ALKALI-ACTIVATED MATERIALS VS GEOPOLYMERS

ALKALI-ACTIVATED MATERIALS VS GEOPOLYMERS

มีนักศึกษาและผู้ทำการศึกษาเกี่ยวกับงานได้วัสดุประสารหลายคนเกิดความสงสัยเกี่ยวกับเรื่องของวัสดุที่มีชื่อว่า “วัสดุจากการกระตุ้นด้วยด่าง(ALKALI-ACTIVATED MATERIALS,AAM) หรือ “วัสดุจากการกระตุ้นด้วยด่าง(ALKALI-ACTIVATED BINDERS,AAB)” กับ GEOPOLYMER, GP อย่างไรก็ตามในบทความนี้จะไม่กล่าวในเชิงลึกด้านเคมีมากนักแต่จะพยายามเขียนให้อ่านแล้วเข้าใจง่ายและหากสนใจในเชิงลึกสามารถติดตามบทความต่อๆไปได้

จากการศึกษางานวิจัยที่ผ่านมาพบว่าวัสดุสองชนิดนี้ทำการสังเคราะห์ขึ้นเพื่อนำมาใช้ทดแทนวัสดุซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ที่ใช้กันในปัจจุบัน ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ประกอบไปด้วยสารตั้งต้นหลักคือCaO โดยคอนกรีตที่ผลิตจากปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์นี้มีปัญหาในหลายด้านไม่ว่าจะเป็นด้านสิ่งแวดล้อมเนื่องจากการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์นั้นต้องใช้พลังเชื้อเพลิงเป็นจำนวนมากในการผลิตทุกขั้นตอนโดยเฉพาะอย่างยิ่งขั้นตอนการเผา นอกจากนี้ในกระบวนการผลิตยังปล่อยก๊าซคาร์บอรไดออกไซด์ออกมาเป็นจำนวนมาก(1ตันปูน=1ตันCO2) คอนกรีตจากปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์นั้นยังมีปัญหาด้านความคงทนในระยะยาว มีความทนทานต่อสารเคมีไม่สูงมากนัก การซึมผ่านของความชื้นหรือของเหลวส่งผลต่อเหล็กภายในโครงสร้างหรือเกิดคาร์บอเนชั่นได้

 

อัลคาไลแอคทีเวชั่น ALKALI-ACTIVATED MATERIALS

หากจะเปรียบเทียบการคิดค้นว่าAAM กับ GP พบว่าAAM ถูกนำมาศึกษาวิจัยก่อน ซึ่งเริ่มตั้งแต่งานของ Purdon 1940 ได้ใช้ตะกรันเตาถลุง (Blast furnace slag) ซึ่งเป็นวัสดุเหลือทิ้งจากกระบวนการผลิตโลหะ นำมากระตุ้นด้วยด่างโซเดียมไฮดรอกไซด์

BFS_unmill.jpg

ตะกรันเตาถลุงที่ยังไม่ได้บด

http://www.nationalslag.org/blast-furnace-slag

BFS_mill.jpeg

ตะกรันที่ผ่านการบดแล้ว

https://www.indiamart.com/shubhlabhindustries/

โดยตะกรันเตาถลุงประกอบไปด้วยองค์ประกอบทางเคมีดังแสดงใน ตารางที่. จะพบว่ามีCaO อยู่เป็นจำนวนมาก

Screen Shot 2560-04-17 at 16.35.53.png

ตารางองค์ประกอบทางเคมีของตะกรันเตาถลุง

https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/structures/97148/bfs1.cfm

ในการเกิดปฏิกิริยามีอยู่2ขั้นตอนคือ

  1. เมื่อผสมตะกรันกับสารละลายด่างจะเกิดการชะ หรือที่เรียกว่าการปลดปล่อย (Liberation) ของ Si(ซิลิกอน) Al(อลูมิเนียม) และ CaOH (แคลเซียมไฮดรอกไซด์)
  2. เกิดการก่อตัว (Formation) ของซิลิกาและอลูมินาไฮเดรต

