INCD URBAN-INCERC: Solutii inovatoare sustenabile favorabile implementarii tehnologiilor emergente cu impact transversal asupra industriilor locale prin dezvoltarea de materiale compozite avansate, eco-inteligente, in contextul dezvoltarii durabile a mediului construit (I)

CONCEPTUL DE MATERIALE COMPOZITE GEOPOLIMERICE ACTIVATE ALCALIN, ECO-INTELIGENTE: DE LA IDEE, LA IMPLEMENTARE ‒ CONTEXT

Geopolimerul, un material ecologic similar cimentului, reprezinta o inovatie in domeniul materialelor de constructie, iar dezvoltarea acestor tipuri de materiale poate conduce la reducerea emisiilor de dioxid de carbon cauzate de dezvoltarea industriei cimentului. Materialele geopolimerice nu numai ca au proprietati mecanice excelente, dar au si o serie de calitati remarcabile, precum rezistenta la foc si rezistenta la coroziune. Majoritatea deseurilor solide industriale si cenusa rezultata din incinerarea deseurilor sau cenusa zburatoare provenita din arderea carbunilor pentru generearea de energie electrica sunt adesea stocate in mod neorganizat, ocupand resurse funciare valoroase si avand, in acelasi timp, un impact negativ asupra mediului. Prin reciclare, acestea pot fi insa utilizate ca materii prime pentru pregatirea geopolimerilor. Materialele geopolimerice pot adsorbi in mod eficient metalele grele, colorantii si alte poluari radioactive, ceea ce este foarte benefic pentru dezvoltarea viitoare a societatii. Proprietatile remarcabile ale materialelor geopolimerice sustin aplicabilitatea lor in numeroase domenii, depasind asteptarile initiale, aceste materiale avand caracteristici similare sau chiar superioare materialelor cementoase conventionale.

Ca materiale polimerice anorganice, geopolimerii sunt cunoscuti si sub numele de materiale activate cu alcalin, intrucat pot lua materialele naturale si deseurile ca materii prime primare sintetizate prin reactie de activare alcalina sau acida. Geopolimerii au avantajele rezistentei la foc, rezistentei la coroziune chimica, rezistentei mecanice ridicate si durabilitatii excelente (Aiken et al., 2018; Aliques-Granero et al., 2019; Lahoti et al., 2019; Liu et al., 2020; Shill et.al., 2020; Vafaei et al., 2018). De la inceputul anilor 1980, materialele geopolimerice au fost considerate inlocuitori ai cimentului Portland obisnuit (OPC), in principal datorita emisiilor lor scazute de dioxid de carbon si performantelor ridicate. Cercetatorii pregatesc cu succes acoperiri cu geopolimer cu proprietati excelente, cum ar fi rezistenta sporita, rezistenta la imbatranire artificiala, rezistenta la temperaturi ridicate si performanta buna de procesare, care pot fi utilizate ca strat protector pentru placi usoare de polistiren destinate peretilor, acoperisurilor si peretilor despartitori (Abdel-Ghani et al., 2019; Liu et al., 2019). Conform studiului lui Wang et al. (2016), geopolimerul tektite satisface toate cerintele de performanta pentru materialele de constructie lunare: ciclism la temperaturi ridicate si la temperaturi scazute, stabilitate la vid, consum de apa aproape zero, proprietati mecanice excelente. Inca de la descoperire, gratie proprietatilor lor exceptionale, materialele geopolimerice au fost luate pe deplin in considerare ca materiale promitatoare pentru restaurarea cladirilor. Geopolimerii au fost utilizati la aeroporturi si in traversele feroviare principale din Australia; ei pot fi utilizati, de asemenea, pentru repararea betonului degradat al pavajului rigid in bazele militare (Shill et al., 2020). In ultimii ani, geopolimerii au fost folositi pentru imobilizarea metalelor periculoase. Studiile indica faptul ca lixiviarea metalelor periculoase din deseurile municipale incinerate si tratate alcalin a fost eficient inhibata, cu un randament satisfacator (Liu et al., 2020).

