Mikrostruktura i właściwości geopolimerów powstających w procesie alkalicznej aktywacji popiołu lotnego

Rajczyk, Krystyna; Janus, Grzegorz

doi:10.32047/cwb.2021.26.4.2

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Mikrostruktura i właściwości geopolimerów powstających w procesie alkalicznej aktywacji popiołu lotnego

Autorzy

Rajczyk Krystyna , Janus Grzegorz

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://www.cementwapnobeton.pl/

Identyfikatory

DOI

10.32047/cwb.2021.26.4.2

Warianty tytułu

Microstructure and properties of geopolymers formed in the alkali activation process of fly ash

Języki publikacji

PL EN

Abstrakty

W pracy przedstawiono wyniki badań możliwości otrzymania trwałego betonu geopolimerowego o dużej wytrzymałości, którego podstawowym składnikiem jest popiół lotny. W wyniku przeprowadzonych badań ustalono, że największą możliwość uzyskania betonu geopolimerowego o dużej wytrzymałości wykazały drobnoziarniste, specjalnie wyselekcjonowane popioły krzemionkowe ze spalania węgla kamiennego, nazywane ultra drobnymi popiołami. Jednak beton geopolimerowy, otrzymany przez alkaliczną aktywację tych popiołów 8M roztworem NaOH, nie jest odporny na cykliczne zamrażanie i rozmrażanie. Zastąpienie 15% popiołu lotnego prażoną odpadową gliną oraz stosowanie aktywatora, stanowiącego mieszaninę roztworu NaOH i szkła wodnego, znacznie zwiększyły trwałość tego betonu. Ta modyfikacja składu betonu wpłynęła na zmianę mikrostruktury matrycy w betonie, w której między innymi stwierdzono w badaniach, występowanie krystalicznego kankrynitu.

The paper presents the results of the study on the possibility of obtaining high-strength durable geopolymer concrete with fly ash as the basic component. As a result of the research conducted, it was found that the highest potential to obtain geopolymer concrete with high strength was shown for fine-grained, specially selected siliceous ashes from coal combustion. However, the geopolymer concrete obtained by alkaline activation of these ashes with the 8M NaOH solution was not resistant to freeze-thaw cycles. Replacement of 15% fly ash with calcined waste clay and the use of the mixture of NaOH solution and water glass as an activator substantially increased the durability of this concrete. This modification of the concrete composition changed the microstructure of the matrix in the hardened concrete, since the cancrinite was found in the study.

Słowa kluczowe

aktywacja alkaliczna popiół lotny spoiwo geopolimerowe beton bezcementowy kankrynit beton geopolimerowy

alkaline activation fly ash geopolymer binder cement-free concrete cancrinite geopolymer concrete

Wydawca

Fundacja Cement, Wapno, Beton

Czasopismo

Cement Wapno Beton

Rocznik

2021

Tom

R. 26, nr 4

Strony

279--293

Opis fizyczny

Bibliogr. 61 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Rajczyk Krystyna

krystyna.rajczyk@icimb.lukasiewicz.gov.pl

Łukasiewicz Research Network Institute of Ceramics and Building Materials, Environmental Engineering Department in Opole

autor

Janus Grzegorz

Łukasiewicz Research Network Institute of Ceramics and Building Materials, Environmental Engineering Department in Opole

