Investigation of Activator Type on Alkali Silica Reaction in Alkali Activated Slag Cements

Abstract

The activators used in the production of alkali-activated slag (AAS) binders contain high amounts of alkali. Therefore, if AAS binders are used together with aggregates containing reactive silica, damage due to Alkaline Silica Reaction (ASR) is possible. This issue needs to be evaluated in terms of important parameters such as raw material type, activator type and dosage. In this study, the effect of activator type on ASR was investigated by determining the ASR expansions of AAS mortar mixtures produced by activating blast furnace slag with various activators using binder and reactive aggregate using ASTM C1260 Accelerated Mortar Bar method. Sodium hydroxide, sodium silicate, sodium carbonate and sodium sulfate were used as activators. Weak activators (sodium carbonate and sodium sulfate) were used in hybrid form with calcium hydroxide and sodium hydroxide. Expansions of Portland cement (PC) mortars were also investigated for comparison. It was observed that the ASR expansions of the alkali-activated slag mortars were lower compared to those of PC. Except for the specimens produced using PC, no specimen exceeded the harmful expansion limit (0.1%) given in ASTM C1260 standard in the 14th day measurements. The expansion values of the samples prepared using sodium silicate activator exceeded 0.1% on day 90. The expansion amounts of the samples prepared with sodium hydroxide activator remained below 0.1%. At the end of 3 months, the sodium carbonate and sodium sulfate mixtures reached approximately 3 times 0.1%. This shows that the 14-day period given in ASTM C1260 standard for alkali-activated mortars is short. According to the SEM images obtained, it was observed that cracks were formed at the aggregate, matrix and matrix-aggregate interface as a result of ASR, and ASR products with needle-like morphology were formed at the aggregate-matrix interface and voids

Keywords

• Alkaline Activated Slag Mortars(AAS)
• Alkaline Silica Reaction (ASR)
• Alkaline Activators
• ASTM C1260

Aktivatör Türünün Alkalilerle Aktive Edilmiş Cüruf Bağlayıcılarında Alkali Silika Reaksiyonuna Etkisinin Araştırılması

Abstract

Alkali ile aktifleştirilmiş cüruf (AAS) bağlayıcılarının üretiminde kullanılan aktivatörler yüksek miktarda alkali içermektedir. Bu sebeple, AAS bağlayıcılarının reaktif silis içeren agregalar ile birlikte kullanımı halinde Alkali Silika Reaksiyonu (ASR) kaynaklı hasar oluşma mevcuttur. Bu konunun; hammadde türü, aktivatör türü ve dozajı gibi önemli parametreler bakımından değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, yüksek fırın cürufunun çeşitli aktivatörler ile aktive edilmesiyle üretilen bağlayıcı madde ve reaktif agrega kullanılarak üretilen AAS harç karışımlarının ASTM C1260 Hızlandırılmış Harç Çubuğu yöntemiyle ASR genleşmeleri belirlenerek, aktivatör tipinin ASR üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Aktivatör olarak, sodyum hidroksit, sodyum silikat, sodyum karbonat ve sodyum sülfat kullanılmıştır. Zayıf aktivatörler (sodyum karbonat ve sodyum sülfat); kalsiyum hidroksit ve sodyum hidroksit ile hibrit şekilde kullanılmıştır. Ayrıca, kıyaslama yapabilmek için Portland çimentosu (PÇ) harçlarının da genleşmeleri incelenmiştir. PÇ ile kıyaslandığında alkalilerle aktive edilmiş cüruf harçlarının ASR genleşmelerinin daha düşük olduğu görülmüştür. PÇ kullanılarak üretilen numuneler dışında 14. gün ölçümlerinde ASTM C1260 standardında verilen zararlı genleşme limitini (%0,1) geçen numune olmamıştır. Sodyum silikat aktivatörü kullanılarak hazırlanan numunelerinin genleşme değerleri 90. günde %0,1’i aşmıştır. Sodyum hidroksit aktivatörü ile hazırlanan numunelerin genleşme miktarları %0,1’in altında kalmıştır. 3 ayın sonundaki ölçümlerde sodyum karbonatlı ve sodyum sülfatlı karışımlar %0,1’in yaklaşık 3 katına ulaşmıştır. Bu durum alkalilerle aktive edilmiş harçlar için ASTM C1260 standardında verilen 14 günlük sürenin kısa olduğunu göstermektedir. Elde edilen SEM görüntülerine göre ASR sonucu agrega, matris ve matris-agrega ara yüzeyinde çatlakların oluştuğu, agrega-matris arayüzeyinde ve boşluklarda iğnemsi morfolojiye sahip ASR ürünlerinin oluştuğu görülmüştür.

