ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΛΑΦΡΟΒΑΡΩΝ ΓΕΩΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΑΠΟ ΙΠΤΑΜΕΝΗ ΤΕΦΡΑ

Transcript

1 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 205. ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΛΑΦΡΟΒΑΡΩΝ ΓΕΩΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΑΠΟ ΙΠΤΑΜΕΝΗ ΤΕΦΡΑ Δ. Κιούπης, Σ. Τσιβιλής, Γ. Κακάλη Σχολή Χημικών Μηχανικών, ΕΜΠ,Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Αθήνα Α. Ζησιμοπούλου, Χ. Καβακάκης Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας, ΕΑΠ, Πάροδος Αριστοτέλους 8, Πάτρα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της εργασίας είναι η σύνθεση ελαφροβαρών γεωπολυμερών ιπτάμενης τέφρας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως θερμομονωτικά και ηχομονωτικά δομικά στοιχεία. Για την αύξηση του πορώδους και τη μείωση της πυκνότητας προστέθηκαν στο αρχικό μίγμα μικρές ποσότητες Al και Si. Τα στοιχεία αυτά αυξάνουν το πορώδες των γεωπολυμερών γιατί αντιδρούν σε αλκαλικό περιβάλλον απελευθερώνοντας αέριο υδρογόνο. Στα πλαίσια της εργασίας μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών γεωπολυμερισμού και του ποσοστού προσθήκης Al και Si, στην αντοχή θλίψης και την πυκνότητα των τελικών προϊόντων. Σκόνες μεταλλικού Al και Si προστέθηκαν στο αρχικό μίγμα σε ποσοστά % κ.β. και % κ.β, αντίστοιχα. Τα δείγματα παρασκευάστηκαν με μοριακούς λόγους R/Al= (R: Na ή K) και Na/(Na+K)= Για να καταγραφεί η συνδυαστική επίδραση των παραπάνω παραμέτρων χρησιμοποιήθηκε το πολυπαραγοντικό μοντέλο σχεδιασμού πειραμάτων Taguchi. Τέλος, η ορυκτολογική σύσταση και η μικροδομή των τελικών προϊόντων εξετάστηκε με Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR) και Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM). Όπως προέκυψε, η αύξηση των ποσοστών προσθήκης Al και Si προκαλεί αύξηση του πορώδους και μείωση της πυκνότητας των τελικών προϊόντων, με αντίστοιχη μείωση των μηχανικών αντοχών. Οι μηχανικές αντοχές των γεωπολυμερών επηρεάζονται σημαντικά και από τον λόγο R/Al, ενώ η επίδραση του λόγου Na/Na+K φαίνεται να είναι περιορισμένη. Η σύγκριση ανάμεσα στους δύο παράγοντες αφρισμού (Al και Si) έδειξε πως το Al είναι πιο δραστικό ευνοώντας την παραλαβή προϊόντων με μεγαλύτερο πορώδες. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα ανόργανα πολυμερή ή γεωπολυμερή αποτελούν μια νέα κατηγορία δομικών υλικών τα οποία παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες, συγκρινόμενα με τα συμβατικά δομικά υλικά, όπως ταχεία ανάπτυξη αντοχών και ανθεκτικότητα σε διαβρωτικό περιβάλλον. Η διεργασία του γεωπολυμερισμού περιλαμβάνει την αντίδραση μιας αργιλοπυριτικής πρώτης ύλης και ενός πυριτικού διαλύματος σε αλκαλικό περιβάλλον και την ωρίμανση του μίγματος σε θερμοκρασία o C []. Η παραπάνω διαδικασία παρουσιάζει σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη όπως είναι η αξιοποίηση βιομηχανικών παραπροϊόντων, η εξοικονόμηση φυσικών πόρων, η εξοικονόμηση ενέργειας και η μείωση τωνεκπομπών CO 2 [2]. Η σύνθεση ελαφροβαρών γεωπολυμερών ιπτάμενης τέφρας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως θερμομονωτικά και