Nano silica added trachytic tuff based geopolymer mortars investigation of properties in different curing environment

Year 2023, Volume: 13 Issue: 3, 580 - 594, 15.07.2023

Hadaan Pehlivan

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1265856

Abstract

In this study, the strength of geopolymer mortars produced with alkali-activated trachytic tuff (TT) with nano silica (NS) added was investigated by curing in different environments. Calcium hydroxide Ca(OH)2 and sodium carbonate (Na2CO3 ) combined alkali activator, which is not widely used, was used to activate the mortars. Geopolymers can be obtained from alumino silicate and industrial waste based materials to contribute to environmentally friendly production. The trachytic tuff used in the study is a material of volcanic origin containing abundant alumino silicate and has a lower alkaline-activated property compared to industrial wastes. For this reason, geopolymer mortars were synthesized in a 96-hour curing environment at 80°C by examining the detailed literature. Sulfate and acid attacks are the most important chemical problems affecting the service life of building materials. In this context, the samples with 1.0% nano silica additive, which showed the best performance in geopolymer mortars, whose mechanical behavior was examined in 5% sodium sulphate (Na2SO4), magnesium sulphate (MgSO4), and hydrochloric acid (HCl) solutions along with pH changes for 360 days; pH values are in the range of 13.2-11.8, 11.6-8.5, 3.5-2.6; bending strength of 12.25, 11.50, 7.41 MPa; compressive strength of 66.12, 50.63, 40.82 MPa; was found to be.

Keywords

Alkali activator, Acid, Geopolymer, Nano silica, Sulphate, Trachytic tuff

Nano silis katkılı trakitik tüf esaslı geopolimer harçların farklı kür ortamlarında özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, nano silis (NS) ilave edilmiş alkalilerle aktifleştirilmiş trakitik tüf (TT) ile üretilen geopolimer harçların farklı kür ortamlarında dayanımları araştırılmıştır. Harçları aktive etmek için çok yaygın olarak kullanılmayan kalsiyum hidroksit Ca(OH)2 ve sodyum karbonat (Na2CO3) kombine alkali aktivatörü kullanılmıştır. Geopolimerler çevre dostu üretimlere katkı sağlayacak şekilde alümino silikat ve endüstriyel atık esaslı malzemelerden elde edilebilir. Çalışmada kullanılan trakitik tüf bol miktarda alümino-silikat içeren volkanik orijinli ve alkali aktive özelliği endüstriyel atıklara göre düşük bir malzemedir. Bu nedenle geopolimer harçlar literatür ayrıntılı incelenerek 80°C sıcaklıkta 96 saat kür ortamında sentezlenmiştir. Sülfat ve asit saldırıları yapı malzemelerinin hizmet ömrünü etkileyen en önemli kimyasal sorunlardır. Bu kapsamda %5 sodyum sülfat (Na2SO4), magnezyum sülfat (MgSO4), ve hidroklorik asit (HCl) çözeltilerinde 360 gün pH değişimleri ile birlikte mekanik davranışı incelenen geopolimer harçlarda en iyi performans gösteren %1.0 nano silis katkılı numunelerin sırasıyla; pH değerlerinin 13.2-11.8, 11.6-8.5, 3.5-2.6 aralığında; eğilme dayanımının 12.25, 11.50, 7.41 MPa; basınç dayanımının 66.12, 50.63, 40.82 MPa; olduğu görülmüştür.

