Thesis Final

February 7, 2018 | Author: Tom Chandler | Category: Fly Ash, Concrete, Global Warming, Greenhouse Gas, Sodium Hydroxide
Share Embed Donate


Short Description

Download Thesis Final...

Description

   

 

Faculty of Engineering Department of Civil Engineering

THE MIX DESIGN DEVELOPMENT OF GEOPOLYMER  CONCRETE UNDER AMBIENT CURING CONDITIONS          by 

Darryl Hole  13110853 

October 2009

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

PROJECT DOCUMENTATION SHEET  

  Title:               The Mix Design Development of Geopolymer Concrete                           Under Ambient Curing Conditions 

 

Author:          Darryl Hole 

 

 

      Date:   

19th October 2009.  

  Supervisor: 

Dr. Natalie Lloyd 

  ABSTRACT:     Continued increase in the focus and restriction on global carbon dioxide emissions requires the  research  for  a  cleaner  alternative  to  the  use  of  Portland  cement.  The  manufacture  of  this  product  is  responsible  for  the  release  of  millions  of  tons  of  carbon  dioxide  worldwide  every  year.  Geopolymer  concrete  consists  of  100%  fly  ash  replacement  of  the  ordinary  Portland  cement. A binder is formed by a reaction from an alkaline liquid and the aluminium and silicon  present  in  this  fly  ash.  The  present  report  deals  with  advancing  the  mix  design  research  in  geopolymer concrete applications.     The  laboratory  work  carried  out  for  this  report  was  based  upon  developing  geopolymer  concrete  mixes  that  were  able  to  be  used  in  an  industry  based  application,  and  therefore  having appropriate ambient curing properties. The conditions that would be found on a large  scale  concrete  project  within  industry  were  replicated  to  form  a  comparison.  Such  measures  taken included no specific aggregate preparation (saturated surface dry) or steam room curing.  The aim initially was to consistently produce geopolymer concrete mixes that set quickly and  exhibited a 28 day compressive strength of at least 30 MPa.     Previously  successful  geopolymer  concrete  mix  designs  were  used  as  a  basis,  with  additives  such as silica fume and calcium hydroxide included in anticipation of developing a faster setting  concrete  mix  with  a  higher  early  strength.  Seven  concrete  mixes  were  produced  during  the  year  with  varying  mix  design  properties.  Experimental  results  were  based  on  compressive  strength  primarily,  with  mixes  being  tested  at  7,  14,  21  and  28  days  of  age  in  majority  of  situations. Tensile strengths were also tested for the first four mixes produced.  

  Indexing Terms:  Geopolymer, concrete, ambient curing conditions, mix design. 

Darryl Hole 

 



 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

ACKNOWLEDGEMENTS   I would first of like to particularly thank both my project supervisor Dr. Natalie Lloyd,  and  Professor  Arie  van  Riessen  from  the  Curtin  University  Centre  for  Materials  Research,  for  their  assistance  and  direction  throughout  the  year.  Further  to  this,  the  assistance of Dr. Dan Churach from the Centre for Sustainable Resource Processing and  Evan Jamieson of Alcoa is acknowledged.    The  majority  of  experimental  work  for  this  research  was  carried  out  in  the  Civil  Engineering  laboratories  at  Curtin  University,  Western  Australia.  For  this  I  thank  the  technical staff including Mr. John Murray, Mr. Mike Ellis, Mr. Ashley Hughes and Mr.  Mike  Appleton.  I  would  also  like  to  thank  Ms.  Monita  Olivia  for  the  support  and  guidance throughout the year. The progress of this research would have been delayed  significantly 

without 

the 

assistance 

of 

these 

individuals.  

  The  assistance  in  this  research  from  the  Chemical  Engineering  laboratory  at  Curtin  University is also acknowledged. Thank you to Ms . Karen Hayes and Ms. Ann Carroll  for their support and assistance throughout the year. Further to this, I would also like  to acknowledge the assistance provided from post‐graduate students from the Curtin  Centre of Materials Research, in particular Ms. Emily Carter, Ms. Melissa Lee and Mr.  Ross Williams.     A  final  thank  you  goes  to  all  my  friends  from  the  Curtin  University  Class  of  Civil  Engineering 2009.              

Darryl Hole 

 

ii 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

CONTENTS PAGE   PROJECT DOCUMENTATION SHEET ......................................................................................... i  ACKNOWLEDGEMENTS ........................................................................................................... ii  CONTENTS PAGE .................................................................................................................... iii  LIST OF FIGURES ...................................................................................................................... v  LIST OF TABLES ....................................................................................................................... vi  1. 

2. 

3. 

INTRODUCTION .............................................................................................................. 1  1.1 

Background ........................................................................................................ 1 

1.2 

Geopolymer Concrete ........................................................................................ 2 

1.3 

Research Aims .................................................................................................... 3 

1.4 

About this Report ............................................................................................... 4 

LITERATURE REVIEW ...................................................................................................... 5  2.1 

Ordinary Portland Cement and the Environment .............................................. 5 

2.2 

Alternatives to Portland Cement in Concrete .................................................... 7 

2.3 

Fly Ash based Concretes .................................................................................... 9 

2.4 

Geopolymer Concrete ...................................................................................... 11 

2.5 

Mix Proportioning of Geopolymer Concrete ................................................... 14 

2.6 

Curing of Geopolymer Concrete ...................................................................... 15 

2.7 

Aiding the Early Strength of Concrete ............................................................. 17 

EXPERIMENTAL PROCEDURE ........................................................................................ 20  3.1 

Introduction ..................................................................................................... 20 

3.2 

Safety ................................................................................................................ 21 

3.3 

Materials .......................................................................................................... 22 

3.3.1   Fly Ash ............................................................................................................. 22  3.3.2   Sodium Hydroxide ........................................................................................... 22  3.3.3   Sodium Silicate ................................................................................................ 23  3.3.4   Calcium Hydroxide .......................................................................................... 23  3.3.5   Silica Fume ....................................................................................................... 23  3.3.7   Alkaline Liquid ................................................................................................. 24  3.3.8   Aggregate ........................................................................................................ 24 

Darryl Hole 

 

iii 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

3.4 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Preliminary Laboratory Work ........................................................................... 26 

3.4.1   Mixing Procedure ............................................................................................ 27  3.4.2   Mixture Proportions ........................................................................................ 29  3.4.3   Curing of Geopolymer Concrete ..................................................................... 33  3.5  4. 

Testing of Concrete Specimens ........................................................................ 34 

EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION ................................................................. 35  4.1 

Introduction ..................................................................................................... 35 

4.2 

Experimental Results Overview ....................................................................... 35 

4.3 

Compressive Strength and Observations of Geopolymer Concrete Mixes ..... 40 

4.3.1   Initial Geopolymer Concrete Reference Mix ................................................... 40  4.3.2   The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing ............................................... 43  4.3.4  The Effect of Free Water Content on the Strength of Geopolymer Concrete . 48  4.3.3   The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing ................................... 53  4.4  5. 

Indirect Tensile Strength of Geopolymer Concrete ......................................... 63 

SUMMARY AND CONCLUSIONS ................................................................................... 68  5.1 

Introduction ..................................................................................................... 68 

5.2 

Production of Geopolymer Concrete ............................................................... 68 

5.2.1   Pre‐production Issues ..................................................................................... 68  5.3 

Results and Observations ................................................................................. 69 

5.3.1   The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing ............................................... 69  5.3.2  The Effect of Free Water Content on Geopolymer Concrete .......................... 69  5.3.3  The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing .................................... 70  5.3.4   Other Observations During Research ............................................................. 70  6. 

RECOMMENDATIONS ................................................................................................... 72 

REFERENCES ......................................................................................................................... 75  APPENDIX A .......................................................................................................................... 79  APPENDIX B .......................................................................................................................... 81 

 

Darryl Hole 

 

iv 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

LIST OF FIGURES   Figure 2.1: Compressive Strength of 30% Fly Ash Substituted Concrete ....................... 18  Figure 3.1: Grading Curve of Combined Aggregates ....................................................... 25  Figure 3.2: Pan Mixer Used for Production of Concrete ................................................. 29  Figure 3.3: Setting of Wet Geopolymer Concrete........................................................... 29  Figure 3.4: Ambient Curing of Geopolymer Concrete .................................................... 33  Figure 3.5: Rough Surface of Cured Geopolymer Cylinder ............................................. 34  Figure 4.1: Compressive Strength of all Carried Out Mixes ............................................ 38  Figure 4.2: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four ............................................ 39  Figure 4.3: Compressive Strength of Mix One ................................................................ 41  Figure 4.4: Efflorescence Formed on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 14 days .... 42  Figure 4.5: Efflorescence on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 28 days .................. 43  Figure 4.6: Expansion of Mix Two (right) Relative to Mix One (left). ............................. 45  Figure 4.7: Expansion of Mix Two Cylinders ................................................................... 45  Figure 4.8: Compressive Strength for Mixes One and Two ............................................ 46  Figure 4.9: Excess Water in Geopolymer Concrete ........................................................ 51  Figure 4.10: Compressive Strength of Mixes One and Four ........................................... 52  Figure 4.11: Compressive Strength of Mixes Three and Four ........................................ 55  Figure 4.12 : Rapid Setting Effects and Efflorescence on Mix Three Cylinders .............. 56  Figure 4.13: Cross Section of Small Cylinder ‐ Mix Three ............................................... 56  Figure 4.14: Mix Six at Two Hours after Pouring ............................................................ 59  Figure 4.15: Mixes Seven (Left) and Six (Right) at One Hour after Pouring .................... 60  Figure 4.16: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) ........................ 61  Figure 4.17: Efflorescence Beginning to Form after De‐moulding ‐ Mix Five ................. 63  Figure 4.18: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four .......................................... 65       

Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

LIST OF TABLES   Table 3.1: Grading of Combined Aggregates .................................................................. 26  Table 3.2: Free Water Content of Mixes One and Two .................................................. 31  Table 3.3: Mix Design Summary of Carried Out Research .............................................. 32  Table 4.1: Mix Design One .............................................................................................. 40  Table 4.2: Compressive Strength of Mix One (MPa) ....................................................... 41  Table 4.3: Mix Designs One and Two .............................................................................. 43  Table 4.4: Compressive Strength of Mix Two (MPa) ...................................................... 46  Table 4.5: Mix Design Four .............................................................................................. 48  Table 4.6: Free Water Content of Mix One ..................................................................... 49  Table 4.7: Free Water Content of Mix Four .................................................................... 50  Table 4.8: Compressive Strength of Mixes One and Four (MPa) .................................... 52  Table 4.9: Mix Design Three ............................................................................................ 53  Table 4.10: Compressive Strength of Mix Three ............................................................. 55  Table 4.11: Mix Designs Five, Six and Seven ................................................................... 58  Table 4.12: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) ......................... 62  Table 4.13: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four ........................................... 65  Table 4.14: Relationship Between Compressive and Tensile Strength .......................... 66           

Darryl Hole 

 

vi 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

1. INTRODUCTION  

1.1

Background

 

 

 

Concrete  is  the  most  widely  used  structural  material  in  the  world,  and  therefore  the  production  of  it  and  its  constituents  are  greatly  relied  upon  in  industry.  The  manufacture of ordinary Portland cement (OPC), the primary binder in a conventional  concrete  mix  however,  is  well  known  for  its  environmental  impacts.  Approximately  1.35  million  tons  of  greenhouse  gases  are  emitted  through  the  manufacture  of  OPC  each year and therefore raises the concern for a cleaner alternative to be developed  (Malhotra 2002).    Continued  increase  in  the  focus  and  restriction  on  global  carbon  dioxide  emissions  requires the research for a cleaner alternative to the use of Portland cement. Concrete  made  using  a  binder  that  does  not  present  such  environmental  issues  has  been  investigated  in  the  past  using  fly  ash  and  an  alkaline  solution.  The  method  of  substituting fly ash for portions of cement in a concrete mix has been established and  is well documented (Huntzinger and Eatmon 2009). However, the use of 100% fly ash  made concrete is limited in industrial applications, partly due to the cost of fly ash and,  in contrast, the availability and convenience of cement. Research fields though are well  interested  in  the  production  of  concretes  with  100%  fly  ash  because  of  the  sustainability of using this industrial waste product for a construction material.    This  report  investigates  the  effects  of  altering  the  mix  design  and  properties  of  geopolymer concrete. Additives such as silica fume and calcium hydroxide have been  used  in  anticipation  of  aiding  the  ambient  temperature  curing  properties  of  the  concrete. Further to this, properties of the concrete such as the effect the free water  content  has  on  the  final  strength  have  also  been  investigated.  This  research  deals  exclusively  with  the  ambient  curing  of  geopolymer  concrete.  This  is  to  simulate  site  conditions that a concrete structure may be exposed to, and therefore investigate the  feasibility of in‐situ cast geopolymer concrete. 

Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

 

1.2

Geopolymer Concrete

  The  investigation  into  the  use  of  fly  ash‐based  geopolymer  concretes  has  increased  since 2000 due to the environmentally sustainable option of using an industrial waste  to form a useful material. Research and industry groups are excited about the prospect  of a concrete made from industrial by‐products that would therefore negate the need  for waste disposal of these materials.     The development of geopolymer concrete mix design has been carried out previously  at  Curtin  University,  Western  Australia.  Hardjito  and  Rangan  (2005)  investigated  the  effects of aspects such as alkaline parameters, water content and curing conditions in  “Development  and  Properties  of  Low‐Calcium  Fly  Ash‐Based  Geopolymer  Concrete”.  Further  to  this,  the  production  and  testing  of  low  scale  beams  has  also  been  carried  out (Hardjito and Rangan, 2005). The physical properties of geopolymer concrete such  as  creep,  drying  shrinkage  and  sulfate  and  acid  resistance  were  also  researched  at  Curtin (Wallah and Rangan, 2006).    The  Centre  of  Materials  Research  at  Curtin  has  investigated  the  use  of  including  chemical additives to geopolymer pastes in order to increase the early strength under  ambient curing conditions. This paste is essentially an aggregate‐less concrete that is  made  in  much  smaller  quantities  than  the  research  for  this  current  report.  The  mix  design  properties  of  geopolymer  concrete  were  investigated  by  scaling  up  the  production  of  geopolymer  paste  in  the  form  of  quantity  and  by  adding  aggregate  to  the product.    The  concrete  produced  consisted  of  77%  by  mass  of  aggregate,  which  is  bound  by  a  geopolymer paste formed by the reaction of the silicon and aluminium within the fly  ash and the alkaline liquid made up of sodium hydroxide and sodium silicate solutions.  Specimens  produced  were  cured  only  under  ambient  conditions  within  the  Civil  Engineering laboratory at Curtin University.    Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

1.3

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Research Aims

  The present study aims to carry out a scaling up exercise of past work with geopolymer  pastes  and  mortars  that  was  undertaken  by  the  Materials  Research  Centre  at  Curtin  University, and therefore furthering the mix design knowledge of geopolymer concrete  applications.  This  exercise  focuses  on  progressing  towards  the  production  of  a  geopolymer concrete with additives included in the mix designs to develop a quicker  setting concrete mix with a higher early strength. It must be noted however, that the  mixing procedure differs greatly between the paste and concrete, as the handling time  and  the  quantity  of  material  produced  is  much  greater  in  the  production  of  geopolymer concrete.    The practical research for this report differs to many previous fly ash based concrete  reports,  as  the  fly  ash  based  concrete  is  mixed  using  zero  ordinary  Portland  cement.  Although  the  production  of  fly  ash  does  produce  large  amounts  of  carbon  dioxide  through  the  burning  of  coal,  the  use  of  it  in  concrete  is  seen  as  a  sustainable  option  that negates the need for disposal of this waste.     The aim initially was on achieving appropriate mix designs and a mixing procedure that  would consistently provide a 28 day compressive strength of at least 30 MPa.      A  conventionally  made  geopolymer  mix  utilizing  just  sodium  silicate  and  sodium  hydroxide  with  no  mix  additives  was  made  initially  to  act  as  a  reference  mix.  All  subsequent mixes produced were based primarily on this reference mix with materials  either substituted in for fly ash or just as an additive. The mix designs are judged upon  their compressive and tensile strengths accordingly.    The main aims of the laboratory research for this thesis included:  -

To familiarize with the making of fly ash based geopolymer concrete. 

-

To  develop  an  understanding  of  an  appropriate  mix  procedure  in  the  production of fly ash based geopolymer concrete. 

Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

-

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

To  develop  an  understanding  of  appropriate  mix  proportioning  in  the  production of fly ash based geopolymer concrete. 

-

To  observe  the  strength  development  of  fly  ash  based  geopolymer  concrete  under ambient curing conditions. 