Keywords

• Anahtar Kelimeler: Alkali Aktive Cüruf Harçlar (AAS)
• Alkali Silika Reaksiyonu (ASR)
• Alkali Aktivatörler
• ASTM C1260

References

1. [1] PwC Türkiye, 2024. Dünyada ve Türkiye’de Çimento Sektörü. https://www.pwc.com.tr/dunyada-ve-turkiyede-cimento-sektoru [Erişim Tarihi: 09.10.2024].
2. [2] Davidovits, J. 1991. Geopolymers: inorganic polymeric new materials. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Cilt. 37, s. 1633-1656. DOI: 10.1007/BF01912193
3. [3] Amer, I., Kohail, M., El-Feky, M.S., Rashad, A., Khalaf, M.A. 2021. A review on alkali-activated slag concrete. Ain Shams Engineering Journal, Cilt. 12, Sayı. 2, s. 1475-1499. DOI: 10.1016/j.asej.2020.12.003
4. [4] Giergiczny, Z. 2019. Fly ash and slag. Cement and Concrete Research, Cilt. 124, s. 105826. DOI: 10.1016/j.cemconres.2019.105826
5. [5] Shi, C., Shi, Z., Hu, X., Zhao, R., Chong, L. 2015. A review on alkali-aggregate reactions in alkali-activated mortars/concretes made with alkali-reactive aggregates. Materials and Structures, Cilt. 48, s. 621-628. DOI: 10.1617/s11527-014-0505-2
6. [6] You-zhi, C., Xin-cheng, P., Chang-hui, Y., Qing-jun, D. 2002. Alkali aggregate reaction in alkali slag cement mortars. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., Cilt. 17, Sayı. 3, s. 60-62. DOI: 10.1007/BF02838542
7. [7] ASTM C1260. 2007. Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Method). Section 4, s. 676-680.
8. [8] Shi, Z., Shi, C., Wan, S., Ou, Z. 2017. Effect of alkali dosage on alkali-silica reaction in sodium hydroxide activated slag mortars. Construction and Building Materials, Cilt. 143, s. 16-23. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.03.125