ηχομονωτικά δομικάστοιχεία είναι ένα σχετικά νέο ερευνητικό πεδίο. Για την αύξηση του πορώδους και τη μείωση της πυκνότητας των γεωπολυμερών μπορούν να προστέθουν στο αρχικό μίγμα μικρές ποσότητες μεταλλικού Al ή Si. Τα στοιχεία αυτά παροσυιάζουν αφριστική δράση καθώς αντιδρούν σε αλκαλικό περιβάλλον απελευθερώνοντας αέριο υδρογόνο σύμφωνα με την αντίδραση: xh 2O+Me (Si or Al) 0.5xH 2+ Me(OH) x [3,4]. Στα πλαίσια της εργασίας μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών γεωπολυμερισμού και του ποσοστού προσθήκης Al και Si,στις αντοχέςθλίψης και την πυκνότητα τωντελικών προϊόντων. Σκόνες μεταλλικού Al και Si προστέθηκαν στο αρχικόμίγμα σε ποσοστά % κ.β. και % κ.β, αντίστοιχα. Τα δείγματα παρασκευάστηκαν μελόγουςr/al= (R: Na ή K) και Na/(Na+K)= Για να καταγραφεί η συνδυαστική επίδραση των παραπάνω παραμέτρων χρησιμοποιήθηκε το πολυπαραγοντικό μοντέλοσχεδιασμού πειραμάτων Taguchi [5]. Τέλος, η ορυκτολογική σύσταση και η μικροδομή των τελικών προϊόντων εξετάστηκε με Περίθλαση Ακτίνων Χ (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR) και Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM).

2 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 205. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Η ιπτάμενη τέφρα που χρησιμοποιήθηκε αποτελεί προϊόν καύσης λιγνίτη στην μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της Μεγαλόπολης. Η χημική της σύσταση παρουσιάζεται στον Πίνακα. Η υψηλή της περιεκτικότητα σε πυρίτιο και αργίλιο, την καθιστά κατάλληλη πρώτη ύλη για την σύνθεση γεωπολυμερών. Πριν την χρήση της, η ιπτάμενη τέφρα αλέστηκε και το μέσο μέγεθος κόκκων (d 50) ήταν περίπου 20 μm. Αυτή η λεπτότητα είναι η τυπική λεπτότητα της ιπτάμενης τέφρας όταν χρησιμοποιείται στη βιομηχανία δομικών υλικών. Ως αφριστικοί παράγοντες για την παραγωγή ελαφροβαρών γεωπολυμερών χρησιμοποιήθηκαν σκόνες μετάλλων Al(d 50=35μm)και Si(d 50=20μm). Πίνακας. Χημική σύσταση της Ιπτάμενης τέφρας (% κ.β.). SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 L.O.I Οι παράμετροι που επιλέχθηκαν για να διερευνηθούν είναι οι εξής: α) η % κ.β. περιεκτικότητα σε Αl ή Si (επί της ποσότητας της ιπτάμενης τέφρας), β) ο μοριακός λόγος R/Al που συσχετίζει την ποσότητα αλκαλίων (R: Na ή K) που περιέχονται στο διάλυμα ενεργοποίησης με την ποσότητα Al της πρώτης ύλης και γ) ο λόγος Na/(Na + K) που σχετίζεται με το είδος του αλκαλίου που συμμετέχει στο διάλυμα ενεργοποίησης. Και για τις δύο περιπτώσεις, τα πειράματα σχεδιάστηκαν ακολουθώντας την μέθοδο Taguchi, με σκοπό να μελετηθεί η συνδυαστική επίδραση των παραπάνω παραμέτρων πραγματοποιώντας τον ελάχιστο αριθμό πειραμάτων. Το πειραματικό μοντέλο περιλάμβανε την εξέταση των τριών παραμέτρων σε τέσσερα ξεχωριστά επίπεδα τιμών. Τα επίπεδα τιμών των παραμέτρων επιλέχθηκαν σύμφωνα με φυσικούς και χημικούς περιορισμούς. Στους Πίνακες 2 και 3 παρουσιάζονται οι μεταβλητές και οι τιμές τους για την περίπτωση του Al και Si, αντίστοιχα. Πίνακας 2. Παράμετροι και επίπεδα τιμών για την σύνθεση γεωπολυμερών που περιέχουν Al. Παράμετροι Στάθμη Στάθμη 2 Στάθμη 3 Στάθμη 4 Ποσοστό προσθήκης Αργιλίου (Al %) Αλκάλια προς Αργίλιο (R/Al) Είδος