Geopolymery

Od pyramid k raketoplánu

 VÍT STRAŇÁK

Je nesrovnatelně trvanlivější než beton, jeho výroba je navíc ekologičtější, znali ho už Egypťané. Řeč je o geopolymeru.

Již před více než 4500 lety znalo lidstvo dosud nejdokonalejší stavební materiál na planetě Zemi. Nebyl jím kámen, nýbrž geopolymer. Teprve v 70. letech 20. století tento materiál znovuobjevil francouzský chemik Joseph Davidovits. Když na egyptologickém kongresu v Lyonu v roce 1974 vyslovil profesor Davidovits hypotézu, že řada egyptských pyramid vznikla zřejmě z tvárnic „umělého kamene“, vyvolal tím šok a pobouření. Dnes vše nasvědčuje tomu, že měl pravdu.

 

Kamenná kaše nade vše

Prakticky jakýkoli kámen lze vytvořit uměle, a to s takovou dokonalostí nápodoby, že od přírodního se dá rozlišit jen velmi specializovanou analýzou. Špičkový francouzský chemik to dobře věděl, a tak si položil logickou otázku: Mohli dělníci před pěti tisíci lety dostat obrovské kvádry do takových výšek, když neměli důmyslné transportní mechanismy a neznali ani kolo? Dospěl k závěru, že nikoli. Zato ho napadla daleko pravděpodobnější teorie. Ke stavbě pyramid využívali stavebníci období záplav, kdy se Nil rozlil do daleka. Tehdy snášeli mokrý písek z nejbližšího okolí, na místě ho pěchovali do forem, smísili s aktivačními prostředky a pak nechali slunce, aby směs postupně vysušilo a proměnilo v litý kámen.

Teorii Josepha Davidovitse dnes podporují nejen dochovaná vyobrazení a hieroglyfi cký zápis na čtyřech staroegyptských tabulkách, ale i řada důkazů z později provedených laboratorních zkoušek. Nerost, z něhož jsou pyramidy postaveny, obsahuje vodu, pohlcuje záření a jsou v něm nepatrné vzduchové bubliny. Nic z toho se u přírodních kamenů nevyskytuje. Navíc jsou některé složky vzorků z pyramid amorfní (nezkrystalizované) a uvnitř vzorku lze najít rovněž vlasy. A když kvádrem vedete řez, zjistíte, že ve spodní části je hustější než v horní.
Vše tedy nasvědčuje tomu, že stavitelé ve starém Egyptě používali vyspělou technologii, která využívala dostupných přírodních zdrojů (vápenec, voda, jíl, soli) k výrobě „geopolymerického betonu“. Obrovské a neuvěřitelně přesné tvárnice pro stavbu pyramid dělníci neotesávali z kamenných kvádrů vytěžených v lomech Toura a Maadi poblíž Gízy, nýbrž je vyráběli z „kamenné kaše“, kterou ve velkém míchali v mělkých písečných nádržích a poté vylévali a pěchovali do předem připraveného dřevěného šalování.

Tomu, aby se dalo zjistit přesné složení takto vzniklých bloků, dosud brání odpor egyptologů. Musíme se proto spolehnout na odhady profesora Davidovitse. Podle nich obsahují tvárnice 93-97 procent složek přírodního vápence, zbytek tvoří pojivo. V něm převažuje kaolinitický jíl z vápence v Gíze, podstatný je přídavek žíravé sody (ta pochází ze spalování palmového dřeva a natronové soli), která výslednou hmotu pojiva změnila v geologické lepidlo. Egypťanům se tak podařilo vytvořit geopolymerický cement chemicky srovnatelný s přírodním kamenem, který pojí skály. To je důvod, proč geologové nemohou klasickou metodou krystalografické analýzy rozlišit přírodní vápenec od umělého. Vynalézavost a um tvůrců si zaslouží obdiv: kdyby byly egyptské pyramidy postaveny z nejkvalitnějšího současného betonu, byly by se už dávno rozpadly.

Objev z rodu převratných

„Chcete-li poznat a pochopit přesné složení geo polymeru určitého nerostu, nehledejte odpověď v chemii či fyzice, nýbrž v historii a filozofi i,“ tvrdí Joseph Davidovits. Podle jeho teorie je nutné co nejpřesněji prozkoumat vývoj daného nerostu od „velkého třesku“ až po současnou podobu. Pokud se podaří podrobně popsat všechny fáze vývoje nerostu, všechny chemické a fyzikální procesy uvnitř hmoty, a dojít přesně k výslednému chemickému složení, máme vyhráno. Pak už stačí jen přidat urychlovače chemických reakcí a získáme geopolymer zcela konkrétního nerostu, který nelze běžnými prostředky rozeznat od originálu. Ten objev je převratný, ale zároveň v sobě skrývá i riziko zneužití. Umožňuje například sériovou výrobu věrných, od originálu běžnými technikami zkoumání nerozeznatelných replik uměleckých předmětů. Pozitivní využití je nasnadě: restaurování soch či architektonických památek. Rizikem je padělání a růst černého trhu.

Vzpomínky na budoucnost

Geopolymery ovšem nabízejí daleko širší a různorodější uplatnění. Pro svou extrémní odolnost mohou sloužit jako vynikající izolace a stavební materiál. První aplikace ve stavebnictví pocházejí z let 1972-1976, kdy byl geopolymer nanášen na dřevotřískové desky, aby zvýšil jejich ohnivzdornost. Geopolymerní cement Parament byl použit například na opravu letištní plochy v Los Angeles. V brzké době lze očekávat využití geopolymerů při výstavbě silnic, mostů, budov a jiných původně betonových staveb.

Už nyní se tento materiál využívá rovněž na výrobu výfukového potrubí vozů Formule 1 nebo tepelných štítů pro raketoplány. A do budoucna může být velmi podstatná stabilizace nebezpečných a radioaktivních odpadů pomocí geopolymerních matric (tzv. solidifi kace) nebo schopnost zpracovat jako surovinu pro výrobu geopolymerů odpadní produkty z teplárenských a energetických provozů (tvrdí to výzkumný projekt GEOASH).

Zapomeňte na beton

Co je předností geopolymerů ve srovnání s betonem? Výrazně vyšší pevnost v tlaku. Standardní portlandský cement odolává asi 30 MPa (megapascalům), speciálně upravený až 60 MPa, geopolymer přibližně 100 MPa. Nezanedbatelná je rovněž značná odolnost proti ohni a kyselému prostředí, ale také podstatně ekologičtější způsob výroby. Při běžné výrobě geopolymerů vzniká šestkrát méně oxidu uhličitého než při výrobě cementu. Dovolte malý exkurz: při výrobě jedné tuny cementu unikne do ovzduší stejné množství CO2 – rovněž jedna tuna! V absolutním vyjádření tak výroba cementu v roce 2005 celosvětově vyprodukovala 1,8 miliardy tun CO2. Současná produkce cementu tvoří osm procent všech emisí, které mají na svědomí skleníkový efekt a vznik ozonové díry – a přesto se počítá s růstem potřeby cementu na celosvětovém trhu již do roku 2020 na dvojnásobek. Jako jeden z významných prostředků řešení hrozící ekologické katastrofy se nabízejí právě geopolymery. Je utopií, že by beton okamžitě nahradily, ale mohou účinně pokrýt zvýšení poptávky.
Nedosti na tom. Na světě existují ložiska pro výrobu geopolymerů, která se už nemusí aktivovat (tedy tepelně zpracovat při teplotě 600-700 °C). Znamená to, že pak při výrobě geopolymerů nevznikají žádné emise. V tuto chvíli jsou známa dvě taková ložiska. První se nachází v Austrálii, druhé v České republice.

Budoucnost má v rukou Zbůch

Český trumf pro ekologickou výrobu geopolymerů představují haldy lupku poblíž Zbůchu u Plzně. Právě tady zahájí zhruba v polovině letošního roku velkovýrobu geopolymerů ERIGA – Evropský výzkumný ústav profesora Josepha Davidovitse pro aplikaci geopolymerů. Staneme se první zemí na světě, která začne tento materiál budoucnosti vyrábět ve velkém.
Lupek je odpad z těžby černého uhlí. Původně se nacházel ve slojích (vrstvách) nad vrstvami uhlí. Protože jde o materiál málo kompaktní, který by se při rubání uhlí na horníky zřítil, bylo nutné ho odtěžit. Tak se stalo, že tato směs kaolínů a jílů s poměrně velkým množstvím organických látek byla v západočeském Týnci, vedle vozového depa ČD Zbůch u Plzně, navezena na haldy, jejichž výška dosáhla 70 metrů (výška Petřínské rozhledny).

Na haldách došlo k samovznícení materiálu, takže výše zmíněný proces aktivace už zde proběhl přírodní cestou. Uvnitř haldy hoří neustále, ale jde o endogenní (tedy vnitřní) hoření hlušiny s minimem kyslíku. Oxid uhličitý se při tomto procesu uvolňuje už dlouhá léta, ovšem v téměř neměřitelném množství. Více ho unikne jen tehdy, když hoření pronikne na povrch. Právě teď přišel čas, aby lupek přestal zahálet: z „kontrolovaného odpadu“ se stane výrobní surovinou. Na haldách u Zbůchu je ho tolik, že by dokázal nahradit poptávku po cementu pro celou Českou republiku zhruba na 20 let.

Tak masovou výrobu geopolymerů ovšem zatím ERIGA neplánuje. V nejbližší době půjde jen o doplněk výroby cementu – byť výslednou kvalitou nesrovnatelně lepší a ekologicky významný. Není však vyloučeno, že právě zde stojíme na prahu „tiché materiálové revoluce“.

Co je geopolymer? Pod pojmem geopolymery se skrývají anorganické uměle vyrobené (polymerní) materiály, které jsou připravovány reakcí základních hlinito-křemičitanových minerálů v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku. Tato reakce byla označena jako geopolymerace. Její pomocí lze využít řadu odpadních surovin (především elektrárenské a teplárenské popílky) a přeměnit je na plnohodnotné geopolymerní materiály. Geopolymery jsou na první pohled nerozeznatelné od kamene, ale svými vlastnostmi jej jednoznačně předčí. Nabízejí totiž úžasné možnosti modifikací a dosažení jedinečných kombinací vlastností, díky nimž materiál přečká tisíciletí. Patří k nim především vysoká pevnost v tlaku a odolnost vůči kyselým dešťům, ohni i bakteriím. Více také na www.geopolymer.org. V Baťových šlépějích Od září 2007 startuje ještě jeden převratný projekt: výuka samostatného oboru Geopolymery na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně. Půjde o celosvětovou premiéru. Tříleté bakalářské studium zahrne celkem pět specializovaných předmětů. Ve stadiu pilných příprav je i nadstavbové magisterské studium. Počítá se se zapojením odborníků z celého světa a s možností studia v zahraničí (podobné aktivity vyvíjí univerzita v australském Perthu, ve výzkumu a vědecké propagaci geopolymerů se angažuje rovněž kníže Hans Adam II. Lichtenstein), promoce bude opět ve Zlíně. Autorem skript a školitelem následného doktorandského studia bude prof. Davidovits (www.davidovits.info). Pohádka o Dvojčatech Co by se stalo, kdyby dva nejznámější mrakodrapy světa – Dvojčata na newyorském Manhattanu – byly postaveny z geopolymeru? Po teroristickém útoku 11. září 2001 by se pravděpodobně nezřítily. Podle vědeckých odhadů by jejich statika vydržela i náraz deseti obřích letadel. Bohužel, tohle už je jenom pohádka. Ale geopolymery tu jsou, aby nám pomohly stavět budoucnost.

