Geopolimer kötőanyag ipari hulladékok felhasználásával (Geopolymer binder using industrial wastes)

Erre a témakiírásra nem lehet jelentkezni.
Nyilvántartási szám: 
18/07
Témavezető neve: 
Témavezető e-mail címe:
kopecsko.katalin@epito.bme.hu
A témavezető teljes publikációs listája az MTMT-ben:
A téma rövid leírása, a kidolgozandó feladat részletezése: 
A geopolimer kötőanyag szervetlen, polimer rendszer, amely szobahőmérsékleten is szilárdul. Ez az alumino-szilikát anyag a cementkőben megtalálható szokásos hidrátfázisoktól jelentősen eltér. A geopolimerizáció kémiai reakció, amely alumínium-szilikátok és alkálifém-szilikát oldatok között megy végbe, lúgos körülmények között. A kőszerű végeredmény egy háromdimenziós polimer szerkezet, amelynek mind a szilárdulási üteme, mind az időállósága és transzport jelenségei eltérőek a cementkötésű anyagokétól. Előállításukhoz nagyrészt a földrajzilag előforduló, és így eltérő összetételű ipari hulladékokat használják fel, mint pl. pernyét, kohósalakot, üveghulladékot, stb. A geopolimerek többek között az építőanyagok új családjának is tekinthetők. A geopolimer kötőanyagokkal kompozit anyagok hozhatók létre, valamint a veszélyes hulladékok beágyazására is alkalmasak lehetnek, ezáltal a fenntartható fejlődés célkitűzései és a környezettudatosság elvei is érvényesíthetőek.
A geopolimerek a kötőanyagok új családjának tekinthetők. A geopolimer rendszerek alkalmazásával a cementgyártás környezetre gyakorolt káros hatása csökkenthető. A jövőben a geopolimer kötőanyagokkal a hagyományos cement gyártmányok helyettesíthetők.
A geopolimer kötőanyagokkal kompozit anyagok (pl. habarcs, beton, szálerősítésű kompozitok) hozhatók létre, amelyek felhasználhatók szerkezetépítői célokra vagy akár veszélyes hulladékok beágyazására is. Ezáltal a fenntartható fejlődés céljai és a környezettudatosság elvei is érvényesíthetők.
A kutatás célja a geopolimer kötőanyagok tulajdonságainak optimalizálása, a nyersanyagok fizikai és kémiai tulajdonságainak ismeretében. A kutatás első részében a geopolimer kötőanyagokat kísérleti úton tanulmányozzuk és optimalizáljuk a friss (meg nem szilárdult tulajdonságok, például viszkozitás), valamint a megszilárdult tulajdonságok alapján. Ezután a kompozit rendszerek (geopolimer habarcs vagy beton) széles körű tanulmányozására kerül sor. A friss tulajdonságok (pl. konzisztencia, bedolgozhatóság, eltarthatóság) a geopolimer kompozitok alkalmazhatóságának fontos jellemzői. A kutatás során a mechanikai jellemzők mellett a mikroszerkezetet, a zsugorodást, a kioldódást, a tartósságot és a transzport folyamatokat is tanulmányozni kell kísérleti úton. Elvárás, hogy a kutatás eredményeként új tudományos eredmények szülessenek, valamint javaslatok a különböző geopolimer kötőanyagok és kompozitok ipari alkalmazására. 
*****
The geopolymer binder is an inorganic polymeric system that solidifies at room or elevated temperature. The geopolymerization is a chemical reaction between aluminum silicates and alkali metal silicate solutions under alkaline conditions. The product is a three-dimensional polymeric structure. Geopolymer binders are aluminosilicate materials, which differ significantly from the phases can be found in the cementitious materials (clinker hydrate phases: CSH and CAH phases). In addition to the rate of solidification, durability and transport phenomena also differing from the cementitious materials. Most of the geopolymers are produced by the utilization of industrial waste that is geographically available and therefore has a different composition, e.g. fly ash, slags, waste glass, red mud, etc. The different compositions and conditions of the raw materials provide different reactivity, which means that the application of the geopolymer has many difficulties and should study extensively. 
Geopolymers can be considered, as a new family of binding materials. With the application of geopolymer systems the high impact of the cement manufacturing on the environment can be reduced. In the near future geopolymer binders can be used to replace the ordinary cement productions. 
With geopolymer binders composite materials (e.g. mortar, concrete, fibre reinforced composites) can be created and can be used to structural purposes or to embed dangerous wastes. This way the goals of sustainable development and the principles of environmental awareness can be enforced.
The aim of the research is to optimize the properties of geopolymer binders, which can be made by knowing the physical and chemical characteristics of the raw materials. During the first part of the research the geopolymer binders are experimentally studied and optimized by the fresh properties (e.g. viscosity) and by the hardened characteristics. Then the composite systems (geopolymer mortar or concrete) are extensively studied. Fresh properties (e.g. consictency, workability, shelf life) are important measures of the applicability of the geopolymer composites. In addition to the mechanical characteristics, microstructure, shrinkage, leaching, durability, and transport properties are also experimentally studied. As the results of the research new scientific results are expected as well as design methodology of geopolymer binders and composites are proposed for different purposes.