Αλκαλίου ( Na/(Na + K)) Πίνακας 3. Παράμετροι και επίπεδα τιμών για την σύνθεση γεωπολυμερών που περιέχουν Si. Παράμετροι Στάθμη Στάθμη 2 Στάθμη 3 Στάθμη 4 Ποσοστό προσθήκης Πυριτίου (Si %) Αλκάλια προς Αργίλιο (R/Al) Είδος Αλκαλίου ( Na/(Na + K)) Η σύνθεση των ελαφροβαρών γεωπολυμερών περιλαμβάνει τρία στάδια: α) την παρασκευή του διαλύματος ενεργοποίησης, β) την ανάμειξη των πρώτων υλών (ιπτάμενη τέφρα και αφριστικοί παράγοντες) με το διάλυμα ενεργοποίησης και γ) την ωρίμανση των δοκιμίων σε ήπιες συνθήκες. Το διάλυμα ενεργοποίησης περιέχει διαλυτό Si υπό την μορφή υδρυάλου και ΝαΟΗ ή/και ΚΟΗ ώστε να αυξηθεί η αλκαλικότητα και να ενεργοποιηθούν οι αντιδράσεις του γεωπολυμερισμού. Τα μίγματα που προκύπτουν ύστερα από την ανάμιξη των πρώτων υλών και του διαλύματος ενεργοποίησης, τοποθετούνται σε ανοξείδωτες μήτρες 50x50x50 mm. Σε όλα τα μίγματα ο μοριακός λόγος Si/Al και ο λόγος μαζών m στερεων / m υγρών διατηρήθηκαν στις τιμές 2.4 και 2.8 αντίστοιχα [6]. Τα δοκίμια παρέμειναν, αρχικά, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για 2h και στην συνέχεια τοποθετήθηκαν σε πυριατήριο στους 80 o C για 24h [7]. Οι θλιπτικές αντοχές των δοκιμίων μετρήθηκαν μετά από 7 μέρες. Τα τελικά προϊόντα μελετήθηκαν με Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FTIR) σε όργανο PerkinElmer 880. Τα φάσματα ελήφθησαν σε εύρος από cm - με χρήση της τεχνικής με KBr. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε η

3 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 205. Περίθλαση Ακτίνων Χ για την μελέτη των κρυσταλλικών φάσεων όλων των προιόντων. Το Περιθλασίμετρο ήταν SiemensD-5000 με πηγή CuKa (λ=.5405 Å) και συνθήκες λειτουργίας 40 kv και 30 ma. Για την μελέτη δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε συνεχής σάρωση σε εύρος γωνιών περίθλασης 2θ=9 60, βήμα σάρωσης 0.02 /s και χρόνο βήματος 0.2 sec. Η μορφολογία επιλεγμένων δειγμάτων μελετήθηκε με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης σε μικροσκόπιο JEOL6380LV εξοπλισμένο με φασματόμετρο ακτίνων Χ διασπαρμένης ενέργειας (EDX). Η προετοιμασία των δειγμά των περιελάμβανε τη επικάλυψη τους με γραφίτη. Το πορώδες των τελικών προιόντων εξετάστηκε με την χρήση στερεοσκοπίου ZeissStemi 2000 C, σε μεγεθύνσεις X. Η εκτίμηση του μέσου μεγέθους των πόρων πραγματοποιήθηκε με την χρήση του λογισμικού Zen Blue edition. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Στον πίνακα 4 παρουσιάζεται το σύνολο των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν για τα γεωπολυμερή με Al καθώς και οι αντίστοιχες τιμές αντοχών και πυκνότητας, ενώ στο σχήμα παρουσιάζεται διαγραμματικά η επίδραση των εξεταζόμενων παραμέτρων στις αντοχές και την πυκνότητα. Πίνακας 4. Παράμετροι σύνθεσης και τιμές θλιπτικές αντοχές για τα γεωπολυμερή με προσθήκη Al. Πείραμα Al (%) R/Al Na/(Na+K) Θλιπτικές Αντοχές (MPa) Φαινόμενη Πυκνότητα(g/cm 3 ) Στον πίνακα 5 δίνεται η συμβολή καθενός από τους παράγοντες, που μελετήθηκαν, στη διαμόρφωση των μηχανικών αντοχών και της φαινόμενης πυκνότητας των γεωπολυμερών με προσθήκη Al, όπως προέκυψε από τη στατιστική επεξεργασία (ANOVA) των πειραματικών αποτελεσμάτων.

