MOŽNOSTI VYUŽITÍ GEOPOLYMER PRO HLUBINNÉ ÚLOŽIŠT
Abstrakt
T. ernoušek, P. Kova ík, P. Votava, P. Polivka Centrum výzkumu ež s.r.o., Hlavní 130,Husinec – ež, 250 68
[email protected]
Základní požadavkem návrhu technického ešení hlubinného úložišt je jeho bezpe nost, kterou zajiš uje multibariérový systém. Rozsah použití betonu v HÚ není v sou asnosti znám, ale uvažuje se jeho využití pro aplikace v oblastech uzav ení vrtu ocelovo-betonovou zátkou, betonových p í ek a p ístupových chodeb a jiných aplikací. Z dlouhodobého hlediska se beton nepovažuje za dostate n stabilní materiál pro HÚ. Degradace betonu vede ke vzniku nových minerál a alkalických roztok . Tyto alkalické roztoky mohou následn ovlivnit stabilitu bentonitové geotechnické ochrany. Pro zajišt ní dlouhodobé životnosti a bezpe nosti hlubinného úložišt se jeví velice výhodné nahradit uvažovaný beton za geopolymerní beton, který se vyzna uje vysokou pevností, chemickou odolností, svou stabilitou se blíží p írodnímu kameni a je kompatibilní s bentonitem. Abstract The basic requirement for technical design of deep geological repository is the safety that is ensured by the multi-barrier system. Scope of application of concrete in deep geological repository is currently unknown, but its use is being considered for applications in the fields of borehole closure of steel-concrete plug, concrete walls and access corridors and other applications. In the long term, concrete is not considered stable enough material for deep geological repository. Degradation of concrete is dependent on the presence of water, which leads to the formation of new minerals and alkaline solutions. These alkaline solutions may adversely affect the stability of bentonite geotechnical protection. To ensure a long service life and safety of a deep geological repository seems very appropriate to the candidate for geopolymer concrete, which is characterized by high strength, chemical resistance, its stability is approaching natural stone and is compatible with bentonite. Úvod V sou asné dob je považováno za jedno z p ijatelných ešení pro ukon ení palivového cyklu z hlediska kone ného zneškodn ní vyho elého jaderného paliva a vysoceaktivních radioaktivních odpad hlubinné úložišt (HÚ). Základním požadavkem návrhu technického ešení HÚ na obr. 1 je jeho bezpe nost, kterou zajiš uje multibariérový systém sloužící proti úniku radioaktivních látek do životního prost edí.
Obr.1: Hlubinné úložišt
(http://www.ensi.ch/en/waste-disposal/deep-geological-repository/).
Plánovaný multibariérový systém se v R má skládat z inženýrské bariérové ochrany (úložný obalový soubor, geotechnická vícevrstvá ochrana bentonitem a jiné) a p írodní bariérové ochrany (geologické prost edí granitických hornin) na obr. 2.
Obr.2: Multibariérový systém Geotechnickou ochranu zajiš uje materiál na bázi bentonitu, který ut s uje, tlumí a vypl uje okolí úložného obalového souboru. Její funk nost závisí na dlouhodob stabilních vlastnostech minerálního prost edí bentonitu. Na základ sou asného konceptu hlubinného úložišt v R p edstavují bentonit a beton základní prvky p i budování hlubinného úložišt , které však nejsou úpln kompatibilní, vzhledem k možnému ovlivn ní stability bentonitu p i kontaktu s betonem a vlivem možných korozních napadení betonu spolu s jeho stárnutím. Sou asný stav Rozsah použití betonu v HÚ není v sou asnosti znám, ale uvažuje se jeho využití pro aplikace v oblastech uzav ení vrtu ocelovo-betonovou zátkou, betonových p í ek, p ístupových chodeb, spárování a ut sn ní trhlin v horninové formaci a pro r zné pomocné konstrukce pot ebné pro innost úložišt . V aplikaci týkající se skalní podpory se p edpokládá použití technologie nanášení pomocí st íkaného betonu, která je z hlediska asu a ceny velice ú inná. V p ípad špan lského konceptu hlubinného úložišt (granitické horninové prost edí) se p edpokládá, že bude pot eba 40 000 m3 betonu pro konstruk ní ú ely a ve švédském a finském konceptu hlubinného úložišt (granitické horninové prost edí) je množství betonu, které z stane v hlubinném úložišti odhadováno na 10 000 tun[1]. Beton je kompozitní materiál, který se skládá ze t ech hlavních ástí: cementu, kameniva a vody. Nejb žn ji používaný druh cementu p i výrob standardního betonu