• No results found

Thesis Final

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Thesis Final"

Copied!
95
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

 

Faculty of Engineering

Department of Civil Engineering

THE MIX DESIGN DEVELOPMENT OF GEOPOLYMER 

CONCRETE UNDER AMBIENT CURING CONDITIONS 

        by  Darryl Hole  13110853  October 2009

(2)

PROJECT DOCUMENTATION

SHEET

    Title:       The Mix Design Development of Geopolymer Concrete         Under Ambient Curing Conditions        Author:      Darryl Hole          Date:    19th October 2009.     Supervisor:  Dr. Natalie Lloyd    ABSTRACT:     Continued increase in the focus and restriction on global carbon dioxide emissions requires the  research  for  a  cleaner  alternative  to  the  use  of  Portland  cement.  The  manufacture  of  this  product  is  responsible  for  the  release  of  millions  of  tons  of  carbon  dioxide  worldwide  every  year.  Geopolymer  concrete  consists  of  100%  fly  ash  replacement  of  the  ordinary  Portland  cement. A binder is formed by a reaction from an alkaline liquid and the aluminium and silicon  present  in  this  fly  ash.  The  present  report  deals  with  advancing  the  mix  design  research  in  geopolymer concrete applications.  

 

The  laboratory  work  carried  out  for  this  report  was  based  upon  developing  geopolymer  concrete  mixes  that  were  able  to  be  used  in  an  industry  based  application,  and  therefore  having appropriate ambient curing properties. The conditions that would be found on a large  scale  concrete  project  within  industry  were  replicated  to  form  a  comparison.  Such  measures  taken included no specific aggregate preparation (saturated surface dry) or steam room curing.  The aim initially was to consistently produce geopolymer concrete mixes that set quickly and  exhibited a 28 day compressive strength of at least 30 MPa.  

 

Previously  successful  geopolymer  concrete  mix  designs  were  used  as  a  basis,  with  additives  such as silica fume and calcium hydroxide included in anticipation of developing a faster setting  concrete  mix  with  a  higher  early  strength.  Seven  concrete  mixes  were  produced  during  the  year  with  varying  mix  design  properties.  Experimental  results  were  based  on  compressive  strength  primarily,  with  mixes  being  tested  at  7,  14,  21  and  28  days  of  age  in  majority  of  situations. Tensile strengths were also tested for the first four mixes produced.  

 

Indexing Terms: 

(3)

ACKNOWLEDGEMENTS

 

I would first of like to particularly thank both my project supervisor Dr. Natalie Lloyd,  and  Professor  Arie  van  Riessen  from  the  Curtin  University  Centre  for  Materials  Research,  for  their  assistance  and  direction  throughout  the  year.  Further  to  this,  the  assistance of Dr. Dan Churach from the Centre for Sustainable Resource Processing and  Evan Jamieson of Alcoa is acknowledged. 

 

The  majority  of  experimental  work  for  this  research  was  carried  out  in  the  Civil  Engineering  laboratories  at  Curtin  University,  Western  Australia.  For  this  I  thank  the  technical staff including Mr. John Murray, Mr. Mike Ellis, Mr. Ashley Hughes and Mr.  Mike  Appleton.  I  would  also  like  to  thank  Ms.  Monita  Olivia  for  the  support  and  guidance throughout the year. The progress of this research would have been delayed  significantly  without  the  assistance  of  these  individuals.    

The  assistance  in  this  research  from  the  Chemical  Engineering  laboratory  at  Curtin  University is also acknowledged. Thank you to Ms . Karen Hayes and Ms. Ann Carroll  for their support and assistance throughout the year. Further to this, I would also like  to acknowledge the assistance provided from post‐graduate students from the Curtin  Centre of Materials Research, in particular Ms. Emily Carter, Ms. Melissa Lee and Mr.  Ross Williams.    

A  final  thank  you  goes  to  all  my  friends  from  the  Curtin  University  Class  of  Civil  Engineering 2009.              

(4)

CONTENTS PAGE

  PROJECT DOCUMENTATION SHEET ... i  ACKNOWLEDGEMENTS ... ii  CONTENTS PAGE ... iii  LIST OF FIGURES ... v  LIST OF TABLES ... vi  1.  INTRODUCTION ... 1  1.1  Background ... 1  1.2  Geopolymer Concrete ... 2  1.3  Research Aims ... 3  1.4  About this Report ... 4  2.  LITERATURE REVIEW ... 5  2.1  Ordinary Portland Cement and the Environment ... 5  2.2  Alternatives to Portland Cement in Concrete ... 7  2.3  Fly Ash based Concretes ... 9  2.4  Geopolymer Concrete ... 11  2.5  Mix Proportioning of Geopolymer Concrete ... 14  2.6  Curing of Geopolymer Concrete ... 15  2.7  Aiding the Early Strength of Concrete ... 17  3.  EXPERIMENTAL PROCEDURE ... 20  3.1  Introduction ... 20  3.2  Safety ... 21  3.3  Materials ... 22  3.3.1   Fly Ash ... 22  3.3.2   Sodium Hydroxide ... 22  3.3.3   Sodium Silicate ... 23  3.3.4   Calcium Hydroxide ... 23  3.3.5   Silica Fume ... 23  3.3.7   Alkaline Liquid ... 24  3.3.8   Aggregate ... 24 

(5)

3.4  Preliminary Laboratory Work ... 26  3.4.1   Mixing Procedure ... 27  3.4.2   Mixture Proportions ... 29  3.4.3   Curing of Geopolymer Concrete ... 33  3.5  Testing of Concrete Specimens ... 34  4.  EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION ... 35  4.1  Introduction ... 35  4.2  Experimental Results Overview ... 35  4.3  Compressive Strength and Observations of Geopolymer Concrete Mixes ... 40  4.3.1   Initial Geopolymer Concrete Reference Mix ... 40  4.3.2   The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing ... 43  4.3.4  The Effect of Free Water Content on the Strength of Geopolymer Concrete . 48  4.3.3   The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing ... 53  4.4  Indirect Tensile Strength of Geopolymer Concrete ... 63  5.  SUMMARY AND CONCLUSIONS ... 68  5.1  Introduction ... 68  5.2  Production of Geopolymer Concrete ... 68  5.2.1   Pre‐production Issues ... 68  5.3  Results and Observations ... 69  5.3.1   The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing ... 69  5.3.2  The Effect of Free Water Content on Geopolymer Concrete ... 69  5.3.3  The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing ... 70  5.3.4   Other Observations During Research ... 70  6.  RECOMMENDATIONS ... 72  REFERENCES ... 75  APPENDIX A ... 79  APPENDIX B ... 81 

 

(6)

