95
Faculty of Engineering Department of Civil Engineering THE MIX DESIGN DEVELOPMENT OF GEOPOLYMER CONCRETE UNDER AMBIENT CURING CONDITIONS by Darryl Hole 13110853 October 2009

Thesis Final

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Thesis Final

 

 

 

Faculty of Engineering

Department of Civil Engineering

THE MIX DESIGN DEVELOPMENT OF GEOPOLYMER 

CONCRETE UNDER AMBIENT CURING CONDITIONS 

 

 

 

 

by 

Darryl Hole 

13110853 

October 2009

Page 2: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    i 

PROJECT DOCUMENTATION

SHEET  

 

Title:               The Mix Design Development of Geopolymer Concrete  

                        Under Ambient Curing Conditions       

Author:          Darryl Hole   

 

 

 

Date:    19th October 2009.  

 

Supervisor:  Dr. Natalie Lloyd 

 

ABSTRACT:   Continued increase in the focus and restriction on global carbon dioxide emissions requires the research  for  a  cleaner  alternative  to  the  use  of  Portland  cement.  The manufacture  of  this product  is  responsible  for  the  release of millions of  tons of  carbon dioxide worldwide every year.  Geopolymer  concrete  consists  of  100%  fly  ash  replacement  of  the  ordinary  Portland cement. A binder is formed by a reaction from an alkaline liquid and the aluminium and silicon present  in  this  fly  ash.  The  present  report  deals with  advancing  the mix  design  research  in geopolymer concrete applications.   The  laboratory  work  carried  out  for  this  report  was  based  upon  developing  geopolymer concrete mixes  that were  able  to  be  used  in  an  industry  based  application,  and  therefore having appropriate ambient curing properties. The conditions that would be found on a  large scale concrete project within  industry were  replicated  to  form a comparison. Such measures taken included no specific aggregate preparation (saturated surface dry) or steam room curing. The aim  initially was to consistently produce geopolymer concrete mixes that set quickly and exhibited a 28 day compressive strength of at least 30 MPa.   Previously  successful  geopolymer  concrete mix designs were used  as  a basis, with  additives such as silica fume and calcium hydroxide included in anticipation of developing a faster setting concrete mix with  a higher early  strength.  Seven  concrete mixes were produced during  the year  with  varying mix  design  properties.  Experimental  results  were  based  on  compressive strength  primarily, with mixes  being  tested  at  7,  14,  21  and  28  days  of  age  in majority  of situations. Tensile strengths were also tested for the first four mixes produced.  

 

Indexing Terms: Geopolymer, concrete, ambient curing conditions, mix design. 

Page 3: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    ii 

ACKNOWLEDGEMENTS

 

I would first of  like to particularly thank both my project supervisor Dr. Natalie Lloyd, 

and  Professor  Arie  van  Riessen  from  the  Curtin  University  Centre  for  Materials 

Research,  for  their assistance and direction  throughout  the year. Further  to  this,  the 

assistance of Dr. Dan Churach from the Centre for Sustainable Resource Processing and 

Evan Jamieson of Alcoa is acknowledged. 

 

The  majority  of  experimental  work  for  this  research  was  carried  out  in  the  Civil 

Engineering  laboratories at Curtin University, Western Australia. For  this  I  thank  the 

technical staff  including Mr.  John Murray, Mr. Mike Ellis, Mr. Ashley Hughes and Mr. 

Mike  Appleton.  I  would  also  like  to  thank Ms. Monita  Olivia  for  the  support  and 

guidance throughout the year. The progress of this research would have been delayed 

significantly  without  the  assistance  of  these  individuals.  

 

The  assistance  in  this  research  from  the  Chemical  Engineering  laboratory  at  Curtin 

University  is also acknowledged. Thank you to Ms  . Karen Hayes and Ms. Ann Carroll 

for their support and assistance throughout the year. Further to this, I would also like 

to acknowledge the assistance provided from post‐graduate students from the Curtin 

Centre of Materials Research,  in particular Ms. Emily Carter, Ms. Melissa Lee and Mr. 

Ross Williams.  

 

A  final  thank  you  goes  to  all  my  friends  from  the  Curtin  University  Class  of  Civil 

Engineering 2009.  

 

 

 

 

 

 

Page 4: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    iii 

CONTENTS PAGE

 

PROJECT DOCUMENTATION SHEET ......................................................................................... i 

ACKNOWLEDGEMENTS ........................................................................................................... ii 

CONTENTS PAGE .................................................................................................................... iii 

LIST OF FIGURES ...................................................................................................................... v 

LIST OF TABLES ....................................................................................................................... vi 

1.  INTRODUCTION .............................................................................................................. 1 

1.1  Background ........................................................................................................ 1 

1.2  Geopolymer Concrete ........................................................................................ 2 

1.3  Research Aims .................................................................................................... 3 

1.4  About this Report ............................................................................................... 4 

2.  LITERATURE REVIEW ...................................................................................................... 5 

2.1  Ordinary Portland Cement and the Environment .............................................. 5 

2.2  Alternatives to Portland Cement in Concrete .................................................... 7 

2.3  Fly Ash based Concretes .................................................................................... 9 

2.4  Geopolymer Concrete ...................................................................................... 11 

2.5  Mix Proportioning of Geopolymer Concrete ................................................... 14 

2.6  Curing of Geopolymer Concrete ...................................................................... 15 

2.7  Aiding the Early Strength of Concrete ............................................................. 17 

3.  EXPERIMENTAL PROCEDURE ........................................................................................ 20 

3.1  Introduction ..................................................................................................... 20 

3.2  Safety ................................................................................................................ 21 

3.3  Materials .......................................................................................................... 22 

3.3.1   Fly Ash ............................................................................................................. 22 

3.3.2   Sodium Hydroxide ........................................................................................... 22 

3.3.3   Sodium Silicate ................................................................................................ 23 

3.3.4   Calcium Hydroxide .......................................................................................... 23 

3.3.5   Silica Fume ....................................................................................................... 23 

3.3.7   Alkaline Liquid ................................................................................................. 24 

3.3.8   Aggregate ........................................................................................................ 24 

Page 5: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    iv 

3.4  Preliminary Laboratory Work ........................................................................... 26 

3.4.1   Mixing Procedure ............................................................................................ 27 

3.4.2   Mixture Proportions ........................................................................................ 29 

3.4.3   Curing of Geopolymer Concrete ..................................................................... 33 

3.5  Testing of Concrete Specimens ........................................................................ 34 

4.  EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION ................................................................. 35 

4.1  Introduction ..................................................................................................... 35 

4.2  Experimental Results Overview ....................................................................... 35 

4.3  Compressive Strength and Observations of Geopolymer Concrete Mixes ..... 40 

4.3.1   Initial Geopolymer Concrete Reference Mix ................................................... 40 

4.3.2   The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing ............................................... 43 

4.3.4  The Effect of Free Water Content on the Strength of Geopolymer Concrete . 48 

4.3.3   The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing ................................... 53 

4.4  Indirect Tensile Strength of Geopolymer Concrete ......................................... 63 

5.  SUMMARY AND CONCLUSIONS ................................................................................... 68 

5.1  Introduction ..................................................................................................... 68 

5.2  Production of Geopolymer Concrete ............................................................... 68 

5.2.1   Pre‐production Issues ..................................................................................... 68 

5.3  Results and Observations ................................................................................. 69 

5.3.1   The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing ............................................... 69 

5.3.2  The Effect of Free Water Content on Geopolymer Concrete .......................... 69 

5.3.3  The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing .................................... 70 

5.3.4   Other Observations During Research ............................................................. 70 

6.  RECOMMENDATIONS ................................................................................................... 72 

REFERENCES ......................................................................................................................... 75 

APPENDIX A .......................................................................................................................... 79 

APPENDIX B .......................................................................................................................... 81 

 

Page 6: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    v 

LIST OF FIGURES

 

Figure 2.1: Compressive Strength of 30% Fly Ash Substituted Concrete ....................... 18 

Figure 3.1: Grading Curve of Combined Aggregates ....................................................... 25 

