フライアッシュ系ジオポリマーモルタルに対する水酸化ナトリウム濃度および熱硬化度の影響

概要

ジオポリマーコンクリート/モルタルは、セメントをフライアッシュのようなポゾラニック材料に完全に置き換え、アルカリ溶液によって活性化する建築構造の分野における新しい開発である。 フライアッシュ系ジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす水酸化ナトリウム濃度，温度，オーブン加熱時間の影響を示した。 16.45%のNa2O、34.35%のSio2、および49のH2Oを含んでいるケイ酸ナトリウムの解決。20%および水酸化ナトリウムの解決の2.91, 5.60, 8.10, 11.01, 13.11, 15.08 モル濃度はアルカリ活性化剤として使用した。 ジオポリマーモルタルミックスは、0.35、0.40、および0.45の溶液対フライアッシュ比を考慮して調製した。 オーブン硬化の温度は、40、60、90、および120℃でそれぞれ24時間の加熱期間にわたって維持され、指定された加熱度の後の試験期間として3日間の年齢で圧縮強 試験結果は，すべての溶液対フライアッシュ比について，水酸化ナトリウム溶液の濃度の増加とともに作業性と圧縮強度が増加することを示した。 暖房のある程度はまた強さの加速の重大な役割を担います;但しオーブンの暖房の指定期間の後の三日のテスト期間を越える耐圧強度に大きい変更

1. はじめに

セメント産業は、年間約1.35億トンである二酸化炭素のような温室効果ガスの排出に主要な貢献者の一つです。 世界のポルトランドセメントの生産量は、年間千万トンを超えた建設業界の需要の増加に伴い増加しています。 一方，フライアッシュは石炭系火力発電所の廃棄物であり，豊富に利用可能であるが処分問題を引き起こしている。 貴重な土地のいくつかのヘクターは、彼らの処分のために必要とされます。 フライアッシュは重量が軽く、簡単に飛ぶので、これは喘息、気管支炎などの重度の健康上の問題を引き起こします。 調査によると、世界のフライアッシュの総生産量は年間約780万トンです。 主要な要素としてケイ素およびアルミニウムによって、フライアッシュは材料を取り替える有効なセメントですが、利用は17-25%だけです。 現在、フライアッシュはPortland Pozzolanaのセメントの生産、セメントの部分的な取り替えおよびコンクリートの混合物を改善する実行可能性とまた細胞ブロックおよび煉瓦の生産と土安定で使用されます。 ポルトランドセメントの代わりに使用されるフライアッシュのすべてのトンのために大気への二酸化炭素排出量のトンについ フライアッシュとなされる乳鉢およびコンクリートは環境に優しく、大量のフライアッシュのコンクリートを作り出すためにセメントの50%以上取り替える

しかし、フライアッシュを完全に利用するために、Davidovitsはセメントをポゾラン物質に完全に置き換え、ジオポリマーとして知られるアルカリ溶液で活性化する活性化プロセスを提案した。 Geopolymerの具体的な/乳鉢の開発は持続可能な発展のためのより環境に優しい建築材を作り出すために解決を提供できる。

