efectul concentrației de hidroxid de sodiu și gradul de întărire termică asupra mortarului Geopolimer pe bază de cenușă zburătoare

rezumat

betonul/mortarul Geopolimer este noua dezvoltare în domeniul construcțiilor de construcții în care cimentul este înlocuit în totalitate cu material pozzolanic precum cenușa zburătoare și activat prin soluție alcalină. Această lucrare a prezentat efectul concentrației de hidroxid de sodiu, temperatura și durata încălzirii cuptorului asupra rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer pe bază de cenușă zburătoare. Soluție de silicat de sodiu conținând Na2O de 16,45%, SiO2 de 34,35% și H2O de 49.20% și soluție de hidroxid de sodiu 2.91, 5.60, 8.10, 11.01, 13.11, și 15.08. Concentrațiile molilor au fost utilizate ca activatori alcalini. Amestecurile de mortar geopolimer au fost preparate luând în considerare raportul soluție-cenușă zburătoare de 0,35, 0,40 și 0,45. Temperatura de întărire a cuptorului a fost menținută la 40, 60, 90 și 120 C fiecare pentru o perioadă de încălzire de 24 de ore și testată pentru rezistența la compresiune la vârsta de 3 zile ca perioadă de testare după gradul specificat de încălzire. Rezultatele testelor arată că lucrabilitatea și rezistența la compresiune cresc odată cu creșterea concentrației de soluție de hidroxid de sodiu pentru toate rapoartele de cenușă soluție-zbor. Gradul de încălzire joacă, de asemenea, un rol vital în accelerarea rezistenței; cu toate acestea, nu există o schimbare mare a rezistenței la compresiune dincolo de perioada de testare de trei zile după perioada specificată de încălzire a cuptorului.

1. Introducere

industria cimentului este unul dintre principalii contribuitori la emisia de gaze verzi, cum ar fi dioxidul de carbon, care este de aproximativ 1,35 miliarde de tone anual . Zi de zi, producția mondială de ciment Portland crește odată cu creșterea cererii industriei construcțiilor, care a depășit o mie de milioane de tone pe an. Pe de altă parte, cenușa zburătoare este materialul rezidual al centralei termice pe bază de cărbune, care este disponibil din abundență, dar creează probleme de eliminare. Mai mulți hectori de teren valoros sunt necesari pentru eliminarea lor. Deoarece cenușa zburătoare este ușoară în greutate și zboară cu ușurință, acest lucru creează probleme grave de sănătate, cum ar fi astmul, bronșita și așa mai departe. Potrivit sondajului, producția totală de cenușă zburătoare din lume este de aproximativ 780 de milioane de tone pe an . Cu siliciu și aluminiu ca constituenți principali, cenușa zburătoare este un material eficient de înlocuire a cimentului, dar utilizarea este de numai 17-25%. În prezent, cenușa zburătoare este utilizată în producția de ciment Portland Pozzolana, înlocuirea parțială a cimentului și lucrabilitatea îmbunătățind amestecul în beton, precum și în producția de blocuri celulare și cărămizi și în stabilizarea solului . Pentru fiecare tonă de cenușă zburătoare folosită în locul cimentului Portland se economisește aproximativ o tonă de emisii de dioxid de carbon în atmosferă . Mortarul și betonul realizat cu cenușă zburătoare sunt ecologice și pot fi făcute pentru a înlocui mai mult de 50% din ciment pentru a produce beton de cenușă zburătoare cu volum mare .

dar pentru utilizarea completă a cenușii zburătoare, Davidovits a sugerat procesul de activare în care cimentul este înlocuit în totalitate cu material pozzolanic și activat de soluția alcalină cunoscută sub numele de geopolimer. Dezvoltarea betonului/mortarului geopolimer poate oferi o soluție pentru a produce materiale de construcție mai ecologice pentru o dezvoltare durabilă.