4 Αντοχές σε θλίψη (Μpa) Φαινόμενη Πυκνότητα (g/cm 3 ) 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, Al % R/Al Na/(Na+K) Επίπεδα τιμών Αντοχές σε θλίψη (Μpa) Φαινόμενη Πυκνότητα (g/cm3) Σχήμα. Επίδραση των εξεταζόμενων παραμέτρων στην αντοχή και την πυκνότητα γεωπολυμερών με Al. Πίνακας 5. Συμβολή των εξεταζόμενων παραμέτρων στην διαμόρφωση των μηχανικών αντοχών και της πυκνότητας των γεωπολυμερών με Al. Παράμετρος % Al R/Al Na/(Na+K) Συμβολή στις θλ. αντοχές (%) Συμβολή στην πυκνότητα (%) Στην περίπτωση των ελαφροβαρών γεωπολυμερών με Al, η παράμετρος που έχει την μεγαλύτερη επίδραση τόσο στις αντοχές όσο και στην πυκνότητα των προϊόντων είναι το ποσοστό προσθήκης Al %. Η σταδιακή προσθήκη Al έχει ως αποτέλεσμα την δραστική μείωση των θλιπτικών αντοχών και της πυκνότητας. Συγκεκριμένα, μία αύξηση του ποσοστού Al από 0.0% σε 0.0% μειώνει τις αντοχές κατά 78% ενώ την πυκνότητα κατά 36%. Η αύξηση του λόγου R/Al από 0.80 σε.20 ενισχύει τις μηχανικές αντοχές ενώ περαιτέρω αύξηση έχει αρνητική επίδραση. Η πυκνότητα των γεωπολυμερών έχει τάση αύξησης με εισαγωγή όλο και μεγαλύτερης ποσότητας αλκαλίου. Η συμβολή του λόγου Na/(Na+K) τόσο στις μηχανικές αντοχές (4.3%) όσο και στην πυκνότητα (7.%) φαίνεται να είναι περιορισμένη. Βέβαια, η εισαγωγή Νa στα διαλύματα ενεργοποίησης των γεωπολυμερών ευνοεί την ανάπτυξη ελαφροβαρών προϊόντων. Στον πίνακα 6 παρουσιάζεται το σύνολο των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν για τα γεωπολυμερή με Si καθώς και οι αντίστοιχες τιμές αντοχών και πυκνότητας, ενώ στο σχήμα 2 παρουσιάζεται διαγραμματικά η επίδραση των εξεταζόμενων παραμέτρων στις αντοχές και την πυκνότητα. Στον πίνακα 7 δίνεται η συμβολή καθενός από τους παράγοντες, που μελετήθηκαν, στη διαμόρφωση των μηχανικών αντοχών και της φαινόμενης πυκνότητας των γεωπολυμερών με προσθήκη Si, όπως προέκυψε από τη στατιστική επεξεργασία (ANOVA) των πειραματικών αποτελεσμάτων. Στην περίπτωση των ελαφροβαρών γεωπολυμερών με Si, η παράμετρος με την μεγαλύτερη συμβολή στις ιδιότητες είναι ο μοριακός λόγος R/Al. Η μεταβολή του λόγου από 0.80 σε.20 οδηγεί σε υποδιπλασιασμό των μηχανικών αντοχών. Περαιτέρω προσθήκη αλκαλίου δεν έχει σημαντική επίδραση στις αντοχές. Όσον αφορά την φαινόμενη πυκνότητα αυτή ακολουθεί ανάλογη τάση μείωσης με τις αντοχές μέχρι λόγο R/Al =.20 και εν συνεχεία παρατηρείται μια άνοδος στις τιμές της. Η δεύτερη σε επίδραση παράμετρος των γεωπολυμερών με Si είναι το ποσοστό προσθήκης Si. Μία αύξηση του ποσοστού Si από 0.05% σε 0.2% μειώνει τις αντοχές κατά 48% ενώ την πυκνότητα κατά 20%. Περαιτέρω προσθήκη Si δεν επιδρά στις ιδιότητες των γεωπολυμερών, υποδεικνύοντας πως το 0.2% αποτελεί όριο για την προσθήκη Si. Όπως και στην περίπτωση του Al, το είδος του αλκαλίου έχει μικρή επίδραση στις ιδιότητες των γεωπολυμερών με Si. Βέβαια η επιλογή του K φαίνεται να ευνοεί την παραλαβή ελαφροβαρών γεωπολυμερών καθώς αυτά παραλαμβάνονται με χαμηλές τιμές φαινόμενης πυκνότητας.

