1 Beton siarkowy i jego zastosowanie w budownictwie pozaziemskimKonferencja wyjazdowa WRSWCh 10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Beton siarkowy i jego zastosowanie w budownictwie pozaziemskim Rafał ANYSZKA, Dariusz M. BIELIŃSKI, Mariusz SICIŃSKI, Mateusz IMIELA, Tomasz GOZDEK Instytut Technologii Polimerów i Barwników, Wydział Chemiczny, Politechnika Łódzka

2 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Betony siarkowe są to materiały kompozytowe, w których osnową wiążącą kruszywa i proszki mineralne jest siarka bądź kopolimery siarkowo-organiczne w miejscu klasycznie stosowanego cementu. Siarka ulega homopolimeryzacji w temperaturze > 159 °C pod ciśnieniem atmosferycznym, lecz jest w tej formie nietrwała. Aby ustabilizować strukturę polimeryczną siarki wprowadza się dodatki organiczne (komonomery) reaktywne w stosunku do siarki (nienasycone węglowodory). Betony siarkowe sporządzane są poprzez podgrzanie osnowy siarkowej bądź polimerowej powyżej temperatury topnienia i wymieszanie jej z komponentami sypkimi.

3 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Laboratorium sporządzania betonów siarkowych znajdujące się w Instytucie Technologii Polimerów i Barwników, PŁ

4 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Zalety betonów siarkowych w porównaniu z klasycznymi: Dużo większa szybkość wiązania (kilka godzin w porównaniu z kilkunastoma dniami) Dużo wyższa wytrzymałość na rozciąganie Wyższa wytrzymałość na ściskanie Brak konieczności stosowania wody oraz obecności dwutlenku węgla do wytworzenia i związania betonu Dużo mniejsze wymagane nakłady energetyczne (temperatura sporządzania 130 – 170 °C; temperatura wytwarzania cementu portlandzkiego 1250 – 1450 °C) Zdolność do całkowitego recyklingu poprzez podgrzanie powyżej temperatury topnienia osnowy i ponowne uformowanie Dużo wyższa hydrofobowość Dużo wyższa odporność chemiczna

5 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Wady betonów siarkowych w porównaniu z klasycznymi: Dużo mniejsza odporność termiczna, w temperaturze powyżej 120 °C beton siarkowy mięknie przechodząc w stan lepko-płynny Dużo niższa odporność ogniowa, zarówno siarka jak i kopolimery siarkowo-organiczne są palne Z tego powodu betony siarkowe nigdy nie zostaną dopuszczone do użycia w wielkoskalowym budownictwie w takim stopniu jak klasyczne betony zawierające mineralny cement…

6 … na Ziemi Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Wady betonów siarkowych w porównaniu z klasycznymi: Dużo mniejsza odporność termiczna, w temperaturze powyżej 120 °C beton siarkowy mięknie przechodząc w stan lepko-płynny Dużo niższa odporność ogniowa, zarówno siarka jak i kopolimery siarkowo-organiczne są palne Z tego powodu betony siarkowe nigdy nie zostaną dopuszczone do użycia w wielkoskalowym budownictwie w takim stopniu jak klasyczne betony zawierające mineralny cement… … na Ziemi

7 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Mars Zakres temperatur -130 – 27 °C Mars zawiera znaczące ilości siarki obecne na powierzchni w postaci siarczanów wapnia i magnezu oraz siarczków żelaza* Powierzchnia Marsa pokryta jest regolitem, czyli pylistą substancją charakteryzującą się dużym rozdrobnieniem cząstek, powstającą w wyniku różnego rodzaju procesów erozyjnych G. Cusatis i in. wytworzyli próbki betonów siarkowych wykorzystując symulant marsjańskiego regolitu** uzyskując materiał o wytrzymałości na ściskanie 50 MPa co odpowiada 150 MPa w warunkach marsjańskiej grawitacji*** *King, P.L., McLennan, S.M., Sulfur on Mars. Elements, 6, **http://www.orbitec.com/store/simulant.html ***http://arxiv.org/pdf/ v1.pdf

8 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Zakres temperatur -170 – 120 °C Księżyc Na księżycu odkryto obecność troilitu, który jest odmianą siarczku żelaza (FeS) występującą w meteorytach Powierzchnię księżyca pokrywa także warstwa regolitu, powstałego w efekcie erozji oraz bombardowania mikrometeortyów W grudniu 2015 roku przedstawiciele Europejskiej Agencji Kosmicznej zaanonsowali plan budowy międzynarodowej bazy kosmicznej na powierzchni księżyca do roku 2030* *http://www.space.com/31488-european-moon-base-2030s.html

9 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Warunki ciśnieniowo – temperaturowe na księżycu będą powodowały sublimację osnowy siarkowej* *http://arxiv.org/pdf/ v1.pdf

10 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Zdjęcia obrazujące morfologię betonu siarkowego bezpośrednio po sporządzeniu (a) oraz po kondycjonowaniu w wysokiej próżni przez 11 (b) i 54 (c) dni.* *Grugel, R.N., Toutanji, H., Adv. Space Res. 41, 103 – 112.