Davidovits a subliniat impactul încălzirii globale datorat emisiilor de CO2 din producțiile de ciment Portland și nevoia de materiale pe bază de ciment cu emisii reduse de CO2. Rai și colab. a prezentat mai multe aspecte de mediu ale eliminării cenușii de cărbune și a contaminării apelor subterane, în timp ce Pandey și colab. a subliniat problema din cauza generării de cenușă zburătoare în centralele termice și eliminarea acesteia, împreună cu poluarea implicată din cauza prezenței arsenicului. Rajamane și Sabitha au studiat acțiunea pozzolanică a cenușii zburătoare și a fumului de silice cu hidroxidul de calciu generat în timpul hidratării cimentului. Suri a explicat aplicarea cenușii zburătoare pentru realizarea de produse inovatoare de construcție pentru construcții, de la utilizarea parțială până la cea completă a cenușii zburătoare în betonul geopolimer. Jiminez și colab. a raportat că cenușa zburătoare activată are proprietăți de setare rapidă și dezvoltare rapidă a rezistenței și este, de asemenea, utilizată pentru imobilizarea deșeurilor toxice. Davidovits a demonstrat policondensarea geopolimerului la temperaturi mai mici de 100 centimetric C și reacția chimică implicată în formarea lor. Hardjito și colab. a studiat efectul raportului solidelor apă-geopolimer în masă asupra rezistenței la compresiune a betonului geopolimer pe bază de cenușă zburătoare, în timp ce Fongjan și Ludger au observat raporturile oxid-aluniță, proprietățile fizice și morfologiile materialelor solide și condițiile de întărire sunt factorii cheie care influențează proprietățile potențiale ale mortarului geopolimeric. Rangan și colab. s-a constatat că betonul geopolimer pe bază de cenușă zburătoare are o rezistență excelentă la atacul sulfatului, suferă un fluaj scăzut și suferă o contracție de uscare foarte mică. Hardjito și colab. a studiat efectele timpului de amestecare și perioada de repaus în timp ce Sumajouw și colab. a studiat comportamentul și rezistența coloanelor și grinzilor din beton geopolimer armat. Efectul compoziției molare a oxizilor prezenți în amestec și conținutul de apă utilizat asupra procesului de polimerizare a fost studiat de Barbosa și colab. . van Jaarsveld și colab. a observat că conținutul de apă are un efect substanțial asupra proprietăților finale ale geopolimerului, în timp ce raportul soluție-cenușă zburătoare nu este un parametru relevant, așa cum a fost observat de Palomo și Fernandez-Jimenez . Ranganath și Mohammed au evidențiat efectul cenușii zburătoare, conținutul de apă, raportul silicat de sodiu-hidroxid de sodiu și durata întăririi la temperaturi ridicate asupra proprietăților betonului geopolimer, în timp ce Mustafa al Bakri și colab. și Jamkar și colab. a observat creșterea lucrabilității și a rezistenței la compresiune odată cu creșterea fineții cenușii zburătoare.

în prezenta investigație, se efectuează o lucrare experimentală pentru a studia efectul diferitelor concentrații de soluție de hidroxid de sodiu în termeni de molaritate la raporturi de cenușă soluție-zbor de 0,30, 0,35 și 0,40 asupra lucrabilității în ceea ce privește debitul în stare plastică și efectul gradului de încălzire asupra rezistenței la compresiune după perioada specificată de întărire termică a mortarului geopolimer pe bază de cenușă zburătoare.

2. Programul Experimental

2.1. Materiale

în prezenta anchetă, o cenușă zburătoare prelucrată cu conținut scăzut de calciu a fost utilizată ca material sursă. Reziduul de cenușă zburătoare reținut pe Sita IS de 45 MMCT a fost raportat ca 7,67%. Tabelul 1 prezintă compoziția chimică a probei de cenușă zburătoare prelucrate uscat. Ca activatori alcalini s-au utilizat soluții de hidroxid de sodiu de laborator sub formă de fulgi (puritate 97,8%) și silicat de sodiu (50,72% solide). Nisipul de râu disponibil local a fost folosit ca material de umplutură. Nisipul este cernut folosind site de dimensiuni 2 mm, 1 mm, 500 microni și 90 microni. Aceste fracții de mărime sunt combinate în proporție egală pentru a menține clasificarea în conformitate cu nisipul standard conform IS 650: 1991. Rapoartele soluție alcalină – cenușă zburătoare au fost considerate ca 0,35, 0,40 și 0,45 pentru fiecare soluție concentrată de hidroxid de sodiu de 2,91 m, 5,61 m, 8,11 m, 11,01 m, 13,11 m și 15,06 m. Întărirea cuptorului s-a făcut la 60 de grade C, 90 de grade C și 120 de grade C fiecare pentru o perioadă de încălzire de 24 de ore și s-a testat după 3 zile de testare după încălzire.