LIST OF FIGURES

  Figure 2.1: Compressive Strength of 30% Fly Ash Substituted Concrete ... 18  Figure 3.1: Grading Curve of Combined Aggregates ... 25  Figure 3.2: Pan Mixer Used for Production of Concrete ... 29  Figure 3.3: Setting of Wet Geopolymer Concrete... 29  Figure 3.4: Ambient Curing of Geopolymer Concrete ... 33  Figure 3.5: Rough Surface of Cured Geopolymer Cylinder ... 34  Figure 4.1: Compressive Strength of all Carried Out Mixes ... 38  Figure 4.2: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four ... 39  Figure 4.3: Compressive Strength of Mix One ... 41  Figure 4.4: Efflorescence Formed on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 14 days .... 42  Figure 4.5: Efflorescence on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 28 days ... 43  Figure 4.6: Expansion of Mix Two (right) Relative to Mix One (left). ... 45  Figure 4.7: Expansion of Mix Two Cylinders ... 45  Figure 4.8: Compressive Strength for Mixes One and Two ... 46  Figure 4.9: Excess Water in Geopolymer Concrete ... 51  Figure 4.10: Compressive Strength of Mixes One and Four ... 52  Figure 4.11: Compressive Strength of Mixes Three and Four ... 55  Figure 4.12 : Rapid Setting Effects and Efflorescence on Mix Three Cylinders ... 56  Figure 4.13: Cross Section of Small Cylinder ‐ Mix Three ... 56  Figure 4.14: Mix Six at Two Hours after Pouring ... 59  Figure 4.15: Mixes Seven (Left) and Six (Right) at One Hour after Pouring ... 60  Figure 4.16: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) ... 61  Figure 4.17: Efflorescence Beginning to Form after De‐moulding ‐ Mix Five ... 63  Figure 4.18: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four ... 65       

(7)

LIST OF TABLES

  Table 3.1: Grading of Combined Aggregates ... 26  Table 3.2: Free Water Content of Mixes One and Two ... 31  Table 3.3: Mix Design Summary of Carried Out Research ... 32  Table 4.1: Mix Design One ... 40  Table 4.2: Compressive Strength of Mix One (MPa) ... 41  Table 4.3: Mix Designs One and Two ... 43  Table 4.4: Compressive Strength of Mix Two (MPa) ... 46  Table 4.5: Mix Design Four ... 48  Table 4.6: Free Water Content of Mix One ... 49  Table 4.7: Free Water Content of Mix Four ... 50  Table 4.8: Compressive Strength of Mixes One and Four (MPa) ... 52  Table 4.9: Mix Design Three ... 53  Table 4.10: Compressive Strength of Mix Three ... 55  Table 4.11: Mix Designs Five, Six and Seven ... 58  Table 4.12: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) ... 62  Table 4.13: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four ... 65  Table 4.14: Relationship Between Compressive and Tensile Strength ... 66           

(8)

1. INTRODUCTION

 

1.1 Background

     

Concrete  is  the  most  widely  used  structural  material  in  the  world,  and  therefore  the  production  of  it  and  its  constituents  are  greatly  relied  upon  in  industry.  The  manufacture of ordinary Portland cement (OPC), the primary binder in a conventional  concrete  mix  however,  is  well  known  for  its  environmental  impacts.  Approximately  1.35  million  tons  of  greenhouse  gases  are  emitted  through  the  manufacture  of  OPC  each year and therefore raises the concern for a cleaner alternative to be developed  (Malhotra 2002). 

 

Continued  increase  in  the  focus  and  restriction  on  global  carbon  dioxide  emissions  requires the research for a cleaner alternative to the use of Portland cement. Concrete  made  using  a  binder  that  does  not  present  such  environmental  issues  has  been  investigated  in  the  past  using  fly  ash  and  an  alkaline  solution.  The  method  of  substituting fly ash for portions of cement in a concrete mix has been established and  is well documented (Huntzinger and Eatmon 2009). However, the use of 100% fly ash  made concrete is limited in industrial applications, partly due to the cost of fly ash and,  in contrast, the availability and convenience of cement. Research fields though are well  interested  in  the  production  of  concretes  with  100%  fly  ash  because  of  the  sustainability of using this industrial waste product for a construction material. 

 

This  report  investigates  the  effects  of  altering  the  mix  design  and  properties  of  geopolymer concrete. Additives such as silica fume and calcium hydroxide have been  used  in  anticipation  of  aiding  the  ambient  temperature  curing  properties  of  the  concrete. Further to this, properties of the concrete such as the effect the free water  content  has  on  the  final  strength  have  also  been  investigated.  This  research  deals  exclusively  with  the  ambient  curing  of  geopolymer  concrete.  This  is  to  simulate  site  conditions that a concrete structure may be exposed to, and therefore investigate the  feasibility of in‐situ cast geopolymer concrete. 

(9)

 

1.2 Geopolymer

Concrete

 

The  investigation  into  the  use  of  fly  ash‐based  geopolymer  concretes  has  increased  since 2000 due to the environmentally sustainable option of using an industrial waste  to form a useful material. Research and industry groups are excited about the prospect  of a concrete made from industrial by‐products that would therefore negate the need  for waste disposal of these materials.     The development of geopolymer concrete mix design has been carried out previously  at  Curtin  University,  Western  Australia.  Hardjito  and  Rangan  (2005)  investigated  the  effects of aspects such as alkaline parameters, water content and curing conditions in  “Development  and  Properties  of  Low‐Calcium  Fly  Ash‐Based  Geopolymer  Concrete”.  Further  to  this,  the  production  and  testing  of  low  scale  beams  has  also  been  carried  out (Hardjito and Rangan, 2005). The physical properties of geopolymer concrete such  as  creep,  drying  shrinkage  and  sulfate  and  acid  resistance  were  also  researched  at  Curtin (Wallah and Rangan, 2006). 

 

The  Centre  of  Materials  Research  at  Curtin  has  investigated  the  use  of  including  chemical additives to geopolymer pastes in order to increase the early strength under  ambient curing conditions. This paste is essentially an aggregate‐less concrete that is  made  in  much  smaller  quantities  than  the  research  for  this  current  report.  The  mix  design  properties  of  geopolymer  concrete  were  investigated  by  scaling  up  the  production  of  geopolymer  paste  in  the  form  of  quantity  and  by  adding  aggregate  to  the product. 

 

The  concrete  produced  consisted  of  77%  by  mass  of  aggregate,  which  is  bound  by  a  geopolymer paste formed by the reaction of the silicon and aluminium within the fly  ash and the alkaline liquid made up of sodium hydroxide and sodium silicate solutions.  Specimens  produced  were  cured  only  under  ambient  conditions  within  the  Civil  Engineering laboratory at Curtin University. 

