Mechanizm i produkty hydratacji alitu w obecności minerałów z grupy zeolitów

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację projektu badawczego

Preludium 20

Tytuł projektu: Mechanizm i produkty hydratacji alitu w obecności minerałów z grupy zeolitów

Tytuł w j. angielskim: Mechanism and products of alite hydration in the presence of minerals from the zeolite group

Numer umowy: UMO-2021/41/N/ST8/02458

Edycja konkursu: 20

Okres realizacji: 22.12.2021 - 21.12.2024

Wartość projektu: 198.132,00 PLN

Wartość przyznanych środków: 198.132,00 PLN

Kierownik projektu: mgr inż. Joanna Styczeń

Słowa kluczowe: hydratacja, alit, ciepło hydratacji, zeolit

Streszczenie: 

Projekt wpisuje się tematycznie w dyscyplinę Inżynieria Lądowa i Transport. Dotyczy badań nad dodatkami pucolanowymi do cementu. dodatków pucolanowych do cementu, które mogłyby częściowo go zastąpić, a tym samym zmniejszyć produkcje klinkieru, przyczyniając się do ochrony środowiska. Produkcja klinkieru odpowiedzialna jest bowiem za 7-8% globalnej emisji CO2. Poszukiwane są dodatki, które odznaczają się właściwościami pucolanowymi, pozwalającymi na kształtowanie struktury i mikrostruktury stwardniałych zaczynów i zapraw. Takimi dodatkami mogą być minerały z grupy zeolitów, których struktura krystaliczna, obecność wody zeolitowej i jonów wymiennych nadaje tej grupie minerałów szereg specyficznych cech takich jak: właściwości adsorpcyjne, pojemność jonowymienną oraz rozwiniętą powierzchnię właściwą, która w połączeniu z metastabilnością daje im znaczną aktywność pucolanową.
Celem projektu jest zbadanie wpływu dodatku zeolitów (minerałów o właściwościach pucolanowych) na przebieg procesu oraz produkty hydratacji alitu (głównego składnika mineralnego cementów portlandzkich).
W projekcie postawione zostały następujące hipotezy:
1. Minerały z grupy zeolitów o zmiennym stosunku Si/Al w szkielecie krystalicznym charakteryzuje różny poziom właściwości pucolanowych,
2. Określenie wzajemnych relacji ilościowych między alitem i zeolitem prowadzi do wytypowania optymalnych warunków procesu hydratacji,
3. Zastosowanie klasycznych metod analizy fazowej oraz technik synchrotronowych pozwoli na szczegółową i jednoznaczną identyfikacje produktów reakcji hydratacji układu alit-zeolit.
Na potrzeby osiągnięcia zakładanego celu zostaną otrzymane na drodze syntezy laboratoryjnej alit oraz trzy typy strukturalne zeolitów o różnym stosunku Si/Al w szkielecie krystalicznym. Idea oraz zaproponowana metodyka są nowatorskie i prezentują wiele innowacyjnych rozwiązań bowiem do badań autorzy planują użycie materiałów zeolitowych o czystości 99%, które zostaną otrzymane na drodze konwersji popiołu lotnego z NaOH. Pierwszy etap projektu będzie obejmował syntezę materiałów używanych do badań oraz ich szczegółową charakterystykę. Wszystkie otrzymane materiały zostaną poddane analizom XRD, XRF oraz SEM, w celu zidentyfikowania poszczególnych faz oraz określenia stopnia czystości produktów. Następnie wykonane zostaną na nich badania pucolanowości, które pozwolą na wyznaczenie m. in. aktywnej krzemionki, oraz wolnego CaO. W tym celu użyte zostaną metody analizy termicznej TG/DTA, oraz metody chemiczne wg normy ASTM C379-65. Zamodelowane zostaną składy zaczynów układu alit-zeolit z różną ilością dodatku pucolanowego w formie zeolitów. Po połączeniu spoiwa z wodą wykonane zostaną badana mikrokalorymetryczne w celu oceny szybkości wydzielania ciepła oraz całkowitego ciepła hydratacji. Przeprowadzone zostaną również badania konduktometryczne w celu rejestracji przewodnictwa układu alit-zeolit. Kolejnym etapem będzie analiza ciała stałego – produktów mineralnych zaczynów po 7, 28, 56, 90 i 180 dniach dojrzewania. Do tego celu zostaną wykorzystane metody badań: XRF, XRD, DTA/TG, SEM, TEM, które zostaną uszczegółowione poprzez zastosowanie synchrotronowych technik pomiarowych z wykorzystaniem metod dyfrakcyjnych i mikroskopowych. Otrzymane wyniki badań pozwolą na wytłumaczenie mechanizmu hydratacji alitu w obecności minerałów z grupy zeolitów. Proponowany do realizacji projekt obejmuje swoim zakresem merytorycznym istotne zagadnienia z dyscypliny „Inżynieria Lądowa i Transport” związane z projektowaniem i otrzymywaniem materiałów o ściśle określonych właściwościach. Otrzymane wyniki badań przyczynią się do uzupełnienia brakującej wiedzy na temat wpływu dodatku minerałów z grupy zeolitów na proces i produkty hydratacji alitu. Zbadany i wyjaśniony zostanie mechanizm hydratacji układu zeolit-alit. Ponadto badania synchrotronowe dostarczą unikalnych informacji na temat struktury i składu mineralnego faz powstających w procesie hydratacji alitu modyfikowanego dodatkiem zeolitów. Celem projektu jest zbadanie wpływu dodatku zeolitów (minerałów o właściwościach pucolanowych) na przebieg procesu oraz produkty hydratacji alitu (głównego składnika mineralnego cementów portlandzkich). Na potrzeby osiągnięcia zakładanego celu zostaną otrzymane na drodze syntezy laboratoryjnej alit oraz trzy typy strukturalne zeolitów o różnym stosunku Si/Al w szkielecie krystalicznym. Idea oraz zaproponowana metodyka są nowatorskie i prezentują wiele innowacyjnych rozwiązań.