 

1.4

About this Report

  This  report  is  structured  as  follows;  Chapter  2  presents  a  brief  review  of  selected  literature  related  to  the  environmental  tribulations  of  ordinary  Portland  cement,  the  alternatives to mixing concrete utilizing OPC, and the previous research conducted in  the use of fly ash‐based geopolymer concrete. The general background of geopolymer  concrete production is investigated, along with mix proportioning, mixing procedures  and curing properties.    Chapter  3  describes  the  experimental  process  in  conducting  the  research  for  this  report. Attention is paid to the materials used, mix designs, mixing procedures, curing  conditions and the method of testing the geopolymer concrete specimens produced.    Chapter  4  presents  and  discusses  the  results  of  the  research,  drawing  a  comparison  between  the  final  strength  and  strength  development  of  geopolymer  concrete  with  varying  mix  designs  cured  under  site  conditions.  Any  observations  noted  during  the  experimental  research  being  carried  out  are  also  stated,  with  explanations  and  justifications to clarify any unknowns.    The present report’s summary and conclusions are included in Chapter 5. This section  is based upon all results and observations discovered in the research throughout the  year.     Further  to  this,  a  list  of  recommendations  is  given  in  Chapter  6,  detailing  suggested  steps  in  furthering  the  research  in  the  mix  design  development  of  geopolymer  concrete. Concluding this report is a list of references and all relevant appendices. 

Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

2. LITERATURE REVIEW   Chapter 2 presents a background into the environmental impact of the manufacture of  ordinary  Portland  cement  (OPC)  and  other  suggested  alternatives  to  the  use  of  cement. Research has been undertaken into the previous use of geopolymer concrete,  and  the  mechanical  properties  resulting  from  mix  design  properties  and  different  methods of curing.    Research was also conducted into the sustainable qualities of the use of production by‐ products in the manufacture of geopolymer concrete.   

2.1

Ordinary Portland Cement and the Environment

  Disregarding  water,  concrete  is  the  most  widely  used  material  in  the  world.  Unfortunately, the manufacture of the integral constituent, ordinary Portland cement  (OPC), proves to be unsustainable with regards to it’s the environmental impact due to  the  emissions  of  carbon  dioxide  (CO2)  and  large  requirement  of  energy  in  the  production procedure. However, due to the high demand for structural materials, the  requirement for cement and concrete will be substantial until an equally effective and  economic  alternative  is  available,  and  therefore  deeming  it  necessary  to  either  overlook  the  environmental  impact  of  standard  concrete  production,  which  is  highly  unlikely, or develop alternatives that will decrease these effects.    Concrete  International  recognizes  the  situation  at  hand,  and  the  article  titled  “Sustainable  Development  and  Concrete  Technology”  quotes  the  current  issues.  ‘The  contribution  of  ordinary  Portland  cement  production  worldwide  to  greenhouse  gas   emissions is estimated to be approximately 1.35 billion tons annually or approximately  7% of the total greenhouse gas emissions to the earth’s atmosphere (Malhotra 2002)’.     The reason large amounts of CO2  are released during the manufacturing of cement is  due  in  part  to  the  immense  heat  that  is  required.  The  kiln  used  is  heated  to 

Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

temperatures  of  up  to  1400°C,  and  therefore  energy  requirements  to  yield  this  temperature account for approximately half of the released CO2  in the production of  cement,  the  second  half  is  released  during  the  calcination  process  in  which  calcium  carbonate is reduced to calcium oxide (Hendriks et al. 2003).    

 

 

 

 

The production of cement alone accounts for approximately 5% of the worlds carbon  dioxide  emissions.  According  to  the  International  Energy  Agency,  approximately  0.81  kilograms  of  CO2  is  generated  per  kilogram  of  cement  produced  annually  throughout  the  world.  The  production  of  cement  also  produces  millions  of  tons  of  Cement  Kiln  Dust (CKD) which is harmful to the respiratory system (Hendriks et al. 2003).    Due  to  the  increasingly  popular  requirements  for  sustainable  development  within  industry,  research  into  methods  of  reducing  greenhouse  gas  (GHG)  emissions  while  maintaining the structural convenience of concrete has been carried out.     The US Concrete Industry has addressed the current GHG emissions incorporated with  the production of concrete in “Vision 2030: A Vision for the US Concrete Industry.” In  this, focus is put on making concrete an environmentally friendly construction material  whilst  maintaining  its  status  as  the  mostly  widely  used  material  in  industry  (Mehta  2001).  In  recent  times,  researchers  have  attempted  to  produce  concrete  as  an  environmentally  friendly  product  by  replacing  amounts  of  ordinary  Portland  cement  from the mix with industrial by‐products such as fly ash and blast furnace slag.     Global  warming  continues  to  be  a  current  concern  within  the  public  awareness,  and  what effects it will have on the human population in day to day life in the future. The  continuing  release  of  GHG  through  the  burning  of  fossil  fuels  and  land  use  change  further increases the risk on earth of a rise in average surface temperatures and the  flow on effects that it will have on sea levels.     Huntzinger  and  Eatmon  (2009)  uses  life‐cycle  analysis  (LCA)  to  evaluate  the  environmental impacts and therefore the ‘global warming factor’ of the manufacture  of  Portland  cement  and  three  other  technologies.  The  three  alternatives  discussed  Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

include,  “blended  cement  (natural  pozzolans),  cement  where  100%  of  the  CKD  is  recycled  into  the  kiln  process,  and  Portland  cement  produced  where  CKD  is  used  to  sequester a portion of the process related to CO2 emissions.”   It was discovered that the most environmentally solution of the three was the blended  cement.  Substituting  natural  pozzolans  for  OPC  will  effectively  reduce  the  ‘global  warming factor’ of the product proportional to the amount replaced. In reality though,  it will be seen that in industry, because of the consistent high demand of cement, most  kilns  are  operating  at  above  their  effective capacity.  This  therefore  means  that  using  ‘blended  cement’  in  industrial  applications  would  not  be  likely  to  reduce  the  net  emissions of carbon dioxide (Huntzinger and Eatmon 2009).     As can be gathered through this review, most of the previous research available looks  at  the  current  situation  of  cement  production  and  the  damage  it  is  causing  to  the  atmosphere.  The  next  logical  step  into  this  investigation  is  to  either  prevent  this  damage or offer alternatives to concrete using ordinary Portland cement.     It is in the opinion of many, that the use of ordinary Portland cement in concrete is not  going  to  slow  down,  despite  the  ongoing  research  into  alternative  binders.  It  would  therefore  be  a  sustainable  decision  to  investigate  further  into  the  mix  design  of  concrete whilst minimizing the volumes of OPC being used. It would be seen that if the  use  of  OPC  is  going  to  remain  strong  over  the  coming  decade,  keeping  its  use  to  a  minimum  whilst  retaining  both  durable  and  workable  concrete  would  provide  great  benefit to the GHG emissions.    

2.2

Alternatives to Portland Cement in Concrete

  As the growth in the world of infrastructure continues, the demand for concrete that is  usable  in  an  industrial  application  will  be  high  for  the  foreseeable  future.  Concrete  using  binders  other  than  ordinary  Portland  cement  that  leave  a  smaller  carbon  footprint, are therefore heavily investigated within the cement and concrete industry.  The use of these concretes within an industrial application is limited however, and it 

Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

would  be  fair  to  say  that  concrete  made  without  cement  has  not  made  a  significant  impact into the construction industry yet.      The  research  into  environmentally  sustainable  concretes  is  however  not  limited  to  replacing the OPC. Suggestions have been put forward into forming ‘blended cement’  where  products  such  as  pozzolans  are  added  to  OPC  in  order  to  reduce  the  environmental  effect  of  the  concrete.  Concrete  that  has  had  OPC  replacement  commonly  consists  of  industrial  by‐products  such  as  coal  fly  ash  or  ground  blast  furnace slag (GBFS).      It has been suggested (Damtoft et al. 2008) that the cement and concrete industry is  working  positively  in  the  hope  of  achieving  sustainable  solutions  in  environmentally  friendly concrete. He suggests that using hydraulic binders, those which are based on  Portland  cement,  have  an  incredible  impact  on  the  environment  and  sustainable  development  due  to  being  easily  the  most  widely  used  construction  material  worldwide.  Damtoft et al. also discussed in which ways the industry is acting in order to provide  sustainable  development  within  the  field  of  reducing  the  environmental  impact  of  concrete production.   The techniques discussed are as listed below:  -

The  addition  of  extra  materials  to  the  list  of  approved  supplementary  cementious materials (SCM’s) within current standards. 

-

Allowing  more  complex  composite  cements  within  current  cement  standards.  Greater attention to be paid to blending properties. 

-

Development  of  methodology  for  the  design  of  optimal  performance  for  the  use of blended cements. 

Damtoft  et  al.  (2008)  clearly  supports  the  use  and  further  development  of  blended  cements  in  industry,  which  directly  reduces  the  CO2  emissions  to  the  environment  through replacing volumes of OPC.     The current amount of research into the use of fly ash as a hydraulic binder is far from  limited. The use of coal fly ash in concrete has been investigated for years with very  Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

positive  results  for  its  use  in  industry.  Unfortunately,  apart  from  this  research  and  a  small  amount  of  testing  using  blast  furnace  slag,  there  is  little  information  regarding  the  use  of  other  industrial  wastes  to  substitute  of  ordinary  Portland  cement  in  concretes.  The development of a concrete mixture using a new OPC substitute would  greatly  progress  the  process  of  producing  an  environmentally  friendly  concrete.  This  coincides  with  Damtoft’s  discussion  in  which  additional  materials  should  be  investigated  into  their  effectiveness  of  working  as  a  supplementary  cementious  material.    

2.3

Fly Ash based Concretes

  The production of concrete that incorporates the complete replacement of OPC with  industrial by‐products such as coal fly ash has been developed, yet it is far from fully  established. The use of waste products promises to be a sustainable option in any case,  as it negates the need for disposal of these materials, which can become both costly  and of an environmental concern.      Fly ash is a residue that is formed during the combustion of coal. In the past fly ash was  released  to  the  atmosphere  during  production,  but  in  recent  times  as  research  presents that this previously useless by‐product can be used for other applications, the  capture  of  it  has  been  instigated.  Fly  ash’s  main  constituents  are  amounts  of  silicon  dioxide (SiO2), aluminium oxide (Al2O3) and iron oxide (Fe2O3). Fly ash that is destined  for  experimental  use  can  be  examined  in  more  depth  in  order  to  determine  its  chemical  composition.  X‐ray  Fluorescence  (XRF)  analysis  is  used  to  determine  the  proportions of materials present within the fly ash.     The  use  of  fly  ash  for  concrete  production  is  a  popular  option  in  theory,  as  it  is  available abundantly worldwide. The use of 100% fly ash based concrete however, is  limited  to  date  in  structural  uses.  The  Ash  Development  Association  of  Australia  (ADAA) states that in 2007, Australia alone produced 14.5 million tons of fly ash, and  that  only  1.50  million  tons  (11%)  was  used  in  high  valued  applications  such  as  cementious or concrete products (Coal Ash Matters 2009).   Darryl Hole 

 



Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Though  the  practical  use  of  100%  fly  ash  based  in  concrete  is  limited  in  structural  applications,  frequent  laboratory  work  has  been  conducted  into  the  investigation  of  mechanical  properties  of  fly  ash  based  concrete.  A  recent  study  at  Montana  State  University,  USA,  discussed  the  method  of  preparation  of  fly  ash  based  concrete.    It  should  be  noted  that  in  their  experiments,  class  F  fly  ash  is  utilized,  in  which  the  chemical  reaction  occurring  is  the  hydration  of  water  with  the  calcium  in  the  fly  ash  (Cross, Stephens and Vollmer 2005).    The major hurdle into the use of fly ash based concrete that was noted was the rapid  rate of chemical reaction that occurs once water is added to the mix. It was discovered  that the use of a retarder in these trials were essential, and that in the case that there  was no retardation, hydration would occur immediately and that the concrete would  ‘flash set’ in a matter of minutes. It was recommended to the researchers to attempt  the use of borax to delay any setting of the mix, as has been discovered effective with  OPC concretes. It then became an aim of the trials to gain an understanding of under  which conditions the borax needs to be present to extend the placement time before  setting (Cross, Stephens and Vollmer 2005).     It was discovered that the effectiveness of borax was not determined equivalently to  that in OPC based concretes. Rather than a simple relationship connecting the amount  of  borax  required  to  the  amount  of  cement  used,  it  was  determined  that  the  effectiveness of the admixture was dependant on its physical properties and the rate  at which it is added to the mix. When the relationships used for OPC based concretes  were  attempted  to  correspond  to  fly  ash  based  concrete,  it  was  found  that  the  predicted setting times were largely inaccurate (Cross, Stephens and Vollmer 2005).     The  development  of  fly  ash  based  concrete  has  a  promising  future.  Laboratory  research carried out worldwide are consistently yielding compressive strengths equal  to  or  greater  than  equivalent  mix  designs  utilizing  Portland  cement.  In  the  above  mentioned  report,  Cross  and  Stephens  also  discovered  that  fly  ash  based  concrete 

Darryl Hole 

 

10 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

gained strength at a rate equal to or faster than OPC concretes of similar mixes (Cross,  Stephens and Vollmer 2005).   One  a  physical  level,  it  is  thought  that  the  rounded  shape  of  the  fly  ash  particles  maintain  the  workability  of  the  concrete  prior  to  setting.  Fly  ash  particles  are  also  smaller in size than that of OPC and therefore produce and more compacted a denser  concrete set.     It  should  be  recognised  that  the  next  step  in  the  development  of  fly  ash  based  concrete  would  be  research  into  its  durability  as  a  structural  material.  To  date,  concretes  with  100%  fly  ash  have  been  limited  to  use  on  low  strength  applications.  Before  this  material  is  to  be  introduced  as  a  structurally  safe  and  durable  material  though, development of mixes, prediction and control of strength, workability and set  times  must  be  obtained.  The  use  of  100%  fly  ash  concrete  in  these  environments  would  require  the  knowledge  that  it  develops  soundly  under  site  conditions,  such  as  curing under ambient temperatures.    

2.4

Geopolymer Concrete

  Davidovits first proposed that concrete could be made with a hydraulic binder, where  in  which  the  silicon  and  aluminium  from  the  inclusive  fly  ash  would  react  with  an  alkaline  liquid.  The  reaction  that  occurs,  polymerization,  is  significantly  faster  due  to  the alkaline conditions. The resultant three dimensional structures consisting of Si‐O‐ Al‐O bonds is a polymeric chain (Davidovits 1999).     The most conventional method of producing geopolymer concrete is the incorporation  of  a  reaction  between  the  fly  ash  and  an  alkaline  solution  formed  from  a  metal  hydroxide  and  silicate  that  forms  an  alkaline  liquid.  It  is  not  uncommon  for  the  constituents of the geopolymer alkaline solution to be sodium hydroxide (NaOH) and  sodium  silicate  (Na2SiO3).  It  is  common  practice  in  the  mix  design  of  geopolymer  concrete, that aggregates occupy anywhere from 70 – 80% in volume by mass.   

