Effetto della concentrazione di idrossido di sodio e grado di polimerizzazione termica su malta Geopolimerica a base di ceneri volanti

Abstract

Il calcestruzzo/malta Geopolimerica è il nuovo sviluppo nel campo delle costruzioni edili in cui il cemento viene totalmente sostituito da materiale pozzolanico come ceneri volanti e attivato da soluzione alcalina. Questo articolo ha presentato l’effetto della concentrazione di idrossido di sodio, della temperatura e della durata del riscaldamento del forno sulla resistenza alla compressione della malta geopolimerica a base di ceneri volanti. Soluzione di silicato di sodio contenente Na2O del 16,45%, SiO2 del 34,35% e H2O del 49.20% e soluzione di idrossido di sodio di 2.91, 5.60, 8.10, 11.01, 13.11, e 15.08. Le concentrazioni di talpe sono state utilizzate come attivatori alcalini. Le miscele di malta Geopolymer sono state preparate considerando il rapporto tra soluzione e ceneri volanti di 0,35, 0,40 e 0,45. La temperatura di indurimento del forno è stata mantenuta a 40, 60, 90 e 120°C ciascuno per un periodo di riscaldamento di 24 ore e testata per la resistenza alla compressione all’età di 3 giorni come periodo di prova dopo il grado di riscaldamento specificato. I risultati dei test mostrano che la lavorabilità e la resistenza alla compressione aumentano entrambi con l’aumento della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio per tutti i rapporti di ceneri da soluzione a mosca. Il grado di riscaldamento inoltre svolge il ruolo vitale nell’accelerare la forza; tuttavia non c’è grande cambiamento nella resistenza alla compressione oltre il periodo della prova di tre giorni dopo il periodo specificato di riscaldamento del forno.

1. Introduzione

L’industria del cemento è uno dei principali contributori all’emissione di gas serra come l’anidride carbonica che è di circa 1,35 miliardi di tonnellate all’anno . Giorno dopo giorno la produzione mondiale di cemento Portland aumenta con la crescente domanda del settore delle costruzioni che ha attraversato mille milioni di tonnellate all’anno. Dall’altro lato, le ceneri volanti sono il materiale di scarto della centrale termica a base di carbone, che è disponibile in abbondanza ma crea problemi di smaltimento. Per il loro smaltimento sono necessari diversi hectors di terra preziosa. Poiché la cenere volante è leggera e vola facilmente, questo crea gravi problemi di salute come asma, bronchite e così via. Secondo il sondaggio, la produzione totale di ceneri volanti nel mondo è di circa 780 milioni di tonnellate all’anno . Con silicio e alluminio come costituenti principali, le ceneri volanti sono un efficace materiale di sostituzione del cemento, ma l’utilizzo è solo del 17-25%. Allo stato attuale, le ceneri volanti vengono utilizzate nella produzione di cemento Portland Pozzolana, sostituzione parziale del cemento e miglioramento della lavorabilità nel calcestruzzo, e anche nella produzione di blocchi cellulari e mattoni e nella stabilizzazione del suolo . Per ogni tonnellata di ceneri volanti utilizzata al posto del cemento Portland si risparmia circa una tonnellata di emissione di anidride carbonica nell’atmosfera . La malta e il calcestruzzo realizzati con ceneri volanti sono ecologici e possono essere fatti per sostituire oltre il 50% del cemento per produrre calcestruzzo ad alto volume di ceneri volanti .

Ma per il pieno utilizzo delle ceneri volanti, Davidovits ha suggerito il processo di attivazione in cui il cemento viene totalmente sostituito da materiale pozzolanico e attivato da una soluzione alcalina nota come geopolimero. Lo sviluppo del calcestruzzo/malta geopolymer può fornire una soluzione per produrre materiali da costruzione più ecologici per lo sviluppo sostenibile.

