In situ X-ray pair distribution function analysis of geopolymer gel nanostructure formation kinetics

文献情報

出版日 2013-02-22
DOI 10.1039/C3CP44342F
インパクトファクター 3.676
著者

John L. Provis, Breaunnah Bloomer, Neil J. Henson, Katharine Page


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要旨

With the ever-increasing environmentally-driven demand for technologically advanced structural materials, geopolymer cement is fast becoming a viable alternative to traditional cements due to its proven engineering characteristics and the reduction in CO2 emitted during manufacturing (as much as 80% less CO2 emitted in manufacture, compared to ordinary Portland cement). Nevertheless, much remains unknown regarding the kinetics of reaction responsible for nanostructural evolution during the geopolymerisation process. Here, in situ X-ray total scattering measurements and pair distribution function (PDF) analysis are used to quantify the extent of reaction as a function of time for alkali-activated metakaolin/slag geopolymer binders, including the impact of various activators (alkali hydroxide/silicate) on the kinetics of the geopolymerisation reaction. Quantifying the reaction process in situ from X-ray PDF data collected during the initial ten hours can provide an estimate of the total reaction extent, but when combined with data obtained at longer times (128 days here) enables more accurate determination of the overall rate of reaction. To further assess the initial stages of the geopolymerisation reaction process, a pseudo-single step first order rate equation is fitted to the extent of reaction data, which reveals important mechanistic information regarding the role of free silica in the activators in the evolution of the binder systems. Hence, it is shown that in situ X-ray PDF analysis is an ideal experimental local structure tool to probe the reaction kinetics of complex reacting systems involving transitions between disordered/amorphous phases, of which geopolymerisation is an important example.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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