2.2. Prepararea soluției de hidroxid de sodiu

în funcție de concentrația de soluție de hidroxid de sodiu necesară, s-au adăugat fulgi de hidroxid de sodiu într-un litru de apă distilată în loc să se pregătească soluție de un litru. Apoi, molaritatea a fost găsită din măsurătorile de laborator. De exemplu, 3 m soluție de hidroxid de sodiu este format din 3 40 = 120 de grame de NaOH solide pe litru de soluție. Dar în loc de asta, 120 de fulgi de hidroxid de sodiu gm au fost adăugați într-un litru de apă distilată. Deci, volumul total de soluție a fost de 1.030 litri. Solidul conținut într-un litru de soluție de hidroxid de sodiu a fost estimat ca (120/1030) 1000 = 116,40 GM. Prin urmare, molaritatea soluției este (116,40 / 40) = 2,91 m în loc de 3 M. soluția de hidroxid de sodiu a fost preparată cu două zile înainte de turnarea cuburilor de mortar, astfel încât soluția să se răcească până la temperatura camerei, în special în sezonul estival.

2.3. Prepararea amestecurilor de Mortar Geopolimer

amestecurile de mortar Geopolimer au fost preparate după înlocuirea totală a cimentului cu aceeași cantitate de cenușă zburătoare și activarea acestuia prin soluții alcaline de hidroxid de sodiu și silicat de sodiu. Cuburile de mortar geopolimer au fost preparate folosind proporții 1: 3 de cenușă zburătoare și nisip disponibil local clasificat similar cu nisipul standard. Cantitățile de soluție alcalină și apă au fost calculate luând în considerare raportul soluție-cenușă zburătoare de 0,35, 0,40 și 0,45, raportul silicat de sodiu-hidroxid de sodiu în masă de 1,0 și raportul solid apă-geopolimer în masă de 0.2625 pe baza investigațiilor anterioare . Cantități calculate de soluție de silicat de sodiu amestecat cu soluție de silicat de sodiu, împreună cu apă în plus, dacă este cazul într-o sticlă de sticlă de capacitate de cinci litri și agitat ușor pentru a da o soluție omogenă. Soluția preparată a fost ținută deoparte timp de aproximativ 2 ore pentru a evita orice contaminare în timpul turnării.

turnarea mortarului geopolimer este similară cu cea a mortarului de ciment în care amestecul uscat de cenușă zburătoare și nisip gradat a fost realizat într-un vas cu capacitatea de 6 kg și apoi se adaugă soluție alcalină și se amestecă bine timp de 2 până la 3 minute, astfel încât să se obțină un amestec omogen. S-a constatat că mojarul geopolimer proaspăt pe bază de cenușă zburătoare era vâscos, coeziv și de culoare închisă. După realizarea amestecului omogen, lucrabilitatea mortarului geopolimer proaspăt a fost măsurată prin aparate de masă de debit conform IS 5512-1983 și este 1727-1967. Apoi, pentru fiecare concentrație de hidroxid de sodiu, 48 de cuburi de Mărimea 70.7 mm 70,7 mm 70,7 mm au fost turnate în trei straturi. Fiecare strat a fost bine compactat prin compactarea tijei cu diametrul de 20 mm. după compactarea mortarului, suprafața superioară a fost nivelată cu ajutorul mistriei și părțile laterale ale mucegaiului au fost lovite ușor pentru a expulza aerul, dacă este cazul, prezent în interiorul mortarului. Toate cuburile au fost scoase din matrițe după 24 de ore de turnare și apoi introduse într-un cuptor pentru întărire termică (încălzire). Pentru a evita variația bruscă a temperaturii, cuburile de mortar au fost lăsate să se răcească până la temperatura camerei în cuptorul însuși. După 24 de ore, eșantioanele au fost scoase din cuptor și greutatea fiecărui specimen a fost luată pentru determinarea densității masei și apoi testată pentru rezistența la compresiune după 3 zile de încălzire. Procedura de testare este similară cu cea a mortarului de ciment, așa cum se menționează în IS 4031(partea VI)-1981. Trei cuburi au fost turnate și testate pentru rezistența la compresiune pentru fiecare perioadă de întărire.