Figure 3.2: Pan Mixer Used for Production of Concrete ................................................. 29 

Figure 3.3: Setting of Wet Geopolymer Concrete........................................................... 29 

Figure 3.4: Ambient Curing of Geopolymer Concrete .................................................... 33 

Figure 3.5: Rough Surface of Cured Geopolymer Cylinder ............................................. 34 

Figure 4.1: Compressive Strength of all Carried Out Mixes ............................................ 38 

Figure 4.2: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four ............................................ 39 

Figure 4.3: Compressive Strength of Mix One ................................................................ 41 

Figure 4.4: Efflorescence Formed on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 14 days .... 42 

Figure 4.5: Efflorescence on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 28 days .................. 43 

Figure 4.6: Expansion of Mix Two (right) Relative to Mix One (left). ............................. 45 

Figure 4.7: Expansion of Mix Two Cylinders ................................................................... 45 

Figure 4.8: Compressive Strength for Mixes One and Two ............................................ 46 

Figure 4.9: Excess Water in Geopolymer Concrete ........................................................ 51 

Figure 4.10: Compressive Strength of Mixes One and Four ........................................... 52 

Figure 4.11: Compressive Strength of Mixes Three and Four ........................................ 55 

Figure 4.12 : Rapid Setting Effects and Efflorescence on Mix Three Cylinders .............. 56 

Figure 4.13: Cross Section of Small Cylinder ‐ Mix Three ............................................... 56 

Figure 4.14: Mix Six at Two Hours after Pouring ............................................................ 59 

Figure 4.15: Mixes Seven (Left) and Six (Right) at One Hour after Pouring .................... 60 

Figure 4.16: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) ........................ 61 

Figure 4.17: Efflorescence Beginning to Form after De‐moulding ‐ Mix Five ................. 63 

Figure 4.18: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four .......................................... 65 

 

 

 

Page 7: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    vi 

LIST OF TABLES

 

Table 3.1: Grading of Combined Aggregates .................................................................. 26 

Table 3.2: Free Water Content of Mixes One and Two .................................................. 31 

Table 3.3: Mix Design Summary of Carried Out Research .............................................. 32 

Table 4.1: Mix Design One .............................................................................................. 40 

Table 4.2: Compressive Strength of Mix One (MPa) ....................................................... 41 

Table 4.3: Mix Designs One and Two .............................................................................. 43 

Table 4.4: Compressive Strength of Mix Two (MPa) ...................................................... 46 

Table 4.5: Mix Design Four .............................................................................................. 48 

Table 4.6: Free Water Content of Mix One ..................................................................... 49 

Table 4.7: Free Water Content of Mix Four .................................................................... 50 

Table 4.8: Compressive Strength of Mixes One and Four (MPa) .................................... 52 

Table 4.9: Mix Design Three ............................................................................................ 53 

Table 4.10: Compressive Strength of Mix Three ............................................................. 55 

Table 4.11: Mix Designs Five, Six and Seven ................................................................... 58 

Table 4.12: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) ......................... 62 

Table 4.13: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four ........................................... 65 

Table 4.14: Relationship Between Compressive and Tensile Strength .......................... 66 

 

 

 

 

 

Page 8: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    1 

1. INTRODUCTION

 

1.1 Background

     

Concrete  is  the most widely used structural material  in  the world, and  therefore  the 

production  of  it  and  its  constituents  are  greatly  relied  upon  in  industry.  The 

manufacture of ordinary Portland cement (OPC), the primary binder in a conventional 

concrete mix  however,  is well  known  for  its  environmental  impacts.  Approximately 

1.35 million  tons of greenhouse gases are emitted  through  the manufacture of OPC 

each year and therefore raises the concern for a cleaner alternative to be developed 

(Malhotra 2002). 

 

Continued  increase  in  the  focus  and  restriction  on  global  carbon  dioxide  emissions 

requires the research for a cleaner alternative to the use of Portland cement. Concrete 

made  using  a  binder  that  does  not  present  such  environmental  issues  has  been 

investigated  in  the  past  using  fly  ash  and  an  alkaline  solution.  The  method  of 

substituting fly ash for portions of cement in a concrete mix has been established and 

is well documented (Huntzinger and Eatmon 2009). However, the use of 100% fly ash 

made concrete is limited in industrial applications, partly due to the cost of fly ash and, 

in contrast, the availability and convenience of cement. Research fields though are well 

interested  in  the  production  of  concretes  with  100%  fly  ash  because  of  the 

sustainability of using this industrial waste product for a construction material. 

 

This  report  investigates  the  effects  of  altering  the  mix  design  and  properties  of 

geopolymer concrete. Additives such as silica fume and calcium hydroxide have been 

used  in  anticipation  of  aiding  the  ambient  temperature  curing  properties  of  the 

concrete. Further to this, properties of the concrete such as the effect the free water 

content  has  on  the  final  strength  have  also  been  investigated.  This  research  deals 

exclusively with  the ambient  curing of geopolymer  concrete. This  is  to  simulate  site 

conditions that a concrete structure may be exposed to, and therefore investigate the 

feasibility of in‐situ cast geopolymer concrete. 

Page 9: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    2 

 

1.2 Geopolymer Concrete

 

The  investigation  into  the  use  of  fly  ash‐based  geopolymer  concretes has  increased 

since 2000 due to the environmentally sustainable option of using an industrial waste 

to form a useful material. Research and industry groups are excited about the prospect 

of a concrete made from industrial by‐products that would therefore negate the need 

for waste disposal of these materials.  

 

The development of geopolymer concrete mix design has been carried out previously 

at Curtin University, Western Australia. Hardjito and Rangan  (2005)  investigated  the 

effects of aspects such as alkaline parameters, water content and curing conditions in 

“Development  and Properties of  Low‐Calcium  Fly Ash‐Based Geopolymer Concrete”. 

Further  to  this,  the production and  testing of  low scale beams has also been carried 

out (Hardjito and Rangan, 2005). The physical properties of geopolymer concrete such 

as  creep,  drying  shrinkage  and  sulfate  and  acid  resistance were  also  researched  at 

Curtin (Wallah and Rangan, 2006). 

 

The  Centre  of  Materials  Research  at  Curtin  has  investigated  the  use  of  including 

chemical additives to geopolymer pastes in order to increase the early strength under 

ambient curing conditions. This paste  is essentially an aggregate‐less concrete that  is 

made  in much  smaller quantities  than  the  research  for  this  current  report.  The mix 

design  properties  of  geopolymer  concrete  were  investigated  by  scaling  up  the 

production of geopolymer paste  in  the  form of quantity and by adding aggregate  to 

the product. 

 

The concrete produced consisted of 77% by mass of aggregate, which  is bound by a 

geopolymer paste formed by the reaction of the silicon and aluminium within the fly 

ash and the alkaline liquid made up of sodium hydroxide and sodium silicate solutions. 

Specimens  produced  were  cured  only  under  ambient  conditions  within  the  Civil 

Engineering laboratory at Curtin University. 

 

Page 10: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    3 

1.3 Research Aims

 

The present study aims to carry out a scaling up exercise of past work with geopolymer 

pastes and mortars  that was undertaken by  the Materials Research Centre at Curtin 

University, and therefore furthering the mix design knowledge of geopolymer concrete 

applications.  This  exercise  focuses  on  progressing  towards  the  production  of  a 

geopolymer concrete with additives  included  in the mix designs to develop a quicker 

setting concrete mix with a higher early strength. It must be noted however, that the 

mixing procedure differs greatly between the paste and concrete, as the handling time 

and  the  quantity  of  material  produced  is  much  greater  in  the  production  of 

geopolymer concrete. 

 

The practical research for this report differs to many previous fly ash based concrete 

reports, as  the  fly ash based concrete  is mixed using zero ordinary Portland cement. 

Although  the  production  of  fly  ash  does  produce  large  amounts  of  carbon  dioxide 

through  the burning of coal,  the use of  it  in concrete  is seen as a sustainable option 

that negates the need for disposal of this waste. 

  

The aim initially was on achieving appropriate mix designs and a mixing procedure that 

would consistently provide a 28 day compressive strength of at least 30 MPa.   