je portlandský cement, který v betonu vytvá í alkalickou pórovou vodu v rozsahu pH od 12,6 do 13,5. Z dlouhodobého hlediska se beton nepovažuje za dostate n stabilní materiál pro HÚ, vzhledem k p sobení mnoha korozních vliv (hydrolytická koroze, síranové narušení beton , karbonatace a další), které výrazn zvyšují mocnost betonu a mohou negativn ovlivnit stabilitu bentonitu[2, 3]. V p ípad kontaktu bentonitu s betonem, za p sobení spodních vod, dochází k narušení stability bentonitu vlivem loužení alkalických roztok z betonu dosahujících hodnot pH=13,5 (k omezenému poškození bentonitu dochází teprve pod hodnotou pH=11). Pro zajišt ní dlouhodobé stability bariérové ochrany bylo navrženo nahradit beton, který je v kontaktu s bentonitem, nízkoalkalickým betonem (nap . fosfovápenaté cementy, ho e nato fosfátové cementy a vápenato síranohlinité cementy), který by m l dosahovat alkality pH 11. Toto ešení se v sou asnosti rozsáhle zkoumá a je ve stádiu výzkumu[4]. Nevýhodou nízkoalkalických beton oproti b žným beton m je nap íklad
vyšší korozní rychlost železobetonových výztuh, vyšší poréznost, horší zpracovatelnost betonu a vyšší dimenzionální nestabilita (významné smršt ní v raném v ku)[5]. Geopolymery a geopolymerový beton Geopolymery (tzv. „anorganické polymery“, „minerální polymery“, „alkalicky aktivovaná pojiva“, a jiné) jsou pevný a stabilní hlinitok emi itanový materiál, který vzniká alkalickou aktivací pomocí hydroxidového nebo k emi itanového prekurzoru. Základními složkami geopolymer jsou alkalické roztoky a výchozí materiál. Výchozím materiálem pro geopolymery jsou hlinitok emi itany bohaté na k emík a hliník, které jsou tvo eny p írodními minerály (kaolinit, jíl, slída, analusit a jiné) nebo vedlejším materiálem (nap . popílek, vysokopecní struska, ervený kal). V závislosti na výb ru použitých surovin a podmínek zpracování vznikají geopolymery s mnoha rozdílnými vlastnostmi[6]. Zkušenosti s tímto materiálem prokázaly, že geopolymery mají vysokou po áte ní pevnost, nízké smršt ní, žáruvzdornost, mrazuvzdornost, korozivzdornost a odolnosti proti kyselinám[7-10]. Z hlediska ceny výroby geopolymer bylo vypo teno, že cena náklad výroby geopolymeru m že být až dvakrát vyšší než výroba Portlandského cementu. Tato cena je uskute nitelná pouze s ohledem na nejvhodn jší zdroj vstupních surovin a nejnižší náklady dopravy[11]. Geopolymerní beton p edstavuje nový alternativní stavební materiál nahrazující standardní beton, ve kterém je pojivo zcela nahrazeno anorganickým polymerem bez využití cementu. Tento materiál má zárove potenciál snížit emise CO2 o 26 – 45 %[12] nebo 70% [13] v porovnání s emisemi vznikající p i výrob cementu, kdy z 1000 kg cementu vzniká p ibližn 1000 kg CO2 (0,55 t se uvolní p i kalcinaci vápence a 0,40 t vzniká spalováním paliva). P i výrob geopolymeru se jedná pouze o emise CO2, které vznikají z produkce vstupních surovin (hydroxid sodný, k emi itan sodný, popílek). V porovnání s portlandským cementovým betonem mají vyráb né geopolymerové betony relativn vyšší pevnost, vynikající objemovou stálost, lepší trvanlivost, vysokou tepelnou odolnost a nevykazují nebezpe né alkalické reakce kameniva. Geopolymerní beton m že být nanášen technologií st íkaného betonu a nebo se m že kombinovat s ocelovými prvky p edstavující vyztužený beton[14, 15]. Alkalita pórového roztoku geopolymerového betonu se m že pohybovat v závislosti na složení sm si v r zném rozsahu (pH = 10 - 11 nebo pH = 11,5 – 12, a jiné)[16, 17]. Tato alkalita je sou asn závislá na teplot tepelné úpravy (teplota zrání) geopolymeru, která se stoupající teplotou klesá (nap . p vodní hodnota pH=10,5 p i teplotní úprav t=85°C klesá na hodnotu pH = 9,5 p i teplotní úprav t = 300°C). Použití vyšší teploty b hem zrání zárove zvyšuje výslednou mechanickou odolnost geopolymeru[18]. Uvedené vlastnosti geopolymerního betonu nazna ují, že lze nahradit dosud uvažovaný standardní a nízkoalkalický beton za geopolymerní beton pro výstavbu hlubinného úložišt . Vzhledem k vyšším požadavk m na bezpe nost je ale nutné získat dlouhodobá data týkající se jeho životnosti. Dosavadní výzkumy zabývající se životností geopolymerního betonu ukazují, že základní geopolymerní pojivo se jeví odolné a reak ní produkty jsou stabilní v pr b hu asu[19]. Záv r Pro zajišt ní dlouhodobé životnosti a bezpe nosti HÚ se jeví geopolymer jako ideální náhrada za standardní a nízkoalkalický beton, vzhledem k jeho vlastnostem, vliv m na životní prost edí a kompatibilit s bentonitem. V p ípad použití geopolymer vyvstává mnoho výzkumných úkol , které bude pot eba v budoucnu uskute nit, aby bylo možné aplikovat geopolymer v hlubinném úložišti. Jedná se nap íklad o stanovením obecných zásad a doporu ených postup pro použití geopolymeru, navržení geopolymeru o alkalit pH 11,
