science >> Wetenschap >  >> Chemie

Vliegas-geopolymeerbeton:aanzienlijk verbeterde weerstand tegen extreme alkalische aanvallen

Geopolymeer betonblokken, warmte uitgehard bij 200 graden Celsius en vervolgens 14 dagen ondergedompeld in een extreem alkalisch medium bij 80 graden Celsius (a en b), weerstaan ​​de aanval aanzienlijk beter dan blokken die zijn uitgehard bij 600 graden Celsius en onderworpen aan dezelfde behandeling (c en d) in deze reeks scanning elektronenmicroscoopbeelden. De blokjes tonen de aanwezigheid van een gelachtige substantie, kenmerkend voor alkali-aanval van de 3M NaOH-oplossing. De warmte-uitharding verminderde aanzienlijk in de intensiteit van de aanval, maar kon deze niet voorkomen. Vliegas gegenereerd door kolenstroomopwekking kan worden hergebruikt in geopolymeerbeton van superieure kwaliteit. Echter, een kritisch duurzaamheidsprobleem was een lage weerstand tegen alkali-aanval. UJ-onderzoekers hebben ontdekt dat warmtebehandeling bij hoge temperatuur bij 200 graden Celsius dit schadelijke mechanisme in geopolymeerbeton met vliegas kan halveren. Krediet:Dr. Abdolhossein Naghizadeh, Universiteit van Johannesburg.

Vliegas gegenereerd door kolencentrales is een milieuprobleem, het creëren van grondwater- en luchtvervuiling door uitgestrekte stortplaatsen en asdammen. Een deel van het afvalproduct kan worden hergebruikt in geopolymeerbeton, zoals geprefabriceerde warmte-uithardende elementen voor constructies.

Echter, een kritisch duurzaamheidsprobleem was lage weerstand tegen extreme alkali-aanval. Onderzoekers van de Universiteit van Johannesburg hebben ontdekt dat hittebehandeling bij hoge temperatuur (HTHT) dit schadelijke mechanisme in vliegas-geopolymeerbeton met de helft kan verminderen.

"In een eerder onderzoek we ontdekten dat vliegas-geopolymeerbeton kwetsbaar kan zijn onder extreme alkalische omstandigheden. De aanbeveling van het onderzoek was dat dit materiaal niet mag worden gebruikt in constructies die worden blootgesteld aan sterk alkalische media, zoals sommige chemische opslagfaciliteiten. De bevindingen van onze nieuwe studie tonen aan dat de alkalibestendigheid van geopolymeerbeton aanzienlijk kan worden verbeterd door het bloot te stellen aan een geëvalueerde temperatuur, optimaal 200 graden Celsius, " zegt Dr. Abdolhossein Naghizadeh.

De studie maakt deel uit van het promotieonderzoek van Naghizadeh aan de afdeling Civiele Techniek van de Universiteit van Johannesburg.

Extreem alkalisch medium

In het onderzoek gepubliceerd in Casestudy's in bouwmaterialen , blokken vliegas-geopolymeermortels werden op verschillende manieren met warmte uitgehard bij 100, 200, 400 of 600 graden Celsius gedurende zes uur. Deze werden vervolgens ondergedompeld in water, een medium alkalisch medium of een extreem alkalisch medium; en bewaard bij 80 graden Celsius gedurende 14 dagen of 28 dagen, afhankelijk van de prestatiemeting.

De verlengde warmte-uitharding gedurende 28 dagen werd uitgevoerd om de resultaten te vergelijken met die verkregen door de andere onderzoeken, waarbij hetzelfde uithardingsregime werd toegepast. Deze langdurige uitharding is geschikt voor onderzoeksdoeleinden, maar niet aanbevolen voor daadwerkelijke constructie. Het medium alkalische medium was een 1 M NaOH-oplossing. Het extreme alkalische medium was een 3M NaOH-oplossing.)

"De geharde blokken zijn gehard op 200 graden, en vervolgens ondergedompeld in het extreme alkalische medium (de "200/3M" -blokken), handhaafde ongeveer 50% reststerkte bij 22,6 MPa na alkali-aanval. De blokken die met warmte waren uitgehard bij de andere temperaturen, behielden een veel lagere reststerkte van 10,3 tot 14,6 MPa, ' zegt Naghizadeh.

"De 200/3M blokken ondergedompeld in extreem alkalisch medium vertoonden slechts beperkte fijne scheurvorming, wat wijst op een lage expansie in vergelijking met de anderen, die ernstige scheuren vertoonde. De uitloging van siliconen en aluminium was het laagst voor de 200/3M blokken.

"Röntgendiffractie toonde aan dat kristallijne mineralen, albiet en sillimaniet, gevormd in de bindmiddelfase van 200/3M blokken. Scanning-elektronenmicroscoopbeelden van de 200/3M bindmiddelen tonen de aanwezigheid van een gelachtige substantie, kenmerkend voor alkalische aanval. De warmteharding verminderde de intensiteit van de aanval aanzienlijk, maar kon het niet voorkomen, " hij zegt.