Darryl Hole 

 

11 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Johnson  (2008)  states  that,  “Geopolymer  consists  of  silicon  and  aluminium  atoms  bonded via oxygen into a polymer network. Geopolymers are prepared by dissolution  and  poly‐condensation  reactions  between  alumino‐silicate  binder  and  an  alkaline  silicate solution such as a mixture of an alkali metal silicate and metal hydroxide.”  Again,  in  the  research carried  out  by  Johnson  it  was  noted how  quickly  the chemical  reactions  take  place  with  the  addition  of  the  alkaline  solution  to  the  fly  ash  in  the  mixing  process,  therefore  limiting  the  able  handling  time  before  setting  begins  to  occur.  Therefore,  an  aim  of  the  research  became  that  of  determining  a  mixing  procedure that would enable sufficient handling time whilst maintaining a concrete of  workable  consistency  and  could  be  used  in  industrial  applications.  It  was  discovered  that  if  a  preliminary  mixture  of  the  total  aggregate  volume  and  the  metal  hydroxide  solution were formed first, and then the fly ash added, no reaction would take place  until the metal silicate solution was added to the mix. This process of mixing generally  was  found  to  extend  handling  time  up  to  45  minutes  consistently,  and  therefore  provide a more suitable application for use on site (Johnson 2007).     Hardjito  and  Rangan  (2005)  concluded  that  it  was  favourable  to  mix  the  sodium  hydroxide  and  sodium  silicate  solution  at  least  one  day  prior  to  adding  it  to  the  dry  materials. This was carried out under recommendation from Davidovits, who observed  that  when  this  was  carried  out,  bleeding  and  segregation  of  the  concrete  no  longer  occurred. This combination was then added to the dry mixture.    This is in contrast to advice given to the author of this report by Curtin post graduate  student  M.  Olivia  (personal  communication,  25  May,  2009).  She  advised  that  the  mixing  of  sodium  hydroxide  and  sodium  silicate  solution  should  occur  on  the  day  of  mixing  the  concrete,  otherwise  the  solution  may  solidify  and  the  production  of  concrete will be extremely difficult. She stressed that research has shown experiences  of  the  alkaline  solution  crystallizing  before  it  is  to  be  added  to  the  dry  materials,  therefore deeming the pour to be a failure. Situations had also occurred in which the  concrete mix had hardened to a point that it is unable to be poured whilst still in the  mixer.    Darryl Hole 

 

12 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Sofi et al. (2007) had similar findings to Johnson (2007) in the research paper entitled  “Engineering  Properties  of  Inorganic  Polymer  Concretes  (IPCs).”  In  it,  he  praised  the  use  of  concrete  utilizing  materials  other  than  OPC  in  terms  of  their  mechanical  properties. He suggests that inorganic polymer concretes comprising of materials such  as  fly  ash,  can  exhibit  superior  mechanical  properties  to  ordinary  Portland  cement  concretes. This is heavily dependent though on the chemical composition of the fly ash  used.   The  hurdle  though,  still  stands  at  managing  the  quick  setting  nature  of  geopolymer  concrete, and maintaining the concrete’s ultimate characteristics such as strength and  durability is a prime concern when introducing mixture additions in order to retard the  rapid  setting.  The  fast  setting  characteristic  of  IPC,  Sofi  writes,  can  be  taken  as  an  advantage  or  disadvantage.  Though  the  setting  of  IPC’s  can  occur  rapidly,  and  the  polymerization reaction occurs straight away, it continues over a length of time which  extends beyond seven days. This contributes to the strength gaining characteristic of  geopolymer which has a distinct behaviour in comparison to OPC based concretes. It  was  found  within  the  IPC  mixes  that  between  7  and  28  days,  a  development  of  compressive strength occurred of up to 15 MPa (Sofi et al. 2007).     The  use  of  Geopolymer,  to  date  has  only  been  limited  to  low  strength  applications.  This  seems  to  remain  the  case,  when  in  fact  a  lot  of  researchers  praise  the  characteristics  of  the  product.  Johnson  (2007)  writes  in  the  aforementioned  report  that the heat, fire and acid resistance of geopolymer concrete will be greater than that  of  Portland  cement  based  concrete.  Johnson  used  the  geopolymer’s  fast  setting  characteristic  as  an  advantage,  as  he  proposed  that  it  be  used  in  the  production  of  concrete pipes and poles. Such manufacturing requires the use of concrete with zero  slump,  and  processes  that  involve  centrifugal  stages,  roller  suspension  and  vertical  casting.  It  was  discovered  that  by  manipulating  the  mix  design,  and  therefore  producing  ‘no  slump’  concrete,  it  was  possible  to  utilize  geopolymer  concrete  in  preparing pipes and other consolidated moulded products.     Another issue that Johnson addressed in the use of geopolymer concrete was the well  known  rapid  strength  gain.  He  stresses  that  the  time  between  placement  and  then  Darryl Hole 

 

13 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

setting,  and  therefore  losing  any  plasticity,  must  be  long  enough  to  incorporate  any  required transport of the product. This becomes important because if the concrete is  at  its  hardened  state  during  transport,  cracking  is  likely  to  occur  and  therefore  a  reduction  in  the  final  strength  will  be  experienced.  To  overcome  the  associated  problems  of  rapid  strength  gain  will  require  control  of  the  setting  times  of  the  concrete, or reverting back to casting products on  site or in‐situ, therefore making it  unlikely  to  have  the  availability  of  steam  rooms  or  kilns  available  for  the  particular  application.   

2.5

Mix Proportioning of Geopolymer Concrete

  The  aim  of  the  research  conducted  for  this  report  was  to  further  the  mix  design  of  geopolymer  concrete  by  improving  its  ambient  curing  properties.  Therefore,  the  mix  proportioning  carried  out  for  this  research  was  in  the  form  of  using  additives  to  the  geopolymer  concrete  mix,  rather  than  re‐establishing  standard  mixes  again.  This  meant  that  initial  mix  designs  were  based  largely  upon  previously  successful  geopolymer concrete mixes that had already yielded substantial results.     It was found by Hardjito and Rangan (2005) that consistent results were gained upon  keeping the alkaline solution at a sodium silicate‐to‐sodium hydroxide ratio of 2.5. This  ratio was favoured over a lesser one because of the reliable results that it yielded, and  because  the  sodium  silicate  solution  is  considerably  cheaper  than  the  sodium  hydroxide pellets. A general proportion of alkaline solution‐to‐fly ash was settled upon  at  approximately  0.35.  Upon  investigation  of  the  affects  of  the  concentration  of  the  sodium hydroxide solution, it was found that in mix designs of exact proportions, the  mix with the higher concentration in molarity of the sodium hydroxide solution would  yield a higher compressive strength. This was examined through the use of varying the  molarity  of  the  solution  between  8  molars  and  14  molars  in  mix  designs  of  exact  proportions.     Liu reports how geopolymer concrete can be produced by using other industrial wastes  such  as  bauxite  residues.  It  is  noted  how  past  research  into  the  re‐use  of  these  Darryl Hole 

 

14 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

products  such  as  bayer  liquor  has  been  used  to  produce  materials  such  as  ceramics,  cements,  clay  bricks  and  glazes.  In  the  production  of  unsintered  construction  and  building  products,  Liu  suggested  that  the  optimal  proportions  of  raw  materials  show  following:   Bauxite Residue 

: 25 – 40% 

Fly Ash  

 

: 18 – 28% 

Sand   

 

: 30 ‐35% 

Lime   

 

: 8 – 10% 

Gypsum 

 

: 1 – 3% 

Portland Cement 

: 1% 

This composition has been used to produce building materials that has reached the 1st  grade of Chinese standards for a brick (Liu et al. 2009).    

2.6

Curing of Geopolymer Concrete

  The  present  report  deals  with  the  ambient  curing  of  geopolymer  concrete,  yet  changing the method of curing has previously researched in geopolymer concrete. The  ability  of  concrete  to  cure  at  ambient  temperatures  becomes  useful  in  industrial  applications  when  concrete  is  cast  in‐situ  or  on  site,  as  the  availability  of  a  kiln,  especially on larger scale projects, is unlikely.    The  conditions  under  which  geopolymer  concrete  is  cured  directly  relates  to  the  durability  and  strength  of  the  mix,  as  displayed  by  Hardjito  et  al.  (2004).  His  results  found that the curing of concrete at higher temperatures, up to 60°C, yielded a higher  compressive  strength  than  at  a  lower  temperature,  yet  any  increase  in  curing  temperature  over  this  threshold  made  no  substantial  difference  to  its  strength.  A  proportional  relationship  was  discovered  between  the  length  of  curing  time  and  compressive strength. The rate of setting of geopolymer concrete is well documented,  yet it is likely that these cases were resultant upon short curing times. Hardjito et al.  discovered  the  fast  rate  of  polymerization  only  stalled  the  strength  gain  when  the  concrete was cured for short times, such as 24 hours. This contrasts with the strength  development  behaviour  of  OPC  based  concretes,  which  undergo  a  hydration  process  Darryl Hole 

 

15 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

over  a  length  of  time  when  being  steam  cured,  therefore  increasing  in  strength  with  age. This strength development over time can be achieved with geopolymer concrete  when  curing  time  is  extended.  It  was  discovered  that  as  the  curing  time  increases  in  the range of 6 hours to 96 hours (4 days), the polymerization process is improved and  therefore  yields  a  higher  compressive  strength.  It  is  noted  though,  that  the  strength  increase after 48 hours of steam curing is not significant.     It  is  recommended  that  during  curing  of  geopolymer  concretes  at  elevated  temperatures, samples should be wrapped and then sealed, this should be present for  the  duration  that  the  samples  are  being  cured  at  temperatures  up  to  100°C.  This  precaution  has  been  suggested  in  order  to  prevent  excessive  evaporation  of  the  samples  during  curing.  This  would  cause  a  less  dense  concrete  with  a  weaker  compressive  strength.  It  was  also  discovered  that  in  wrapping  the  geopolymer  concrete specimens, the mix did not harden immediately under ambient conditions. At  room temperatures of below 30°C, hardening of the concrete did not occur for at least  24 hours (Hardjito and Rangan 2005).     Whilst  interesting  to  know  that  it  is  possible  to  achieve  a  time‐dependant,  strength‐ development  behaviour  with  geopolymer  concrete,  in  industry,  it  would  not  be  very  applicable. Rarely would you see concrete cast and then kept under controlled curing  conditions  for  any  more  than  24  hours,  and  if  it  was  cast  in  situ,  all  curing  would  be  under  ambient  conditions.  In  a  rare  situation  where  formwork  turnover  is  not  as  critical in a precast concrete environment, it would be possible to achieve an extended  curing time under controlled conditions.    Wallah  and  Rangan  (2006)  reported  how  the  strength  development  of  geopolymer  concrete  varied  with  the  conditions  under  which  they  were  cured.  Three  batches  of  the  same  mix  were  produced  at  varying  times  in  the  year;  May,  July  and  September  2005,  and  cured  under ambient  conditions  within  the  laboratory.  The  cylinders  were  released  from  their  moulds  one  day  after  casting.  It  was  discovered  that  specimens  cured  under  ambient  conditions  exhibited  significantly  lower  7  day  compressive  strengths than those cured under elevated temperatures for the first 24 hours.  Darryl Hole 

 

16 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  It was reported that under ambient curing conditions of geopolymer concrete, the 7th  day  compressive  strength  and  subsequent  strength  gain  with  respect  to  age  lies  dependent  upon  the  average  ambient  temperature  at  the  time  of  curing.  As  the  ambient  temperature  at  casting  increased,  as  did  the  7th  day  and  subsequent  compressive  strength’s  tested  at  later  dates.  The  compressive  strength  of  the  geopolymer concrete during July exhibited a 28 day strength of 31 MPa in comparison  to  47  MPa  for  the  mix  poured  in  May.  The  average  temperature  experienced  within  July 2005 ranged from 8°C to 18°C, and 18°C to 25°C in May (Wallah and Rangan 2006).    

2.7

Aiding the Early Strength of Concrete

  The  reaction  between  elements  in  fly  ash  based  concretes  is  a  slow  process,  and  therefore  only  contributes  to  the  strength  development  at  later  dates  of  age.  This  causes  a  problem  in  the  utilization  of  fly  ash  concrete  in  ambient  cured  precast  concrete applications, due to the low early strength and formwork turnover routines.  Previous  research  in  OPC  based  concretes  has  indicated  that  the  inclusion  of  silica  fume  and  hydrated  lime  (calcium  hydroxide)  yields  positive  results  in  increasing  the  early strength of concrete, as well as having the concrete mix set quicker.    Barbhuiya  et  al  (2009)  investigated  the  use  of  including  silica  fume  and  calcium  hydroxide  to  concretes  with  a  fly  ash  substitution  of  30%  of  the  ordinary  Portland  cement based content. Silica fume was added to the mix at 5% by mass of the cement  content as a final addition when mixing the concrete. Hydrated lime on the other hand  was substituted at a rate of 5% by mass of the total cementious materials. In order to  investigate the early strength development of this concrete specimens were tested at  3,  7  and  28  days  after  casting.  Specimens  were  cured  in  curing  rooms  at  constant  temperatures. The first 24 hours were spent at 20°C and then transferred to a moist  curing room at 23°C and kept in water until testing.    

Darryl Hole 

 

17 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Workability  is  seen  to  decrease  upon  the  addition  of  hydrated  lime,  however  to  improve this, a super plasticiser was added. The addition of silica fume to the mix had  no effect on the workability of a concrete mix.    It was discovered that the addition of both silica fume and calcium hydroxide increased  the early compressive strength of the concrete mixes. Testing at 3 days of age showed  that the strength of both silica fume and hydrated lime mixes were equally higher, (30  MPa) than the standard concrete mix at 24 MPa. The major differences in compressive  strengths were apparent at 28 days with a constant progression from the standard mix  (49  MPa),  fly  ash  inclusive  of  hydrated  lime  (53  MPa)  and  then  the  concrete  mix  incorporating silica fume with a 58 MPa 28 day compressive strength (Figure 2.1).    

Figure 2.1: Compressive Strength of 30% Fly Ash Substituted Concrete 

  The  use  of  calcium  based  additives  into  geopolymer  pastes  was  researched  by  Temuujin, van Riessen and Williams (2009). Both calcium hydroxide and calcium oxide  were substituted into geopolymer pastes for fly ash in order to accelerate the ambient  curing (on average at 20°C) of the paste, and increase the compressive strength under  these curing conditions. To form a proper comparison between the effects from curing  conditions, specimens were oven cured being subjected to heats of 70°C.    

Darryl Hole 

 

18 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

It  was  found  that  the  addition  of  calcium  compounds  improved  the  mechanical  properties  of  geopolymer  pastes  cured  at  ambient  temperatures,  yet  reduced  the  strength of those cured under elevated temperatures.    The  results  also  showed  that  the  addition  of  calcium  hydroxide  (Ca(OH)2)  aided  the  ambient curing strength more so than calcium oxide (CaO). It is suggested that this is  apparent  because  the  calcium  hydroxide  is  a  reactive  constituent  of  the  geopolymer  mixes. The use of calcium hydroxide would appear to present incomplete hydration of  the  product  as  it  reacts  with  the  alkaline  solution  in  the  formation  of  calcium  hydroxide. Specimens with CaO added presented compressive strengths approximately  20% lower than those with calcium hydroxide.    It is suggested that the lower compressive strength in the pastes that is cured under  elevated  temperatures  is  due  to  the  water  evaporation  within  the  mix,  exhibited  by  lower density and higher porosity. At elevated temperatures, it is also suggested that  the presence of calcium doesn’t allow the formation of three dimensional geopolymer  network  due  to  the  fast  dissolution  of  the  paste.  This  therefore  results  in  reduced  mechanical  properties  of  the  final  product.  Under  ambient  conditions,  it  was  found  that  by  increasing  the  percentage  of  added  calcium  compound,  the  compressive  strength  increased  with  it.  With  a  3%  addition  of  calcium hydroxide  the  compressive  strength of 29 MPa compared to a geopolymer paste with no calcium additive which  exhibited a strength of 12 MPa. In comparison, geopolymer with a calcium hydroxide  inclusion  of  1%  and  2%  showed  strength  of  24  MPa  and  28  MPa  respectively  (Temuujin, van Riessen and Williams 2009). 

Darryl Hole 

 

19 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

3. EXPERIMENTAL PROCEDURE  

3.1

Introduction

  Chapter  3  presents  the  details  of  the  research  that  was  carried  out  in  order  to  investigate the inclusion of additives in the development of geopolymer concrete mix  design.    Due to the limited research conducted using fly ash‐based geopolymer concrete with  zero  OPC,  a  large  part  of  the  experimental  work  for  this  report  focused  on  the  mix  proportioning and procedure for developing this concrete. The project’s aim included  mix design development that would constantly yield concrete mixes with a consistent  compressive strength of at least 30 MPa.     Due to the lack of previous mix design information using geopolymer concrete, initial  mix  design  and  procedures  closely  followed  regular  conditions  for  the  production  of  geopolymer concrete using sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) to  form the alkaline solution. A trial and error process was then used for fine tuning the  strength of the mixes, including materials such as silica fume and calcium hydroxide in  anticipation of developing a concrete mix that would cure faster and develop a higher  compressive strength.    Experimental  results  were  based  upon  compressive  and  tensile  strengths,  this  is  not  unusual because compressive strength has a fundamental importance in the design of  concrete  structures.  Tests  for  these  parameters  were  for  the  majority  of  the  mixes  conducted at 7, 14, 21 and 28 days after casting. This was conducted to observe the  short  term  strength  development  in  concrete  with  the  primary  binder  not  being  cement.     The  current  methods  of  producing  and  testing  of  ordinary  Portland  cement  concrete  were  followed  as  closely  as  possible  in  the  production  of  this  geopolymer  concrete. 

Darryl Hole 

 

20 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

This was a  key point in the research, as it was  important that a relevant comparison  between  the  two  products  was  formed  and  therefore  investigating  whether  geopolymer concrete would be suitable to be produced on site. This included a general  aggregate  quantity  of  77%  by  mass  within  the  mix.  The  aggregate  used  within  the  different  mixes  originate  from  the  same  source  throughout  the  year,  in  order  to  minimize the effect of varying aggregate properties.   

 

3.2

Safety  

Prior to any research beginning, an aim for this report was to develop a geopolymer  concrete mix utilizing bayer liquor. This product is an industrial waste that is formed in  the stage of removing bauxite in the refining of alumina. It has previously been used in  the production of geopolymer pastes by the Centre of Materials Research department  at  Curtin  University.  The  aim  was  to  carry  out  a  scaling  up  exercise  of  this  paste  by  adding aggregates to the mix and increasing the quantity produced.    In order to gain access to the bayer liquor, numerous precautions needed to be carried  out,  due  to  the  caustic  nature  of  the  product.  The  most  important  of  these  was  the  Edusafe risk analysis and compliance. This took into account what measures needed to  be put in place so that safe handling procedures of this material could be carried out. A  major influence that this programme had on the preparation was the requirement for  a  safety  shower  to  be  installed  in  the  laboratory.  Strict  methods  of  storage  and  disposal also had to be planned that comply with the appropriate measures as outlined  on the product’s Material Safety Data Sheet.     Due  to  the  unsafe  nature  of  the  product  and  the  relatively  tight  schedule  to  put  all  safety measures in place, the bayer liquor was not able to be brought to Curtin for use  in concrete. These measures were also carried out for production of the conventional  geopolymer  concrete,  however  the  procedure  for  the  bayer  was  quite  a  bit  more  stringent due to it never having been used in concrete at Curtin University.    

