Please wait a minute...

Frontiers of Structural and Civil Engineering

Front. Struct. Civ. Eng.    2018, Vol. 12 Issue (1) : 16-25
Effects of seeding nucleation agent on geopolymerization process of fly-ash geopolymer
1. Siam Cement Group, Building and Construction Materials, Saraburi 18260, Thailand
2. Faculty of Engineering, Bangkokthonburi University, Bangkok 10170, Thailand
Download: PDF(841 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks

Geopolymer, an inorganic aluminosilicate material activated by alkaline medium solution, can perform as an inorganic adhesive. The geopolymer technology has a viability to substitute traditional concrete made of portland cement (PC) because replacing PC with fly ash leads to reduced carbon dioxide emissions from cement productions and reduced materials cost. Although fly ash geopolymer stimulates sustainability, it is slow geopolymerization reaction poses a challenge for construction technology in term of practicality. The development of increasing geopolymerization reaction rate of the geopolymer is needed. ?The purpose of this study is to evaluate seeding nucleation agents (NA) of fly ash geopolymer that can accelerate polymerization reactions such that the geopolymer can be widely used in the construction industry. Results from the present study indicate that the use of NA (i.e., Ca(OH)2) can be potentially used to increase geopolymerization reaction rate and improve performance characteristics of the fly ash geopolymer product.

Keywords fly ash      geopolymer      nucleation agent      portland cement replacement     
Corresponding Author(s): Issara SEREEWATTHANAWUT   
Online First Date: 24 February 2017    Issue Date: 08 March 2018
 Cite this article:   
Lapyote PRASITTISOPIN,Issara SEREEWATTHANAWUT. Effects of seeding nucleation agent on geopolymerization process of fly-ash geopolymer[J]. Front. Struct. Civ. Eng., 2018, 12(1): 16-25.
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
compositionfly ash/%PC/%
loss on ignition0.252.60
insoluble residue-0.11
CaCO3 in limestone-97.8
Tab.1  Chemical composition of class-F fly ash and PC
Fig.1  SEM micrograph and EDS spectra of fly ash
Fig.2  Plot of initial setting time (minutes in log scale) as a function of 1/temperature (K-1) of paste containing 1% of different NA (left) bnnand fitted Arrhenius equations (right)
Fig.3  Plot of initial setting time of pastes as a function of percent addition of Ca(OH)2 (PC systems at the w/c values of 0.3 and 0.4 are shown for the reference)
Fig.4  Plot of compressive strength as a function of age of mortars containing different percent additions of Ca(OH)2 (PC system is shown for the reference)
Fig.5  Plot of the concentration of a) Ca and b) Al ions as a function of hydration time of pastes containing different percent additions of Ca(OH)2 (PC systems are shown for the reference)
Fig.6  SEM image of (a) and (b) fly ash geopolymer+ 0% Ca(OH)2, (c) and (d) fly ash geopolymer+ 3% Ca(OH)2, and (e) and (f) PC systems at high (left) and low (right) magnification
Fig.7  CaO-Al2O3-SiO2 ternary diagram of the composition of fly ash and PC systems
1 Horvath A. Construction materials and the environment. Environment and Resources, 2004, 29: 181–204
2 Vassilev S V, Menendez R, Alvarez D, Diaz-Somoano M, Martinez-Tarazona M R. Phase-mineral and chemical composition of coal fly ashes as a basis for their multicomponent utilization. 1. Characterization of feed coals and fly ashes. Fuel, 2003, 82(14): 1793–1811
3 Williams R P, van Riessen A. Determination of the reactive component of fly ashes for geopolymer production using XRF and XRD. Fuel, 2010, 89(12): 3683–3692
4 Ahmaruzzaman M, Gupta V K. Rice husk and its ash as low-cost adsorbents in water and wastewater treatment. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2011, 50(24): 13589–13613
