GEOPOLIMEREK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAINAK SZABÁLYOZÁSA TÖMÖRÍTÉSSEL (CONTROL OF MECHANICAL PROPERTIES OF GEOPOLYMERS BY COMPACTING)

Átírás

1 MultiScience - XXXI. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, Hungary, 20-2 April 207 ISBN GEOPOLIMEREK MECHANIKAI TULAJDONSÁGAINAK SZABÁLYOZÁSA TÖMÖRÍTÉSSEL (CONTROL OF MECHANICAL PROPERTIES OF GEOPOLYMERS BY COMPACTING) Szabó Roland, Nagy Sándor 2 PhD hallgató, egyetemi docens 2 Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet ABSTRACT Present paper deals with investigation of mechanical properties of geopolymers by vibrating compression. Geopolymers are amorphous three-dimensional aluminosilicate materials which can be produced at ambient or elevated temperature by alkaline activation of aluminosilicates. This paper is focused on the utilization of lignite type Hungarian fly ash as a main component of geopolymer. After determination of the material properties such as particle size distribution, moisture content, particle and bulk density and specific surface area, it was focused on the manufacture of geopolymer. Changing parameters were eccentricity (5; 0; 5; 20; 25 %) and motor frequency (8.34,., 3.89, 6.67 Hz) of vibrating table, storage temperature (0; 20; 30; 40; 50 C) and the time of vibrating compression (30, 60; 90; 20 sec). The specimens were investigated by compressive strength test in 4 days age, furthermore specimen density was also measured. Based on the experimental results it can be concluded that storage temperature and time of compression greatly affected the compressive strength values of the geopolymer. BEVEZETÉS A geopolimerek amorf alumino-szilikát tartalmú nyersanyagok lúgos közegben (NaOH, KOH oldatban) való oldásával előállíthatóak, mely során a nyersanyagból kioldott Al és Si tartalmú vegyületek térhálós szerkezetet hoznak létre. A geopolimerek előállíthatók szobahőmérsékleten illetve magasabb hőmérsékleten (30-00 C). Az előállításukhoz ásványi nyersanyagok (perlit) ipari hulladékok (erőműi pernye, kohászati salak, vörösiszap) és kalcinált agyagásványok (metakaolin) egyaránt felhasználhatók [-5, 7]. A betonokhoz hasonlóan a jó minőségű geopolimerek előállításánál is fontos a megfelelő módon történő tömörítés. Tömörítés során különböző szemcsés anyagok hézagtérfogatát a lehető legkisebb értékre csökkentik a megfelelő teherbíró-képesség és vízzáró-képesség érdekében. A geopolimereknél elsősorban vibrációs tömörítést alkalmaznak [4, 9-], de nyomással való tömörítés is használható [6, 8]. Živica és szerzőtársai [6] nagy nyomáson kompaktált metakaolin alapú geopolimerek tulajdonságait vizsgálták. A próbatestek tömörítését 300 MPa nyomáson végezték percig. A kapott minták átlagos testsűrűsége elérte az 862 kg/m 3 -t, míg nyomószilárdságuk a 46,6 MPa-t. Jelen tanulmány a pernyealapú geopolimer tömörségének vibrációs asztalon való tömörítéssel történő szabályozásával foglalkozik. Az elvégzett vizsgálatok DOI: /musci

