Process parameters and mechanical properties of geopolymer glass foam structures

Abstract

The effects of waste-glass powder particle size (23 and 72 μm), solid/liquid ratio (S/L=1, 1.5 and 2) and aluminum foaming agent content (2-20 wt%) on the expansion behavior of geopolymer slurries were investigated experimentally. Geopolymer slurries were prepared using an activation solution of NaOH (8M) and sodium silicate (10% NaOH, 27% SiO2). The expansions and temperatures of the slurries were measured in-situ using a laser distance meter and a thermocouple, respectively. Few geopolymer foams were sintered at 600, 700, 725 and 750 °C. The compression strengths and thermal conductivities of foam samples were also determined. The expansion of slurries continued until the temperature increased to 85-90 °C. At this temperature, the slurry evaporation; hence, increased S/L ratio limited both the hydrogen release rate and geopolymerization reaction. As the content of Al increased, the final foam density decreased, while the coarse powder slurries resulted in lower densities (240-530 kg m-3) than the fine powder slurries (280-530 kg m-3). Three crystal phases, muscovite, sodium aluminum silicate hydrate and thermonitrite, were determined after the geopolymerization. The muscovite formation was noted to be favored at higher S/L ratios. The partial melting of glass particles started after ~700 °C, while sintering above this temperature decreased the final density. The reduced density above 700 °C was ascribed to the release of carbon dioxide by the decomposition of thermonitrite. Both the compressive strength and thermal conductivity of geopolymer and sintered foams increased at increasing densities and were shown to be comparable with those of previously investigated geopolymer and glass foams. The geopolymer foams sintered at 750 °C exhibited the lowest density and the highest compressive strength.

Atık cam toz parçacık boyutunun (23-72 μm), katı/sıvı oranının (K/S=1, 1.5, 2) ve alüminyum köpükleştirici madde miktarının (ağırlıkça %2-20), jeopolimer harçların genleşme davranışına etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Jeopolimer harçlar, NaOH (8M) ve sodyum silikat çözeltisini (% 10 NaOH,% 27 SiO2) içeren aktifleştirme çözeltisi kullanılarak hazırlandı. Harçların doğrusal genleşmeleri ve sıcaklıkları, sırasıyla lazer mesafe ölçer ve termokupl kullanılarak anlık olarak ölçüldü. Bazı jeopolimer köpükler 600, 700, 725 ve 750 °C'de sinterlendi. Ayrıca köpük numunelerin basma dayanımları ve ısıl iletkenlikleri belirlendi. Harçların doğrusal genleşmesi, sıcaklık 85-90 °C'ye yükselene kadar devam etti. Bu sıcaklıkta gerçekleşen harçtaki buharlaşma ve artan K/S oranı, hem hidrojen gaz salım oranını hem de jeopolimerizasyon reaksiyonunu sınırlamıştır. Al toz miktarı arttıkça, jeopolimer köpüklerin nihai yoğunluğu azalırken, iri toz içeren harçlar (240 ve 530 kg m-3), ince toz içeren harçlardan (280 ve 530 kg m-3) daha düşük nihai yoğunluklara sahip oldu. Jeopolimerizasyon reaksiyonundan sonra üç kristal faz ki onlar muskovit, sodyum alüminyum silikat hidrat ve termonitrit yapı içinde belirlenmiştir. Yüksek K/S oranlarının muskovit fazının oluşumunun lehine bir etkisi olduğu tespit edildi. Cam parçacıklarının kısmi erimesi, yaklaşık 700 °C'den sonra başlarken, bu sıcaklığın üzerinde gerçekleştirilen sinterleme nihai yoğunluğu düşürmüştür. 700 °C'nin üzerinde görülen yoğunluk azalması, termonitritin ayrışmasıyla meydana gelen karbondioksit gazının salınmasına yorulmuştur. Jeopolimer ve sinterlenmiş köpüklerin hem basma dayanımı hem de ısıl iletkenliği, yoğunluğun artmasıyla artmıştır bunun yanı sıra daha önce araştırılan jeopolimer ve cam köpükler ile kıyaslanabilir değerde olduğu gösterilmiştir. 750 °C'de sinterlenen jeopolimer köpükler, en düşük yoğunluğu ve en yüksek basma dayanımını göstermiştir.