5 Erol M, Küçükbayrak S, Ersoy-Meriçboyu A. Characterization of coal fly ash for possible utilization in glass production. Fuel, 2007, 86(5-6): 706–714
6 Haynes R J. Reclamation and revegetation of fly ash disposal sites – Challenges and research needs. Journal of Environmental Management, 2009, 90(1): 43–53
7 Fernández-Jimenez A, de la Torre A G, Palomo A, López-Olmo G, Alonso M M, Aranda M A G. Quantitative determination of phases in the alkali activation of fly ash. Part I. Potential ash reactivity. Fuel, 2006, 85(5-6): 625–634
8 Dermatas D, Meng X. Utilization of fly ash for stabilization/solidification of heavy metal contaminated soils. Engineering Geology, 2003, 70(3-4): 377–394
9 Somna K, Jaturapitakkul C, Kajitvichyanukul P, Chindaprasirt P. NaOH-activated ground fly ash geopolymer cured at ambient temperature. Fuel, 2011, 90(6): 2118–2124
10 Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. 2nd ed. Institue Geopolymere, Saint-Quentin, France, 2008
11 Panias D, Giannopoulou I P, Perraki T. Effect of synthesis parameters on the mechanical properties of fly ash-based geopolymers. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects, 2007, 301(1-3): 246–254
12 Gartner E. Industrially interesting approaches to “low-CO2” cements. Cement and Concrete Research, 2004, 34(9): 1489–1498
13 Juenger M C G, Winnefeld F, Provis J L, Ideker J H.Advances in Alternative Cementitious Binders, 2010
14 Li Q, Xu H, Li F, Li P, Shen L, Zhai J. Synthesis of geopolymer composites from blends of CFBC fly and bottom ashes. Fuel, 2012, 97: 366–372
15 McLellan B C, Williams R P, Lay J, van Riessen A, Corder G D. Cost and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordianry portland cement. Journal of Cleaner Production, 2011, 19(9–10): 1080–1090
16 Schmücker M, MacKenzie K J D. Microstructure of sodium polysialate siloxo geopolymer. Ceramics International, 2005, 31(3): 433–437
17 Ismael M R, dos Anjos R D, Salomao R, Pandolfelli V C. Colloidal silica as a nanostructured binder for refractory castables. Refractories App, 2006, 11: 16–20
18 Phair J W, van Deventer J S J. Characterization of fly-ash-based geopolymeric binders activated with sodium aluminate. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2002, 41(17): 4242–4251
19 Kong D L Y, Sanjayan J G, Sagoe-Crentsil K. Comparative performance of geopolymers made with metakaolin and fly ash after exposure to elevated temperatures. Cement and Concrete Research, 2007, 37(12): 1583–1589
20 Chindaprasirt P, Chareerat T, Sirivivatnanon V. Workability and strength of coarse high calcium fly ash geopolymer. Cement and Concrete Composites, 2007, 29(3): 224–229
21 Sumajouw D M, Hardjito D, Wallah S E, Rangan B V. Fly ash-based geopolymer concrete: Study of slender reinforced columns. Journal of Materials Science, 2007, 42(9): 3124–3130
22 Lee W K W, van Deventer J S J. The effect of ionic contaminants on the early-age properties of alkali-activated fly ash-based cements. Cement and Concrete Research, 2002, 32(4): 577–584
23 Duxson P, Lukey G C, van Deventer J S J. Thermal conductivity of metakaolin geopolymers used as a first approximation for determining gel interconnectivity. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(23): 7781–7788
24 Hardjito D, Rangan B V. Development and Properties of Low-Calcium Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. Curtin University of Technology, Perth, Australia, 2005
25 Palomo A, Blanco-Varela M T, Granizo M L, Puertas F, Vazquez T, Grutzeck M W. Chemical stability of cementitious materials based on metakaolin. Cement and Concrete Research, 1999, 29(7): 997–1004
26 Fernandez-Jimenez A, Garcia-Lodeiro I, Palomo A. Durability of alkali-activated fly ash cementitious materials. Journal of Materials Science, 2007, 742(9): 3055–3065