(10)

1.3 Research

Aims

 

The present study aims to carry out a scaling up exercise of past work with geopolymer  pastes  and  mortars  that  was  undertaken  by  the  Materials  Research  Centre  at  Curtin  University, and therefore furthering the mix design knowledge of geopolymer concrete  applications.  This  exercise  focuses  on  progressing  towards  the  production  of  a  geopolymer concrete with additives included in the mix designs to develop a quicker  setting concrete mix with a higher early strength. It must be noted however, that the  mixing procedure differs greatly between the paste and concrete, as the handling time  and  the  quantity  of  material  produced  is  much  greater  in  the  production  of  geopolymer concrete. 

 

The practical research for this report differs to many previous fly ash based concrete  reports,  as  the  fly  ash  based  concrete  is  mixed  using  zero  ordinary  Portland  cement.  Although  the  production  of  fly  ash  does  produce  large  amounts  of  carbon  dioxide  through  the  burning  of  coal,  the  use  of  it  in  concrete  is  seen  as  a  sustainable  option  that negates the need for disposal of this waste. 

  

The aim initially was on achieving appropriate mix designs and a mixing procedure that  would consistently provide a 28 day compressive strength of at least 30 MPa.   

 

A  conventionally  made  geopolymer  mix  utilizing  just  sodium  silicate  and  sodium  hydroxide  with  no  mix  additives  was  made  initially  to  act  as  a  reference  mix.  All  subsequent mixes produced were based primarily on this reference mix with materials  either substituted in for fly ash or just as an additive. The mix designs are judged upon  their compressive and tensile strengths accordingly.    The main aims of the laboratory research for this thesis included:  - 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. 

(11)

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

- To  observe  the  strength  development  of  fly  ash  based  geopolymer  concrete  under ambient curing conditions. 

 

1.4 About this Report

 

This  report  is  structured  as  follows;  Chapter  2  presents  a  brief  review  of  selected  literature  related  to  the  environmental  tribulations  of  ordinary  Portland  cement,  the  alternatives to mixing concrete utilizing OPC, and the previous research conducted in  the use of fly ash‐based geopolymer concrete. The general background of geopolymer  concrete production is investigated, along with mix proportioning, mixing procedures  and curing properties. 

 

Chapter  3  describes  the  experimental  process  in  conducting  the  research  for  this  report. Attention is paid to the materials used, mix designs, mixing procedures, curing  conditions and the method of testing the geopolymer concrete specimens produced.   

Chapter  4  presents  and  discusses  the  results  of  the  research,  drawing  a  comparison  between  the  final  strength  and  strength  development  of  geopolymer  concrete  with  varying  mix  designs  cured  under  site  conditions.  Any  observations  noted  during  the  experimental  research  being  carried  out  are  also  stated,  with  explanations  and  justifications to clarify any unknowns.    The present report’s summary and conclusions are included in Chapter 5. This section  is based upon all results and observations discovered in the research throughout the  year.    

Further  to  this,  a  list  of  recommendations  is  given  in  Chapter  6,  detailing  suggested  steps  in  furthering  the  research  in  the  mix  design  development  of  geopolymer  concrete. Concluding this report is a list of references and all relevant appendices. 

(12)

2. LITERATURE REVIEW

 

Chapter 2 presents a background into the environmental impact of the manufacture of  ordinary  Portland  cement  (OPC)  and  other  suggested  alternatives  to  the  use  of  cement. Research has been undertaken into the previous use of geopolymer concrete,  and  the  mechanical  properties  resulting  from  mix  design  properties  and  different  methods of curing. 

 

Research was also conducted into the sustainable qualities of the use of production by‐ products in the manufacture of geopolymer concrete. 

 

2.1 Ordinary Portland Cement and the Environment

 

Disregarding  water,  concrete  is  the  most  widely  used  material  in  the  world.  Unfortunately, the manufacture of the integral constituent, ordinary Portland cement  (OPC), proves to be unsustainable with regards to it’s the environmental impact due to  the  emissions  of  carbon  dioxide  (CO2)  and  large  requirement  of  energy  in  the  production procedure. However, due to the high demand for structural materials, the  requirement for cement and concrete will be substantial until an equally effective and  economic  alternative  is  available,  and  therefore  deeming  it  necessary  to  either  overlook  the  environmental  impact  of  standard  concrete  production,  which  is  highly  unlikely, or develop alternatives that will decrease these effects. 

 

Concrete  International  recognizes  the  situation  at  hand,  and  the  article  titled  “Sustainable  Development  and  Concrete  Technology”  quotes  the  current  issues.  ‘The 

contribution  of  ordinary  Portland  cement  production  worldwide  to  greenhouse  gas   emissions is estimated to be approximately 1.35 billion tons annually or approximately  7% of the total greenhouse gas emissions to the earth’s atmosphere (Malhotra 2002)’.  

 

The reason large amounts of CO2 are released during the manufacturing of cement is  due  in  part  to  the  immense  heat  that  is  required.  The  kiln  used  is  heated  to 

(13)

temperatures  of  up  to  1400°C,  and  therefore  energy  requirements  to  yield  this  temperature account for approximately half of the released CO2 in the production of  cement,  the  second  half  is  released  during  the  calcination  process  in  which  calcium  carbonate is reduced to calcium oxide (Hendriks et al. 2003).  

         

The production of cement alone accounts for approximately 5% of the worlds carbon  dioxide  emissions.  According  to  the  International  Energy  Agency,  approximately  0.81  kilograms  of  CO2 is  generated  per  kilogram  of  cement  produced  annually  throughout  the  world.  The  production  of  cement  also  produces  millions  of  tons  of  Cement  Kiln  Dust (CKD) which is harmful to the respiratory system (Hendriks et al. 2003). 

 

Due  to  the  increasingly  popular  requirements  for  sustainable  development  within  industry,  research  into  methods  of  reducing  greenhouse  gas  (GHG)  emissions  while  maintaining the structural convenience of concrete has been carried out.  

 

The US Concrete Industry has addressed the current GHG emissions incorporated with  the production of concrete in “Vision 2030: A Vision for the US Concrete Industry.” In  this, focus is put on making concrete an environmentally friendly construction material  whilst  maintaining  its  status  as  the  mostly  widely  used  material  in  industry  (Mehta  2001).  In  recent  times,  researchers  have  attempted  to  produce  concrete  as  an  environmentally  friendly  product  by  replacing  amounts  of  ordinary  Portland  cement  from the mix with industrial by‐products such as fly ash and blast furnace slag.  

 

Global  warming  continues  to  be  a  current  concern  within  the  public  awareness,  and  what effects it will have on the human population in day to day life in the future. The  continuing  release  of  GHG  through  the  burning  of  fossil  fuels  and  land  use  change  further increases the risk on earth of a rise in average surface temperatures and the  flow on effects that it will have on sea levels.  