5 Αντοχές σε θλίψη (Μpa) Φαινόμενη Πυκνότητα (g/cm 3 ) 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 205. Πίνακας 6. Παράμετροι σύνθεσης και τιμές θλιπτικές αντοχές για τα γεωπολυμερή με προσθήκη Si. Πείραμα Si (%) R/Al Na/(Na+K) Θλιπτικές Αντοχές (MPa) Φαινόμενη Πυκνότητα(g/cm 3 ) Si % R/Al Na/(Na+K) Επίπεδα τιμών Αντοχές σε θλίψη (Μpa) Φαινόμενη Πυκνότητα (g/cm3) 0.4 Σχήμα 2. Επίδραση των εξεταζόμενων παραμέτρων στην αντοχή και την πυκνότητα γεωπολυμερών με Si.

6 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 205. Πίνακας 7. Συμβολή των εξεταζόμενων παραμέτρων στην διαμόρφωση των μηχανικών αντοχών και της πυκνότητας των γεωπολυμερών με Si. Παράμετρος % Si R/Al Na/(Na+K) Συμβολή στις θλ. αντοχές (%) Συμβολή στην πυκνότητα (%) Συνοψίζοντας, από την ανάλυση των αποτελεσμάτων του πολυπαραγοντικού μοντέλου Taguchi για τα γεωπολυμερή με Al, η μικρότερη πυκνότητα (0.64 g/cm 3 ) επιτυγχάνεται για τις εξής τιμές παραμέτρων: Al % = 0.0, R/Al = 0.80 και Na/Na+K =. Αντίστοιχα, για τα γεωπολυμερή με Si, οι τιμές είναι οι εξής: Si % = 0.085, R/Al =.20 και Na/Na+K = 0 και η αντίστοιχη πυκνότητα 0.84 g/cm 3. Όπως προκύπτει η κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων σύνθεσης μπορεί να οδηγήσει σε προϊόντα με μεγάλο εύρος πυκνοτήτων που να ικανοποιούν εξειδικευμένες εφαρμογές. Στη συγκεκριμένη εργασία παρασκευάστηκαν ελαφροβαρή γεωπολυμερή με τιμές θλιπτικών αντοχών και πυκνοτήτων σε εύρη ΜPa και g/cm 3, αντίστοιχα. Σε κάθε περίπτωση η μείωση της πυκνότητας οδηγεί σε αντίστοιχη μείωση των αντοχών. Τα παραγόμενα γεωπολυμερή με Al και Si εξετάστηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και Φασματοσκοπία υπερύθρου (FTIR). Τα προϊόντα των δύο τύπων γεωπολυμερών εμφανίζουν ταυτόσημη χημική σύσταση. Το Σχήμα 3 παρουσιάζει, ενδεικτικά, ακτινογραφήματα XRD γεωπολυμερών με Si που αντιστοιχούν σε διαφορετικά πειράματα του πολυπαραγοντικού μοντέλου Taguchi. Στο Σχήμα 4 παρουσιάζονται τα φάσματα FTIR των προαναφερθέντων δειγμάτων. Η ομαδοποίηση των σχημάτων έγινε με γνώμονα τον λόγο R/Al και το ποσοστό προσθήκης μετάλλου, που σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μεθόδου Taguchi αποτελούν τους παράγοντες με την μεγαλύτερη συμβολή. Intenity (arb.units) 7 8 7, E D C B 3 2 3, θ( ο ) A F.A. Σχήμα 3. Επιλεγμένα ακτινογραφήματαxrd των γεωπολυμερών με Si και ιπτάμενης τέφρας. F.