 

A  conventionally  made  geopolymer  mix  utilizing  just  sodium  silicate  and  sodium 

hydroxide  with  no mix  additives  was made  initially  to  act  as  a  reference mix.  All 

subsequent mixes produced were based primarily on this reference mix with materials 

either substituted in for fly ash or just as an additive. The mix designs are judged upon 

their compressive and tensile strengths accordingly. 

 

The main aims of the laboratory research for this thesis included: 

- To familiarize with the making of fly ash based geopolymer concrete. 

- To  develop  an  understanding  of  an  appropriate  mix  procedure  in  the 

production of fly ash based geopolymer concrete. 

Page 11: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    4 

- To  develop  an  understanding  of  appropriate  mix  proportioning  in  the 

production of fly ash based geopolymer concrete. 

- To  observe  the  strength  development  of  fly  ash  based  geopolymer  concrete 

under ambient curing conditions. 

 

1.4 About this Report

 

This  report  is  structured  as  follows;  Chapter  2  presents  a  brief  review  of  selected 

literature  related  to  the environmental  tribulations of ordinary Portland cement,  the 

alternatives to mixing concrete utilizing OPC, and the previous research conducted  in 

the use of fly ash‐based geopolymer concrete. The general background of geopolymer 

concrete production  is  investigated, along with mix proportioning, mixing procedures 

and curing properties. 

 

Chapter  3  describes  the  experimental  process  in  conducting  the  research  for  this 

report. Attention is paid to the materials used, mix designs, mixing procedures, curing 

conditions and the method of testing the geopolymer concrete specimens produced. 

 

Chapter 4 presents and discusses  the  results of  the  research, drawing a  comparison 

between  the  final  strength  and  strength  development  of  geopolymer  concrete with 

varying mix designs  cured under  site  conditions. Any observations noted during  the 

experimental  research  being  carried  out  are  also  stated,  with  explanations  and 

justifications to clarify any unknowns. 

 

The present report’s summary and conclusions are included in Chapter 5. This section 

is based upon all results and observations discovered  in the research throughout the 

year.  

 

Further  to  this, a  list of  recommendations  is given  in Chapter 6, detailing  suggested 

steps  in  furthering  the  research  in  the  mix  design  development  of  geopolymer 

concrete. Concluding this report is a list of references and all relevant appendices. 

Page 12: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    5 

2. LITERATURE REVIEW

 

Chapter 2 presents a background into the environmental impact of the manufacture of 

ordinary  Portland  cement  (OPC)  and  other  suggested  alternatives  to  the  use  of 

cement. Research has been undertaken into the previous use of geopolymer concrete, 

and  the  mechanical  properties  resulting  from  mix  design  properties  and  different 

methods of curing. 

 

Research was also conducted into the sustainable qualities of the use of production by‐

products in the manufacture of geopolymer concrete. 

 

2.1 Ordinary Portland Cement and the Environment

 

Disregarding  water,  concrete  is  the  most  widely  used  material  in  the  world. 

Unfortunately, the manufacture of the  integral constituent, ordinary Portland cement 

(OPC), proves to be unsustainable with regards to it’s the environmental impact due to 

the  emissions  of  carbon  dioxide  (CO2)  and  large  requirement  of  energy  in  the 

production procedure. However, due to the high demand for structural materials, the 

requirement for cement and concrete will be substantial until an equally effective and 

economic  alternative  is  available,  and  therefore  deeming  it  necessary  to  either 

overlook  the environmental  impact of  standard concrete production, which  is highly 

unlikely, or develop alternatives that will decrease these effects. 

 

Concrete  International  recognizes  the  situation  at  hand,  and  the  article  titled 

“Sustainable Development and Concrete Technology” quotes  the current  issues.  ‘The 

contribution  of  ordinary  Portland  cement  production  worldwide  to  greenhouse  gas  

emissions is estimated to be approximately 1.35 billion tons annually or approximately 

7% of the total greenhouse gas emissions to the earth’s atmosphere (Malhotra 2002)’.  

 

The reason  large amounts of CO2 are released during the manufacturing of cement  is 

due  in  part  to  the  immense  heat  that  is  required.  The  kiln  used  is  heated  to 

Page 13: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    6 

temperatures  of  up  to  1400°C,  and  therefore  energy  requirements  to  yield  this 

temperature account  for approximately half of the released CO2  in the production of 

cement,  the  second half  is  released during  the  calcination process  in which  calcium 

carbonate is reduced to calcium oxide (Hendriks et al. 2003).  

         

The production of cement alone accounts for approximately 5% of the worlds carbon 

dioxide emissions. According  to  the  International Energy Agency, approximately 0.81 

kilograms of CO2  is generated per kilogram of cement produced annually  throughout 

the world.  The production of  cement  also produces millions of  tons of Cement Kiln 

Dust (CKD) which is harmful to the respiratory system (Hendriks et al. 2003). 

 

Due  to  the  increasingly  popular  requirements  for  sustainable  development  within 

industry,  research  into methods  of  reducing  greenhouse  gas  (GHG)  emissions while 

maintaining the structural convenience of concrete has been carried out.  

 

The US Concrete Industry has addressed the current GHG emissions incorporated with 

the production of concrete in “Vision 2030: A Vision for the US Concrete Industry.” In 

this, focus is put on making concrete an environmentally friendly construction material 

whilst maintaining  its  status  as  the mostly widely  used material  in  industry  (Mehta 

2001).  In  recent  times,  researchers  have  attempted  to  produce  concrete  as  an 

environmentally  friendly product by  replacing  amounts of ordinary Portland  cement 

from the mix with industrial by‐products such as fly ash and blast furnace slag.  

 

Global warming continues  to be a current concern within  the public awareness, and 

what effects it will have on the human population in day to day life in the future. The 

continuing  release  of GHG  through  the  burning  of  fossil  fuels  and  land  use  change 

further  increases the risk on earth of a rise  in average surface temperatures and the 

flow on effects that it will have on sea levels.  

 

Huntzinger  and  Eatmon  (2009)  uses  life‐cycle  analysis  (LCA)  to  evaluate  the 

environmental  impacts and therefore the  ‘global warming factor’ of the manufacture 

of  Portland  cement  and  three  other  technologies.  The  three  alternatives  discussed 

Page 14: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    7 

include,  “blended  cement  (natural  pozzolans),  cement  where  100%  of  the  CKD  is 

recycled  into  the  kiln  process,  and  Portland  cement  produced where  CKD  is  used  to 

sequester a portion of the process related to CO2 emissions.”  

It was discovered that the most environmentally solution of the three was the blended 

cement.  Substituting  natural  pozzolans  for  OPC  will  effectively  reduce  the  ‘global 

warming factor’ of the product proportional to the amount replaced. In reality though, 

it will be seen that in industry, because of the consistent high demand of cement, most 

kilns are operating at above  their effective capacity. This  therefore means  that using 

‘blended  cement’  in  industrial  applications  would  not  be  likely  to  reduce  the  net 

emissions of carbon dioxide (Huntzinger and Eatmon 2009).  

 

As can be gathered through this review, most of the previous research available looks 

at  the  current  situation  of  cement  production  and  the  damage  it  is  causing  to  the 

atmosphere.  The  next  logical  step  into  this  investigation  is  to  either  prevent  this 

damage or offer alternatives to concrete using ordinary Portland cement.  

 

It is in the opinion of many, that the use of ordinary Portland cement in concrete is not 

going  to  slow down, despite  the ongoing  research  into alternative binders.  It would 

therefore  be  a  sustainable  decision  to  investigate  further  into  the  mix  design  of 

concrete whilst minimizing the volumes of OPC being used. It would be seen that if the 

use of OPC  is  going  to  remain  strong over  the  coming decade,  keeping  its use  to  a 

minimum whilst  retaining both durable  and workable  concrete would provide  great 

benefit to the GHG emissions.  

 

2.2 Alternatives to Portland Cement in Concrete

 

As the growth in the world of infrastructure continues, the demand for concrete that is 

usable  in  an  industrial  application will  be  high  for  the  foreseeable  future.  Concrete 

using  binders  other  than  ordinary  Portland  cement  that  leave  a  smaller  carbon 

footprint, are therefore heavily investigated within the cement and concrete industry. 