Darryl Hole 

 

21 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

3.3

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Materials

  3.3.1

Fly Ash

  The carried out experimental work utilized low calcium Class F fly ash obtained from  Collie  Power  Station  located  south  of  Perth,  Western  Australia.  Throughout  the  research, the fly ash used was from the same delivered batch. The fly ash was obtained  in bulk bags and measured from here into the respective amounts required.    3.3.2

Sodium Hydroxide

  A  sodium  hydroxide  solution  was  utilized  in  all  mixes  as  a  constituent  in  the  alkaline  reactor. The product was obtained from a local supplier in the form of pellets with a  purity of 98%. The solution was prepared by dissolving the pellets into distilled water  at  specified  concentration  in  molars,  M,  for  the  concrete.  In  the  laboratory  research  carried out, the solution was prepared with a concentration of approximately 10 M by  dissolving the sodium hydroxide solids into distilled water.     To  produce  1  kg  of  sodium  hydroxide  solution,  416.8  grams  of  pellets  was  dissolved  into  583.2  grams  of  distilled  water.  The  solid  was  added  to  the  water  gradually  and  stirred  for  approximately  20  minutes  until  all  solid  had  dissolved.  It  was  noticed  that  upon  addition  of  the  solid  to  water,  the  solution  became  hot  as  the  exothermic  reaction of dissolution carried out.      Upon  preparation  of  the  first  mix  produced,  the  sodium  hydroxide  solution  was  prepared  4  days  prior  to  its  addition  to  sodium  silicate,  and  then  production  of  concrete.  It  was  discovered  that  after  4  days  of  standing,  some  sodium  hydroxide  solids  had  appeared  in  the  solution  after  being  dissolved  completely  when  initially  combined,  this  required  stirring  of  approximately  half  an  hour  to  reduce  the  solid  content. Subsequent sodium hydroxide solutions made throughout the year were not  prepared  to  a  schedule  prior  to  mixing  the  concrete.  Generally  though,  dilution  of 

Darryl Hole 

 

22 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

sodium hydroxide occurred a few days before concrete production in order to limit the  time spent preparing the chemicals on the concrete mixing day.    3.3.3

Sodium Silicate  

The  sodium  silicate  was  obtained  in  30.5  kilogram  pallets  from  a  local  chemical  supplier, PQ Australia. The grade of material used is known as PQ‐D with a SiO2/Na2O  ratio of 2.0. The pH of this liquid was 11.9 and was in the form of a heavy syrup.  The weight analysis of this material was as given by the supplier:   

 

Na2O  : 14.7% 

 

 

SiO2 

 

 

Water  : 55.9% 

: 29.4% 

No  dilution  was  required,  after  being  weighed  out  it  was  used  in  the  concrete  as  delivered.    3.3.4

Calcium Hydroxide

  The calcium hydroxide used in Mix Three is known as HYLIME by Cockburn Cement. It  was  an  industrial  grade  powder  obtainable  from  the  local  hardware  store,  typically  used  in  masonry  mortars  or  plastering  applications.  This  product  was  used  in  anticipation of developing a faster curing concrete with a higher early strength.    XRF  analysis  carried  out  on  the  product  shows  the  majority  of  the  composition  of  HYLIME  to  consist  of  84%  by  mass  of  calcium  oxide,  7.2%  silicon  dioxide  and  5.3%  magnesium oxide.    3.3.5

Silica Fume

  Silica fume was used in Mix Two as a fly ash replacement in hope that it would aid the  ambient curing properties of the concrete.   

Darryl Hole 

 

23 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

The silica fume used was obtained from local supplier Simcoa, Western Australia. The  product  was  delivered  in  bags  of  10  kilograms,  and  was  known  just  as  Microsilica  or  densified  silica  fume.  This  same  product  is  also  used  in  concrete  batching  plants  in  Western Australia, in particular for marine applications. The silica fume is in the form  of extremely fine particles and therefore makes the concrete less impermeable upon  addition.     3.3.7

Alkaline Liquid

  The  alkaline  solutions  for  all  mixes  produced  during  the  research  were  prepared  by  combining  the  sodium  hydroxide  solution  to  sodium  silicate  gradually.  This  mixture  was then stirred moderately for a few minutes and then sealed in the buckets with lids  until  addition  to  the  concrete  mix.  This  process  took  place  immediately  prior  to  beginning production of the concrete, the ratio of sodium silicate to sodium hydroxide  was kept consistent at 2.5 upon recommendation from Hardjito and Rangan (2005).    3.3.8

Aggregate

  The  aggregate  used  was  supplied  by  Cemex  to  Curtin  University,  stored  outside  uncovered in storage divisions. The aggregate supplied consisted of two components;  coarse aggregate obtained from the Cemex Gosnells Quarry and a fine aggregate that  originated  from  Baldivis  Sand.  For  the  purpose  of  this  research,  coarse  aggregates  were  used with  nominal  sizes  of  7mm,  10mm and  20mm, and  fine aggregates in the  form of sand.    The  aggregate  was  measured  approximately  a  week  prior  to  pouring  and  sealed  in  bins. The moisture content of the aggregate was measured at the time of being used in  the  concrete,  and  subsequently  used  to  determine  the  free  water  content  of  the  concrete mix.   

Darryl Hole 

 

24 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

The aggregate proportions were found in accordance with utilizing British Standards BS  882.92 (Neville 2000, 172) grading requirement limits for all‐in aggregate. The grading  curve was constructed in order to satisfy the grading limits with an application sourced   from the University of Patras.    As  can  be  seen  the  sieve  analysis  of  the  utilized  aggregate  displayed  a  grading‐gap,  which  is  displayed  on  the  grading  curve  below  (Figure  3.1).  This  made  proportioning  the  aggregate  components  a  more  stringent  process.  Neville  (2000)  suggests  that  a  grading curve closer to the bottom limit is comparatively workable, and can therefore  be  used  in  mixes  with  a  low  liquid/binder  ratio.  The  results  of  sieve  analysis  and  grading combinations of the utilized aggregates can be seen below in Table 3.1.   

19

4.75

0.6

0.15

ISO Sieve

100

0.063

  100 95

90

Percentage passing

80 70 60 50

50

40 35

30 27.5

30.1

30.5

30

20 10

10

5.5

6

0

1 0 0 . 0 1

m

m

0 . 1

m

0.7

m

1

m

m

1 0

m

m

1 0 0

BS Sieve

Particle size (mm) Figure 3.1: Grading Curve of Combined Aggregates 

(Grading Curve 2009)   

Darryl Hole 

 

25 

m

m

 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Table 3.1: Grading of Combined Aggregates 

Sieve 19.00 mm 9.50 mm 4.75 mm 2.36 mm 1.18 mm 600 μm 300 μm 150 μm Ratio

20 mm 98.10 0.19 0.14 0.14 0.14 0.14 0.13 0.11 30

Aggregates 10 mm 7 mm 100.00 100.00 90.68 100.00 1.16 44.67 0.71 1.49 0.69 0.52 0.69 0.37 0.68 0.25 0.66 0.11 15 25

Fine 100.00 100.00 99.94 99.78 99.47 70.98 17.81 1.96 30

Combination

BS 882.92

99.43 68.66 41.37 30.46 30.12 21.53 5.55 0.75

95‐100 35‐55

10‐35 0‐8  

 

3.4

Preliminary Laboratory Work

  The aim of this research was to gain a knowledge and understanding of the effect of  altering mix designs in a geopolymer concrete mix. Due to the lack of experience in any  geopolymer concrete production by the author, it was suggested that to begin with, a  standard  geopolymer  concrete  mix  using  the  established  sodium  hydroxide  and  sodium  silicate  alkaline  solution  would  be  made  first  to  familiarize  with  the  process  and use a reference to other mixes.     The first two mixes were undertaken at the beginning of June, 2009, with the use of  the  70  litre  capacity  pan  mixer  (Figure  3.2)  to  produce  approximately  65  litres  (156  kilograms) of geopolymer concrete. Samples were placed in test specimens, 100mm x  200mm  compression  cylinders  and  150mm  x  300mm  tensile  cylinders,  and  cured  under the ambient conditions after pouring.    The preliminary laboratory works focused on the following main objectives:    -

To familiarize with the making of fly ash based geopolymer concrete. 

-

To  develop  an  understanding  of  an  appropriate  mix  procedure  in  the  production of fly ash based geopolymer concrete. 

Darryl Hole 

 

26 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

-

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

To  develop  an  understanding  of  appropriate  mix  proportioning  in  the  production of fly ash based geopolymer concrete. 

-

To  observe  the  strength  development  of  fly  ash  based  geopolymer  concrete  under ambient curing conditions. 

  3.4.1

Mixing Procedure

  The mixing procedure plays a vital role in the production of geopolymer concrete due  to the unstable nature of some mixes. If constituents are added in the wrong order, it  is possible that the concrete may flash set in the mixer, causing both a failed mix and a  tough clean up. For this reason, a particular order was followed in the concrete mixing  during this research.    Cylinder moulds were first prepared for concrete pouring by coating them with mould  release.  For  the  use  of  geopolymer  concrete,  a  product  by  the  name of  Valsof  PE‐40  was used as the mould release, as the usual grease would not work the same as with  cement based concretes.    The alkaline solution consisting of sodium hydroxide and sodium silicate was combined  at  the  beginning  of  the  day  when  producing  concrete.  This  came  under  recommendation  in  order  to  avoid  the  solution  crystallizing  over  a  long  stationary  period,  an  outcome  that  would  deem  the  concrete  mix  design  to  differ  if  water  was  used to dissolve the solid again. The sodium hydroxide solution was added carefully to  the  second  constituent  and  mixed  thoroughly,  before  being  sealed  with  lids  prior  to  mixing time.    The mixing procedure for geopolymer concrete was similar to that of conventional OPC  concrete. All dry aggregates and fly ash were first added to the pan mixer and mixed  for  a  few  minutes  to  properly  combine  all  sizes.  After  this  dry  mixing,  the  alkaline  solution and any extra water was then added gradually and then mixed for a further  three minutes, or, until an adequately combined mixture was formed.     Darryl Hole 

 

27 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

At  the  conclusion  of  this  wet  mixing,  any  mix  design  additives  such  as  silica  fume  or  calcium hydroxide were added and again mixed thoroughly for approximately three to  four minutes. This was carried out so that in the event of a rapid setting mix, it would  be obvious that the final added constituent was the contributing factor.    The produced geopolymer concrete differed physically to concrete made with ordinary  Portland  cement.  Geopolymer  concrete  is  very  dark  in  colour  (a  dark  brown  appearance)  and  has  an  extremely  ‘sticky’  feel  to  it.  The  placement  of  the  concrete  into cylinders therefore took longer than expected due to the difficulty of moving the  concrete after mixing.     Cylinders  were  filled  to  approximately  half  way  before  being  vibrated  for  a  few  minutes or until no bubbles were being formed at the surface. The cylinders were then  filled  to  the  top  and  vibration  started  again,  each  mould  being  topped  up  as  the  vibration caused the elimination of any air voids. Only a small amount of time on the  vibration  table  was  given  to  those  mixes  with  a  high  free  water  content  as  it  was  discovered  that  excessive  movement  of  these  mixes  caused  segregation  of  the  aggregates and the top of the cylinders became more of a paste.    Upon completion of the concrete placement, cylinders were moved from the table to  an area in the labs for setting under ambient conditions, as seen in Figure 3.3 below.   

Darryl Hole 

 

28 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Figure 3.2: Pan Mixer Used for Production of Concrete 

     

  Figure 3.3: Setting of Wet Geopolymer Concrete 

3.4.2

Mixture Proportions

  Darryl Hole 

 

29 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Hardjito  and  Rangan  (2005)  have  stated  that  using  a  higher  molarity  of  sodium  hydroxide solution within the alkaline mix will yield a higher strength concrete. In their  experimental  results  it  was  seen  that,  in  otherwise  similar  mixes,  using  NaOH  with  concentration  of  14M  as  opposed  to  8M  consistently  yielded  higher  compressive  strengths.    Knowing  this,  when  preparing  the  sodium  hydroxide  prior  to  producing  the  geopolymer concrete, solutions of 10M were prepared in anticipation of returning the  highest possible compressive strength in the given situation.     Mix  One  (poured  in  June,  2009)  was  proportioned  in  accordance  to  the  research  by  Hardjito and Rangan (2006), with a 10M sodium hydroxide solution, aggregate content  of 77%, sodium silicate to sodium hydroxide ratio of 2.5, and an alkaline liquid to fly  ash ratio of 0.35.     Water was added to the first mix produced in anticipation of yielding a workable mix  that was easy to place, as the moisture content of the aggregate used was quite low.   This mix was used as a datum for further mix designs, as the amount of water used,  combined with the moisture content of the aggregate, would be used as a reference of  the amount of water in future mixes. It was discovered for Mix One that 1.5 litres of  water  was  required  to  be  added  to  gain  an  adequate  workability  of  the  mix.  A  summary of this first produced mixes water content is found below in Table 3.2.                   

Darryl Hole 

 

30 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Table 3.2: Free Water Content of Mixes One and Two 

MIX ONE     Aggregate 

 

 

 

 

Water 

Mass of 

Water 

Content (%) 

Aggregate (kg) 

Content (kg) 

20mm 

0.45

36

0.16 

 

10mm 

0.69

18

0.12 

 

7mm 

1.64

30

0.49 

 

Sand 

0.42

36

0.15 

 

 

 

Added Water 

1.5 

 

 

Alkaline Solution 

1.6 

Total Free Water 

 

 

 

Content (kg) 

 

 

 

Content (%)  f'cm.28 (MPa) 

     

4.0 

   

Total Free Water 

 

 

2.6  30 

     

   

            Throughout the year, seven geopolymer concrete mix designs were produced in order  to gain a relevant comparison in the effect of altering the concrete mix properties. The  final  mix  designs,  in  terms  of  mass  of  material  included  per  cubic  metre  of  concrete  produced, are found in Table 3.3 below. A summary of each mix design and its overall  performance is also provided in Appendix A.      

Darryl Hole 

 

31 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

    Table 3.3: Mix Design Summary of Carried Out Research 

Materials 20 mm 10 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Silica Fume Calcium Hydroxide Extra Water TOTAL

MIX ONE MIX TWO MIX THREE MIX FOUR MIX FIVE MIX SIX MIX SEVEN kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.5 277 18 277 18 277 18 277 19 277 2.8 277 2.8 277 2.8 462 30 462 30 462 30 462 32 462 4.6 462 4.6 462 4.6 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.5 408 27 362 24 380 25 408 29 408 4.1 408 4.1 408 4.1 103 6.7 103 6.7 103 6.7 103 7.2 103 1.0 103 1.0 103 1.0 41 2.7 41 2.7 41 2.7 41 2.9 41 0.4 41 0.4 41 0.4 46 3.0 28 1.8 2.8 0.03 5.5 0.1 17 0.2 23 1.5 23 1.5 96 1.0 96 1.0 96 1.0 2423 157.5 2423 157.5 2400 156.0 2400 168.0 2499 25.0 2502 25.0 2513 25.1

     

    Darryl Hole 

 

32 

 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

3.4.3

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Curing of Geopolymer Concrete

  The  geopolymer  concrete  specimens  produced  for  this  research  were  cured  under  ambient  temperatures.  Due  to  having  no  exposure  to  elevated  temperatures  under  ambient  conditions,  the  cylinders  did  not  have  to  be  wrapped  in  plastic  to  prevent  excessive evaporation. Therefore, the specimens were left uncovered in the laboratory  until set.    The first mix made revealed that under ambient conditions; the geopolymer concrete  did  not  set  until  6  days  after  pouring.  Therefore,  the  cylinders  remained  in  their  moulds for the first week of curing. This also meant that compressive testing was not  carried out at 3 days after pouring as was first anticipated.     The first compression tests were undertaken at 7 days after pouring, and therefore all  cylinder  moulds  were  released  at  this  time.  From  this  time  onwards,  specimens  remained  under  the  same  ambient  conditions,  only  with  their  full  surface  area  exposed. The first two mixes were poured at the beginning of June, 2009. The outside  temperature  during  this  month  in  Perth,  Western  Australia,  varied  between  3°C  and  26°C (Bureau of Meteorology 2009). 

  Figure 3.4: Ambient Curing of Geopolymer Concrete 

Darryl Hole 

 

33 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

3.5

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Testing of Concrete Specimens

  The compressive and tensile strength testing of the concrete cylinders was for majority  of  the  mixes  undertaken  at  7,  14,  21  and  28  days  after  pouring.  The  testing  was  performed  using  a  300  ton  capacity  Controls  MCC8  hydraulic  testing  machine  in  accordance to AS1012.10 – 2000 and AS1012.9‐2000 for tensile and compressive test  respectively.     Compressive strength was determined using three 100x200 mm concrete cylinders at  all 4 testing days, while the indirect tensile tests we carried out on three 150x300 mm  cylinders  at  14  and  28  days  after  pouring.  Due  to  the  top  surface  condition  of  the  compressive  specimens,  sulfur  caps  were  made  for  the  cylinders  to  ensure  that  the  compression  force  is  transferred  equally  across  the  top  of  the  surface.  Figure  3.5  shows the exposed surface of the concrete, with aggregate particles exposed making  an uneven surface, and the sulfur cap used to produce the even surface for testing.       