BUDE SE ŘÍKAT ČESKU GEOPOLYMER VALLEY?

rozhovor s ivo vaňkem o jednom vynálezu

Autor: Filip Habart

Francouzský profesor chemie Joseph Davidovits přišel v 70. letech s objevem, že každý kámen se dá vytvořit uměle. Novou hmotu nazval geopolymer. Současně si položil otázku, jak mohli staří Egypťané při stavbě pyramid dostat obrovské kvádry do takových výšek, a dospěl k závěru, že využili období záplav, svezli písek z nejbližšího okolí, napěchovali ho do forem, smísili s aktivačními prostředky – a slunce změnilo směs v litý kámen. Egyptologové ho za to málem ukamenovali. Dnes dává odborný svět profesoru Davidovitsovi za pravdu. Prvním, kdo se rozhodl aplikovat geopolymery v praxi, je brněnský stavební inženýr IVO VANĚK.

Zkuste nám vysvětlit, co je geopolymer…

Po jedné konferenci jsme s profesorem zašli na večeři, on byl spokojený, že beseda nesklouzla k lacinému osočování, s čímž se často setkával, a pak se z ničeho nic zeptal: „Už víte, jak se vyrábí geopolymer?“ Odpověděl jsem, že nejsem chemik a mým úkolem je něco zcela jiného, a on řekl: „Já vám to přesto povím. Je to velice prosté. Zvolíte si materiál, který chcete vyrobit – například libereckou žulu z toho a toho lomu –, vrátíte se na samotný počátek vesmíru k Velkému třesku a pak celých těch třináct miliard sedm set milionů let chemicky popíšete. Až k dnešnímu dni. Nesmíte vynechat jedinou etapu. Díky tomu získáte vzorec, podle něhož vyrobíte látku, přimícháte do ní urychlovače a do druhého dne máte libereckou žulu, kterou od té přírodní odborník těžko rozezná.“

Přírodní materiál lze vyrobit chemickou cestou?

Jistě. Nebo jiný příklad. Nastříkáte pár mikronů tenkou vrstvu geopolymeru na kousek černého plechu a rázem se z něj stane absolutně neprůstřelný, stoprocentně chemicky odolný a žáruvzdorný materiál. A jelikož jsem přesvědčen, že takto subtilní vrstvička nemůže změnit vlastnosti plechu, muselo v něm dojít k metastázám geopolymeru do původního materiálu, což dokázalo změnit jeho strukturu. Takže profesor vlastně umí ovlivnit něco, co teprve vznikne. Podle mě lze vyrobit materiály, které ještě ve vesmíru neexistují.

Na základě těchto poznatků jste založil firmu?

To je dlouhá historie. V letech 1990 až 2001 jsem podnikal v oboru využití syntetických diamantů ve stavebnictví a svoje aktivity jsem postupně rozšířil směrem k regeneraci panelového bytového fondu. Když jsem pak musel z vůle lokálních „bohů“ podnikání ukončit, napadlo mě věnovat se hluku. Na brněnském Vysokém učením technickém jsem si doplnil vzdělání z akustiky a začal se zabývat aplikací protihlukových bariér a přeměňování hluku v tepelnou energii.

Jak jste se dostal k profesoru Davidovitsovi?

Jestliže vzniká nějaký projekt, dávám přednost řešení s co nejmultiplikovanějším efektem. Pokud má někde stát protihluková stěna, která má ale s výjimkou ochrany člověka před hlukem samá negativa (hyzdí krajinu a podobně), musím pro ni najít širší využití. Výsledkem je, že nám naše ojedinělé řešení přineslo druhé místo v pařížském finále ZLATÉHO DECIBELU, a to hned za Airbusem, jenž představil nový, o tři decibely tišší motor.

Jaké je tedy další využití protihlukové stěny?

Napadlo mě vytvořit panel ze speciálních plastů, které budou mít uvnitř komory na ukládání odpadu. A pak jsem začal hledat ekologicky bezpečné řešení. Chvilku jsem bloudil po Evropě, až jsem objevil tohohle nádherného člověka, vypravil se za ním, on mě nevyhodil a pozval mě na kafe. Vyprávěl jsem mu o svém projektu a pochlubil se tím, že o geopolymerech vím, že mají schopnost bezpečně ukládat nejrůznější komponenty. Když do něj nasypete cokoli, tak je schopen každou částečku hermeticky a nerozbitně zapouzdřit. Ta pouzdra pak k sobě přirostou a vytvoří se nový materiál, u něhož nehrozí, že z něj něco uteče do životního prostředí.

Dá se tak ukládat i radioaktivní odpad?

Profesor na jedné straně tvrdí, že geopolymer je kámen a kamenem nelze odstínit radioaktivní záření, na druhé straně má ale za sebou rozsáhlý výzkum v bývalé NDR, kde radioaktivní odpady likvidoval a výsledek byl stoprocentní. Takže jsem mu říkal: „Vy dokážete bezpečně ukládat do geopolymeru jakýkoliv odpad, já zase umím vyrobit protihlukové stěny, do kterých se dají ty hmoty uložit.“ Navíc má tohle řešení několikanásobný ekologický efekt. Při výrobě jedné tuny cementu uniká do ovzduší tuna kysličníku uhličitého. Při roční produkci jde o miliardu osm set milionů tun, což je šest až osm procent veškerého množství emisí, způsobujících skleníkový efekt. Při výrobě geopolymerů se do ovzduší nic nevypouští, takže je to geniální náhrada cementu.

Snažíte se tedy s geopolymery pracovat?

Ano. A mám radost, že o tom profesor hovoří i na světovém fóru. Třeba nedávno v Paříži. Začali jsme s přípravou technologie, pomocí níž budeme jako první na světě vyrábět geopolymer průmyslově. V bývalých Přerovských strojírnách – dnešním PSP Ingeneering. Když se tam byl profesor podívat, byl nadšený.

Jak je výroba geopolymeru finančně náročná?

Jestliže budeme soupeřit s cementem, tak jsme pořád ještě handicapováni vyššími náklady. Pakliže se ale používaly před pěti tisíci lety, proč by se nemohly používat i dnes? Z geopolymerů nejsou postaveny jen pyramidy, ale i římské Coloseum (tehdy se pojivu říkalo „římský beton“) a půlka Jeruzaléma. Jde jen o to, najít takové technologické řešení, které by bylo cenově dostupné. Pokud je výroba geopolymeru jednodušší a ekologicky příznivější, proč by jím neměl být v budoucnu cement zcela nahrazen? Profesor Davidovits propracoval už kdysi technologii výroby až na úroveň patentů. Ty pak odkoupily světové cementárny a – uložily je do šuplíku.

Dalo by se použít geopolymerů i pro záchranu památek?

Samozřejmě. Před listopadem 1989 se na poškozená místa pískovcových soch používal jako pojivo cement, jenomže plomby časem vypadly, protože nově nanesený materiál byl tvrdší než stávající. V případě geopolymeru odeberete vzorek pískovce, kámen v podstatě naklonujete a umělý pískovec připlácnete tam, kde je potřeba. Geopolymer vytvrdne a proroste do původní hmoty. Nikoli do trhlin, ale do krystalické mřížky. Ze dvou materiálů se stane jeden, takže po letech nenajdete místo spoje ani pod mikroskopem. To je pro opravu památek ideální. Před časem jsme tuhle metodu nabídli zdarma řediteli památkové péče, a ten nám ji hodil na hlavu. Profesor už ale tímto způsobem geopolymer aplikoval s velice dobrými výsledky na jedné památce v Portugalsku.

Vy jste dokonce vyslovil myšlenku, že kdyby byl použit geopolymer při stavbě dvojčat na Manhattanu, tak by budovy po nárazu letadel nespadly…

Základ u výškových budov tvoří ocelová nosná konstrukce. Dvojčata se zřítila proto, že když letadlo uvnitř explodovalo, vznikl žár, který se přenesl po ocelové konstrukci, a ta se zbortila, protože došlo k porušení vzpěru. Tomu se dá předejít použitím uhlíkové, pár mikronů silné tkaniny, kterou se nosné sloupy obalí a „zaválečkují“ se geopolymerem. Teplo se šířit nebude a vzpěr zůstane zachovaný. Pokud se to použije ojediněle, bude to samozřejmě nákladné. Kdyby ale z toho vznikla technologie… Podívejte se – dnes se vyrobí miliarda osm set milionů tun cementu ročně, zatímco geopolymeru deset kilogramů. Díky tomu je čtyřikrát dražší. Ve chvíli, kdy se výroba geopolymeru rozšíří, bude nesrovnatelně levnější než výroba cementu. Existují ale i místa, kde se nachází přírodní materiály, do nichž se už nemusí přidávat aktivační prostředky. Jedno takové místo máme i u nás, a tam postavím fabriku. Počítám s tím, že budu za rok vyrábět geopolymer levněji, než bych vyráběl cement.

Máte už pro „svůj cement“ odběratele?

Zatím je to řešení pro mne samého. Dnes vyplňuji komory protihlukových stěn betonem. Od března je budu vyplňovat geopolymerem. A až získám příslušné certifikáty, budu tam ukládat i odpady.

Neobáváte se reakce betonářské lobby?

Jsem přesvědčen, že v čele nadnárodních koncernů stojí osvícení lidé, kteří si uvědomí, že nový materiál nahradí v mnohých směrech cement a beton daleko lépe. Věřím, že jsou natolik chytří, že začnou spolupracovat.

Myslíte, že se profesor Davidovits dožije světového uznání?

Jsem přesvědčen, že jednou dostane Nobelovu cenu. Profesoři z francouzské Akademie věd a z jedné prestižní americké univerzity na tiskovce v Paříži potvrdili, že objevitelem je Davidovits. Jenomže druhý den vyšly v americkém tisku články: „Přišli jsme na to my!“ Podle mého názoru je to válka o „nobelovku“. Doufám, že si to Evropa nenechá líbit.

A jak to vypadá s eventuálním uznáním egyptologů? Ačkoliv, ono je to v podstatě jedno. Nejdůležitější je, že profesor vynalezl něco užitečného pro lidstvo…

Máte pravdu. Na té tiskovce v Paříži pronesl po dvouhodinové diskusi jeden novinář: „Už nikdo z nás nepochybuje o tom, jestli to, co říkáte, profesore Davidovitsi, je pravda, nebo ne. Co pro vás můžeme udělat, aby se pohnuly ledy i v otázce pyramid, které ještě skrývají tolik tajemství?“ A profesor odpověděl: „Nikdo jiný než média nám nemůže pomoci. Zatlačte na egyptskou vládu, ať nám umožní oficiálně a protokolárně odebrat z pyramid vzorky – stačí o velikosti nehtu –, protože nám v tom dvacet let brání.“ A novináři po tiskovce poznamenali: „Nám se to podaří do týdne.“

Slyšel jsem, že postup výroby geopolymerů našel profesor v hieroglyfických tabulkách?

Původně hledal odpověď na otázku, jak vznikly některé předměty (hrníčky a nádobky staré pět tisíc let), které, přestože nebyly vypáleny, vydržely až do dneška, což není z chemického hlediska možné. A protože narcisistické lidstvo všechny objevy zaznamenává, aby byly zachovány pro příští generace, muselo to být někde popsáno. Nejprve hledal v Bibli. Ve Starém zákoně. Něco objevil, postavil svoji první pyramidu, a ta se mu rozpadla. Tak začal hledat jinde. Nastudoval historii starého Egypta, naučil se číst hieroglyfy, objížděl svět a četl všechny záznamy, až našel ve Francouzském egyptologickém muzeu v Káhiře stélu, nalezenou v roce 1935 francouzskými egyptology, kde bylo všechno, co hledal. Vyrobil tedy svoji druhou pyramidu, a ta už zůstala stát.

Jeden kámen ze skutečné pyramidy prý podrobil výzkumu a objevil v něm lidský vlas?

To jen dokazuje, že muselo jít o umělý kámen. Jak by se dostal vlas do přírodního kamene?

Abych se vrátil na začátek, kdy tedy můžeme očekávat vaši továrnu na geopolymery?