Davidovitsは、ポルトランドセメント生産によるCO2排出量と低CO2排出セメンタイト材料の必要性による地球温暖化の影響を強調した。 Raiら。 石炭灰の処分と地下水汚染のいくつかの環境側面を提示し、Pandey et al. 火力発電所におけるフライアッシュの発生とその処分による問題、ヒ素の存在による汚染を強調した。 ＲａｊａｍａｎｅとＳａｂｉｔｈａは，セメントの水和中に発生する水酸化カルシウムによるフライアッシュとシリカヒュームのポゾラン作用を研究した。 スリは、ジオポリマーコンクリート中のフライアッシュの部分的な利用から完全な利用まで、建設のための革新的な建築製品を作るためのフライアッシュの適用を説明した。 Jiminez et al. 活動化させたフライアッシュに速い設定および急速な強さの開発の特性があり、また有毒廃棄物の固定のために使用されることを報告しました。 Davidovitsは100°Cより低い温度のgeopolymerの重縮合および形成にかかわる化学反応を示しました。 Hardjito et al. フライアッシュ系ジオポリマーコンクリートの圧縮強度に及ぼす水-ジオポリマー固体比の質量比の影響を研究し，ＦｏｎｇｊａｎとＬｕｄｇｅｒはジオポリマーモルタルの潜在的な特性に影響を及ぼす重要な要因である酸化モル比，物理的性質，固体材料の形態および硬化条件を観察した。 Ranganら。 フライアッシュベースのジオポリマーコンクリートは、硫酸塩攻撃に対する優れた耐性を有し、低クリープを受け、乾燥収縮が非常に少ないことが分かった。 Hardjito et al. Sumajouwらが混合時間と休息期間の影響を研究した。 補強ジオポリマーコンクリート柱と梁の挙動と強度を研究した。 混合物中に存在する酸化物のモル組成と重合プロセスに使用される水分content有量の効果をＢａｒｂｏｓａらによって研究した。 . van Jaarsveld et al. ＰａｌｏｍｏとＦｅｒｎａｎｄｅｚ-Ｊｉｍｅｎｅｚによって観察されたように，溶液対フライアッシュ比は関連するパラメータではないが，含水量はジオポリマーの最終特性に実質的な影響を及ぼすことが観察された。 RanganathとMohammedは、ジオポリマーコンクリートの特性に及ぼすフライアッシュ、含水量、ケイ酸ナトリウム-水酸化ナトリウム比、および高温硬化の持続時間の影響を強調したが、Mustafa Al Bakri et al. およびＪａｍｋａｒ ｅ ｔ ａ ｌ． フライアッシュの繊度の増加に伴って作業性と圧縮強度の増加を観察した。

本調査では、フライアッシュ系ジオポリマーモルタルの特定の加熱硬化期間後の圧縮強度に及ぼす塑性状態における流れの面での作業性および加熱度の影響に及ぼす0.30、0.35、0.40の溶液対フライアッシュ比における水酸化ナトリウム溶液のモル濃度の影響を実験的に研究した。

2. 実験プログラム

2.1. 材料

本調査では、低カルシウム加工フライアッシュを原料として使用しました。 45μ mに保持されたフライアッシュの残渣は、ふるいであり、7.67％として報告された。 表1に、乾燥加工フライアッシュ試料の化学組成を示す。 薄片の形態（97.8%純度）およびケイ酸ナトリウム（50.72%固体）解決の実験室の等級の水酸化ナトリウムはアルカリ活性剤として使用されました。 地元で入手可能な川の砂を充填材として使用した。 砂は、2mm、1mm、500ミクロン、および90ミクロンのサイズのふるいを使用してふるいにかけられます。 これらのサイズの一部分は等しい割合で標準的な砂に従う等級分けを維持するためにです650:1991結合されます。 アルカリ溶液対フライアッシュ比は、0.35、0.40、および0.45それぞれ2.91M、5.61M、8.11M、11.01M、13.11M、および15.06M濃縮水酸化ナトリウム溶液と考えられた。 オーブン硬化を、それぞれ６ ０℃、９ ０℃、および１ ２ ０℃で２ ４時間の加熱期間にわたって行い、加熱後３日間の試験期間後に試験した。

2.2. 水酸化ナトリウム溶液の調製

必要な水酸化ナトリウム溶液の濃度に応じて、一リットルの溶液を調製するのではなく、蒸留水のリットルに水酸化ナトリウムのフレークを添加した。 その後、実験室の測定からモル濃度を見出した。 例えば、3M水酸化ナトリウム溶液は、溶液1リットル当たり3×40=120グラムのNaOH固形分からなる。 しかし、その代わりに、120gmの水酸化ナトリウムフレークを1リットルの蒸留水に加えた。 したがって、溶液の総体積は1.030リットルであった。 水酸化ナトリウム溶液のリットルに含まれる固体は、（120/1030）×1000=116.40gmと推定された。 したがって、溶液のモル濃度は（116.40/40）=2.91Mであり、3Mの代わりに水酸化ナトリウム溶液をモルタルキューブの鋳造の二日前に調製し、夏季に室温まで溶液を冷却するようにした。

