Pada główna bariera utrudniająca szersze stosowanie zrównoważonego betonu
Beton jest najpowszechniej stosowanym materiałem budowlanym na świecie i po wodzie najczęściej używanym materiałem w ogóle. Wytwarza się go z cementu – którego produkcja przyczynia się do około ośmiu procent globalnej emisji CO2 – a do tego wymaga zużycia ogromnych ilości wody i naturalnych zasobów mineralnych. Konieczne jest znalezienie alternatywy bardziej przyjaznej dla środowiska. Odpowiedzią może być beton geopolimerowy (GPC), najpierw jednak trzeba rozwiązać problem jego nieprzewidywalnego zachowania się w przypadku pożaru. Realizowany przy wsparciu programu działań „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA) projekt TemGPC umożliwił scharakteryzowanie właściwości termicznych i mechanicznych GPC w różnych warunkach. Wyniki tych analizy stworzyły podstawy do opartego na wiedzy projektowania ulepszonego GPC.
Różnica między betonem geopolimerowym a konwencjonalnym
Cement portlandzki wytwarza się przez ogrzewanie wapienia i skał glinokrzemianowych (takich jak glina lub łupki) w piecu obrotowym w temperaturze do 1500°C. Wodę miesza się ze sproszkowanym cementem, dodaje piasek do zaprawy cementowej, po czym dodaje kruszywo (duże kamienie) w celu otrzymania betonu. Produkcja GPC pozwala wyeliminować wydobycie wapienia i przetwarzanie w wysokiej temperaturze oraz zmniejsza zapotrzebowanie na wodę. Wynika to z faktu, że cement geopolimerowy jest wytwarzany poprzez rozpuszczanie materiałów glinokrzemianowych (pochodzących z różnych przemysłowych produktów ubocznych lub odpadów) w roztworze aktywującym zasady w niewysokiej temperaturze, co prowadzi do geopolimeryzacji. Podobnie jak beton OPC zaprawę geopolimerową i GPC wytwarza się przez dodanie do mieszanki geopolimerowej odpowiednio piasku i grubego kruszywa. Pomimo zalet GPC jego zachowanie podczas pożaru jest nieprzewidywalne i potencjalnie niebezpieczne. Wynika to z faktu, że GPC jest materiałem porowatym. „Ciśnienie w porach może gwałtownie rosnąć, gdy wyparowuje uwięziona w nich woda. Może to spowodować wybuchowe pęknięcie betonu (odpryskiwanie). Aby zmniejszyć ryzyko takiego zjawiska, konieczne jest poznanie termicznych i mechanicznych właściwości GPC w podwyższonych temperaturach”, wyjaśnia kierownik projektu Long-yuan Li z Uniwersytetu w Plymouth.
Badania eksperymentalne i analizy teoretyczne
Min Yu, stypendystka MSCA, przeprowadziła szeroko zakrojone badania eksperymentalne i analizy teoretyczne zaprawy geopolimerowej i GPC z włóknami stalowymi i bez nich, w materiałach nieobciążonych i wstępnie obciążonych oraz w różnych podwyższonych temperaturach i warunkach panujących po pożarze. Na podstawie pomiarów wytrzymałości na ściskanie, modułu sprężystości, odkształcenia szczytowego, plastyczności i odkształcenia termicznego Yu opracowała teoretyczne równania konstytutywne naprężeń i odkształceń. Eksperymentalne badania przejściowego odkształcenia pozwoliły na stworzenie teoretycznego modelu służącego do jego przewidywania. Wreszcie „przy użyciu COMSOL opracowaliśmy model analizy elementów skończonych dotyczącej sprzężonego transferu ciepła, przenikania masy i analizy naprężeń termiczno-mechanicznych. Analiza numeryczna umożliwia odtworzenie trybów zniszczenia zaprawy geopolimerowej i próbek GPC zaobserwowanych zarówno w testach w stanie ustalonym, jak i przejściowym”, wyjaśnia Yu.
Odporność ogniowa potencjalnie lepsza niż w przypadku betonu OPC
Dane eksperymentalne zebrane w projekcie TemGPC stanowią wzorze dla tworzenia GPC. Powstałe modele teoretyczne mogą posłużyć do przewidywania odporności ogniowej GPC, pozwalając na bezpieczne projektowanie konstrukcji betonowych wykonanych z tego materiału. „Nasze testy eksperymentalne wykazały, że GPC ma inne właściwości termiczne i mechaniczne niż beton OPC. Jeśli jednak zostanie odpowiednio zaprojektowany i wymieszany, może mieć on lepszą odporność ogniową niż beton OPC”, dodaje Yu. Zalety środowiskowe, trwałość i wydajność GPC sprawiły, że staje się on atrakcyjną alternatywą na potrzeby zrównoważonego budownictwa, szczególnie w trudnych i agresywnych środowiskach. Narzędzia opracowane w projekcie TemGPC umożliwiły rozwiązanie istotnego problemu, torując drogę powstaniu nowego i ulepszonego GPC oraz przyczyniając się do rozwoju bardziej przyjaznego dla środowiska sektora budowlanego.
Słowa kluczowe
TemGPC, GPC, beton, pożar, geopolimer, cement, OPC, beton geopolimerowy, analiza elementów skończonych, odpryskiwanie wybuchowe, zwykły cement portlandzki