11 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Wykres obrazujący szybkość sublimacji 1 cm siarki w warunkach wysokiej próżni w różnych warunkach temperaturowych.* *Grugel, R.N., Toutanji, H., Adv. Space Res. 41, 103 – 112.

12 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Już w latach 80 wykazano, iż polimeryczna forma siarki nie ulega sublimacji w warunkach próżni kosmicznej* Ostatnie badania wykazały, iż promieniowanie kosmiczne i słoneczne jest w stanie zainicjować reakcję sieciowania żywicy epoksydowej, która została wyniesiona na 40 km (stratosfera) i pozostawała tam przez 3 dni** Energia wiązania pomiędzy atomami siarki jest znacznie niższa niż energia wiązań występujących w żywicach epoksydowych S-S (226 kJ/mol), Carom-H (469 kJ/mol), Calif-H ( kJ/mol), C-C (346 kJ/mol), C=C (602 kJ/mol), C-O (358 kJ/mol) *Nash, D.B., Sulfur in vacuum: Sublimation effects on frozen melts, and applications to Io’s surface and tours. Icarus 72, 1-34 **arXiv: v1

13 Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Warunki wysokiej próżni ułatwiają tworzenie plazmy niskotemperaturowej poprzez zwiększenie długości drogi swobodnej zjonizowanej cząstki a zatem zwiększenie jej energii. Plazma niskotemperaturowa jest coraz częściej stosowana do wytwarzania spolimeryzowanych powłok lub inicjowania polimeryzacji związków małocząsteczkowych w ogóle *https://www.plasma.com/en/plasmatechnik/low-pressure-plasma/coating-by-plasma polymerization/ **http://www.che.yzu.edu.tw/lablist/show/id/48/lab_type/1/lang/english.html

14 Spojrzenie w przyszłośćKonferencja wyjazdowa WRSWCh 10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Spojrzenie w przyszłość Ceres jest planetą karłowatą a Wsta planetoidą, obydwa ciała niebieskie znajdują się w pasie planetoid pomiędzy Marsem a Jowiszem Masa Ceres stanowi ok. 1/3 masy całego pasa planetoid, natomiast Westa jest kolejna pod względem masy Westa Ceres Wśród minerałów występujących na karłowatej planecie Ceres znajdują się najprawdopodobniej znaczne ilości siarczków żelaza, niklu i kobaltu* *http://adsabs.harvard.edu/abs/2014DPS P

15 Spojrzenie w przyszłość – księżyce JowiszaKonferencja wyjazdowa WRSWCh 10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Spojrzenie w przyszłość – księżyce Jowisza Io Europa Ganimedes Kallisto Bogaty w zasoby siarki Io może w przyszłości być wykorzystany do dostarczania jej w celach konstrukcyjnych na powierzchnie atrakcyjnych pod względem możliwości kolonizacyjnych Europy, Ganimedesa i Kallisto

16 Wnioski: Konferencja wyjazdowa WRSWCh 10-13 Marca 2016 r, MurzasichleBetony siarkowe są bardzo perspektywicznymi materiałami konstrukcyjnymi do stosowania w warunkach beztlenowych i w relatywnie niskich temperaturach Podtrzymanie siarki w postaci polimerycznej gwarantuje trwałość konstrukcji kosmicznych w warunkach wysokiej próżni Obecność promieniowania kosmicznego i słonecznego może przyczynić się do tworzenia i utrzymywania struktur polimerycznych siarki Warunki wysokiej próżni pozawalają na zastosowanie wydajnej obróbki plazmowej do wytworzenia struktur polimerycznych siarki i konserwacji wykonanych z betonu siarkowego budowli użytkowych

17 Podziękowania Konferencja wyjazdowa WRSWCh10-13 Marca 2016 r, Murzasichle Podziękowania Badania przeprowadzone zostały przy wsparciu finansowym Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej z projektu GEKON Nr GEKON1/O5/213122/26/2015