
למרות הבטחתו, בטון גיאופומרי עומד בפני כמה מכשולים לאימוץ נרחב.
סטנדרטיזציה וקודים
בניית קודים ברוב המדינות נכתבות סביב חומרים מבוססי מלט בפורטלנד.בעוד ASTM C1157 מאפשר כיום מלט הידראולי חלופי, וקבוצות כמו RILEM (International Union of Laboratories ומומחים בחומרי בנייה, מערכות ומבנה) פרסמו הנחיות, אין תקן אוניברסלי לתכנון שילוב קונקרטי גיאוגרפי או אבטחת איכות. מהנדסים חייבים לבצע לעתים קרובות בדיקות ספציפיות לפרויקט, עלייה בעלויות.
עלויות של Alkaline Activators
Sodium silicate ו sodium hydroxide יקרים יותר מאשר רגיל פורטלנד מלט על בסיס טון. עם זאת, כאשר העלות של חיזוק פלדה (נמוך בשל סיכון קורוזיה מופחת), אשראי פחמן, וחיסכון בפסולת נגרמות, גיאופוימר יכול להיות עלות תחרותית ביישומים רבים.
איכות חומרית Raw
הרכב זבוב משתנה באופן נרחב מצמח כוח אחד למשנהו ואפילו עונתי.הגמישות הזו מסבך את עקביות עיצוב התערובת ודורשת בדיקות תכופות. שוחק עם slag או באמצעות פועלי תערובת יכול להקטין את זה, אבל זה מוסיף מורכבות שרשרת האספקה.
יד ובטיחות
פועלי אלקליין הם סיבתיים, המחייבים ציוד הגנה אישי (PPE) ואחסון זהיר.בצמחים precast עם סביבות מבוקרות היטב, זה מנוהל, אבל באתרי עבודה גדולים עם פחות פיקוח, סיכונים בטיחותיים להגדיל. מחקר למבצעים פחות מסוכנים (למשל, באמצעות אשלגן או פתרונות מבוססי פחמן) הוא מתמשך.
נתונים לטווח ארוך
למרות שבדיקות ההזדקנות המואצות מנבאות עמידות מעולה, המבנים הגיאו-פומריים העתיקים ביותר הם רק בני 20-30. Long-term-term, פוטנציאל התגובה אלקלי-סיליקה, ו- Carbonationcins בתנאים בעולם האמיתי נשארים תחומי מחקר פעיל.הדור הראשון של נתונים שדה הוא מעודד, אך תקופות ביצועים מעבר ל-50 שנים - קוממון לעיצוב תשתיות - עדיין לא מאומתים.
כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר
המסלול של בטון גיאופומרימר הוא למעלה, מונע על ידי הסלמה תקנות פחמן, התחייבויות אפס נטו מחברות בנייה, וגידול עניין המשקיעים בחומרי בנייה ירוקה.
- (FLT:0) חלק אחד (רק להוסיף מים) קושרים גיאופומריים מגושמים 1:1 אשר מבטלים את הצורך בפעילים סיבתיים, שיפור משמעותי הבטיחות והקלות של השימוש.
- (FLT:0) חיזוק עם סיבים טבעיים או סינתטיים, איור 1) כדי לשפר את כוח העשש ואת שליטה סדק. Flax, פוליפרופילן, וסיבים בזלל הראו תאימות טובה.
- (FLT:0)מחזור של פסולת בטון גיאופומרימר (CDCpolymer) 1:1 כפי המצטבר עבור תערובת גיאופומרימר חדשה. תוצאות מוקדמות מצביעות על כך שהחומר המחזר יכול להחליף חלקית את אגרגות הבתולה ללא אובדן כוח משמעותי.
- (FLT:0) אינטגרציה עם הדפסה תלת-ממדית של 1D (FIRLT:1) - קבוצות מחקר כל-כךליות הודפסו בהצלחה אלמנטים המבוססים על גיאוגרפיהpolymer עם גיאוגרפיה מורכבת, פתחו יישומים לתכונות אדריכליות מותאמות אישית ותיקון על-פי דרישה באזורים מרוחקים.
- (FLT:0) מלטים מבולדים המשלבים מרכיבים גיאופומריים ו- OPC רכיבי FIRLT:1 (המלטים המפוזרים) כדי לגשר על הביצועים והחבורה, המציעים צעד מעשי לקראת קבלה רחבה יותר.
ארגונים כגון:0.(Geopolymer InstitutecioFLT:1 ממשיכים להפיץ משאבים טכניים, בעוד תקנים כמו FLT:2ASTM International FigFLT 3 מפתחים מפרטים חדשים עבור מלטים מקודמים אלקלי. כמו יותר פרויקטים של טייס לספק נתונים משכנעים ושרשראות אספקה בוגרות, בטון גיאו-פומר צפוי ללכוד נתח גדל של השוק הבטון העולמי - אשר מתוכנן על ידי כמה אנליסטים עד 10-15% מבנייה חדשים.
מסקנה
בטון גיאו-פוימר עומד על הצומת של חדשנות מדעית חומרית וצורך סביבתי.היכולת המוכחת להפחית את פליטות CO2 ב 70–80% תוך מתן עמידות גבוהה, עמידות באש, וחוסנות כימית הופכת אותו אלטרנטיבה משכנעת לבלט המסורתי בפורטלנד מלט.האתגרים של סטנדרטיזציה, עלות, וגמישות חומרית גולמית הם אמיתיים אך ניתנים להשגה באמצעות מחקר מתמשך, תוכניות בתעשייה, מדיניות, כמו תמחור מגנטי או מהנדסים ירוקים, או מהנדסים בעלי יכולת ייצור, כיום, לא ניתן לחיקוי, רק לחיקוי גיאוגרפית, לא ניתן כיום, אלא למהנדסים, רק למהנדסים, ולא למהנדסים, לא ניתן לחיקוי גיאוגרפית, אלא למהנדסים, רק לחיקוי, רק למהנדסים יציבים, למהנדסים, למהנדסים יציבים, אלא למהנדסים, אלא למהנדסים, אך ורק לערכם, קריפטפטפטפטפטפטפטפטפטים, ללא יכולת עמידה, ללא יכולת עמידה על ידי הנדסה ירוקה, היא יעילה, היא יעילה, אלא גם למהנדסים, ללא יכולת עמידה על ידי הנדסה ירוקה, היא יעילה, היא יעילה, היא יעילה, היא יעילה, ללא יכולת עמידה על ידי הנדסה ירוקה, ללא יכולת עמידה על ידי הנדסה ירוקה
לקריאה נוספת, דוחות טכניים שפורסמו על ידי הוועדה הטכנית של EF:0RILEM על חומרים Alkali-Activated MaterialsFLT:1 ונתוני מחזור החיים המקיף של ה-FLT:2 University of מלבורן מתקדם מחקר מתקדם מחקר GroupFLT 3 לספק מבחנים מפורטים עבור מתרגלים.