Alkali activated binder based on ground granulated blast-furnace slag : investigation of the influence of slag composition on the binder properties and behavior of alkaline activated mortar with regard to an alkali-silica reaction

Alternative Bindemittel besitzen ökonomische und ökologische Vorteile sowie eine Vielzahl an positiven Eigenschaften (hoher Widerstand gegen aggressive Medien, hohe Druckfestigkeit, hoher Frostwiderstand, geringe beziehungsweise schnelle Abgabe von Reaktionswärme, geringe Porosität oder hohe Temperaturbeständigkeit). Die Eigenschaften hängen aber maßgeblich von der Art des Bindemitteltyps ab. Für alkalisch aktivierte Hüttensandmehle sind hier die chemisch-mineralogische Zusammensetzung des Hüttensandes sowie die Art und Dosierung des Anregers von entscheidender Bedeutung. Erstes Ziel dieser Arbeit war es daher den Einfluss verschiedener Hüttensandparameter, insbesondere der chemischen Zusammensetzung (CaO/SiO2-Verhältnis, TiO2-Gehalt, Al2O3-Gehalt, MgO-Gehalt) sowie der Schmelztemperatur und mineralogischen Zusammensetzung (Glasgehalt), auf den Reaktionsverlauf, die Festigkeit und die Phasenneubildung bei Anregung mit ausgewählten alkalischen Aktivatoren zu untersuchen. Im Ergebnis konnten die einzelnen Hüttensandcharakteristika in 4 Kategorien eingeteilt werden. Die Schmelztemperatur und der TiO2-Gehalt besitzen keinen Einfluss auf das Abbindeverhalten und die Reaktionsprodukte, während der des Glasgehaltes und der des MgO-Gehaltes gering ist. Ein erhöhter Al2O3-Gehalt wirkt sich stärker aus und zeigt eine Abhängigkeit vom gewählten Anreger. Den größten Einfluss, unabhängig vom Aktivator, besitzt jedoch das CaO/SiO2-Verhältnis des Hüttensandes. Für eine wirtschaftliche Nutzung alkalisch aktivierter Hüttensandmehle zum Beispiel für Beton-anwendungen sind auch deren Dauerhaftigkeitseigenschaften von Bedeutung. Da Mörtel und Betone mit alkalisch aktivierten Hüttensandmehlen als Bindemittel im Vergleich zu portland-zementgebundenen Systemen eine um das 10-fache erhöhte Menge Alkalien enthalten, stellt sich die Frage, ob ein erhöhtes Risiko für eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) bei diesen Systemen besteht. Zweites Ziel dieser Arbeit war es in einem Modellsystem den Einfluss des alkalischen Anregers, vornehmlich Alkalisilicat, hinsichtlich des Wasserglasmoduls (molares Verhältnis SiO2/M2O, M = Li, Na, K), der Alkalikonzentration und des Alkaliions (Li, Na, K) auf eine Alkali-Kieselsäure-Reaktion zu untersuchen. Hierfür wurden Mörtel aus einem industriellen Hüttensandmehl, verschiedenen Anregern, sowie einer Borosilicatglaskörnung mit definierter Alkalisensitivität über mehrere Monate bei 40 °C in der Nebelkammer beobachtet. Als Fazit ist festzuhalten, dass der Wasserglasmodul einen erheblichen Einfluss auf das Schwinden innerhalb der ersten 7 d und das spätere Quellen hat und die Wirkung des Alkaliions (Natrium und Kalium) sowie der Alkalikonzentration beeinflusst.Alternative binders have economic and ecological advantages as well as a variety of positive properties (high resistance to aggressive media, high compressive strength, high frost resistance, low or fast release of heat of reaction, low porosity or high temperature resistance). However, the properties are decisively depending on the nature of the binder type. For alkali activated ground granulated blast furnace slags (GGBFS), the chemical-mineralogical composition of the slags as well as the type and dosage of the activator are of vital importance here. First target of this thesis was therefore the investigation of the influence of different GGBFS parameters, in particular the chemical composition (CaO/SiO2 ratio, TiO2 content, Al2O3 content, MgO content), the melting temperature as well as the mineralogical composition (glass content) on the development of reaction heat, compressive strength and reaction products with selected alkaline activators. As a result, the individual GGBFS characteristics could be divided into 4 categories. The melting temperature and the TiO2 content have no influence on the setting behavior and the reaction products, while that of the glass content and the MgO content is low. An increased Al2O3 content has a stronger effect and shows a dependence on the selected activator. However, the CaO/SiO2 ratio of the GGBFS has the greatest influence, independent of the activator. For an economical use of alkali activated slags (AAS), for example for concrete applications, their durability properties are important, too. Since mortars and concretes with AAS as binders have a 10-fold increase in alkalis compared to systems with Portland cement, the question arises whether there exists an increased risk of an alkali silica reaction (ASR) in these systems. The second target of this work was to investigate the influence of the alkaline activator, mainly alkali silicate, with respect to the water glass module (molar ratio SiO2/M2O, M = Li, Na, K), alkali concentration and alkali ion (Li, Na, K) on an ASR. For this purpose, mortars from an industrial GGBFS, various activators, as well as borosilicate glass beads with defined alkali sensitivity were stored and observed in a cloud chamber for several months at 40 °C. The conclusion is that the water glass module has a considerable influence on the initial shrinkage and later expansion and influences the effect of the alkali ion (sodium and potassium) as well as the alkali concentration