3. Rezultat și discuții

rezultatele lucrabilității în ceea ce privește debitul și efectul diferitelor concentrații de soluție de hidroxid de sodiu și temperatură asupra rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer sunt prezentate în secțiunile următoare.

3.1. Efectul concentrației de hidroxid de sodiu asupra lucrabilității mortarului Geopolimer

deoarece mortarul geopolimer a fost vâscos și apa iese în timpul procesului de polimerizare, testul tabelului de debit arată rezultate relativ bune decât celelalte metode de măsurare a lucrabilității. Figura 1 prezintă efectul concentrației soluției de hidroxid de sodiu în termeni de molaritate asupra fluxului de mortar geopolimer după 10 jolte pentru raporturi de cenușă soluție-zbor de 0,35, 0,40 și 0,45. Se observă că concentrația mai mare de soluție de hidroxid de sodiu a dus la un debit mai mare pentru raportul soluție alcalină-cenușă zburătoare de 0,35 și 0,40. Aceasta înseamnă că fluxul de mortar geopolimer crește odată cu creșterea concentrației de soluție de hidroxid de sodiu. Dar pentru raportul de cenușă soluție-zbor de 0,40, rata de câștig a debitului nu este foarte semnificativă la și peste 11.01 m concentrație de soluție de hidroxid de sodiu. S-ar putea datora reducerii cantității de apă necesară pentru a menține raportul solid apă-geopolimer de 0,2625 în amestec și mortarul geopolimer realizat cu soluție de hidroxid de sodiu foarte concentrată dă un amestec foarte vâscos.

Figura 1

efectul concentrației de hidroxid de sodiu asupra fluxului de mortar geopolimer pentru diferite raporturi de cenușă soluție-zbor.

3.2. Efectul concentrației de hidroxid de sodiu asupra rezistenței la compresiune a mortarului Geopolimer

Figura 2 prezintă efectul concentrației soluției de hidroxid de sodiu în termeni de molaritate asupra rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer încălzit în cuptor la temperaturi de 40, 60, 90 și 120 C pentru o durată de 24 de ore și testat după 3 zile de încălzire a cuptorului pentru un raport soluție-cenușă zburătoare de 0,35. Se observă că rezistența la compresiune a betonului geopolimer crește odată cu creșterea concentrației de soluție de hidroxid de sodiu pentru toate temperaturile, dar rata de câștig a rezistenței este diferită pentru diferite concentrații de soluție de hidroxid de sodiu. Rata de câștig a rezistenței este mai mare între temperaturile de întărire de 40 și 60 de grade C, comparativ cu 60 până la 90 de grade C și 90 până la 120 de grade C pentru toate concentrațiile de soluție de hidroxid de sodiu. Cu toate acestea, nu există o variație semnificativă a rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer la și peste 13.11 m concentrație de soluție de hidroxid de sodiu. Se datorează formării unui amestec foarte vâscos la o concentrație mai mare de hidroxid de sodiu, care creează o problemă de compactare. De asemenea, se observă că concentrația ușoară a soluției de hidroxid de sodiu de 2,91 m dă o rezistență slabă.