Davidovits ha evidenziato l’impatto del riscaldamento globale dovuto alle emissioni di CO2 delle produzioni di cemento Portland e la necessità di materiali cementizi a basse emissioni di CO2. Rai et al. ha presentato diversi aspetti ambientali dello smaltimento delle ceneri di carbone e della contaminazione delle acque sotterranee, mentre Pandey et al. evidenziato il problema dovuto alla generazione di ceneri volanti nelle centrali termoelettriche e al suo smaltimento, insieme all’inquinamento dovuto alla presenza di arsenico. Rajamane e Sabitha hanno studiato l’azione pozzolanica delle ceneri volanti e dei fumi di silice con l’idrossido di calcio generato durante l’idratazione del cemento. Suri ha spiegato l’applicazione delle ceneri volanti per la realizzazione di prodotti da costruzione innovativi per la costruzione dal parziale al pieno utilizzo delle ceneri volanti nel calcestruzzo geopolimerico. Jiminez et al. ha riferito che le ceneri volanti attivate hanno proprietà di regolazione rapida e di sviluppo rapido della resistenza e vengono utilizzate anche per l’immobilizzazione dei rifiuti tossici. Davidovits ha dimostrato la policondensazione del geopolimero a temperature inferiori a 100°C e la reazione chimica coinvolta nella loro formazione. Hardjito et al. ha studiato l’effetto del rapporto acqua-geopolimero solidi per massa sulla resistenza alla compressione del calcestruzzo geopolimero a base di ceneri volanti, mentre Fongjan e Ludger hanno osservato i rapporti ossido-mole, le proprietà fisiche e le morfologie dei materiali solidi e le condizioni di polimerizzazione sono i fattori chiave che influenzano le proprietà potenziali della malta geopopolimerica. R. R. E. ha scoperto che il calcestruzzo geopolimerico a base di ceneri volanti ha un’eccellente resistenza all’attacco del solfato, subisce un basso scorrimento e subisce un restringimento di essiccazione molto ridotto. Hardjito et al. studiato gli effetti del tempo di miscelazione e il periodo di riposo, mentre Sumajouw et al. studiato il comportamento e la resistenza delle colonne e delle travi in cemento armato geopolimero. L’effetto della composizione molare degli ossidi presenti nella miscela e del contenuto di acqua utilizzato sul processo di polimerizzazione è stato studiato da Barbosa et al. . van Jaarsveld et al. ha osservato che il contenuto di acqua ha un effetto sostanziale sulle proprietà finali del geopolimero, mentre il rapporto soluzione-ceneri volanti non è un parametro rilevante come osservato da Palomo e Fernandez-Jimenez . Ranganath e Mohammed hanno evidenziato l’effetto delle ceneri volanti, il contenuto di acqua, il rapporto tra silicato di sodio e idrossido di sodio e la durata della polimerizzazione a temperatura elevata sulle proprietà del calcestruzzo geopolimerico, mentre Mustafa Al Bakri et al. e Jamkar et al. osservato l’aumento della lavorabilità e della resistenza alla compressione con l’aumento della finezza delle ceneri volanti.

Nella presente ricerca, un lavoro sperimentale effettuato per studiare l’effetto di diverse concentrazioni di soluzione di idrossido di sodio in termini di molarità a soluzione-to-fly ash rapporti di 0,30, 0.35, e 0,40 sulla lavorabilità in termini di flusso in plastica di stato e l’effetto del grado di riscaldamento a resistenza a compressione dopo un determinato periodo di polimerizzazione a caldo di fly ash-base geopolymer malta.