Α.: ιπτάμενη τέφρα, Α: πείραμα, Β: πείραμα 2, C: πείραμα 3, D: πείραμα 4, Ε: πείραμα 3. (: Χαλαζίας 2:Άστριοι3:Ανυδρίτης4: Μαγγεμίτης, 5:Γκελενίτης6:Χριστοβαλίτης, 7:Υδροξυσοδάλιθος8:Υδροξυκανκρινίτης) Οι κύριες ορυκτολογικές φάσεις που περιέχονται στην ιπτάμενη τέφρα Μεγαλόπολης είναι ο χαλαζίας, ο χριστοβαλίτης, οι άστριοι, ο γκελενίτης και ο μαγγεμίτης. Εντοπίστηκαν επίσης και οι χαρακτηριστικές ανακλάσεις του ανυδρίτη. Η ευρεία καμπύλη μεταξύ 20 και 40 υποδεικνύει ότι το υλικό αυτό περιέχει και άμορφη φάση. Όσον αφορά τα ακτινογραφήματα XRD των γεωπολυμερών, φαίνεται πως για όλη την σειρά δειγμάτων, οι φάσεις του χαλαζία, των αστρίων, του γκελενίτη και του μαγγεμίτη της ιπτάμενης τέφρας συνεχίζουν να είναι παρούσες. Αντίθετα, ο χριστοβαλίτης φαίνεται πως καταναλώνεται πλήρως ενώ ο ανυδρίτης δεν παρατηρείται στα δείγματα με αυξημένες τιμές λόγου R/Al. Για το δείγμα D (R/Al = 2) εντοπίζονται οι ζεολιθικές φάσεις του υδροξυσοδαλιθου και υδροξυκανκρινίτη. Επίσης, ευνοείται η δημιουργία νατρίτη καθώς η περίσσεια Νa αντιδρά με το CO 2 της ατμόσφαιρας. Η δημιουργία τόσο ζεολιθικών φάσεων όσο και ανθρακικών αλάτων εντός της γεωπολυμερικής μήτρας έχει επίδραση στις μηχανικές αντοχές των παραγόμενων προϊόντων

7 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 205. [8]. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώνεται από τις τιμές θλιπτικών αντοχών των αντίστοιχων πειραμάτων (Πίνακες 4 και 5). Η σταδιακή προσθήκη μετάλλου φαίνεται πως δεν έχει καμία επίδραση στις ορυκτολογικές φάσεις των παραγόμενων γεωπολυμερών. Η κύρια παρατηρούμενη διαφορά μεταξύ του φάσματος FTIR της ιπτάμενης τέφρας και των φασμάτων των ελαφροβαρών γεωπολυμερών αφορά στην απορρόφηση που σχετίζεται με τις ασύμμετρες δονήσεις τάσης Si-O- Si και Si-O-Al. Στην περίπτωση των γεωπολυμερών η απορρόφηση αυτή γίνεται οξύτερη και μετατοπίζεται σε μικρότερους κυματαριθμούς. Η μετατόπιση αυτή είναι ενδεικτική της υποκατάστασης του Si από Al και χαρακτηριστική του