 

Huntzinger  and  Eatmon  (2009)  uses  life‐cycle  analysis  (LCA)  to  evaluate  the  environmental impacts and therefore the ‘global warming factor’ of the manufacture  of  Portland  cement  and  three  other  technologies.  The  three  alternatives  discussed 

(14)

include,  “blended  cement  (natural  pozzolans),  cement  where  100%  of  the  CKD  is 

recycled  into  the  kiln  process,  and  Portland  cement  produced  where  CKD  is  used  to  sequester a portion of the process related to CO2 emissions.”  

It was discovered that the most environmentally solution of the three was the blended  cement.  Substituting  natural  pozzolans  for  OPC  will  effectively  reduce  the  ‘global  warming factor’ of the product proportional to the amount replaced. In reality though,  it will be seen that in industry, because of the consistent high demand of cement, most  kilns  are  operating  at  above  their  effective capacity.  This  therefore  means  that  using  ‘blended  cement’  in  industrial  applications  would  not  be  likely  to  reduce  the  net  emissions of carbon dioxide (Huntzinger and Eatmon 2009).  

 

As can be gathered through this review, most of the previous research available looks  at  the  current  situation  of  cement  production  and  the  damage  it  is  causing  to  the  atmosphere.  The  next  logical  step  into  this  investigation  is  to  either  prevent  this  damage or offer alternatives to concrete using ordinary Portland cement.  

 

It is in the opinion of many, that the use of ordinary Portland cement in concrete is not  going  to  slow  down,  despite  the  ongoing  research  into  alternative  binders.  It  would  therefore  be  a  sustainable  decision  to  investigate  further  into  the  mix  design  of  concrete whilst minimizing the volumes of OPC being used. It would be seen that if the  use  of  OPC  is  going  to  remain  strong  over  the  coming  decade,  keeping  its  use  to  a  minimum  whilst  retaining  both  durable  and  workable  concrete  would  provide  great  benefit to the GHG emissions.  

 

2.2 Alternatives to Portland Cement in Concrete

 

As the growth in the world of infrastructure continues, the demand for concrete that is  usable  in  an  industrial  application  will  be  high  for  the  foreseeable  future.  Concrete  using  binders  other  than  ordinary  Portland  cement  that  leave  a  smaller  carbon  footprint, are therefore heavily investigated within the cement and concrete industry.  The use of these concretes within an industrial application is limited however, and it 

(15)

would  be  fair  to  say  that  concrete  made  without  cement  has  not  made  a  significant  impact into the construction industry yet.   

 

The  research  into  environmentally  sustainable  concretes  is  however  not  limited  to  replacing the OPC. Suggestions have been put forward into forming ‘blended cement’  where  products  such  as  pozzolans  are  added  to  OPC  in  order  to  reduce  the  environmental  effect  of  the  concrete.  Concrete  that  has  had  OPC  replacement  commonly  consists  of  industrial  by‐products  such  as  coal  fly  ash  or  ground  blast  furnace slag (GBFS).   

 

It has been suggested (Damtoft et al. 2008) that the cement and concrete industry is  working  positively  in  the  hope  of  achieving  sustainable  solutions  in  environmentally  friendly concrete. He suggests that using hydraulic binders, those which are based on  Portland  cement,  have  an  incredible  impact  on  the  environment  and  sustainable  development  due  to  being  easily  the  most  widely  used  construction  material  worldwide. 

Damtoft et al. also discussed in which ways the industry is acting in order to provide  sustainable  development  within  the  field  of  reducing  the  environmental  impact  of  concrete production.  

The techniques discussed are as listed below: 

- The  addition  of  extra  materials  to  the  list  of  approved  supplementary  cementious materials (SCM’s) within current standards. 

- Allowing  more  complex  composite  cements  within  current  cement  standards.  Greater attention to be paid to blending properties. 

- Development  of  methodology  for  the  design  of  optimal  performance  for  the  use of blended cements. 

Damtoft  et  al.  (2008)  clearly  supports  the  use  and  further  development  of  blended  cements  in  industry,  which  directly  reduces  the  CO2  emissions  to  the  environment  through replacing volumes of OPC.  

 

The current amount of research into the use of fly ash as a hydraulic binder is far from  limited. The use of coal fly ash in concrete has been investigated for years with very 

(16)

positive  results  for  its  use  in  industry.  Unfortunately,  apart  from  this  research  and  a  small  amount  of  testing  using  blast  furnace  slag,  there  is  little  information  regarding  the  use  of  other  industrial  wastes  to  substitute  of  ordinary  Portland  cement  in  concretes.  The development of a concrete mixture using a new OPC substitute would  greatly  progress  the  process  of  producing  an  environmentally  friendly  concrete.  This  coincides  with  Damtoft’s  discussion  in  which  additional  materials  should  be  investigated  into  their  effectiveness  of  working  as  a  supplementary  cementious  material.  

 

2.3 Fly Ash based Concretes

  The production of concrete that incorporates the complete replacement of OPC with  industrial by‐products such as coal fly ash has been developed, yet it is far from fully  established. The use of waste products promises to be a sustainable option in any case,  as it negates the need for disposal of these materials, which can become both costly  and of an environmental concern.      Fly ash is a residue that is formed during the combustion of coal. In the past fly ash was  released  to  the  atmosphere  during  production,  but  in  recent  times  as  research  presents that this previously useless by‐product can be used for other applications, the  capture  of  it  has  been  instigated.  Fly  ash’s  main  constituents  are  amounts  of  silicon  dioxide (SiO2), aluminium oxide (Al2O3) and iron oxide (Fe2O3). Fly ash that is destined  for  experimental  use  can  be  examined  in  more  depth  in  order  to  determine  its  chemical  composition.  X‐ray  Fluorescence  (XRF)  analysis  is  used  to  determine  the  proportions of materials present within the fly ash.  