Bibliografia

1. J. Davidovits, Soft mineralogy and geopolymers, in Proceedings of the Geopolymer 88th International Conference, Compiegne, France, 1. 19-23 (1988).
2. J. Davidovits, Geopolymer: Inorganic polymeric new materials. J. Therm. Anal. Calorim., 37, 1633-1656 (1991). https://doi.org/10.1007/bf01912193
3. V. D. Glukhovsky, G. S. Rostovskaya, G. V. Ramana, High strength slag-alkaline cements. 7th ICCC Paris, 3, 164-168, (1980).
4. P. V. Krivenko, Alkaline cements: Terminology, classification, aspect of durability. 9th ICCC New Dehli, 4, 6-7, (1992).
5. W. Brylicki, Modification of alkali activated slag pastes by use of mineral admixtures. 10th ICCC Göteborg, 3, 4-7, (1997).
6. J. Małolepszy, Hydratacja i właściwości spoiwa żużlowo-alkalicznego. Zeszyty Naukowe AGH - Ceramika 53, (1989).
7. J. Deja, Skład fazowy zaczynów żużlowych aktywowanych alkaliami. Cem. Wapno Beton, 3, 127-137 (2005).
8. A. Derdacka-Grzymek, J. Małolepszy, W. Brylicki. J. Deja, Spoiwo hydrauliczne. Patent PL nr 271470.
9. K . Rajczyk, E. Giergiczny, M. Szota, Mikrostruktura i właściwości stwardniałych spoiw geopolimerowych z popiołu lotnego. Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych, 23. (2015).
10. K. Rajczyk, E. Giergiczny, K. Płachetka, M. Szota, Aktywacja popiołów lotnych odpadami wysoko alkalicznymi. Praca statutowa Ł-ICIMB 4N009S13, Opole 2013.
11. K. Rajczyk, G. Rolka, K. Różycka, J. Kuterasińska, E. Giergiczny, H. Kochanek, Beton bezcementowy z materiałów odpadowych alkalicznie aktywowanych. Praca statutowa Ł-ICIMB 4N001S16. Opole 2016
12. K. Rajczyk, G. Janus, A. Kaliciak, D. Brukhanska, Cementless concrete from kaolinite and alumino-silicate waste materials. Book of abstracts, 13th Conference for Young Scientist in Ceramics s. 147-148 (2019).
13. J. Mikuła, M. Łach, Wytwarzanie i właściwości geopolimerów na bazie tufu wulkanicznego. Inżynieria Materiałowa, 35(3), 270-276 (2014).
14. A. Stefańska, M. Łach, J. Mikuła, Geopolimery jako przykład możliwości zagospodarowania odpadów. Nowoczesne technologie XXI w. - przegląd, trendy i badania. Tom 1. Wydawnictwo Naukowe TYGIEL sp. z o.o. 2019
15. J. Mikuła, M. Łach, Geopolimery - Nowa przyjazna środowisku alternatywa dla betonu na bazie cementu portlandzkiego. Przykłady wdrożenia i wyniki badań. W: Rozwiązania proekologiczne w zakresie produkcji. Tom 1, Politechnika Krakowska, Kraków 2014
16. M. Łach, R.A. Gado, J. Marczyk, C. Ziejewska, N. Doğan-Sağlamtimur, J. Mikuła, M. Szechyńska-Hebda, M. Hebda, Process design for a production of sustainable materials from post-production clay. Materials, 14(4) (2021). https://doi.org/10.3390/ma14040953
17. A. Derdacka-Grzymek, A. Stok, Bezcementowe spoiwo z popiołu lotnego. Cem. Wapno Gips, 8-9, 220-222 (1980).
18. T. Silvestrim, H. Rostami, J. Larralde, A. Samadi, Fly ash cementittous material and method of making product. Patent US nr 5601643.
19. J. Garcia-Lodeiro, O. Maltceva, A. Palomo, A. Fernandes-Jiménez, Hybrid alkaline cements: Part I. Fundamentals. Romanian Journal of Materials, 42, 330–335 (2012).
20. A. Fernández-Jiménez and A. Palomo, Characterisation of fly ashes. Potential reactivity as alkaline cements. Fuel, 82(18), 2259-2265, (2003). https://doi.org/10.1016/S0016-2361(03)00194-7
21. J. G. S. Van Jaarsveld, J. S. J. Van Deventer, L. Lorenzen, The potential use of geopolymeric materials to immobilize toxic metals: Part I. Theory and applications. Miner. Eng. 10(7), 659-669, (1997). https://doi.org/10.1016/S0892-6875(97)00046-0
22. O. K. Wattimena, A. Antoni, D. Hardjito, A review on the effect of fly ash characteristics and their variations on the synthesis of fly ash based geopolymer. AIP Conference Proceedings, 1887(1), 020041 (2017). https://doi.org/10.1063/1.5003524
23. C. K. Yip, G. C. Lukey, J. S. J. Van Deventer, The coexistence of geopolymeric gel and calcium silicate hydrate at the early stage of alkaline activation. Cem. Concr. Res. 35(9), 1688-1697, (2005). http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2004.10.042
24. A. Antoni, J. Satria, A. Sugiarto, D. Hardjito, Effect of Variability of fly ash obtained from the same source on the characteristics of geopolymer, MATEC Web of Conferences (97) 01026, (2017). https://doi.org/10.1051/matecconf/20179701026