Doufám, že v březnu 2007. Už na ní půl roku pracujeme. Bude to první továrna toho druhu na světě. Taky o ní profesor při každé příležitosti hovoří. Říká: „Chopili se toho Češi, všichni ostatní mají zpoždění.“ Myslím, že je to ojedinělá příležitost udělat z Česka „Geopolymer Valley“.

Vašek Vašák

Převzato:  http://technik.ihned.cz/

Geopolymer Valley: Nitky směřují do České republiky

Starověké stavby nás udivují nejen svou technickou nebo uměleckou jedinečností, ale především dlouhodobou stálostí použitých materiálů, která je dána chemickým a fázovým složením stavebního materiálu.

Archeologické nálezy u měst Ur a Chaldees ukázaly, že se zde cihly připravovaly ze směsi popele a vápna. Ve starověkém Římě se jako materiál na výrobu stavebních hmot začal využívat sopečný produkt – pucolán. Tento typ stavební hmoty se již velice podobal modernímu, patentovanému v roce 1824 Josephem Aspdinem. Na počátku 20. století se začíná vědecký svět zabývat tzv. alkalicky aktivovanými cementy. S postupem výzkumu v této oblasti se v USA začal objevovat termín chemicky vázaná keramika.

DAVIDOVITSOVA TEORIE ŠOKOVALA SVĚT

V roce 1974 francouzský profesor chemie Joseph Davidovits přišel s objevem, že každý kámen se dá vytvořit uměle. Novou hmotu nazval geopolymer. Současně ho zaujala záhada egyptských pyramid natolik, aby se pokusil dokázat, že již před více než 4500 lety znalo lidstvo dosud nejdokonalejší stavební materiál na planetě Zemi. Nakonec dospěl k závěru, že Egypťané využili období záplav, svezli písek z nejbližšího okolí, napěchovali ho do forem (předem připravené dřevěné šalování.), smísili s aktivačními prostředky (vápenec, voda, jíl, soli) – a slunce změnilo směs v litý kámen. U egyptologů tehdy vyvolal doslova pobouření. Dnes vše nasvědčuje tomu, že měl pravdu.

Odvážná hypotéza se opírá o náročné laboratorní zkoušky, například nukleární rezonancí, prokazující, že nerost, ze kterého jsou pyramidy postaveny, obsahuje vodu a pohlcuje záření. To se u přírodního kamene nemůže stát. Při zkoumání kamenů z pyramid byly také uvnitř hmoty nalezeny vlasy. A ještě něco. Když Davidovits pořídil průřez kvádrem z pyramidy, zjistil, že je ve spodní části hustší než v horní. Profesor tak rozbil názor o využití jakýchsi ramp postavených v ostrém úhlu ke zvedání kamenných bloků. Nehledě na to, že jeho teorii podporují i dochovaná vyobrazení a hieroglyfický zápis na čtyřech staroegyptských tabulkách.

GEOPOLYMER, MATERIÁL 21. STOLETÍ

Pod pojmem geopolymer se skrývají anorganické uměle vyrobené (polymerní) materiály, připravované reakcí základních hlinito-křemičitanových minerálů v zásaditém prostředí za normální teploty a tlaku. Tato reakce se označuje jako geopolymerace. Její pomocí lze využít řadu odpadních surovin a přeměnit je na plnohodnotné geopolymerní materiály.

Geopolymery jsou na první pohled nerozeznatelné od kamene, svými atributy jej však převyšují. Nabízejí velké množství modifikací a dosažení jedinečných kombinací vlastností, díky nimž materiál přečká tisíciletí. Patří k nim především vysoká pevnost v tlaku a odolnost vůči kyselým dešťům, ohni i bakteriím, respektive, vzhledem k plně anorganické skladbě geopolymerů, vůči vysokým teplotám (do 1000°C), při kterých již nelze použít cement. Také přívlastek „materiál šetřící životní prostředí“ je na místě, při jejich přípravě se totiž vznik emisí CO₂ snižuje o více než 50 %.

Geopolymery nabízejí různorodé uplatnění. Pro svou extrémní odolnost mohou sloužit především jako vynikající izolace a stavební materiál. První aplikace ve stavebnictví pocházejí z let 1972-1976, kdy byl geopolymer nanášen na dřevotřískové desky, aby zvýšil jejich ohnivzdornost. Geopolymerní cement Parament byl zase použit pro opravu letištní plochy v Los Angeles. V brzké době lze očekávat využití geopolymerů při výstavbě silnic, protihlukových stěn, mostů, budov a jiných původně betonových staveb. Do budoucna pak může být velmi podstatná stabilizace nebezpečných a radioaktivních odpadů pomocí geopolymerních matric (tzv. solidifi kace).

Světoborný nález ale zároveň v sobě skrývá i riziko zneužití. Umožňuje například sériovou výrobu věrných, od originálu běžnými technikami zkoumání nerozeznatelných replik uměleckých předmětů. Pozitivní využití je nasnadě: restaurování soch či architektonických památek. Rizikem je padělání a růst černého trhu.

BETON VERSUS GEOPOLYMER

Podle Davidovitsovy teorie „pyramidové“ tvárnice obsahují 93-97 % složek přírodního vápence, zbytek tvoří pojivo. V něm převládá kaolinitický jíl z vápence v Gíze, podstatný je přídavek žíravé sody (ta pochází ze spalování palmového dřeva a natronové soli), která výslednou hmotu pojiva změnila v geologické lepidlo. Egypťané tak vytvořili geopolymerický cement chemicky srovnatelný s přírodním kamenem, který pojí skály. To je důvod, proč geologové nemohou klasickou metodou krystalografické analýzy rozlišit přírodní vápenec od umělého. Vynalézavost a um tvůrců si zaslouží obdiv: kdyby byly egyptské pyramidy postaveny z nejkvalitnějšího současného betonu, byly by se už dávno rozpadly.

Co je předností geopolymerů ve srovnání s betonem? Výrazně vyšší pevnost v tlaku. Standardní portlandský cement odolává asi 30 MPa (megapascalům), speciálně upravený až 60 MPa, geopolymer přibližně 100 MPa. Produkt má také schopnost bezpečně ukládat nejrůznější komponenty. Cokoliv do něho „nasypete“, každou částečku hermeticky a nerozbitně zapouzdří. Pouzdra pak k sobě přirostou, tím vznikne nový materiál, bez rizika, že z něho něco unikne. Malé srovnání: Při výrobě jedné tuny cementu uniká do ovzduší tuna kysličníku uhličitého. Při roční produkci jde o miliardu osm set milionů tun, což je šest až osm procent veškerého množství emisí, způsobujících skleníkový efekt. Při výrobě geopolymerů se do ovzduší nic nevypouští – více než plnohodnotná náhrada cementu. Je utopií, že by beton okamžitě nahradily, v budoucnu ale mohou účinně pokrýt zvýšení poptávky. V současnosti v tom brání příliš vysoké výdaje na jejich přípravu.

HLEDÁ SE VÝROBNÍ TECHNOLOGIE

Proto geopolymery zatím nemohou soupeřit s cementem, dokud se nenajde cenově dostupné technologické řešení. Bude-li výroba geopolymeru jednodušší, levnější a ekologicky příznivější, je předpoklad, že geopolymery cement zcela nahradí. Profesor Davidovits propracoval už kdysi technologii výroby až na úroveň patentů. Ty pak odkoupily světové cementárny a – uložily je do šuplíku.

Při hledání možného řešení může napomoci jedna důležitá skutečnost. Na světě existují ložiska pro výrobu geopolymerů, která se už nemusí aktivovat (tedy tepelně zpracovat při teplotě 600-700°C). Znamená to, že pak při výrobě geopolymerů nevznikají žádné emise. V tuto chvíli jsou známa dvě taková ložiska. První se nachází v Austrálii, druhé v České republice.

BUDOUCNOST „JMÉNEM“ ZBŮCH

Český trumf pro ekologickou výrobu geopolymerů představují haldy lupku poblíž Zbůchu u Plzně. Právě tady se v současnosti chystá zahájit výrobu geopolymerů ERIGA – Evropský výzkumný ústav profesora Davidovitse pro aplikaci geopolymerů. Za českou stranu se na projektu podílejí především ing. Vaněk, ředitel brněnské společnosti TIMBERLAND a přerovská firma PSP Engeneering, dodavatel technologie pro průmyslovou výrobu geopolymerů. Náš stát se tak stane první zemí na světě, která začne tento materiál budoucnosti vyrábět ve velkém.

Lupek je odpad z těžby černého uhlí. Původně se nacházel ve slojích (vrstvách) nad vrstvami uhlí. Tím, že se jedná o materiál málo kompaktní, který by se při rubání uhlí na horníky zřítil, bylo nutné ho odtěžit. Postupem času směs kaolínů a jílů s poměrně velkým množstvím organických látek vytvořila v západočeském Týnci, vedle vozového depa ČD Zbůch u Plzně, haldy, vysoké až 70 metrů. Celkovým množstvím představují „náhradu“ za cement pro celou ČR zhruba na 20 let.

Na haldách došlo k samovznícení materiálu, takže výše zmíněný proces aktivace už zde proběhl přírodní cestou. Uvnitř haldy hoří neustále, ale jde o endogenní (tedy vnitřní) hoření hlušiny s minimem kyslíku. Oxid uhličitý se při tomto procesu uvolňuje už dlouhá léta, ovšem v téměř neměřitelném množství. Více ho unikne jen tehdy, když hoření pronikne na povrch. Právě teď přišel čas, aby se z „kontrolovaného odpadu“ stala výrobní surovina.

Masovou výrobu geopolymerů ovšem zatím ERIGA neplánuje. Od spuštění výrobního procesu, který je plánován na srpen 2007, půjde jen o doplněk výroby cementu – byť výslednou kvalitou nesrovnatelně lepší a ekologicky významný. Není vyloučeno, že právě zde stojíme na prahu „tiché materiálové revoluce“. Pro její vypuknutí už se čeká jen na schvalovací atesty.

GEOPOLYMEROVÍ ODBORNÍCI ZE ZLÍNA

K největšímu rozvoji geopolymerů dnes dochází v Asii, Číně, Austrálii, v Indii. V těchto oblastech existuje řada institucí participujících v tomto oboru na velkém množství projektů. Aby Evropa udržela krok a rostla stejnou rychlostí, hledal profesor Davidovits strategické místo na starém kontinentu. Nakonec padla volba na Českou republiku.

ERIGA však není jedinou geopolymerfní aktivitou na našem území. Od září 2007 má odstartovat ještě jeden převratný projekt: výuka samostatného oboru Geopolymery na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně. Opět půjde o celosvětovou premiéru. Dvouleté magisterské studium zahrne celkem pět specializovaných předmětů a 4 témata na doktorandské práce. Počítá se se zapojením odborníků z celého světa a s možností studia v zahraničí (podobné aktivity vyvíjí univerzita v australském Perthu, ve výzkumu a vědecké propagaci geopolymerů se angažuje rovněž kníže Hans Adam II. Lichtenstein), promoce bude opět ve Zlíně. Autorem skript a školitelem následného doktorandského studia bude profesor Davidovits.

Otevření studijního oboru je v představách profesora úzce spjato s předchozím zahájením projektu ERIGA. Má-li se v otázce geopolymerů pokročit dále, je nutné mít možnost ověřovat si získané vědomosti v praxi, zdůrazňuje Davidovits, zarytý odpůrce „abstraktních“ teorií, zaměřených na tento materiál. Jen za takových podmínek má zlínský projekt smysl. ERIGA má v tomto směru fungovat jako základna aplikovaného výzkumu.

NAPLNÍ GEOPOLYMERY VZBUZOVANÉ NADĚJE?