  Figure 3.5: Rough Surface of Cured Geopolymer Cylinder 

Darryl Hole 

 

34 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

4. EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION  

4.1

Introduction

  Chapter  4  presents  the  experimental  results  obtained  during  the  year,  and  the  discussion  regarding  the  relevance  and  significance  of  these  findings.    The  concrete  strengths  discussed  in  this  chapter  correspond  to  the  mean  value  of  strength  from  three test specimens in a series. All significant observations and occurrences are also  noted with the results of the relevant concrete mix.    For individual cylinder data, details and strengths see Appendix B.     In this chapter, the effects on the strength of fly ash based geopolymer concrete within  the mix design and preparation are compared and discussed. The different parameters  considered within this research include:  1. A standard geopolymer concrete reference mix (Mix One).  2. The  effect  of  adding  silica  fume  to  aid  the  ambient  curing  properties  of  geopolymer concrete (Mix Two).  3. The  effect  of  a  high  free  water  content  on  the  strength  of  geopolymer  concrete (Mix Four).  4. The effect of adding calcium hydroxide to aid ambient curing properties of  geopolymer concrete (Mix Three, Mix Five, Mix Six and Mix Seven).   

4.2

Experimental Results Overview

  The experimental results throughout the research for each mix are used in comparison  to  Mix  One,  a  conventional  geopolymer  concrete  mix  with  no  additives  used  in  any  attempt  to  enhance  its  performance.  The  initial  aim  for  these  mix  designs  was  to  consistently prepare concrete mixes that would yield a 28 day strength of at least 30  MPa, which is exactly what Mix One came out to be.  Darryl Hole 

 

35 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  The further mix designs did not yield as positive results as what was initially expected.  The addition of  silica fume to the  mix created an inordinate amount of silicon in the  concrete which had drastic negative effects on the final strength, exhibiting a 28 day  strength  of  12.8  MPa.  Mix  Two  however  did  set  slightly  quicker  with  the  addition  of  silica  fume  than  Mix  One  and  could  therefore  in  theory  be  used  under  low  strength  geopolymer concrete applications being set under ambient conditions.    The effect of raising the free water content of the concrete mix yielded the result that  was expected in Mix Four. In fact at the first testing at 7 days, it was predicted that the  concrete  had  not  properly  set,  given  the  extremely  low  strength  of  2.5  MPa.  This  however was dispelled at the 28 day test with a final strength of only 10.8 MPa. It was  therefore  seen  that  by  doubling  the  water  content  of  the  mix,  the  resulting  final  strength of the concrete is in effect one third of the reference Mix One.     Because  of  the  nature  of  by  which  the  aggregates  were  stored  outside  during  the  winter months, all further mixes now exhibited extremely wet aggregates leading to a  high  free  water  content.  Therefore  Mix  Four  was  now  used  as  a  reference  mix  as  to  match  the  free  water  content  of  all  further  mixes  and  comparing  compressive  and  tensile  strengths  of  the  concrete.  As  previously  explained,  aggregates  were  not  specifically prepared to simulate a large scale concrete production.     Mix Three incorporated the use of calcium hydroxide (hydrated lime) in order to both  quicken the curing time for the concrete and produce a higher final strength. Even with  a moderately low amount of lime used (5% of the geopolymer, replacement of fly ash),  the mix flash‐set in the pan mixer before being completely placed in the moulds. This  mix  design  would  therefore  not  be  applicable  in  an  industry  operation  where  large  quantities  of  material  are  produced.  The  unaffected  cylinders  were  still  tested  and  showed positive results for a mix with a high free water content with a final strength of  18.2 MPa, comparative to Mix Four’s reference strength of 10.8 MPa.     

Darryl Hole 

 

36 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

To further the investigation into the use of calcium hydroxide in geopolymer concrete,  a further three mixes were prepared with varying quantities of the product. This was  carried  out  to  investigate  what  composition  of  hydrated  lime  caused  a  geopolymer  concrete mix to set too quickly to place. Mixes Five, Six and Seven were produced with  an  addition  of  0.5%,  1%  and  3%  of  the  geopolymer  paste  respectively,  this  time  however the calcium hydroxide was added to the concrete mix without replacement of  the fly ash. Again the mix was produced with high water content in order to produce a  relative comparison with Mix Three and Four.     Despite all three setting noticeably quicker than the standard mix, Mixes Five, Six and  Seven  showed  no  significant  increase  in  strength  at  28  days  of  age.  What  was  even  more  unexpected  was  that  Mixes  Five  and  Six  were  significantly  lower  than  the  reference.  Of  the  three  differing  amounts  of  calcium  hydroxide  used,  Mix  Six  which  contained  an  addition  of  3%  of  the  geopolymer  exhibited  the  highest  compressive  strength of 11.0 MPa, just slightly above the 10.8 MPa reference of Mix Four.    The resulting compressive strengths as strength develops over the first 28 days from  pouring can be seen in the below Figure 4.1.    The indirect tensile strengths were also determined for Mixes One to Four. The 28 day  tensile strength for the majority proved proportional to compressive strength results,  with Mixes One and Three ending up the strongest with 2.7 and 2.2 MPa respectively.  It  was  seen  that  the  relationship  between  the  compressive  and  indirect  tensile  strength was extremely similar to one proposed by Neville (2000) suggesting:  Fct = 0.3 fcm⅔   A  relationship  determined  by  Lloyd  and  Rangan  (2009)  for  geopolymer  concrete  was  not  adhered  to  primarily  due  to  a  contrast  in  curing  conditions.  Lloyd  and  Rangan  developed this relationship using geopolymer concrete specimens cured in the steam  room, where as the laboratory work for this report was based on ambient curing.    The indirect tensile strength of Mixes One to Four is shown below in Figure 4.2.    Darryl Hole 

 

37 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa) 35

30

Compressive Strength (MPa)

25

20 Mix One Mix Two 15

Mix Four Mix Three Mix Five

10

Mix Six Mix Seven 5

0 0

5

10

15

20

25

Age After Pouring (Days) Figure 4.1: Compressive Strength of all Carried Out Mixes 

  Darryl Hole 

 

38 

30

 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Tensile Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

3

Tensile Strength (MPa)

2.5

2

Mix One

1.5

Mix Two  Mix Three Mix Four

1

0.5

0 0

5

10

15

20

25

Age After Pouring (Days) Figure 4.2: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four

Darryl Hole 

 

39 

30

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

4.3

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Compressive Strength and Observations of Geopolymer Concrete Mixes

  4.3.1

Initial Geopolymer Concrete Reference Mix

  Table 4.1: Mix Design One 

Materials 20 mm 10 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Silica Fume Calcium Hydroxide Extra Water TOTAL

MIX ONE kg/m3 kg 554 36 277 18 462 30 554 36 408 27 103 6.7 41 2.7 23 1.5 2400 157.5  

  Mix  one  was  prepared  in  anticipation  of  it  being  the  ‘reference  mix’  by  which  to  compare other mixes made. This was seen as the standard geopolymer concrete mix  and all further mix designs were based on this with variations in quantities of materials  used  and  additives  included.  Mix  One  was  prepared  in  early  June  2009  at  the  immediate beginning of the laboratory work conducted for this report.    Mix One exhibited a 28 day strength of exactly 30 MPa, coincidentally the benchmark  strength  upon  which  all  further  mixes  were  expected  to  exceed.  The  shape  of  the  strength  development  curve,  as  shown  in  Figure  4.3  also  indicates  that  given  extra  curing  time  under  these  ambient  conditions,  a  higher  strength  could  be  attained.  Of  the three mixes made throughout the year which was at regular intervals, Mix One is  the  only  one  that  shows  a  still  developing  strength  curve  and  promises  to  provide  worthwhile higher strengths at an age beyond that of 28 days.         Darryl Hole 

 

40 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Table 4.2: Compressive Strength of Mix One (MPa) 

MIX ONE Age in Days 0 7 14 21 28

Compressive Standard Number of Strength (MPa) Deviation Samples 0.0 0.00 8.6 0.19 3 17 0.65 3 24 0.30 3 30 0.25 3        

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa) 35

30

Compressive Strength (MPa)

25

20 Mix One Mix Two 15

Mix Four Mix Three

10

5

0 0

5

10

15

20

25

30

Age After Pouring (Days)

 

Figure 4.3: Compressive Strength of Mix One 

    It was also noticed that an efflorescence precipitate was formed on the outside of the  cylinders  on  Mix  One.  The  efflorescence  was  in  the  form  of  a  white  crystal,  and  was  apparent  at  14  days  after  pouring.  The  amount  of  efflorescence  changed  too  as  the 

Darryl Hole 

 

41 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

age  of  the  concrete  lengthened,  and  by  28  days  the  specimens  had  a  substantial  coating  of  material  on  the  outside.  Temuujin,  van  Riessen  and  Williams  (2009)  discovered  similar  findings  on  ambient  cured  geopolymer  paste  samples  when  using  additives to aid mechanical properties of the paste under ambient curing conditions. It  was  led  to  believe  that  the  efflorescence  formed  was  an  indication  of  insufficient  geopolymerisation  or  excess  alkali.  Further  investigation  into  the  materials  showed  that the efflorescence was composed of sodium, oxygen and phosphorus. XRF analysis  also showed that the precipitate showed clear presence of sodium phosphate hydrate  (Na3PO4.12H2O)  in  all  samples  ambient  cured.  Figures  4.4  and  4.5  below  show  the  efflorescence forming on the outside of Mix One at 14 and 28 days respectively.         

  Figure 4.4: Efflorescence Formed on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 14 days 

 

Darryl Hole 

 

42 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Figure 4.5: Efflorescence on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 28 days 

    4.3.2

The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing   Table 4.3: Mix Designs One and Two 

Materials 20 mm 10 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Silica Fume Calcium Hydroxide Extra Water TOTAL

MIX ONE MIX TWO kg/m3 kg kg/m3 kg 554 36 554 36 277 18 277 18 462 30 462 30 554 36 554 36 408 27 362 24 103 6.7 103 6.7 41 2.7 41 2.7 46 3.0 23 1.5 23 1.5 2400 157.5 2400 157.5  

  Mix  Two  was  based  upon  using  Mix  One  with  the  addition  of  silica  fume  to  the  mix.  Silica fume was substituted in for fly ash at a quantity of 8.3% of the geopolymer (no 

Darryl Hole 

 

43 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

aggregate) based upon mix designs previously established in geopolymer pastes. Upon  scaling  up  to  a  concrete  by  addition  of  aggregate,  the  silica  fume  content  of  the  mix  stood at 1.9% of the 65 litre concrete mix. Both Mix One and Mix Two were produced  on the same day.   

The  silica  fume  was  the  final  constituent  added  during  the  mixing  process  in  the  production  of  Mix  Two.  This  was  undertaken  so  that  in  the  event  that  rapid  setting  occurred  upon  addition,  it  would  be  obvious  that  the  silica  fume  was  the  cause  and  could be traced. This method of mixing was used consistently throughout the research.     It was observed that upon ambient curing of the first two mixes made, Mix Two (silica  fume included) experienced some expansion after 3 days above the top of the cylinder  mould as seen in Figures 4.6 and 4.7. There was no expansion of Mix One which would  suggest that this was purely an effect from the included silica fume. The expansion of  these  cylinders  therefore  required  that  these  cylinders  be  cut  down  to  size  (approximately 200mm in length for compression specimens) in order for them to be  tested  upon  an  even  top  surface  for  equal  distribution  of  force  throughout  the  specimen. The expansion of Mix Two’s cylinders only occurred during the initial setting  when  the  concrete  was  wet.  This  was  apparent  as  after  the  concrete  had  dried  and  was  subsequently  removed  from  the  moulds  at  7  days,  there  was  no  change  in  diameter of the specimens.    It was also apparent that at 3 days after pouring Mix Two had set slightly faster than  Mix  One,  suggesting  that  the  silica  fume  did  increase  the  rate  of  curing  by  a  small  amount.  Mix  Two  had  completely  set  by  5  days  old  in  comparison  to  Mix  One  being  ready at 7 days. Mix Two also exhibited an amount of efflorescence on the outside of  cylinders similar to Mix One, the amount present though was considerably less.        

Darryl Hole 

 

44 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Figure 4.6: Expansion of Mix Two (right) Relative to Mix One (left). 

   

  Figure 4.7: Expansion of Mix Two Cylinders 

Darryl Hole 

 

45 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa) 35

30

Compressive Strength (MPa)

25

20 Mix One Mix Two 15

Mix Four Mix Three

10

5

0 0

5

10

15

20

25

30

Age After Pouring (Days)

 

Figure 4.8: Compressive Strength for Mixes One and Two 

    Table 4.4: Compressive Strength of Mix Two (MPa) 

MIX TWO Age in Compressive Standard Number of Days Strength (MPa) Deviation Samples 0.0 0.00 0 1.9 0.09 3 7 7.0 0.14 3 14 10 0.11 3 21 13 1.3 3 28     It can be seen from the resulting compressive strengths in Table 4.4 that the addition  of silica fume to the geopolymer mix had a negative effect on the strength. With just  1.91% of the concrete mix being silica fume substituted for fly ash, the final strength of  the concrete mix more than halved. The 28 day strength of Mix Two peaked at only 13  MPa  in  comparison  to  Mix  One’s  30  MPa  with  no  silica  fume.  The  strength  development  curve  can  be  seen  to  have  diminished  after  14  days  and  have  no  significant growth after 28 days (Figure 4.8).  Darryl Hole 

 

46 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  The difference in compressive strengths between Mix One and Two can be explained  through  the  extra  amount  of  silicon  present  in  Mix  Two.  The  inclusion  of  silica  fume  combined with the already present sodium silicate presented an abnormal amount of  silicon in the mix. It would be seen that silica fume particles have not reacted within  the  microstructure  of  the  geopolymer,  and  are  present  in  the  concrete,  un‐reacted.  The  resulting  compressive  strength  of  Mix  Two  was  unexpected,  as  it  had  set  faster  than  Mix  One  and  a  higher  strength  was  therefore  predicted,  particularly  at  7  days  after curing.     This is in contrast to the findings of Barbuiya et al (2009) who discussed that upon the  addition of silica fume to cement based concrete, the fine particles of the silica fume  combine  with  the  concrete  transition  structure.  This  is  known  as  the  ‘micro‐filler  effect’ upon which the material’s structure is strengthened with the transitional bonds  between particles. It was discovered that an addition of silica fume at a quantity of 5%  of the concrete increased the strength by approximately 20%.     It can therefore be seen that the addition of silica fume to geopolymer concrete at a  quantity of 8.3% of the geopolymer poses a negative effect on the final strength. With  this composition of silica fume replacing fly ash, the final strength is more than halved.  Further  to  this,  the  concrete  specimens  experience  a  swelling  above  the  top  of  the  cylinder  moulds,  something  that  would  not  be  suitable  in  an  industrial  concrete  application.                

Darryl Hole 

 

47 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

4.3.4

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

The Effect of Free Water Content on the Strength of Geopolymer Concrete

Table 4.5: Mix Design Four 

Materials 20 mm 10 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Silica Fume Calcium Hydroxide Extra Water TOTAL

MIX FOUR kg/m3 kg 554 39 277 19 462 32 554 39 408 29 103 7.2 41 2.9 2400 168.0  

  An  investigation  into  the  effect  of  raising  the  free  water  content  of  a  geopolymer  concrete  mix  was  carried  out.  This  undertaken  research  was  required  to  distinguish  between  the  method  of  producing  geopolymer  paste  and  concrete.  The  included  aggregate in the concrete holds water and therefore a workable concrete mix can be  made without the addition of any extra water to the mix.     Avoiding  this  condition  can  be  achieved  by  preparing  the  aggregate  in  Saturated  Surface  Dry  condition.  This  was  not  carried  out  in  an  attempt  to  keep  the  research  relevant  to  large  scale  concrete  production,  in  which  it  would  not  be  efficient  to  prepare large quantities of aggregates to SSD.  It is also a difficult stage to get to, as it  is  based  on  visual  and  touch  parameters,  however  it  can  be  complied  with  by  Australian  Standard  1141.5‐2000  and  1141.6.1‐2000.  The  concept  of  preparing  aggregate  to  SSD  is  that  the  particles  appear  damp,  but  upon  surface  touching  no  moisture  is  felt  and  therefore  would  occur  differently  upon  individual  opinion.  This  condition  is  optimum  for  concrete  preparation  in  order  to  yield  aggregate  that  is  holding enough moisture only to a point where it is not surface wet, and therefore not 

Darryl Hole 

 

48 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

contributing any water to the mix. The moisture of these particles also prevents any of  the added free water to the concrete mix being absorbed by the dry aggregate too.    The water content of the mix is contributed to by the condition of the aggregate, any  extra water added to the mix, and the water used in the alkaline solution. In Mixes One  and Two, it was found that the free water content was approximately 4.0 litres over a  65  litre  mix  of  concrete,  including  1.5  litres  of  extra  added  water,  producing  a  2.6%  free water content as seen in Table 4.6. By using aggregate that was not prepared in  any  situation  obtaining  it  straight  from  the  outside  conditions  under  the  rain,  Mix  Four’s water content was raised to 4.2% after calculating 6.5 litres of free water in the  aggregate and alkaline solution as seen in Table 4.7.    Prior  to  mixing,  it  was  anticipated  that  the  strength  of  this  mix  with  the  higher  free  water content would be lower than Mix One. This is the situation as seen in ordinary  Portland cement concrete, as raising the water content lowers the ultimate strength.    Table 4.6: Free Water Content of Mix One 

MIX ONE Aggregate 20mm 10mm 7mm Sand

 

Water  Mass of  Water  Content (%) Aggregate (kg) Content (kg) 0.45 36 0.16 0.69 18 0.12 1.64 30 0.49 0.42 36 0.15 Added Water 1.5 Alkaline Solution 1.6 Total Free Water  Content (kg) Total Free Water  Content (%) f'cm.28 (MPa)

Darryl Hole 

 

4.0

2.6 30

49 

 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Table 4.7: Free Water Content of Mix Four 

MIX FOUR Aggregate 20mm 10mm 7mm Sand

 

 

Water  Mass of  Water  Content (%) Aggregate (kg) Content (kg) 1.25 36 0.45 1.50 18 0.27 4.14 30 1.24 8.17 36 2.94 Added Water 0 Alkaline Solution 1.6 Total Free Water  Content (kg) 6.5 Total Free Water  Content (%) 4.2 f'cm.28 (MPa) 11  

   

  Mix  Four  (investigating  a  mix  with  a  higher  water  content)  was  designed  exactly  the  same  as  Mix  One  poured  earlier  in  the  year.  No  preparation  of  the  aggregates  was  carried out as these were obtained straight from the storage area, that was exposed to  heavy rain that week, into sealed bins to retain the water content at that time.    It  was  noticed  that  the  water  in  the  mix  had  an  effect  on  the  appearance  of  the  geopolymer concrete. The concrete had an oily appearance with black portions spread  throughout where the excess water was sitting in the mix. Figure 4.9 below shows an  example of this on top of a poured cylinder during the placement. These black sections  disappeared  as  the  concrete  set.  This  oily  appearance  was  seen  consistently  over  all  further mixes produced with this high free water content throughout the year.    

