English
Język Polski
Zastosowanie niestacjonarnej metody pomiaru dyfuzyjności cieplnej do oceny współczynnika przewodzenia ciepła zapraw geopolimerowych
DOI:
https://doi.org/10.24425/ace.2025.153355Abstrakt
Geopolimery to nowa grupa materiałów, która wzbudza coraz większe zainteresowanie w ostatnich latach ze względu na ich potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach. Jest to szczególnie ważne w kontekście zrównoważonego rozwoju i ograniczenia emisji CO2. Geopolimery wykazują wysoką odporność na wysokie temperatury, co sprawia, że nadają się do zastosowań w izolacji termicznej, magazynowaniu energii cieplnej, filtracji powietrza, produkcji ceramiki i kompozytów. Właściwości geopolimerów zależą od różnych czynników, takich jak rodzaj i proporcja źródła aluminosilikatowego, rodzaj, stężenie i stosunek aktywatora alkalicznego oraz warunek utwardzania. Celem badań było zastosowanie niestacjonarnej metody pomiaru dyfuzyjności cieplnej do oceny współczynnika przenikania ciepła zapraw geopolimerowych modyfikowanych składnikami o znacznej porowatości. Analizowano wpływ trzech dodatków, które mogły poprawić izolację termiczną kompozytu geopolimerowego: odpadowego pyłu perlitowego (PP), piasku perlitowego (PS) i cenofer (C). Celem eksperymentu było znalezienie optymalnych zakresów dozowania każdego składnika, które miały istotny wpływ na przewodność cieplną. Zaprawy geopolimerowe charakteryzowały się następującym składem na 1 m3: 500 kg mieszaniny prekursorów (metakaolin – 50 kg, zeolit – 50 kg i popiół lotny – 400 kg), 110 kg mączki wapiennej, 15 kg modyfikatorów właściwości reologicznych, 315 kg aktywatorów alkalicznych (wodorotlenek sodu – 30% roztwór wodny – 275 kg, szkło wodne – 40 kg), pył perlitowy, piasek perlitowy i cenofery zgodnie z planem eksperymentu. Do analizy czynnikowej wybrano trzy parametry składu: udział piasku perlitowego w kg na m3 kompozytu, udział pyłu perlitowego w kg na m3 kompozytu, udział cenofer w kg na m3 kompozytu. Każda z zmiennych była badana na jednym z trzech poziomów: niższym, średnim i wyższym. Ponieważ przegląd literatury wskazywał na silną korelację między gęstością objętościową a przewodnością cieplną, skupiono się również na tej zależności charakterystyk. Ustalono dwa konkretne cele: ocenę znaczenia wpływu czynników związanych ze składem i gęstością objętościową na współczynnik przewodności cieplnej oraz ocenę przydatności metody niestacjonarnej do badania geopolimerów. Założeniem weryfikacyjnym dla zaprojektowanego kompozytu było spełnienie wymagań RILEM dla kompozytu klasyfikowanego jako klasa II. Przewodność cieplna kompozytu znacznie spada wraz ze wzrostem ilości piasku perlitowego, co wiąże się z wysoką porowatością dodatku. Do analizy współczynnika przewodności cieplnej λ i ciepła właściwego Cp wybrano analizę Pareto. Wyniki analizy wskazują, że dodatek piasku perlitowego (PS) ma istotny wpływ na przewodność cieplną kompozytu. Zawartość cenosfer i proszku perlitowego nie ma statystycznie istotnego wpływu na przewodność cieplną. Kompozyt osiągnął współczynnik przewodności cieplnej poniżej 0,7 W/(m·K), niezależnie od przewidywanej modyfikacji. Im więcej piasku perlitowego, tym mniejsza gęstość kompozytu, a to ona ma kluczowy wpływ na współczynnik przewodności cieplnej i ciepło właściwe. Metoda dynamicznego pomiaru bardzo dobrze sprawdza się w przypadku kompozytów geopolimerowych i pozwala na ocenę kluczowych parametrów cieplnych. Podsumowując, kompozyty geopolimerowe modyfikowane dodatkami o niskiej gęstości ziarnowej, zwłaszcza piaskiem perlitowym, są obiecującym materiałem termoizolacyjnym. Biorąc pod uwagę zapewnienie wystarczającej wytrzymałości na ściskanie i urabialności, analizowane kompozyty geopolimerowe mogą być stosowane jako zaprawy o znacznej izolacyjności termicznej. Wymagają jednak dalszych badań związanych z ich trwałością.Bibliografia
[1] Ł. Szarek, Ł. Krysiak, Z. Kledyński, A. Machowska, and P. Falaciński, “Durability, carbon footprint and contaminant immobilization in self-hardening slurries applied to cut-off walls: a review”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 3, pp. 5-29, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.145261.