γεωπολυμερισμού. Ο δεσμός Al-O είναι ασθενέστερος του δεσμού Si-O και οι ασύμμετρες δονήσεις τάσης του δεσμού αυτού απορροφούν στην περιοχή μεταξύ 950 και 080 cm -. Η περιοχή μεταξύ των 080 και 250 cm - αφορά στις απορροφήσεις του δεσμού Si-O. Στο φάσμα της ιπτάμενης τέφρας παρατηρούμε αυξημένη παρουσία των δεσμών Si-O ενώ στην περίπτωση των γεωπολυμερών, η μετατόπιση του μεγίστου της απορρόφησης αυτής υποδεικνύει την αύξηση δεσμών Al-O. Οι δονήσεις κάμψης Si-O-Si και Si-O-Al στους ~460 cm - δεν είναι το ίδιο ευαίσθητες στην υποκατάσταση του Si από Al. Όλες οι παραπάνω μεταβολές συνάδουν με τον σχηματισμό του αργιλοπυριτικού δικτύου σε μία πολυμερική δομή [9]. Η απορρόφηση ~400 cm - που εμφανίζεται σε όλα τα φάσματα είναι χαρακτηριστική των [CO 3] -2 ιόντων. Στους ~790 cm - εμφανίζεται μια απορρόφηση η οποία αποδίδεται στις δονήσεις AlO 4 δηλαδή του αργιλίου σε τετραεδρική διάταξη. Οι απορροφήσεις στα ~3450 και ~650 cm - αντιστοιχούν στις δονήσεις τάσης και κάμψης OH και H-O-H αντίστοιχα. Η απορρόφηση στους ~680 cm - αφορά τις συμμετρικές δονήσεις τάσης Si-O-Si [9] και η μετατόπισή της σε μεγαλύτερους κυματαριθμούς στην περίπτωση των γεωπολυμερών υποδεικνύει τον εμπλουτισμό του αργιλοπυριτικού πλέγματος σε πυρίτιο. Σε όλα τα εξεταζόμενα γεωπολυμερή, εντοπίζεται μια νέα απορρόφηση ~60 cm - η οποία αποδίδεται στους κυκλο-εξαπυριτικούς δακτυλίους. Σύμφωνα με την βιβλιογραφία, όταν τα πυριτικά έχουν πολυμεριστεί σε ικανοποιητικό βαθμό, οι δακτύλιοι Si-O αποτελούνται από 3-6 μέλη. Η ζώνη απορρόφησης cm - αποδίδεται στην απορρόφηση των δονήσεων των εξαμελών δακτυλίων [0]. Η δημιουργία ενός πλέγματος εξαμελών δακτυλίων υποδεικνύει τη συμμετοχή του Si μια πιο οργανωμένη πολυμερική δομή σε σχέση με την αρχική δομή της Ιπτάμενης Τέφρας. E D C B A F.A θ( ο ) Σχήμα 4. Επιλεγμένα φάσματα FTIR των γεωπολυμερών με Si και ιπτάμενης τέφρας. F.Α.: ιπτάμενη τέφρα, Α: πείραμα, Β: πείραμα 2, C: πείραμα 3, D: πείραμα 4, Ε: πείραμα 3. Το Σχήμα 5 παρουσιάζει φωτογραφίες στερεοσκοπίου για το αμιγές γεωπολυμερές (α), το γεωπολυμερές με 0.065% Al (β) και με 0.20% Si (γ). Στο ίδιο σχήμα παρατίθεται φωτογραφία SEM του γεωπολυμερούς με προσθήκη 0.065% Al (δ).

