Aki kicsit is elmélyedt már az új kötőanyagokkal kapcsolatos kutatásokban, egész biztosan találkozott olyan kifejezésekkel, mint „alkáli aktivált cementek”, „geopolimerek”, „szervetlen polimerek”, „zeocemetek” és még igen hosszúra nyúlik a sora azon kifejezéseknek, amelyek gyakorlatilag mind egy igen széles (és évről évre egyre gyarapodó) kötőanyagcsaládot, legelterjedtebb nevén az alkáli aktivált anyagokat (angolul röviden AAM-ek) jelölik.

1. ábra Az alkáli aktivált anyagok alapanyagai.

De miért kaptak ekkora figyelmet, főképp az utóbbi három évtizedben? Az alkáli aktivált anyagok vitathatatlanul egyik legvonzóbb tulajdonsága, hogy kiindulási anyagként az alapanyagok igen széles palettája használható fel (1. ábra), amelyek között sok ipari hulladékanyagként (például: salak, pernye, téglaőrlemény, üveghulladék stb.) szerepel a köztudatban, és némelyikük újrahasznosítása még nem megoldott probléma. Ezen felül az alkáli aktivált anyagok (hasonlóan a klasszikus cementekhez) szobahőmérsékleten kötnek és a kiindulási anyagok, az előállítási paraméterek függvényében egészen extrém fizikai és/vagy kémiai tulajdonságokkal is felruházhatók, így az alkalmazhatóságuk nem feltétlen korlátozódik csak az építőiparra.

Az alkáli aktivált anyagok kutatása az utóbbi három évtizedben kapott nagyobb lendületet, de eredetük ennél sokkal régebbre nyúlik vissza, egészen a Szovjetunióig (1960-as évek), ahol 60 különböző szabadalom is létezett salak-bázison előállított alkáli aktivált anyagokra, a habosított falazóelemektől kezdve egészen a tűzálló panelekig a termékek széles palettáját lefedve. Harminc évre mégis feledésbe merültek ezek az anyagok, amikor is az 1990-es években egy francia kutató, Davidovits az alkáli aktivált anyagok egy merőben új családját felfedezte fel, és „geopolimer cementeknek” nevezte el őket, amelyet gyakran (és tévesen) egy fogalomként használnak az alkáli aktivált anyagokra vonatkozóan. Davidovits receptúrája szerint a kötőanyag alapkomponensét nem egy kalcium gazdag (például salak) alapanyag szolgáltatja, hanem valamilyen üveges vagy amorf szerkezetű alumino-szilikátot (leggyakrabban hőkezelt kaolin) használt fel, amelyet lúgos, alkáli tartalmú oldattal kezelt. A kapott termék fizikai-, kémiai tulajdonságai, illetve szerkezete is merőben eltért az eddig ismert salakbázisú kötőanyagokétól.    

2. ábra A geopolimerek lehetséges szerkezete.

Az alkáli aktivált anyag kifejezés gyakorlatilag gyűjtőnév, amely minden olyan kötőanyagtípust magában foglal, ahol a megfelelő összetételű alapanyagot valamilyen alkáliával (ez lehet lúgoldat, vagy sóoldat is) kezelik, és a keletkező termék szobahőmérsékleten, pár órán belül megköt. Mivel a kiindulási anyagok oxidos és kristályos fázisösszetétele nagyon sokszínű lehet, ezek reakciója más-más kötőanyag-típushoz vezet, ezért Garcia-Lodeiro és munkatársai három nagy csoportra sorolták be őket:

Ca-szegény rendszerek
Ca-gazdag rendszerek
Hibrid rendszerek

Az (1.) csoport kiindulási anyagai nem, vagy csak kis mennyiségben tartalmaznak CaO-ot, és helyes terminológia szerint ezeket nevezik geopolimer cementeknek. Leggyakoribb kiindulási alapanyagaik a metakaolin és a szénpernye. Külön érdekessége ennek a rendszernek, hogy az alkáli kezelés hatására a kapott termék szervetlen polimerként fogható fel. A geopolimer cementek szerkezetét tetraéderes koordinációjú Si- és Al-ionok építik fel, amelyek hídállású oxigéneken keresztül kapcsolódnak össze. Mivel az Al-ion töltése +3 míg a Si-ioné +4, ezért a felhasznált alkáliák a kialakuló szerkezetben egyfajta töltéskiegyenlítő szerepet is játszanak (2. ábra). A kapott szerkezet leginkább a zeolitokéhoz hasonló (alkáli alumino-szilikát gél, N-A-S-H gél), jóval kisebb rendezettséggel.

