Působení vysokých teplot na vlastnosti geopolymerů plněných anorganickými vlákennými částicemi

Promoda Kumar Behera

Doctoral thesis

Influence of High Temperatures on Properties of Geopolymers Filled by Inorganic Fibrous Particles

Abstract:

The presented research work deals with elevated temperature properties of inorganic fibrous particles filled geopolymers when exposed to 200, 400 and 800 oC. The basalt fibrous wastes and carbon fibrous particles (Carbiso) were chosen as source of inorganic fibrous particles due to their less cost and better thermal resistance properties. The high energy ball milling process was employed to prepare basalt microfibrils (BMF) and carbon microfibers (CMF) after 30 min dry pulverization of basalt fibrous wastes and carbiso powder, respectively. The prolonged pulverization was not continued because of rise in temperature of ball mill and sticking of particles to the surface of milling containers. Nevertheless, the longer grinding of carbiso powder showed less sticking tendency as compared to basalt fibrous wastes. Later, the milled particles were incorporated under 5, 10 and 15 wt % loading into geopolymers synthesized from calcined kaolin and shale clay residues. The prepared BMF/geopolymer composites or CMF/geopolymer composites were then evaluated for physical properties, micro-structural analysis and compression strength before and after exposure to elevated temperatures. As compared to BMF, the addition of CMF was found to maintain compact structure of geopolymers at elevated temperature exposures. This behavior was attributed to effective pore filling ability and better thermo-chemical resistance of CMF as compared to BMF. The geopolymer composite of 10 wt % BMF depicted the maximum compressive strengths of 34 MPa, 42 MPa, 23 MPa and 16 MPa at 30 oC, 200 oC, 400 oC and 800 oC, respectively. On the other hand, the maximum compressive strengths of 44 MPa, 49 MPa, 30 MPa and 21 MPa was recorded for the geopolymer composite of 10 wt % CMF at 30 oC, 200 oC, 400 oC and 800 oC, respectively. This indicated greater decrease in thermal stresses as well as more restriction on swelling of unreacted precursor phases after addition of CMF than BMF. Furthermore, the geopolymers filled by BMF and CMF showed higher compression strength values than the previously reported results on neat OPC when exposed to 800 oC. The 5, 10 and 15 wt% BMF filled geopolymers showed 22 %, 42 %, and 34 % increase over OPC respectively, whereas 5, 10 and 15 wt% CMF filled geopolymers showed 76 %, 88 % and 112 % increase over OPC respectively.

Abstract:

Předložená práce se zabývá chováním geopolymerů plněných anorganickými vlákennými částicemi při zvýšené teplotě 200, 400 a 800 oC. Čedičový vláknitý odpad Pro výběr anorganických plniv byl zohledněn požadavek zvýšené tepelné odolnosti při přijatelné ceně a možnosti mechanického zjemňování. Byly vybrány částice na bázi čedičového vláknitého odpadu a uhlíkové vlákenné částice (Carbiso). Pro přípravu čedičových mikrofibril (BMF) a uhlíkových mikrovláken (CMF) bylo použito vysoce energetické mletí za sucha v kulovém mlýnku. Doba mletí 30 min. byla specifikována s ohledem na omezení vzrůstu teploty mlýnku a zabránění lepivosti mletých částic na jeho vnitřní povrch. Byly syntetizovány geopolymery z kalcinovaného kaolinu a břidlicového jílu s obsahem mletých částic BMF a CMF v rozmezí 5, 10 a 15% hmotnostních procent. Takto připravené kompozitní materiály geopolymer/CMF a geopolymer/BMF byly charakterizovány pomocí fyzikálních vlastností, mikrostrukturní analýzy a pevnosti v tlaku před a po vystavení zvýšeným teplotám. Bylo zjištěno, že přidání CMF udržuje lépe kompaktní strukturu kompozitních materiálů při zvýšených teplotních expozicích než přidání BMF. Tento rozdíl v chování obou plniv souvisí s jejich schopností efektivně plnit póry a termo chemickou degradací BFM za vysokých teplot. Kompozit s obsahem 10 hmotnostních procent BMF docílil pevnost tlaku 34 MPa, 42 MPa, 23 MPa and 16 MPa při teplotách 30 oC, 200 oC, 400 oC and 800 oC, Kompozit s obsahem 10 hmotnostních procent CMF docílil pevnost v tlaku 44 MPa, 49 MPa, 30 MPa a 21 MPa při teplotách 30 oC, 200 oC, 400 oC a 800 oC. Je patrné, že přídavek anorganických vláknitých částic přispívá ke snížení tepelného napětí a omezuje bobtnání nezreagované fáze prekurzoru. Geopolymrey plněné oběma typy částic vykazovaly zvýšené hodnoty pevnosti v tlaku v porovnání s geopolymery bez obsahu částicových plniv při teplotě 800 oC. Geopolymery s obsahem 5, 10 a 15 hmotnostních procent BMF vykazovaly 22 %, 42 %, a 34 % nárůst pevnosti v tlaku ve srovnání s geopolymery bez obsahu částicových plniv. Geopolymery s obsahem 5, 10 a 15 hmotnostních procent CMF vykazovaly 76 %, 88 % and 112 % nárůst pevnosti v tlaku ve srovnání s geopolymery bez obsahu částicových plniv.

Keywords

Plněné geopolymery, čedičová mikrovlákna, Uhlíková mikrovlákna, Geopolymerní kompozity, Pevnost v tlaku, Schopnost plnění pórů, Tepelná odolnost

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 7. 2019

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jiří Militký, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering