The Effect of Post-Fire Air Curing on Alkali-Activated Slag and Fly Ash Mortars

Abstract

In this study, the effect of high temperature post-air curing conditions on the strength of mortars containing alkali-activated blast furnace slag and fly ash was investigated. For this purpose, alkali-activated mortar samples were produced by replacing 0%, 25%, 50%, 75%, 100% fly ash with blast furnace slag. In the study, sodium metasilicate containing 10% sodium (Na) was used as activator. Samples produced were heat cured at 90°C for 24 hours. After heat curing, the samples were exposed to elevated temperatures at 400, 600 and 800oC. Weight loss, flexural, and compressive strength tests were applied to the first group samples one day after the heat curing, the second group samples one day after the elevated temperature, and the third group samples 28 days after the elevated temperature. While the highest compressive strength before high temperature was obtained at 75.5 MPa in 100% slag samples, the lowest compressive strength was obtained at 44.6 MPa in samples containing 100% fly ash. When the compressive strength values of the samples, which were cured in air for 28 days after high temperature, were compared with the compressive strength values of the samples that were not exposed to high temperature, a maximum of 32%, 64% and 93% loss of compressive strength occurred at 400oC, 600oC and 800oC, respectively. Air curing of the samples for 1 and 28 days after high temperature did not cause a significant change in their compressive strength. The flexural and compressive strength loss occurred immediately after high temperature, and the samples generally preserved their strengths after 28 days of air curing.

Keywords

• Alkali aktivasyon
• cüruf
• uçucu kül
• dayanım
• yüksek sıcaklık
• hava kürü.

Alkali ile Aktive Edilmiş Cüruf ve Uçucu Kül Harçlarına Yüksek Sıcaklık Sonrası Hava Kürünün Etkisi

Abstract

Bu çalışmada alkali ile aktive edilmiş yüksek fırın cürufu ve uçucu kül içeren harçların dayanım özelliklerine yüksek sıcaklık sonrası hava kürü koşullarının etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla uçucu kül %0, %25, %50, %75, %100 oranlarında yüksek fırın cürufu ile ikame edilerek alkali ile aktive edilmiş harçlar üretilmiştir. Harçlarda aktivatör olarak %10 oranında Sodyum (Na) içeren sodyum metasilikat kullanılmıştır. Üretilen harçlar 24 saat 90°C ısıl küre tabi tutulmuştur. Isıl kür sonrası numuneler 400, 600 ve 800oC’de yüksek sıcaklığa maruz bırakılmıştır. Referans grubu numuneleri etüv kürü uygulandıktan sonra, birinci grup numuneler yüksek sıcaklık uygulandıktan 1 gün sonra, ikinci grup numuneler ise yüksek sıcaklık uygulandıktan 28 gün sonra ağırlık kaybı, eğilme dayanımı ve basınç dayanımı testlerine tabi tutulmuştur. Yüksek sıcaklık öncesi en yüksek basınç dayanım 75,5 MPa ile %100 cüruflu numunelerde elde edilirken en düşük basınç dayanımı 44,6 MPa ile %100 uçucu kül içeren numunelerde elde edilmiştir. Yüksek sıcaklıktan sonra 28 gün havada kür uygulanan numunelerin basınç dayanım değerleri yüksek sıcaklığa maruz kalmayan numunelerin basınç dayanım değerleri ile karşılaştırıldığında,400oC, 600oC ve 800oC’de sırasıyla en fazla %32, %64 ve %93 basınç dayanımı kaybı meydana gelmiştir. Numunelerin yüksek sıcaklık sonrası 1 ve 28 gün süreyle havada kür edilmesi, basınç dayanımlarında önemli bir değişikliğe neden olmamıştır. Yüksek sıcaklık sonrası eğilme ve basınç dayanımı kaybı hemen oluşmuş, 28 gün hava kürü ile numuneler genel olarak basınç dayanımlarını korumuşlardır.

Keywords

• Alkali aktivasyon
• cüruf
• uçucu kül
• dayanım
• yüksek sıcaklık
• hava kürü.

References

1. [1] Q. Ma, R. Guo, Z. Zhao, Z. Lin, and K. He, “Mechanical properties of concrete at high temperature-A review,” Construction and Building Materials, vol. 93, pp. 371–383, 2015.
2. [2] H. Yang, Y. Lin, C. Hsiao, and J. Y. Liu, “Evaluating residual compressive strength of concrete at elevated temperatures using ultrasonic pulse velocity,” Fire Safety Journal, vol. 44, no. 1, pp. 121–130, 2009.
3. [3] L. Li, L. Shi, Q. Wang, Y. Liu, J. Dong, H. Zhang, and G. Zhang, “A review on the recovery of fire-damaged concrete with post-fire-curing,” Construction and Building Materials, vol. 237, p. 117564, 2020.
4. [4] S. K. Handoo, S. Agarwal, and S. K. Agarwal, “Physicochemical, mineralogical, and morphological characteristics of concrete exposed to elevated temperatures,” Cement and Concrete Research, vol. 32, no. 7, pp. 1009–1018, 2002.
5. [5] J. Xiao and G. König, “Study on concrete at high temperature in China - An overview,” Fire Safety Journal, vol. 39, no. 1, pp. 89–103, 2004.
6. [6] C. S. Poon, S. Azhar, M. Anson, and Y. L. Wong, “Strength and durability recovery of fire- damaged concrete after post-fire-curing,” Cement and Concrete Research, vol. 31, no. 9, pp. 1307– 1318, 2001.
7. [7] O. G. Rivera et al., “Effect of elevated temperature on alkali-activated geopolymeric binders compared to portland cement-based binders,” Cement and Concrete Research, vol. 90, pp. 43–51, 2016.
8. [8] A. Martin, J. Y. Pastor, A. Palomo, and A. Fernández Jiménez, “Mechanical behaviour at high temperature of alkali-activated aluminosilicates (geopolymers),” Construction and Building Materials , vol. 93, pp. 1188–1196, 2015.

9. [9] M. Kaya, M. Uysal, K. Yilmaz, and C. D. Atiş, “Behaviour of geopolymer mortars after exposure to elevated temperatures,” Materials Science-Medziagotyra, 24(4), 2018.
10. [10] S. Çelikten ve M. Canbaz, “Yüksek sıcaklığa maruz atık çelik lif takviyeli alkali ile aktive edilmiş yüksek fırın cüruflu harçların davranışı,” Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 26(6), 1110-1116, 2020.
11. [11] S. Çelikten, M. Sarıdemir, ve İ. Ö. Deneme, ‘‘Mechanical and microstructural properties of alkali-activated slag and slag+ fly ash mortars exposed to high temperature,’’Construction and Building Materials, vol. 217, pp. 50-61,2019.
12. [12] Ü. Yurt, “High performance cementless composites from alkali activated GGBFS,” Construction and Building Materials, 264, 120222, 2020.
13. [13] N. K. Lee, K. T. Koh, G. H. An, and G. S. Ryu, “Influence of binder composition on the gel structure in alkali activated fly ash/slag pastes exposed to elevated temperatures,” Ceramics International, vol 43, no.2, pp. 2471–2480, 2017.
14. [14] Z. Almaz Özcan, “Alkalilerle aktive edilmiş yüksek fırın cürufu ve uçucu kül tabanlı harçların özellikleri,” Doktora Tezi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Erciyes Üniversitesi, Kayseri, Türkiye, 2020.
15. [15] İ. İ. Atabey, “F sınıfı uçucu küllü geopolimer harcının durabilite özelliklerinin araştırılması,” Doktora Tezi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Erciyes Üniversitesi, Kayseri, Türkiye, 2017.
16. [16] İ. İ. Atabey, “Farklı aktivatör tipinin atık cam tozu esaslı geopolimer harçların üretim özelliklerine etkisi,” The 3rd International Symposium of Engineering Applications on Civil Engineering and Earth Sciences (IEACES2021), Karabük, 2021.
17. [17] Çimento Deney Metodları-Bölüm 1: Dayanım Tayini, Türk Standartları Enstitüsü TS EN 196- 1, 2016.
18. [18] R. Cai, and H. Ye, “Clinkerless ultra-high strength concrete based on alkali-activated slag at high temperatures,” Cement and Concrete Research, 145, 106465, 2021.
19. [19] N. Marjanović, M. Komljenović, Z. Baščarević, V. Nikolić, and R. Petrović, ‘‘Physical– mechanical and microstructural properties of alkali-activated fly ash–blast furnace slag blends,’’ Ceramics International, vol. 41, no. 1 pp. 1421-1435, 2015.
20. [20] Z. Pan, Z. Tao, Y. F. Cao, R. Wuhrer, and T. Murphy, “Compressive strength and microstructure of alkali-activated fly ash/slag binders at high temperature,” Cement and Concrete Composites, 86, 9-18, 2018.
21. [21] F. Puertas, M. Palacios, H. Manzano, J. S. Dolado, A. Rico, and J. Rodríguez, “A model for the CASH gel formed in alkali-activated slag cements,” Journal of the European Ceramic Society, 31(12), 2043-2056, 2011.
22. [22] Z. Pan, Z. Tao, Y. F. Cao, R. Wuhrer, &T. Murphy, ‘‘Compressive strength and microstructure of alkali-activated fly ash/slag binders at high temperature,’’ Cement and Concrete Composites, vol. 86, pp. 9-18, 2018.
23. [23] H. El-Hassan, E. Shehab, and A. Al-Sallamin, ‘‘Effect of curing regime on the performance and microstructure characteristics of alkali-activated slag-fly ash blended concrete,’’Journal of Sustainable Cement-Based Materials, vol. 10, no.5, pp. 289-317, 2021.
24. [24] O. Karahan, ‘‘Residual compressive strength of fire‐damaged mortar after post‐fire‐air‐ curing,” Fire and Materials, vol. 35, no.8, pp. 561-567, 2011.
25. [25] R. G. Sertbakan, İ. İ. Atabey, U. Durak, S. İlkentapar, O. Karahan ve C. D. Atiş, ‘‘Alkali ile aktive edilmiş cüruf+uçucu kül harçlarına yüksek sıcaklık sonrası hava kürünün etkisi,” 4. Uluslararası Mühendislik Araştırmaları Sempozyumu (UMAS 22), Düzce, 2022.
26. [26] E. Luga and C. D. Atiş, “Strength properties of slag/fly ash blends activated with sodium metasilicate and sodium hydroxide plus silica fume,” Periodica Polytechnica-Civil Engineering, 60(2), 2016.