Materials

3.3.1 Fly Ash  

The carried out experimental work utilized low calcium Class F fly ash obtained from  Collie  Power  Station  located  south  of  Perth,  Western  Australia.  Throughout  the  research, the fly ash used was from the same delivered batch. The fly ash was obtained  in bulk bags and measured from here into the respective amounts required. 

3.3.2 Sodium Hydroxide  

A  sodium  hydroxide  solution  was  utilized  in  all  mixes  as  a  constituent  in  the  alkaline  reactor. The product was obtained from a local supplier in the form of pellets with a  purity of 98%. The solution was prepared by dissolving the pellets into distilled water  at  specified  concentration  in  molars,  M,  for  the  concrete.  In  the  laboratory  research  carried out, the solution was prepared with a concentration of approximately 10 M by  dissolving the sodium hydroxide solids into distilled water.  

To  produce  1  kg  of  sodium  hydroxide  solution,  416.8  grams  of  pellets  was  dissolved  into  583.2  grams  of  distilled  water.  The  solid  was  added  to  the  water  gradually  and  stirred  for  approximately  20  minutes  until  all  solid  had  dissolved.  It  was  noticed  that  upon  addition  of  the  solid  to  water,  the  solution  became  hot  as  the  exothermic  reaction of dissolution carried out.   

Upon  preparation  of  the  first  mix  produced,  the  sodium  hydroxide  solution  was  prepared  4  days  prior  to  its  addition  to  sodium  silicate,  and  then  production  of  concrete.  It  was  discovered  that  after  4  days  of  standing,  some  sodium  hydroxide  solids  had  appeared  in  the  solution  after  being  dissolved  completely  when  initially  combined,  this  required  stirring  of  approximately  half  an  hour  to  reduce  the  solid  content. Subsequent sodium hydroxide solutions made throughout the year were not  prepared  to  a  schedule  prior  to  mixing  the  concrete.  Generally  though,  dilution  of 

sodium hydroxide occurred a few days before concrete production in order to limit the  time spent preparing the chemicals on the concrete mixing day. 

3.3.3 Sodium Silicate  

The  sodium  silicate  was  obtained  in  30.5  kilogram  pallets  from  a  local  chemical  supplier, PQ Australia. The grade of material used is known as PQ‐D with a SiO2/Na2O  ratio of 2.0. The pH of this liquid was 11.9 and was in the form of a heavy syrup. 

The weight analysis of this material was as given by the supplier: 

    Na2O  : 14.7% 

    SiO2  : 29.4% 

    Water  : 55.9% 

No  dilution  was  required,  after  being  weighed  out  it  was  used  in  the  concrete  as  delivered. 

3.3.4 Calcium Hydroxide  

The calcium hydroxide used in Mix Three is known as HYLIME by Cockburn Cement. It  was  an  industrial  grade  powder  obtainable  from  the  local  hardware  store,  typically  used  in  masonry  mortars  or  plastering  applications.  This  product  was  used  in  anticipation of developing a faster curing concrete with a higher early strength. 

XRF  analysis  carried  out  on  the  product  shows  the  majority  of  the  composition  of  HYLIME  to  consist  of  84%  by  mass  of  calcium  oxide,  7.2%  silicon  dioxide  and  5.3% 

magnesium oxide. 

3.3.5 Silica Fume  

Silica fume was used in Mix Two as a fly ash replacement in hope that it would aid the  ambient curing properties of the concrete. 

The silica fume used was obtained from local supplier Simcoa, Western Australia. The  product  was  delivered  in  bags  of  10  kilograms,  and  was  known  just  as  Microsilica  or  densified  silica  fume.  This  same  product  is  also  used  in  concrete  batching  plants  in  Western Australia, in particular for marine applications. The silica fume is in the form  of extremely fine particles and therefore makes the concrete less impermeable upon  addition.  