2. Programma sperimentale

2.1. Materiali

Nella presente inchiesta è stata utilizzata come materiale di base una cenere volatile lavorata a basso contenuto di calcio. Il residuo di ceneri volanti trattenuto sul setaccio 45 µm è stato segnalato come 7,67%. La tabella 1 mostra la composizione chimica del campione di ceneri volanti lavorate a secco. L’idrossido di sodio di grado di laboratorio in forma di fiocco (purezza 97.8%) e silicato di sodio (solidi 50.72%) sono state utilizzate come attivatori alcalini. La sabbia fluviale disponibile localmente è stata utilizzata come materiale di riempimento. La sabbia viene setacciata utilizzando setacci di dimensioni 2 mm, 1 mm, 500 micron e 90 micron. Queste frazioni di dimensioni sono combinate in proporzione uguale per mantenere la classificazione conforme alla sabbia standard secondo IS 650: 1991. I rapporti tra soluzione alcalina e ceneri volanti sono stati considerati come 0,35, 0,40 e 0,45 per ciascuna soluzione di idrossido di sodio concentrato da 2,91 M, 5,61 M, 8,11 M, 11,01 M, 13,11 M e 15,06 M. L’indurimento del forno è stato effettuato a 60°C, 90°C e 120°C ciascuno per un periodo di riscaldamento di 24 ore e testato dopo 3 giorni di periodo di prova dopo il riscaldamento.

2.2. Preparazione della soluzione di idrossido di sodio

A seconda della concentrazione di soluzione di idrossido di sodio richiesta, sono stati aggiunti fiocchi di idrossido di sodio in un litro di acqua distillata invece di preparare una soluzione da un litro. Quindi la molarità è stata trovata dalle misurazioni di laboratorio. Ad esempio, la soluzione di idrossido di sodio 3 M è costituita da 3 × 40 = 120 grammi di solidi NaOH per litro di soluzione. Ma invece di quello, 120 fiocchi di idrossido di sodio gm sono stati aggiunti in un litro di acqua distillata. Quindi il volume totale della soluzione era di 1.030 litri. Il solido contenuto in un litro di soluzione di idrossido di sodio è stato stimato come (120/1030) × 1000 = 116,40 gm. Pertanto la molarità della soluzione è (116,40/40) = 2,91 M invece di 3 M. La soluzione di idrossido di sodio è stata preparata due giorni prima della fusione dei cubetti di malta in modo da raffreddare la soluzione fino a temperatura ambiente specificamente nella stagione estiva.

2.3. Preparazione di miscele di malta geopolimerica

Le miscele di malta geopolimerica sono state preparate dopo aver sostituito totalmente il cemento con la stessa quantità di ceneri volanti e attivandolo con soluzioni alcaline di idrossido di sodio e silicato di sodio. I cubi di malta Geopolymer sono stati preparati utilizzando proporzioni 1 : 3 di ceneri volanti e sabbia disponibile localmente classificata simile alla sabbia standard. Le quantità di soluzione alcalina e acqua sono state calcolate considerando il rapporto tra soluzione e ceneri volanti di 0,35, 0,40 e 0,45, il rapporto tra silicato di sodio e idrossido di sodio in massa di 1,0 e il rapporto tra acqua e geopolimero solido in massa di 0.2625 sulla base di indagini passate . Quantità calcolate di soluzione di silicato di sodio mescolata con soluzione di silicato di sodio insieme ad acqua extra se presente in una bottiglia di vetro di capacità di cinque litri e agitata delicatamente per dare una soluzione omogenea. La soluzione preparata è stata tenuta da parte per circa 2 ore per evitare qualsiasi contaminazione durante la colata.

Colata di malta geopolymer è simile a quella di malta cementizia in cui miscela secca di ceneri volanti e sabbia graduata è stato fatto in una ciotola di capacità 6 kg e poi soluzione alcalina viene aggiunto ad esso e accuratamente miscelati per 2 o 3 minuti in modo da dare miscela omogenea. Si è scoperto che la malta geopolimerica fresca a base di ceneri volanti era viscosa, coesiva e di colore scuro. Dopo aver effettuato la miscela omogenea, la lavorabilità della malta geopolimerica fresca è stata misurata dall’apparato della tabella di flusso secondo IS 5512-1983 e IS 1727-1967. Quindi per ogni concentrazione di idrossido di sodio, 48 cubi di dimensione 70.7 mm × 70,7 mm × 70,7 mm sono stati espressi in tre strati. Ogni strato è stato ben compattato da barra di pigiatura del diametro di 20 mm. Dopo la compattazione della malta, la superficie superiore è stata livellata con cazzuola e i lati dello stampo sono stati delicatamente maschiati per espellere l’aria, se presente, presente all’interno della malta. Tutti i cubi sono stati rimossi dagli stampi dopo 24 ore di colata e poi posti in un forno per la polimerizzazione termica (riscaldamento). Per evitare l’improvvisa variazione di temperatura, i cubetti di malta sono stati lasciati raffreddare fino a temperatura ambiente nel forno stesso. Dopo 24 ore, i campioni sono stati rimossi dal forno e il peso di ciascun campione è stato preso per la determinazione della densità di massa e quindi testato per la resistenza alla compressione dopo 3 giorni di riscaldamento. La procedura di prova è simile a quella della malta cementizia come menzionato in IS 4031 (parte VI) -1981. Tre cubi sono stati colati e testati per la resistenza alla compressione per ogni periodo di polimerizzazione.