The use of these concretes within an  industrial application  is  limited however, and  it 

Page 15: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    8 

would be  fair  to  say  that concrete made without cement has not made a  significant 

impact into the construction industry yet.   

 

The  research  into  environmentally  sustainable  concretes  is  however  not  limited  to 

replacing the OPC. Suggestions have been put forward into forming ‘blended cement’ 

where  products  such  as  pozzolans  are  added  to  OPC  in  order  to  reduce  the 

environmental  effect  of  the  concrete.  Concrete  that  has  had  OPC  replacement 

commonly  consists  of  industrial  by‐products  such  as  coal  fly  ash  or  ground  blast 

furnace slag (GBFS).   

 

It has been suggested (Damtoft et al. 2008) that the cement and concrete  industry  is 

working positively  in  the hope of  achieving  sustainable  solutions  in environmentally 

friendly concrete. He suggests that using hydraulic binders, those which are based on 

Portland  cement,  have  an  incredible  impact  on  the  environment  and  sustainable 

development  due  to  being  easily  the  most  widely  used  construction  material 

worldwide. 

Damtoft et al. also discussed  in which ways the  industry  is acting  in order to provide 

sustainable  development within  the  field  of  reducing  the  environmental  impact  of 

concrete production.  

The techniques discussed are as listed below: 

- The  addition  of  extra  materials  to  the  list  of  approved  supplementary 

cementious materials (SCM’s) within current standards. 

- Allowing more complex composite cements within current cement standards. 

Greater attention to be paid to blending properties. 

- Development of methodology  for  the design of optimal performance  for  the 

use of blended cements. 

Damtoft  et  al.  (2008)  clearly  supports  the  use  and  further  development  of  blended 

cements  in  industry, which  directly  reduces  the  CO2  emissions  to  the  environment 

through replacing volumes of OPC.  

 

The current amount of research into the use of fly ash as a hydraulic binder is far from 

limited. The use of coal  fly ash  in concrete has been  investigated  for years with very 

Page 16: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    9 

positive  results  for  its use  in  industry. Unfortunately, apart  from  this  research and a 

small amount of  testing using blast  furnace slag,  there  is  little  information  regarding 

the  use  of  other  industrial  wastes  to  substitute  of  ordinary  Portland  cement  in 

concretes.  The development of a concrete mixture using a new OPC substitute would 

greatly progress  the process of producing an environmentally  friendly concrete. This 

coincides  with  Damtoft’s  discussion  in  which  additional  materials  should  be 

investigated  into  their  effectiveness  of  working  as  a  supplementary  cementious 

material.  

 

2.3 Fly Ash based Concretes

 

The production of concrete that  incorporates the complete replacement of OPC with 

industrial by‐products such as coal fly ash has been developed, yet  it  is far from fully 

established. The use of waste products promises to be a sustainable option in any case, 

as  it negates the need for disposal of these materials, which can become both costly 

and of an environmental concern.   

 

Fly ash is a residue that is formed during the combustion of coal. In the past fly ash was 

released  to  the  atmosphere  during  production,  but  in  recent  times  as  research 

presents that this previously useless by‐product can be used for other applications, the 

capture of  it has been  instigated. Fly ash’s main  constituents are amounts of  silicon 

dioxide (SiO2), aluminium oxide (Al2O3) and iron oxide (Fe2O3). Fly ash that is destined 

for  experimental  use  can  be  examined  in  more  depth  in  order  to  determine  its 

chemical  composition.  X‐ray  Fluorescence  (XRF)  analysis  is  used  to  determine  the 

proportions of materials present within the fly ash.  

 

The  use  of  fly  ash  for  concrete  production  is  a  popular  option  in  theory,  as  it  is 

available abundantly worldwide. The use of 100%  fly ash based concrete however,  is 

limited  to  date  in  structural  uses.  The  Ash  Development  Association  of  Australia 

(ADAA) states that  in 2007, Australia alone produced 14.5 million tons of fly ash, and 

that  only  1.50  million  tons  (11%)  was  used  in  high  valued  applications  such  as 

cementious or concrete products (Coal Ash Matters 2009).  

Page 17: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    10 

 

Though  the  practical  use  of  100%  fly  ash  based  in  concrete  is  limited  in  structural 

applications,  frequent  laboratory work has been  conducted  into  the  investigation of 

mechanical  properties  of  fly  ash  based  concrete.  A  recent  study  at Montana  State 

University, USA,  discussed  the method  of  preparation  of  fly  ash  based  concrete.    It 

should  be  noted  that  in  their  experiments,  class  F  fly  ash  is  utilized,  in which  the 

chemical  reaction occurring  is  the hydration of water with  the calcium  in  the  fly ash 

(Cross, Stephens and Vollmer 2005). 

 

The major hurdle into the use of fly ash based concrete that was noted was the rapid 

rate of chemical reaction that occurs once water is added to the mix. It was discovered 

that the use of a retarder in these trials were essential, and that in the case that there 

was no retardation, hydration would occur  immediately and that the concrete would 

‘flash set’ in a matter of minutes. It was recommended to the researchers to attempt 

the use of borax to delay any setting of the mix, as has been discovered effective with 

OPC concretes. It then became an aim of the trials to gain an understanding of under 

which conditions the borax needs to be present to extend the placement time before 

setting (Cross, Stephens and Vollmer 2005).  

 

It was discovered that the effectiveness of borax was not determined equivalently to 

that in OPC based concretes. Rather than a simple relationship connecting the amount 

of  borax  required  to  the  amount  of  cement  used,  it  was  determined  that  the 

effectiveness of the admixture was dependant on  its physical properties and the rate 

at which it is added to the mix. When the relationships used for OPC based concretes 

were  attempted  to  correspond  to  fly  ash  based  concrete,  it  was  found  that  the 

predicted setting times were largely inaccurate (Cross, Stephens and Vollmer 2005).  

 

The  development  of  fly  ash  based  concrete  has  a  promising  future.  Laboratory 

research carried out worldwide are consistently yielding compressive strengths equal 

to  or  greater  than  equivalent mix  designs  utilizing  Portland  cement.  In  the  above 

mentioned  report,  Cross  and  Stephens  also  discovered  that  fly  ash  based  concrete 

Page 18: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    11 

gained strength at a rate equal to or faster than OPC concretes of similar mixes (Cross, 

Stephens and Vollmer 2005). 

 One  a  physical  level,  it  is  thought  that  the  rounded  shape  of  the  fly  ash  particles 

maintain  the workability  of  the  concrete  prior  to  setting.  Fly  ash  particles  are  also 

smaller in size than that of OPC and therefore produce and more compacted a denser 

concrete set.  

 

It  should  be  recognised  that  the  next  step  in  the  development  of  fly  ash  based 

concrete  would  be  research  into  its  durability  as  a  structural  material.  To  date, 

concretes with 100%  fly  ash have been  limited  to use on  low  strength  applications. 

Before  this material  is  to  be  introduced  as  a  structurally  safe  and  durable material 

though, development of mixes, prediction and control of strength, workability and set 

times must  be  obtained.  The  use  of  100%  fly  ash  concrete  in  these  environments 

would require  the knowledge  that  it develops soundly under site conditions, such as 

curing under ambient temperatures.  

 

2.4 Geopolymer Concrete

 

Davidovits first proposed that concrete could be made with a hydraulic binder, where 

in which  the  silicon  and  aluminium  from  the  inclusive  fly  ash would  react with  an 

alkaline  liquid. The  reaction  that occurs, polymerization,  is  significantly  faster due  to 

the alkaline conditions. The resultant three dimensional structures consisting of Si‐O‐

Al‐O bonds is a polymeric chain (Davidovits 1999).  

 

The most conventional method of producing geopolymer concrete is the incorporation 

of  a  reaction  between  the  fly  ash  and  an  alkaline  solution  formed  from  a  metal 

hydroxide  and  silicate  that  forms  an  alkaline  liquid.  It  is  not  uncommon  for  the 

constituents of the geopolymer alkaline solution to be sodium hydroxide (NaOH) and 

sodium  silicate  (Na2SiO3).  It  is  common  practice  in  the mix  design  of  geopolymer 

concrete, that aggregates occupy anywhere from 70 – 80% in volume by mass. 