Figura 2

efectul gradului de încălzire pentru diferite concentrații de soluție de NaOH asupra rezistenței la compresiune la raportul soluție-cenușă zburătoare de 0,35.

figurile 3 și 4 arată efectul concentrației soluției de hidroxid de sodiu asupra rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer pentru raportul soluție-cenușă zburătoare de 0,40 și 0,45 prin menținerea altor parametri constanți. Se observă că rezistența la compresiune a betonului geopolimer crește odată cu creșterea concentrației de soluție de hidroxid de sodiu pentru toate temperaturile, dar rata de câștig a rezistenței la și peste 60 centimetric C nu este foarte semnificativă. Aceasta înseamnă că gradul de încălzire la 60 de centimetrii C este suficient atunci când raportul soluție-cenușă zburătoare este de 0,40 și 0.45. În mod similar, soluția de hidroxid de sodiu cu concentrație de 8,01 M este suficientă pentru a obține o rezistență remarcabilă. Raportul mai mare soluție-cenușă zburătoare arată o rezistență mai mare la aceeași concentrație de soluție de hidroxid de sodiu. Dar un raport mai mare de cenușă soluție-zbor oferă un amestec mai vâscos și creează dificultăți în compactare, ceea ce reduce în cele din urmă rezistența, așa cum se observă clar din Figura 4.

Figura 3

efectul gradului de încălzire pentru diferite concentrații de soluție de NaOH asupra rezistenței la compresiune la raportul soluție-cenușă zburătoare de 0,40.

Figura 4

efectul gradului de încălzire pentru diferite concentrații de soluție de NaOH asupra rezistenței la compresiune la raportul soluție-cenușă zburătoare de 0,45.

3.3. Efectul concentrației soluției de hidroxid de sodiu asupra densității masice a mortarului de Geopolimer

Tabelul 2 prezintă efectul concentrației soluției de hidroxid de sodiu asupra densității masice a mortarului de geopolimer calculat după încălzirea cuptorului la 90 CTC pentru o durată de 24 de ore și răcirea cuburilor în cuptor pentru încă 24 de ore pentru un raport soluție-cenușă zburătoare de 0,35. Se observă că densitatea medie de masă este de 2178,73 kg / m3 pentru toate amestecurile. Nu există variații mari în densitatea de masă a mortarului geopolimer pentru toate concentrațiile de soluție de hidroxid de sodiu pentru toate raporturile de cenușă soluție-zbor, așa cum se observă din tabelele 2, 3 și 4. Aceasta înseamnă că densitatea betonului geopolimer nu depinde de concentrația soluției de hidroxid de sodiu, precum și de raporturile de cenușă soluție-zbor.

3.4. Efectul concentrației soluției de hidroxid de sodiu asupra alcalinității mortarului Geopolimer

după testarea cuburilor de mortar pentru rezistența la compresiune, Materialul cubului de mortar a fost zdrobit și cernut prin sita de 90 mm. Apoi, 20 g de material sub formă de pulbere a fost luat cu 200 mL apă distilată într-un pahar de sticlă cu o capacitate de 500 mL. Amestecul a fost agitat timp de câteva minute și după 24 de ore soluția a fost filtrată folosind hârtia Whatman nr.9. Apoi alcalinitatea soluției filtrate a fost măsurată pe ph-metru digital.

tabelele 2, 3 și 4 arată efectul concentrației soluției de hidroxid de sodiu asupra alcalinității mortarului geopolimer pentru raporturi de cenușă soluție-zbor de 0,35, 0,40 și, respectiv, 0,45. Se observă că alcalinitatea mortarului geopolimer nu este mult afectată de creșterea concentrației de soluție de hidroxid de sodiu. Valoarea maximă a pH–ului mortarului geopolimer este de 10,92, care este mai mică decât cea a mortarului convențional de ciment (pH = 11,3-11,6). Asta înseamnă că există mai puține șanse de reacție agregată alcalină, chiar dacă soluția foarte alcalină este utilizată pentru prepararea mortarului geopolimer.