Producerea betonului geopolimeric, pe langa reciclarea eficienta a unei cantitati mari de deseuri, permite obtinerea unui beton cu proprietati superioare, inclusiv rezistenta excelenta la compresiune din fazele initiale, la foc si conditii de mediu agresive.

Geopolimerii se formeaza prin reactia aluminosilicatilor, care contin Si₂O₃ si Al₂O₃ (sau alti oxizi metalici compatibili, cum ar fi Fe₂O₃) cu o solutie alcalina, cum ar fi Na sau K. Reactia conduce la dizolvarea oxizilor Si₂O₃ si Al₂O₃ sub forma de ioni in solutia alcalina. Speciile dizolvate de Si si Al formeaza un gel in prezenta apei (care serveste in primul rand ca agent de amestecare a substantei alcaline). Atomii din cadrul gelului sunt liberi sa se miste si, prin urmare, incep sa formeze monomeri, urmati de polimeri si oligomeri si, in cele din urma, de retele de lanturi tridimensionale, in cazul in care raportul corect Si:Al este prezent in amestec (fig. 1). Legatura polimerica continua pana cand apare o structura solida si intarita. Spre deosebire de cimentul Portland (C-S-H), in procesul de geopolimerizare, apa este eliminata, contribuind astfel la formarea legaturilor chimice dintre componentele materiale. Acest proces este denumit dehidroxilare.

Fig. 1: Procesul de geopolimerizare pentru cenusa zburatoare (Zhang si Liu., 2013)

Pe de alta parte, la nivel mondial, este raportata posibilitatea realizarii unor materiale compozite cementoase cu capacitate de autocuratare si autoigienizare, datorita proprietatilor fotocatalitice ale nanoparticulelor de TiO₂ utilizate ca adaos sau ca substituient al unei parti de ciment. Primele incercari au fost realizate utilizandu-se compozitii pe baza de ciment alb imbogatite cu TiO₂. Problematica abordata se bazeaza pe fapul ca studii desfasurate la nivel mondial (Graziani et al., 2014, Cucek et al., 2012, Chiarini, 2014) au aratat ca una dintre cele mai importante si frecvente cauze ale degradarii structurilor este acumularea de materiale straine, poluante, de natura organica sau anorganica, pe suprafata dezvoltandu-se ulterior biofilme nocive. Aceste materiale, in prezenta apei, pot penetra materialele de constructii prin porii acestora, ceea ce conduce initial la pierderea aspectului estetic, iar ulterior poate determina degradarea materialului constructiilor prin favorizarea dezvoltarii coroziunii biologice, daunand gradului de igiena si sanatate a utilizatorilor (fig. 2 si 3). In consecinta, se ajunge, implicit, la costuri ridicate de intretinere si reparatii precum si la costuri indirecte semnificative.

Fig. 2: Reprezentare schematica a mecanismului de superhidrofilitate

Fig. 3: Reprezentarea schematica a mecanismului de degradare si distrugere a celulelor microorganismelor

Prin urmare, motivatia demersului de cercetare vizeaza contributii la implementarea conceptului de Economie Circulara prin analiza posibilitatilor de exploatere a performantelor specifice nanoparticulelor de TiO₂, cu destinatie directa in domeniul industriei constructiilor. In Romania, cercetarile pe astfel de materiale s-au desfasurat in ultimii ani cu preponderenta in cadrul INCD URBAN-INCERC Sucursala Cluj-Napoca, aceasta fiind de fapt „deschizator de drum” in domeniu (Grebenisan et al., 2020a, 2020b; Grebenisan, 2022; Hegyi et al. 2018,2020,2023).

