Experimental Analysis of Calcined Clay Geopolymers

Promovendus/a: Ahmed Zohair Khalifa

Promotor(en): Prof. dr. Ozlem Cizer, Prof. dr. Jan Elsen, Prof. dr. Yiannis Pontikes

De cementindustrie is verantwoordelijk voor 8% van de wereldwijde CO2-emissies. Als er geen acties ondernomen worden, wordt er verwacht dat dit aandeel verder zal stijgen tot 25% tegen 2050. Het meest veelbelovende alternatief voor Portland cement zijn geopolymeren, omwille van hun lagere milieu-impact vergeleken met Portland cement. Geopolymeren zijn enorm veelzijdige materialen en kennen een zeer breed toepassingsgebied binnen de bouwkunde. Dit komt door de veelzijdigheid aan vaste precursoren en basische activators die gebruikt kunnen worden in de synthese van geopolymeren. Gegranuleerde hoogovenslak (GGBS), vliegas en gecalcineerde kleien zijn de meest voorkomende vaste precursoren die gebruikt worden in geopolymeren en alkali-geactiveerde materialen (AAMs). Hoewel de reactiviteit en levensvatbaarheid van deze precursoren reeds aangetoond zijn, wordt er tegenwoordig alsmaar verder gekeken dan deze drie materialen. Metakaolin is de populairste gecalcineerde klei die gebruikt wordt voor de synthese van geopolymeren. Ondanks zijn hoge reactiviteit en beschikbaarheid, is er een duidelijk waarneembare trend richting het gebruik van gewone kleisoorten als vaste aluminosilicaatrijke precursoren, vanwege hun overvloedig aanbod en wijdverspreide beschikbaarheid. Gewone kleien zijn natuurlijk overvloedig en bevatten gewoonlijk een grote variëteit aan mineralogische samenstellingen.
Deze thesis bevat een kritische literatuurstudie over de kleimineralen/gronden die reeds gebruikt worden als precursoren in AAMs en geopolymeren. De review helpt het begrijpen van de parameters die het alkali-activatie-reactieproces van kleimineralen controleren, samen met de reactiviteitsverbeteringsprocessen en andere factoren die de activatie beïnvloeden. Het labowerk in deze thesis onderzoekt enerzijds het gebruik van pure referentie kleimineralen (kaoliniet, montmorilloniet, illiet) en onderzoekt anderzijds 4 verschillende natuurlijke gewone kleisoorten als precursoren voor de synthese van geopolymeren. Om de reactiviteit voorafgaand aan alkali activatie te vergroten, werden de pure en gewone kleien gecalcineerd op verschillende temperaturen en voor verschillende tijdsduren. Dit in een poging de optimale calcinatieomstandigheden die zorgen voor de reactiviteit van deze kleien te benchmarken. Dit werd geëvalueerd door het oplossen van de gecalcineerde klein in een alkaline oplossing en op basis van calorimeter resultaten. De resultaten tonen aan dat de meeste gewone kleien volledig gedehydroxyleerd werden bij temperaturen ≥ 800 °C en een calcinatietijd van ≥ 10 minuten. Er was geen groot verschil tussen het calcineren van de kleien gedurende 10 minuten of 60 minuten, wat suggereert dat een langere calcinatietijd geen significant effect heeft op de dehydroxylatie van de kleien.
Het type en concentratie alkaline activator zijn zeer cruciale factoren in het controleren van het geopolymerisatie-reactieproces en de reactieproducten. Natriumhydroxide en natrium silicaat oplossingen werden in verschillende concentraties als alkaline activator gebruikt doorheen de thesis. Hun effect op de geopolymerisatie-reactie en de sterkteontwikkeling werd ook bestudeerd. Oplossingsproeven, ultrasone P-golf snelheid analyse, isotherme calorimetrie, en druksterke, samen met andere karakteriseringstechnieken werden gebruikt in deze studie. Voldoende hoge concentraties NaOH zijn nodig om Si en Al te ontbinden van de gecalcineerde kleistructuur. Dit leidt echter niet altijd tot het produceren van geopolymeer producten. Oplosbaar silica van de natrium silicaat oplossing, aan de andere kant, bevordert de geopolymerisatie-reactie en vorming van reactieproducten, zowel als de sterkteontwikkeling van de geproduceerde geopolymeren.
Onderzoek naar het gebruik van natuurlijke gewone kleien, en het begrijpen van het effect van de mineralogische en chemische samenstelling van deze kleien op de geopolymerisatie-reactie openen nieuwe mogelijkheden voor de exploitatie van deze bronnen om een duurzaam cement te produceren. Een one-size-fits-all benadering voor het verwerken en activeren van de kleimineralen bestaat niet. In plaats daarvan moeten activeringsroutes worden afgestemd op de kleimineralogie om de bindmiddeleigenschappen te bereiken die nodig zijn voor belangrijke toepassingen.