3. ábra Geopolimerből készült ház (Queensland Egyetem, Global Change Institute, Ausztrália).

A geopolimerek nagy szilárdságú (20 MPa nyomószilárdság négy óra elteltével, több mint 90 MPa 28 napos korban), nagy hajlítószilárdságú (10-15 MPa 28 napos korban, 10 MPa 4 óra elteltével), ammónia-, KOH-, kénsav- és HCl-oldattal szemben ellenálló anyagok. Alkáli szilika reakciót 250 nap elteltével sem figyeltek meg, illetve 600 °C-ig a szilárdságuknak csupán 20%-át, 1000 °C-ig pedig 60%-át veszítik el. 2013-ban adták át az első, geopolimer felhasználásával készült épületet Ausztráliában (3. ábra).

A (2.) csoport legszélesebb körben felhasznált alapanyaga a kohósalak, és a tudósok egy része a Ca-gazdag alkáli aktivált anyagokat a hagyományos cementek egyfajta alternatívájaként fogják fel. Az aktiváló oldat itt is alkáliákban dús, bár annyira nem koncentrált, mint a geopolimereknél, és a kialakuló termék szerkezete is eltér a Ca-szegény rendszerekétől. Az elméletek szerint a Ca-gazdag anyagok nem alkotnak térhálós rendszert, inkább egyfajta oligomer láncokként lehet őket felfogni, és a szerkezetet leginkább a cementek kötése során is kialakuló tobermorithoz hasonlítják (kalcium alumino-szilikát hidrát, C-A-S-H gél).

4. ábra A kaolin kristályos fázisainak alakulása különböző kezelések hatására.

A (3.) csoport tagjait az első és második csoport alapanyagainak keverékéből nyerik, például pernye és kohósalak együttes használatával. A keletkező anyagban a N-A-S-H és C-A-S-H gél egymás mellett is létezhet.

Elsősorban a (2.) és (3.) csoportról gondolják, hogy a jövőben több alkalmazási területen is helyettesíthetik a hagyományos cementeket, amit főképp annak köszönhetnek, hogy olcsóbb, vagy kizárólag ipari hulladékanyagokból is elő lehet őket állítani, miközben a fizikai tulajdonságaik a klasszikus kötőanyagokéhoz igen hasonlók.

A több mint három évtizedes kiterjedt kutatásoknak köszönhetően, számos ismeretet sikerült felhalmozni az alkáli aktivált anyagokkal kapcsolatban. A kötésmechanizmust, a kialakuló szerkezetet, illetve az alapanyag kémiai tulajdonságainak hatását a késztermékre már behatóbban is sikerült megismerni. Ennek ellenére máig sem létezik egy minden esetben érvényes összetétel, amellyel bármilyen alapanyagból megfelelő tulajdonságokkal rendelkező kötőanyagot lehetne előállítani. Ez főképp annak köszönhető, hogy a metakaolinon, pernyén és kohósalakon túl évről évre újabb és újabb lehetséges alapanyagot fedeznek fel a kutatók. Mára már sikerült perlitből, üvegporból, rizshéj hamujából és téglaporból is alkáli aktivált anyagot előállítani. Ebből is következik, hogy nincs általános recept, mivel minden alapanyag más és más összetétellel, illetve reaktivitással rendelkezik. Másik megoldásra váró probléma az AAM-pép megfelelő konzisztenciájának beállítása, mivel a cementeknél alkalmazott szuperplasztifikátorok nem, vagy csak korlátozottan használhatók ezeknél az új kötőanyagrendszereknél.

Magyarországon két egyetemen folynak széleskörű kutatások az alkáli aktivált anyagokkal kapcsolatban: a Miskolci Egyetem Nyersanyag-előkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézeténél, illetve a Pannon Egyetemen.

A Pannon Egyetem Anyagmérnöki intézete Ca-szegény és Ca-gazdag rendszerekkel is foglalkozik. Egyik vezető kutatási területünk egy új előkezelési módszerhez kötődik, amellyel az eddig ismert kiindulási anyagokon kívül más alapanyagokból is lehetőség nyílik ilyen új kötőanyagok előállítására. Az alapanyagok legfontosabb elemeinek (Si-, Al- és Ca-tartalmának) ugyanis „reaktívnak” kell lenniük, hogy alkalmasak legyenek alkáli aktivált anyagok előállítására. Ez a reaktív állapot az amorf vagy üveges szerkezetnek köszönhető. 