 

The  use  of  fly  ash  for  concrete  production  is  a  popular  option  in  theory,  as  it  is  available abundantly worldwide. The use of 100% fly ash based concrete however, is  limited  to  date  in  structural  uses.  The  Ash  Development  Association  of  Australia  (ADAA) states that in 2007, Australia alone produced 14.5 million tons of fly ash, and  that  only  1.50  million  tons  (11%)  was  used  in  high  valued  applications  such  as 

(17)

 

Though  the  practical  use  of  100%  fly  ash  based  in  concrete  is  limited  in  structural  applications,  frequent  laboratory  work  has  been  conducted  into  the  investigation  of  mechanical  properties  of  fly  ash  based  concrete.  A  recent  study  at  Montana  State  University,  USA,  discussed  the  method  of  preparation  of  fly  ash  based  concrete.    It  should  be  noted  that  in  their  experiments,  class  F  fly  ash  is  utilized,  in  which  the  chemical  reaction  occurring  is  the  hydration  of  water  with  the  calcium  in  the  fly  ash  (Cross, Stephens and Vollmer 2005).    The major hurdle into the use of fly ash based concrete that was noted was the rapid  rate of chemical reaction that occurs once water is added to the mix. It was discovered  that the use of a retarder in these trials were essential, and that in the case that there  was no retardation, hydration would occur immediately and that the concrete would  ‘flash set’ in a matter of minutes. It was recommended to the researchers to attempt  the use of borax to delay any setting of the mix, as has been discovered effective with  OPC concretes. It then became an aim of the trials to gain an understanding of under  which conditions the borax needs to be present to extend the placement time before  setting (Cross, Stephens and Vollmer 2005).     It was discovered that the effectiveness of borax was not determined equivalently to  that in OPC based concretes. Rather than a simple relationship connecting the amount  of  borax  required  to  the  amount  of  cement  used,  it  was  determined  that  the  effectiveness of the admixture was dependant on its physical properties and the rate  at which it is added to the mix. When the relationships used for OPC based concretes  were  attempted  to  correspond  to  fly  ash  based  concrete,  it  was  found  that  the  predicted setting times were largely inaccurate (Cross, Stephens and Vollmer 2005).    

The  development  of  fly  ash  based  concrete  has  a  promising  future.  Laboratory  research carried out worldwide are consistently yielding compressive strengths equal  to  or  greater  than  equivalent  mix  designs  utilizing  Portland  cement.  In  the  above  mentioned  report,  Cross  and  Stephens  also  discovered  that  fly  ash  based  concrete 

(18)

gained strength at a rate equal to or faster than OPC concretes of similar mixes (Cross,  Stephens and Vollmer 2005). 

 One  a  physical  level,  it  is  thought  that  the  rounded  shape  of  the  fly  ash  particles  maintain  the  workability  of  the  concrete  prior  to  setting.  Fly  ash  particles  are  also  smaller in size than that of OPC and therefore produce and more compacted a denser  concrete set.  

 

It  should  be  recognised  that  the  next  step  in  the  development  of  fly  ash  based  concrete  would  be  research  into  its  durability  as  a  structural  material.  To  date,  concretes  with  100%  fly  ash  have  been  limited  to  use  on  low  strength  applications.  Before  this  material  is  to  be  introduced  as  a  structurally  safe  and  durable  material  though, development of mixes, prediction and control of strength, workability and set  times  must  be  obtained.  The  use  of  100%  fly  ash  concrete  in  these  environments  would  require  the  knowledge  that  it  develops  soundly  under  site  conditions,  such  as  curing under ambient temperatures.  

 

2.4 Geopolymer

Concrete

 

Davidovits first proposed that concrete could be made with a hydraulic binder, where  in  which  the  silicon  and  aluminium  from  the  inclusive  fly  ash  would  react  with  an  alkaline  liquid.  The  reaction  that  occurs,  polymerization,  is  significantly  faster  due  to  the alkaline conditions. The resultant three dimensional structures consisting of Si‐O‐ Al‐O bonds is a polymeric chain (Davidovits 1999).  

 

The most conventional method of producing geopolymer concrete is the incorporation  of  a  reaction  between  the  fly  ash  and  an  alkaline  solution  formed  from  a  metal  hydroxide  and  silicate  that  forms  an  alkaline  liquid.  It  is  not  uncommon  for  the  constituents of the geopolymer alkaline solution to be sodium hydroxide (NaOH) and  sodium  silicate  (Na2SiO3).  It  is  common  practice  in  the  mix  design  of  geopolymer  concrete, that aggregates occupy anywhere from 70 – 80% in volume by mass. 

(19)

Johnson  (2008)  states  that,  “Geopolymer  consists  of  silicon  and  aluminium  atoms 

bonded via oxygen into a polymer network. Geopolymers are prepared by dissolution  and  poly‐condensation  reactions  between  alumino‐silicate  binder  and  an  alkaline  silicate solution such as a mixture of an alkali metal silicate and metal hydroxide.” 

Again,  in  the  research carried  out  by  Johnson  it  was  noted how  quickly  the chemical  reactions  take  place  with  the  addition  of  the  alkaline  solution  to  the  fly  ash  in  the  mixing  process,  therefore  limiting  the  able  handling  time  before  setting  begins  to  occur.  Therefore,  an  aim  of  the  research  became  that  of  determining  a  mixing  procedure that would enable sufficient handling time whilst maintaining a concrete of  workable  consistency  and  could  be  used  in  industrial  applications.  It  was  discovered  that  if  a  preliminary  mixture  of  the  total  aggregate  volume  and  the  metal  hydroxide  solution were formed first, and then the fly ash added, no reaction would take place  until the metal silicate solution was added to the mix. This process of mixing generally  was  found  to  extend  handling  time  up  to  45  minutes  consistently,  and  therefore  provide a more suitable application for use on site (Johnson 2007).  

 

Hardjito  and  Rangan  (2005)  concluded  that  it  was  favourable  to  mix  the  sodium  hydroxide  and  sodium  silicate  solution  at  least  one  day  prior  to  adding  it  to  the  dry  materials. This was carried out under recommendation from Davidovits, who observed  that  when  this  was  carried  out,  bleeding  and  segregation  of  the  concrete  no  longer  occurred. This combination was then added to the dry mixture. 

 

This is in contrast to advice given to the author of this report by Curtin post graduate  student  M.  Olivia  (personal  communication,  25  May,  2009).  She  advised  that  the  mixing  of  sodium  hydroxide  and  sodium  silicate  solution  should  occur  on  the  day  of  mixing  the  concrete,  otherwise  the  solution  may  solidify  and  the  production  of  concrete will be extremely difficult. She stressed that research has shown experiences  of  the  alkaline  solution  crystallizing  before  it  is  to  be  added  to  the  dry  materials,  therefore deeming the pour to be a failure. Situations had also occurred in which the  concrete mix had hardened to a point that it is unable to be poured whilst still in the  mixer. 

(20)

Sofi et al. (2007) had similar findings to Johnson (2007) in the research paper entitled  “Engineering  Properties  of  Inorganic  Polymer  Concretes  (IPCs).”  In  it,  he  praised  the  use  of  concrete  utilizing  materials  other  than  OPC  in  terms  of  their  mechanical  properties. He suggests that inorganic polymer concretes comprising of materials such  as  fly  ash,  can  exhibit  superior  mechanical  properties  to  ordinary  Portland  cement  concretes. This is heavily dependent though on the chemical composition of the fly ash  used.  