2 kiterjedtek a vibrációs asztal motorjának excentricitás és frekvencia-változtatásával, illetve optimális motorbeállításnál eltérő tömörítési időt alkalmazva a mintatestek nyomószilárdságában és testsűrűségében bekövetkező változások detektálására. Emellett vizsgáltuk az érlelési hőmérsékletnek a geopolimer tulajdonságaira gyakorolt hatását is. ANYAGOK ÉS MÓDSZEREK A geopolimerek előállításához a visontai Mátrai Erőműből származó lignit típusú pernyét használtunk. A vizsgálatok előtt meghatároztuk a pernye nedvességtartalmát (0,27%), halmazsűrűségét (0,73g/cm 3 ) valamint szemcsesűrűségét is (.93 g/cm 3 ). Szemcseméret-eloszlását Horiba LA950 V2 típusú lézeres szemcseméret elemző készülékkel mértük. A mérés során kapott nevezetes szemcseméretek a következők voltak: x0=0.77 μm; x50=52.04 μm; x80=9.32 μm, míg fajlagos felülete SSA=52.07 cm 2 /g. A pernye kémiai összetételét az. táblázat tartalmazza.. táblázat Lignit típusú pernye kémiai összetétele XRF vizsgálat alapján (Visonta) Komponens Pernye alkotó mennyisége, m/m% SiO2 48. Al2O3 2 Fe2O Na2O 0.37 K2O.66 CaO.76 MgO 3.34 TiO P2O MnO 0.7 LOI 0. egyéb A pernye röntgenfluoreszcens spektroszkópia (XRF) elemzés alapján meghatározott kémiai összetételét megvizsgálva megállapítható, hogy a SiO2/Al2O3 arány 3,34 valamint a pernye SiO2, Al2O3 és Fe2O3 tartalma összesen 73,49 m/m%. A mintaanyag relatíve magas CaO tartalommal (,76 %) rendelkezett. A mintatestek tömörítését vibrációs asztalon végeztük, mely főbb műszaki jellemzőit a 2. táblázat tartalmazza.

3 2. táblázat Vibrációs asztal főbb műszaki jellemzői Asztal hasznos felülete mm (0.63 m 2 ) Motor típusa Italvibras MVSI 0/ I Motor teljesítménye (50 Hz) Motor fordulatszáma (50 Hz) 0.35 kw 000 /perc (frekvenciaváltóval szabályozható) Excenter súlyok a bezárt szög állítható (0-80 ) Centrifugális erő (50 Hz) 3.4 kn KÍSÉRLETEK A vizsgálatokhoz használt geopolimer 60 m/m%-ban nyers visontai pernyéből és 40 m/m%-ban 2 M-os NaOH oldatból állt, amit 2 perces keverés után a vibrációs asztalon különböző motor excentricitás és frekvencia-beállítás mellett percig tömörítettünk. Ezt követően a geopolimert egy napig szobahőmérsékleten pihentettük, majd 6 órán keresztül 60 C-on hőkezeltük. Minden motorbeállítás mellett 5 db ø35 65 mm-es hengeres mintatest készült. Optimális motorbeállítások mellett az érlelési hőmérséklet és tömörítési idő hatását is vizsgáltuk. A mintatesteket hőkezelést követően a nyomószilárdság vizsgálatig kondicionáló kamrában tároltuk 0; 20; 30; 40 és 50 C-on valamint 90%-os relatív páratartalom beállítása mellett. A tömörítési idők 30; 60; 90 és 20 sec voltak. A geopolimerek nyomószilárdsági vizsgálatát 4 napos korban végeztük. Vizsgálatok során a vibrációs motor 50 Hz-es hálózati frekvenciája 6,67 Hz rezgési frekvenciának felelt meg. EREDMÉNYEK Motorexcentricitás hatása Az. ábra a motorexcentricitás változtatásával a geopolimer próbatestek nyomószilárdságában és testsűrűségében bekövetkező változásokat mutatja. Látható, hogy a próbatestek testsűrűségében különböző excentricitás mellett nem tapasztalható jelentős változás. A mintatestek,29 g/cm 3 -,37 g/cm 3 közötti testsűrűséggel rendelkeztek. A legnagyobb testsűrűségű próbatestek 25%-os excentricitásnál készültek, melyek átlagosan,37 g/cm 3 testsűrűségűek voltak. A nyomószilárdság értékekben sem tapasztalható jelentős változás eltérő excentricitásnál. Az 5%-os értéknél átlagosan 4,5 MPa nyomószilárdságú próbatestek készültek. Az excentricitás mértékének növelésével (0 és 5%-nál) kezdetben kismértékben csökkent a mintatestek nyomószilárdsága (átlagosan 4,3 MPa értéket vettek föl), majd 20%-nál elérve a maximumot (4,6 MPa) ismét csökkenés tapasztalható.