27 Puertas F, Martinez-Ramirez S, Alonso S, Vazquez T. Alkali-activated fly ash/slag cement: Strength behaviour and hydration products. Cement and Concrete Research, 2000, 30: 1625–1632
28 Haddad R H, Alshbuol O. Production of geopolymer concrete using natural pozzolan: A parametric study. Construction & Building Materials, 2016, 114: 699–707
29 Albitar M, Mohamed Ali M S, Visintin P, Drechsler M. Effect of granulated lead smelter slag on strength of fly ash-based geopolymer concrete. Construction & Building Materials, 2015, 83: 128–135
30 Adam A A, Horianto X X X. The effect of temperature and duration of curing on the strength of fly ash based geopolymer mortar. Procedia Engineering, 2014, 95: 410–414
31 Arioz E, Arioz O, Mete Kockar O. An experimental study on the mechanical and microstrutural properties of geopolymers. Procedia Engineering, 2012, 42: 100–105
32 Albitar M, Visintin P, Ali M M, Drechsler M. Assessing behaviour of fresh and hardened geopolymer concrete mixed with class-F fly ash. KSCE Journal of Civil Engineering, 2015, 19(5): 1445–1455
33 Oh J E, Monteiro P J M, Jun S S, Choi S, Clark M. The evolution of strength and crystalline phases for alkali-activated groud blast furnance slag and fly ash-based geopolymers. Cement and Concrete Research, 2010, 40(2): 189–196
34 Nazari A, Sanjayan J. Handbook of Low Carbon Concrete. Butterworth-Heinemann, 2016
35 Young J R, How M J, Walker A P, Worth W M H. Classification as corrosive or irritant to skin of preparations containing acidic or alkaline substances without testing on animals. Toxicology in Vitro, 1988, 2(1): 19–26
36 Currell B R, Grzeskowilak R, Midgley H G, Parsonage J R. The acceleration and retardation of set high alumina cement by additives. Cement and Concrete Research, 1987, 17(3): 420–432
37 Damidot D, Rettel A, Capmas A. Action of admixtures on fondu cement: Part I lithium and sodium salts compared. Advances in Cement Research, 1996, 8(31): 111–119
38 Novinson T, Crahan J. Lithium salts as set accelerators for refractory concretes: Correlation of chemical properties with setting times. ACI Materials Journal, 1988, 85: 12–16
39 Luong T, Mayer H, Eckert H, Novinson T I. In Situ 27Al NMR studies of cement hydration: the effect of lithium-containing setting accelerations. Journal of the American Ceramic Society, 1989, 72(11): 2136–2141
40 Matusinovic T, Curlin D. Lithium salts as set accelerators for high alumina cement. Cement and Concrete Research, 1993, 23(4): 885–895
41 Wang H, Eubanks K, Fitch B, Manissero C, Marin F. Effective use of lithium-based admixtures for set control of cementitious system. ACI- Special Pub, 1997, 173: 893–908
42 Millard M J, Kurtis K E. Effects of lithium nitrate admixture on early-age cement hydration. Cement and Concrete Research, 2008, 38(4): 500–510
43 O’Connor S J, MacKenzie K J D. Synthesis, characterisation and thermal behaviour of lithium aluminosilicate inorganic polymers. Journal of Materials Science, 2010, 45(14): 3707–3713
44 Jang H M, Kim K S, Jung C J. Chemical processing and densification characteristics of lithium aluminosilicate (LAS) gels. Journal of Materials Research, 1992, 7(08): 2273–2280
45 Rodger S A, Double D D. The chemistry of hydration of high alumina cement in the presence of accelerating and retarding admixtures. Cement and Concrete Research, 1984, 14(1): 73–82
46 Dove P M, Nix C J. The influence of the alkaline earth cations, magnesium, calcium, and barium on the dissolution kinetics of quartz. Geochemi. Cosmoch. Acta, 1997, 61(16): 3329–3340
47 Dove P M, Elston S F. Dissolution kinetics of quartz in sodium chloride solutions: Analysis of existing data and a rate model for 25°C. Geochemi Cosmoch Acta, 1992, 56(12): 4147–4156
48 Barker P, Fontes J C, Gasse F, Druart J C. Experimental dissolution of diatom silica in concentrated salt solutions and implications for paleoenviromental reconstruction. Limnology and Oceanography, 1994, 39(1): 99-110