The  hurdle  though,  still  stands  at  managing  the  quick  setting  nature  of  geopolymer  concrete, and maintaining the concrete’s ultimate characteristics such as strength and  durability is a prime concern when introducing mixture additions in order to retard the  rapid  setting.  The  fast  setting  characteristic  of  IPC,  Sofi  writes,  can  be  taken  as  an  advantage  or  disadvantage.  Though  the  setting  of  IPC’s  can  occur  rapidly,  and  the  polymerization reaction occurs straight away, it continues over a length of time which  extends beyond seven days. This contributes to the strength gaining characteristic of  geopolymer which has a distinct behaviour in comparison to OPC based concretes. It  was  found  within  the  IPC  mixes  that  between  7  and  28  days,  a  development  of  compressive strength occurred of up to 15 MPa (Sofi et al. 2007).  

 

The  use  of  Geopolymer,  to  date  has  only  been  limited  to  low  strength  applications.  This  seems  to  remain  the  case,  when  in  fact  a  lot  of  researchers  praise  the  characteristics  of  the  product.  Johnson  (2007)  writes  in  the  aforementioned  report  that the heat, fire and acid resistance of geopolymer concrete will be greater than that  of  Portland  cement  based  concrete.  Johnson  used  the  geopolymer’s  fast  setting  characteristic  as  an  advantage,  as  he  proposed  that  it  be  used  in  the  production  of  concrete pipes and poles. Such manufacturing requires the use of concrete with zero  slump,  and  processes  that  involve  centrifugal  stages,  roller  suspension  and  vertical  casting.  It  was  discovered  that  by  manipulating  the  mix  design,  and  therefore  producing  ‘no  slump’  concrete,  it  was  possible  to  utilize  geopolymer  concrete  in  preparing pipes and other consolidated moulded products.  

 

(21)

setting,  and  therefore  losing  any  plasticity,  must  be  long  enough  to  incorporate  any  required transport of the product. This becomes important because if the concrete is  at  its  hardened  state  during  transport,  cracking  is  likely  to  occur  and  therefore  a  reduction  in  the  final  strength  will  be  experienced.  To  overcome  the  associated  problems  of  rapid  strength  gain  will  require  control  of  the  setting  times  of  the  concrete, or reverting back to casting products on  site or in‐situ, therefore making it  unlikely  to  have  the  availability  of  steam  rooms  or  kilns  available  for  the  particular  application. 

 

2.5 Mix Proportioning of Geopolymer Concrete

 

The  aim  of  the  research  conducted  for  this  report  was  to  further  the  mix  design  of  geopolymer  concrete  by  improving  its  ambient  curing  properties.  Therefore,  the  mix  proportioning  carried  out  for  this  research  was  in  the  form  of  using  additives  to  the  geopolymer  concrete  mix,  rather  than  re‐establishing  standard  mixes  again.  This  meant  that  initial  mix  designs  were  based  largely  upon  previously  successful  geopolymer concrete mixes that had already yielded substantial results.  

 

It was found by Hardjito and Rangan (2005) that consistent results were gained upon  keeping the alkaline solution at a sodium silicate‐to‐sodium hydroxide ratio of 2.5. This  ratio was favoured over a lesser one because of the reliable results that it yielded, and  because  the  sodium  silicate  solution  is  considerably  cheaper  than  the  sodium  hydroxide pellets. A general proportion of alkaline solution‐to‐fly ash was settled upon  at  approximately  0.35.  Upon  investigation  of  the  affects  of  the  concentration  of  the  sodium hydroxide solution, it was found that in mix designs of exact proportions, the  mix with the higher concentration in molarity of the sodium hydroxide solution would  yield a higher compressive strength. This was examined through the use of varying the  molarity  of  the  solution  between  8  molars  and  14  molars  in  mix  designs  of  exact  proportions.  

 

Liu reports how geopolymer concrete can be produced by using other industrial wastes  such  as  bauxite  residues.  It  is  noted  how  past  research  into  the  re‐use  of  these 

(22)

products  such  as  bayer  liquor  has  been  used  to  produce  materials  such  as  ceramics,  cements,  clay  bricks  and  glazes.  In  the  production  of  unsintered  construction  and  building  products,  Liu  suggested  that  the  optimal  proportions  of  raw  materials  show  following:   Bauxite Residue  : 25 – 40%  Fly Ash     : 18 – 28%  Sand      : 30 ‐35%  Lime      : 8 – 10%  Gypsum    : 1 – 3%  Portland Cement  : 1%  This composition has been used to produce building materials that has reached the 1st  grade of Chinese standards for a brick (Liu et al. 2009).    

2.6 Curing of Geopolymer Concrete

 

The  present  report  deals  with  the  ambient  curing  of  geopolymer  concrete,  yet  changing the method of curing has previously researched in geopolymer concrete. The  ability  of  concrete  to  cure  at  ambient  temperatures  becomes  useful  in  industrial  applications  when  concrete  is  cast  in‐situ  or  on  site,  as  the  availability  of  a  kiln,  especially on larger scale projects, is unlikely. 

 

The  conditions  under  which  geopolymer  concrete  is  cured  directly  relates  to  the  durability  and  strength  of  the  mix,  as  displayed  by  Hardjito  et  al.  (2004).  His  results  found that the curing of concrete at higher temperatures, up to 60°C, yielded a higher  compressive  strength  than  at  a  lower  temperature,  yet  any  increase  in  curing  temperature  over  this  threshold  made  no  substantial  difference  to  its  strength.  A  proportional  relationship  was  discovered  between  the  length  of  curing  time  and  compressive strength. The rate of setting of geopolymer concrete is well documented,  yet it is likely that these cases were resultant upon short curing times. Hardjito et al.  discovered  the  fast  rate  of  polymerization  only  stalled  the  strength  gain  when  the  concrete was cured for short times, such as 24 hours. This contrasts with the strength 

(23)

over  a  length  of  time  when  being  steam  cured,  therefore  increasing  in  strength  with  age. This strength development over time can be achieved with geopolymer concrete  when  curing  time  is  extended.  It  was  discovered  that  as  the  curing  time  increases  in  the range of 6 hours to 96 hours (4 days), the polymerization process is improved and  therefore  yields  a  higher  compressive  strength.  It  is  noted  though,  that  the  strength  increase after 48 hours of steam curing is not significant.  

 

It  is  recommended  that  during  curing  of  geopolymer  concretes  at  elevated  temperatures, samples should be wrapped and then sealed, this should be present for  the  duration  that  the  samples  are  being  cured  at  temperatures  up  to  100°C.  This  precaution  has  been  suggested  in  order  to  prevent  excessive  evaporation  of  the  samples  during  curing.  This  would  cause  a  less  dense  concrete  with  a  weaker  compressive  strength.  It  was  also  discovered  that  in  wrapping  the  geopolymer  concrete specimens, the mix did not harden immediately under ambient conditions. At  room temperatures of below 30°C, hardening of the concrete did not occur for at least  24 hours (Hardjito and Rangan 2005).  