8 0 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΧΗΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ, ΠΑΤΡΑ, 4-6 ΙΟΥΝΙΟΥ, 205. (α) (β) (γ) (δ) Σχήμα 5. Φωτογραφίες στερεο-μικροσκοπίου για το αμιγές γεωπολυμερές (α), το γεωπολυμερές με 0.065% Al (β) και με 0.20% Si (γ). Επίσης, παρατίθεται φωτογραφία SEM του γεωπολυμερούς με προσθήκη 0.065% Al (δ). Όπως φαίνεται, τα γεωπολυμερή με Al παρουσιάζουν μεγαλύτερο πορώδες σε σχέση με αντίστοιχα με Si, υποδεικνύοντας πως το Al είναι πιο δραστικός παράγοντας στην προσπάθεια παρασκευής ελαφροβαρών γεωπολυμερών. Μια σύγκριση των μηχανικών αντοχών επιβεβαιώνει τον πιο πάνω ισχυρισμό. Και τα δυο υλικά εμφανίζουν καλή ομοιογένεια δομής με το σχήμα των πόρων να είναι κανονικό. Η μέση διάμετρος πόρων υπολογίστηκε στα.53 και 0.47 mm για το γεωπολυμερές με Al και Si, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα του στέρεοσκοπίου επιβεβαιώνονται και από τις φωτογραφίες SEM όπου επίσης είναι φανερή η επίδραση των αφριστικών προσθέτων στην συνεκτικότητα της γεωπολυμερικής δομής. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ελαφροβαρή γεωπολυμερή ιπτάμενης τέφρας μπορούν να παρασκευαστούν με μικρή προσθήκη Al ή Si στο μίγμα πρώτων υλών. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης εργασίας παρασκευάστηκαν ελαφροβαρή γεωπολυμερή με τιμές θλιπτικών αντοχών και πυκνοτήτων σε εύρη ΜPa και g/cm 3, αντίστοιχα. Η κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων σύνθεσης μπορεί να οδηγήσει σε προϊόντα με μεγάλο εύρος πυκνοτήτων που να ικανοποιούν εξειδικευμένες εφαρμογές. Η σύγκριση ανάμεσα στους δύο παράγοντες αφρισμού (Al και Si) έδειξε πως το Al είναι πιο δραστικό ευνοώντας την παραλαβή προϊόντων με μεγαλύτερο πορώδες. Ο πολυπαραγοντικός σχεδιασμός πειραμάτων με τη μέθοδο Taguchi εφαρμόστηκε με επιτυχία και έδειξε ότι στην περίπτωση του Al, τη μεγαλύτερη συμβολή στις ιδιότητες έχει το % ποσοστό προσθήκης μετάλλου ενώ στην περίπτωση του Si ο μοριακός λόγος R/Al. Το είδος του αλκαλίου έχει, και στις δύο περιπτώσεις, οριακή μόνο επίδραση στις ιδιότητες. Για τα γεωπολυμερή με Al, η μικρότερη πυκνότητα (0.64 g/cm 3 ) επιτυγχάνεται για τις εξής τιμές παραμέτρων: Al % = 0.0, R/Al = 0.80 και Na/Na+K =. Αντίστοιχα, για τα γεωπολυμερή με Si, οι τιμές είναι οι εξής: Si % = 0.085, R/Al =.20 και Na/Na+K = 0 και η αντίστοιχη πυκνότητα 0.84 g/cm 3. Ευχαριστίες Η έρευνα αυτή χρηματοδοτήθηκε από το 7 ο Πρόγραμμα Πλαίσιο της ΕΕ (FP7-203-NMP-ENV-EeB, Multifunctional facades of reduced thickness for fast and cost-effective retrofitting, MF-Retrofit ). ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ []. C. Panagiotopoulou, T. Perraki, S. Tsivilis, N. Skordaki, G. Kakali, Ceram EngSci Proc. 29: (2009). [2]. P. Duxson, J.L. Provis, G.C. Lukey, J.S.J. van Deventer, CemConcr Res. 37 (2): (2007). [3]. E. Prud'homme, P. Michaud, E. Joussein, C. Peyratout, A. Smitha, S. Rossignol., Applied Clay Sci 5: 5 22 (20). [4]. G. Masi, W.D.A. Rickard, L. Vickers, M. C. Bignozzi, A. van Riessen., Ceram Inter. 40: (204). [5]. M.W. Weiser, K.B. Fong, Am. Ceram. Soc. Bul, 72 (2), pp 87-92, (993) [6]. V. Pavlakou, A. Skaropoulou, S. Tsivilis, G. Kakali, EinB204 Proc. P36 (204). [7]. Panagiotopoulou Ch., Kakali, G., Perraki, Th., Skordaki, N., Mitsopoulou, Ch., ICC 2008 Proc. Code (2008). [8]. P.D. Silva, K.S. Crenstil, Cem Concr Res. 38(6), (2007) [9]. T. Bakharev,CemConcr Res, (2005). [0]. I. Lecompte, C. Henrist, M. Liegeois, F. Maseri, A. Rulmont, R. Cloots, J Eur CerSoc 26(6), (2006).