University of Oulu

Advanced high and low field 1H and 129Xe NMR methods for studying polymerization, curing and pore structures of geopolymers

Saved in:
Author: Li, Jing1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering, Fibre and Particle Engineering (FPE)
3University of Oulu, Faculty of Science
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526233635
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-08-26
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 2 September 2022, at 12 noon
Tutor: Associate Professor Päivö Kinnunen
Professor Ville-Veikko Telkki
Docent Anu M. Kantola
Doctor Sarah Mailhiot
Reviewer: Assistant Professor Nishant Garg
Professor Bruce Balcom
Opponent: Professor Jean-Baptiste d’Espinose de Lacaillerie
Description:

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.

see all

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.

see all

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.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3363-5
ISBN Print: 978-952-62-3362-8
Issue: 836
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 216 Materials engineering
Subjects:
Funding: This thesis was funded by the University of Oulu Kvantum Institute under the Emerging Projects program (Zero-CO2 cement concept via phase-separated nano glass). I appreciate the financial support from Tauno Tönning Foundation and Auramo-säätiö and Finnish Foundation for Technology Promotion.