25. J. Temuujin, A. Van Riessen, R. Williams, Influence of calcium compounds on the mechanical properties of fly ash geopolymer pastes, J. Hazard. Mater. 167 (1-3), 82-88, (2009). https://doi.org/10.1016/j.jhazmat. 2008.12.121
26. A. Antoni, S. Wibiatma Wijaya, D. Hardjito, Factors affecting the setting time of fly ash - based geopolymer. Mater. Sci. Forum, 841, 90-97, (2016). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.841.90
27. J. Škvarla, M. Sisol, J. Botula, M. Kolesárová, I. Krinická, The potential use of fly ash with a high content of unburned carbon in geopolymers. Acta Geodyn. Geomater. 8(2), 123-132, (2011).
28. A. Fernandez-Jiménez, A. Palomo, Composition and microstructure of alkali activated fly ash binder: Effect of the activator. Cem. Concr. Res. 35, 1984-1992 (2005). https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2005.03.003
29. S. E. Wallah, B. V. Rangan, Low-calcium fly ash-based geopolymer concrete: Long-term properties. Research Report GC 2 Faculty of Engineering Curtin University of Technology Perth, Australia 2006
30. S. Radhakrishnan, R. Jeyalakshmi, K. G. Selvan, N. Rajamane, Fly ash/slag geopolymer technology development and deployment in construction and infrastructure industry: India’s perspective. IJESE 10, 757-765 (2017). https://doi.org/10.21276/ijee.2017/10.0406
31. A. Palomo, M. W. Grutzeck, M. T. Blanco, Alkali activated fly ashes: A cement for the future. Cem. Concr. Res. 29, 1323-1329 (1999). https://doi.org/10.1016/S0008-8846(98)00243-9
32. A. Fernandez-Jiménez, A. Palomo, Alkali-activated fly ashes: Properties and characteristics, 11th ICCC Durban, South Africa, 2003. https://doi.org/10.3989/mc.2006.v56.i281.92
33. C. Ma, A. Z. Awang, W. Omar, Structural and material performance of geopolymer concrete: A review. Constr. Build. Mater., 186, 90-102 (2018). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.111
34. R. Maddalena, J. J. Roberts, A Hamilton, Can Portland cement be replaced by low-carbon alternative materials? A study on the thermal properties and carbon emissions of innovative Cements. J. Clean. Prod. 186, 933-942 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.02.138
35. G. Habert, J.B. d’Espinose de Lacaillerie, N. Roussel, An environmental evaluation of geopolymer based concrete production: reviewing current research trends, Journal of Cleaner Production, 19(11), 1229-1238 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2011.03.012
36. T. K. Louise, C. G. Frank, Carbon dioxide equivalent (CO2) emissions: A comparison between geopolymer and OPC cement concrete. Constr. Build. Mater. 43, 125-130 (2013).
37. S. Grzeszczyk, The truth about the geopolymers. Cem. Wapno Beton 26(2) 101-108 (2021), https://doi.org/10.32047/CWB.2021.26.2.7
38. J. Davidovits, False values on CO2 emission for geopolymer cement/concrete published in scientific papers. Technical Paper, 24, Geopolymer Institute Library (2015).
39. S. Demie, M. F. Nuruddin, N. Shafiq, Effects of micro-structure characteristics of interfacial transition zone on the compressive strength of self-compacting geopolymer concrete. Constr. Build. Mater. 41, 91-98 (2013). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.11.067
40. N. B. Singh, Foamed geopolymer concrete. Materials today. Proceedings 5, 15243-15252, (2018). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.05.002
41. N.A. Farhan, M.N. Sheikh, M.N.S. Hadi, Experimental investigation on the effect of corrosion on the bond between reinforcing steel bars and fibre reinforced geopolymer concrete. Structures, 14, 251-261 (2018). https://doi.org/10.1016/j.istruc.2018.03.013
42. Z. Zhang, J. L. Provis, A. Reid, H. Wang, Geopolymer foam concrete: An emerging material for sustainable construction. Constr. Build. Mater, 56, 113-127 (2014). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.01.081
43. A. Wongsa, V. Sata, P. Nuaklong, P. Chindaprasirt, Use of crushed clay brick and pumice aggregates in lightweight geopolymer concrete. Constr. Build. Mater. 188, 1025-1034 (2018). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.08.176
