Zależność metod i temperatur dojrzewania od molarności NaOH oraz ich wpływ na zachowanie betonu geopolimerowego

Mocniejszy, bardziej ekologiczny beton dla codziennych konstrukcji

Beton jest wszędzie — od domów i mostów po chodniki. Produkcja tradycyjnego betonu wiąże się jednak z emisją dużych ilości dwutlenku węgla. W tym badaniu zbadano alternatywę zwaną betonem geopolimerowym, który można wytwarzać z przemysłowych produktów ubocznych, takich jak popiół lotny i żużel wielkopiecowy. Naukowcy chcieli ustalić, jak najlepiej „hartować” ten bardziej ekologiczny beton — w piecu w podwyższonej temperaturze czy w warunkach pokojowych — tak, aby osiągnął wytrzymałość odpowiednią dla rzeczywistych obiektów przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii i wpływu na środowisko.

Dwa sposoby utwardzania nowego typu betonu

Zespół przygotował wiele wsadów betonu geopolimerowego, używając popiołu lotnego jako głównego składnika, naturalnego piasku i kruszywa oraz silnie zasadowego roztworu na bazie wodorotlenku sodu i krzemianu sodu. Niektóre mieszanki zawierały również zmielony żużel wielkopiecowy — kolejny przemysłowy produkt uboczny bogaty w wapń. Świeży beton utwardzano dwiema metodami. W jednej próbki umieszczano w piecu w temperaturach od 45 °C do 120 °C. W drugiej mieszanki ze żużlem pozostawiano do dojrzewania w laboratorium w temperaturze około 23 °C, zbliżonej do typowego środowiska wewnętrznego. Pozwoliło to na bezpośrednie porównanie energochłonnego obróbki termicznej z niskoenergetycznym dojrzewaniem w temperaturze pokojowej.

Poszukiwanie optymalnego połączenia ciepła i chemii

Dla próbek dojrzewanych w piecu badacze mierzyli, jak duże obciążenia beton wytrzymuje na ściskanie, zginanie i pośrednie rozciąganie po utwardzeniu. Zaobserwowali wyraźny wzorzec: podniesienie temperatury pieca z 45 °C do 90 °C znacząco zwiększało wytrzymałość, ale wzrost do 120 °C powodował ponowne osłabienie materiału. Obrazy mikroskopowe wyjaśniły przyczynę — wysoka temperatura przyspiesza reakcje chemiczne wiążące materiał, lecz zbyt duże ciepło odprowadza wodę i powoduje powstawanie drobnych rys. Znaczenie miała także molarność roztworu zasadowego: zastosowanie silniejszego roztworu NaOH (12 mol zamiast 8 lub 10) dawało najwyższe wytrzymałości, z wartościami wytrzymałości na ściskanie około 60–65 MPa przy 90 °C, porównywalnymi z betonami konstrukcyjnymi o wysokich parametrach.

Uczynienie dojrzewania w temperaturze pokojowej praktycznym

Dojrzewanie w temperaturze pokojowej jest znacznie bardziej praktyczne na placach budowy, dlatego zespół sprawdził, ile żużla należy dodać, by materiał stwardniał bez dodatkowego ogrzewania. W warunkach otoczenia wytrzymałość zależała silnie zarówno od zawartości żużla, jak i od stężenia roztworu zasadowego. Umiarkowane ilości żużla — zazwyczaj około 10–15% spoiwa — znacząco zwiększały wytrzymałość dzięki tworzeniu dodatkowych żeli wiążących bogatych w wapń, które wypełniały pory i dawały gęstszą strukturę wewnętrzną. Zbyt mało żużla powodowało wolniejsze utwardzanie, natomiast jego nadmiar rozcieńczał reaktywny popiół lotny i pogarszał urabialność, co z kolei obniżało wytrzymałość. Zwiększanie stężenia NaOH z 8 do 12 mol konsekwentnie poprawiało wytrzymałość przy wszystkich poziomach żużla, nawet bez ogrzewania w piecu.

Co dzieje się we wnętrzu betonu

Aby zobaczyć procesy w skali mikroskopowej, badacze zastosowali obrazowanie o wysokiej rozdzielczości i analizy chemiczne. W mieszankach dojrzewanych w warunkach otoczenia z dodatkiem żużla struktura wewnętrzna była stosunkowo zwarta, z mieszanką różnych faz żelowych łączących cząstki i pozostawiających niewiele porów. Dla kontrastu, próbki z pieca bez żużla wykazywały bardzo gęste sieci żelu aluminosilikatowego, lecz także więcej mikropęknięć przy zbyt wysokich temperaturach. Pomiary elementarne potwierdziły te różnice: mieszanki zawierające żużel miały więcej wapnia i tworzyły żele bogate w wapń, sprzyjające dojrzewaniu w temperaturze pokojowej, podczas gdy próbki piecowe bez żużla opierały się głównie na sodowych żelach aluminosilikatowych reagujących silnie na ciepło.

Równoważenie wytrzymałości, zużycia energii i zrównoważenia

Syntetyzując wszystkie dane, włącznie z analizą statystyczną, badanie pokazuje, że zarówno metoda dojrzewania, jak i stężenie środowiska zasadowego silnie wpływają na właściwości betonu geopolimerowego. Najsilniejsza pojedyncza mieszanka została przygotowana z roztworem NaOH o stężeniu 12 mol i utwardzana w 90 °C. Jednocześnie zoptymalizowana mieszanka dojrzewająca w temperaturze pokojowej z tym samym poziomem zasadowości i około 10% żużla osiągnęła ponad trzy czwarte tej wytrzymałości — wystarczająco dużo dla wielu zastosowań konstrukcyjnych — bez zewnętrznego ogrzewania. Dla osoby niebędącej specjalistą przekaz jest prosty: przez staranne dostrojenie temperatury, siły chemicznej i zawartości żużla inżynierowie mogą zaprojektować betony geopolimerowe na tyle wytrzymałe do zastosowań w rzeczywistym budownictwie, jednocześnie zmniejszając zużycie paliw i wpływ na klimat w porównaniu z tradycyjnymi betonami na bazie cementu.

Cytowanie: Özkılıç, Y.O., Mohamud, M.A., Yılmaz, F. et al. The relationship of curing methods and curing temperatures with NaOH molarity and their effects on the behavior of geopolymer concrete. Sci Rep 16, 8346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4

Słowa kluczowe: beton geopolimerowy, budownictwo niskoemisyjne, temperatura dojrzewania, żeliwo wielkopiecowe, materiały zrównoważone