[2] M. Kępniak and P. Woyciechowski, “Influence of sand substitution with waste lime powder on the concrete carbonation”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 4, pp. 383-392, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.138506.
[3] R.J. Flatt, N. Roussel, and C.R. Cheeseman, “Concrete: An eco material that needs to be improved”, Journal of the European Ceramic Society, vol. 32, no. 11, pp. 2787-2798, 2012, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.11.012.
[4] S.S.C. Alharishawi, N. Rajaa, and A.R. Jabur, “Laboratory tests of solid and hollow concrete beams made with glass waste”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 4, pp. 5-20, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.147644.
[5] Y. Ettahiri, et al., “From synthesis to applications: A comprehensive review of geopolymer materials for photocatalytic degradation of organic pollutants”, Separation and Purification Technology, vol. 330, art. no. 125396, 2024, doi: 10.1016/j.seppur.2023.125396.
[6] T. Luukkonen, Z. Abdollahnejad, J. Yliniemi, P. Kinnunen, and M. Illikainen, “One-part alkali-activated materials: A review", Cement and Concrete Research, vol. 103, pp. 21-34, 2018, doi: 10.1016/j.cemconres.2017.10.001.
[7] N.A. Jaya, L. Yun-Ming, H. Cheng-Yong, M.M.A.B. Abdullah, and K. Hussin, “Correlation between pore structure, compressive strength and thermal conductivity of porous metakaolin geopolymer”, Construction and Building Materials, vol. 247, art. no. 118641, 2020, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118641.
[8] A.Z. Mohd Ali, J. Sanjayan, and M. Guerrieri, “Performance of geopolymer high strength concrete wall panels and cylinders when exposed to a hydrocarbon fire", Construction and Building Materials, vol. 137, pp. 195-207, 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.01.099.
[9] S. Yaseri, G. Hajiaghaei, F. Mohammadi, M. Mahdikhani, and R. Farokhzad, “The role of synthesis parameters on the workability, setting and strength properties of binary binder based geopolymer paste”, Construction and Building Materials, vol. 157, pp. 534-545, 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.09.102.
[10] N. Ye, et al., “Synthesis and strength optimization of one-part geopolymer based on red mud”, Construction and Building Materials, vol. 111, pp. 317-325, 2016, doi:10.1016/j.conbuildmat.2016.02.099.
[11] D.M.A. Huiskes, A. Keulen, Q.L. Yu, and H.J.H. Brouwers, “Designmand performance evaluation of ultra-lightweight geopolymer concrete”, Materials & Design, vol. 89, pp. 516-526, 2016, doi: 10.1016/j.matdes.2015.09.167.
[12] R.M. Novais, L.H. Buruberri, G. Ascensao, M.P. Seabra, and J.A. Labrincha, “Porous biomass fly ash-based geopolymers with tailored thermal conductivity", Journal of Cleaner Production, vol. 119, pp. 99-107, 2016, doi: 10.1016/j.jclepro.2016.01.083.
[13] Subaer and A. van Riessen, “Thermo-mechanical and microstructural characterisation of sodium-poly(sialatesiloxo) (Na-PSS) geopolymers”, Journal of Materials Science, vol. 42, no. 9, pp. 3117-3123, 2007, doi: 10.1007/s10853-006-0522-9.
[14] R.T.T. Fongang, et al., “Cleaner production of the lightweight insulating composites: Microstructure, pore network and thermal conductivity”, Energy and Buildings, vol. 107, pp. 113-122, 2015, doi: 10.1016/j.enbuild.2015.08.009.
[15] J.G. Sanjayan, A. Nazari, L. Chen, and G.H. Nguyen, “Physical and mechanical properties of lightweight aerated geopolymer", Construction and Building Materials, vol. 79, pp. 236-244, 2015, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2015.01.043.
[16] J. Henon, A. Alzina, J. Absi, D.S. Smith, and S. Rossignol, “Potassium geopolymer foams made with silica fume pore forming agent for thermal insulation”, Journal of Porous Materials, vol. 20, no. 1, pp. 37-46, 2013, doi: 10.1007/s10934-012-9572-3.
[17] Z. Abdollahnejad, et al., “List of Contributors”, in Handbook of Low Carbon Concrete, A. Nazari and J.G. Sanjayan. Butterworth-Heinemann, 2017, pp. xi-xiii, doi: 10.1016/B978-0-12-804524-4.00020-8.