Poznání o vzniku egyptských pyramid vede k zamyšlení nad možnostmi geopolymerů. Přestože se jedná „pouze“ o znovuobjevení principů známých již Římanům, nynější věda umí jevy dokonale vysvětlit, i když je neobjevila, s její pomocí pak lze vytvořit alternativní stavební materiály s řadou zajímavých vlastností. A geopolymery tu jsou, aby nám pomohly stavět budoucnost.

(bok)

Převzato:  http://technik.ihned.cz/

Technologie výroby, vlastnosti a využití

geopolymerního betonu

Geopolymer je pojmenování pro anorganický polymer, který vzniká alkalickou aktivací základního materiálu. Je to amorfní alkalický aluminosilikát s prostorovou strukturou podobný zeolitickým prekurzorům.

Montované dřevostavby si nacházejí stále více příznivců. Velkou výhodou těchto domů je jejich velmi rychlá výstavba.

Jako základní materiál může být použit jakýkoliv anorganický materiál s pucolánovými vlastnostmi, který se skládá ze silikátů nebo aluminosilikátů. Základní surovina může být přírodního původu, nebo může jít o odpadní materiál (úletový popílek, strusku). K využití odpadních materiálů vedl požadavek na vytvoření nové technologie produkující ekologičtější beton, kde bude portlandský cement nahrazen ekologicky méně náročným materiálem. Odpadní látky se v současné době nedostatečně využívají. U úletového popílku je to 20 až 30 %, zbytek se ukládá do země nebo do kalovišť. Využitím úletového popílku jako vstupního materiálu pro výrobu geopolymeru se mění odpad na cenný materiál s vynikajícími mechanickými a užitnými vlastnostmi.

Geopolymery vzhledem k rozdílné technologii výroby, lišící se od procesu hydratace běžných portlandských cementů, vykazují určité odlišnosti. Z hlediska mechanických vlastností jsou výsledky ověřování geopolymerů srovnatelné nebo lepší. Jednoznačně lepších výsledků dosahují z hlediska odolnosti vůči chemikáliím a ohni [2]. V neposlední řadě jsou výhodné z hlediska ekologického a ceny vstupních materiálů. Otázkou zůstává použití chemických přísad obvyklých v cementovém betonu. Například provzdušnění alkalicky aktivovaného úletového popílku nezvyšuje jeho trvanlivost, neboť provzdušňovadla nevytvářejí pravidelnou a stabilní strukturu pórů, která je pro mrazuvzdornost nezbytná [3].

Geopolymerizace

Alkalická aktivace silikátových a aluminosilikátových materiálů probíhá ve vodném prostředí při pH > 12 „přes roztok“. Tento proces je odlišný od hydratace anorganických pojiv, tj. především portlandského cementu. Alkalicky aktivované materiály lze charakterizovat jako materiály na rozhraní mezi klasickými hydratovanými anorganickými pojivy, skelnými a keramickými materiály.

Alkalická aktivace aluminosilikátů probíhá ve třech krocích. Každý z nich může postupovat různými způsoby, které vedou k rozdílným výsledným produktům. Formování geopolymeru je velmi rychlé a všechny kroky probíhají v podstatě současně. V první fázi je aluminosilikátové sklo rozpuštěno v kontaktu se silným alkalickým roztokem, který podporuje formování zeolitických prekurzorů [1] z rozpuštěných částeček (nuklidů). Volné ionty se přeorientovávají a vytvářejí shluky (malé molekuly). Poté, co nuklidy dosáhnou kritické velikosti, začíná růst krystalů. Tyto malé molekuly přítomné v roztoku se mohou spojit a vytvořit velké molekuly, které se srazí ve formě amorfního gelu s minoritními krystalickými fázemi. Vzniklý dvojrozměrný až trojrozměrný geopolymer má obecný vzorec Mn [-(Si-O)z- Al-O]n • wH2O a je podobný zeolitickým prekurzorům. Krystalický růst ze zeolitických nuklidů je velmi pomalý.

Prostorová struktura aluminosilikátového (geopolymerního) gelu se skládá z SiO4 a AlO4 tetrahedrů spojených sdílenými atomy kyslíku. Negativně nabité a tetrahedricky uspořádané atomy hliníku uvnitř sítě mají náboje uváděny do rovnováhy kationty alkalických kovů, jako je sodík, draslík a vápník. Složení a struktura tohoto alkalického aluminosilikátového gelu závisí na velikosti, struktuře a koncentraci iontových druhů přítomných v médiu, tak jako na teplotě, délce ošetřování a na pH směsi.

Geopolymery jako trojrozměrné makromolekulární struktury, které vznikly exotermickou polykondenzační reakcí, nejvíce závisejí na koncentraci alkalických polysilikátů a na teplotě. Takovéto nové materiály můžeme označit jako polysialáty, což jsou speciální druhy Al-O-Si anorganických polymerů. Pojmenování jednotlivých druhů polysialátů bylo dohodnuto na Mezinárodním sympoziu makromolekulární chemie v Melbourne? [4], a to polysialate (PS), polysialate – siloxo (PSS), polysialate – disiloxo (PSDS).

Výroba

Z chování jednotlivých záměsí jsme během ověřovacích zkoušek zjistili, že geopolymerní beton (POPbeton®) nelze míchat ve spádových míchačkách, ale výlučně v mixerech s nuceným mícháním, u nichž by rychlost lopatek či šneků nepřekročila 24 otáček za minutu. Důvodem jsou reologické vlastnosti aktivovaného geopolymerního betonu s velice pomalou dynamickou i statickou viskozitou (proti cementovému pojivu má popílek až pětkrát pomalejší pohyblivost). Spádové míchačky a míchačky s rychlými otáčkami vnášejí do POPbetonu® množství vzduchu, které nelze ani prodlouženou vibrací spolehlivě odstranit.

Alkalická aktivace geopolymerního pojiva z úletového popílku probíhá přidáním alkalických aktivátorů do směsi kameniva a popílku v daném poměru. U obou aktivátorů v roztocích byla předem zjištěna koncentrace a dávkování se řídilo přepočtem na množství sušiny. Tak bylo možné rozlišit skutečný vodní součinitel součtem vody v obou roztocích a vodou přidávanou na nezbytnou celkovou konzistenci POPbetonu®.

Z výsledků víme, že stejně jako u cementového betonu závisí výsledná pevnost včetně nárůstu téměř přímo na vodním součiniteli. V případě POPbetonu® je to poměr veškeré vody a sušiny obou aktivátorů, tedy včetně vody v obou roztocích. Ověřili jsme si, že optimálním navlhčením kameniva se omezí jeho nasákavost a zabrání se absorpci vody z obou aktivátorů do povrchové plochy. Roztoky pak mohou působit pouze ve vztahu geopolymerní reakce s popílkem.

Bylo třeba rovněž ověřit, zda musí být čerstvá kompozice POPbetonu® pro vyzrání a dosažení pevnosti tepelně ošetřena. Úvodní pokusy prokázaly, že je vhodné kompozici ponechat 24 hodin v klidu, kdy dosáhne falešné tuhosti, a následně ošetřit. Ověřování probíhalo v laboratorních sušárnách, vzorky byly zakryté fólií. Teplota se pohybovala mezi 40 až 80 °C v rozmezí 6 až 48 hodin.

Vlastnosti geopolymerního betonu

Výsledné vlastnosti závisejí na mnoha faktorech, nejen na složení čerstvého betonu, ale také na technologii výroby, zpracování a způsobu tepelného ošetřování:

vliv množství popílku na výslednou pevnost geopolymerního betonu se zjišťoval u vzorků jednotlivých sérií, u nichž se postupně měnil obsah popílku od 5 do 50 % na hmotnost kameniva. Ostatní složky byly dávkovány v konstantním množství;

ověření nejvhodnějšího poměru alkalických aktivátorů probíhalo řadou zkušebních sérií, u nichž byl při konstantním dávkování kameniva a popílku měněn poměr alkalických aktivátorů. Posuzovanou veličinou byla 28denní pevnost v tlaku;

dalším bodem vyhledávacích zkoušek bylo ověření vhodnosti příměsí, používaných v běžném cementovém betonu, pro geopolymerní beton. Ukázalo se, že většina z nich nemá na výslednou pevnost po 28 dnech výrazný vliv, většina dokonce prokázala vliv negativní. Nejvýznamnější zlepšení nastalo při použití vysokopecní strusky, která se aktivně zapojila do geopolymerizace úletového popílku (obr. 3);

vodní součinitel w byl v analogii s cementovým betonem definován jako poměr celkového množství vody, v tomto případě vody obsažené v roztocích alkalických aktivátorů a vody přidávané do čerstvého betonu pro zlepšení zpracovatelnosti, k množství úletového popílku. V grafu na obr. 4 je vyhodnocen jeho vliv na výslednou pevnost geopolymerního betonu. Množství vody v roztocích alkalických aktivátorů bylo konstantní, měnilo se pouze množství vody přidávané. Z grafu je vidět, že vodní součinitel, tak jako u cementového betonu, výslednou pevnost podstatně ovlivňuje. S rostoucím vodním součinitelem klesá pevnost v tlaku. U geopolymerních betonů dochází k poklesu koncentrace roztoků alkalických aktivátorů, které pak ztrácejí schopnost dokonale rozpouštět oxidy obsažené v popílku. To vede k podstatnému zhoršení geopolymerizace.

z grafu na obr. 5 je patrné, že výslednou pevnost geopolymerního betonu podstatně ovlivní také doba tepelného. Při optimální dávce alkalických aktivátorů rozdíl 28denní pevnosti v tlaku mezi tepelným ošetřováním při teplotě 80 °C po dobu 16 a 24 hodin činí 13 %;

na základě dostupných publikací se předpokládalo, že pevnost v tlaku již po počátečním nárůstu během geopolymerizace významněji neroste. Vyhodnocení jednotlivých sérií zkoušek však ukázalo, že po počátečním nárůstu na hodnotu přibližně 83 % během tepelného ošetřování dochází k pozvolnému růstu i po uložení v běžných podmínkách. Při dosažení 28denní pevnosti činil průměrně 20 %. Lze předpokládat, že pevnost bude růst i v delším časovém horizontu;

na obr. 7 je na nábrusu vidět vedle jednotlivých zrn kameniva dobře zhutněný geopolymerní tmel alkalicky aktivovaného popílku, který však vykazuje značné množství uzavřených vzduchových pórů různé velikosti. Rovněž je patrná dokonalá přilnavost popílkového tmelu k zrnům kameniva.

Použití

Při současném poznání vlastností a používané technologie výroby lze geopolymerní betony uplatnit především ve speciálních aplikacích, a rovněž v prefabrikaci. Během několika hodin lze vyrobit beton s velkou mechanickou pevností, která pokračuje v růstu s časem. Vzhledem k tomu, že při výrobě dochází k tepelnému ošetřování, hodí se na prvky konstrukční, předpjaté (pražce, trámy), kusová staviva (cihly, dlaždice, obrubníky), chemicky odolné prvky (trouby, tanky, vyzdívky, bloky) a prvky odolné vysokým teplotám.

Obr. 1. Vliv množství popílku na výslednou pevnost geopolymerního betonu po 28 dnech, tepelné ošetřování 24 hodin při 80 °C

Obr. 2. Vliv poměru vodního skla k hydroxidu sodnému na výslednou pevnost geopolymerního betonu po 28 dnech, tepelné ošetřování 24 hodin při 80 °C

Obr. 3. Vliv použitého typu příměsi na 28denní pevnost geopolymerního betonu, tepelné ošetřování 24 hodin při 80 °C

Obr. 4. Vliv vodního součinitele na 28denní pevnost geopolymerního betonu, tepelné ošetřování 24 hodin při 80 °C

Obr. 5. Vliv doby tepelného ošetřování na 28denní pevnost geopolymerního betonu, tepelné ošetřování při 80 °C

Obr. 6. Průběh průměrné pevnosti geopolymerního betonu v čase

Obr. 7. Mikrostruktura geopolymerního betonu

Obr. 8. Vzorek zámkové dlažby vyrobené z geopolymerního betonu

Literatura

[1] Harper, R. – South, W. – Knight, R.: Geopolymers – a Commercial Reality. Geopolymers 2002, město? 2002.