ekonomický rozbor geopolymeru, studium dlouhodobé životnosti geopolymeru, studium interakcí mezi bentonitem a geopolymerem a další. Tyto a další výzkumné innosti mohou zárove podpo it rozvoj pr myslové výroby geopolymeru v R, vedoucí ke snížení emisí CO2. Literatura [1] Ahn, J., and Apted, M. J., 2010, Geological Repository Systems for Safe Disposal of Spent Nuclear Fuels and Radioactive waste, Taylor & Francis Group. [2] Romer, M., Holzer, L., and Pfiffner, M., 2003, "Swiss tunnel structures: concrete damage by formation of thaumasite," Cement and Concrete Composites, 25(8), pp. 1111-1117. [3] Glasser, F. P., Marchand, J., and Samson, E., 2008, "Durability of concrete — Degradation phenomena involving detrimental chemical reactions," Cement and Concrete Research, 38(2), pp. 226-246. [4] García Calvo, J. L., Hidalgo, A., Alonso, C., and Fernández Luco, L., 2010, "Development of low-pH cementitious materials for HLRW repositories: Resistance against ground waters aggression," Cement and Concrete Research, 40(8), pp. 1290-1297. [5] Coumes, C. C. d., 2008, "Low pH cements for waste repositories a review," 2nd International Workshop Mechanisms and modelling of waste/cement interactionsLe Croisic/France. [6] Duxson, P., Fernández-Jiménez, A., Provis, J. L., Lukey, G. C., Palomo, A., and van Deventer, J. S., 2007, "Geopolymer technology: the current state of the art," Journal of Materials Science, 42(9), pp. 2917-2933. [7] Sata, V., Sathonsaowaphak, A., and Chindaprasirt, P., 2012, "Resistance of lignite bottom ash geopolymer mortar to sulfate and sulfuric acid attack," Cement and Concrete Composites, 34(5), pp. 700-708. [8] Zhao, R., and Sanjayan, J. G., 2011, "Geopolymer and Portland cement concretes in simulated fire," Magazine of Concrete Research, pp. 163-173. [9] Miranda, J. M., Fernández-Jiménez, A., González, J. A., and Palomo, A., 2005, "Corrosion resistance in activated fly ash mortars," Cement and Concrete Research, 35(6), pp. 1210-1217. [10] Bakharev, T., 2005, "Durability of geopolymer materials in sodium and magnesium sulfate solutions," Cement and Concrete Research, 35(6), pp. 1233-1246. [11] McLellan, B. C., Williams, R. P., Lay, J., van Riessen, A., and Corder, G. D., 2011, "Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary portland cement," Journal of Cleaner Production, 19(9–10), pp. 1080-1090. [12] Lloyd, N. A., and Rangan, B. V., 2009, "Geopolymer Concrete: A review of development and opportunities," CI Premier PTE LTD. [13] Weil, M., Dombrowski, K., and Buchwald, A., "Development of Geopolymers Supported by Systems Analysis." [14] Sakulich, A. R., 2011, "Reinforced geopolymer composites for enhanced material greenness and durability," Sustainable Cities and Society, 1(4), pp. 195-210. [15] Provis, J. L., and Van Deventer, J. S. J., 2009, Geopolymers: Structure, Processing, Properties and Industrial Applications, CRC Press. [16] Wang, Q., Ding, Z. Y., Zhang, J., Qiu, L. G., and Sui, Z. T., 2011, "Study on Slag-Based Geopolymer Hydration Process," Key Engineering Materials, 477, pp. 67-71. [17] Álvarez-Ayuso, E., Querol, X., Plana, F., Alastuey, A., Moreno, N., Izquierdo, M., Font, O., Moreno, T., Diez, S., Vázquez, E., and Barra, M., 2008, "Environmental, physical and structural characterisation of geopolymer matrixes synthesised from coal (co-)combustion fly ashes," Journal of Hazardous Materials, 154(1–3), pp. 175-183.
[18] Davidovits, J., 2008, Geopolymer: Chemistry & Applications, Geopolymer Institute. [19] Xu, H., Provis, J. L., van Deventer, J. S. J., and Krivenko, P. V., 2008, "Characterization of aged slag concretes," ACI Materials Journal, 105(2). Tato práce vznikla za podpory projektu SUSEN CZ.1.05/2.1.00/03.0108 (ERDF)