Darryl Hole 

 

50 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Figure 4.9: Excess Water in Geopolymer Concrete 

  Obviously,  when  mixed  the  concrete  was  exceptionally  easy  to  place  with  the  high  water  content  and  the  mix  had  a  high  slump  value  of  over  250mm.  Due  to  the  high  slump nature of this mix, only a light amount of vibration was applied to the cylinders  to avoid segregation of the mix and letting all the aggregate fall to the bottom of the  moulds and therefore producing more of a paste at the top of the cylinder.     Understandably, Mix Four took quite some time to set. At 7 days old it was seen that  the  concrete  still  may  not  have  set  properly,  as  the  strength  at  this  time  was  even  lower than expected, with a 2.5 MPa average in comparison to Mix One’s 8.6 MPa. Mix  Four only had specimens taken for 7 and 28 days old in compression, and 28 days for  tensile. Therefore, the strength development and rate of changes cannot be observed  as closely over 28 days.    The final strength of Mix Four did not get close at all to Mix One as seen in Figure 4.10.  At 28 days the compressive strength of concrete reached 10.8 MPa (Table 4.8). It can 

Darryl Hole 

 

51 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

therefore  be  seen  that  by  increasing  the  free  water  content  in  a  geopolymer  mix  to  almost double, it effectively reduces the 28 day strength to a third of the original mix.      Table 4.8: Compressive Strength of Mixes One and Four (MPa) 

MIX FOUR Age in Compressive Standard Number of Days Strength (MPa) Deviation Samples 0.0 0.00 0 2.5 0.09 3 7 11 0.48 3 28        

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa) 35

30

Compressive Strength (MPa)

25

20 Mix One Mix Two 15

Mix Four Mix Three

10

5

0 0

5

10

15

20

25

30

Age After Pouring (Days)

 

Figure 4.10: Compressive Strength of Mixes One and Four 

     

Darryl Hole 

 

52 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

4.3.3

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing   Table 4.9: Mix Design Three 

Materials 20 mm 10 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Silica Fume Calcium Hydroxide Extra Water TOTAL

MIX THREE kg/m3 kg 554 36 277 18 462 30 554 36 380 25 103 6.7 41 2.7 28 1.8 2400 156.0  

  Calcium hydroxide (hydrated lime) is used in common concrete applications to shorten  the setting time under ambient conditions. Similar to Mix Two, calcium hydroxide was  substituted into Mix Three for fly ash, at an amount of 5% of the geopolymer mix. This  replacement of fly ash therefore worked out to 27.6 kg/m3 for the total concrete mix.     Mix Three was poured at the end of July, 2009 with the intention of developing a faster  setting ambient cured geopolymer concrete with a higher early strength. The calcium  hydroxide was added to the concrete mix in much the same fashion as the silica fume  in Mix Two, in that it was the final constituent included in the mixing procedure.     Due  to  the  high  moisture  content  of  the  aggregates  used,  the  concrete  mix  was  extremely wet during mixing. At this point it would be thought that placement of the  concrete would be easier than in previous experiments, although the final strength of  the concrete would be lower. The slump recorded of this mix exceeded 250mm, similar  to Mix Four.    Upon addition of the calcium hydroxide to the mix and then mixing, it was seen that  the concrete was bubbling furiously as the reaction between the chemicals in the fly  Darryl Hole 

 

53 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

ash  and  the  calcium  hydroxide.  At  this  point  it  was  realized  that  something  never  experienced by the author was occurring so progress was made as quick as possible to  place the concrete into the moulds.     Approximately ten minutes into placement of the concrete in the moulds, rapid setting  began  to  occur  and  placement  of  the  mix  became  very  difficult.  Vibration  of  the  cylinders did not have an effect on the form of the concrete, and air voids remained in  some  of  the  cylinders.  Because  the  concrete  was  set  on  the  day  of  casting,  de‐ moulding of the cylinders was carried out at only two days of age. Upon removing the  concrete from the moulds it was apparent that majority of the compression cylinders  turned out fine for testing as usual. The tensile cylinders on the other hand, appeared  to have a considerable amount of voids in them because of the fast setting concrete,  however testing of these cylinders was still carried out in order to yield some data for  this mix (Figure 4.12).    Mix  Three  and  Four  were  produced  on  the  same  day  and  therefore  had  the  same  relatively high free water content. Mix Four, as explained in the previous section of this  report,  is  a  standard  geopolymer  concrete  mix  investigating  the  effect  of  high  water  content.  For  this  reason,  Mix  Three  and  all  further  mixes  later  on  in  the  year  were  compared to Mix Four. The strength of Mix Three was consistently stronger than the  reference  mix  throughout,  and  the  rate  of  strength  development  was  substantially  larger  up  until  14  days  of  age.  Eventually,  though,  the  strength  development  of  Mix  Three tapered off and did not exhibit any rapid strength gain within 28 days. The final  testing at 28 days showed a compressive strength of 18 MPa, comparative to Mix Four  which exhibited a 28 day strength of 11 MPa as seen in Table 4.10 and Figure 4.11.                Darryl Hole 

 

54 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

      Table 4.10: Compressive Strength of Mix Three 

MIX THREE Age in Compressive Standard Number of Days Strength (MPa) Deviation Samples 0.0 0.00 0 9.2 0.78 3 7 15 0.25 3 14 17 0.33 3 21 18 0.3 3 28        

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa) 20

18

Compressive Strength (MPa)

16

14

12 Mix One

10

Mix Two Mix Four

8

Mix Three Mix Five

6

Mix Six 4

Mix Seven

2

0 0

5

10

15

20

25

30

Age After Pouring (Days)

 

Figure 4.11: Compressive Strength of Mixes Three and Four 

   

Darryl Hole 

 

55 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Figure 4.12 : Rapid Setting Effects and Efflorescence on Mix Three Cylinders 

   

  Figure 4.13: Cross Section of Small Cylinder ‐ Mix Three 

Darryl Hole 

 

56 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Figure  4.13  shows  the  cross  section  of  a  cylinder  from  Mix  Three.  The  most  obvious  aspect is the shape of the top (right side of the image) where the concrete had set just  as the cylinder had been filled up. The material at the top of these cylinders was flaky  and brittle and so each affected cylinder had this surface condition trimmed off prior  to testing. Another aspect of this cylinder is the amount of air voids seen throughout  the section. Because Mix Three set whilst the cylinders were being vibrated all of the  air voids were not able to be removed from the concrete.     It  should  however  be  noted,  that  any  results  obtained  from  the  testing  of  these  specimens provide little use in further applications of geopolymer concrete mix design.  It is recommended that the research in the addition of calcium hydroxide is continued  with  varying  amounts  added.  On  a larger  scale in  industry  the  time  for placement of  concrete would be much longer, and therefore setting would occur before all concrete  is put into place. However, for the purpose of this research, the strength development  is to be investigated into the addition of calcium hydroxide to geopolymer concrete, so  testing of the cylinders continued.    As  seen  in  Figure  4.12  Mix  Three  also  exhibited  an  amount  of  efflorescence  on  the  outside  of  the  cylinders.  It  was  apparent  at  this  stage  that  all  geopolymer  concrete  samples cured under ambient conditions consistently exhibited this property.    Approximately  a  week  later,  it  was  informed  to  the  author  of  this  report,  that  the  Physics  department  at  Curtin  University  had  attempted  to  replicate  the  rapid  setting  nature of this mix by producing a geopolymer paste mix with the same proportions as  Mix  Three, albeit  without  the  aggregate.  The outcome,  however,  differed  in  that  the  mix did not rapid set whilst preparing and in fact took approximately 36 hours before it  had properly set (M. Lee, personal communication August 26, 2009).    To  further  the  research  into  the  effect  of  adding  calcium  hydroxide  to  geopolymer  concrete,  Mixes  Five,  Six  and  Seven  were  produced  with  varying  amounts  of  the  product added. The difference in this mix was the calcium hydroxide was added to a  Darryl Hole 

 

57 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

set  mix  as  an  addition,  not  through  substitution  for  fly  ash.  This  was  achieved  by  producing a replica of Mix Four (standard geopolymer concrete mix, with high water  content, as was Mix Three) and adding the hydrated lime at a percentage by mass of  the  geopolymer  paste  in  the  concrete.  Quantities  of  0.5%,  1%  and  3%  of  the  geopolymer were added to the concrete mix respectively. Table 4.11 below shows the  specific mix designs of these mixes. It can be seen that the total composition of Mixes  Five to Seven exceed a composition of 2400 kg/m3  due to the extra water and calcium  hydroxide  added  to  the  already  complete  concrete  mix.  The  amount  of  water  added  was calculated in order to yield the same free water content as Mixes Three and Four.    Table 4.11: Mix Designs Five, Six and Seven 

Materials 20 mm 10 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Silica Fume Calcium Hydroxide Extra Water TOTAL

MIX FIVE MIX SIX MIX SEVEN kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg 554 5.5 554 5.5 554 5.5 277 2.8 277 2.8 277 2.8 462 4.6 462 4.6 462 4.6 554 5.5 554 5.5 554 5.5 408 4.1 408 4.1 408 4.1 103 1.0 103 1.0 103 1.0 41 0.4 41 0.4 41 0.4 2.8 0.03 5.5 0.1 17 0.2 96 1.0 96 1.0 96 1.0 2499 25.0 2502 25.0 2513 25.1

 

  In  order  to  avoid  quick  setting  mixes  hardening  in  the  pan,  the  bulk  standard  mix  design was produced and then the required amount for each sub‐mix (Mixes Five, Six  and  Seven)  was  placed  onto  an  aggregate  preparation  tray.  From  here  the  varying  amounts of calcium hydroxide was added and then mixed by hand into the concrete.  This  also  allowed  for  a  better  feel  of  the  workability  of  the  mix,  as  any  quick  setting  could be detected straight away.      Mix Five (0.5% calcium hydroxide) presented no difference in workability or immediate  setting  time  whilst  mixing  compared  to  Mix  Four.  In  order  to  make  the  required  amount of concrete for 6 compression cylinders (3 x 7 days, 3 x 28 days), only 29 grams  of calcium hydroxide was added to 25 kilograms of concrete. In the time it took to mix 

Darryl Hole 

 

58 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

in  the  calcium  hydroxide  and  then  transfer  the  concrete  into  the  cylinders,  Mix  Five  appeared to have no difference in workability relative to any standard geopolymer mix  prepared earlier in the year. After 24 hours of curing it was apparent that Mix Five had  still  not  set.  Complete  setting  occurred  by  5  days  after  pouring,  very  similar  to  a  standard geopolymer concrete mix with no additives.     Mix  Six  (1%  calcium  hydroxide)  exhibited  a  slightly  faster  setting  rate  than  Mix  Five  during  the  day.  An  amount  of  58  grams  of  calcium  hydroxide  was  added  to  the  concrete  mix  and  whilst  there  was  no  noticeable  setting  or  difference  in  workability  during placement, approximately two hours after producing the mix it was clear that it  had begun setting. Figure 4.14 below shows the excess of Mix Six at two hours after  mixing and partially set. At this point the concrete was beginning to harden on the top,  however  beneath  the  surface  it  was  still  very  wet.  By  3  days  of  curing  Mix  Six  had  completely set and was able to be removed from the moulds.   

  Figure 4.14: Mix Six at Two Hours after Pouring 

                                                    

Darryl Hole 

 

59 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Mix  Seven  (3%  calcium  hydroxide)  was  the  only  mix  prepared  out  of  the  last  three  which exhibited noticeable early setting properties during placement of the concrete.  It was experienced that whilst combining the 173 grams of calcium hydroxide that the  workability  of  the  concrete  changed  almost  instantly,  however  not  enough  to  affect  the placement. The mix felt heavier to move after mixing in the calcium hydroxide as it  appeared  the  reaction  between  the  chemicals  in  the  concrete  had  occurred  immediately.  The  rate  of  reaction  was  not  as  quick  as  Mix  Three  though,  where  the  concrete set before all cylinders could be poured, and therefore the placement of Mix  Seven went accordingly to plan.    Again, the left over concrete from Mix Seven was kept to observe how long it took to  set compared to Mix Six. After just one hour Mix Seven was significantly harder than  Mixes Five and Six, and was obviously going to be completely set within hours. Figure  4.15 below shows the condition of the excess from Mixes Six and Seven after one hour  of setting, and it can be seen that Mix Six is still completely wet where as Mix Seven is  significantly further along in the setting process. After twelve hours of standing after  pouring, Mix Seven had completely set and therefore the cylinders would have been  able to be de‐moulded after 24 hours.   

  Figure 4.15: Mixes Seven (Left) and Six (Right) at One Hour after Pouring 

Darryl Hole 

 

60 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

The  relatively  low  final  strength’s  of  Mixes  Five,  Six  and  Seven  came  as  quite  unexpected due to the setting times experienced by the three mixes. Though Mix Five  set  in  the  same  amount  of  time  as  the  reference  mix,  it  was  expected  that  a  small  amount of calcium hydroxide would have a compressive strength slightly higher, if not  equal to the reference Mix Four. The faster setting nature of Mixes Six and Seven made  for  the  prediction  of  higher  compressive  strengths  in  proportion  to  the  amount  of  calcium hydroxide used. Despite this, the highest compressive strength experienced by  these three mixes was 11.0 MPa, only slightly higher than the 10.8 MPa reference as  seen below in Figure 4.16.       

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa) 12

Compressive Strength (MPa)

10

8

Mix One

6

Mix Two Mix Four Mix Three

4

Mix Five Mix Six Mix Seven

2

0 0

5

10

15

20

25

30

Age After Pouring (Days)

 

Figure 4.16: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) 

         

Darryl Hole 

 

61 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  Table 4.12: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) 

Age in Days MIX FIVE MIX SIX MIX SEVEN

Compressive Strength (MPa)

7 28 7 28 7 28

3.2 7.4 3.6 8.0 5.1 11

Standard Deviation

Number of Samples

0.10 0.33 0.37 0.81 0.10 0.89

3 3 3 3 3 3 

  It  can  be  seen  from  the  results  in  Table  4.12  that  the  compressive  strength  of  geopolymer concrete increases in proportion to the amount of calcium hydroxide used  within  the  mix.  Mix  Seven  with  a  3%  calcium  hydroxide  addition  exhibited  a  slightly  higher compressive strength than Mixes Five and Six. The difference though is seen at  the 7 day strengths where any addition of calcium hydroxide to a geopolymer concrete  mix  increases  the  strength  and  rate  of  setting,  making  the  mix  applicable  for  use  in  industry applications where the concrete is cured without the use of steam rooms.     Mix Seven appears to be a practical solution to developing a geopolymer concrete mix  that sets within 24 hours without decreasing the final strength. The addition of calcium  hydroxide at an amount of 3% of the geopolymer provides a concrete mix that will set  efficiently without the need for a steam room, and provide a final strength to that of  equal  to  a  mix  without  any  additives.  If  Mix  Seven  had  achieved  a  final  compressive  strength substantially higher than the reference mix, it would be seen that this was the  optimum arrangement for the inclusion of calcium hydroxide in geopolymer concrete.     Another aspect of these three mixes that was noticed is how quickly the efflorescence  began to appear after de‐moulding. Approximately 30 minutes after all cylinders were  removed from their moulds, a small amount of efflorescence started to appear around  the top of the cylinders below where any excess bits of concrete had been chipped off  during handling. Figure 4.17below shows the first amounts of efflorescence appearing  at half an hour after de‐moulding the cylinders at five days after casting.  