Gluchovskij 1959 พบว่าการใช้ ตะกรันเตาถลุงจะสังเคราะห์ได้เป็น แคลเซียมซิลิเกตไฮเดรต C-S-H และ แคลเซียมอลูมิโนซิลิเกตไฮเดรต C-A-H ซึ่งจะเกิดเป็นสารประกอบตัวใดและมากน้อยขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของสารตั้งต้นและสภาวะการเกิดปฏิกิริยา(อุณหภูมิ ความดัน ความชื้น) นอกจากนี้หากเป็นจำพวกดินเหนียวเมื่อถูกกระตุ้นด้วยด่างจะได้เป็น อลูมิโนซิลิเกตเจล (Alumino-silicate gels)หรือก่อตัวเป็นซีโอไลต์ (Zeolite) สำหรับกลไกลการเกิดการก่อตัวและแข็งตัวนั้นยังยากต่อการวิเคราะห์แต่พอจะสรุปได้ว่าจะมี(1)การเกิดการชะละลาย(Dissolution)ก่อนในระยะแรก หลังจากนั้นก็มี(2)การเคลื่อนตัว(Transportation) และสุดท้ายเกิด(3)การควบแน่น(Polycondensation) โดยใน3ส่วนนี้จะเกิดไปพร้อมๆกันยังคงยากต่อการวิเคราะในแต่ละส่วน

Screen Shot 2560-04-17 at 18.23.34.png

จีโอโพลิเมอร์ Geopolymer

Davidovits 1976 เป็นนักวิจัยอีกผู้หนึ่งที่สนใจในเรื่องของการกระตุ้นด้วยสารละลายด่าง โดยใช้ดินขาวเผา (metakaolin) เป็นสารตั้งต้นโดยดินขาวเผาจะประกอบไปด้วยSi และ Al เป็นองค์ประกอบหลักไม่มีแคลเซียมออกไซด์เป็นส่วนประกอบสำคัญแต่ก็อาจจะมีปะปนบ้าง และDavidovitsได้ทำการจดสิทธิบัตรและตั้งชื่อวัสดุว่า จีโอโพลิเมอร์ โดยโมเดลสำหรับการกระตุ้นดินขาวเผาด้วยด่าง ใช้ชื่อว่า Poly-sialate (อ่านว่าโพลิไซอะเลตส์) โดยที่ Sialate นั้นเป็นชื่อย่อของ อลูมิโนซิลิเกตออกไซด์ (Aluminosilicate oxide) โดยโครงสร้างจุลภาคของPoly-sialate จะเป็นอสัณฐาน(Amorphous) ซึ่งต่างจากซีโอไลต์ซึ่งมีโครงสร้างเป็นผลึก โดยPoly-sialate จะมีโครงสร้างแบบใดนั้นขึ้นกับอัตราส่วนของ Si ต่อ Al ดังแสดงในภาพ

Screen Shot 2560-04-17 at 17.27.56.png

Palomo 1999 วิจัยและพบว่าการกระตุ้นด้วยด่างนั้น แบ่งเป็น2 กรณี คือ

(1) แบบที่วัสดุตั้งต้นประกอบด้วยSiและCa โดยแคลเซียมสูง เช่น ตะกรันเตาถลุงเหล็ก , จะก่อให้เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ C-S-H เป็นผลิตภัณฑ์หลัก [เพิ่มเติมในไทยมี เถ้าลอยแคลเซียมสูง (High calcium fly ash) จากโรงไฟฟ้า ซึ่งน่าจะเข้าไปในพวกที่ผลิตภัณฑ์เป็น C-S-H]

(2) แบบที่วัสดุตั้งต้นประกอบด้วย Si และ Al เป็นหลัก เช่นดินขาวเผา มีผลผลิตเป็นโพลิเมอร์และมีกำลังสูง นั้นก็คือจีโอโพลิเมอร์ ตามที่Davidovits ได้เรียกไว้

Palomo ยังพบว่าการเติมสารละลายซิลิเกตที่ละลายน้ำได้ จะสามารถเร่งการชะละลายและทำให้ปฏิกิริยาให้เร็วขึ้น และปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อกำลังคือ อุณหภูมิในการบ่มและชนิดของสารละลายด่าง

