Page Header

Mechanical Properties of High-calcium Fly Ash Geopolymer with Nano-SiO2 Particle Sizes

Chudapak Detphan, Satakhun Detphan, Khattiya Chompoovong, Tanakorn Phoongernkham, Sakonwan Hanjitsuwan, Prinya Chindaprasirt


งานวิจัยนี้นำเสนอการใช้นาโนซิลิกาที่มีขนาดอนุภาคแตกต่างกันเป็นสารผสมเพิ่มต่อคุณสมบัติเชิงกลของเถ้าลอยแคลเซียมสูงจีโอพอลิเมอร์เพสต์ นาโนซิลิกาถูกเพิ่มเข้าไปในเถ้าลอยแคลเซียมสูงร้อยละ 0, 1, 2 และ 3 โดยน้ำหนักของวัสดุประสาน โดยใช้สารละลายโซเดียมซิลิเกตและสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เป็นตัวทำปฏิกิริยาในส่วนผสม และใช้ความเข้มข้นของสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เท่ากับ 10 โมลาร์ อัตราส่วนสารละลายโซเดียมซิลิเกตต่อสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เท่ากับ 2.0 อัตราส่วนของเหลวต่อวัสดุประสานเท่ากับ 0.60 และบ่มที่อุณหภูมิห้องทุกอัตราส่วนผสม โดยทำการทดสอบระยะเวลาก่อตัว กำลังรับแรงอัด กำลังรับแรงดัด มอดุลัสยืดหยุ่น และกำลังรับแรงเฉือนอัดของเถ้าลอยแคลเซียมสูงจีโอพอลิเมอร์เพสต์ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า ระยะเวลาการก่อตัวมีแนวโน้มลดลงตามปริมาณการใช้นาโนซิลิกาเป็นสารผสมเพิ่มที่เพิ่มขึ้น กำลังอัด กำลังดัด มอดุลัสยืดหยุ่น และกำลังรับแรงเฉือนอัดของเถ้าลอยแคลเซียมสูงจีโอพอลิเมอร์เพสต์มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามปริมาณการใช้นาโนซิลิกาจนถึงปริมาณการใช้ที่เหมาะสมยกเว้นนาโนซิลิกาที่มีขนาด 150 นาโนเมตรซึ่งผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า นาโนซิลิกาที่มีขนาด 150 นาโนเมตร ร้อยละ 3 ยังคงสามารถพัฒนาคุณสมบัติเชิงกลของเถ้าลอยแคลเซียมสูงจีโอพอลิเมอร์เพสต์ได้จากผลการทดสอบข้างต้นสามารถสรุปได้ว่า การใช้นาโนซิลิกาที่มีขนาด 12 และ 80 นาโนเมตร ร้อยละ 2 เป็นปริมาณการใช้ที่เหมาะสม ขณะที่การใช้นาโนซิลิกาที่มีขนาด 150 นาโนเมตร ร้อยละ 3 เป็นปริมาณการใช้ที่เหมาะสมสำหรับการใช้เป็นสารผสมเพิ่มในเถ้าลอยแคลเซียมสูงจีโอพอลิเมอร์เพสต์

This article presents effects of the use of nano-SiO2 with different particle sizes as an additive on mechanical properties of high-calcium fly ash (FA) geopolymer paste. Nano-SiO2 with different particle sizes were added in high-calcium FA at the rates of 0%, 1%, 2%, and 3% by weight of the binder. Sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) solutions were used as the liquid portion in mixtures. The 10 molar NaOH solution, Na2SiO3-to-NaOH ratio of 2.0, liquid alkali-to-binder ratio of 0.60, and curing at ambient temperature were used in all mixtures. The setting time, compressive strength, flexural strength, modulus of elasticity, and slant shear bond strength of high-calcium FA geopolymer paste were studied. Test results indicated that the setting times of geopolymer paste tended to decrease with increasing nano-SiO2 content. Compressive strength, flexural strength, modulus of elasticity and slant shear bond strength of high-calcium FA geopolymer paste tended to increase with an increase in nano-SiO2 content up to 2% by weight and then gradually decrease except nano-SiO2 with particle size of 150 nm. It was found that using 3% nano-SiO2 particle size of 150 nm could develop the mechanical properties of highcalcium FA geopolymer paste. It could be concluded that using 2%nano-SiO2 with particle size of 12 and 80 nm and 3%nano-SiO2 with particle size of 150 nm were the optimum levels for use as an additive in high-calcium FA geopolymer paste.


[1] R. Kajast and M. Hurme, “Cement industry greenhouse gas emissions–management options and abatement cost,” Journal of Cleaner Production, vol. 115, no. 5, pp. 4041–4052, 2015.