[2] Krivenko, P. V. – Kovalchuk, G. J.: Heat-Resistant Fly Ash Based Geocements. NationalUniversity Kyiv, 2002.

[3] Silverstrim, T. – Rostami, H. – Clark, B. – Martin, J.: Microstructure and Properties of Chemically Activated Fly Ash Concrete. Drexel University, Philadelphia, 2003.

[4] Phair, J. W. – Smith, J. D. – van Deventer, J. S. J.: Characteristics of Aluminosilicate Hydrogels Related to Commercial Geopolymers. University of Melbourne, 2003.

Autor: Ing. Milan Žamberský –

Vloženo: 2007-02-07

Chemická podstata hmoty

Geopolymerní materiály syntetizované alkalickou aktivací aluminium-silikátových látek představují nový typ materiálů. Alkalicky aktivované materiály – geopolymery jsou materiály na rozhraní mezi klasickými hydratovanými anorganickými pojivy, skelnými a keramickými materiály. Suroviny pro přípravu geopolymerů mohou být převážně látky odpadního charakteru jako jsou elektrárenské popílky, strusky z metalurgických procesů a jiné anorganické odpady nebo přírodní materiály jako jsou jíly, kaolíny, aj. Metoda studených anorganických syntéz vychází z alkalických reakcí aktivovaných aluminium-silikátů při laboratorní teplotě a tlaku. Bylo ověřeno, že dvojvrstvý jílový minerál kaolinitického typu je schopen vytvářet anorganické polymerní prostorové sítě za vzniku nových pevných látek.

Geopolymery jsou tedy sloučeniny hliníku a křemíku (vazby -Si-O-Al-O) jsou pojícím stavebním prvkem chemických řetězců. Ke geochemickým syntézám dochází pomocí oligomerů (dimerů, trimerů), které tvoří strukturu jednotky třírozměrné makro- molekulární stavby.

Konverze se provádí na odpadových jílových materiálech z těžby a zpracování běžných keramických surovin kaolinitického typu, zpravidla znečištěných obsahem železnatých a železitých iontů přesahujícím 2,5% a zvýšeným obsahem oxidu titaničitého, případně organickými látkami. Tyto nečistoty v jílech brání využití ve stávajících technologiích a jejich množství přesahuje 250 000 tun ročně jen na území ČR.

Získané typy pevných látek jsou amorfní, dokazující jen minimální výskyt krystalických látek a mají řadu překvapivých vlastností:

• nejsou rozpustné ve vodě,
• nehoří ani nevytvářejí zplodiny,
• jsou odolné k teplotám kolem 1000°C, (na rozdíl od betonu, který se začíná rozpadat při teplotách nad 300°C),
• tepelná vodivost se různí podle druhu a množství plniva, polymer sám má velmi nízkou teplotní vodivost,
• pevnost v tlaku prostém podle množství a druhu plniva je mezi 10 – 60 Mpa a zde záleží i na druhu přípravy,
• (vibrování, vakuování připravené směsi, teplotě při které reakce proběhla).

Vznikající pevné látky anorganického polymeru jsou vytvářeny ze soustavy sol-gel. Prekursorem reakce je voda, která při procesu solidifikace pomalu a postupně odchází. Vliv odcházející vody má za následek otevřenou pórovitost mezzopórů (velikosti mezi 20 – 25 nm) v rozsahu 6 – 15%. Anorganické polymery lze plnit dalšími materiály ( písky z plavení kaolinu, odpadová slída, drcený stavební odpad, vápenec apod.) a to až do množství 85% k množství jílové složky. Podle množství plniva lze regulovat pórovitost vznikajících látek a tím definovat užití.

Vysvětlení principu solidifikace

Dvojvrstvé jílové materiály, jako jsou kaoliny, dickity a nacrity, mohou být konvertovány tepelnou úpravou pod teplotou 800°C na metakaolinitickou formu. Teplem, až do určité teploty před tím, než se začíná formovat mullit (teploty nižší než 1000 °C), se krystalická mřížka rozloží a při dostatečném času na takové teplotě se transformuje postavení hliníku v mřížce ze své pozice AlVI a AlIV koordinačního čísla. Potvrzení takové přeměny je v diagramech MAS-NMR (nukleární magnetická rezonance v pevném stavu) a byla důkladně prověřena prací prof. Sanza a jeho spolupracovníků. Taková příprava se nazývá aktivace a materiál v tomto stavu může být zpracováván alkalickými vodními roztoky.

Tvorba polymerní sítě

Tvořená třírozměrná a prostorová síť je elektricky vyvážena atomy sodíku, respektive draslíku, Základní schéma:

Tvorba anorganických polymerů proběhne za 12 – 16 hodin při normální teplotě a tlaku okolí. Směs neobsahuje ani cement ani vápno a je prosta organických pojiv. Následující obrázky demonstrují přípravu geopolymerní hmoty.

Příprava hmoty

Jílová surovina musí mít částice menší než 20 mikronů v množství alespoň 40% celkového objemu, teplotní aktivace při teplotě nižší než je 800 °C,

Příprava alkalického roztoku v molárních poměrech:

SiO2 / Al2O3 / Na2O (K2O)

2-4 / 1 / 0,24 – 0,3

Obsah vody je počítán v molárních poměrech takto:

H2O / Na2O (K2O)

14 – 20 / 1

příprava směsi v míchači se silnějším motorem pro vmíchání větších množství plniva, nejdříve se mísí aktivovaný jíl s proporcionálně vypočteným roztokem alkálií – směs postupně houstne jak reakce pomalu nabíhá, hotový základ (v konsistencimedu) lze plnit plnivy a získá se směs hustá, ale tekutá a homogenní, naplnění formy k získání pevné hmoty je možné formu vibrovat, aby se vyloučily bubliny vzduchu.

Geopolymery versus portlandský cement

Na obrázku vlevo je znázorněno tvrdnutí portlandského cementu, díky jednoduché hydrataci křemičitanu vápenatého za vzniku jeho dihydrátu a hydroxidu vápenatého.

Na obrázku vpravo potom vidíme vytvrzení geopolymerní pryskyřice díky polykondenzaci K-oligo-(sialate-siloxo) a vzniku K-poly-(sialate-siloxo).

Pro srovnání lze uvést některé hodnoty, které objasní výhody geopolymerních pojiv ve srovnání s portlandským cementem. Jde zejména o ekologický přínos:

spotřeba energie: výroba geopolymerního cementu 1230-1310 MJ/tunu (porovnáno s portlandským cementem, kde hodnoty dosahují 3500 MJ/tunu).

CO2 emise během výroby: 0,180 t/tunu pro geopolymerní cement (porovnáno s portlandským cementem 1,0 t/tunu).

Redukce CO2 v atmosféře

Obyčejný cement, často nazývaný oficiálně jako portlandský, je látka silně znečišťující životní prostředí. Studie ukázaly, že se do ovzduší vypustí jedna tuna oxidu uhličitého při produkci jedné tuny cementu kdekoliv na světe. Jedinou výjimkou jsou takzvané „směsné cementy“, používající ingredience jako jsou uhelný popílek, kde jsou emise CO2 mírně sníženy, maximálně však o 10 – 15 %. Neexistuje zatím žádná známá technologie pro redukci emisí oxidu uhličitého z produkce portlandského cementu.

Evropští výrobci cementu jsou zatíženi ekologickou daní pro emise CO2 a často lobují bruselskou administrativu. Prohlašují, že ekologická daň má negativní dopad na konkurenceschopnost evropského cementářského průmyslu. Je možné, že ekologická daň přiměje továrny k přestěhování do zahraničí mimo EU. Zástupce jedné z největších cementářských továren argumentuje: pokud bude Evropská unie jediná, kdo zavede ekologickou daň, bude více výhodné postavit továrny v Severní Africe, raději nežli v Marseille. Cena dopravy by se však vyrovnala zvýšeným nákladům ve výrobě včetně zmiňované daně. Tento názor však neodpovídá skutečnému stavu problému, který popsal jako jeden z autorů Joseph Davidovits na 5. mezinárodní konferenci globálního oteplování. Břemeno by se přeneslo do zemí třetího světa a mezinárodní produkce cementu by rostla dál.

Portlandský cement vzniká pálením vápence (uhličitan vápenatý) za velmi vysokých teplot, přibližně 1450 – 1500°C, a také křemičito-hlinitých materiálů podle druhu reakce:
5CaCO3 + 2SiO2 –>(3CaO, SiO2) + (2CaO, SiO2) + 5CO2

To znamená, že výroba 1 tuny cementu vygeneruje 1 tunu CO2 skleníkových plynů. Výroba portlandského cementu, jako mnoho dalších faktorů lidské činnosti, neustále zvyšuje emise CO2, a proto by se měly budoucí hodnoty atmosférického CO2 adekvátně snižovat v souladu se zásadami trvale udržitelného rozvoje.

Bereme-li v úvahu 5% roční růst emisí CO2, budou v roce 2015 představovat emise CO2 vypouštěných v Evropě (průmyslové aktivity, energie, doprava) 3500 miliónů tun. Uvedené množství představuje 65% celkových emisí CO2 v USA za zmíněný rok 2015. To vykresluje potřebu nových technologií, které by se v rozvinutých zemích měly zavést.

Pokud se v nebližší době neprovede drastická změna, atmosféra naší planety bude zničena díky produkci portlandského cementu, který je mnohem horší nežli jiný zdroj znečištění, nežli ropný průmysl nebo jakýkoliv jiný průmysl. Bohužel je nebezpečí pro světový ekosystém ze strany výroby portlandského cementu málo známé, jak pro politiky, tak pro veřejnost. To činí celý problém ještě závažnější, když nikdo nic neví, nikdo nic neudělá. Taková situace samozřejmě nemůže dále pokračovat, pokud hodláme zemi zachránit. Konverze existujících cementáren na čistou produkci geopolymerických cementů nevyžaduje nutně změnu vybavení. Pro nový proces se mohou používat stejná síta a stejné pece, ty však mohou běžet jen na poloviční teplotu. Na produkci geopolymerního cementu není zapotřebí teploty vyšší než 750°C, na rozdíl od portlandského cementu, kde je nutných až 1500°C. To znamená, že pro výrobu cementu by byla potřebíná jen asi třetina energie, chronologicky by se tak ušetřily dvě třetiny paliva. Dále to znamená výhody pro regiony, kde se jako palivo používá uhlí. Dojde ke snížení obsahu oxidů síry a oxidů dusíku, stejně jako přidružených látek toxického charakteru. Stěžejní výhoda ale spočívá ve snížení emisí CO2, protože samotný chemický proces geopolymerizace neprodukuje žádné CO2, a potřeba paliva je minimální. Dohromady dojde ke snížení emisí o 80 – 90%.

Zatím neexistuje žádná jiná a vyzkoušená technologie, nikde na světě, která by nabízela takovou šanci na záchranu světové atmosféry.

Použití ve starověku

Nové výzkumy ukazují, že zavedené teorie v učebnicích historie a architektury nemusí být pravdivé. Nebyl by to první případ, kdy se pevně zakořeněný omyl stal faktem, a nikoho nenapadlo nad ním pochybovat. Nicméně člověk je tvor zvídavý a hledání pravdy a smyslu lidských činností je jedním z hnacích motorů samotného bytí. Mnoho znalostí a poznatků z minulosti bylo ztraceno chybnými vysvětleními a interpretacemi a to z mnoha různých důvodů – chybným přepisem původních textů, špatným porozuměním a špatným překladem původního textu, chybou, nebo neznalostí. Někdy i tím, že při současné velmi úzké specializaci vědeckých pracovníků chybí interdisciplinární propojení a společná diskuse. Bohužel další souvislost je dána faktem, že pro publikační činnost se uznávají především citace nových prací a prakticky nikdo se nevrací k původní literatuře – tím se v mnoha případech ztrácí více než získává.