4 Próbatestek egytengelyû nyomószilárdsága, [MPa] Excentricitás mértéke, [%] Geopolimer frezg=6,67 Hz Nyomószilárdság értékek Testsûrûség értékek. ábra Geopolimer nyomószilárdságának és testsűrűségének változása a motor excentricitás változtatásával Vibrációs frekvencia hatása A különböző frekvencián tömörített geopolimerek nyomószilárdsági és testsűrűség értékei alapján (2. ábra) megállapítható, hogy a frekvencia növelésével csökkent a minták nyomószilárdsága és testsűrűsége is. A csökkenés kismértékű: míg 8,34 Hzen a minták átlagosan 3,9 MPa szilárdsági értékkel rendelkeztek, addig 6,67 Hz-en ez az érték 3,5 MPa-ra csökkent. Ugyanakkor a szilárdsági és testsűrűség értékek jól korrelálnak egymással. Nagyobb testsűrűségű próbatestek nagyobb nyomószilárdsággal rendelkeztek Próbatestek testsûrûsége, [g/cm3]

5 4.8 Egytengelyû nyomószilárdság, [MPa] Geopolimer 20% excentricitás Nyomószilárdság értékek Testsûrûség értékek Próbatestek testsûrûsége, [g/cm3] Motorfrekvencia, [Hz] 2. ábra Geopolimer nyomószilárdságának és testsűrűségének változása a motorfrekvencia változtatásával A 2. ábrán lévő 6,67 Hz motorfrekvenciához tartozó nyomószilárdság értéket összehasonlítva az. ábrán található 20%-os excentricitás értékhez tartozó nyomószilárdság értékkel, megállapítható, hogy hiába voltak azonosak a motorbeállítások, eltérő szilárdságokat mértünk az egyes próbatesteknél. Ez az eltérés a különböző környezeti hőmérsékleten való tárolással magyarázható. Több publikáció [-3] is beszámol arról, hogy a magasabb hőmérsékleten való hőkezelés (ill. érlelés) kedvező hatással van a geopolimerizációra, mely nyomószilárdság növekedést eredmény. Érlelési hőmérséklet hatása A 3. ábra alapján megállapítható, hogy a magasabb érlelési hőmérséklet kedvező hatást gyakorolt a minták nyomószilárdságára.

6 5 2 Egytengelyû nyomószilárdság, [MPa] Érlelési hõmérséklet, T, [ C] f rezg =6,67 Hz excentricitás: 20% páratartalom: 90% Nyomószilárdság értékek Testsûrûség értékek 3. ábra Érlelési hőmérséklet hatása a geopolimer nyomószilárdságára és testsűrűségére Az 50 C-on pihentetett próbatestek rendelkeztek a legnagyobb nyomószilárdsággal, átlagosan 4,2 MPa értékkel, míg a legkisebb nyomószilárdsága (,8 MPa) a 0 C-on tárolt mintatesteknek volt. A testsűrűség értékek a hőmérséklet növelésével csökkentek. Ez azzal magyarázható, hogy a mintákból több folyadék párolgott el magasabb hőmérsékleten. Tömörítési idő hatása A 4. ábra alapján megállapítható, hogy rövid idejű tömörítést (30 sec) alkalmazva a próbatest viszonylag alacsony nyomószilárdsággal (3,8 MPa) és testsűrűséggel (,5 g/cm 3 ) rendelkezett. 20 sec tömörítési idő mellett kaptuk a legnagyobb testsűrűségű (,54 g/cm 3 ) próbatestet, de ebben az esetben a 60 sec tömörítési időnél kapott nyomószilárdság értékekhez képest (4,6 MPa) szilárdságcsökkenést tapasztaltunk. Ez a változás feltételezhetően a geopolimer gyors kötési idejéből adódott, így az anyag tömörítés során kötésnek indult Próbatestek testsûrûsége, [g/cm 3 ]