49 Kamiya H, Shimokata K. The role of salts in the dissolution of powdered quartz. In: Cadek J, Paces T. eds. In:Proceedings of the International Symposium on Water-rock Interaction. Czechoslovakian Geol, Survey, Prague, 1976
50 House W A. The role of surface complexation in the dissolution kinetics of silica: Effects of monovalent and divalent ions at 25°C. J. Journal of Colloid & Interface Science, 1994, 163(2): 379–390
51 Rattanasak U, Pankhet K, Chindaprasirt P. Effect of chemical admixtures on properties of high-calcium fly ash geopolymer. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2011, 18(3): 364–369
52 Temuujin J, van Riessen A, Williams R. Influence of calcium compounds on the mechanical properties of fly ash geopolymer pastes. Journal of Hazardous Materials, 2009, 167(1-3): 82–88
53 van Deventer J S J, Provis J L, Duxson P, Lukey G C. Reaction mechanisms in the geopolymeric conversion of inorganic waste to useful products. Journal of Hazardous Materials, 2007, 139(3): 506–513
54 Davidotvits J. Geopolymers: Inorganic polymeric new materials. J Mater Eng, 1994, 16: 91–139
55 Lin S T, Huang R. Application of Ultrasonic Method for Determining Set Times of VMA Modified Cementitious Composites. In: Buyukozturk O, Tademir M A, eds. Nondestructive Testing of Materials and Structures, RILEM Bookseries, Istanbul, Turkey, 2012, 473–477
56 Nmai C K. Cementitious materials for concrete. ACI Educat. Bulltin E 3–01. ACI, 2001, 25
57 Trejo D, Prasittisopin L. Effects of mixing variables on early-age characteristics of portland cement systems. Journal of Materials in Civil Engineering, 2016, 28(10): 04016094
58 EN 1992–1-1 (2004)  Eurocode 2: Design of concrete structures-Part 1–1: General rules and rules for buildings, Authority: The European Union Per Regulation 305/2011. Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC
59 Standard for fresh concrete- The application of BS EN 206–1 and BS 8500, British Standard Institution, 2004
60 Details and Detailing of Concrete Reinforcement. (ACI 315–99), American Concrete Institute, 1999
Related articles from Frontiers Journals
[1] Fangxian LI, Cheng ZHOU, Pengfei YANG, Beihan WANG, Jie HU, Jiangxiong WEI, Qijun YU. Direct synthesis of carbon nanotubes on fly ash particles to produce carbon nanotubes/fly ash composites[J]. Front. Struct. Civ. Eng., 2019, 13(6): 1405-1414.
[2] Toshifumi MUKUNOKI, Ta Thi HOAI, Daisuke FUKUSHIMA, Teppei KOMIYA, Takayuki SHIMAOKA. Physical and mechanical properties of municipal solid waste incineration residues with cement and coal fly ash using X-ray Computed Tomography scanners[J]. Front. Struct. Civ. Eng., 2019, 13(3): 640-652.
[3] Rajan SAHA, Kyle MALLOY, Emil BAUTISTA, Konstantin SOBOLEV. The investigation of fly ash based asphalt binders using atomic force microscope[J]. Front. Struct. Civ. Eng., 2017, 11(4): 380-387.
[4] Osama Ahmed MOHAMED, Omar Fawwaz NAJM. Compressive strength and stability of sustainable self-consolidating concrete containing fly ash, silica fume, and GGBS[J]. Front. Struct. Civ. Eng., 2017, 11(4): 406-411.
[5] S. MUTHULINGAM,B. N. RAO. Chloride binding and time-dependent surface chloride content models for fly ash concrete[J]. Front. Struct. Civ. Eng., 2016, 10(1): 112-120.
[6] Vallarasu Manoharan SOUNTHARARAJAN, Dr. Anandan SIVAKUMAR. Accelerated engineering properties of high and low volume fly ash concretes reinforced with glued steel fibers[J]. Front Struc Civil Eng, 2013, 7(4): 429-445.
[7] Mahdi AREZOUMANDI, Jeffery S. VOLZ. Effect of fly ash replacement level on the fracture behavior of concrete[J]. Front Struc Civil Eng, 2013, 7(4): 411-418.
[8] CHEN Shudong, SUN Wei, ZHANG Yunsheng, GUO Fei. Carbonation depth prediction of fly ash concrete subjected to 2- and 3-dimensional CO attack[J]. Front. Struct. Civ. Eng., 2008, 2(4): 395-400.
Full text