 

Page 19: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    12 

Johnson  (2008)  states  that,  “Geopolymer  consists  of  silicon  and  aluminium  atoms 

bonded via oxygen  into a polymer network. Geopolymers are prepared by dissolution 

and  poly‐condensation  reactions  between  alumino‐silicate  binder  and  an  alkaline 

silicate solution such as a mixture of an alkali metal silicate and metal hydroxide.” 

Again,  in  the research carried out by  Johnson  it was noted how quickly  the chemical 

reactions  take  place with  the  addition  of  the  alkaline  solution  to  the  fly  ash  in  the 

mixing  process,  therefore  limiting  the  able  handling  time  before  setting  begins  to 

occur.  Therefore,  an  aim  of  the  research  became  that  of  determining  a  mixing 

procedure that would enable sufficient handling time whilst maintaining a concrete of 

workable  consistency and  could be used  in  industrial applications.  It was discovered 

that  if a preliminary mixture of  the  total aggregate volume and  the metal hydroxide 

solution were formed first, and then the fly ash added, no reaction would take place 

until the metal silicate solution was added to the mix. This process of mixing generally 

was  found  to  extend  handling  time  up  to  45  minutes  consistently,  and  therefore 

provide a more suitable application for use on site (Johnson 2007).  

 

Hardjito  and  Rangan  (2005)  concluded  that  it  was  favourable  to  mix  the  sodium 

hydroxide and  sodium  silicate  solution at  least one day prior  to adding  it  to  the dry 

materials. This was carried out under recommendation from Davidovits, who observed 

that when  this was  carried out, bleeding and  segregation of  the  concrete no  longer 

occurred. This combination was then added to the dry mixture. 

 

This is in contrast to advice given to the author of this report by Curtin post graduate 

student  M.  Olivia  (personal  communication,  25  May,  2009).  She  advised  that  the 

mixing of  sodium hydroxide and  sodium  silicate  solution  should occur on  the day of 

mixing  the  concrete,  otherwise  the  solution  may  solidify  and  the  production  of 

concrete will be extremely difficult. She stressed that research has shown experiences 

of  the  alkaline  solution  crystallizing  before  it  is  to  be  added  to  the  dry materials, 

therefore deeming the pour to be a failure. Situations had also occurred  in which the 

concrete mix had hardened to a point that  it  is unable to be poured whilst still  in the 

mixer. 

 

Page 20: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    13 

Sofi et al. (2007) had similar findings to Johnson (2007) in the research paper entitled 

“Engineering Properties of  Inorganic Polymer Concretes  (IPCs).”  In  it, he praised  the 

use  of  concrete  utilizing  materials  other  than  OPC  in  terms  of  their  mechanical 

properties. He suggests that inorganic polymer concretes comprising of materials such 

as  fly  ash,  can  exhibit  superior mechanical  properties  to  ordinary  Portland  cement 

concretes. This is heavily dependent though on the chemical composition of the fly ash 

used.  

The hurdle  though,  still  stands  at managing  the quick  setting nature of  geopolymer 

concrete, and maintaining the concrete’s ultimate characteristics such as strength and 

durability is a prime concern when introducing mixture additions in order to retard the 

rapid  setting.  The  fast  setting  characteristic  of  IPC,  Sofi writes,  can  be  taken  as  an 

advantage  or  disadvantage.  Though  the  setting  of  IPC’s  can  occur  rapidly,  and  the 

polymerization reaction occurs straight away, it continues over a length of time which 

extends beyond seven days. This contributes to the strength gaining characteristic of 

geopolymer which has a distinct behaviour  in comparison to OPC based concretes.  It 

was  found  within  the  IPC  mixes  that  between  7  and  28  days,  a  development  of 

compressive strength occurred of up to 15 MPa (Sofi et al. 2007).  

 

The use of Geopolymer,  to date has only been  limited  to  low  strength applications. 

This  seems  to  remain  the  case,  when  in  fact  a  lot  of  researchers  praise  the 

characteristics  of  the  product.  Johnson  (2007) writes  in  the  aforementioned  report 

that the heat, fire and acid resistance of geopolymer concrete will be greater than that 

of  Portland  cement  based  concrete.  Johnson  used  the  geopolymer’s  fast  setting 

characteristic  as  an  advantage,  as he proposed  that  it be used  in  the production of 

concrete pipes and poles. Such manufacturing requires the use of concrete with zero 

slump,  and  processes  that  involve  centrifugal  stages,  roller  suspension  and  vertical 

casting.  It  was  discovered  that  by  manipulating  the  mix  design,  and  therefore 

producing  ‘no  slump’  concrete,  it  was  possible  to  utilize  geopolymer  concrete  in 

preparing pipes and other consolidated moulded products.  

 

Another issue that Johnson addressed in the use of geopolymer concrete was the well 

known  rapid  strength  gain. He  stresses  that  the  time  between  placement  and  then 

Page 21: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    14 

setting, and  therefore  losing any plasticity, must be  long enough  to  incorporate any 

required transport of the product. This becomes  important because  if the concrete  is 

at  its  hardened  state  during  transport,  cracking  is  likely  to  occur  and  therefore  a 

reduction  in  the  final  strength  will  be  experienced.  To  overcome  the  associated 

problems  of  rapid  strength  gain  will  require  control  of  the  setting  times  of  the 

concrete, or reverting back to casting products on site or  in‐situ, therefore making  it 

unlikely  to  have  the  availability  of  steam  rooms  or  kilns  available  for  the  particular 

application. 

 

2.5 Mix Proportioning of Geopolymer Concrete

 

The  aim of  the  research  conducted  for  this  report was  to  further  the mix design of 

geopolymer concrete by  improving  its ambient curing properties. Therefore,  the mix 

proportioning carried out  for  this  research was  in  the  form of using additives  to  the 

geopolymer  concrete  mix,  rather  than  re‐establishing  standard  mixes  again.  This 

meant  that  initial  mix  designs  were  based  largely  upon  previously  successful 

geopolymer concrete mixes that had already yielded substantial results.  

 

It was found by Hardjito and Rangan (2005) that consistent results were gained upon 

keeping the alkaline solution at a sodium silicate‐to‐sodium hydroxide ratio of 2.5. This 

ratio was favoured over a lesser one because of the reliable results that it yielded, and 

because  the  sodium  silicate  solution  is  considerably  cheaper  than  the  sodium 

hydroxide pellets. A general proportion of alkaline solution‐to‐fly ash was settled upon 

at approximately 0.35. Upon  investigation of  the affects of  the  concentration of  the 

sodium hydroxide solution,  it was found that  in mix designs of exact proportions, the 

mix with the higher concentration in molarity of the sodium hydroxide solution would 

yield a higher compressive strength. This was examined through the use of varying the 

molarity  of  the  solution  between  8 molars  and  14 molars  in mix  designs  of  exact 

proportions.  

 

Liu reports how geopolymer concrete can be produced by using other industrial wastes 

such  as  bauxite  residues.  It  is  noted  how  past  research  into  the  re‐use  of  these 

Page 22: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    15 

products such as bayer  liquor has been used  to produce materials such as ceramics, 

cements,  clay  bricks  and  glazes.  In  the  production  of  unsintered  construction  and 

building products, Liu suggested  that  the optimal proportions of  raw materials show 

following:  

Bauxite Residue  : 25 – 40% 

Fly Ash     : 18 – 28% 

Sand      : 30 ‐35% 

Lime      : 8 – 10% 

Gypsum    : 1 – 3% 

Portland Cement  : 1% 

This composition has been used to produce building materials that has reached the 1st 

grade of Chinese standards for a brick (Liu et al. 2009).  

 

2.6 Curing of Geopolymer Concrete

 

The  present  report  deals  with  the  ambient  curing  of  geopolymer  concrete,  yet 

changing the method of curing has previously researched in geopolymer concrete. The 

ability  of  concrete  to  cure  at  ambient  temperatures  becomes  useful  in  industrial 

applications  when  concrete  is  cast  in‐situ  or  on  site,  as  the  availability  of  a  kiln, 

especially on larger scale projects, is unlikely. 

