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Geopolymerization of illite/smectite (Friedland Clay) - An investigation of reaction processes, microstructure and strength development

  • Using geopolymers can reduce significant amounts of CO2-emissions during the production compared to Portland cement. Although illite/smectite clays are very abundant on earths crust and rich in SiO2 and Al2O3, studies of their geopolymerization potential are rare. Thus, the illite/smectite clay of Friedland (NE Germany) was calcined (850 °C) and ground to form a reactive metaclay and then mixed with synthetic gibbsite (to test the effect of Al-concentration) and 6 molar NaOH or KOH, in order to study their geopolymerization at 25, 50 and 75 °C within 28 days. The raw clay, the precursors, and the geopolymers were characterized by XRF, XRD, SEM-EDX, Flame-AAS, nitrogen adsorption and compressive strength test. 25 °C was too low to initiate the geopolymerization of illite/smectite. Increasing the curing temperature increased the reactivity of meta-illite/smecite. Si and Al dissolution was confined to the first 24 h, followed by the hardening of the geopolymers within 28 days. At 50°C, KOH-activation formed amorphous and mesoporous aluminosilicates, which significantly cemented the particles and agglomerates of the metaclay. Consequently, geopolymers with high compression strength (~38 N/mm2) were formed. Adding 10 wt% Gibbsite (precursor Si/Al = 2.1) to the metaclay strengthened the formation of amorphous aluminosilicates and increased the compression strength of the geopolymer by 20 % from 38 - 45 N/mm2. At 75 °C, the reactivity of the metaclay in NaOH was higher than in KOH. NaOHactivation at that temperature formed geopolymers with high compression strength (~30 N/mm2) due to the cementation by microporous phillipsite (K-, Na-zeolite) crystals. Thus, alkali-activation of the calcined and ground meta-illite/smectite from Friedland form high strength geopolymers under hydrothermal conditions.
  • Im Vergleich zu Portlandzement kann bei der Herstellung von Geopolymeren erhebliche Mengen an CO2-Emission eingespart werden. Illit/Smektit ist ein sehr häufig vorkommendes Tonmaterial auf der Erdoberfläche und aufgrund des hohen Gehalts an SiO2 und Al2O3 sehr gut für die Geopolymersynthese geeignet. Trotzdem gibt es nur sehr wenige Untersuchungen zur Geopolymerisierung von Illit/Smektit. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Geopolymerisierung des Illit/Smektit-Tons aus Friedland (Mecklenburg-Vorpommern Deutschland) untersucht. Dabei wurde der Illit/Smektit- Ton bei 850 °C erhitzt und anschließend aufgemahlen, um einen reaktiven Metaton (Meta-Illit/Smektit) herzustellen. Zusätzlich wurde Gibbsit zum Metaton gegeben, um den Einfluß der Al-Konzentration des Ausgangsmaterials auf die Geopolymerisierung von Meta-Illit/Smektit bei 25, 50 und 75 °C innerhalb von 28 Tagen zu untersuchen. 6 molare NaOH bzw. KOH wurde für die Alkaliaktivierung verwendet. Das Ausgangsmaterial und die Geopolymere wurden mit XRF, XRD, SEM-EDX, Flammen-AAS, N2-Adsorption und Druckfestigkeitsprüfung analysiert. Es zeigte sich, daß 25 °C zu niedrig ist, um die Geopolymerisierung von Meta-Illit/Smektit zu initiieren. Die Alkaliaktivierung beschränkt sich auf die ersten 24 h, wonach die Aushärtung des Geopolymers innerhalb von 28 Tagen erfolgt. Bei 50 °C wurde die KOH-Aktivierung begünstigt, bei der amorphe und mesoporöse Aluminosilikate sich bildeten und den Zementköper fest zementierte. Die Zugabe von 10 Gew.% Gibbsit konnte das Bilden der amorphen Aluminosilikate verstärken und die Druckfestigkeit des Geopolymers um ~20 % von 38 - 45 N/mm2 erhöhen. Bei 75 °C zeigte der Meta-Illit/Smektit in NaOH eine höhere Reaktivität als in KOH. Bei dieser Temperatur bildete die NaOH-Aktivierung mikroporöse Phillipsit Kristalle (K-, Na-Zeolith), die den Zementkörper fest zementierte und Geopolymere mit einer Druckfesitigkeit von ~30 N/mm2 bildeten. Gibbsit zeigte keinen signifikanten Einfluß auf die NaOH-Aktivierung. Diese Arbeit zeigt, daß die Alkaliaktivierung des erhitzten und aufgemahlenen Meta-Illit/Smektit Tons aus Friedland unter hydrothermale Bedingungen Geopolymere mit hoher Festigkeit bildet.

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Metadaten
Author: Nanjie Hu
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002446-3
Title Additional (German):Geopolymerisierung von Illit/Smektit (Friedland Ton) - Eine Untersuchung der Reaktionsprozesse, Mikrostruktur und Festigkeitsentwicklung
Advisor:Prof. Dr. Wagner Jean-Frank, Prof. Dr. Laurence Warr
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/02/17
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2016/02/11
Release Date:2016/02/17
Tag:Geopolymer, alkali-activation, illite/smectite
GND Keyword:Alkaliaktivierung, Geopolymer, Illit/Smektit
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geographie und Geologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 550 Geowissenschaften, Geologie