 

A téma meghatározó irodalma: 
1.
H. K. Tchakouté, C. H. Rüscher, S. Kong, E. Kamseu, C. Leonelli: Geopolymer binders from metakaolin using sodium waterglass from waste glass and rice husk ash as alternative activators: A comparative study, http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.03.184;
2. 
J. Davidovits: Geopolymer Chemistry and Applications, (third ed.) Institute Geopolymer, Saint-Quentin, France (2011) 612 p
3.
J.L. Provis, J.S.J. van Deventer: Geopolymers: Structures, Processing, Properties and Industrial Applications, Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, UK (2009);
4.
S.D. Wang, K.L. Scrivener: Factors affecting the strength of alkali-activated slag, Cem. Concr. Res., 24 (1994), pp. 1033–1043;
5.
R. Witherspoon, H. Wang, T. Aravinthan, T. Omar: Energy and emissions analysis of fly ash based geopolymers, SSEE International Conference-Solutions for a Sustainable Planet, Society for Sustainability and Environment Engineering, Melbourne, Victoria, Australia (2009) (Paper 29);
6.
B. Tempest, O. Sanusi, J. Gergely, V. Ogunro, D. Weggel: Compressive strength and embodied energy optimization of fly ash based geopolymer concrete, Proceedings of the 2009 World of Coal Ash (WOCA) Conference. Lexington, KY, USA (2009);
7.
C.H. Rüscher, E.M. Mielcarek, J. Wongpa, C. Jaturapitakkul, F. Jirasit, L. Lohaus: Silicate-, aluminosilicate and calcium silicate gels for building materials: chemical and mechanical properties during ageing, Eur. J. Mineral., 23 (2011), pp. 111–124,
8.
L.M. Federico, S.E. Chidiac: Waste glass as a supplementary cementitious material in concrete – critical review of treatment methods, Cem. Concr. Compos., 31 (2009), pp. 606–610.
9.
P.S. Ambily, K. Ravisankar, Ch. Umarani, J.K. Dattatreya, N.R. Iyer: Development of ultra-high-performance geopolymer concrete, Magazine of Concrete Research, Volume 66 Issue 2, January 2014, pp. 82-89.
10.
S. Özen, B. Alam: Compressive Strength and Microstructural Characteristics of Natural Zeolite-based Geopolymer, Periodica Polytechnica Civil Engineering, 62(1) (2018), 64-71. 
A téma hazai és nemzetközi folyóiratai: 
1. PERIODICA POLYTECHNICA-CIVIL ENGINEERING;
3. POLLACK PERIODICA: AN INTERNATIONAL JOURNAL FOR ENGINEERING AND INFORMATION SCIENCES;
3. ACTA TECHNICA NAPOCENSIS - CIVIL ENGINEERING & ARCHITECTURE;
4. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH;
5. CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS;
6. JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS & CALORIMETRY;
7. Advances in Materials Science and Engineering
A témavezető utóbbi tíz évben megjelent 5 legfontosabb publikációja: 
1.
Zs. Kerekes; É. Lublóy; K. Kopecskó: Behaviour of tyres in fire: Determination of burning characteristics of tyres, JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS AND CALORIMETRY: pp. 1-9. (2018)
2.
K. Kopecskó; G.L. Balázs: Concrete with Improved Chloride Binding and Chloride Resistivity by Blended Cements, ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING 2017: Paper 7940247. 13 p. (2017);
3.
É. Lublóy; K. Kopecskó; G.L. Balázs; Á. Restás and I.M. Szilágyi: Improved fire resistance by using Portland-pozzolana or Portland-fly ash cements, JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS & CALORIMETRY (2017);
4.
Juhász, P.; Kopecskó, K. and Suhajda, Á.: Analysis of capillary absorption properties of porous limestone material and its relation to the migration depth of bacteria in the absorbed biomineralizing compound, PERIODICA POLYTECHNICA-CIVIL ENGINEERING 58:(2) pp. 113-120. (2014);
5. 
Mlinárik, L. and Kopecskó, K.: Influence of metakaolin on chemical resistance of concrete, IOP CONFERENCE SERIES: MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING 47: Paper 012014. 6 p. (2013);
A témavezető fenti folyóiratokban megjelent 5 közleménye: 
1. 
Lublóy, É.; Kopecskó, K.; Balázs, G.L.; Szilágyi, M.I. and Madarász, J.: Improved fire resistance by using slag cements, JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS & CALORIMETRY (2016);
2.
K. Kopecskó; G.L. Balázs: Concrete with Improved Chloride Binding and Chloride Resistivity by Blended Cements, ADVANCES IN MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING 2017: Paper 7940247. 13 p. (2017);
2.
Nagy G., Nagy L. and Kopecskó K.: Examination of the physico-chemcial composition of dispersive soils, PERIODICA POLYTECHNICA-CIVIL ENGINEERING, 60: (2016);
3. 
Juhász, P. and Kopecskó. K.: Evaluating effect of biomineralization compounds on the surface hardness and material loss of porous limestone, POLLACK PERIODICA: AN INTERNATIONAL JOURNAL FOR ENGINEERING AND INFORMATION SCIENCES 8:(3) pp. 175-186. (2013); 
4.
Mlinárik, L. and Kopecskó, K.: Impact of metakaolin - a new supplementary material - on the hydration mechanism of cements, ACTA TECHNICA NAPOCENSIS - CIVIL ENGINEERING & ARCHITECTURE 56:(2) pp. 100-110. (2013);

A témavezető eddigi doktoranduszai

Mlinárik Lilla (2012/2015/)
Juhász Péter (2010/2013/2015)
Ali AL DABBAS (2017//)
Státusz: 
elfogadott