 

The  conditions  under  which  geopolymer  concrete  is  cured  directly  relates  to  the 

durability and  strength of  the mix, as displayed by Hardjito et al.  (2004). His  results 

found that the curing of concrete at higher temperatures, up to 60°C, yielded a higher 

compressive  strength  than  at  a  lower  temperature,  yet  any  increase  in  curing 

temperature  over  this  threshold made  no  substantial  difference  to  its  strength.  A 

proportional  relationship  was  discovered  between  the  length  of  curing  time  and 

compressive strength. The rate of setting of geopolymer concrete is well documented, 

yet  it  is  likely that these cases were resultant upon short curing times. Hardjito et al. 

discovered  the  fast  rate  of  polymerization  only  stalled  the  strength  gain when  the 

concrete was cured for short times, such as 24 hours. This contrasts with the strength 

development behaviour of OPC based concretes, which undergo a hydration process 

Page 23: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    16 

over a  length of  time when being steam cured,  therefore  increasing  in strength with 

age. This strength development over time can be achieved with geopolymer concrete 

when curing  time  is extended.  It was discovered  that as  the curing  time  increases  in 

the range of 6 hours to 96 hours (4 days), the polymerization process is improved and 

therefore yields a higher compressive  strength.  It  is noted  though,  that  the  strength 

increase after 48 hours of steam curing is not significant.  

 

It  is  recommended  that  during  curing  of  geopolymer  concretes  at  elevated 

temperatures, samples should be wrapped and then sealed, this should be present for 

the  duration  that  the  samples  are  being  cured  at  temperatures  up  to  100°C.  This 

precaution  has  been  suggested  in  order  to  prevent  excessive  evaporation  of  the 

samples  during  curing.  This  would  cause  a  less  dense  concrete  with  a  weaker 

compressive  strength.  It  was  also  discovered  that  in  wrapping  the  geopolymer 

concrete specimens, the mix did not harden immediately under ambient conditions. At 

room temperatures of below 30°C, hardening of the concrete did not occur for at least 

24 hours (Hardjito and Rangan 2005).  

 

Whilst  interesting  to know  that  it  is possible  to achieve a  time‐dependant,  strength‐

development behaviour with geopolymer concrete,  in  industry,  it would not be very 

applicable. Rarely would you see concrete cast and then kept under controlled curing 

conditions  for any more  than 24 hours, and  if  it was cast  in situ, all curing would be 

under  ambient  conditions.  In  a  rare  situation  where  formwork  turnover  is  not  as 

critical in a precast concrete environment, it would be possible to achieve an extended 

curing time under controlled conditions. 

 

Wallah  and  Rangan  (2006)  reported  how  the  strength  development  of  geopolymer 

concrete varied with  the  conditions under which  they were  cured. Three batches of 

the same mix were produced at varying  times  in  the year; May,  July and September 

2005, and cured under ambient conditions within  the  laboratory. The cylinders were 

released  from  their moulds one day  after  casting.  It was discovered  that  specimens 

cured  under  ambient  conditions  exhibited  significantly  lower  7  day  compressive 

strengths than those cured under elevated temperatures for the first 24 hours. 

Page 24: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    17 

 

It was reported that under ambient curing conditions of geopolymer concrete, the 7th 

day  compressive  strength  and  subsequent  strength  gain  with  respect  to  age  lies 

dependent  upon  the  average  ambient  temperature  at  the  time  of  curing.  As  the 

ambient  temperature  at  casting  increased,  as  did  the  7th  day  and  subsequent 

compressive  strength’s  tested  at  later  dates.  The  compressive  strength  of  the 

geopolymer concrete during July exhibited a 28 day strength of 31 MPa in comparison 

to 47 MPa  for  the mix poured  in May. The average  temperature experienced within 

July 2005 ranged from 8°C to 18°C, and 18°C to 25°C in May (Wallah and Rangan 2006).  

 

2.7 Aiding the Early Strength of Concrete

 

The  reaction  between  elements  in  fly  ash  based  concretes  is  a  slow  process,  and 

therefore  only  contributes  to  the  strength  development  at  later  dates  of  age.  This 

causes  a  problem  in  the  utilization  of  fly  ash  concrete  in  ambient  cured  precast 

concrete applications, due to the  low early strength and formwork turnover routines. 

Previous  research  in OPC  based  concretes  has  indicated  that  the  inclusion  of  silica 

fume  and hydrated  lime  (calcium hydroxide)  yields positive  results  in  increasing  the 

early strength of concrete, as well as having the concrete mix set quicker. 

 

Barbhuiya  et  al  (2009)  investigated  the  use  of  including  silica  fume  and  calcium 

hydroxide  to  concretes with  a  fly  ash  substitution  of  30%  of  the  ordinary  Portland 

cement based content. Silica fume was added to the mix at 5% by mass of the cement 

content as a final addition when mixing the concrete. Hydrated lime on the other hand 

was substituted at a rate of 5% by mass of the total cementious materials. In order to 

investigate the early strength development of this concrete specimens were tested at 

3,  7  and  28  days  after  casting.  Specimens were  cured  in  curing  rooms  at  constant 

temperatures. The  first 24 hours were spent at 20°C and then transferred to a moist 

curing room at 23°C and kept in water until testing.  

 

Page 25: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    18 

Workability  is  seen  to  decrease  upon  the  addition  of  hydrated  lime,  however  to 

improve this, a super plasticiser was added. The addition of silica fume to the mix had 

no effect on the workability of a concrete mix. 

 

It was discovered that the addition of both silica fume and calcium hydroxide increased 

the early compressive strength of the concrete mixes. Testing at 3 days of age showed 

that the strength of both silica fume and hydrated lime mixes were equally higher, (30 

MPa) than the standard concrete mix at 24 MPa. The major differences in compressive 

strengths were apparent at 28 days with a constant progression from the standard mix 

(49 MPa),  fly  ash  inclusive  of  hydrated  lime  (53 MPa)  and  then  the  concrete mix 

incorporating silica fume with a 58 MPa 28 day compressive strength (Figure 2.1).  

 

Figure 2.1: Compressive Strength of 30% Fly Ash Substituted Concrete 

 

The  use  of  calcium  based  additives  into  geopolymer  pastes  was  researched  by 

Temuujin, van Riessen and Williams (2009). Both calcium hydroxide and calcium oxide 

were substituted into geopolymer pastes for fly ash in order to accelerate the ambient 

curing (on average at 20°C) of the paste, and increase the compressive strength under 

these curing conditions. To form a proper comparison between the effects from curing 

conditions, specimens were oven cured being subjected to heats of 70°C.  

 

Page 26: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    19 

It  was  found  that  the  addition  of  calcium  compounds  improved  the  mechanical 

properties  of  geopolymer  pastes  cured  at  ambient  temperatures,  yet  reduced  the 

strength of those cured under elevated temperatures. 

 

The  results  also  showed  that  the  addition of  calcium hydroxide  (Ca(OH)2)  aided  the 

ambient curing strength more so than calcium oxide (CaO). It  is suggested that this  is 

apparent because  the calcium hydroxide  is a  reactive constituent of  the geopolymer 

mixes. The use of calcium hydroxide would appear to present incomplete hydration of 

the  product  as  it  reacts  with  the  alkaline  solution  in  the  formation  of  calcium 

hydroxide. Specimens with CaO added presented compressive strengths approximately 

20% lower than those with calcium hydroxide. 

 

It  is suggested that the  lower compressive strength  in the pastes that  is cured under 

elevated  temperatures  is due  to  the water evaporation within  the mix, exhibited by 

lower density and higher porosity. At elevated temperatures,  it  is also suggested that 

the presence of calcium doesn’t allow the formation of three dimensional geopolymer 

network  due  to  the  fast  dissolution  of  the  paste.  This  therefore  results  in  reduced 

mechanical properties of  the  final  product. Under  ambient  conditions,  it was  found 

that  by  increasing  the  percentage  of  added  calcium  compound,  the  compressive 

strength  increased with  it. With a 3% addition of calcium hydroxide  the compressive 

strength of 29 MPa compared to a geopolymer paste with no calcium additive which 

exhibited a strength of 12 MPa.  In comparison, geopolymer with a calcium hydroxide 

inclusion  of  1%  and  2%  showed  strength  of  24  MPa  and  28  MPa  respectively 

(Temuujin, van Riessen and Williams 2009). 

