Reaction mechanisms of fly ash and metakaolin geopolymers and environmental compatibility

Sun, Zengqing; Vollpracht, Anya; Dehn, Frank

doi:HT020528022

Reaction mechanisms of fly ash and metakaolin geopolymers and environmental compatibility

Sun, Zengqing^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Zengqing Sun, M.Eng.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource : Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Vollpracht, Anya (Thesis advisor)^RWTH* ; Dehn, Frank (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07378
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/794065/files/794065.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustoffkunde (311110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flugasche (frei) ; Geopolymer (frei) ; Metakaolin (frei) ; Reaktionsmechanismus (frei) ; Umweltverträglichkeit (frei) ; environmental compatibility (frei) ; fly ash (frei) ; geopolymer (frei) ; metakaolin (frei) ; reaction mechanism (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Über die Reaktions- und Umwelteigenschaften von Geopolymeren ist viel unbekannt. In dieser Arbeit wurden das frühe Alter und die langfristige Geopolymerisation sowie die Verteilung von Hauptkomponenten, Schwermetallen und Spurenelementen zwischen Geopolymerbindemitteln und wässriger Phase in verschiedenen Auslaugungsszenarien untersucht. In Bezug auf die Geopolymerisation im frühen Alter wurden isotherme Kalorimeter und In-situ-XRD verwendet, um die Wärme- und Mineralentwicklung von Flugasche-Geopolymer (FAG) und Metakaolin-Geopolymer (MKG) zu charakterisieren. Die Ergebnisse wurden mit alkalisch aktivierten Bindemitteln (AAB) verglichen, die auf gemahlener granulierter Hochofenschlacke (GGBS) basierten. Faktoren wie Aktivatorkonzentration, Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis und Härtungstemperatur wurden berücksichtigt. FAG ist temperaturabhängiger und hat eine viel höhere Aktivierungsenergie als AAB auf MKG- und GGBS-Basis. Die Auflösung der im festen Vorläufer enthaltenen reaktiven Mineralien und die Bildung neuer kristalliner Phasen waren schnell und fanden während der anfänglichen Auflösungsperiode statt. Zusätzlich wurden XRD-Ergebnisse unter Verwendung der partiellen oder keiner bekannten Kristallstrukturmethode analysiert, um die amorphe Entwicklung zu quantifizieren, von der gezeigt wurde, dass sie bei der Quantifizierung der Geopolymerisation im frühen Alter wirksam ist. Die Entwicklung der mechanischen und chemischen Eigenschaften von Geopolymeren wurde stark vom Härtungsprotokoll beeinflusst. Die anfängliche Wärmebehandlung trägt zur Festigkeitsentwicklung und Zeolithbildung bei, insbesondere für die FAG. Dies führt mittlerweile auch zu etwas schlechteren Poreneigenschaften. Während der Probenhandhabung und Alterung fand die natürliche Karbonatisierung auf zwei Arten statt: Adsorption und Reaktion von CO2 mit mobilen Alkalien einerseits und mit Gerüstsauerstoffatomen der Alunimosilikatgele andererseits. Die Verteilung der chemischen Spezies (Na, K, Al, Si, Ca, Ba, As, Cd, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Tl, V, Zn, Chlorid und Sulfat) zwischen dem feste und wässrige Phase wurde in einem breiten pH-Bereich (1-14) charakterisiert. Chlorid und Sulfat weisen praktisch pH-unabhängige Eigenschaften auf. Die Gesamtauswaschung von Na, K, Ca, Si, Al, Co, Cu und Ni kann als amphoteres Auslaugungsmuster klassifiziert werden, bei dem die Konzentrationen unter sauren und alkalischen Bedingungen ansteigen. Im Gegensatz dazu zeigt das Auslaugen von Mg, Zn, Pb, Mn, Sr und Sb ein kationisches Muster, die Maxima-Konzentration liegt im sauren pH-Bereich und nimmt mit steigenden pH-Werten ab. Für das Auslaugen von As, V, Mo, Cr und Se aus FAG und MKG wird ein oxyanionisches Muster mit hohen Freisetzungen unter extrem sauren Bedingungen und natürlichem pH-Wert gefunden. Es wurde eine geochemische Modellierung durchgeführt, die einen neuen Einblick in die Zusammenstellungen löslichkeitskontrollierender Phasen bietet. Aufgrund der nicht vollständig bekannten Chemie des Geopolymers ist die derzeitige geochemische Modellierung alles andere als zufriedenstellend, was weitere Untersuchungen verdient. Das Auslaugen von monolithischen Geopolymermörteln wurde gemäß der europäischen Spezifikation CEN / TS 16637-2 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die dynamische Oberflächenauswaschung von Na, K, Al, Si, Ca, Ba, As, Cd, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Tl, V, Zn, Chlorid und Sulfat beträgt hauptsächlich durch Diffusion gesteuert, während Oberflächenabwaschung, Löslichkeit und Verarmung ebenfalls stattfinden. Ein Vergleich mit dem Auswaschen von zementbasierten Materialien und den gesetzlichen Grenzwerten in Deutschland und den Niederlanden wurde durchgeführt. Das Auswaschen der oben genannten Schwermetalle und Spurenelemente (außer B, V und Mo) aus Geopolymeren liegt in einem ähnlichen Bereich wie bei zementhaltigen Bindemitteln. Die kumulierten Freisetzungen von V sind höher als bei den meisten zementhaltigen Materialien, erfüllen jedoch immer noch die Anforderungen in den Niederlanden (in Deutschland gibt es bisher keinen gültigen Schwellenwert). Zusätzlich wurden nach dem Auslaugen keine Änderungen der Phasenzusammensetzung auf der Oberflächenschicht von Geopolymeren beobachtet. Das auf GGBS basierende AAB besitzt eine überlegene Druckfestigkeit sowie polier- und rutschfeste Eigenschaften, die für die Konstruktion von Fahrbahnoberflächenschichten verwendet werden können. Die Biegefestigkeit von AAB auf GGBS-Basis ist höher als die von Zement mit derselben Festigkeitsklasse, was auf eine höhere Fähigkeit hinweist, Biegeschäden standzuhalten. Darüber hinaus ist der äquivalente CO2-Ausstoß von AAB-Pflaster auf GGBS-Basis um rund 40% niedriger als der von OPC. Alle diese Ergebnisse zeigen, dass AAB auf GGBS-Basis als umweltfreundliches Pflasterbindemittel verwendet werden kann. Abhängig von der Mischungszusammensetzung können AAB, MKG auf GGBS-Basis und ihre in dieser Arbeit synthetisierte Mischung verwendet werden, um bei Umgebungstemperatur gehärteten durchlässigen Beton mit einem hohen Verhältnis von Aggregat zu Bindemittel herzustellen.

