Experimental study of a novel type of alkali activated binder

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-10-20
Department
Major/Subject
Rakennusmateriaalit ja rakennusfysiikka
Mcode
IA3017
Degree programme
Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
76
Series
Abstract
The interactions of metakaolin, limestone, calcium hydroxide and magnesium oxide activated with sodium hydroxide, silicate or sulphate alkali activators were studied. Addition of calcium in moderate proportions to metakaolin-based alkali activated materials has been found to increase their strength. The effects of addition of magnesium oxide to these materials are unknown, but it could possibly lead to strength increase. Several paste samples were produced in laboratory to study different combinations of the precursor materials. Samples were heat-treated for 24 hours in order to increase the rate of and/or initiate the reactions. Tests of compressive and flexural strength were carried out to samples at the age of 3 and 28 days. X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric (TGA) tests were conducted to pulverized samples at the age of 7 days. Tests of magnesium oxide activated with three different activator solutions provided interesting results. Sodium sulphate activated samples showed significant compressive strengths that increased with the addition of magnesium acetate tetrahydrate. The results indicated that many of the samples gained proper strength at early age, but showed a loss of strength at a later age. The most dramatic strength loss occurred in the sodium sulphate activated pastes, which initially reached good early age strength. Reason for this behaviour is most likely drying cracking, but other reasons may also exist. XRD results indicated a formation of zeolite-type structures in sodium hydroxide activated pastes. TGA results also suggested formation of some C-S-H gel and geopolymer gels in sodium hydroxide activated samples, but these findings need to be confirmed by future research. The obtained results provide good basis for future research. Recommendations to study the effects of curing environment and different mix proportions have been made. As all reaction products cannot be observed with the instruments used, a wider use of experimental methods is recommended.

Työssä tutkittiin metakaoliinin, kalkkikivijauheen, kalsiumhydroksidin ja magnesiumoksidin keskinäisiä vaikutussuhteita silloin, kun ne aktivoitiin emäksisillä liuoksilla. Aktivointiliuoksina käytettiin natriumhydroksidia, natriumsilikaattia ja natriumsulfaattia. Kun jauhettua kalkkikiveä lisätään kohtuullisesti metakaoliini-pohjaisiin alkaliaktivoituihin sideaineisiin, on niiden lujuuden havaittu kasvavan. Magnesiumoksidin lisäämisen vaikutuksia näihin sideaineisiin ei ole tutkittu, mutta mahdollisesti tämä johtaa lujuuden kasvamiseen. Useita sideainepastanäytteitä valmistettiin laboratoriossa, jotta erilaisten lähtöainesekoitusten ominaisuuksia voitiin tutkia. Näytteitä jälkihoidettiin korkeassa lämpötilassa reaktionopeuden nostamiseksi tai reaktioiden aloittamiseksi. Näytteistä testattiin puristus- ja taivutuslujuus 3 ja 28 päivän iässä. Röntgendiffraktiometri (XRD)- ja termogravimetritestit (TGA) suoritettiin pulveroiduille näytteille 7 päivän iässä. Magnesiumoksidin reaktioita eri aktivointiliuosten kanssa testattiin etukäteen, ja tulokset olivat mielenkiintoisia. Natriumsulfaatilla aktivoitu näyte osoitti suhteellisesti erittäin hyvää puristuslujuutta, joka kasvoi kun näytteeseen lisättiin magnesiumasetaattitetrahydraattia. Testitulokset osoittivat monien näytekappaleiden saavuttavan hyvän lujuuden varhaisessa iässä, mutta menettävän lujuutta vanhentuessaan. Huomattavin lujuudenmenetys tapahtui natriumsulfaatilla aktivoiduille näytteille, jotka kuitenkin saavuttivat hyvän varhaislujuuden. Syy lujuudenmenetyksiin on todennäköisesti kuivumishalkeilu, mutta myös muut syyt voivat vaikuttaa ilmiöön. XRD-tulokset osoittivat, että natriumhydroksidilla aktivoituihin näytteisiin oli muodostunut zeoliittien kaltaisia rakenteita. TGA-tulokset antoivat viitteitä C-S-H-geelin ja geopolymeerigeelin muodostumisesta, mutta nämä tulokset täytyy varmentaa jatkotutkimuksilla. Kaikki tulokset luovat hyvää pohjaa jatkotutkimuksille. Suositeltavaa on tutkia erilaisten jälkihoitomenetelmien sekä lähtöaineiden sekoitussuhteiden vaikutusta tuloksiin. Koska kaikkia reaktiotuotteita ei voitu varmasti havaita tutkimuksessa käytetyillä menetelmillä, on suositeltavaa laajentaa käytettyjen tutkimusmenetelmien määrää.
Description
Supervisor
Cwirzen, Andrzej
Thesis advisor
Kari, Sami
Keywords
geopolymer, alkali activation, metakaolin, limestone, magnesium oxide, geopolymeeri, alkaliaktivaatio, metakaoliini, kalkkikivi, magnesiumoksidi
Other note
Citation