Keywords

Alkali aktivatör, Asit, Geopolimer, Nano silis, Sülfat, Trakitik tüf

References

• ASTM C618-19. (2019). Standard specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete. ASTM International, West Conshohocken, PA.
• ASTM C1012M-18b. (2019). Standard test method for length change of hydraulic-cement mortars exposed to a sulfate solution. ASTM International, West Conshohocken, PA.
• ASTM C267. (2020). Standard test methods for chemical resistance of mortars, grouts, and monolithic surfacings and polymer concretes. ASTM International, West Conshohocken, PA.
• Alcamand, H.A., Borges, P. H. R., Silva, F. A., & Trindade, A. C. C. (2018). The effect of matrix composition and calcium content on the sulfate durability of metakaolin and metakaolin/slag alkali-activated mortars. Ceramics International, 44(5), 5037-5044. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.12.102.
• Adak, D., Sarkar, M., & Mandal, S. (2017). Structural performance of nano-silica modified fly ash based geopolymer concrete. Construction and Building Materials,135, 430-439. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.12.111.
• Akbulut, F. (2020). Kırmızı çamur ve yüksek fırın cürufunun perlit esaslı geopolimer beton özelliklerine etkisi [Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Estitüsü].
• Al Bakri, M., Kamarudin, H., BinHussain M., Nizar, I., Zarina, Y., & Rafiza, A.R. (2011). The effect of curing temperature on physical and chemical properties of geopolymers. Physics Procedia, 22, 286-291. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.11.045.
• Arslan, K.M. (2014). Sülfat etkisine maruz kalmış mineral ve nano katkılı harçların durabilitesi [Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Estitüsü].
• Baradan, B., Yazıcı, H., Ün, H. (2010). Betonarme yapılarda kalıcılık (Durabilite). DEÜ Mühendislik Fakültesi Yayınları, İzmir.
• Bernal, S.A., Provis, J.L., Myers, R.J., San Nicolas, R.S., & Van Deventer, J.S.J. (2015). Role of carbonates in the chemical evolution of sodium carbonate-activated slag binders. Material and Structure, 48, 517-529. https://doi.org/10.1617/S11527-014-0412-6.
• Bian, Z., Jin, G., & Ji, T. (2021). Effect of combined activator of Ca(OH)2 and Na2CO3 on workability and compressive strength of alkali-activated ferronickel slag system. Cement and Concrete Composites, 123, 104179. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104179.
• Bilgin, A., Köseoğlu, M., & Özkan, G. (1990). Isparta-Gölcük yöresi kayaçlarının mineraloji, petrografi ve jeokimyası. Doğa, Türk Mühendislik ve Çevre Bilimleri Dergisi, 14(2), 342-361.
• Bingöl, Ş. (2018). Alkali ile aktive edilmiş yüksek fırın cürufu geopolimer harçların mekanik ve durabilite özelliklerinin araştırılması [Doktora Tezi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Deb, P.S., Sarker, P.K., & Barbhuiya, S. (2016). Sorptivity and acid resistance of ambient-cured geopolymer mortars containing nano-silica. Cement and Concrete Composites, 72, 235-245. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2016.06.017.
• Elyamany, H.E, Abd Elmoaty, A.E.M., & Elshaboury, A.M. (2018). Magnesium sulfate resistance of geopolymer mortar. Construction and Building Materials, 184, 111-127. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.06.212.
• Ercan, T., (1985). Orta Anadolu’daki Senozoyik Volkanizması. Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Jeoloji Etütleri Dairesi Yayınları, 119-140.
• Görmüş, M., & Sagular, E.K. (2003). SDÜ 20. Yıl Jeoloji Sempozyumu. Bildiri Özleri Kitabı, 14-16 Mayıs, 330-351. Huang, Q., Zhu, X., Xiong, G., Zhang, Deng, J., Zhao, M., & Zhao, L. (2021). Will the magnesium sulfate attack of cement mortars always be inhibited by incorporating nanosilica?. Construction and Building Materials, 305, 124695. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124695.
• Ilıca, T. (2008). Farklı çimentolarla üretilen betonlarda sülfat etkisi ve klorür geçirimliliği [Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Jeon, D., Jun, Y., Jeong, Y., & Oh, J.E. (2015). Microstructural and strength improvements through the use of Na2CO3 in a cementless Ca(OH)2-activated class F fly ash system. Cement and Concrete Research, 67, 215-225. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2014.10.001.