2.3. ジオポリマーモルタルミックスの調製

ジオポリマーモルタルミックスは、セメントを同量のフライアッシュで完全に置換し、水酸化ナトリウムとケイ酸ナトリウムのアルカリ溶液で活性化した後に調製した。 Geopolymer乳鉢の立方体はフライアッシュの1:3の割合を使用して準備され、標準的な砂に類似した局部的に利用できる砂は等級別にされた。 アルカリ溶液と水の量は、溶液対フライアッシュ比0.35、0.40、および0.45、ケイ酸ナトリウム対水酸化ナトリウム比1.0、および水対ジオポリマー固体比0の質量を考慮して計算された。過去の調査に基づいて2625。 計算された量のケイ酸ナトリウムの解決は容量五リットルのガラスビンの余分水と共にケイ酸ナトリウムの解決と混合し、同質な解決を与えるためにように穏やかに撹拌しました。 調製された溶液は、鋳造中の汚染を避けるために約2時間放置された。

ジオポリマーモルタルの鋳造は、容量6kgのボウルにフライアッシュと傾斜砂の乾燥混合物を作り、それにアルカリ溶液を加え、2-3分間十分に混合して均質な混合物を与えるセメントモルタルの鋳造と同様である。 新鮮なフライアッシュベースのジオポリマーモルタルは粘性で凝集性があり，色が暗いことが分かった。 同質な組合せを作った後、新しいgeopolymer乳鉢の実行可能性はフローテーブルの器具によってである5512-1983およびである1727-1967によって測定されました。 その後、水酸化ナトリウムの濃度ごとに、サイズ70の48キューブ。7mm×70.7mm×70.7mmを三層に鋳造した。 乳鉢の圧縮の後で、表面はこてを使用して水平になり、型の側面は空気を排出するために穏やかに叩かれました、もしあれば、乳鉢の中の現在。 すべての立方体を鋳造の24時間後に型から取り出し、その後、熱硬化（加熱）のためにオーブンに入れた。 温度の急激な変化を避けるために、モルタルキューブをオーブン自体で室温まで冷却させた。 24時間後、試験片をオーブンから取り出し、各試験片の重量を質量密度の決定のために採取し、次いで3日間の加熱後に圧縮強度について試験した。 試験手順はで述べられるようにセメント乳鉢のそれに類似しています4031（部分VI）-1981です。 三つの立方体を鋳造し、各硬化期間の圧縮強度を試験した。

3. 結果と議論

ジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす様々な濃度の水酸化ナトリウム溶液および温度の流れおよび影響に関する作業性の結果を以下

3.1. ジオポリマーモルタルの作業性に及ぼす水酸化ナトリウム濃度の影響

ジオポリマーモルタルは粘性であり、重合過程で水が出てくるため、フローテーブル試験は他の作業性測定方法よりも比較的良好な結果を示した。 図1は、溶液対フライアッシュ比0.35、0.40、および0.45のジオポリマーモルタルの10動揺後の流れに及ぼす水酸化ナトリウム溶液の濃度のモル濃度の影響を示 水酸化ナトリウム溶液の高濃度は、0.35および0.40のアルカリ溶液対フライアッシュ比のためのより高い流れをもたらしたことが観察される。 ジオポリマーモルタルの流れは水酸化ナトリウム溶液の濃度の増加とともに増加することを意味する。 しかし0.40の解決にフライアッシュの比率のために、流れの利益の率は11でそしての上で非常に重要ではないです。01m水酸化ナトリウム溶液の濃度。 これは、混合物中の水とジオポリマーの固体比0.2625を維持するために必要な水の量の減少によるものであり、高濃度の水酸化ナトリウム溶液で作られたジオポリマーモルタルは非常に粘性のある混合物を与える可能性がある。