Mezopotámie

Přibližně od třetího tisíciletí před naším letopočtem se začala na Předním Východě formovat poměrně vyspělá kultura. Rozprostírala se převážně mezi řekami Tigris a Eufrat na území dnešního Iráku. Střetli se zde dva charakteristicky odlišné národy, šikovní a klidní Sumerové a vedle nich temperamentní Akkadové. Jejich symbióza zajišťovala poměrně stabilní státní celek. Víme, že zde existoval důmyslný urbanismus, který využíval pravoúhlé sítě a hlavní osy. Známe typické uskupení měst a typologii budov. Asi nejznámější jsou mohutné hradby s cimbuřím a stavby zvané zikkuraty. Pro jejich stavbu byly používány především cihly, protože v oblasti je nedostatek kamene a stavebního dřeva. Cihly byly sušené, pálené, ale i glazované. Pokusíme se trochu hlouběji analyzovat složení a vznik cihly, jejíž vynález foto:Team-Prof. Dr. Joseph Davidovits je připisován právě Sumerům.

Cihelná stavba zikkuratu v Uru je přibližně pět tisíc let stará. V porovnání s dnešní keramickou cihlou, je životnost sumerské cihly obdivuhodná. Zaměříme se pouze na stavbu zikkuratu, ačkoliv města, a bylo jich v oblasti okolo patnácti, obsahovala chrámové paláce, obytné a občanské budovy, hospodářská stavení a v neposlední řadě již zmíněné hradby. V dějinách by se změnilo mnoho souvislostí, pokud se prokáže, že obvodní cihly zikkuratu v Uru nejsou vyrobeny klasickým pálením. Sice mají všechny charakteristiky keramického střepu, ale uvážíme-li 1000°C, jako maximální teplotu pálení, pak je výdrž materiálu mimořádná. Pro stavbu takových rozměrů bylo zapotřebí asi 8 miliónů cihel, z části sušených a také pálených. K tomu muselo přispět mnoho dělníků, kteří postupně cihlu formovali, sušili, dopravili a nakonec uložili. Mezi oběma řekami se nevyskytuje žádné dřevo na roztopení pecí, kromě subtilního rákosu a datlových palem, které spíše zajišťovaly obživu, nežli plamen v peci. Existuje možnost, že se používala hojně přítomná ropa a asfalt, který se mimo jiné používal na spojování cihel, ale ve vzorcích cihel není po takovém palivu ani stopy.

Jak byly tedy cihly zpevněny, že překonávají věky. Vysvětlení může přinést jiná technologická cesta, nežli je tepelné zpracování keramiky, a to chemický proces, neboli geopolymerizace. Jako surovinové zdroje pro chemicky syntetizovanou hmotu můžeme uvažovat:

popel spalovaných rostlin a rákosí, který obsahuje skupinu prvků, označovaných jako alkálie a dále zcela nutně i prvky skupiny druhé, tedy vápník a hořčík, jílové vrstvy, které jsou hojně prosoleny, protože značná část území byla původně pod hladinou moře (Perský záliv zasahoval asi do poloviny dnešního Iráku), a mořské soli jsou alkáliemi (Na, K), obyčejné jíly jsou k dispozici podél řek a písek je všudypřítomný. Záhadou by mohlo být, jakým způsobem se podařilo z výše uvedených surovin vytvořit střep, podobný keramickému, za normálních podmínek. Odpověď může nabídnout překlad hliněné tabulky podle S.N. Kramera. Jedná se o chemické návody pro přípravu léků, neznámého sumerského lékaře asi před čtyřmi tisíci lety. Z tohoto dávného dokumentu se dozvídáme, že sumerský lékař šel za svými léčivými prostředky k rostlinám, živočišným a nerostným zdrojům. Jeho oblíbenými nerosty bych chlorid sodný a dusičnan draselný. V jednom z receptů míchá říční hlínu, vodu, med a také „mořský olej“.

Izolace čistých látek probíhala pravděpodobně z odvarů. Zatím nevyřešeným rébusem zůstává zmíněný „mořský olej“. Důležitý je však důkaz, že Sumerové znali podrobně popsat chemické procesy.

V některých receptech se používá prášková louhová sůl, údajně potaš, získaný pálením jedné z četných rostlin z čeledi Chenopodiancae, které obsahují sodu. Jsou to nejspíše rostliny Salicornia fruticosa, neboli česky lebedy, rostoucí hojně na zasolených přímořských nivách a také u nás na Jižní Moravě. Patří mezi rostliny halofytické, tedy rostliny obsahující a vázající halogeny na ionty sodíku a draslíku. Takto získaná soda z popela byla užívána i k výrobě skla, v pozdějších obdobích. Je-li tedy důkaz o znalosti některých základních chemických postupů a procesů, které používal sumerský lékař hlavně u kombinací s jílovými podíly, mohlo dojít k dalšímu významnému objevu, aglomeraci jílových suspenzí chemickou cestou pro dosažení pevných keramických střepů bez pálení.

Vedle amorfní struktury autentického zlomku cihly ze zikkuratu Sumerského města Ur a dekorativní část mozaiky z města Uruk, byly zjištěny i vláknité silikátové struktury. Jsou důkazem, že cihly nebyly páleny, ale aglomerovány chemickou syntézou podobně jako jsou tvořeny materiály geopolymerní.

Z hlediska keramické technologie se objevily nesrovnalosti:

keramická výroba je vždy spojena se společenskou objednávkou, aby mohla vzniknout, musí splňovat ekonomické, obecně platné, normy. Její cena nesmí převážit ostatní potřeby společnosti. Z toho vyplývá, že je-li největším problémem náklad na pálení (cena paliva), potom nemůže keramika vzniknout tam, kde by spotřebou paliva likvidovala životní prostředí, nebo si musí najít náhradní zdroj energie (trus zvířat), je-li ve společnosti zakotveno budování obrovských staveb, jakým zikkurat je, pak musel existovat způsob, jak ekonomicky výhodně vyrobit cihly, což prakticky vylučuje pálení střepu, úvaha o pálení střepu za pomocí ropných látek, volně vyvěrajících, neodpovídá charakteristice střepu, který byl pozorován v mikroskopu.

Od Sumerů přecházela znalost aglomerace jílů chemickou syntézou z kultury na kulturu, až teprve se zánikem Římského impéria byla na dlouhou dobu zapomenuta.

Egypt

Generacím školáků po celém světě byla vštěpována do hlavy představa, kdy dlouhý zástup egyptských otroků opracovává ohromné kusy lomového kamene, táhne tyto těžké bloky na lanech, vyzdvihuje je po rampách, a usazuje na milimetr přesně vedle sebe. Jak to mohli lidé, bytosti z masa a kostí, zvládnout. Cheopsova pyramida je složena z 2.5 miliónu kvádrů, vážících okolo dvou tun a tažených nejméně 60 lidmi. Ale některé váží až sedmdesát tun a nenachází se jen v základech pyramidy, ale některé až 40 metrů vysoko. Dokud staří Egypťané neznali kolo, museli k vyzdvižení takových bloků potřebovat více nežli dva tisíce lidí. Takové dílo se však muselo stihnout postavit za dvacet let vlády faraóna Cheopse. Aby to celé početně a časově vycházelo, muselo by se každý den od faraónova usednutí na trůn usadit 400 kvádrů. Statisíce otroků by museli pracovat současně, namačkáni jeden na druhého na prostoru jednoho bloku současné městské zástavby. To by ovšem nebylo proveditelné. V takových podmínkách by se člověk ani nehnul.

Jak mohli staří Egypťané nařezat skálu, která byla extrémně tvrdá, jen za pomocí primitivních nástrojů. V nejlepším případě mohli použít měděné pily, a měď je, jak známe, velice měkká, neschopná dělit tvrdý vápenec, ze kterého jsou postaveny první pyramidy.

Jak bylo možné dopravit veliké kamenné bloky, když ještě neexistovalo kolo ani kladky, které by segment vyzdvihly. Jestliže byly bloky vytesány, jak mnoho lidí věří, kde jsou pozůstatky rozlomených stavebních kvádrů. Vápenec často praská, při výrobě 5 miliónů tun kamenných bloků muselo být produkováno ohromné množství rozlomených bloků a pozůstatků. Doposud nebyla nalezena jediná stopa, která by to potvrdila.

Jak dokázala civilizace bez tvrdých kovů vytesat milióny bloků velkých pyramid na deset velikostně odlišných a přesně délkově vypočtených hran, v závislosti na usazení jednotlivých dílů ve složité prostorové matrici, a zároveň tak, aby se eliminoval vznik vertikálních spojů.

Jak mohly tyto spoje mezi jednotlivými bloky být dosaženy tak perfektně. Spoje mezi milióny bloků, vertikálně i horizontálně nejsou větší nežli dva milimetry. Jak mohly být bloky řezány a zvedány bez motorizované techniky nebo diamantových pil.

Odpověď byla pravděpodobně nalezena, a totálně se liší od teorií hájících tesané kamenné bloky. Pyramidy byly postaveny na místě, tzv. in situ. Jen s podivem, že rozluštění záhady bylo vždy přítomné, a spočívalo v prozkoumání záhadných kamenů, ze kterých jsou pyramidy postaveny.

Od začátku osmdesátých let předkládá prof. Joseph Davidovits teorii, že pyramidy a chrámy Staré Egyptské říše byly zkonstruovány pomocí aglomerovaného vápence, spíše nežli z tesaných a tažených kamenných bloků přírodního vápence. Tento typ stavební hmoty, na bázi vápence z fosilií, mohl být odléván do bednění. Egyptští řemeslníci dolovali poměrně měkký vápenec, vyplavený vodou, poté vyrobili základní hmotu (obsahující i fosílie), smíchali jílové minerály kaolinitického typu, vápno a egyptskou natronovou sůl (těženou z natronových jezer v Egyptě). Stavební tekuté bláto bylo na staveniště nošeno po vědrech, lito a poté formováno bedněním. To bylo vyrobeno ze dřeva, kamene, jílů, nebo z cihel, srovnaných po straně pyramidy. Takový umělý vápenec, vzniklý geochemickou reakcí (zvaný geopolymérní cement), byl takto formován do pevných bloků. Je mnoho teorií výstavby pyramid, které se stále vyvíjí. Všechny jsou založeny na tesání a tažení kamene, a žádná z nich neřeší zcela banální problémy. Nošení a lití umělého kamene je teorie, která by okamžitě rozluštila většinu otázek ohledně dopravy a jiných záležitostí.

Na Cheopsově pyramidě prováděl bádání i jiný tým archeologů. Porovnávaly se vždy vzorky materiálů přímo ze stavby a současně z lomů, které jsou údajným zdrojem použitého kamene. Pyramida je složena z kvádrů, údajně těžených v nedalekém lomu. Za pomocí rentgenového měření se však ukázalo, že materiál pyramid nepochází z nedalekého lomu, ale ani z jiného lomu podél Nilu. Lišil se poměr vápenatých a křemičitých složek, stavební bloky navíc, na rozdíl od lomového kamene, měly v sobě jiné látky, včetně aluminosilikátů. Stavební blok obsahoval mnoho vzduchových bublin, rovnoměrně rozptýlených ve hmotě. Lomový kámen byl ale hutný s mnohem větší hustotou a tím pádem i větší hmotností. Těmito výsledky je značně zpochybněna současná teorie vzniku pyramid. Pokud nejsme schopni identifikovat původ stavebních bloků, musíme hledat jiný způsob výstavby. Nyní je možné prohlásit, že pyramidy mohly pravděpodobně vzniknout z uměle připraveného kamene. Vysvětlily by se tím i nezodpovězené záhady, jako vlas uvězněný v kamenném bloku. Dokonce bychom lépe pochopili, jak mohli egyptští kameníci opracovat dvě plochy kamene, aniž by mezi nimi následně prošla žiletka.

