Durability of slag-based alkali activated binder (AAB)

Abstract

Eine Möglichkeit, den mit der Klinkerherstellung verbundenen CO2 Fußabdruck zu verringern,ist der Ersatz durch nachhaltige Alternativen. Durch den Einsatz von alkalisch aktivierten Bindemitteln (AAB) kann Klinker vollständig ersetzt werden. Diese Diplomarbeit befasst sich mit AAB, deren Vorprodukt Schlacke ist, auch alkalisch aktivierte Schlacke (AAS) genannt.Schlacke ist ein Nebenprodukt der Stahlindustrie. Alkalisch aktivierte Bindemittel gelten wegen ihrer guten Festigkeit, ihrem hohen Säurewiderstand und ihrer Feuerbeständigkeit als vielversprechende,umweltfreundliche Baustoffe. Diese Eigenschaften sind jedoch stark von den verwendeten Vorprodukten und den alkalischen Aktivatoren abhängig. Alkalisch aktivierte Bindemittel sind schon länger bekannt, jedoch noch nicht gut im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit charakterisiert,wodurch der Einsatz eingeschränkt ist. In dieser Arbeit wird die Dauerhaftigkeit von schlackebasierten, alkalisch aktivierten Bindemitteln (mit Pulvern aktiviert) mittels verschiedener mechanischer Tests untersucht. Darüber hinaus wurden vorläufige Tests zur Bestimmung der Frischeigenschaften durchgeführt.Untersucht wurden vier unterschiedliche Zusammensetzungen von AAS Mörteln. Zur Kontrolle wurden auch Vergleichsprismen aus CEM II hergestellt.Der Fokus der mechanischen Eigenschaften (d.h. Druck- und Biegezugfestigkeit) lag auf den Lagerungsbedingungen,dem Anteil an Silika und der Säurebeständigkeit. Es wurde festgestellt, dass AAS sehr empfindlich gegenüber den Lagerungsbedingungen, wie der relativen Luftfeuchtigkeit,ist und diese die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen können. Dieser Effekt kann durch die Zugabe von PCE (nach Hinzufügen von Calciumchlorid) und Mikrosilika verringert werden. Weiters wurde beobachtet, dass die sofortige Lagerung in der Säurelösung die Festigkeitsentwicklung der AAS Prüfkörper einschränkt und diese ihr Aussehen verändern. Außerdem ergaben die Versuche, dass die Festigkeit von Prismen aus AAS negativ mit dem CaO/SiO2 Verhältnis korreliert.Das Schwindmaß und der Gewichtsverlust der AAS Prismen sind stärker als von vergleichbaren CEM II Prüfkörpern. Die Oberflächenzugfestigkeit, die erstmals für diese AAS Formulierung getestet wurde, ist ähnlich wie die von Reparaturmörtel. Der Wärmewiderstand überschreitet jenen von Portlandzement.

An important way to reduce the CO2 footprint associated with clinker production is to replace it by sustainable alternatives. One promising sustainable alternative in which the clinker is totally substituted are alkali-activated binders (AAB). In particular this thesis focus on AAB which have slag as a precursor or alkali-activated slag (AAS). Slag is a by-product of the steel industry.AAS are considered a promising green building material because of their high strength, chemical resistance and durability against fire. However, these properties are strongly dependent on theprecursor and activators which are used. Alkali-activated binders, and AAS in particular, have been known for some time, but have not yet been well characterized in their long term properties,limiting their use. In this work, the durability of slag-based alkali-activated binders (activatedwith powders) is investigated for long times with multiple mechanical tests. Preliminary freshtests were also carried out to initially characterize the material.In particular, 4 different AAS mortar-formulations were investigated. In addition, reference CEMII prisms were produced.Mechanical properties (i.e., compressive and flexural strength) were tested under different storage conditions, silica content, and resistance to acid attack. It was found that AAS is really sensitive to storage conditions, i.e., humidity, the reduction of which can negatively affect these mechanical properties. However, this effect can be reduced by the addition of PCE (once calcium chloride isalso added) or microsilica. Furthermore, it was observed that the immediate storage of AASmortar prisms in the acid solution limits their strength development, changing in time their external appearance. It was also shown that the strength of AAS-prisms decreases with increasing CaO/SiO2 ratio.The shrinkage and weight loss of the AAS prisms are really affected by the humidity level inthe climate chamber more than the CEM II prisms stored in the same conditions. Pull-off tests(made for the first time on this AAS formulation) show results comparable with the ones of an repair mortar. Finally AAS mortar prisms show a very good thermal resistance in comparison with OPC ones.