Page 27: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    20 

3. EXPERIMENTAL PROCEDURE

 

3.1 Introduction

 

Chapter  3  presents  the  details  of  the  research  that  was  carried  out  in  order  to 

investigate the  inclusion of additives  in the development of geopolymer concrete mix 

design. 

 

Due to the  limited research conducted using fly ash‐based geopolymer concrete with 

zero OPC,  a  large part of  the experimental work  for  this  report  focused on  the mix 

proportioning and procedure for developing this concrete. The project’s aim  included 

mix design development that would constantly yield concrete mixes with a consistent 

compressive strength of at least 30 MPa.  

 

Due to the  lack of previous mix design  information using geopolymer concrete,  initial 

mix design and procedures  closely  followed  regular  conditions  for  the production of 

geopolymer concrete using sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) to 

form the alkaline solution. A trial and error process was then used for fine tuning the 

strength of the mixes, including materials such as silica fume and calcium hydroxide in 

anticipation of developing a concrete mix that would cure faster and develop a higher 

compressive strength. 

 

Experimental  results were based upon compressive and  tensile  strengths,  this  is not 

unusual because compressive strength has a fundamental importance in the design of 

concrete  structures.  Tests  for  these  parameters were  for  the majority  of  the mixes 

conducted at 7, 14, 21 and 28 days after casting. This was conducted to observe the 

short  term  strength  development  in  concrete  with  the  primary  binder  not  being 

cement.  

 

The current methods of producing and  testing of ordinary Portland cement concrete 

were  followed as  closely as possible  in  the production of  this geopolymer  concrete. 

Page 28: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    21 

This was a key point  in the research, as  it was  important that a relevant comparison 

between  the  two  products  was  formed  and  therefore  investigating  whether 

geopolymer concrete would be suitable to be produced on site. This included a general 

aggregate  quantity  of  77%  by mass within  the mix.  The  aggregate  used within  the 

different  mixes  originate  from  the  same  source  throughout  the  year,  in  order  to 

minimize the effect of varying aggregate properties. 

   

3.2 Safety

 

Prior to any research beginning, an aim  for this report was to develop a geopolymer 

concrete mix utilizing bayer liquor. This product is an industrial waste that is formed in 

the stage of removing bauxite in the refining of alumina. It has previously been used in 

the production of geopolymer pastes by the Centre of Materials Research department 

at Curtin University. The aim was  to  carry out a  scaling up exercise of  this paste by 

adding aggregates to the mix and increasing the quantity produced. 

 

In order to gain access to the bayer liquor, numerous precautions needed to be carried 

out, due  to  the caustic nature of  the product. The most  important of  these was  the 

Edusafe risk analysis and compliance. This took into account what measures needed to 

be put in place so that safe handling procedures of this material could be carried out. A 

major influence that this programme had on the preparation was the requirement for 

a  safety  shower  to  be  installed  in  the  laboratory.  Strict  methods  of  storage  and 

disposal also had to be planned that comply with the appropriate measures as outlined 

on the product’s Material Safety Data Sheet.  

 

Due  to  the unsafe nature of  the product and  the  relatively  tight  schedule  to put all 

safety measures in place, the bayer liquor was not able to be brought to Curtin for use 

in concrete. These measures were also carried out for production of the conventional 

geopolymer  concrete,  however  the  procedure  for  the  bayer  was  quite  a  bit more 

stringent due to it never having been used in concrete at Curtin University.  

 

Page 29: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    22 

3.3 Materials

 

3.3.1 Fly Ash

 

The carried out experimental work utilized  low calcium Class F  fly ash obtained  from 

Collie  Power  Station  located  south  of  Perth,  Western  Australia.  Throughout  the 

research, the fly ash used was from the same delivered batch. The fly ash was obtained 

in bulk bags and measured from here into the respective amounts required. 

 

3.3.2 Sodium Hydroxide

 

A sodium hydroxide solution was utilized  in all mixes as a constituent  in  the alkaline 

reactor. The product was obtained from a  local supplier  in the form of pellets with a 

purity of 98%. The solution was prepared by dissolving the pellets  into distilled water 

at  specified concentration  in molars, M,  for  the concrete.  In  the  laboratory  research 

carried out, the solution was prepared with a concentration of approximately 10 M by 

dissolving the sodium hydroxide solids into distilled water.  

 

To produce 1 kg of  sodium hydroxide  solution, 416.8 grams of pellets was dissolved 

into 583.2 grams of distilled water. The  solid was added  to  the water gradually and 

stirred  for approximately 20 minutes until all solid had dissolved.  It was noticed  that 

upon  addition  of  the  solid  to  water,  the  solution  became  hot  as  the  exothermic 

reaction of dissolution carried out.   

 

Upon  preparation  of  the  first  mix  produced,  the  sodium  hydroxide  solution  was 

prepared  4  days  prior  to  its  addition  to  sodium  silicate,  and  then  production  of 

concrete.  It was  discovered  that  after  4  days  of  standing,  some  sodium  hydroxide 

solids  had  appeared  in  the  solution  after  being  dissolved  completely when  initially 

combined,  this  required  stirring  of  approximately  half  an  hour  to  reduce  the  solid 

content. Subsequent sodium hydroxide solutions made throughout the year were not 

prepared  to  a  schedule  prior  to mixing  the  concrete. Generally  though,  dilution  of 

Page 30: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    23 

sodium hydroxide occurred a few days before concrete production in order to limit the 

time spent preparing the chemicals on the concrete mixing day. 

 

3.3.3 Sodium Silicate

 

The  sodium  silicate  was  obtained  in  30.5  kilogram  pallets  from  a  local  chemical 

supplier, PQ Australia. The grade of material used is known as PQ‐D with a SiO2/Na2O 

ratio of 2.0. The pH of this liquid was 11.9 and was in the form of a heavy syrup. 

The weight analysis of this material was as given by the supplier: 

    Na2O  : 14.7% 

    SiO2  : 29.4% 

    Water  : 55.9% 

No  dilution was  required,  after  being weighed  out  it was  used  in  the  concrete  as 

delivered. 

 

3.3.4 Calcium Hydroxide

 

The calcium hydroxide used in Mix Three is known as HYLIME by Cockburn Cement. It 

was  an  industrial  grade  powder  obtainable  from  the  local  hardware  store,  typically 

used  in  masonry  mortars  or  plastering  applications.  This  product  was  used  in 

anticipation of developing a faster curing concrete with a higher early strength. 

 

XRF  analysis  carried  out  on  the  product  shows  the majority  of  the  composition  of 

HYLIME  to  consist  of  84%  by mass  of  calcium  oxide,  7.2%  silicon  dioxide  and  5.3% 

magnesium oxide. 

 

3.3.5 Silica Fume

 

Silica fume was used in Mix Two as a fly ash replacement in hope that it would aid the 

ambient curing properties of the concrete. 

 

Page 31: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    24 

The silica fume used was obtained from local supplier Simcoa, Western Australia. The 

product was delivered  in bags of 10 kilograms, and was known  just as Microsilica or 

densified  silica  fume.  This  same  product  is  also  used  in  concrete  batching  plants  in 

Western Australia,  in particular for marine applications. The silica fume  is  in the form 

of extremely fine particles and therefore makes the concrete  less  impermeable upon 

addition.  

 

3.3.7 Alkaline Liquid

 

The  alkaline  solutions  for  all mixes produced during  the  research were prepared by 

combining  the  sodium  hydroxide  solution  to  sodium  silicate  gradually.  This mixture 

was then stirred moderately for a few minutes and then sealed in the buckets with lids 

until  addition  to  the  concrete  mix.  This  process  took  place  immediately  prior  to 

beginning production of the concrete, the ratio of sodium silicate to sodium hydroxide 

was kept consistent at 2.5 upon recommendation from Hardjito and Rangan (2005). 