Střední a jižní Amerika

Civilizace Inků byla původní americká kultura, která se rozvíjela v oblasti And před příchodem Španělů a následným dobytím říše. Tato předkolumbovská civilizace byla výjimečná ve společenském uskupení a kultuře, časově lze trvání říše zařadit společně s Egypskou a Mezopotamskou civilizací.

Dnes je známo, že civilizace Tihuanaco se vyvinula z civilizace Huanka, která byla obdařena neobyčejnou zručností ve zpracování kamene. Současné etnologické výzkumy ukazují, že někteří šamani nepoužívali žádných nástrojů pro zhotovování malých kamenných sošek, ale dokázali použít chemický roztok kamene s pomocí výtažků z rostlin. Výchozí materiál (křemičitan nebo hlinitokřemičitan) byl rozpuštěn organickým výtažkem, a tekutá kaše se následně vylila do formy, kde ztvrdla. Již jsou známy případy výroby objektů z tvrdého kamene, litím geopolymérního kompozitu, na bázi Na-, K-(polysialate) (silico-oxo-aluminate). Používaly se octy, šťavelové a citrónové kyseliny. Tato hypotéza byla na několika exemplářích potvrzena přítomností organických látek ve hmotě kamenné sošky. Znamenalo by to, že i na tomto kontinentu uměli vyrobit litý kámen.

Předkolumbovští farmáři byli schopni vyprodukovat celkem veliké množství šťáv obsahujících kyseliny. Zdrojem mohly být mimojité brambory, kukuřice, šťovíky, agáve, opuncie, citrusy, rebarbora, nebo fíkusy. Takové organicko-minerální komplexy jsou získány díky přispění šťovanů, vínanů, jantaranů, atd.

Je také známo, že organicko-minerální komplexy mají velmi silnou rozpouštěcí schopnost na přírodních silico-aluminátech (živcích, amfibolech, lateritech, chloritech, atd.), jejich rozpouštěcí síla je 2-3krát větší nežli u kyseliny sírové nebo chlorovodíkové. Nejvíce aktivní organicko-minerální komplexy jsou ty, co se získávají s kyselinou šťavelovou, která se nachází ve velikém množství v řadě rostlin. Sošky, které by mohly být vyrobeny výše zmíněnou technikou, tedy rozpuštěním kamene a následnou geopolymerizací, byly podrobeny chemickým rozborům. Testy potvrdily ve hmotě přítomnost šťovanů vápenatých.

Tato technika, pokud je dokonale zvládnuta, vyprodukuje účinný typ pojiva rozpuštěním kamene. Pojivo se dále mísí s jinými látkami nebo pískem. Geopolymery vzniklé syntézou za přispění organo-minerálních kompozitů mají charakter zeolitů, amfibolů, živců, aj. Technika civilizace Huanka je znázorněna na četných ilustracích, nalezených v oblasti Cuzco. Kamenné objekty zhotovené touto technologií nesou znaky, které dokazují, že se používalo odlévání do forem.

Starověký Řím

Důležitým mezníkem na poli stavebních technologií je římský emplekton, neboli malta na bázi pozzolánových cementů. Mnoho staveb, ať už chrámů, bazilik, nebo aquaduktů, vzniklo právě za pomocí litého kamene. Otázkou zůstává, jestli byl použit skutečně pálený cement, nebo stavby vznikaly alkalickou, tedy studenou, syntézou kaolinitických jílů. V současnosti se nepřetržitě zkoumá, jak zvýšit odolnost betonu. Známe mnoho příkladů, kde již po padesáti letech vykazuje betonová konstrukce defekty. Na druhé straně zde máme některé římské stavby, postavené za použití betonu, které setrvávají již dva tisíce let.

Dle dnešních expertů měli jednoduše Římané štěstí, neboť našli přírodní naleziště pozzolánu, které bylo ideální pro přípravu hydraulické malty. Navzdory těmto tvrzením máme dnes k dispozici nejnovější překlad Vitruviových spisů „Deset knih o architektuře“ (Dieci libri di Architettura). Píše se zde, že vysoká kvalita římského betonu spočívá v použití uměle vyráběné pozzolánové malty a betonů. Byly vyráběny dva druhy pozzolánů: vápenato-kaolinové jíly, zvané v latině testa, vápenaté vulkanické kameny, zvané v latině carbunculus.

Harena fossitia

Navíc se v knihách píše o tzv. harena fossitia, což bylo dříve vykládáno jako obyčejný písek. Ve skutečnosti se jednalo o přírodní reaktivní vulkanický písek, který byl používán vedle uměle vyráběných materiálů testa a carbunculus. Prvním problémem ve výkladu byla skutečnost, že latinské antické texty byly vždy překládány lingvisty, specialisty na antickou latinu klasickou, z toho vyšlo mnoho zmatků protože „harena“ v tomto výrazu není písek tak, jak tomu výrazu rozumíme dnes, křemenný písek, fossitia může být přeložena jako materiál dobývaný (těžený) tak, jak se to pokusil přeložit v 17. století francouzský teoretik Perrault, použitím italského výrazu „harena de cava“, což znamená písek ze sklepa nebo z podzemí obecně. Jak bylo zjištěno později, autor spisu nebyl klasickým latinským autorem, ale stavitelem nebo z dnešního pohledu architektem, který používal běžné „slangové“ výrazy, jeho „harena“ představovala materiál určité velikosti zrn, srovnejme zde výraz (pískový cukr) a nikoliv typ materiálu. Ovšem do překladů textů německých, francouzských, anglických i českých se dostal výraz písek, harena fossitia byl materiál těžený z hloubky, suchý a teplý ze svahů sopky Vesuv, zde tedy záměna slova způsobila po mnoho let špatnou interpretaci celé druhé knihy Vitruvia. Vytěžený materiál „harena fossitia“ byl dopravován na místo stavby v nádobách zavíčkovaných a zalitých voskem tak, aby bylo zabráněno vlivu vzdušné vlhkosti. Směs s vodou vytvářela hutnou pastu, která mohla být plněna různými typy plniv mezi kterými se často používala „glarea“, skutečný křemičitý písek a aby nebylo pochybností, zde autor popisuje jeho těžbu z řek a mořského břehu. Získaný materiál byl pevný a trvanlivý. Dalším přídavkem byl vápenec a jeho drť. Při přídavku vody se z materiálu ve formě nebo bednění stal zázračně vytvořený a vysoce pevný kus.

Carbunculus

Materiál nazývaný „carbunculus“ představoval pro překladatele další oříšek, Tento materiál je druhem vulkanického tufu, které obsahují velké procento zvětralých živců a pravděpodobně zeolitů jako produktů jejich zvětrávání a působení vody, rozhodujícím řešením je pečlivé studium pokud možno nejpůvodnějšího textu a porozumění jeho významu – tento materiál musel být před tím, než byl použit člověkem zpracován–tedy nejen vytěžen ale především ohřát a jak upozorňuje autor ohřát na teplotu na kterou se pálilo vápno, tj. na teploty cca 800 – 1000°C. Chemicky jsou pak „harena fossitia“ a „carbuculus“ materiály takřka shodné, jeden přírodní a druhý člověkem připravený.

Tyto tři materiály není nutné zaměňovat s tradičním pozzolánem, jehož jméno je odvozeno od naleziště (Puzzuoli, nedaleko Vesuvu). Podle Vitruvia se tradiční pozzolán hojně používal u staveb pod mořskou hladinou, jako piloty v přístavech a také u mostních pilířů přes řeky. Vedle toho se harena fossitia, carbunculus a testa používaly na stavby na souši.

Shrnutí poznatků z 2. knihy Vitruviovy:

Vulkanický materiál může být transformován na stavební materiál,

Původní „harena fossitia“ je materiál dnes pravděpodobně velmi vzácný, ale „ carbunculus“ člověkem připravený nám dává možnosti připravit materiál, který sice nebude vulkanického původu, ale bude mít všechny znaky a složení jako materiál antický. Je-li základem alterovaný (zvětralý tuf a zeolity, pak podobné složení mají jíly, které jsou také produkty zvětrávání živcových podílů žulových masivů (karlovarsko), materiály typu „arena fossitia“ tuhnou i pod vodou a Římané z nich stavěli i mořská mola a přístaviště.

V níže uvedené tabulce jsou pro demonstraci efektivity římského betonu uvedeny některé stavby starého Říma a dále stavby renesanční, postavené zhruba o tisíc let později za použití skládaného kamene.

Srovnávací tabulka použití různých technik na stavbu kopule:

Výzkum a použití ve 20. století

Kapitoly, které pojednávají o hromadném využití geopolymérní hmoty v dobách dávno minulých, naznačují, jak veliký význam materiál měl. Pokud se spekulace o znalosti studené syntézy potvrdí od zikkuratů až po Koloseum, znamenalo by to, že celých dlouhých 3 tisíce let používalo lidstvo dokonalejší materiál, nežli dnešní portlandský cement. Zároveň by to znamenalo, že se dávné civilizace chovaly nadmíru ekologicky, přestože počet obyvatel na planetě byl několikanásobně nižší nežli dnes. Je pravdou, že ekologické chování starých Římanů je relativní, vždyť právě gladiátorské hry způsobily téměř vyhynutí některých živočišných druhů.

Vlevo: římský vítězný oblouk z vrcholného období Římské Říše 4.stol.

vpravo: křesťanská stavba z 8.stol., která se snaží mu podobat, ale neví, jak na to.

Po rozpadu Římské říše upadly do zapomnění nejen znalosti stavitelské, ale i ekonomicko-správní, politické a kulturní. Celkové atmosféře doby temna dopomohl i charakter ranně křesťanského náboženství, kdy všechno jako by začínalo od nuly. A trvalo neuvěřitelných 1500 let k vynalezení převratného materiálu, portlandského cementu. A trvalo dalších 150 let k objevu, že existuje něco daleko lepšího, lidstvu známého několik tisíc let před portlandským cementem.

Znovuobjevení studené syntézy

V roce 1972, tým vědců v oboru keramiky, J.P. Lapatie a M. Davidovics potvrdili, že vodě odolné keramické obkladačky mohou být vyrobeny za teploty nižší nežli 450°C, tj. bez pálení.

Jeden díl jílu, kaolínu, zreagovaný s uhličitanem sodným za teploty 150°C. Jsou záznamy, že k průmyslové aplikaci této keramické reakce s alkálií došlo již v keramických závodech firmy Olsen v roce 1934. O téměř čtyřicet let později byla reakce znovuobjevena ruským týmem vědců Berg & al. v roce 1970. Avšak ani tento počin neměl žádné úspěšné pokračování ve smyslu zavedení průmyslové výroby. Od roku 1969 se vědci Besson, Caillere a Henin ve Francouzkém muzeu přírodní historie v Paříži zabývali studenou syntézou. Výsledkem jejich práce bylo spojení různých kaolinitických látek v koncenrtovaném roztoku chloridu sodného za teploty 100°C. V roce 1974 popsal ukrajinský vědec Babuškin devět základních polymerizačních reakcí. Chemické rovnice jsou uvedeny v tabulce na další straně.

devět chemických reakcí popsaných vědcem Babuškinem

Další vývoj na poli geopolymérních hmot přebírá francouzký tým pod vedením prof. Josepha Davidovitse. Právě on jako první zavedl pro látky charakteristické alkalickou syntézou název Geopolymery.