44. A. Islam, U. J. Alengaram, M. Z. Jumaat, N. B. Ghazali, S. Yusoff, I. I. Bashar, Influence of steel fibers on the mechanical properties and impact resistance of lightweight geopolymer concrete. Constr. Build. Mater. 152, 964-977 (2017). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.092
45. H. L. Muttashara, M. A. M. Ariffinb, M. N. Husseinc, M. W. Hussinb, S. B. Ishaqb, Self-compacting geopolymer concrete with spend garnet as sand replacement. J. Build. Eng.15, 85-94 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jobe.2017.10.007
46. S. Bernal, R. De Gutierrez, S. Delvasto, E. Rodriguez, Performance of an alkali-activated slag concrete reinforced with steel fibers. Constr. Build. Mater. 24, 208-214 (2010). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat. 2007.10.027
47. M. H. Al-Majidi, A. Lampropoulos, A. B. Cundy, Steel fibre reinforced geopolymer concrete (SFRGC) with improved microstructure and enhanced fibre-matrix interfacial properties. Constr. Build. Mater. 139, 286-307 (2017). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.02.045
48. N. Ganesan, R. Abraham, S. D. Raj, Durability characteristics of steel fibre reinforced geopolymer concrete. Constr. Build. Mater. 93, 471-476 (2015). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.06.014
49. K. H. Mo, U. J. Alengaram, M. Z. Jumaat, Structural performance of reinforced geopolymer concrete members: A review. Constr. Build. Mater. 120, 251-264 (2016). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.05.088
50. R. Bligh, T. Glasby, Development of geopolymer precast floor panels for the global change institute at university of Queensland. http://www.asec2014.org.nz/Presentations/PDFs/Paper%20037%20Development%20of%20Geopolymer%20Precast%20Floor%20panels%20for%20the%20Global%20Change%20Institute%20at%20University%20of%20Queensland.pdf (dostęp: 14.09.2018).
51. T. Glasby, J. Day, R Genrich, J. Aldred, EFC Geopolymer concrete aircraft pavements at Brisbane West Wellcamp Airport, Concrete 2015 Conference, Melbourne 2015.
52. T. Glasby, J. Day, R. Genrich, M. Kemp, Commercial scale geopolymer concrete construction, The Saudi International Building and Constructions Technology Conference 2015, Riyadh 2015.
53. K. Rajczyk, E. Giergiczny, Określenie wpływu parametrów obróbki termicznej na właściwości metakaolinu. Praca statutowa Ł-ICIMB 6/524/0/S/0, Opole 1996.
54. K. Rajczyk, E. Giergiczny, Metakaolin jako aktywny dodatek pucolanowy. II Konferencja Naukowo-Techniczna Surowce Kaolinowe u Progu XXI wieku. Leśna k. Lubanias. 23-30,czerwiec 1998
55. J. Davidovits, Geopolymer Chemistry and Applications, 4ed. Institut Géopolymère, Geopolymer Institute, Saint-Quentin, France 2015.
56. Y. Zhao, X. Zhao, H. Xie, Y. Jiang, Synthese of cancrinite from alkalifused lly ash by “Dry Method”. Advanced Materials Research, 236-238, s 676-679 (2011). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.236-238.676
57. M. Esaifan, L. N. Warr, G. Grathoff, T. Meyer, M.T. Schafmeister, A. Kruth, H. Testrich, Synthesis of hydroxy-sodalite/cancrinite zeolites from calcite-bearing kaolin for the removal of heavy metal ions in aqueous media. Minerals, 9(484), 1-13 (2019). https://doi.org/10.3390/min9080484
58. M. C. Barnes, J. Addai-Mensah, A. R. Gerson, A methodology for quantifying sodalite and cancrinite phase mixtures and the kinetics of the sodalite to cancrinite phase transformation. Microporous and Mesoporous Materials, 31(3) 303-319, 1999, https://doi.org/10.1016/S1387-1811(99)00080-3
59. T. Z. Błaszczyński, M.R. Król, Właściwości spoiw glinokrzemianowych na bazie lotnych popiołów wapniowych. Przegląd budowlany 7-8 46-55 (2019).
60. K. Rajczyk, Popioły lotne z kotłów fluidalnych i możliwości ich uszlachetniania. WYDIS 2012 Opole
61. F . Passos, D.Castro, K. Ferreira, K. Simões, L. Bertolino, C. Barbato, F. Garrido, A. Felix, F. Silva, Synthesis and Characterization of Sodalite and Cancrinite from Kaolin. In Characterization of Minerals, Metals, and Materials. Springer International Publishing 279-288 (2017). https://doi.org/10.1007/978-3-319-51382-9_31

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-b1b78b7d-02ef-4ebd-8a8b-90533d01c0ff