Flygaska som genereras av koleldade kraftverk är en miljömässig huvudvärk, skapa grundvatten och luftföroreningar från stora deponier och askdammar. En del av avfallsprodukten kan återanvändas till geopolymerbetong, såsom förgjutna värmehärdade element för strukturer.

Dock, ett kritiskt hållbarhetsproblem har varit låg motståndskraft mot extrema alkaliangrepp. Forskare vid University of Johannesburg har funnit att högtemperaturvärmebehandling (HTHT) kan minska denna skadliga mekanism i flygaska geopolymerbetong med hälften.

"I en tidigare studie, vi fann att flygaska geopolymerbetong kan vara känslig under extrema alkaliska förhållanden. Rekommendationen från studien var att detta material inte bör användas i strukturer som utsätts för starkt alkaliska medier, såsom vissa kemikalielagringsanläggningar. Resultaten av vår nya studie visar att alkalibeständigheten hos geopolymerbetong kan förbättras avsevärt genom att utsätta den för en utvärderad temperatur, optimalt 200 grader Celsius, " säger Dr Abdolhossein Naghizadeh.

Studien är en del av Naghizadehs doktorandforskning vid Institutionen för Civil Engineering Science vid University of Johannesburg.

Extremt alkaliskt medium

I forskningen publicerad i Fallstudier i konstruktionsmaterial , block av flygaska geopolymerbruk värmehärdades på olika sätt vid 100, 200, 400 eller 600 grader Celsius i sex timmar. Dessa nedsänktes sedan i vatten, ett medium alkaliskt medium eller ett extremt alkaliskt medium; och förvaras vid 80 grader Celsius i 14 dagar eller 28 dagar, beroende på prestationsmätningen.

Den förlängda värmehärdningen i 28 dagar utfördes för att jämföra resultaten med de som erhölls i de andra studierna, som använde samma härdningssystem. Denna långtidshärdning är lämplig för forskningsändamål, men rekommenderas inte för faktisk konstruktion. Det medium alkaliska mediet var en IM NaOH-lösning. Det extrema alkaliska mediet var en 3M NaOH-lösning.)

"De härdade blocken värmehärdas vid 200 grader, och sedan nedsänkt i det extrema alkaliska mediet ("200/3M"-blocken), bibehöll cirka 50 % reststyrka vid 22,6 MPa vid alkaliangrepp. Blocken värmehärdade vid de andra temperaturerna bibehöll mycket lägre reststyrkor vid 10,3 till 14,6 MPa, säger Naghizadeh.

"200/3M-blocken nedsänkta i extremt alkaliskt medium uppvisade endast begränsade fina sprickbildningar, indikerar låg expansion jämfört med de andra, som visade kraftiga sprickor. Lakningen av silikon och aluminium var lägst för 200/3M-blocken.

"Röntgendiffraktion visade att kristallina mineraler, albit och sillimanit, bildas i bindefasen av 200/3M block. Skannaelektronmikroskopbilder av 200/3M bindemedel visar närvaron av en gelliknande substans, karakteristisk för alkaliangrepp. Värmehärdningen minskade kraftigt attackens intensitet, men kunde inte förhindra det, " han säger.

"Högtemperaturvärmebehandlingen (HTHT) vid 200 grader skapade denna effekt genom att förhindra upplösningen av oreagerade flygaskepartiklar i den härdade geopolymerbetongmatrisen. HTHT minskade också tryckhållfastheten för dessa block med 26,7 %."

Används bäst som prefabricerad

Geopolymerbindemedel för flygaska uppvisar anmärkningsvärda hållbarhetsegenskaper. Bland dessa är hög motståndskraft mot alkali-kiseldioxidreaktion, överlägsen syrabeständighet och hög motståndskraft mot brand, låg kolsyra och begränsad sulfatangrepp, säger Naghizadeh. Flygaska geopolymercement lämpar sig mest för prefabricerad betong tillverkad på fabrik eller verkstad. Anledningen är att hållfasthetsutvecklingen i geopolymercementblandningar i allmänhet går långsamt under omgivningstemperaturer.

Detta gör värmehärdning nödvändig eller nödvändig för tidig styrka. De praktiska metoder som etablerats för värmehärdning av prefabricerad ordinär portlandcement (OPC) kan anpassas för detta.

Detta gör flygaska geopolymerer lämpliga för prefabricerade betongelement som balkar eller balkar för byggnader och broar, järnvägsslipers, väggpaneler, ihåliga plattor, och betongrör. För vanlig flygaska geopolymerbetong, en 24-timmars uppvärmning vid 60 till 80 grader Celsius skulle vara tillräckligt för att uppnå tillräcklig styrka. Denna härdning (temperatur och varaktighet) är vanlig inom cementindustrin, som också används för vissa portlandcementbetonger.

Även om användningen av geopolymercement ökar varje år, den används inte i stor utsträckning jämfört med OPC. Geopolymer har använts som bindemedel i bostadsbyggnader, broar, och landningsbanor mestadels i europeiska länder, Kina, Australien, och U.S.A.

En nästa generations cement

Sedan mitten av 1700-talet, OPC har använts flitigt för att tillverka betong. Dess hållbarhetsprestanda är väl förstått och dess långsiktiga beteende kan förutsägas. Dock, en ny generation cement växer fram som ett lämpligt alternativ till OPC i vissa applikationer. Dessa geopolymercement (eller geopolymerbindemedel) har en natur och mikrostruktur som skiljer sig helt från OPC.