9. [9] Davidovits, J. 1994. Properties of geopolymer cements. First International Conference on Alkaline Cements and Concretes, Cilt. 1, s. 131-149. Kiev, Kiev State Technical University, Scientific Research Institute on Binders and Materials.
10. [10] Mohamed, O.A. 2019. A review of durability and strength characteristics of alkali-activated slag concrete. Materials, Cilt. 12, Sayı. 8, s. 1198. DOI: 10.3390/ma12081198
11. [11] Wang, S.D., Pu, X.C., Scrivener, K.L., Pratt, P.L. 1995. Alkali-activated slag cement and concrete: a review of properties and problems. Advances in Cement Research, Cilt. 7, Sayı. 27, s. 93-102. DOI: 10.1680/adcr.1995.7.27.93
12. [12] Gök, S.G., Kılınç, K. 2017. Mechanical Properties of Fly Ash and Blast Furnace Slag Based Alkali Activated Concrete. Kırklareli Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, Cilt. 3, Sayı. 2, s. 123-131.
13. [13] Atiş, C.D., Bilim, C., Çelik, Ö., Karahan, O. 2009. Influence of activator on the strength and drying shrinkage of alkali-activated slag mortar. Construction and Building Materials, Cilt. 23, Sayı. 1, s. 548-555. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2007.10.011
14. [14] Lei, J., Law, W.W., Yang, E.H. 2021. Effect of calcium hydroxide on the alkali-silica reaction of alkali-activated slag mortars activated by sodium hydroxide. Construction and Building Materials, Cilt. 272, s. 121868. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121868
15. [15] Fernández-Jiménez, A., Palomo, J.G., Puertas, F. 1999. Alkali-activated slag mortars: Mechanical strength behaviour. Cement and Concrete Research, Cilt. 29, Sayı. 8, s. 1313-1321. DOI: 10.1016/S0008-8846(99)00154-4
16. [16] Bakharev, T., Sanjayan, J.G., Cheng, Y.B. 1999. Alkali activation of Australian slag cements. Cement and Concrete Research, Cilt. 29, Sayı. 1, s. 113-120. DOI: 10.1016/S0008-8846(98)00170-7
17. [17] Rajesh, D.V.S.P., Reddy, A.N., Tilak, V., Raghavendra, M. 2013. Performance of alkali activated slag with various alkali activators. International Journal of Innovative Research in Engineering and Technology, Cilt. 2, s. 378-386.
18. [18] Wang, S.D., Scrivener, K.L., Pratt, P.L. 1994. Factors affecting the strength of alkali-activated slag. Cement and Concrete Research, Cilt. 24, Sayı. 6, s. 1033-1043. DOI: 10.1016/0008-8846(94)90026-4
19. [19] Živica, V. 2007. Effects of type and dosage of alkaline activator and temperature on the properties of alkali-activated slag mixtures. Construction and Building Materials, Cilt. 21, Sayı. 7, s. 1463-1469. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2006.07.002
20. [20] Bakharev, T., Sanjayan, J.G., Cheng, Y.B. 1999. Effect of elevated temperature curing on properties of alkali- activated slag concrete. Cement and Concrete Research, Cilt. 29, Sayı. 10, s. 1619-1625. DOI: 10.1016/S0008-8846(99)00143-X
21. [21] Shi, Z., Shi, C., Wan, S., Zhang, Z. 2018. Effects of alkali dosage and silicate modulus on alkali-silica reaction in alkali-activated slag mortars. Cement and Concrete Research, Cilt. 111, s. 104-115. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.06.005
22. [22] Singh, J., Singh, S.P. 2020. Evaluating the alkali-silica reaction in alkali-activated copper slag mortars. Construction and Building Materials, Cilt. 253, s. 119189. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119189
23. [23] Puertas, F., Palacios, M., Gil-Maroto, A., Vázquez, T. 2009. Alkali-aggregate behaviour of alkali-activated slag mortars: Effect of aggregate type. Cement and Concrete Composites, Cilt. 31, Sayı. 5, s. 277-284. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.02.008
24. [24] Fernández-Jiménez, A., Puertas, F. 2002. The alkali–silica reaction in alkali-activated granulated slag mortars with reactive aggregate. Cement and Concrete Research, Cilt. 32, Sayı. 7, s. 1019-1024. DOI: 10.1016/S0008-8846(01)00745-1
25. [25] Bakharev, T., Sanjayan, J.G., Cheng, Y.B. 2001. Resistance of alkali-activated slag concrete to alkali–aggregate reaction. Cement and Concrete Research, Cilt. 31, Sayı. 2, s. 331-334. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00483-X
26. [26] Shi, Z., Shi, C., Zhang, J., Wan, S., Zhang, Z., Ou, Z. 2018. Alkali-silica reaction in waterglass-activated slag mortars incorporating fly ash and metakaolin. Cement and Concrete Research, Cilt. 108, s. 10-19. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.03.002
27. [27] Puertas, F., González-Fonteboa, B., González-Taboada, I., Alonso, M.D.M., Torres-Carrasco, M., Rojo, G., Martínez-Abella, F. 2018. Alkali-activated slag concrete: Fresh and hardened behaviour. Cement and Concrete Composites, Cilt. 85, s. 22-31. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2017.10.003
28. [28] Aydın, S. 2010. Alkalilerle aktive edilmiş yüksek fırın cürufu bağlayıcılı lifli kompozit geliştirilmesi. Doktora Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 281s., İzmir.
29. [29] Gifford, P.M., Gillott, J.E. 1996. Alkali-silica reaction (ASR) and alkali-carbonate reaction (ACR) in activated blast furnace slag cement (ABFSC) concrete. Cement and Concrete Research, Cilt. 26, Sayı. 1, s. 21-26. DOI: 10.1016/0008-8846(95)00182-4
30. [30] Navarro Martínez, R.M., Zornoza, E., Sánchez, I., García Alcocel, E.M. 2022. Influence of the type and concentration of the activator on the microstructure of alkali activated SiMn slag pastes. Construction and Building Materials, Cilt. 321, s. 128067. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128067
31. [31] Gong, C., Yang, N. 2000. Effect of phosphate on the hydration of alkali-activated red mud–slag cementitious material. Cement and Concrete Research, Cilt. 30, Sayı. 7, s. 1013-1016. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00260-X
32. [32] Shi, Z., Shi, C., Zhao, R., Wan, S. 2015. Comparison of alkali–silica reactions in alkali-activated slag and Portland cement mortars. Materials and Structures, Cilt. 48, s. 743-751. DOI: 10.1617/s11527-015-0535-4