Abstract

Geopolymers are three-dimensional aluminosilicate frameworks, synthesized from the aluminosilicate sources activated by alkali solutions under mild conditions. They are widely regarded as sustainable construction materials.

The understanding of geopolymer pore structures is important for their development. The mechanical properties of geopolymers depend on their pore structures. Currently, the pore structures are often studied using destructive methods, which cannot be used in longitudinal studies. Thus, new methods are required to characterize the time-dependent properties of geopolymers.

In this thesis, the following advanced ¹H and ¹²⁹Xe nuclear magnetic resonance (NMR) methods were applied to study the polymerization, curing, and pore structure of geopolymers: ¹H relaxometry, ¹H cryoporometry, ¹²⁹Xe spectroscopy, and ¹²⁹Xe relaxometry. As a result, several interconnected mesopores with different pore sizes were found. Additionally, three factors were found to affect the geopolymerization and pore structures: water-to-solid ratio (w/s), silicon-to-aluminum ratio (Si/Al), and NH₄OH posttreatment. High w/s favors large pore sizes and enhanced pore connectivity. Low Si/Al = 1 contributes to the formation of the zeolite phase, resulting from the formation of a gel phase with low Si/Al during geopolymerization. The NH₄OH posttreatment did not change pore sizes, but it did increase the level of pore connectivity.

Tiivistelmä

Geopolymeerit ovat kolmiulotteisia alumiinisilikaattirakenteita, jotka syntetisoidaan alumiinisilikaattilähteistä, jotka aktivoidaan alkaliliuoksella miedoissa olosuhteissa. Niitä pidetään laajalti ympäristöystävällisinä rakennusmateriaaleina.

Geopolymeerihuokosrakenteiden ymmärtäminen on tärkeää niiden sovellusten kannalta. Geopolymeerien mekaaniset ja absorptio ominaisuudet riippuvat niiden huokosrakenteista. Tällä hetkellä huokosrakenteita tutkitaan yleensä destruktiivisilla menetelmällä, jolloin pitkittäistutkimus ei ole mahdollista. Tämän vuoksi geopolymeerien ajasta riippuvien ominaisuuksien karakterisointiin tarvitaan uusia menetelmiä.

Tässä väitöskirjassa geopolymeerien polymeroitumisen, kovettumisen ja huokosrakenteen tutkimiseen sovellettiin edistyneitä ¹H- ja ¹²⁹Xe NMR-menetelmiä: ¹H-relaksometriaa, ¹H-kryoporometriaa, ¹²⁹Xe-spektroskopiaa ja ¹²⁹Xe-relaksometriaa. Tutkimuksessa löydettiin useita toisiinsa liittyneitä mesohuokosia, joiden huokoskoko oli erilainen. Tutkimuksessa huomattiin, että geopolymeerien polymeroitumiseen ja huokosrakenteeseen vaikuttaa kolme tekijää: vesi/kiintoainesuhde (w/s), pii/alumiini suhde (Si/Al) ja jälkikäsittely NH₄OH:lla. Suuri w/s suosii suuria huokoskokoja ja parantaa huokosten kytkeytyneisyyttä. Matala Si/Al = 1 edistää zeoliittifaasin muodostumista, mikä johtuu sellaisen geelifaasin muodostumisesta, jossa on alhainen Si/Al geopolymeroinnin aikana. NH₄OH-jälkikäsittely ei muuttanut huokoskokoa, mutta lisäsi huokosten kytkeytyneisyyttä.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Li, J., Mailhiot, S., Sreenivasan, H., Kantola, A. M., Illikainen, M., Adesanya, E., Kriskova, L., Telkki, V.-V., & Kinnunen, P. (2021). Curing process and pore structure of metakaolin-based geopolymers: Liquid-state 1H NMR investigation. Cement and Concrete Research, 143, 106394. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106394

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Li, J., Mailhiot, S., Sreenivasan, H., Kantola, A. M., Telkki, V.-V., & Kinnunen, P. (2022). 129Xe NMR analysis reveals efficient gas transport between inborn micro-, meso- and macropores in geopolymers. Cement and Concrete Research, 155, 106779. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106779

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Li, J., Mailhiot, S., Niu, H., Sreenivasan, H., Kantola, A. M., Telkki, V.-V., Kinnunen, P. (2022). Longitudinal single-sided NMR study: silica-to-alumina ratio changes the reaction mechanism of geopolymer. Manuscript submitted for publication.

4. Li, J., Mailhiot, S., Luukkonen, T., Alzeer, M. I. M., Niu, H., Kantola, A. M., Telkki, V.-V., Kinnunen, P. (2022). The effect of NH4OH treatment to geopolymer detected by 129Xe and 1H NMR method. Manuscript in preparation.