Darryl Hole 

 

62 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  It  was  interesting  to  discover  the  substantial  difference  between  a  3%  addition  of  calcium  hydroxide  relative  to  the  5%  replacement  of  fly  ash  as  seen  in  Mix  Three.  Despite the fact that Mix Three was deemed a failure, the compressive strengths of the  unaffected  cylinders  were  still  substantial.  From  this,  it  would  be  seen  that  incorporating a 3% replacement of fly ash with calcium hydroxide would produce a mix  that sets within 12 hours and presents positive compressive and tensile strengths.    

  Figure 4.17: Efflorescence Beginning to Form after De‐moulding ‐ Mix Five 

   

4.4

Indirect Tensile Strength of Geopolymer Concrete

  The  relationship  between  the  compressive  strength  and  indirect  tensile  strength  of  concrete  is  well  known.  Whilst  not  as  heavily  relied  upon  from  the  results  point  of  view, the tensile strength of the tested specimens must also be analysed to gain a full  perspective of the conclusions. The tensile strength of these specimens was tested in  compliance with Australian Standard 1012.10‐2000. 

Darryl Hole 

 

63 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  The  indirect  tensile  tests  were  only  carried  out  on  Mix  One  to  Four  due  to  both  material and time restraints. To undertake this, cylinders were produced using 150mm  diameter  by  300mm  long  moulds.  The  tensile  splitting  strength  was  determined  in  accordance with Australian Standards AS1012.10‐2000: Method of testing concrete –  Determination of indirect tensile strength of concrete cylinders (Brasil or splitting test).     From  the  determined  splitting  load  P  (kN),  it  is  possible  to  determine  the  indirect  tensile strength in MPa by the following equation:   

 

T = 2000P / πLD 

Where P = Splitting strength of cylinder in kN.    

L = Length of cylinder in mm 

 

D = Diameter of cylinder in mm. 

 

T = Tensile Strength in MPa 

  For the most part the indirect tensile strength of the four mixes were proportional to  the compressive strength, with Mix One and Three being the strongest easily (2.7 MPa  and 2.2 MPa respectively), and Mix Two and Four trailing behind. Mix Four (2.0 MPa) in  fact  was  quite  a  bit  stronger  in  tension  than  Mix  Two  (1.5  MPa)  in  contrast  to  the  compressive  strength  of  these  two  mixes  in  which  the  two  mixes  were  extremely  similar, Mix Two being just slightly stronger as seen in Figure 4.18.    Due to time and material restraints again, Mix Four only had tensile cylinders cast for  one day of testing. For this reason, the tensile strength development shape of the mix  cannot be viewed and therefore is shown on the below figure by just a marking at 28  days old.    It can be seen that the magnitude of tensile strength of geopolymer concrete at early  stages in the curing life is a fairly good indicator of its later strengths relative to other  mix designs. The ranking of strongest to weakest mix at 14 days old is the same at 28  days after casting. This is in contrast to compressive strength, which can change order  as age increases. This can be seen particularly in Figure 4.1 where the strength of Mix  Darryl Hole 

 

64 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Three was higher than Mix One at 7 days, but that soon changes as Mix Three tapers  off very early.   

Tensile Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

3

Tensile Strength (MPa)

2.5

2

Mix One

1.5

Mix Two  Mix Three Mix Four

1

0.5

0 0

5

10

15

20

25

30

Age After Pouring (Days)

 

Figure 4.18: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four 

    Table 4.13: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four 

TENSILE STRENGTH Age Mix One Mix Two Mix Three Mix Four 2.0 0.95 1.6 14 days 2.7 1.5 2.2 2.0   28 days   Lloyd and Rangan (2009) suggest that it is possible to draw a relationship between the  tensile  and  compressive  strengths  of  geopolymer  concrete.  Over  a  period  from  2007  and  2008,  a  variety  of  mix  designs  were  tested  at  Curtin  University  and  had  their  results  used  to  develop  this  association.  It  was  discovered  that  over  41  tests,  the 

Darryl Hole 

 

65 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

relationship  between  the  compressive  and  tensile  strengths  of  geopolymer  concrete  was:     

Fct = 0.6 ± 0.1√fcm 

  Neville (2000) suggested that a similar relationship can be drawn between the tensile  and  compressive  strength  of  ordinary  Portland  cement  based  cements.  This  relationship was as follows:     

Fct = 0.3 fcm⅔ 

  These relationships were tested with the results obtained through the research for this  report. The results are presented below in Table 4.14.    Table 4.14: Relationship Between Compressive and Tensile Strength 

Age (days) fcm MPa

MIX ONE MIX TWO MIX THREE MIX FOUR

14 28 14 28 14 28 28

17.3 30 7.0 12.8 14.9 18.2 10.8

fct MPa (Lloyd fct MPa and (Neville fct MPa Rangan 2000) 2009) 1.0 2.0 2 1.1 2.9 2.7 0.87 1.1 0.95 0.96 1.6 1.5 0.97 1.8 1.6 1.0 2.1 2.2 0.93 1.5 1.4  

  As can be seen, the estimation for the relationship between tensile and compressive  strengths  for  the  research  carried  out  here  is  much  suited  towards  Neville’s  suggestion.  The  relationship  that  Lloyd  and  Rangan  suggested  did  not  present  very  similar findings to the present research, which is unexpected considering it has been  specifically developed from geopolymer concrete specimens. A possible reason for this  though is that it is stated in the report that all utilized concrete mixes were cured in  the steam room under varying temperatures and regimes. Under the research carried 

Darryl Hole 

 

66 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

out for this  relationship, no  such investigation was carried out with specimens cured  under ambient conditions as in the research for this present report.    At this stage with only four mix designs and 7 values tested, an initial estimation into  the  relationship  between  the  compressive  and  tensile  strengths  of  geopolymer  concrete  cured  under  ambient  conditions  would  suggest  that  Neville’s  suggestion  is  valid.     

Darryl Hole 

 

67 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

5. SUMMARY AND CONCLUSIONS  

5.1

Introduction

  Chapter  5  presents  a  summary  of  the  present study,  the  major  conclusions  from  the  conducted research.    The  main  objective  of  this  study  was  to  further  the  past  research  carried  out  in  geopolymer concrete mix design and develop a scaling up process of work carried out  by  the  Physics  Department  at  Curtin  University,  in  which  they  produced  geopolymer  pastes that set quicker under ambient conditions. By adding aggregate to these mixes  and  therefore  producing  a  geopolymer  concrete,  several  mix  designs  were  tested  by  introducing  different  additives  to  the  concrete.  The  two  processes  differed  by  more  than just adding aggregate, as it was discovered that the longer handling time of the  concrete  restricted  the  effectiveness  in  adding  calcium  hydroxide  to  geopolymer  concrete. It was also apparent how much water is stored within the aggregate, as no  extra water needed to be added to the mix at all, due to how wet the aggregate was in  Mixes Three to Seven.     In  order  to  maintain  a  constant  approach  between  each  of  the  batches,  mixing  procedures, materials used and mix designs for the most part were kept constant.    

5.2

Production of Geopolymer Concrete

  5.2.1

Pre-production Issues

  The  most  important  work  carried  out  before  the  mixing  of  the  concrete  was  the  preparation of the alkaline liquid. This liquid was a combination of a sodium hydroxide  solution and sodium silicate. The sodium hydroxide solution was formed by dissolving  pellets  into  distilled  water  under  pre‐calculated  proportions.  Upon  carrying  out  this 

Darryl Hole 

 

68 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

dissolution  it  was  seen  that  the  reaction  carried  out  was  exothermic,  and  heat  was  generated as the solid dissolved.     Sodium  silicate  was  used  as  obtained  through  a  local  supplier.  These  two  elements  were  combined  at  the  beginning  of  the  day  of  mixing  and  kept  sealed  until  use.  The  sodium hydroxide solution though was able to be produced a few days prior to mixing  so long as any precipitate formed in that standing time was re‐dissolved again before  use. No super plasticisers were used in the laboratory work in this research.    Aggregates were not prepared prior to use to provide a realistic comparison to that of  a larger scale in industry. The water content of the aggregates were taken, though, and  noted what effect this content had on the final results.   

5.3

Results and Observations

  5.3.1

The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing

  The  addition  of  silica  fume  to  geopolymer  concrete  produced  a  faster  setting  mix;  however it had a negative effect on the compressive and tensile strength. In this mix,  silica fume was added at a quantity of 8.3% of the geopolymer paste as a replacement  for  fly  ash.  The  28  day  compressive  strength  for  Mix  Two  peaked  at  12.8  MPa  comparative to Mix One’s 30.0 MPa (Figure 4.8).    The  addition  of  this  silica  fume  to  the  concrete  mix  also  caused  a  swelling  of  the  cylinder, resulting in a porous expansion above the top of the mould upon setting as  seen in Figures 4.6 and 4.7.    5.3.2

The Effect of Free Water Content on Geopolymer Concrete

  It was seen that under ambient conditions in the middle months of the year in Western  Australia, the curing of standard geopolymer concrete with no additives takes almost a  week, therefore preventing any testing to be undertaken before an age of 7 days.  Darryl Hole 

 

69 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

  The effect of raising the free water content in geopolymer concrete was similar to that  of ordinary concrete, reducing its strength. This was confirmed in Mix Four, where by  doubling the free water content of Mix One, the 28 day strength resulted in one third  of it with 10.8 MPa (Figure 4.10).    5.3.3

The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing

  The  addition  of  calcium  hydroxide  within  a  geopolymer  concrete  mix  causes  the  concrete mix to set quicker. In the research carried out, the use of calcium hydroxide  did not improve the compressive strength of the concrete despite it setting quicker.    It  can  be  seen  in  Table  4.16  that  increasing  the  amount  of  calcium  hydroxide  into  a  geopolymer  concrete  mix  proportionally  increases  the  compressive  strength  of  the  concrete  mix.  It  was  seen  that  an  addition  of  3%  of  the  geopolymer  of  calcium  hydroxide  produced  a  concrete  mix  that  set  within  24  hours  and  exhibited  a  compressive strength extremely similar the standard reference mix (11.0 MPa). It was  also  seen  that  0.5%  and  1%  of  calcium  hydroxide  added  in  fact  decreased  the  compressive strength of the mix (Figure 4.16).     Upon  replacement  of  5%  of  fly  ash  with  calcium  hydroxide  in  a  geopolymer  mix,  the  concrete flash set at approximately 10 minutes into placing the concrete into moulds.  It was also seen that the chemicals in the mix were furiously reacting after thorough  mixing  in  of  the  calcium  hydroxide.  Though  the  strength  of  Mix  Three  (5%  calcium  hydroxide  utilized)  substantially  higher  than  the  reference  strength,  it  was  seen  as  a  failed mix because of the rapid setting and therefore would not be applicable in large  scale operations (Table 4.10).     5.3.4

Other Observations During Research

  During  this  research,  all  ambient  cured  geopolymer  concrete  specimens  developed  a  layer of efflorescence on the outside as seen in Figures 4.4 and 4.5. This efflorescence  Darryl Hole 

 

70 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

is thought to be unreacted sodium hydroxide in a white crystalline form (Temuujin, van  Riessen and Williams 2009). This however, did not occur in the experimental research  carried out in the steam curing of geopolymer concrete specimens.        

Darryl Hole 

 

71 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

6. RECOMMENDATIONS   To further develop the application of geopolymer concrete for structural use, research  needs to be continued in order to refine the knowledge attained on the properties of  this  material.  The  research  carried  out  for  this  report  extends  to  only  a  very  limited  scope of the variables that were suggested for investigation. Because of both material  and  time  restraints,  a  number  of  variables  were  not  tested,  however  the  following  points  are  recommendations  to  be  investigated  in  further  research  on  geopolymer  concrete mix design.    1. As can be seen by the shape of Mix One’s strength vs. age graph in Figure 4.3,  the strength development of geopolymer concrete extends for a period beyond  28  days.  The  next  step  would  be  to  investigate  the  strength  development  of  geopolymer  concrete  for  long  term  periods  after  pouring.  The  comparison  of  the  final  strength  of  geopolymer  concrete  comparative  to  the  strength  development  of  OPC  concrete  would  promote  the  use  of  it  in  long  term  applications.    2. Past  research  has  shown  that  the  addition  of  silica  fume  in  concretes with  fly  ash aid the strength after ambient curing. Similar to the method carried out in  this  report  for  calcium  hydroxide,  it  is  worth  investigating  the  optimum  quantity  of  silica  fume  required  in  a  geopolymer  concrete  mix  that  allows  a  quicker setting time and a higher early strength of the concrete.    3. Mix Three showed promising results with the addition of calcium hydroxide to  the  concrete,  but  unfortunately  did  not  allow  enough  time  to  complete  the  pour  before  it  set.  A  possible  solution  into  this  could  be  the  use  of  super  plasticiser  in  the  mix.  This  will  increase  the  setting  time  of  the  mix  and  therefore hopefully provide a delay prior to rapid setting occurring. The super  plasticiser  would  be  added,  though,  not  as  a  final  additive  like  the  calcium 

Darryl Hole 

 

72 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

hydroxide,  but  as  part  of  the  alkaline  liquid  prior  to  mixing  with  the  dry  materials.     4. Mix Four was used to investigate whether raising the free water content of  a  geopolymer  concrete  lowered  the  strength  of  the  mix,  as  is  the  case  with  ordinary Portland cement based concrete. The free water content between the  two  compared  mixes  differed  greatly,  and  therefore  producing  a  mix  with  a  water content between Mix One and Four would establish whether any type of  linear relationship exists within this variable.      5. To  follow  on  from  Lloyd  and  Rangan’s  (2009)  research  for  the  relationship  between  compressive  and  tensile  strengths,  further  investigation  into  this  relationship  could  be  considered  for  ambient  cured  geopolymer  concrete.  An  initial investigation into this has been carried out in this report, however only  four  mixes  were  tested  for  tensile  strength  due  to  material  and  time  constraints. Lloyd and Rangan only developed this relationship for geopolymer  concrete specimens under steam curing.    6. An initial aim for this thesis was to investigate the use of a bayer liquor residue  to  produce  a  geopolymer  concrete  mix,  which  was  unfortunately  not  carried  out due to time restraints. Bayer liquor is a waste material that is produced in  the  bauxite  removal  stage  in  the  production  of  alumina.  The  Centre  of  Materials  Research  at  Curtin  has  previously  used  this  material  to  produce  a  geopolymer  paste  in  small  quantities.  Scaling  this  exercise  up  to  produce  a  concrete mix with the bayer would provide a largely sustainable option in using  a  concrete  that  is  comprised  of  fly  ash  and  bayer,  two  industrial  waste  products.     7. Further  to  this,  once  the  transition  of  bayer  liquor  in  a  geopolymer  paste  to  concrete has been made, the next step in a sustainability exercise would be to  investigate  what  amount  of  the  conventionally  made  alkaline  solution  can  be  directly replaced with the bayer. This would not only increase the sustainability  Darryl Hole 

 

73 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

view of the concrete, in using large amounts of waste, but an economic benefit  could be established in negating the need to dispose of this material. Elemental  composition of the concrete obviously matters, but by progressively increasing  the  amount  of  bayer  in  the  mix,  which  replaces  the  costly  sodium  hydroxide  and sodium silicate, economic and environmental advantage could be had.    8. The  effect  of  adding  calcium  hydroxide  to  a  geopolymer  concrete  mix  was  investigated  in  Mixes  Three,  Five,  Six  and  Seven.  However,  due  to  the  conditions  in  which  the  aggregates  were  kept,  each  of  these  mixes  ended  up  with  a  substantially  high  water  content  in  order  to  keep  a  viable  comparison.  Mixes  Three  (5%  calcium  hydroxide)  and  Seven  (3%  calcium  hydroxide)  exhibited  the  largest  compressive  strength,  yet  was  limited  through  the  high  water content. It is worth reproducing these mixes with a lower water content  to investigate just how well this product works in geopolymer concrete. 

Darryl Hole 

 

74 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

REFERENCES   Ash Development Association of Australia. 2009. Coal Ash Matters May 2009.  http://www.adaa.adn.au/docs/Coal_Ash_Matters_May_09 (accessed  September 16, 2009).     Barbhuiya, S. A., J. K. Gbagbo, M. I. Russell, and P. A. M. Basheer. 2009. Properties of   fly ash concrete modified with hydrated lime and silica fume. Construction and  Building Materials 23 (10): 3233‐3239.  http://www.sciencedirect.com/science/article/B6V2G‐4WS85SX‐ 1/2/8b71b06e46b273e47193252653c20399 (accessed September 15, 2009).    Bureau of Meteorology. 2009. Western Australian Weather and Warnings.    

http://www.bom.gov.au/weather/wa/ (accessed August 3, 2009).  