3. Risultato e discussioni

I risultati della lavorabilità in termini di flusso e effetto di varie concentrazioni di soluzione di idrossido di sodio e temperatura sulla resistenza alla compressione della malta geopolimerica sono presentati nelle seguenti sezioni.

3.1. Effetto della concentrazione di idrossido di sodio sulla lavorabilità della malta Geopolimerica

Poiché la malta geopolimerica era viscosa e l’acqua usciva durante il processo di polimerizzazione, il test della tabella di flusso mostra risultati relativamente buoni rispetto agli altri metodi di misurazione della lavorabilità. La figura 1 mostra l’effetto della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio in termini di molarità sul flusso della malta geopolimerica dopo 10 scossoni per rapporti soluzione-ceneri volanti di 0,35, 0,40 e 0,45. Si osserva che la maggiore concentrazione di soluzione di idrossido di sodio ha determinato un flusso più elevato per il rapporto tra soluzione alcalina e ceneri volanti di 0,35 e 0,40. Significa che il flusso di malta geopolimerica aumenta con l’aumento della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio. Ma per il rapporto tra soluzione e ceneri volanti di 0,40, la velocità di guadagno del flusso non è molto significativa a e sopra 11.01 M concentrazione di soluzione di idrossido di sodio. Potrebbe essere dovuto alla riduzione della quantità di acqua necessaria per mantenere il rapporto solido acqua-geopolymer di 0,2625 nella miscela e geopolymer malta fatta con soluzione di idrossido di sodio altamente concentrato dà miscela molto viscosa.

Figura 1

Effetto della concentrazione di idrossido di sodio sul flusso di malta geopolimerica per diversi rapporti tra soluzione e ceneri volanti.

3.2. Effetto della Concentrazione di Idrossido di Sodio sulla Resistenza a Compressione del Geopolymer Malta

Figura 2 mostra l’effetto della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio in termini di molarità sulla resistenza a compressione del geopolymer malta riscaldata in forno a temperature di 40, 60, 90 e 120°C per la durata di 24 ore e testato dopo 3 giorni di forno di riscaldamento per la soluzione-to-fly ash rapporto di 0,35. Si osserva che la resistenza alla compressione del calcestruzzo geopolimerico aumenta con l’aumento della concentrazione di soluzione di idrossido di sodio per tutte le temperature, ma il tasso di guadagno di forza è diverso per le diverse concentrazioni di soluzione di idrossido di sodio. Il tasso di guadagno di forza è più alto tra le temperature di polimerizzazione di 40 e 60°C rispetto a 60 a 90°C e 90 a 120°C per tutte le concentrazioni di soluzione di idrossido di sodio. Tuttavia, non vi è alcuna variazione significativa nella resistenza alla compressione della malta geopolimerica a e sopra 13.11 M concentrazione di soluzione di idrossido di sodio. È dovuto ad una formazione molto viscosa della miscela ad più alta concentrazione di idrossido di sodio che crea il problema della compattazione. Si osserva inoltre che la lieve concentrazione di soluzione di idrossido di sodio di 2,91 M conferisce scarsa resistenza.

Figura 2

Effetto del grado di riscaldamento per diverse concentrazioni di soluzione di NaOH sulla resistenza alla compressione al rapporto soluzione-ceneri volanti di 0,35.