Obiectivele specifice ale cercetarii, cuantificate prin tinte caracteristice, sunt stabilite cu scopul de a raspunde obiectivelor societale (ODD) pentru care a fost identificata posibilitatea unui impact pozitiv, respectiv atingerea obiectivului general si a tintelor generale, dupa cum urmeaza:

• formularea si demonstrarea conceptuala a functionalitatii conceptului tehnologic al proiectului (materiale compozite geopolimerice inteligente ‒ eco-inovatoare cu capacitate de autocuratare, rezistenta sporita la microorganisme si valorificarea deseurilor/subproduselor industriale) cu stabilirea principiilor de baza, evidentierea, evaluarea si ierarhizarea factorilor care influenteaza proprietatile fizico-mecanice, durabilitatea, capacitatea de geopolimerizare si/sau autocuratare si capacitatea de rezistenta la microorganisme, formularea de predictii teoretice si pregatirea tranzitiei catre aplicatii practice;
• demonstrarea functionalitatii conceptului tehnologic al proiectului in vederea obtinerii de materiale compozite geopolimerice inteligente ‒ eco-inovatoare cu capacitate de autocuratare, rezistenta sporita la microorganisme si care valorifica deseuri/subproduse industriale in conditii de adaptare la specificul national al materiilor prime;
• optimizarea compozitionala si functionala cu validarea in conditii de laborator a materialelor compozite geopolimerice smart ‒ eco-inovatoare cu capacitate de autocuratare, cu rezistenta sporita la microorganisme si care valorifica deseurile/subprodusele industriale in conditii de adaptare la specificul national al materiilor prime;
• dezvoltarea si validarea unor mici produse prefabricate din materiale compozite geopolimerice inteligente ‒ eco-inovatoare, cu capacitate de autocuratare, rezistenta sporita la microorganisme si care valorifica deseuri/subproduse industriale, din punct de vedere al functionalitatii si conformitatii cu domeniul de utilizare propus, pentru a genera solutii care sa poata fi oferite agentului economic;
• obtinerea unui cadru favorabil pentru transferul si mobilizarea tehnologiei in vederea implementarii de produse generatoare de tehnologii inteligente ‒ eco-inovatoare, care sa poata fi integrate in lanturi valorice eco-eficiente la preturi accesibile.

Noutatea solutiilor propuse deriva, pe de o parte, din abordarea multi si transdisciplinara a unui domeniu de cercetare aflat inca in faza de avangarda la nivel interational, pe de alta parte, din proiectarea ambitioasa a cumularii a doua caracteristici, una de tip smart – capacitatea de autointretinere si autocuratare, iar cealata de tip eco-friendly – material fara continut de ciment, cu impact redus asupra mediului, obtinut prin activare alcalina a unor deseuri si sub-produse industriale, iar pe de o a treia parte, si nu in ultimul rand, prin tintirea obtinerii unor performante de durabilitate ridicata (in special din punct de vedere al rezistentei la coroziune microbiologica), toate cu impact atat asupra cresterii competentelor si vizibilitatii nationale cat si asupra crearii cadrului favorabil de mobilizare a antreprenoriatului catre inovare si furnizare de produse de excelenta.

Viabilitatea cercetarilor derulate este sustinuta de necesitatea urgenta si actuala de a imbunatati valorificarea integrata a deseurilor reciclate, o activitate deosebit de importanta in contextul obstacolelor actuale de accesare a capitalului pe termen scurt, mediu si lung si al metodelor de valorificare nesatisfacatoare si ineficiente.

Impactul tehnic rezida din solutiile tehnice si tehnologice de ansamblu si per domenii, prin tehnologii si produse, de mare tehnicitate si performanta, smart ‒ eco-inovatoare si eficiente economic, cu impact general benefic asupra sanatatii populatiei si incetinirii procesului de deteriorare a mediului construit, proces aparut ca urmare a actiunii poluantilor atmosferici, micro-organismelor si bacteriilor.