  Cross, D., J. Stephens, and J. Vollmer. 2005. “Field trials of 100% fly ash concrete.”   

Concrete International 27(9): 47‐51. 

  Damtoft, J. S., J. Lukasik, D. Herfort, D. Sorrentino, and E. M. Gartner. 2008.   “Sustainable development and climate change initiatives.” Cement and  Concrete Research 38 (2): 115‐127.  http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TWG‐4PYMWW3‐ 1/2/7d4ac12efd5dc1867c42d07ec788b970 (accessed March 28, 2009).    Davidovits, J. 1999. “Chemistry of Geopolymer Systems, Teminology.” Geopolymer ’99   

International Conference, France. 

  Grading Curve [Image]. 2009. http://www.episkeves.civil.upatras.gr/ (accessed    

May 19, 2009).  

 

Darryl Hole 

 

75 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Hardjito, D. and B. V. Rangan. 2005 “Development and properties of low‐calcium fly   

ash‐based geopolymer concrete.” Research Report GC1, Faculty of Engineering,   Curtin University of Technology.  http://www.geopolymer.org.  

 

(accessed April 29, 2009). 

  Hardjito, D, S. E. Wallah, D. M. J. Sumajouw, B. V. Rangan. 2004. “On the Development  of Fly Ash‐Based Geopolymer Concrete.” ACI Materials Journal 101‐M52.  http://www.sciencedirect.com (accessed April 29, 2009).   

 

Hendriks, C.A., E. Worrell, D. deJager, K. Block, and P. Riemer. 2003. “Emission  reduction of greenhouse gases from the cement industry.” IEA Greenhouse gas  R&D Programme. http://www.ieagreen.org.uk/prghgt42.htm (accessed April  11, 2009).   

 

 

Huntzinger, D. N., and T. D. Eatmon. 2009. “A life‐cycle assessment of Portland cement   manufacturing: comparing the traditional process with alternative  technologies.” Journal of Cleaner Production 17 (7): 668‐675.  http://www.sciencedirect.com/science/article/B6VFX‐4SWP1TT‐ 1/2/017ab91eca875d825dfb76028d85907f (accessed April 11, 2009).    Johnson, G. 2007. “Geopolymer concrete and method of preparation and casting.”  United States Patent Application Publication 0125272 A1.  http://www.freepatentsonline.com/y2007/0125272.html (accessed April 8,  2009).    Lloyd, N. and V. Rangan. 2009. “Geopolymer concrete: Sustainable cement‐less    

concrete.”  

  Malhotra, V.M. 2002. “Introduction: Sustainable development and concrete    

technology.”   ACI Concrete International 24(7): 22. 

 

Darryl Hole 

 

76 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Mehta, P.K. 2001. “Reducing the Environmental Impact of Concrete.” Concrete    

International 23(10): 61‐66.   

  Neville, A. M. 2000. Properties of Concrete. New York: John Wiley and Sons.    Sofi, M, van Deventer, J.S.J., Mendis, P.A., Lukey, G.C. 2006. “Engineering properties of   inorganic polymer concretes (IPCs).” Cement and Concrete Research 37 (2007)  251‐ 257. Science Direct. http://www.sciencedirect.com (accessed March 28,  2009).    Standards Australia. 1999. “Method of testing concrete – Determination of the    

Compressive strength of concrete specimens.” AS1012.9. Standards Australia 

 

Online.http://www.saiglobal.com (accessed June 9, 2009). 

  Standards Australia. 2000. “Method for sampling and testing aggregates. Method 5:      

Particle density and water absorption of fine aggregate.” AS1141.5. Standards 

 

Australia Online. http://www.saiglobal.com (accessed May 28, 2009). 

    Standards Australia. 2000. “Method of testing concrete – Determination of indirect   tensile strength of concrete cylinders (Brasil or splitting test).” AS1012.10.  Standards Australia Online. http://www.saiglobal.com (accessed June 9, 2009).    Temuujin, J., A. van Riessen, and R. Williams. 2009. Influence of calcium compounds on   the mechanical properties of fly ash geopolymer pastes. Journal of Hazardous  Materials 167 (1‐3): 82‐88.  http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TGF‐4VB01X1‐ 1/2/75cbb075d0800a72d9ad23f9672e7d82 (accessed September 15, 2009).    Wallah, S. E. and B. V. Rangan. 2006. “Low Calcium Fly Ash‐Based Geopolymer        Concrete: Long‐Term Properties.”Research Report GC2, Faculty of Engineering,  

Darryl Hole 

 

77 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Curtin University of Technology. http://www.geopolymer.org (accessed April  29, 2009).      

Darryl Hole 

 

78 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

 

APPENDIX A Mix Design Details of Carried Out Geopolymer Concrete Mixes                               

Darryl Hole 

 

79 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

MIX ONE MIX TWO MIX THREE MIX FOUR MIX FIVE MIX SIX MIX SEVEN Materials kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg 20 mm 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.5 10 mm 277 18 277 18 277 18 277 19 277 2.8 277 2.8 277 2.8 7 mm 462 30 462 30 462 30 462 32 462 4.6 462 4.6 462 4.6 Sand 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.5 Fly Ash 408 27 362 24 380 25 408 29 408 4.1 408 4.1 408 4.1 Sodium Silicate 103 6.7 103 6.7 103 6.7 103 7.2 103 1.0 103 1.0 103 1.0 Sodium Hydroxide 41 2.7 41 2.7 41 2.7 41 2.9 41 0.4 41 0.4 41 0.4 Silica Fume 46 3.0 Calcium Hydroxide 28 1.8 2.8 0.03 5.5 0.1 17 0.2 Extra Water 23 1.5 23 1.5 96 1.0 96 1.0 96 1.0 TOTAL 2423 157.5 2423 157.5 2400 156.0 2400 168.0 2499 25.0 2502 25.0 2513 25.1

    Compressive Strength of Mix Designs (MPa) Age (days) 7 14 21 MIX ONE 8.6 17 24 MIX TWO 1.9 7 10 MIX THREE 9.2 15 17 MIX FOUR 2.5 MIX FIVE 3.2 MIX SIX 3.6 MIX SEVEN 5.1 -

 

Darryl Hole 

 

80 

28 30 13 18 11 7.0 8.0 11  

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

APPENDIX B Details of Geopolymer Concrete Cylinder Testing             

Darryl Hole 

 

81 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

Mix One

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

Standard geopolymer reference mix

COMPRESSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 7 day 9th June 2009 7 day - 1 3960 205.1 99.5 7776 68.7 8.835 7 day - 2 4044 205.3 100 7854 66.8 8.505 7 day - 3 3994 204.7 99.8 7823 65.6 8.386 Average 8.576 14 day 16th June 2009 14 day - 1 3972

205.6

99.6

7791

131.1

16.8

14 day - 2 14 day - 3

3968 3989

203.7 204.3

99.6 100.0

7791 7854

131 143.0 Average

16.8 18.2 17.3

21 day 23rd June 2009 21 day - 1 3947 21 day - 2 3936 21 day - 3 3962

198.4 203.8 205

100.4 99.5 100.1

7917 7776 7870

190.2 191.5 194.3 Average

24.0 24.6 24.7 24.4

28 day 30th June 2009 28 day - 1 3990 28 day - 2 3934 28 day - 3 3957

205.1 203.4 203.8

100.2 99.8 99.6

7885 7823 7791

234 236.9 233.3 Average

29.7 30.3 29.9 30.0

TENSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 14 day 16th June 2009 14 day - 1 13008 300.5 149.9 17648 141.2 2.0 14 day - 2 13061 300 149.8 17624 140.6 2.0 14 day - 3 13034 300 149.8 17624 137.9 2.0 Average 2.0 28 day 30th June 2009 28 day - 1 12916 28 day - 2 12957 28 day - 3 12977

Materials 20 mm 14 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate odium Hydroxide Extra Water Silica Fume

Darryl Hole 

kg/m3 554.4 277.2 462 554.4 408 103 41 23.1 0

301 300.5 300

MIX ONE kg 36.0 18.0 30.0 36.0 26.5 6.7 2.7 1.5 0.0

149.6 150.1 150.2

17577 17695 17719

182 194.4 191.8 Average

2.6 2.7 2.7 2.7

% 23.1 11.6 19.3 23.1 17.0 4.3 1.7 1.0 0.0

 

 

82 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

Mix Two

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

8.3% silica fume fly ash replacement, cut - poured 2nd June 2009

COMPRESSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 7 day 9th June 2009 7 day - 1 3816 203.7 100 7854 15.7 2.0 7 day - 2 3806 202.7 100.1 7870 15.9 2.0 7 day - 3 3771 202.7 99.7 7807 14.2 1.8 Average 1.9 14 day 16th June 2009 14 day - 1 3813 14 day - 2 3813 14 day - 3 3792

203.3 203.9 201.4

99.8 100 99.3

7823 7854 7744

53.5 56.5 54.4 Average

6.8 7.2 7.0 7.0

21 day 23rd June 2009 21 day - 1 3972 21 day - 2 3731 21 day - 3 3820

201.2 200.7 202.3

99.6 100.8 100.3

7791 7980 7901

79.4 80.5 81.9 Average

10.2 10.1 10.4 10.2

28 day 30th June 2009 28 day - 1 3771 28 day - 2 3880 28 day - 3 3820

202.4 202 202.1

100 100.7 100.4

7854 7964 7917

103.3 113.4 87.8 Average

13.2 14.2 11.1 12.8

TENSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 14 day 16th June 2009 14 day - 1 12977 306.5 149.9 17648 66.9 0.9 14 day - 2 12989 307 149.8 17624 69.3 1.0 14 day - 3 13048 308 150.2 17719 69.2 1.0 Average 0.9 28 day 30th June 2009 28 day - 1 12910 28 day - 2 13005 28 day - 3 12914

Materials 20 mm 14 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate odium Hydroxide Extra Water Silica Fume

Darryl Hole 

kg/m3 554.4 277.2 462.0 554.4 362.2 103.0 41.0 23.1 45.8

306 310 311

MIX TWO kg 36.0 18.0 30.0 36.0 23.5 6.7 2.7 1.5 3.0

149.7 150 149.7

17601 17671 17601

105.7 111.2 103.8 Average

1.5 1.5 1.4 1.5

% 23.1 11.6 19.3 23.1 15.1 4.3 1.7 1.0 1.9

 

 

83 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

Mix Three

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

5% calcium hydroxide, fly ash replacement - poured 27th July 2009

COMPRESSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 7 day 3rd August 2009 7 day - 1 3.832 200.2 100.1 7870 77.2 9.8 7 day - 2 3.906 204.2 99.9 7838 75.5 9.6 7 day - 3 3.784 200 99.7 7807 63.1 8.1 Average 9.2 14 day 10th August 2009 14 day - 1 3.770 14 day - 2 3.822 14 day - 3 3.772

201.1 201.2 200.2

100 99.9 100.0

7854 7838 7854

117.4 118.9 114.4 Average

14.9 15.2 14.6 14.9

21 day 17th August 2009 21 day - 1 3.771 21 day - 2 3.801 21 day - 3 3.531

198 201.6 188.2

99.9 100.3 99.4

7838 7901 7760

131.3 137.8 129.8 Average

16.8 17.4 16.7 17.0

28 day 24th August 2009 28 day - 1 3.697 28 day - 2 3.710 28 day - 3 3.815

196 199.8 205.5

99.7 99.6 99.6

7807 7791 7791

142.8 138.4 144.9 Average

18.3 17.8 18.6 18.2

TENSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 14 day 10th August 2009 14 day - 1 12.335 275 149.9 17648 111.4 1.7 14 day - 2 12.855 282 150.2 17719 101.9 1.5 14 day - 3 12.825 301 150.2 17719 113.5 1.6 Average 1.6 28 day 24th August 2009 28 day - 1 12.611 28 day - 2 12.841 28 day - 3 12.222

Materials 20 mm 14 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate odium Hydroxide alcium Hydroxide Extra Water

Darryl Hole 

kg/m3 554.4 277.2 462 554.4 380.4 103 41 27.6 0

285 282 209

MIX THREE kg 36.0 18.0 30.0 36.0 24.7 6.7 2.7 1.8 0.0

149.5 149.4 149.8

17554 17530 17624

138.4 135.3 123.1 Average

2.1 2.0 2.5 2.2

% 23.1 11.6 19.3 23.1 15.9 4.3 1.7 1.2 0.0

 

 

84 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

Mix Four

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

No Silica Fume, uncut, large water content - poured 6th August 2009

COMPRESSION Mass (g) Length (mm Diam 7 day 13th August 2009 7 day - 1 3.876 199.9 7 day - 2 3.832 201 7 day - 3 3.851 200.3

28 day 3rd September 2009 28 day - 1 3.726 28 day - 2 3.735 28 day - 3 3.792

(mm) Area (mm2) Force (kN)

Stress (Mpa)

100.4 100.3 100.7

7917 7901 7964

20.8 19.2 19.5 Average

2.6 2.4 2.4 2.5

98.5 99 99.9

7620 7698 7838

78.9 81.6 89.9 Average

10.4 10.6 11.5 10.8

198.4 199.4 199.7

TENSION 28 day 3rd 28 day - 1 28 day - 2 28 day - 3

Mass (g) Length (mm Diam September 2009 13 298.5 13 301 13 295

Materials 20 mm 14 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate odium Hydroxide Extra Water Silica Fume

kg/m3 554.4 277.2 462 554.4 408 103 41 0.0 0

MIX FOUR kg 38.8 19.4 32.3 38.8 28.6 7.2 2.9 0.0 0.0

(mm) Area (mm2) Force (kN) 149.8 148.9 150.3

17624 17413 17742

101.8 93.7 95.3 Average

Stress (Mpa) 1.4 1.3 1.4 1.4

% 23.1 11.6 19.3 23.1 17.0 4.3 1.7 0.0 0.0

 

             

Darryl Hole 

 

85 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

Mix Five

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

0.5% calcium hydroxide additive, poured 24th September 2009

COMPRESSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 7 day 13th August 2009 7 day - 1 3.759 201.0 99.3 7744 25.6 3.3 7 day - 2 3.703 199.0 99.6 7791 24.1 3.1 7 day - 3 3.753 200.0 100.0 7854 24.2 3.1 Average 3.2 28 day 3rd September 2009 28 day - 1 3.636 28 day - 2 3.669 28 day - 3 3.683

Materials 20 mm 14 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Extra Water Calcium Hydroxide

kg/m3 554 277 462 554 408 103 41 96 2.76

199.2 199.2 199.8

MIX FIVE kg 5.5 2.8 4.6 5.5 4.1 1.0 0.41 1.0 0.03

99.0 100.1 99.1

7698 7870 7713

54.7 62.1 56.4 Average

7.1 7.9 7.3 7.4

% 22.1 11.2 18.4 22.1 16.4 4.0 1.6 4.0 0.1

 

                       

Darryl Hole 

 

86 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

Mix Six

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

1% calcium hydroxide additive, poured 24th September 2009

COMPRESSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 7 day 13th August 2009 7 day - 1 3.755 201.0 99.6 7791 25.8 3.3 7 day - 2 3.775 200.0 99.3 7744 32.2 4.2 7 day - 3 3.783 200.0 99.7 7807 27.1 3.5 Average 3.6 28 day 3rd September 2009 28 day - 1 3.712 28 day - 2 3.704 28 day - 3 3.651

Materials 20 mm 14 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Extra Water Calcium Hydroxide

kg/m3 554 277 462 554 408 103 41 96 5.5

201.5 200.2 199.7

MIX SIX kg 5.5 2.8 4.6 5.5 4.1 1.0 0.41 1.0 0.10

100.0 99.9 99.5

7854 7838 7776

71.4 60.5 55.7 Average

9.1 7.7 7.2 8.0

% 22.1 11.2 18.4 22.1 16.4 4.0 1.6 4.0 0.4

 

                       

Darryl Hole 

 

87 

Civil Engineering Project 461 & 462  Curtin University of Technology 

Mix Seven

        Mix Design Development of Geopolymer Concrete   

3% calcium hydroxide additive, poured 24th September 2009

COMPRESSION Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa) 7 day 13th August 2009 7 day - 1 3.753 200.2 100.1 7870 40.7 5.2 7 day - 2 3.783 201.4 99.6 7791 40.2 5.2 7 day - 3 3.761 201.2 100.2 7885 39.1 5.0 Average 5.1 28 day 3rd September 2009 28 day - 1 3.707 28 day - 2 3.732 28 day - 3 3.711

Materials 20 mm 14 mm 7 mm Sand Fly Ash Sodium Silicate Sodium Hydroxide Extra Water Calcium Hydroxide

Darryl Hole 

kg/m3 554 277 462 554 408 103 41 96 17

200.3 202.9 200.5

MIX SEVEN kg 5.5 2.8 4.6 5.5 4.1 1.0 0.41 1.0 0.20

100.2 99.2 99.4

7885 7729 7760

94.4 75.8 86.1 Average

12.0 9.8 11.1 11.0

% 22.1 11.2 18.4 22.1 16.4 4.0 1.6 4.0 0.8

 

 

88 

View more...

Comments

Copyright ©2017 KUPDF Inc.
SUPPORT KUPDF