フィギュア1

異なる溶液対フライアッシュ比に対するジオポリマーモルタルの流れに及ぼす水酸化ナトリウム濃度の影響。

3.2. ジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす水酸化ナトリウム濃度の影響

図2は、40、60、90、120℃のオーブンで24時間加熱し、3日間オーブン加熱した後、溶液対フライアッシュ比0.35で試験したジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす水酸化ナトリウム溶液の濃度の影響をモル濃度で示している。 ジオポリマコンクリートの圧縮強度はすべての温度で水酸化ナトリウム溶液の濃度の増加とともに増加するが，水酸化ナトリウム溶液の濃度によって強度の増加速度は異なることが観察された。 強さの利益の率は水酸化ナトリウムの解決のすべての集中のための60から90°Cおよび90から120°cと比べて40そして60°cの治癒の温度の間でよ しかし、13以上のジオポリマーモルタルの圧縮強度には有意な変化はない。水酸化ナトリウムの解決の11のMの集中。 それは圧縮問題を作成する水酸化ナトリウムの高い濃度で非常に粘性組合せの形成が原因です。 また、2.91Mの水酸化ナトリウム溶液の穏やかな濃度が貧弱な強度を与えることが観察される。

フィギュア2

0.35の解決対フライアッシュの比率の耐圧強度に対するNaOHの解決の異なった集中のための暖房のある程度の効果。

図3および図4は、他のパラメータを一定に維持することにより、溶液対フライアッシュ比0.40および0.45のジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす水酸化ナトリウム溶液の濃度の影響を示している。 ジオポリマーコンクリートの圧縮強度は、すべての温度で水酸化ナトリウム溶液の濃度の増加とともに増加するが、60℃以上の強度の増加速度はあまり重要ではないことが観察されている。 これは、溶液対フライアッシュ比が0.40および0の場合、60℃での加熱の程度が十分であることを意味する。45. 同様に8.01Mの集中の水酸化ナトリウムの解決は驚くべき強さを達成して十分です。 より高い溶液対フライアッシュ比は、同じ濃度の水酸化ナトリウム溶液でより高い強度を示す。 しかし、溶液対フライアッシュ比が高いほど粘性が高くなり、圧縮が困難になり、最終的には図4から明らかに観察されるように強度が低下します。

フィギュア3

0.40の解決対フライアッシュの比率の耐圧強度に対するNaOHの解決の異なった集中のための暖房のある程度の効果。

フィギュア4

0.45の解決対フライアッシュの比率の耐圧強度に対するNaOHの解決の異なった集中のための暖房のある程度の効果。

3.3. ジオポリマーモルタルの質量密度に及ぼす水酸化ナトリウム溶液の濃度の影響

表2は、90℃で24時間オーブン加熱し、さらに24時間オーブンで立方体を冷却した後に計算されたジオポリマーモルタルの質量密度に及ぼす水酸化ナトリウム溶液の濃度の影響を溶液対フライアッシュ比0.35で示したものである。 すべての混合物の平均質量密度は2178.73kg/m3であることが観察される。 表2、3、および4から観察されるように、すべての溶液対フライアッシュ比に対する水酸化ナトリウム溶液のすべての濃度のジオポリマーモルタルの質量密度に大きな変化はない。 つまり、ジオポリマーコンクリートの密度は、水酸化ナトリウム溶液の濃度だけでなく、溶液対フライアッシュ比にも依存しないことを意味します。

3.4. ジオポリマーモルタルのアルカリ度に及ぼす水酸化ナトリウム溶液の濃度の影響

モルタルキューブの圧縮強度を試験した後、モルタルキューブ材料を粉砕し、90μ mで篩い分けした。 次いで、容量500mLのガラスビーカー中で200mLの蒸留水で20gmの粉末材料を採取した。 混合物を数分間撹拌し、２ ４時間後に、Ｗａｔｍａｎ紙９号を用いて溶液を濾過した。 次いで、濾過溶液のアルカリ度をデジタルｐ ｈ計で測定した。