Impactul economic este asigurat prin crearea unui mecanism eficient care sa asigure valorificarea optima a deseurilor reciclate, resursa in prezent subutilizata. Se vor identifica, astfel, bunele practici in domeniul realizarii de produse eco-inovatoare si se vor facilita testarea lor, cunoasterea performantelor cercetate si largirea ariei de aplicabilitate, in vederea consolidarii retelei nationale CDI, cresterii competitivitatii economiei si deschiderii catre producatori si utilizatori cu orientare catre tranzitia de la cercetarea fundamentala catre valorificarea acesteia in generarea de solutii validate in laborator pentru produse/tehnologii semnificativ imbunatatite ce le pot oferi agentilor economici noi variante de dezvoltare.

Impactul social care rezulta prin externalizarea activitatii CDI este direct asupra imbunatatirii conditiilor de viata ale populatiei – produse mai bune si mai sigure din punct de vedere a gradului de igiena (adaptate, nu in ultimul rand, nevoilor induse de actuala realitate pandemica), realizate conform cerintelor Regulamentului (UE) nr. 305/2011, cu un raport pret ‒ beneficiu imbunatatit, si posibilitatea cresterii esteticii urbane prin realizarea unor constructii zvelte, armonioase, dezvoltate vertical, cu potential turistic.

Impactul de mediu se obtine ca urmare a faptului ca proiectul propune solutii pentru cresterea gradului de implementare a liniilor directoare ale Economiei Circulare prin valorificarea unor deseuri, diminuarea poluarii, cresterea durabilitatii constructiilor. Potentialii beneficiari (stakeholderi) ai rezultatelor cercetarilor vor fi: comunitatea stiintifica din domeniu, companii din sectoarele public si privat (valorificatori primari, procesatori, producatori, valorificatori secundari, consumatori). In egala masura, beneficiari sunt considerati si membrii echipei de cercetare, prin acumularea de experienta si cresterea competitivitatii lor ca specialisti in domeniu. Prin urmare, cercetarile intreprinse contribuie la oportunitatea si necesitatea unor dezvoltari avansate, continue si actualizate privind introducerea pe piata constructiilor a unor materiale inovatoare, alternative care pot raspunde atat unor cerinte punctuale ale solicitantilor, cat si nevoii de implementare avansata a conceptului de Economie Circulara.

Noutatea solutiilor propuse in cadrul dezvoltarii cercetarilor deriva, pe de o parte, din abordarea multi si transdisciplinara a unui domeniu de cercetare aflat inca in faza de avangarda la nivel de non-interactiune, iar, pe de alta parte, din proiectarea ambitioasa a combinarii a doua caracteristici, una de tip inteligent ‒ capacitate de autointretinere si autocuratare, iar cealalta de tip ecologic ‒ material fara ciment cu impact redus asupra mediului, obtinut prin activarea alcalina a deseurilor si subproduselor industriale si, nu in ultimul rand, prin tintirea unor performante ridicate de durabilitate (in special in ceea ce priveste rezistenta la coroziunea microbiologica), toate acestea cu impact atat asupra cresterii competentelor si vizibilitatii nationale, cat si asupra crearii cadrului potrivit pentru mobilizarea spiritului antreprenorial in directia inovarii si a furnizarii de produse de excelenta.

BIBLIOGRAFIE

[1] Abdel-Ghani, N.T., Elsayed, H.A., AbdelMoied, S. (2019). Geopolymer synthesis by the alkali-activation of blastfurnace steel slag and its fire-resistance. HBRC Journal 14 (2), 159e164;

[2] Aiken, T.A., Kwasny, J., Sha, W., et al. (2018). Effect of slag content and activator dosage on the resistance of fly ash geopolymer binders to sulfuric acid attack. Cement and Concrete Research 111, 23e40;

[3] Aliques-Granero, J., Tognonvi, M.T., Tagnit-Hamou, A. (2019). Durability study of AAMs: sulfate attack resistance. Construction and Building Materials 229, 117100;