"De hittebehandeling bij hoge temperatuur (HTHT) bij 200 graden creëerde dit effect door de ontbinding van niet-gereageerde vliegasdeeltjes in de geharde geopolymeerbetonmatrix te remmen. de HTHT verminderde ook de druksterkte voor deze blokken met 26,7%."

Best te gebruiken als prefab

Vliegas geopolymeer bindmiddelen vertonen opmerkelijke duurzaamheidseigenschappen. Onder deze zijn hoge weerstand tegen alkali-silica reactie, superieure zuurbestendigheid en hoge weerstand tegen vuur, lage carbonatatie en beperkte sulfaataanval, zegt Naghizadeh. Vliegas geopolymeer cement is vooral geschikt voor prefab beton vervaardigd in een fabriek of werkplaats. De reden is dat de sterkte-ontwikkeling in geopolymeercementmengsels over het algemeen traag is bij omgevingstemperaturen.

Dit maakt warmteuitharding noodzakelijk of essentieel voor vroege krachttoename. De praktische methoden die zijn vastgesteld voor het thermisch uitharden van prefab gewoon portlandcement (OPC) kunnen hiervoor worden aangepast.

Dit maakt vliegas-geopolymeren geschikt voor prefab betonelementen zoals balken of liggers voor gebouwen en bruggen, spoorbielzen, muur panelen, holle kernplakken, en betonnen buizen. Voor regulier vliegas geopolymeerbeton, een periode van 24 uur verwarmen op 60 tot 80 graden Celsius zou voldoende zijn om voldoende sterkte te bereiken. Dit uithardingsregime (temperatuur en duur) is gebruikelijk in de cementindustrie, die ook wordt gebruikt voor sommige Portland-cementbeton.

Hoewel het gebruik van geopolymeercement elk jaar toeneemt, het wordt niet veel gebruikt in vergelijking met OPC. Geopolymeer is gebruikt als bindmiddel in woonstructuren, bruggen, en start- en landingsbanen meestal in Europese landen, China, Australië, en de V.S..

Een cement van de volgende generatie

Sinds het midden van de 18e eeuw, OPC is op grote schaal gebruikt om beton te produceren. De duurzaamheidsprestaties zijn goed begrepen en het gedrag op lange termijn kan worden voorspeld. Echter, een nieuwe generatie cement is in opkomst als een geschikt alternatief voor OPC in bepaalde toepassingen. Deze geopolymeercementen (of geopolymeerbindmiddelen) hebben een totaal andere aard en microstructuur dan OPC.

Een uitgangsmateriaal dat wordt gebruikt voor een geopolymeerbindmiddel moet rijk zijn aan aluminiumoxide en silicaat. Op dit criterium meerdere bedrijfsafvalstoffen of bijproducten komen in aanmerking, inclusief rijstschil as, palmolie brandstofas ​​en kolencentrale vliegas. Echter, vliegas heeft twee voordelen voor gebruik als geopolymeercement, zegt Naghizadeh.

De serie foto's toont uitzetting van vliegas-geopolymeerbetonblokken die met warmte zijn uitgehard en vervolgens gedurende 14 dagen in een extreem alkalisch medium bij 80 graden Celsius zijn ondergedompeld. De blokken die met warmte zijn uitgehard bij 200 graden Celsius vertonen slechts beperkte fijne scheurvorming, wat wijst op een lage uitzetting, in vergelijking met de anderen. Vliegas die wordt gegenereerd door de opwekking van kolen, kan worden hergebruikt in geopolymeerbeton. Echter, een kritisch duurzaamheidsprobleem was een lage weerstand tegen alkali-aanval. Onderzoekers van de Universiteit van Johannesburg hebben ontdekt dat warmtebehandeling bij hoge temperatuur bij 200 graden Celsius dit schadelijke mechanisme in vliegas-geopolymeerbeton kan halveren. Krediet:Dr. Abdolhossein Naghizadeh, Universiteit van Johannesburg.

Ten eerste, vliegas is wereldwijd verkrijgbaar in miljoenen tonnen, ook in ontwikkelingslanden. Het hergebruiken van vliegas als bouwmateriaal kan mogelijk enkele van de milieueffecten ervan verminderen. Momenteel, het wordt gestort in uitgestrekte asdammen en stortplaatsen in de buurt van kolencentrales, die lucht- en grondwaterverontreiniging veroorzaken.

Het tweede voordeel van vliegas als uitgangsmateriaal voor geopolymeercement is de chemische samenstelling. Typisch, vliegas is rijk genoeg aan reactief silicium en aluminiumoxiden, wat resulteert in een betere geopolymerisatie.

Dit levert op zijn beurt een bindmiddel op met superieure mechanische, fysieke en duurzaamheidseigenschappen vergeleken met de geopolymeerbetonsoorten gemaakt met andere afvalproducten die aluminosilicaten bevatten.