Le figure 3 e 4 mostrano l’effetto della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio sulla resistenza alla compressione della malta geopolimerica per un rapporto tra soluzione e ceneri volanti di 0,40 e 0,45 mantenendo costanti altri parametri. Si osserva che la resistenza alla compressione del calcestruzzo geopolimerico aumenta con l’aumento della concentrazione di soluzione di idrossido di sodio per tutte le temperature, ma il tasso di guadagno di forza a e sopra i 60°C non è molto significativo. Ciò significa che il grado di riscaldamento a 60°C è sufficiente quando i rapporti soluzione-ceneri volanti sono 0,40 e 0.45. Allo stesso modo la soluzione di idrossido di sodio con concentrazione di 8,01 M è sufficiente per ottenere una forza notevole. Il rapporto soluzione-cenere più alto mostra una maggiore resistenza alla stessa concentrazione di soluzione di idrossido di sodio. Ma il più alto rapporto soluzione-cenere dà la miscela più viscosa e crea le difficoltà nella compattazione che infine riducono la forza come chiaramente osservato dalla figura 4.

Figura 3

Effetto del grado di riscaldamento per diverse concentrazioni di soluzione di NaOH sulla resistenza alla compressione al rapporto soluzione-ceneri volanti di 0,40.

Figura 4

Effetto del grado di riscaldamento per diverse concentrazioni di soluzione di NaOH sulla resistenza alla compressione al rapporto soluzione-ceneri volanti di 0,45.

3.3. Effetto della Concentrazione della Soluzione di Idrossido di Sodio sulla Densità di Massa Geopolymer Malta

la Tabella 2 mostra l’effetto della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio sulla densità di massa geopolymer malta calcolato al forno di riscaldamento a 90°C per una durata di 24 ore e di raffreddamento cubi in forno per altre 24 ore per la soluzione-to-fly ash rapporto di 0,35. Si osserva che la densità di massa media è 2178,73 kg / m3 per tutte le miscele. Non vi è alcuna grande variazione nella densità di massa della malta geopolimerica per tutte le concentrazioni di soluzione di idrossido di sodio per tutti i rapporti soluzione-ceneri volanti come osservato dalle tabelle 2, 3 e 4. Ciò significa che la densità del calcestruzzo geopolimerico non dipende dalla concentrazione della soluzione di idrossido di sodio e dai rapporti tra soluzione e ceneri volanti.

3.4. Effetto della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio sull’alcalinità della malta geopolimerica

Dopo aver testato i cubi di malta per la resistenza alla compressione, il materiale del cubo di malta è stato schiacciato e setacciato attraverso 90 µm È setaccio. Poi 20 gm materiale in polvere è stato preso con 200 mL di acqua distillata in un bicchiere di vetro di capacità 500 mL. La miscela è stata agitata per alcuni minuti e dopo 24 ore la soluzione è stata filtrata usando la carta Whatman n. 9. Quindi l’alcalinità della soluzione filtrata è stata misurata sul pH-metro digitale.

Le tabelle 2, 3 e 4 mostrano l’effetto della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio sull’alcalinità della malta geopolimerica per rapporti soluzione-cenere di 0,35, 0,40 e 0,45, rispettivamente. Si osserva che l’alcalinità della malta geopolimerica non è molto influenzata dall’aumento della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio. Il valore massimo di pH della malta geopolimerica è 10,92 che è inferiore a quello della malta cementizia convenzionale (pH = 11,3–11,6). Ciò significa che c’è meno probabilità di reazione alcali-aggregata anche se la soluzione altamente alcalina è usata per la preparazione della malta di geopolimero.