สำหรับกระบวนการเกิดจีโอโพลิเมอร์ไรเซชั่นนั้น Jaarsveld 2002 ได้กล่าวว่ามีความคล้ายกับการเกิดซีโอไลต์คือมี3ขั้นตอนคือ

  1. การชะละลายเนื่องจากไอออนไฮดรอกไซด์OH-
  2. การจัดเรียงตัว ของสิ่งที่ละลายออกมาในการชะละลาย
  3. การควบแน่น
  4. การแข็งตัว ของโครงสร้างในระบบโพลิเมอร์อนินทรีย์

นอกจากนี้ Provis 2005 ได้เขียนแบบจำลองอย่างง่ายของกระบวนการเกิดปฏิกิริยาไว้โดยนักวิจัยไทย นิดา 2014 ได้นำมาเรียบเรียงแปลเป็นภาษาไทยดังแสดงในภาพ

Screen Shot 2560-04-17 at 17.54.40.png

บทสรุป

จากที่ผ่านมายังไม่มีการสรุปหรือสร้างข้อตกลงเกี่ยวกับความแตกต่างของ ALKALI-ACTIVATED MATERIALS กับ GEOPOLYMER อย่างชัดเจนแต่จากงานต่างๆที่ผ่านมาจะพบว่า

ในระบบของ ALKALI-ACTIVATED MATERIALS เริ่มต้นจากวัสดุที่ประกอบด้วย Si+Ca เกิดเป็นC-S-H เป็นหลัก

ส่วน GEOPOLYMER เกิดจากวัสดที่ประกอบด้วย SI+Al ซึ่งในโมเดลของผู้คิดค้นก็พิจารณาเพียง Si ต่อ Al ในระบบ

บทสรุปนี้อาจจะเป็นบทสรุปที่ไม่สมบูรณ์คงต้องมีงานวิจัยต่อไปและต้องมีข้อตกลงสรุปร่วมกันถึงการแยกความแตกต่างอย่างชัดเจนจึงจะระบบความแตกต่างระหว่างALKALI-ACTIVATED MATERIALS กับ GEOPOLYMERได้

อ้างอิง

นิดา ชัยมูล และ กริสน์ ชัยมูล 2014 วัสดุประสานจากการกระตุ้นด้วยด่าง/จีโอโพลิเมอร์ และการประยุกต์ใช้กับวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม.KKU ENGINEERING JOURNAL.41(2):263-270

FRANTIŠEK ŠKVÁRA, 2007.ALKALI ACTIVATED MATERIALS OR GEOPOLYMERS?.Lecture (3) 173-177 (2007) P174-177.

Purdon, A.O., The action of alkalies on blast-furnace slag, J. Soc.Chem. Industry, London 59, 191-202, (1940)

Gluchovskij V.D.,Gruntosilikaty, Gosstrojizdat Kiev 1959, Patent USSR 245 627 (1967), Patent USSR 449894 (Patent appl. 1958, filled 1974!!)

Davidovits J., Solid phase synthesis of mineral blockpolymer by low temperature polycondensation of alumino-silicate polymers, Proc. Long-term Prop. Polym. Mater. Intern. Stockholm (1976)

Davidovits J., Soft mineralurgy and geopolymers, Proc. 1st Euro- pean Conf. of Soft Mineralurgy “Geopolymer ‘88”, Compiegne (1988)

Davidovits J., Chemistry of geopolymeric systems, terminology, Proc. 2nd Intern. Conf. “Geopolymere ‘99”, St. Quentin (1999)

Barbosa V.F.F., Mackenzie K.J.D., Thaumaturgo C., Synthesis and characterisation of minerals based on inorganic polymers of alumina and silica: sodium polysialate polymers, Int.J.Inorg.Mater. 2, 309-317 (2000)

Davidovits J., Geopolymer chemistry and sustainable development .The Poly(sialate) terminology : a very useful and simple model for the promotion and understanding of green-chemistry, Proc. World Congress “Geopolymer 2005” St. Quentin (2005)

Palomo A, Grutzek MW, Blanco MT, (1999).Alkali-activated fly ashes: A cement for the

future. Cement Concrete Res: 1999:29:p.1323–1329.