[18] M.Y.J. Liu, U.J. Alengaram, M.Z. Jumaat, and K.H. Mo, “Evaluation of thermal conductivity, mechanical and transport properties of lightweight aggregate foamed geopolymer concrete”, Energy and Buildings, vol. 72, pp. 238-245, 2014, doi:10.1016/j.enbuild.2013.12.029.
[19] F. Colangelo, et al., “Mechanical and thermal properties of lightweight geopolymer composites”, Cement and Concrete Composites, vol. 86, pp. 266-272, 2018, doi:10.1016/j.cemconcomp.2017.11.016.
[20] N.K. Agustini, A. Triwiyono, D. Sulistyo, and S. Suyitno, “Mechanical Properties and Thermal Conductivity of Fly Ash-Based Geopolymer Foams with Polypropylene Fibers,” Applied Sciences, vol. 11, no. 11. 2021, doi: 10.3390/app11114886.
[21] D.M. Samuel, N. Inumerable, A. Stumpf, and W.M. Kriven, “Thermal conductivity of several geopolymer composites and discussion of their formulation”, International Journal of Applied Ceramic Technology, vol. 20, no. 1, pp. 475-486, 2023, doi: 10.1111/ijac.14200.
[22] H. Karakaş, et al., “Properties of fly ash-based lightweight-geopolymer mortars containing perlite aggregates: Mechanical, microstructure, and thermal conductivity coefficient”, Construction and Building Materials, vol. 362, art. no. 129717, 2023, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129717.
[23] M. Łach, K. Korniejenko, and J. Mikuła, “Thermal Insulation and Thermally Resistant Materials Made of Geopolymer Foams”, Procedia Engineering, vol. 151, pp. 410-416, 2016, doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.350.
[24] M. Kadela, A. Kukiełka, and M. Małek, “Characteristics of Lightweight Concrete Based on a Synthetic Polymer Foaming Agent”, Materials, vol. 13, no. 21, 2020, doi: 10.3390/ma13214979.
[25] M. Kozłowski and M. Kadela, “Mechanical Characterization of Lightweight Foamed Concrete”, Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2018, art. no. 6801258, 2018, doi:10.1155/2018/6801258.
[26] G. Samson, M. Cyr, and X.X. Gao, “Thermomechanical performance of blended metakaolin-GGBS alkali-activated foam concrete", Construction and Building Materials, vol. 157, pp. 982-993, 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.09.146.
[27] Z. Zhang, J.L. Provis, A. Reid, and H. Wang, “Geopolymer foam concrete: An emerging material for sustainable construction”, Construction and Building Materials, vol. 56, pp. 113-127, 2014, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.01.081.
[28] V. Ducman and L. Korat, “Characterization of geopolymer fly-ash based foams obtained with the addition of Al powder or H2O2 as foaming agents”, Materials Characterization, vol. 113, pp. 207-213, 2016, doi: 10.1016/j.matchar.2016.01.019.
[29] E. Kamseu, B. Nait-Ali, M.C. Bignozzi, C. Leonelli, S. Rossignol, and D.S. Smith, “Bulk composition and microstructure dependence of effective thermal conductivity of porous inorganic polymer cements", Journal of the European Ceramic Society, vol. 32, no. 8, pp. 1593-1603, 2012, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.12.030.
[30] RILEM, Functional classification of lightweight concrete. Stuttgart, Germany: RILEM Publications SARL, 1978.
[31] J. Ciemnicka, R. Jaskulski, W. Kubissa, K. Prałat, “Influence of selected micro additives content on thermal properties of gypsum”, Architecture, Civil Engineering, Environment, vol. 12, no. 3, pp. 69-79, 2019, doi: 10.21307/acee-2019-037.
[32] K. Prałat, W. Kubissa, R. Jaskulski, J. Ciemnicka, and S. Pilarczyk, “Influence of selected micro additives on thermal conductivity and surface microstructure of modified gypsum”, Acta Scientiarum Polonorum. Architectura, vol. 18, no. 1, pp. 69-75, 2019, doi:10.22630/aspa.2019.18.1.8
[33] K. Prałat, J. Ciemnicka, A. Koper, K.E. Buczkowska, and P. Łoś, “Comparison of the Thermal Properties of Geopolymer and Modified Gypsum”, Polymers (Basel), vol. 13, no. 8, 2021, doi: 10.3390/polym13081220.
[34] M. Kępniak, P. Prochoń, and W. Piątkiewicz, “Air entrance additive effect on geopolymer mortar thermal conductivity”, Cement Lime Concrete, vol. 28, no. 3, pp. 186-193, 2023, doi: 10.32047/CWB.2023.28.3.4.
Pobrania
Opublikowane
Jak cytować
Numer
Dział