7 Egytengelyû nyomószilárdság, [MPa] frezg=6,67 Hz excentricitás: 20 % Páratartalom: 90% Érlelési hõm: 40 C Tömörítési idõ, t, [sec] 4. ábra Tömörítési idő hatása a geopolimer nyomószilárdságára és testsűrűségre.54 Nyomószilárdság-értékek Testsûrûség-értékek Próbatestek testsûrûsége,[g/cm3] KONKLÚZIÓ A vizsgálati eredmények alapján az alábbi megállapítások tehetők: - A vizsgált tartományban sem a vibrációs tömörítés során beállított excentricitás, sem a frekvencia-változtatás nem okozott jelentős változást a geopolimerek nyomószilárdságában és testsűrűségében. - A geopolimerek a vibrációs motor 20%-os excentricitás beállításánál rendelkeztek a legnagyobb nyomószilárdsággal (rezgési frekvencia=6,67 Hz esetén). Ebben az esetben a legnagyobb nyomószilárdságú geopolimer 4,6 MPa-os értékkel rendelkezett. - A vibromotor rezgési frekvenciájának növelésével csökkent a geopolimer mintatestek nyomószilárdsága és testsűrűsége. A legnagyobb nyomószilárdsággal (3,6 MPa) és testsűrűséggel (,42 g/cm 3 ) a 8,34 Hz-en (és 20%-os excentricitáson) tömörített minták rendelkeztek. - A geopolimerek nyomószilárdságát és testsűrűségét jelentősen befolyásolta az érlelési hőmérséklet. A hőmérséklet emelkedése pozitív hatással volt a minták nyomószilárdságára. Legnagyobb nyomószilárdsággal az 50 C-on tárolt próbatestek rendelkeztek, átlagosan 4,2 MPa értékkel, míg legkisebb szilárdsága (,8 MPa) a 0 C-on tárolt mintáknál volt. - Magasabb érlelési hőmérséklet kisebb testsűrűségű mintákat eredményezett. Az 50 C-on tárolt minták átlagosan,53 g/cm 3 -es testsűrűséggel, míg a 0 C-on tároltak,69 g/cm 3 -rel rendelkeztek.

8 FELHASZNÁLT IRODALOM [] V. Vaou, D. Panias Thermal insulating foamy geopolymers from perlite Miner Eng, 23 (4) (200), pp [2] J. Davidovits: Geopolymer chemistry and application. Published by: Institut Geopolimére 6 rue Galilée F-0200 Saint-Quentin France, ISBN: pp. 283, 286. (20) [3] J. Davidovits: Geopolymers: inorganic polymeric new materials. J. Mater. Educ. 6, pp (994) [4] G. Mucsi, J. Lakatos, Z. Molnár, R. Szabó: Development of geopolymer using industrial waste materials. The 9th International Conference ENVIRONMENTAL ENGINEERING May 204, Vilnius, Lithuania [5] K. Komintsas, D. Zaharaki: Geopolymerisation: A review and prospects for the mineral industry. Mineral Engineering 20 (2007), pp [6] Vladimír Živica, Svetozar Balkovic, Milan Drabik: Properties of metakaolin geopolymer hardened paste prepared by high-pressure compaction. Construction and Building Materials Volume 25, Issue 5, May 20, pp [7] G. Mucsi, I. Gombkötő, Z. Molnár, I. Osváth, S. Kumar: Effect of mechanical activation of fly ash on geopolymer properties. IMPC 206: XXVIII International Mineral Processing Congress Proceedings. Konferencia helye, ideje: Quebec, Kanada, Quebec: Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, 206. pp. -9. (ISBN: ) [8] T. Bakharev Thermal behaviour of geopolymers prepared using class F fly ash and elevated temperature curing Cem. Concr. Res, 36 (2006), pp [9] G. Mucsi, Z. Molnár, S. Kumar: Geopolymerisation of Mechanically Activated Lignite and Brown Coal Fly Ash Acta Physica Polonica a 26: pp (204) [0] G. Görhan, G. Kürklü: The influence of the NaOH solution on the properties of the fly ash-based geopolymer mortar cured at different temperatures. Composites: Part B 58 (204) [] P. Chindaprasirt, T. Chareerat, V. Sirivivatnanon: Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymer. Cem. and Conc. Composites, Vol. 29; 2007, p [2] A. Palomo, M. W. Grutzeck, M. T. Blanco: Alkali activated fly ashes A cement for the future. Cem. Concr. Res. 29 (999) pp [3] G. Mucsi, A. Racz, Z. Molnar, R. Szabo, A. Debreczeni: Effect of heat curing on lignite fly ash-based geopolymers, 8th Internacional Waste Recycling Conference Oktober University of Miskolc