Much is unknown about the reaction and environmental properties of geopolymers. In this work, the early age and long-term geopolymerization were studied, as well as the partitioning of main components, heavy metals and trace elements between geopolymer binders and aqueous phase at different leaching scenarios. In terms of the early age geopolymerizaiton, isothermal calorimeter and in-situ XRD were used to characterize the heat and mineral evolution of fly ash geopolymer (FAG) and metakaolin geopolymer (MKG). The results were compared to alkali activated binders (AAB) based on ground granulated blast-furnace slag (GGBS). Factors including activator concentration, liquid-to-solid ratio, and curing temperature were taken into consideration. FAG is more temperature dependent, with much higher activation energy than MKG and GGBS based AAB. The dissolution of reactive minerals contained by solid precursor and formation of new crystalline phases were rapid and took place during the initial dissolution period. In addition, XRD results were analysed using the partial or no known crystalline structure method to quantify the amorphous evolution, which was demonstrated to be powerful in quantifying early age geopolymerization. The evolutions of mechanical and chemical properties of geopolymers were profoundly influenced by curing protocol. Initial heat treatment contributes to the strength development and zeolite formation, in particular for the FAG. Meanwhile, this also leads to slightly worse pore characteristics. During sample handling and aging, natural carbonation took place in two ways: adsorption and reaction of CO2 with mobile alkalis on the one hand and with framework oxygen atoms of the alunimosilicate gels on the other hand. The partitioning of chemical species (Na, K, Al, Si, Ca, Ba, As, Cd, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Tl, V, Zn, chloride and sulfate) between the solid and aqueous phase was characterized in a broad pH range (1-14). Chloride and sulfate are of virtually pH independent characteristic. The overall leaching of Na, K, Ca, Si, Al, Co, Cu and Ni can be classified as amphoteric leaching pattern, in which concentrations increase at acidic and alkaline conditions. In contrast, the leaching of Mg, Zn, Pb, Mn, Sr and Sb exhibits cationic pattern, the maxima concentration locates in acidic pH range and decrease as pH values increase. Oxyanionic pattern, with high releases taking place in extreme acidic conditions and natural pH, is found for the leaching of As, V, Mo, Cr and Se from FAG and MKG. Geochemical modelling was carried out, which offers a novel insight into the assemblages of solubility controlling phases. Meanwhile, limited by the not fully known chemistry of geopolymer, the current geochemical modelling is far from satisfactory, which deserves further investigation. The leaching of monolithic geopolymer mortars were conducted following the European specification CEN/TS 16637-2. Results show that the dynamic surface leaching of Na, K, Al, Si, Ca, Ba, As, Cd, Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Tl, V, Zn, chloride and sulfate is mainly controlled by diffusion, while surface wash-off, solubility and depletion also take place. A comparison with the leaching of cement based materials and the regulatory limits in Germany and in the Netherlands was conducted. Leaching of above heavy metals and trace elements (except B, V and Mo) from geopolymers are in a similar range as for cementitous binders. The cumulative releases of V are higher than for most cementitious materials but still meet the requirement in the Netherlands (in Germany there is no valid threshold to date). In addition, no changes in phase composition on the surface layer of geopolymers were observed after leaching. The GGBS based AAB possesses superior compressive strength, polishing- and skid-resistant property, which can be used for the construction of pavement surface layer. The flexural strength of GGBS based AAB is higher than cement counterpart of the same strength grade, suggesting a higher capacity to withstand bending damage. Moreover, equivalent CO2 emission of GGBS based AAB paving is around 40 % lower than its OPC counterpart. All these results indicate that GGBS based AAB can be used as an environmentally friendly pavement binder. Depending on the mix composition, the GGBS based AAB, MKG and their mixture synthesized in this thesis can be used to produce ambient temperature cured pervious concrete of high aggregate-to-binder ratio.

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