3.3.7 Alkaline Liquid  

The  alkaline  solutions  for  all  mixes  produced  during  the  research  were  prepared  by  combining  the  sodium  hydroxide  solution  to  sodium  silicate  gradually.  This  mixture  was then stirred moderately for a few minutes and then sealed in the buckets with lids  until  addition  to  the  concrete  mix.  This  process  took  place  immediately  prior  to  beginning production of the concrete, the ratio of sodium silicate to sodium hydroxide  was kept consistent at 2.5 upon recommendation from Hardjito and Rangan (2005). 

3.3.8 Aggregate  

The  aggregate  used  was  supplied  by  Cemex  to  Curtin  University,  stored  outside  uncovered in storage divisions. The aggregate supplied consisted of two components; 

coarse aggregate obtained from the Cemex Gosnells Quarry and a fine aggregate that  originated  from  Baldivis  Sand.  For  the  purpose  of  this  research,  coarse  aggregates  were  used with  nominal  sizes  of  7mm,  10mm and  20mm, and  fine aggregates in the  form of sand. 

The  aggregate  was  measured  approximately  a  week  prior  to  pouring  and  sealed  in  bins. The moisture content of the aggregate was measured at the time of being used in  the  concrete,  and  subsequently  used  to  determine  the  free  water  content  of  the  concrete mix. 

The aggregate proportions were found in accordance with utilizing British Standards BS  882.92 (Neville 2000, 172) grading requirement limits for all‐in aggregate. The grading  curve was constructed in order to satisfy the grading limits with an application sourced   from the University of Patras. 

As  can  be  seen  the  sieve  analysis  of  the  utilized  aggregate  displayed  a  grading‐gap,  which  is  displayed  on  the  grading  curve  below  (Figure  3.1).  This  made  proportioning  the  aggregate  components  a  more  stringent  process.  Neville  (2000)  suggests  that  a  grading curve closer to the bottom limit is comparatively workable, and can therefore  be  used  in  mixes  with  a  low  liquid/binder  ratio.  The  results  of  sieve  analysis  and  grading combinations of the utilized aggregates can be seen below in Table 3.1. 

Particle size (mm) BS Sieve

ISO Sieve

Figure 3.1: Grading Curve of Combined Aggregates 

(Grading Curve 2009)   

Table 3.1: Grading of Combined Aggregates 

20 mm 10 mm 7 mm Fine

19.00 mm 98.10 100.00 100.00 100.00 99.43 95‐100

9.50 mm 0.19 90.68 100.00 100.00 68.66

4.75 mm 0.14 1.16 44.67 99.94 41.37 35‐55

2.36 mm 0.14 0.71 1.49 99.78 30.46

1.18 mm 0.14 0.69 0.52 99.47 30.12

600 μm 0.14 0.69 0.37 70.98 21.53 10‐35

300 μm 0.13 0.68 0.25 17.81 5.55

150 μm 0.11 0.66 0.11 1.96 0.75 0‐8

Ratio 30 15 25 30

3.4 Preliminary Laboratory Work  

The aim of this research was to gain a knowledge and understanding of the effect of  altering mix designs in a geopolymer concrete mix. Due to the lack of experience in any  geopolymer concrete production by the author, it was suggested that to begin with, a  standard  geopolymer  concrete  mix  using  the  established  sodium  hydroxide  and  sodium  silicate  alkaline  solution  would  be  made  first  to  familiarize  with  the  process  and use a reference to other mixes.  

The first two mixes were undertaken at the beginning of June, 2009, with the use of  the  70  litre  capacity  pan  mixer  (Figure  3.2)  to  produce  approximately  65  litres  (156  kilograms) of geopolymer concrete. Samples were placed in test specimens, 100mm x  200mm  compression  cylinders  and  150mm  x  300mm  tensile  cylinders,  and  cured  under the ambient conditions after pouring. 

The preliminary laboratory works focused on the following main objectives: 

- To familiarize with the making of fly ash based geopolymer concrete. 

- To  develop  an  understanding  of  an  appropriate  mix  procedure  in  the  production of fly ash based geopolymer concrete.