[4] Chiarini, A. (2014). Strategies for Developing an Environmentally Sustainable Supply Chain: Differences Between Manufacturing and Service Sectors, Strat. Env., 23, 493–504;

[5] Cucek, L., Klemes, J.J., Kravanja, Z. (2012). A review of footprint analysis tools for monitoring impacts on sustainability, Clean. Prod., 34(1), 9-20;

[6] Graziani, L.; Quagliarini, E.;, Bondioli, F.; D’Orazio, M. (2014). Durability of self-cleaning TiO₂ coatings on fired clay brick facades: Effects of UV exposure and wet & dry cycles, Building and Environment 71, 193-203;

[7] Grebenisan, E. (2022). Materiale compozite cementoase self-cleaning. Teza de doctorat. Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Romania;

[8] Grebenisan, E.; Hegyi, A., Lazarescu, A.-V. (2020a). Research Regarding the Influence of TiO₂ Nanoparticles on the Performance of Cementitious Materials. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 877 012004;

[9] Grebenisan, E.; Hegyi, A.; Szilagyi, H.; Lazarescu, A.-V.; Ionescu, B.A. (2020b). Influence of the Addition of TiO₂ Nanoparticles on the Self-Cleaning Performance of Cementitious Composite Surfaces. Proceedings 63, 42;

[10] Hegyi, A.; Lazarescu, A.; Dico, C; Szilagyi, H.  (2018). International Multidisciplinary Scientific GeoConference: SGEM; Sofia, 18, Iss. 6.3;

[11] Hegyi, A.; Lazarescu, A.-V.; Ciobanu, A.A.; Ionescu, B.A.; Grebenisan, E.; Chira, M.; Florean, C.; Vermesan, H.; Stoian, V. (2023). Study on the Possibilities of Developing Cementitious or Geopolymer Composite Materials with Specific Performances by Exploiting the Photocatalytic Properties of TiO₂ Materials 16, 3741;

[12] Hegyi, A.; Szilagyi, H.; Grebenisan, E.; Sandu, A.V.; Lazarescu, A.-V.; Romila, C. (2020). Influence of TiO₂ Nanoparticles Addition on the Hydrophilicity of Cementitious Composites Surfaces. Sci. 10, 4501;

[13] Lahoti, M.K., Tan, K.H., Yang, E.H. (2019). A critical review of geopolymer properties for structural fire-resistance applications. Construction and Building Materials 221, 514e526;

[14] Liu, J., Hu, L., Tang, L., et al. (2020). Utilisation of municipal solid waste incinerator (MSWI) fly ash with metakaolin for preparation of alkali-activated cementitious material. Journal of Hazardous Materials 402, 123451;

[15] Liu, Y., Shi, C., Zhang, Z., et al. (2019). An overview on the reuse of waste glasses in alkali-activated materials. Resources Conservation and Recycling 144, 297e309;

[16] Shill, S.K., Al-Deen, S., Ashraf, M., et al. (2020). Resistance of fly ash based geopolymer mortar to both chemicals and high thermal cycles simultaneously. Construction and Building Materials 239, 117886;

[17] Vafaei, M., Allahverdi, A., Dong, P., et al. (2018). Acid attack on geopolymer cement mortar based on waste-glass powder and calcium aluminate cement at mild concentration. Construction and Building Materials 193, 363e372;

[18] Wang, K., Tang, Q., Cui, X., et al. (2016). Development of near-zero water consumption cement materials via the geopolymerization of tektites and its implication for lunar construction. Scientific Reports 6, 29659;

[19] Zhang, Y.; Liu, L. (2013). Fly ash-based geopolymer as a novel photocatalyst for degradation of dye from wastewater. Particuology 11, 353–358.

Autor:

dr. ing. Adrian-Victor LAZARESCU – CS III, INCD URBAN-INCERC, Sucursala Cluj-Napoca

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 215 – iulie 2024, pag. 62-64