[2] S. Hanjitsuwan, T. Phoo-ngernkham, L.Y. Li, N, Damrongwiriyanupap, and P. Chindaprasirt, “Strength development and durability of alkaliactivated fly ash mortar with calcium carbide residue as additive,” Construction and Building Materials, vol. 162, pp. 714–723, 2018.

[3] S. Pangdaeng, T. Phoo-ngernkham, V. Sata, and P. Chindaprasirt, “Influence of curing conditions on properties of high calcium fly ash geopolymer containing Portland cement as additive,” Materials & Design, vol. 53, pp. 269–274, 2014.

[4] P. Chindaprasirt, T. Phoo-ngernkham, S. Hanjitsuwan, S. Horpibulsuk, A. Poowancum, and B. Injorhor, “Effect of calcium-rich compounds on setting time and strength development of alkaliactivated fly ash cured at ambient temperature,” Case Studies in Construction Materials, vol. 9, pp. e00198, 2018.

[5] M. E. Gülşan, R. Alzeebaree, A.A. Rasheed, A. Niş, and A.E. Kurtoğlu, “Development of fly ash/slag based self-compacting geopolymer concrete using nano-silica and steel fiber,” Construction and Building Materials, vol. 211, pp. 271–283, 2019.

[6] T. Alomayri, “Experimental study of the microstructural and mechanical properties of geopolymer paste with nano material (Al2O3),” Journal of Building Engineering, vol. 25, pp. 100788, 2019.

[7] S. Riahi and A. Nazari, “The effects of nanoparticles on early age compressive strength of ash-based geopolymers,” Ceramics International, vol. 38, no. 6, pp. 4467–4476, 2012.

[8] M. Alhawat and A. Ashour, “Bond strength between corroded steel and recycled aggregate concrete incorporating nano silica,” Construction and Building Materials, vol. 237, pp. 117441, 2020.

[9] T. Phoo-ngernkham, P. Chindaprasirt, V. Sata, S. Hanjitsuwan, and S. Hatanaka, “The effect of adding nano-SiO2 and nano-Al2O3 on properties of high calcium fly ash geopolymer cured at ambient temperature,” Materials & Design, vol. 55, pp. 58–65, 2014.

[10] Standard test method for time of setting of hydrualic cement by vicat needle, Annual Book of ASTM Standard, vol. 04.01, ASTM C191-13, 2013.

[11] Standard test method of compressive strength of hydrualic cement mortars (using 2-in. or [50 mm] cube speciments), Annual Book of ASTM Standard, vol. 04.01, ASTM C109, 2002.

[12] Flexural strength of concrete (using simple beam with center-point loading), Annual Book of ASTM Standard, vol. 04.02, ASTM C293-02, 2002.

[13] Standard test method for static modulus of elasticity and poisson's ratio of concrete in compression, Annual Book of ASTM Standard, vol. 02.01, ASTM C469, 2002.

[14] Standard test method for bond strength of epoxy-resin systems used with concrete by slant shear, Annual Book of ASTM Standard, vol. 04.02, ASTM C882, 2013.

[15] Standard practice for selecting proportions for normal, heavyweight, and mass concrete, American Concrete Institute, ACI 211.1-91, 1991.

[16] P. Chindaprasirt, P. De Silva, K. Sagoe-Crenstil, and S. Hanjitsuwan, “Effect of SiO2 and Al2O3 on the setting and hardening of high calcium fly ash-based geopolymer systems,” Journal of Materials Science, vol. 47, no. 12, pp. 4876–4883, 2012.

[17] F. Lavergne, R. Belhadi, J. Carriat, and A. Ben Fraj, “Effect of nano-silica particles on the hydration, the rheology and the strength development of a blended cement paste,” Cement and Concrete Composites, vol. 95, pp. 42–55, 2019.

[18] A. Alsalman, C.N. Dang, G.S. Prinz, and W.M. Hale, “Evaluation of modulus of elasticity of ultra-high performance concrete” Construction and Building Materials, vol. 153, pp. 918–928, 2017.

[19] D. Wang, Q. Zhao, J. Zhang, and L. Jin, “Experimental research for elastic modulus of cement paste at ultra-early age based on indentation technique,” Construction and Building Materials, vol. 226, pp. 51–60, 2019.

[20] T. Phoo-ngernkham, V. Sata, S. Hanjitsuwan, C. Ridtirud, S. Hatanaka, and P. Chindaprasirt, “High calcium fly ash geopolymer mortar containing Portland cement for use as repair material,” Construction and Building Materials, vol. 98, pp. 482–428, 2015.

[21] Standard specification for epoxy-resin-base bonding systems for concrete, Annual Book of ASTM Standard, vol. 04.02, ASTM C881/C881M-14, 2014.

Full Text: PDF

DOI: 10.14416/j.kmutnb.2020.06.005

ISSN: 2985-2145