Ett utgångsmaterial som används för geopolymerbindemedel måste vara rikt på aluminiumoxid och silikathalter. På detta kriterium, flera industriavfall eller biprodukter kvalificerar sig, inklusive risskalsaska, palmolja bränsleaska och kolkraftverk flygaska. Dock, flygaska har två fördelar för användning som geopolymercement, säger Naghizadeh.

För det första, flygaska finns tillgänglig i miljontals ton globalt, inklusive i utvecklingsländer. Att återanvända flygaska som byggmaterial kan potentiellt minska en del av dess miljöpåverkan. För närvarande, den slängs i stora askdammar och deponier nära koleldade kraftverk, som skapar luft- och grundvattenföroreningar.

Den andra fördelen med flygaska som utgångsmaterial för geopolymercement är dess kemiska sammansättning. Vanligtvis, flygaska är tillräckligt rik på reaktivt kisel och aluminiumoxider, vilket resulterar i en bättre geopolymerisation.

Detta i sin tur ger ett bindemedel med överlägsen mekanisk, fysikaliska och hållbarhetsegenskaper jämfört med geopolymerbetonger gjorda av andra avfallsprodukter som innehåller aluminiumsilikater.

Mer komplex mixdesign

När man ritar en byggnad, ingenjören måste säkerställa att betongen som används i konstruktionen kommer att ha den förväntade hållfastheten under livslängden. Dock, de fysiska och mekaniska egenskaperna hos betong och andra byggmaterial kan förändras över tiden. Sådana förändringar kan påverka materialets prestanda under konstruktionens livslängd.

Rent generellt, en OPC-betongblandning inkluderar cement, vatten och ballast. Civilingenjören utvecklar en OPC-blandningsdesign med hjälp av specifika proportioner av dessa tre ingredienser för den avsedda strukturen.

"För flygaskabaserad geopolymerbetong aktiverad av natriumsilikat och natriumhydroxid, mixdesign är mer komplex än för OPC, " säger Naghizadeh. "Fler parametrar är inblandade:mängden flygaska, natriumsilikat, natriumhydroxid, vatten, och aggregat; såväl som koncentrationen av natriumhydroxid; andelen och kvaliteten på glaset i alkalin."

Flygaska från askdammar

I Sydafrika, forskning om användningen av flygaska som geopolymercement är begränsad, säger professor Stephen Ekolu. Ekolu är medförfattare till studien och tidigare chef för School of Civil Engineering and the Built Environment vid University of Johannesburg.

"Den befintliga forskningen om flygaska geopolymerbetong använder flygaska som levereras direkt från kraftverk. Ytterligare forskning behövs om användning av flygaska från deponier och askdammar, tekniskt kallad "bottenaska" för att producera geopolymercement.

"De största forskningsfrågorna är frågor om materialkvalitet, mix design, och utveckla tekniken för att tillåta härdning vid omgivningsförhållanden snarare än nuvarande praxis att härda vid förhöjda temperaturer. När dessa tre vetenskapliga frågor har lösts, flygaska och faktiskt de flesta andra former av geopolymercement kan vara bättre placerade som OPC-ersättningar över hela världen, säger Ekolu.

Inte en betongförlängare

För närvarande, en liten mängd flygaska används som en vanlig cementförlängare. I Sydafrika, den mängden är 10 % av de 36 miljoner ton som produceras årligen. Det blandas med klinker för att producera Pozzolanic Portland cement (PPC).

Även om flygaska används som en vanlig OPC-förlängare, flygaskabaserad geopolymerbetong (FA-GC) kombineras inte med OPC-baserad betong.

Anledningen är att hydratiseringsprocessen för OPC är helt annorlunda än geopolymerisationsreaktionen av FA-GC. Också, OPC-baserad betong och geopolymerbetong kräver var och en olika härdningsvillkor.

Annan produktion än OPC

Huvudfaserna i OPC-produktion är kalcinerings- och malningsprocesserna. Till skillnad från OPC, geopolymerproduktion kräver inte dessa faser. Flygaskabaserade geopolymerbindemedel består av två komponenter:Flygaskan och en alkaliaktivator. Vanligtvis, flygaska används som produceras i kraftverket, utan behov av ytterligare behandling.

Alkaliaktivatorlösningar som natriumsilikat och natriumhydroxid tillverkas också i stor utsträckning inom industrin. Dessa används för flera ändamål, som tvättmedel och textilproduktion.

"Grönare" betong

"Den långsiktiga hållbarheten hos geopolymercement under olika miljöförhållanden kräver ytterligare forskning. Dessutom, byggbranschen globalt saknar teknisk kunskap om tillverkning av geopolymerer. För att använda geopolymerbindemedel, ingenjörer, tekniker och byggnadsarbetare behöver utbildning för att designa och producera geopolymerbetongblandningar med de egenskaper som krävs, säger Naghizadeh.

"Det råder ingen tvekan om att produktionen av Portlandcement måste begränsas i framtiden, på grund av dess enorma miljöpåverkan. Detta inkluderar cirka 5 till 8 % av de globala antropogena koldioxidutsläppen till atmosfären, som bidrar till klimatförändringen, säger Ekolu.

Flera studier, including those from the University of Johannesburg, have shown that fly ash geopolymer can exhibit superior or similar properties to Portland cement. This makes it a suitable alternative to replace Portland cement in certain applications.

Dessutom, the availability of fly ash worldwide, särskilt i utvecklingsländer, provides an opportunity to produce more economic concrete "greener" than Ordinary Portland cement from the viewpoint of potential repurposing of a problematic waste product.