• Jin, F., & Al-Tabbaa, A. (2015). Strength and drying shrinkage of slag paste activated by sodium carbonate and reactive MgO. Construction and Building Materials, 81, 58-65. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.01.082.
• Khale, D., & Chaudhary, R. (2007). Mechanism of geopolymerizaton and factors ınfluencing its development: A Review. Journal of the Material Science, 42, 729-746. https://doi.org/10.1007/s10853-006-0401-4
• Ke, X., Bernal, S.A., & Provis, J.L. (2016). Controlling the reaction kinetics of sodium carbonate-activated slag cements using cal-cined layered double hydroxides. Cement and Concrete Research, 81, 24-37. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2015.11.012.
• Kibici, Y., Dinç, D., & Uçar, A. (2012). Afyonkarahisar yöresi volkanik kayaçlarının mineralojik ve petrografik özellikleri. Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Aralık, Sayı 29, 53-59.
• Koç, H. (2021). Silis dumanı katkılı uçucu kül ile üretilen alkali aktive edilmiş harçların farklı sülfatlar altındaki fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi [Yüksek Lisans Tezi, Yozgat Bozok Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü].
• Kwasny, J., Aiken, T.A., Soutsos, M.N., McIntosh, J.A., & Cleland, D.J. (2018). Sulfate and acid resistance of lithomarge-based geopolymer mortars. Construction and Building Materials, 166, 537-553. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.01.129.
• Orhan, T.Y. (2022). Yüksek fırın cürufu esaslı geopolimer betonların donma çözülme ve sülfat direncine ince lastik atığının etkisi [Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Özcan, A. (2018). Ferrokrom cürufu ve yüksek fırın cürufu kullanılarak üretilen geopolimer betonların asit, tuz ve sülfat etkilerine karşı dayanıklılığının araştırılması [Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Raj, R.S., Arulraj, G.P., Anand, N., Kanagaraj, B., Lubloy, E., & Naser, M.Z. (2023). Nanomaterials in geopolymer composites: A review. Developments in the Built Environment, 13, 100114. https://doi.org/10.1016/j.dibe.2022.100114.
• Ren, D., Yan, C., Duan, P., Zhang, Z., Li, L., & Yan, Z. (2017). Durability performances of wollastonite, tremolite and basalt fiber-reinforced metakaolin geopolymer composites under sulfate and chloride attack. Construction and Building Materials, 134, 56-66. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.12.103.
• Santhanam, M., Cohen, M.D.V., & Olek, J. (2001). Sulfate Attack Research-Whither Now?. Cement and Concrete Research, 31(6), 845-851. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(01)00510-5.
• Sert, M. (2010). Isparta ve Nevşehir yöresi volkanik kökenli taşların fiziko mekanik özelliklerinin belirlenerek kullanım alanlarının irdelenmesi [Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü].
• Thokchom, S., Ghosh, P., & Ghosh, S. (2010). Performance of fly ash based geopolymer mortars in sulphate solution. Journal of engineering science and technology review, 3(1), 36-40. https://doi.org/10.25103/JESTR.031.07.
• TS EN 196-1. (2009). Çimento Deney Metotları-Bölüm 1: Dayanım Tayini. TSE, Ankara.
• Van Aardt, J.H.P., & Visser S. (1975). Thaumasite formation: a cause of deterioration of portland cement and related substances, in the presence of sulfates. Cement and Concrete Research, 5(3), 225-232. https://doi.org/10.1016/0008-8846(75)90004-6.
• Walling, S.A.; Bernal, S.A.; Gardner, L.J., Kinoshita, H., & Provis, J.L. (2018). Blast furnace slag-Mg(OH)2 cements activated by sodium carbonate. RSC Advances, 8, 23101-23118. https://doi.org/10.1039/c8ra03717e.
• Wang, Y.S, Tae, S.H., Lin, R.S., & Wang, X.Y. (2022). Effects of Na2CO3 on engineering properties of cement-limestone powder-slag ternary blends. Journal of Building Engineering, 57, 104937. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104937.
• Yang, T., Zuhua, Z., Zhu, H., Zhang,W., Gao, Y., Zhang, X., & Wu, Q. (2019). Effects of calcined dolomite addition on reaction kinetics of one-part sodium carbonate-activated slag cements. Construction and Building Materials, 211, 329-336. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.03.245.
• Yazıcı, N. (2022), Yüksek sıcaklıktan sonra asit, sülfat ve tuz etkisine maruz kalan geopolimer betonların özelliklerinin araştırılması [Yüksek Lisans Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Estitüsü].