 

Whilst  interesting  to  know  that  it  is  possible  to  achieve  a  time‐dependant,  strength‐ development  behaviour  with  geopolymer  concrete,  in  industry,  it  would  not  be  very  applicable. Rarely would you see concrete cast and then kept under controlled curing  conditions  for  any  more  than  24  hours,  and  if  it  was  cast  in  situ,  all  curing  would  be  under  ambient  conditions.  In  a  rare  situation  where  formwork  turnover  is  not  as  critical in a precast concrete environment, it would be possible to achieve an extended  curing time under controlled conditions. 

 

Wallah  and  Rangan  (2006)  reported  how  the  strength  development  of  geopolymer  concrete  varied  with  the  conditions  under  which  they  were  cured.  Three  batches  of  the  same  mix  were  produced  at  varying  times  in  the  year;  May,  July  and  September  2005,  and  cured  under ambient  conditions  within  the  laboratory.  The  cylinders  were  released  from  their  moulds  one  day  after  casting.  It  was  discovered  that  specimens  cured  under  ambient  conditions  exhibited  significantly  lower  7  day  compressive  strengths than those cured under elevated temperatures for the first 24 hours. 

(24)

 

It was reported that under ambient curing conditions of geopolymer concrete, the 7th  day  compressive  strength  and  subsequent  strength  gain  with  respect  to  age  lies  dependent  upon  the  average  ambient  temperature  at  the  time  of  curing.  As  the  ambient  temperature  at  casting  increased,  as  did  the  7th  day  and  subsequent  compressive  strength’s  tested  at  later  dates.  The  compressive  strength  of  the  geopolymer concrete during July exhibited a 28 day strength of 31 MPa in comparison  to  47  MPa  for  the  mix  poured  in  May.  The  average  temperature  experienced  within  July 2005 ranged from 8°C to 18°C, and 18°C to 25°C in May (Wallah and Rangan 2006).    

2.7 Aiding the Early Strength of Concrete

 

The  reaction  between  elements  in  fly  ash  based  concretes  is  a  slow  process,  and  therefore  only  contributes  to  the  strength  development  at  later  dates  of  age.  This  causes  a  problem  in  the  utilization  of  fly  ash  concrete  in  ambient  cured  precast  concrete applications, due to the low early strength and formwork turnover routines.  Previous  research  in  OPC  based  concretes  has  indicated  that  the  inclusion  of  silica  fume  and  hydrated  lime  (calcium  hydroxide)  yields  positive  results  in  increasing  the  early strength of concrete, as well as having the concrete mix set quicker. 

 

Barbhuiya  et  al  (2009)  investigated  the  use  of  including  silica  fume  and  calcium  hydroxide  to  concretes  with  a  fly  ash  substitution  of  30%  of  the  ordinary  Portland  cement based content. Silica fume was added to the mix at 5% by mass of the cement  content as a final addition when mixing the concrete. Hydrated lime on the other hand  was substituted at a rate of 5% by mass of the total cementious materials. In order to  investigate the early strength development of this concrete specimens were tested at  3,  7  and  28  days  after  casting.  Specimens  were  cured  in  curing  rooms  at  constant  temperatures. The first 24 hours were spent at 20°C and then transferred to a moist  curing room at 23°C and kept in water until testing.  

(25)

Workability  is  seen  to  decrease  upon  the  addition  of  hydrated  lime,  however  to  improve this, a super plasticiser was added. The addition of silica fume to the mix had  no effect on the workability of a concrete mix.    It was discovered that the addition of both silica fume and calcium hydroxide increased  the early compressive strength of the concrete mixes. Testing at 3 days of age showed  that the strength of both silica fume and hydrated lime mixes were equally higher, (30  MPa) than the standard concrete mix at 24 MPa. The major differences in compressive  strengths were apparent at 28 days with a constant progression from the standard mix  (49  MPa),  fly  ash  inclusive  of  hydrated  lime  (53  MPa)  and  then  the  concrete  mix  incorporating silica fume with a 58 MPa 28 day compressive strength (Figure 2.1).    

Figure 2.1: Compressive Strength of 30% Fly Ash Substituted Concrete   

The  use  of  calcium  based  additives  into  geopolymer  pastes  was  researched  by  Temuujin, van Riessen and Williams (2009). Both calcium hydroxide and calcium oxide  were substituted into geopolymer pastes for fly ash in order to accelerate the ambient  curing (on average at 20°C) of the paste, and increase the compressive strength under  these curing conditions. To form a proper comparison between the effects from curing  conditions, specimens were oven cured being subjected to heats of 70°C.    

(26)

It  was  found  that  the  addition  of  calcium  compounds  improved  the  mechanical  properties  of  geopolymer  pastes  cured  at  ambient  temperatures,  yet  reduced  the  strength of those cured under elevated temperatures. 

 

The  results  also  showed  that  the  addition  of  calcium  hydroxide  (Ca(OH)2)  aided  the  ambient curing strength more so than calcium oxide (CaO). It is suggested that this is  apparent  because  the  calcium  hydroxide  is  a  reactive  constituent  of  the  geopolymer  mixes. The use of calcium hydroxide would appear to present incomplete hydration of  the  product  as  it  reacts  with  the  alkaline  solution  in  the  formation  of  calcium  hydroxide. Specimens with CaO added presented compressive strengths approximately  20% lower than those with calcium hydroxide. 

 

It is suggested that the lower compressive strength in the pastes that is cured under  elevated  temperatures  is  due  to  the  water  evaporation  within  the  mix,  exhibited  by  lower density and higher porosity. At elevated temperatures, it is also suggested that  the presence of calcium doesn’t allow the formation of three dimensional geopolymer  network  due  to  the  fast  dissolution  of  the  paste.  This  therefore  results  in  reduced  mechanical  properties  of  the  final  product.  Under  ambient  conditions,  it  was  found  that  by  increasing  the  percentage  of  added  calcium  compound,  the  compressive  strength  increased  with  it.  With  a  3%  addition  of  calcium hydroxide  the  compressive  strength of 29 MPa compared to a geopolymer paste with no calcium additive which  exhibited a strength of 12 MPa. In comparison, geopolymer with a calcium hydroxide  inclusion  of  1%  and  2%  showed  strength  of  24  MPa  and  28  MPa  respectively  (Temuujin, van Riessen and Williams 2009). 

