Influence of the CaO/SiO2 on the early and long-term properties of alkali activated slag (AAS)

Abstract

Eine nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft wird immer wichtiger. Dies gilt auch für die Bauindustrie. Durch den Ersatz von gewöhnlichem Portlandzement (OPC) kann die Bauindustrie ihre CO2-Emissionen erheblich reduzieren, da die Herstellung von OPC für 5-8% der gesamten anthropogenen CO2-Emissionen verantwortlich ist. Ein vollständiger Ersatz kann durch alkalisch aktivierte Bindemittel (AAB) erreicht werden. AAB ist eine Mischung aus Alumosilikat haltigenVorprodukten, die durch alkalische Aktivatoren aktiviert werden, die notwendig sind, um den Hydratationsprozess einzuleiten. In dieser Arbeit wird OPC vollständig durch alkalisch aktivierte Schlacke (AAS) ersetzt, eine Untergruppe der AAB, bei der Schlacke (GGBS) das Hauptvorprodukt ist. AAS kann die CO2 Emissionen im Vergleich zu OPC um bis zu 20% reduzieren. Frühere Studien haben gezeigt, dass das optimale Kalzium Oxid zu Silizium Dioxid Verhältnis (CaO/SiO2) von Schlacken variiert. Deshalb wird in dieser Studie eine Schlacke (Ecocem) ausgewählt und das CaO/SiO2 durch den Einsatz von Zusatzstoffen geändert. Ecocem hat ein CaO/SiO2 von 1.13(Referenz). Kalzium Hydroxid (Ca(OH)2) wird als Zusatzstoff verwendet, um das CaO/SiO2 auf 1.50 zu erhöhen. Ludox, eine kolloidale Silizium (SiO2) Lösung, wird verwendet, um das CaO/SiO2 auf 0.80 und 0.50 zu reduzieren. Die früh- und langfristigen Eigenschaften dieser vier CaO/SiO2 werden bei einem Wasser zu Feststoff Verhältnis (engl. water to solid ratio,w/s) von 0.66 untersucht. Das ist das kleinste w/s, bei dem alle vier verschiedenen CaO/SiO2 verarbeitbar sind. Für CaO/SiO2 = 1.13 wurde die AAS-Paste auch bei einem w/s = 0.50 getestet (ÖNORM EN 196-1 [33]).Die AAS Pasten mit einem CaO/SiO2 = 1.50 bei einem w/s = 0.66 zeigen eine sofortige Verringerung der Verarbeitbarkeit im Vergleich zur CaO/SiO2 = 1,13. Dies ist auf die Zugabe von Ca(OH)2, einem feinen Pulver, das den Wasserbedarf erhöht, zurückzuführen. Ebenso zeigen AAS Pasten mit einem niedrigeren CaO/SiO2 von 0.80 und 0.50 bei einem w/s = 0.66 eine reduzierte Verarbeitbarkeit, die stärker ist, wenn mehr SiO2 vorhanden ist. Auch hier ist Ludox eine fein verteilte Lösung mit hoher spezifischer Oberfläche und hohem Wasserbedarf. Die AASPasten mit einem CaO/SiO2 = 0.80 erreichen am Tag 14 die besten mechanischen Eigenschaften.Insgesamt ist zu erkennen, dass AAS Pasten mit mehr Kalziumgehalt (CaO/SiO2 = 1.13 und1.50) ein zementähnliches Verhalten in Bezug auf Hydratation und mechanische Eigenschaftenaufweisen und von einer Lagerung unter Wasser profitieren. Die AAS Pasten mit weniger Kalziumgehalt (CaO/SiO2 = 0.50 und 0.80) haben eine starke Verzögerung im Hydratationsprozess,die stärker wird, wenn mehr SiO2 hinzugefügt wird. AAS Pasten mit CaO/SiO2 = 0.80 erreichen nach anfänglicher Verzögerung gute mechanische Eigenschaften. Alle Daten weisen einen großen Fehlerbalken auf, was auf eine empfindliche Mischung hindeutet. Die AAS Pasten mit einem CaO/SiO2 = 0.50 zeigen die schlechteste Hydratationsentwicklung und mechanische Eigenschaften.Durch diese systematische Studie wird deutlich, dass CaO/SiO2 entscheidend für die früh und langfristigen Eigenschaften von AAS ist.

A sustainable development of our society is becoming increasingly important. This also applies to the construction industry. By replacing ordinary Portland cement (OPC), a strong impact onCO2 reduction of the construction industry can be made. OPC production is indeed responsible for 5-8% of total anthropogenic CO2 emissions. A complete replacement can be accomplished with alkali activated binders (AAB). AAB is a mixture of aluminosilicate precursors activated by alkali activators which are necessary to initiate the hydration process. In this thesis, a complete replacement of OPC was made with the use of alkali activated slag (AAS), a subcategory of AAB where the main precursor is slag (GGBS). AAS can reduce CO2 emissions up to 20% compared to OPC. Some previous studies have shown that the optimum calcium oxide to silicon dioxideratio (CaO/SiO2) of slags varies. Therefore, in this study, a slag source (Ecocem) is selected and the CaO/SiO2 is varied by using additives. Ecocem has a CaO/SiO2 = 1.13 (reference).Calcium hydroxide (Ca(OH)2) is used as an additive to increase the CaO/SiO2 to 1.50. Ludoxcolloidal silica (SiO2) suspension is used to reduce the CaO/SiO2 to 0.80 and 0.50. The early and long term properties of these four CaO/SiO2 are investigated at a water to solid ratio (w/s)= 0.66. This w/s is the one at which all the AAS pastes are workable. For CaO/SiO2 = 1.13the AAS paste was also tested at a w/s = 0.50 (ÖNORM EN 196-1[33]).The AAS pastes with a CaO/SiO2 = 1.50 at a w/s = 0.66, show an immediate reduction in workability compared to the CaO/SiO2 = 1.13. This is due to the addition of Ca(OH)2, a fine powder that increases the water demand. Similarly AAS pastes with a reduced CaO/SiO2 to 0.80 and 0.50 with w/s = 0.66, show a reduced workability, stronger when more SiO2 is present.Also here, Ludox is a nano dispersed solution with a high specific surface area and high waterdemand.Overall, it can be seen that AAS pastes with more calcium content (CaO/SiO2 = 1.13 and1.50) have a more cement-like behavior in terms of hydration and mechanical properties andbenefit from storage under water. The AAS pastes with a lower calcium content (CaO/SiO2= 0.50 and 0.80) have a severe delay in the hydration process, which is stronger when moreSiO2 is added. AAS pastes with CaO/SiO2 = 0.80 achieve good mechanical properties after aninitial delay. All data are characterized by a large error bar, suggesting a sensitive formulation.The AAS pastes with a CaO/SiO2 = 0.50 have the worst hydration evolution and mechanicalproperties. With this systematic study, we demonstrate that CaO/SiO2 plays a key role in the early and long-term properties of AAS.