表2、3、および4は、それぞれ0.35、0.40、および0.45の溶液対フライアッシュ比について、ジオポリマーモルタルのアルカリ度に及ぼす水酸化ナトリウム溶液の濃度の影響を示している。 ジオポリマーモルタルのアルカリ度は水酸化ナトリウム溶液の濃度の増加にあまり影響されないことが観察された。 ジオポリマー乳鉢の最高の水素イオン濃度指数は慣習的なセメント乳鉢（pH=11.3–11.6）のそれよりより少しの10.92です。 これは、ジオポリマーモルタルの調製に高アルカリ溶液を使用しても、アルカリ凝集反応の可能性が低いことを意味する。

3.5. ジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす加熱持続時間の影響

図5は、60°、90°、120°cの温度でのジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす加熱持続時間の影響を13.11Mの濃縮水酸化ナトリウム溶液に対して、溶液対フライアッシュ比0.40で示している。 ジオポリマーモルタルの圧縮強度は，特定の温度での加熱持続時間の増加とともに増加することが観察された。 また，加熱時間がより高い温度で特異的に増加するにつれて強度の増加速度が増加することが観察された。 治癒する温度の12時間後で強さの利益の率は90°cおよび120°C.で非常に重要特にではないですが、60°Cの暖房温度で、強さの利益の率はすべての治 それはgeopolymerのコンクリートの強さが暖房の減らされた持続期間の温度を高めることによって高めることができることを意味する。 しかし120°Cの暖房温度で、ひびは具体的な表面で開発されます従ってgeopolymerのコンクリートを作るための適した温度は60と90°C.の間にあります。

フィギュア5

13.11M NaOHでの圧縮強度に対する加熱持続時間の影響。

3.6. ジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす試験期間の影響

温度硬化の持続時間を最適化するために、8時間と10時間の追加期間と1、2、3、7日間の試験期間を90℃で温度硬化を維持することによって検討した。図6は、様々な加熱期間における90℃の温度硬化におけるジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす試験期間の影響を示している。 テスト期間は周囲温度の下で耐圧強度のためのテストまで立方体を熱した後考慮される時間の持続期間です。 ジオポリマーモルタルの強度は、加熱期間が6時間の場合、試験期間の増加とともに増加するが、加熱期間が長い場合、強度の有意な利得は3日間の試験期間まで観察され、その後遅い速度で増加することが観察される。 暖房の持続期間の3日のテスト期間の後でテストされるgeopolymer乳鉢の耐圧強度に大きい変更が8、10、および12時間ありません。 それはテスト期間の3日だけ90°Cでそして8時間の持続期間のオーブンの暖房のための望ましい強さを達成して十分であることを意味します。

フィギュア6

加熱の様々な期間のための90℃の温度硬化におけるジオポリマーモルタルの圧縮強度に及ぼす試験期間の影響。

4. 結論

ジオポリマーモルタルの開発に及ぼす水酸化ナトリウムの濃度、温度、加熱時間、試験期間の影響を示した。 ジオポリマーモルタルの施工性と圧縮強度は，モル濃度の観点から水酸化ナトリウム溶液の濃度の増加とともに増加することが観察された。 強さの利益の率は40°Cで熱が120°c.で強さと比較して治るとき遅いが、90°C.の治癒の温度を越える耐圧強度にかなりの変更がない同様に、6から24時間 しかし、12時間を超える強度の増加はあまり重要ではありません。 また，ジオポリマコンクリートの圧縮強度は試験期間の増加とともに増加することが観察された。 したがって、ジオポリマーモルタルの適切な調製のためには、作業性および圧縮強度に基づいて、水酸化ナトリウムの13モル溶液が推奨される。 同様に、キューブを90℃のオーブンで8時間硬化させ、3日間の試験期間後に試験することも推奨される。

利益相反

著者らは、この論文の出版に関して利益相反はないと宣言している。