3.5. Efectul duratei încălzirii asupra rezistenței la compresiune a mortarului Geopolimer

Figura 5 prezintă efectul duratei încălzirii asupra rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer la 60, 90, și 120, Temperatura C la 13,11 m soluție concentrată de hidroxid de sodiu la un raport soluție-cenușă zburătoare de 0,40. Se observă că rezistența la compresiune a mortarului geopolimer crește odată cu creșterea duratei de încălzire la o anumită temperatură. De asemenea, se observă că rata de câștig a rezistenței crește pe măsură ce durata încălzirii crește în mod specific la temperaturi mai ridicate. După 12 ore de întărire la temperatură, rata de câștig a rezistenței nu este foarte semnificativă în mod specific la 90 centimetric C și 120 centimetric C. Dar la temperatura de încălzire de 60 centimetric C, rata de câștig a rezistenței este în continuă creștere pentru toate perioadele de întărire. Aceasta înseamnă că rezistența betonului geopolimer poate fi mărită prin creșterea temperaturii cu o durată redusă de încălzire. Dar la o temperatură de încălzire de 120 centimetric C, pe suprafața betonului se dezvoltă fisuri, astfel încât temperatura potrivită pentru realizarea betonului geopolimer este cuprinsă între 60 și 90 centimetric C.

Figura 5

efectul duratei încălzirii asupra rezistenței la compresiune la 13,11 m NaOH.

3.6. Efectul perioadei de testare asupra rezistenței la compresiune a mortarului Geopolimer

pentru a optimiza durata întăririi la temperatură, s-au efectuat investigații suplimentare prin luarea în considerare a duratei suplimentare de 8 și 10 ore și pentru perioada de testare de 1, 2, 3 și 7 zile prin menținerea întăririi la temperatură la 90 C. figura 6 arată efectul perioadei de testare asupra rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer la întărirea la temperatură de 90 C pentru diferite durate de încălzire. Perioada de încercare este durata de timp luată în considerare după încălzirea cuburilor până la testarea rezistenței la compresiune la temperatura ambiantă. Se observă că rezistența mortarului geopolimer crește odată cu creșterea perioadei de testare când durata încălzirii este de 6 ore, în timp ce pentru o durată mai mare de încălzire se observă un câștig semnificativ de rezistență până la perioada de testare de 3 zile și apoi crește cu viteză lentă. Nu există o schimbare mare a rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer testat după perioada de testare de 3 zile pentru durata de încălzire de 8, 10 și 12 ore. Aceasta înseamnă că numai 3 zile de perioadă de testare sunt suficiente pentru a obține rezistența dorită pentru încălzirea cuptorului la 90 C și pentru o durată de 8 ore.

Figura 6

efectul perioadei de testare asupra rezistenței la compresiune a mortarului geopolimer la întărirea la temperatură de 90 centi C pentru diferite durate de încălzire.

4. Concluzii

această lucrare a prezentat efectul concentrației de hidroxid de sodiu, temperatura, durata încălzirii și perioada de testare asupra dezvoltării mortarului geopolimer. Se observă că lucrabilitatea, precum și rezistența la compresiune a mortarului geopolimer cresc odată cu creșterea concentrației soluției de hidroxid de sodiu în termeni de molaritate. Rata de câștig a rezistenței este lentă atunci când se întărește prin căldură la 40 centimetric C, comparativ cu rezistența la 120 centimetric C. Dar nu există o schimbare apreciabilă a rezistenței la compresiune dincolo de temperatura de întărire de 90 centimetric C. În mod similar, durata încălzirii în intervalul de 6 până la 24 de ore produce o rezistență la compresiune mai mare. Cu toate acestea, creșterea rezistenței peste 12 ore nu este foarte semnificativă. De asemenea, se observă că rezistența la compresiune a betonului geopolimer crește odată cu creșterea perioadei de testare până la trei zile. Deci, pentru prepararea adecvată a mortarului geopolimer, se recomandă soluția 13-molară de hidroxid de sodiu pe baza lucrabilității și rezistenței la compresiune. În mod similar, se recomandă, de asemenea, ca cuburile să fie întărite într-un cuptor la 90 de centi C timp de 8 ore și testate după o perioadă de testare de 3 zile.

Conflict de interese

autorii declară că nu există niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.