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”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (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(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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.