3.5. Effetto della durata del riscaldamento sulla resistenza alla compressione della malta geopolimerica

La figura 5 mostra l’effetto della durata del riscaldamento sulla resistenza alla compressione della malta geopolimerica a 60°, 90° e 120°C di temperatura per 13,11 M di soluzione di idrossido di sodio concentrato al rapporto soluzione-ceneri volanti di 0,40. Si osserva che la resistenza alla compressione della malta geopolimerica aumenta con l’aumento della durata del riscaldamento a una particolare temperatura. Si osserva inoltre che il tasso di guadagno di forza aumenta man mano che la durata del riscaldamento aumenta in modo specifico a temperature più elevate. Dopo 12 ore di polimerizzazione a temperatura, il tasso di guadagno di forza non è molto significativo in particolare a 90°C e 120°C. Ma a una temperatura di riscaldamento di 60°C, il tasso di guadagno di forza è in costante aumento per tutti i periodi di polimerizzazione. Ciò significa che la forza del calcestruzzo geopolimerico può essere aumentata aumentando la temperatura con una durata ridotta del riscaldamento. Ma a una temperatura di riscaldamento di 120°C, si sviluppano crepe sulla superficie del calcestruzzo, quindi la temperatura adatta per la produzione di calcestruzzo geopolimerico è compresa tra 60 e 90°C.

Figura 5

Effetto della durata del riscaldamento sulla resistenza alla compressione a 13,11 M NaOH.

3.6. Effetto di un Periodo di Test sulla Resistenza a Compressione del Geopolymer Malta

Per ottimizzare la durata della temperatura di polimerizzazione, ulteriore indagine è stata condotta considerando aggiuntive durata di 8 e 10 ore e per il periodo di prova di 1, 2, 3, e 7 giorni mantenendo la temperatura di polimerizzazione a 90°C. la Figura 6 mostra l’effetto di un periodo di test sulla resistenza a compressione del geopolymer malta presso la salatura temperatura di 90°C per vari durata del riscaldamento. Periodo di prova è la durata del tempo considerato dopo il riscaldamento dei cubi fino a prova di resistenza alla compressione a temperatura ambiente. Si osserva che la forza della malta geopolimerica aumenta con l’aumento del periodo di prova quando la durata del riscaldamento è di 6 ore, mentre per una maggiore durata del riscaldamento si osserva un significativo guadagno di forza fino al periodo di prova di 3 giorni e quindi aumenta con velocità lenta. Non vi è alcun grande cambiamento nella resistenza alla compressione della malta geopolimerica testata dopo un periodo di prova di 3 giorni per 8, 10 e 12 ore di durata del riscaldamento. Ciò significa che solo 3 giorni di periodo di prova sono sufficienti per ottenere la resistenza desiderata per il riscaldamento del forno a 90°C e per la durata di 8 ore.

Figura 6

Effetto del periodo di prova sulla resistenza alla compressione della malta geopolimerica a polimerizzazione a temperatura di 90°C per varie durate di riscaldamento.

4. Conclusioni

Questo articolo ha presentato l’effetto della concentrazione di idrossido di sodio, della temperatura, della durata del riscaldamento e del periodo di prova sullo sviluppo della malta geopolimerica. Si osserva che la lavorabilità e la resistenza alla compressione della malta geopolimerica aumentano con l’aumento della concentrazione della soluzione di idrossido di sodio in termini di molarità. Il tasso di guadagno di forza è lento quando il calore curato a 40°C rispetto alla forza a 120°C. Ma non vi è alcun cambiamento apprezzabile nella resistenza alla compressione oltre la temperatura di polimerizzazione di 90 ° C. Allo stesso modo, la durata del riscaldamento nell’intervallo da 6 a 24 ore produce una maggiore resistenza alla compressione. Tuttavia, l’aumento della forza oltre le ore 12 non è molto significativo. Si osserva inoltre che la resistenza alla compressione del calcestruzzo geopolimerico aumenta con l’aumento del periodo di prova fino a tre giorni. Quindi, per l’adeguata preparazione della malta geopolimerica, si raccomanda una soluzione 13-molare di idrossido di sodio sulla base della lavorabilità e della resistenza alla compressione. Allo stesso modo si raccomanda anche che i cubi siano stagionati in un forno a 90°C per 8 ore di durata e testati dopo un periodo di prova di 3 giorni.

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che non vi è alcun conflitto di interessi per quanto riguarda la pubblicazione di questo documento.