Clay-based geopolymer as the sole binder in concrete

Abstract

Den minskende tilgjengeligheten av geopolymere slik som flygeaske (FA) og Slagg (GGBS), i kombinasjon med en økende etterspørsel etter supplementære materialer for å erstatte Portlandsement (OPC) i betongindustrien, understreker behovet for et miljøvennlig og lett tilgjengelig alternative erstatning. Med den begrensede tilførselen av FA og GGBS, tilbyr den rikelige tilgjengeligheten av lokal kalsinert leire et lovende og bærekraftig alternativ for erstatning av OPC. Effektiviteten av kalsinert leire som sementerstatning er derimot påvirket av forskjellige faktorer som mengden og leiretype, dens mineralogi, og kalsineringstemperaturen. Denne studien undersøker muligheten og egenheten av lokal marin leire og keramisk hvit leire som eneste bindemiddel og fullstendig erstatning for sement i betong. Leirene ble kalsinert ved temperaturer på (600°C, 700°C og 850°C), og deretter dosert og støpt med tilsetning av alkaliske aktivatorer NaOH (45%), Na2SiO3(35%) and Ca(OH)2. Mørtelprøvene ble herdet ved to ulike temperaturer og ble deretter utsatt for en rekke tester. Bøyefasthet- og trykkfasthetstester ble utført for å evaluere leirematerialenes egenskaper og ytelse sammenliknet med referanseprøver laget av standard sement, samt for å sammenligne ytelsen til de ulike leireprøvene med hverandre etter 7 og 28 dagers herding. I tillegg ble den brannmotstanden til leireprøvene testet ved å utsette dem for propanflamme, og deres syremotstand ble vurdert og sammenliknet med referanseprøvene ved å nedsenke prøvene i HCl 10% i 48 timer. Resultatene fra bøyefasthet- og trykkfasthetstestene vise at leireprøvene ved alle tre kalsineringstemperaturer har betydelig lavere styrke sammenlignet med sementprøvene(referanse). Dette antyder at leiremateralene kanskje ikke har de nødvendige styrkeegenskapene som kreves for å fungere som fullstendig erstatning for OPC. Imidlertid viser brannmotstand- og syremotstandstestene at leireprøvene har en enestående motstand mot brann og en overlegen motstand mot sure miljøer sammenlignet med sementprøvene.

The decreasing availability of geopolymers such Fly Ash (FA) and Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBS), along with growing demand for supplementary materials to replace Ordinary Portland Cement (OPC) in concrete industry, highlights the need for an eco-friendly and easily accessible alternative replacement. Whit the limited supply of FA and GGBS, the abundant availability of local calcined clay offers a promising and sustainable solution for the replacing of OPC. However, the effectiveness of calcined clay as cement replacement is influenced by various factors such as the amount and type of clay, its mineralogy, and the calcination temperature. This study investigates the viability and suitability of local marine clay and pottery white clay as the sole binder and complete replacement for cement in concrete. The clays were calcined at temperatures of (600°C, 700°C, and 850°C), and then proportioned and casted with the addition of alkaline activators NaOH (45%), Na2SiO3 (35%) and Ca (OH)2. The mortar specimens were cured in two different temperatures and subsequently subjected to several testes. Mechanical tests, including flexural and compressive strength were conducted to evaluate the clay materials performance compared to the specimens made of standard cement(reference), as well as to each other after 7 and 28 days of curing. Additionally, the thermal resistance of the clay specimens was tested by subjecting them to propane flame and their acid resistance was assessed and compared to reference specimens by submerging the specimens into HCl 10% for 48hour. The results of the mechanical tests show that the clay specimens, at all three calcination temperatures, exhibit significantly low flexural and compressive strength compared to the specimens made of standard cement (reference), which suggest that the clay materials might not possess the desired strength properties to serve as the complete replacement of OPC. However, the thermal and acid resistance tests show that clay-based materials obtain an exceptional fire resistance and a superior resistance to acidic environments compared to the standard cement.