Jaarsveld JGS, Deventer JSJ, Lukey GC,(2002). The effect of composition and temperature on the properties of fly ash and kaolinite based geopolymers. Chem Eng J.

2002: 89:p. 63–73.

Xu H, Van Deventer JSJ. Effect of source materials on geopolymerization. Ind Eng

Chem Res. 2003: 42:p. 1698–1706.

Xu, H, Deventer JSJ, Jannie SJ. The effect of alkali metals on the formation of geopolymeric gels from alkali-feldspars. Colloid Surf. 2003:216:p. 27–44.

Provis JL, Duxon P, Deventer JSJ, Lukey GC(2005). The role of mathematical modeling

and gel chemistry in advancing geopolymer technology. Chem Eng Res Des.2005: 83:p. 853–860.

ผู้เขียน

ดร.เจริญชัย ฤทธิรุทธ

อาจารย์ประจำสาขาวิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน วิทยาเขตขอนแก่น

บทความจะเพิ่มและปรับปรุงเรื่อยๆนะครับสนใจให้เข้ามาติดตามกันได้เรื่อยๆนะครับ เพื่อช่วยกันพัฒนางานด้านวัสดุก่อสร้างต่อไป

ขอสงวนสิทธิ์ห้ามนำบทความไปใช้ต่อโดยมิได้รับอนุญาต

Advertisements

ส่วนประกอบของจีโอโพลิเมอร์คอนกรีต Geopolymer Concrete

Geopolymer Concrete ประกอบไปด้วยอะไรบ้างมาดูกัน
– มวลรวม Aggregate (หิน Coarse, ทรายFine)
– สารละลายด่าง (Activators)
– วัสดุตั้งต้น(ในภาพคือเถ้าลอย Fly Ash, FA)

gepolymer concrete

ขอบคุณภาพจาก ศราวุฒิ อภิเนตร

จีโอโพลิเมอร์ 70,000 ตัน ถูกใช้สำหรับงานก่อสร้างสนามบิน

สนามบิน Brisbane West Wellcamp Airport (BWWA), Toowoomba, Queensland ของประเทศออสเตเรีย ใช้จีโอโพลิเมอร์คอนกรีตในงานก่อสร้างในวันที่14 ตุลาคม 2557 เป็นจำนวน 70,000 ตัน การก่อสร้างครั้งนี้เป็นการใช้งานจีโอโพลิเมอร์ที่มากที่สุดในโลก ใช้จีโอโพลิเมอร์คอนกรีตประมาณ 40,000 ลูกบาศก์เมตร(100,000ตัน) โดยที่จีโอโพลิเมอร์คอนกรีตในครั้งนี้ถูกพัฒนาโดยบริษัท Wagners (ซึ่งเป็นที่รู้กันว่าบริษัทนี้ให้ความสำคัญกับสิ่งแวดล้อม) โดยบริษัทเห็นว่าพื้นที่ใช้งานต้องการ การรับแรงดึงสูง การหดตัวต้องต่ำและ มีความสามารถในการทำงานที่ดี จึงตัดสินใจใช้ จีโอโพลิเมอร์คอนกรีตที่มีความทนทานสูงมีความหนา 435 มม.โดยถูกใช้ในส่วนโครงสร้างของสนามบิน( the turning node, apron and taxiway aircraft pavements) ออกแบบให้รับน้ำหนักของเครื่องบินบรรทุกสินค้า Boeing747 ขนาดของรันเวย์ ยาว2,870 เมตร กว้าง 45 เมตร (โดยเครื่องบินลำแรกที่ลงจอดวันที่ 23 พฤศจิกายน 2558)

Slip-form

ภาพการเทพื้นจีโอโพลิเมอร์คอนกรีตแบบใช้สลิปฟอร์ม (Slip form)

#Wellcamp747

ภาพสนามบิน Wellcamp ประเทศออสเตเรีย

เสนอโดย ดร.เจริญชัย ฤทธิรุทธ
สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีอีสาน วิทยาเขตขอนแก่น
Facebook:Charoenchai Ridtirud
อ้างอิงข้อมูลจาก

Geopolymer cement and Geopolymer Concrete

#23 Technical Paper on Geopolymer Aircraft Pavement