Geopolymere, prof. Joseph Davidovits

Joseph Davidovits je světově uznávaný francouzský vědec, narozený v roce 1935, působící ve Francii, Evropě, USA, Austráli a v Číně. V roce 1998 získal vysoké ocenění „Chevalier de l Ordre National du Merite“ od francouzského prezidenta Jacquese Chiraca. Je autorem nebo spoluautorem více než 130 vědeckých publikací a konferencí, a více nežli 50 patentů.

Joseph Davidovits, vynálezce a vývojář geopolymerizace, zavedl v roce 1978 termín „geopolymer“, aby pojmenoval nově objevenou geosyntézu, která produkuje anorganické polymerní materiály, dnes používaných v mnoha průmyslových odvětvích. Dříve se do roku 1972 svou činností věnoval výzkumu organických pojiv pro slévárenství, textilních syntetických vláken, přírodních a syntetických kůží, kolagenů a organických membrán. Do té doby ještě netušil, že větší část jeho vědecké kariéry bude směřovat mimo pole organické chemie.

První podněty

V období po katastrofických požárech ve Francii mezi léty 1970 – 1973, kde hlavním nepřítelem byly právě hořlavé plasty, se výzkum zabýval právě hledáním nehořlavých a nevznítitelných plastických materiálů. Právě to bylo impulsem pro založení soukromé výzkumné společnosti v roce 1972, dnes s názvem CORDI-GEOPOLYMERE. Ve snaze vyvinout nový anorganický polymerní materiál byl Davidovits podporován faktem, že normální hydrotermické podmínky řídí syntézu některých organických plastů a také žáruodolných minerálů jako jsou živice a zeolity.

Vědecká literatura a platné patenty naznačovaly, že geochemie založená na syntéze zeolitů a molekulárních zrn zatím nebyla implementována pro produkci minerálních pojiv a minerálních polymérů. To vedlo k vyvinutí amorfní až semikrystalické třídimenzionální silico-aluminiové hmotě, kterou dále nazýváme (dle Davidovitse) „geopolymeres“ (minerální polyméry vzniklé geochemicky nebo geosyntézou)

1972 -1976 žáru odolné dřevoštěpkové panely

První aplikace byla ve stavebnictví, za přispění J.J. Legranda. Jednalo se o požáru odolné dřevoštěpové desky, složené z dřevěného jádra a vnější vrstvy z SILIFACE Q nanokompozitního nátěru. Tento panel byl vyroben v jednom samostatném procesu a patentován, US 3,950,47, US 4,028,454. Panely byly vyvíjeny po dobu čtyř let. Průmyslovými partnery byly francouzské podniky A.G.S. a Saint-Gobain a klientem byla francouzská vláda. Projekt směřoval do výstavby středních a vysokých škol. Rozhodnutí pro vybudování první továrny na výrobu těchto desek bylo vydáno, ale posléze v roce 1976 proběhla změna ve stavební politice a na základě rozhodnutí vlády byla implementace zastavena. Projekt byl opuštěn.

1977 – 1978 Aplikace pro keramický průmysl

elektrosvíčky firmy LEGRAND

Velmi zajímavých výsledků bylo dosaženo se směsí přírodních kaolínů a křemene, použíté francouzskou firmou A.G.S. (Agriles & Mineraux).

V této přírodní směsi jsou zrnka křemene obaleny kaolínovou hmotou. Výsledný produkt měl označení SILIFACE Q. Nahrazením křemene syntetickým cordieritem vzniká nanokompozit zvaný SILIFACE COR70, který má vyjímečnou tepelnou stabilitu a velmi nízkou teplotní roztažnost. Unikátní geopolymer byl testován pro výrobu elektrických svíček pro francouzskou továrnu LEGRAND v letech 1977 – 1978. Mechanické vlastnosti byly vynikající, bohužel vodní nasákavost (0,3%) byla nedostačující a projekt byl opuštěn.

1977 – 1982 L.T.G.S. technologie

cihla vyrobená technologií L.T.G.S.

Nízkoteplotní geopolymerická fůze (L.T.G.S.) schne při teplotách 50°C – 250°C, v zásaditém prostředí díky oligosialátu jako prekursoru (-Si-O-Al-O-) (Na) v koncentracích od 2 do 6 % váhy keramické pasty. Kaolinit v jílu je transformován LTGS technologií v třídimenzionální kompozit poly(sialátu) Na-PS modalitního typu. Ten je odolný vodě a vykazuje vysokou mechanickou pevnost, patentován francouzským patentem 2,490,626. Technologie L.T.G.S. může dramaticky rozvinout a modernizovat tradiční keramický průmysl.

1979 – 1995 Vývoj geopolymérního pojiva

ukázka napěněné geopolymerní hmoty

Nová terminologie byla klíčem k úspěšnému vývoji nových materiálů. Pro normálního uživatele jsou geopolymery polymery, které v analogii s organickými polymery derivovanými z ropy prochází polykondenzací a vznikají velmi rychle za normální teploty během několika minut. Ale jsou zároveň GEO-, to znamená anorganické, pevné, odolné teplotě do 1250°C a nevznítitelné.

umělecké předměty vyrobené z geopolymerní hmoty

Tekutá pojiva, která jsou anorganickým ekvivalentem organických pryskyřic, byly vyvinuty skupinou vědců (včetně Michel Davidovics a Nikolas Davidovits). Obchodní názvy byly tyto: GEOPOLYMIT, dále TROLIT a WILLIT. Pole působnosti materiálů se od roku 1979 rozšiřovalo od leteckého inženýrství, nukleárního sektoru, uměleckých reprodukcí, tepelných izolací budov, slévárenství, odlévání, výroby kovů, atd. a také v neposlední řadě archeologického výzkumu.

1983 Vynález geop. vysoce pevného cementu

Látka je chemicky definovaná jako (K-Ca)(Si-O-Al-O-Si-O-) Poly(sialate-siloxo) cement. Roku 1983 cestovali jednatelé americké společnosti Lone Star Industrie (J. Stewart a W. Kirkpatrick), (poté vedoucí světový producent cementu) po Evropě a poznali zde nová geopolymerická pojiva. Lone Star Industrie a Shell ropná společnost oznámili vznik společnosti QUAZITE, která bude vyvíjet, produkovat a obchodovat novou třídou materiálů, jejichž využití se předpokládá v oblasti stavebnictví, architektury a inženýrských aplikací. QUAZITE materiály byly vyráběny z minerálních surovin kombinovaných s polymery a monomery. Jinými slovy, QUAZITE byl beton s organickým pojivem. Shell dodával chemické expertýzy k organickým pojivům, zatímco Lone Star měl za úkol minerální suroviny. Od zavedení anorganických geopolymerů, přivezených z Francie, využil Lone Star přiležitosti odpoutat se od závislosti na expertýzách Shellu. Lone Star se v srpnu 1983 pod vedením Jamese Sawyera rozhodla začít vyvíjet první vysocepevnostní geopolymerická pojiva a cementy založené na znalosti obou, jak geopolymerických, tak hydraulických cementech. Během jednoho měsíce se zformovala dceřiná společnost PYRAMENT, která měla exkluzivně za úkol implementaci nového pojiva na trh. O několik měsíců později se rozpadla družba mezi Lone Star a Shellem.

Bylo objeveno, že přidáním mleté vysokopecní strusky, což je v podstatě latentní hydraulický cement, k polysialátu typu geopolymeru, zrychlují se časy zrání a značně zlepšují pevnost v tlaku a ohybu. Na rozdíl od portlandského cementu, geopolymerní cement není založen na vápně, není proto ohrožen kyselými roztoky. Portlandské cementy jsou náchylné na kyselé prostředí. Cementy z hlinitanů vápenatých jsou velice drahé, a nechovají se uspokojivě, vykazují 30-60% hmotnostních ztrát. Poly(sialate-siloxo) typ, neboli GEOPOLYMITE, zůstává stabilní se ztrátou okolo 5-8%. Tento cement odolný vůči kyselinám tvrdne velmi rychle při pokojové teplotě a vykazuje pevnost v tlaku až 20MPa za 4 hodiny schnutí. Při testování materiálu, dle platných norem pro hydraulická pojiva, byla naměřena pevnost 70-100 MPa a to na konci cyklu zrání, po 28 dnech.

Geopolymerní cement PYRAMENT je ideální materiál pro opravu runwají, původně zhotovených z betonu, chodníků a dálnic. V případě rozjezdové dráhy pro letadla stačí 4-6 hodin, aby zde mohly přistávat Airbusy, nebo Boeingy. N podzim roku 1994 vydalo US Army oddělení inženýrství bohatě dokumentační studii o výhodách Pyramentu a betonech ze zmíněného materiálu. Tato studie dopadla velice příznivě ve prospěch použití geopolymerního materiálu pro vysoce kvalitní betony.

1987 – 2000 Ohnivzdorná geopolymerní vlákna, vyztužené kompozity

Když havaruje letadlo a vzplane na palubě oheň, polovina lidí, kteří přežili samotný dopad se nemusí dostat ven včas. Je to kvůli plastům uvnitř kabiny, vycpávky sedadel, koberce, stěny a schránky na zavazadla, to všechno je hořlavé.

A když výše uvedené hoří, vznikají velice jedovaté splodiny. Kromě toho i výbušné plyny, které se hromadí a zhruba do dvou minut mohou explodovat. V roce 1994 vyhlásila U.S. Federál Aviation Administration (F.A.A.) konkurz na výzkum materiálu, který by dal pasažérům více času na únik. Požadavkem byla i nízká cena, ekologičnost a požární odolnost. Kompozitní geopolymer byl vybrán jako nejlepší kandidát pro tento program.

testování odolnosti vůči vznícení

Současnost – důraz na obnovu kulturního dědictví

V současné době pokračují vývoj po boku aplikace u všech zmíněných oblastí. Zároveň se zvyšuje poptávka po opravách starých kamenných památek a to mimo jiné v souvislosti s rozvojem turistického ruchu. Aplikace je podporována rozsáhlým archeologickým průzkumem Prof. Josepha Davidovitse, který pomalu odhaluje tajemství starověkých kultur a jejich mystických staveb.

Literatura

2007 | 2005

Současný stav Výzkumu v oblasti GEOPOLYMERŮ

Autor: Česká rozvojová agentura o.p.s.

knihy

Publikace popisuje chemickou podstatu hmoty a porovnání s portlandským cementem.

Použití ve starověku a zároveň výzkum a použití ve 20 století.

Ve druhé části knihy najdete Geopolymery v České republice
1. Výzkum na AV (Ing. Hanzlíček)
2. Výzkum na VŠCHT Doc. Škvára)
3. Výzkum na ČVUT Fakulta stavební
4. Výzkum na VUT (Prof. Brandštetr)

V neposlední řadě naleznete popis projektu „Inovační a informační centrum využívání technologie geopolymerů v Praze a podpora jejich výzkumu“ v rámci JPD2.

Nakonec v této publikaci naleznete možnosti použití jak ve stavebnictví tak v průmyslu automobilovém a leteckém a ve sportovních odvětvích.

Využívání odpadů ve výrobě stavebních hmot a Využití geopolymerních kompozitů pro účely obnovy a restaurováné památek

Autorský kolektiv: Pavel Straka, Tomáš Hanzlíček, Ivana Perná, Michaela Steinerová, Jiří Mráček, Zdeňek Ertl, Jan Černý, Adam Lučaník, Patrik Boura, Jindra Voldanová

knihy

V této publikaci se Vám dostávají do rukou dvě studie vytvořené na základě projektu JPD 2 „Inovační a informační centrum využívání technologie geopolymerů v Praze a podpora jejich výzkumu“, dotovaného ze Strukturálních fondů EU, Ministerstvem pro místní rozvoj ČR a Magistrátem l.města Prahy. Projekt byl zahájen 1.9.2005 a jeho nositelem je ČESKÁ ROZVOJOVÁ AGENTURA o.p.s.

Převzato:  http://www.claypolymers.com/