 Erre legjobb példa a kaolin, amelyből természetes formájában nem lehet geopolimert előállítani, előtte a kaolinit agyagásványt „aktívvá” kell tenni, ami 600-700 °C-os hőkezelést jelent, amely során a kaolinit elveszíti szerkezeti víz tartalmát, és amorf szerkezetű, úgynevezett metakaolinit fázis keletkezik. Ez az anyag már kellő aktivitással rendelkezik ahhoz, hogy reakcióba lépjen a lúgos közeggel és szobahőmérsékleten megkössön. Az Anyagmérnöki Intézet kutatói hőkezelés helyett a kaolint intenzív őrlésnek vetették alá, amely hasonlóképpen a kaolinit agyagásvány kristályrácsának torzulását eredményezi, és a kialakuló amorf kaolin szintén reakcióképes az aktiváló oldattal és hasonló fizikai tulajdonságokkal rendelkező geopolimerré köt meg.

5. ábra Habosított geopolimer katalizátorhordozók morfológiája növekvő habosítószer-koncentráció mellett

A kohósalak Si-, Al- és Ca-tartalma legfőképp üveges állapotban van jelen, ezért képes (megfelelően finom szemcseméret mellett) oligomerizálódni és megszilárdulni a lúgos kezelés hatására. Intézetünknek sikerült kristályos kohókőből, a granulált kohósalakhoz kémiai összetételében igen hasonló, ipari hulladékanyagból Ca-gazdag AAC-t előállítani, amelyhez szintén intenzív őrlést használtunk; ekkor a kohókő kristályos alkotóelemei a nagy mechanikai erő hatására amorf anyaggá alakulnak át (4. ábra).

Szintén kiemelt kutatási területeink közé tartozik nagy porozitású, szilárd szerkezetek létrehozása, amelyek több alkalmazási területen is hasznosak lehetnek a porozitás típusától függően (zárt vagy épp nyitott pórusokat tartalmaznak-e). Nagy mennyiségű, kisméretű, zárt pórusok esetén a kapott anyag kellően kis hővezetési tényezővel, és mellette megfelelő szilárdsággal rendelkezik ahhoz, hogy a pórusbetonokhoz hasonló, szerkezettartó és hőszigetelő szerepet töltsön be. Az erősen lúgos természete miatt alumínium por és H2O2 oldat is alkalmas az alkáli aktivált anyagok habosítására. Kutatásaink során sikerült metakaolinból és kohósalakból is habosított alkáli aktivált anyagokat előállítani. Az 5. ábra jól szemlélteti, hogy a habosítószer (H2O2) koncentrációjának függvényében egészen változatos pórusszerkezet is kialakítható, de ugyanígy hatással lesz a pórusszerkezetre a massza összetétele vagy a minta tárolási körülményei is. Kiindulási alapanyagként pernye és perlit szintén felhasználható, amellyel kapcsolatban a Miskolci Egyetemen végeztek kutatásokat.  Ha a pórusszerkezetben inkább az egymásba nyíló pórusok dominálnak, akkor a kapott anyag egy merev, igen nagy fajlagos felülettel rendelkező váz lesz. Kutatásaink egyik célja épp ilyen mikroszerkezetű katalizátor-hordozó vázak előállítása, és mivel kötőanyagról van szó, ezért a váz alakját viszonylag könnyű kialakítani, a habosítást pedig H2O2 végzi. Metakaolin alapú rendszerből indulunk ki, ezért a kapott anyag nagy porozitással (> 80% (V/V)) emellett megfelelő szilárdsággal (~ 1 MPa) rendelkezik. Távlati terveink között szerepel, hogy a „vázra” fotokatalitikusan aktív anyagot, TiO2-ot vigyünk fel, így a rendszer alkalmassá válhat szennyvíztisztítási szerep betöltésére. A TiO2 immobilizálásához körülbelül 400 °C-os hőkezelést kell alkalmazni, ezért is esett a választásunk a geopolimerekre, mivel ez az anyagrendszer viszonylag nagy hőmérsékletnek is ellenáll jelentős szilárdság-csökkenés nélkül.

Köszönet az EFOP-3.6.1-16-2016-00015 projekt anyagi támogatásáért.

“Az Emberi Erőforrások Minisztériuma ÚNKP-17-3-III kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának támogatásával készült”