Complexer mixontwerp

Bij het ontwerpen van een gebouw, de ingenieur moet ervoor zorgen dat het beton dat in de constructie wordt gebruikt, de verwachte sterkte voor de levensduur heeft. Echter, de fysieke en mechanische eigenschappen van beton en andere bouwmaterialen kunnen in de loop van de tijd veranderen. Dergelijke veranderingen kunnen de materiaalprestaties gedurende de levensduur van de constructie beïnvloeden.

Over het algemeen, een OPC-betonmengsel omvat cement, water en aggregaat. De civiel ingenieur ontwikkelt een OPC-mixontwerp met specifieke verhoudingen van deze drie ingrediënten voor de beoogde structuur.

"Voor op vliegas gebaseerd geopolymeerbeton geactiveerd door natriumsilicaat en natriumhydroxide, mixontwerp is complexer dan voor OPC, ", zegt Naghizadeh. "Er spelen meer parameters mee:de hoeveelheden vliegas, natriumsilicaat, natriumhydroxide, water, en aggregaat; evenals de concentratie van natriumhydroxide; het aandeel en de kwaliteit van glas in de alkali."

Vliegas uit asdammen

In Zuid Afrika, onderzoek naar het gebruik van vliegas als geopolymeercement is beperkt, zegt prof. Stephen Ekolu. Ekolu is co-auteur van de studie en voormalig hoofd van de School of Civil Engineering and the Built Environment aan de Universiteit van Johannesburg.

"Het bestaande onderzoek naar vliegas-geopolymeerbeton maakt gebruik van vliegas die rechtstreeks van elektriciteitscentrales wordt geleverd. Er is verder onderzoek nodig naar het gebruik van vliegas van stortplaatsen en asdammen, technisch aangeduid als "bodemas" om geopolymeercement te produceren.

"De grootste onderzoeksvragen zijn kwesties van materiaalkwaliteit, mix ontwerp, en het ontwikkelen van de technologie om uitharden bij omgevingsomstandigheden mogelijk te maken in plaats van de huidige praktijk van uitharden bij verhoogde temperaturen. Zodra deze drie wetenschappelijke problemen zijn opgelost, vliegas en inderdaad de meeste andere vormen van geopolymeercement kunnen beter worden geplaatst als OPC-vervanging wereldwijd, ' zegt Ekolu.

Geen concrete verlenger

Momenteel, een kleine hoeveelheid vliegas wordt gebruikt als een gebruikelijke cementverlenger. In Zuid Afrika, dat bedrag is 10% van de 36 miljoen ton die jaarlijks wordt geproduceerd. Het wordt gemengd met klinker om Pozzolaan-Portlandcement (PPC) te produceren.

Hoewel vliegas wordt gebruikt als een gewone OPC-extender, vliegas-gebaseerd geopolymeerbeton (FA-GC) wordt niet gecombineerd met OPC-gebaseerd beton.

De reden is dat het hydratatieproces van OPC totaal anders is dan de geopolymerisatiereactie van FA-GC. Ook, OPC-gebaseerd beton en geopolymeerbeton vereisen elk een andere uithardingsconditie.

Andere productie dan OPC

De belangrijkste fasen in de OPC-productie zijn de calcinerings- en maalprocessen. In tegenstelling tot OPC, geopolymeerproductie vereist deze fasen niet. Op vliegas gebaseerde geopolymeer bindmiddelen bestaan ​​uit twee componenten:de vliegas en een alkali-activator. Gebruikelijk, vliegas wordt gebruikt zoals geproduceerd in de elektriciteitscentrale, zonder dat verdere behandeling nodig is.

Alkali-activatoroplossingen zoals natriumsilicaat en natriumhydroxide worden ook op grote schaal geproduceerd in de industrie. Deze worden voor meerdere doeleinden gebruikt, zoals wasmiddel en textielproductie.

"Groener" beton

"De duurzaamheid van geopolymeercement op lange termijn onder verschillende omgevingsomstandigheden vereist verder onderzoek. het ontbreekt de bouwsector wereldwijd aan technische kennis van de productie van geopolymeren. Om geopolymeerbindmiddelen te gebruiken, ingenieurs, technici en bouwvakkers hebben training nodig om ontwerpen van geopolymeerbetonmix met de vereiste eigenschappen te ontwerpen en te produceren, ' zegt Naghizadeh.

"Het lijdt geen twijfel dat de productie van Portlandcement in de toekomst moet worden beperkt, vanwege de enorme impact op het milieu. This includes about 5 to 8% of global anthropogenic carbon-dioxide emissions into the atmosphere, which contributes to climate change, " says Ekolu.

Verschillende studies, including those from the University of Johannesburg, have shown that fly ash geopolymer can exhibit superior or similar properties to Portland cement. This makes it a suitable alternative to replace Portland cement in certain applications.

Bovendien, the availability of fly ash worldwide, especially in developing countries, provides an opportunity to produce more economic concrete "greener" than Ordinary Portland cement from the viewpoint of potential repurposing of a problematic waste product.