(27)

3. EXPERIMENTAL PROCEDURE

 

3.1 Introduction

 

Chapter  3  presents  the  details  of  the  research  that  was  carried  out  in  order  to  investigate the inclusion of additives in the development of geopolymer concrete mix  design. 

 

Due to the limited research conducted using fly ash‐based geopolymer concrete with  zero  OPC,  a  large  part  of  the  experimental  work  for  this  report  focused  on  the  mix  proportioning and procedure for developing this concrete. The project’s aim included  mix design development that would constantly yield concrete mixes with a consistent  compressive strength of at least 30 MPa.  

 

Due to the lack of previous mix design information using geopolymer concrete, initial  mix  design  and  procedures  closely  followed  regular  conditions  for  the  production  of  geopolymer concrete using sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) to  form the alkaline solution. A trial and error process was then used for fine tuning the  strength of the mixes, including materials such as silica fume and calcium hydroxide in  anticipation of developing a concrete mix that would cure faster and develop a higher  compressive strength. 

 

Experimental  results  were  based  upon  compressive  and  tensile  strengths,  this  is  not  unusual because compressive strength has a fundamental importance in the design of  concrete  structures.  Tests  for  these  parameters  were  for  the  majority  of  the  mixes  conducted at 7, 14, 21 and 28 days after casting. This was conducted to observe the  short  term  strength  development  in  concrete  with  the  primary  binder  not  being  cement.  

 

The  current  methods  of  producing  and  testing  of  ordinary  Portland  cement  concrete  were  followed  as  closely  as  possible  in  the  production  of  this  geopolymer  concrete. 

(28)

This was a  key point in the research, as it was  important that a relevant comparison  between  the  two  products  was  formed  and  therefore  investigating  whether  geopolymer concrete would be suitable to be produced on site. This included a general  aggregate  quantity  of  77%  by  mass  within  the  mix.  The  aggregate  used  within  the  different  mixes  originate  from  the  same  source  throughout  the  year,  in  order  to  minimize the effect of varying aggregate properties.     

3.2 Safety

  Prior to any research beginning, an aim for this report was to develop a geopolymer  concrete mix utilizing bayer liquor. This product is an industrial waste that is formed in  the stage of removing bauxite in the refining of alumina. It has previously been used in  the production of geopolymer pastes by the Centre of Materials Research department  at  Curtin  University.  The  aim  was  to  carry  out  a  scaling  up  exercise  of  this  paste  by  adding aggregates to the mix and increasing the quantity produced. 

 

In order to gain access to the bayer liquor, numerous precautions needed to be carried  out,  due  to  the  caustic  nature  of  the  product.  The  most  important  of  these  was  the  Edusafe risk analysis and compliance. This took into account what measures needed to  be put in place so that safe handling procedures of this material could be carried out. A  major influence that this programme had on the preparation was the requirement for  a  safety  shower  to  be  installed  in  the  laboratory.  Strict  methods  of  storage  and  disposal also had to be planned that comply with the appropriate measures as outlined  on the product’s Material Safety Data Sheet.  

 

Due  to  the  unsafe  nature  of  the  product  and  the  relatively  tight  schedule  to  put  all  safety measures in place, the bayer liquor was not able to be brought to Curtin for use  in concrete. These measures were also carried out for production of the conventional  geopolymer  concrete,  however  the  procedure  for  the  bayer  was  quite  a  bit  more  stringent due to it never having been used in concrete at Curtin University.  

(29)

3.3 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 

(30)

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.   

(31)

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. 

(32)

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.      30.5 30.1 27.5 5.5 0.7 1 0 10 30 95 6 35 50 100 0.063 0.15 0. 6 4.75 19 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 . 0 1 mm 0 . 1 mm 1 mm 1 0 mm 1 0 0 mm P e rcent a ge pas s ing Particle size (mm) BS Sieve ISO Sieve Figure 3.1: Grading Curve of Combined Aggregates  (Grading Curve 2009)   

(33)

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 BS 882.92 Sieve Aggregates Combination

   

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. 

(34)

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

- To  observe  the  strength  development  of  fly  ash  based  geopolymer  concrete  under ambient curing conditions.    3.4.1 Mixing Procedure   The mixing procedure plays a vital role in the production of geopolymer concrete due  to the unstable nature of some mixes. If constituents are added in the wrong order, it  is possible that the concrete may flash set in the mixer, causing both a failed mix and a  tough clean up. For this reason, a particular order was followed in the concrete mixing  during this research.    Cylinder moulds were first prepared for concrete pouring by coating them with mould  release.  For  the  use  of  geopolymer  concrete,  a  product  by  the  name of  Valsof  PE‐40  was used as the mould release, as the usual grease would not work the same as with  cement based concretes. 

 

The alkaline solution consisting of sodium hydroxide and sodium silicate was combined  at  the  beginning  of  the  day  when  producing  concrete.  This  came  under  recommendation  in  order  to  avoid  the  solution  crystallizing  over  a  long  stationary  period,  an  outcome  that  would  deem  the  concrete  mix  design  to  differ  if  water  was  used to dissolve the solid again. The sodium hydroxide solution was added carefully to  the  second  constituent  and  mixed  thoroughly,  before  being  sealed  with  lids  prior  to  mixing time. 

 

The mixing procedure for geopolymer concrete was similar to that of conventional OPC  concrete. All dry aggregates and fly ash were first added to the pan mixer and mixed  for  a  few  minutes  to  properly  combine  all  sizes.  After  this  dry  mixing,  the  alkaline  solution and any extra water was then added gradually and then mixed for a further  three minutes, or, until an adequately combined mixture was formed.  

References

Related documents

Combining Properties and Evidence to Support Overall Confor- mance Claims: Safety-critical system development increasingly relies on using a diverse set of verification

If you’re a beer buff, take a guided tour at Deschutes Brewery to learn more about how the craft beer scene got its start in Central Oregon, then visit a few.. of the city’s

On June 9, 2003, the Tax Discovery Bureau (Bureau) of the Idaho State Tax Commission issued a Notice of Deficiency Determination (NODD) to [Redacted] (taxpayers), proposing income

Request approval to 1) accept a grant award from, and enter into a grant agreement with, the American Psychological Association Board of Educational Affairs to pursue accreditation

The State of California, Department of Insurance (CDI) has awarded the District Attorney¶s Office (DA) $4,700,955 for the Automobile Insurance Fraud (AIF) Program, $2,121,829 for

77273 with Caban Resources, LLC (Caban), effective upon Board approval to: (i) extend the term of the Agreement for the period July 1, 2015 through June 30, 2016 with an option

Disturbing asbestos-containing materials that are in good condition may produce dust and increase health risks.. When we survey homes to find out whether there are

Sales location, product type, number of advertising methods used, high-speed Internet connection, land tenure arrangement, and gross farm sales is found to be significantly related