 

3.3.8 Aggregate

 

The  aggregate  used  was  supplied  by  Cemex  to  Curtin  University,  stored  outside 

uncovered  in storage divisions. The aggregate supplied consisted of two components; 

coarse aggregate obtained from the Cemex Gosnells Quarry and a fine aggregate that 

originated  from  Baldivis  Sand.  For  the  purpose  of  this  research,  coarse  aggregates 

were used with nominal sizes of 7mm, 10mm and 20mm, and  fine aggregates  in the 

form of sand. 

 

The  aggregate was measured  approximately  a week  prior  to  pouring  and  sealed  in 

bins. The moisture content of the aggregate was measured at the time of being used in 

the  concrete,  and  subsequently  used  to  determine  the  free  water  content  of  the 

concrete mix. 

 

Page 32: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    25 

The aggregate proportions were found in accordance with utilizing British Standards BS 

882.92 (Neville 2000, 172) grading requirement limits for all‐in aggregate. The grading 

curve was constructed in order to satisfy the grading limits with an application sourced  

from the University of Patras. 

 

As  can be  seen  the  sieve  analysis of  the utilized  aggregate displayed  a  grading‐gap, 

which  is displayed on  the grading curve below  (Figure 3.1). This made proportioning 

the  aggregate  components  a more  stringent  process. Neville  (2000)  suggests  that  a 

grading curve closer to the bottom limit is comparatively workable, and can therefore 

be  used  in mixes  with  a  low  liquid/binder  ratio.  The  results  of  sieve  analysis  and 

grading combinations of the utilized aggregates can be seen below in Table 3.1. 

 

 

30.530.127.5

5.50.71

0

10

30

95

6

35

50

100

0.06

3

0.15

0.6

4.75

19

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 . 0 1 m m 0 . 1 m m 1 m m 1 0 m m 1 0 0 m m

Pe

rce

nta

ge

pa

ss

ing

Particle size (mm)BS Sieve

ISO Sieve

Figure 3.1: Grading Curve of Combined Aggregates 

(Grading Curve 2009) 

 

Page 33: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    26 

Table 3.1: Grading of Combined Aggregates 

20 mm 10 mm 7 mm Fine

19.00 mm 98.10 100.00 100.00 100.00 99.43 95‐100

9.50 mm 0.19 90.68 100.00 100.00 68.66

4.75 mm 0.14 1.16 44.67 99.94 41.37 35‐55

2.36 mm 0.14 0.71 1.49 99.78 30.46

1.18 mm 0.14 0.69 0.52 99.47 30.12

600 μm 0.14 0.69 0.37 70.98 21.53 10‐35

300 μm 0.13 0.68 0.25 17.81 5.55

150 μm 0.11 0.66 0.11 1.96 0.75 0‐8

Ratio 30 15 25 30

BS 882.92SieveAggregates

Combination

 

 

3.4 Preliminary Laboratory Work

 

The aim of this research was to gain a knowledge and understanding of the effect of 

altering mix designs in a geopolymer concrete mix. Due to the lack of experience in any 

geopolymer concrete production by the author, it was suggested that to begin with, a 

standard  geopolymer  concrete  mix  using  the  established  sodium  hydroxide  and 

sodium  silicate alkaline  solution would be made  first  to  familiarize with  the process 

and use a reference to other mixes.  

 

The  first two mixes were undertaken at the beginning of June, 2009, with the use of 

the 70  litre  capacity pan mixer  (Figure 3.2)  to produce  approximately 65  litres  (156 

kilograms) of geopolymer concrete. Samples were placed in test specimens, 100mm x 

200mm  compression  cylinders  and  150mm  x  300mm  tensile  cylinders,  and  cured 

under the ambient conditions after pouring. 

 

The preliminary laboratory works focused on the following main objectives: 

 

- To familiarize with the making of fly ash based geopolymer concrete. 

- To  develop  an  understanding  of  an  appropriate  mix  procedure  in  the 

production of fly ash based geopolymer concrete. 

 

Page 34: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    27 

- To  develop  an  understanding  of  appropriate  mix  proportioning  in  the 

production of fly ash based geopolymer concrete. 

- To  observe  the  strength  development  of  fly  ash  based  geopolymer  concrete 

under ambient curing conditions. 

 

3.4.1 Mixing Procedure

 

The mixing procedure plays a vital role in the production of geopolymer concrete due 

to the unstable nature of some mixes. If constituents are added in the wrong order, it 

is possible that the concrete may flash set in the mixer, causing both a failed mix and a 

tough clean up. For this reason, a particular order was followed in the concrete mixing 

during this research. 

 

Cylinder moulds were first prepared for concrete pouring by coating them with mould 

release. For  the use of geopolymer concrete, a product by  the name of Valsof PE‐40 

was used as the mould release, as the usual grease would not work the same as with 

cement based concretes. 

 

The alkaline solution consisting of sodium hydroxide and sodium silicate was combined 

at  the  beginning  of  the  day  when  producing  concrete.  This  came  under 

recommendation  in  order  to  avoid  the  solution  crystallizing  over  a  long  stationary 

period, an outcome  that would deem  the concrete mix design  to differ  if water was 

used to dissolve the solid again. The sodium hydroxide solution was added carefully to 

the  second constituent and mixed  thoroughly, before being  sealed with  lids prior  to 

mixing time. 

 

The mixing procedure for geopolymer concrete was similar to that of conventional OPC 

concrete. All dry aggregates and fly ash were first added to the pan mixer and mixed 

for  a  few minutes  to  properly  combine  all  sizes.  After  this  dry mixing,  the  alkaline 

solution and any extra water was then added gradually and then mixed  for a  further 

three minutes, or, until an adequately combined mixture was formed.  

 

Page 35: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    28 

At  the conclusion of  this wet mixing, any mix design additives such as silica  fume or 

calcium hydroxide were added and again mixed thoroughly for approximately three to 

four minutes. This was carried out so that in the event of a rapid setting mix, it would 

be obvious that the final added constituent was the contributing factor. 

 

The produced geopolymer concrete differed physically to concrete made with ordinary 

Portland  cement.  Geopolymer  concrete  is  very  dark  in  colour  (a  dark  brown 

appearance) and has an extremely  ‘sticky’  feel  to  it. The placement of  the  concrete 

into cylinders therefore took longer than expected due to the difficulty of moving the 

concrete after mixing.  

 

Cylinders  were  filled  to  approximately  half  way  before  being  vibrated  for  a  few 

minutes or until no bubbles were being formed at the surface. The cylinders were then 

filled  to  the  top  and  vibration  started  again,  each mould  being  topped  up  as  the 

vibration caused the elimination of any air voids. Only a small amount of time on the 

vibration  table was  given  to  those mixes with  a  high  free water  content  as  it was 

discovered  that  excessive  movement  of  these  mixes  caused  segregation  of  the 

aggregates and the top of the cylinders became more of a paste. 

 

Upon completion of the concrete placement, cylinders were moved from the table to 

an area in the labs for setting under ambient conditions, as seen in Figure 3.3 below. 

 

Page 36: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    29 

 

Figure 3.2: Pan Mixer Used for Production of Concrete 

 

 

 

 

Figure 3.3: Setting of Wet Geopolymer Concrete 

3.4.2 Mixture Proportions

 

Page 37: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    30 

Hardjito  and  Rangan  (2005)  have  stated  that  using  a  higher  molarity  of  sodium 

hydroxide solution within the alkaline mix will yield a higher strength concrete. In their 

experimental  results  it was  seen  that,  in  otherwise  similar mixes,  using NaOH with 

concentration  of  14M  as  opposed  to  8M  consistently  yielded  higher  compressive 

strengths. 

 

Knowing  this,  when  preparing  the  sodium  hydroxide  prior  to  producing  the 

geopolymer concrete, solutions of 10M were prepared in anticipation of returning the 

highest possible compressive strength in the given situation.  

 

Mix One  (poured  in  June, 2009) was proportioned  in accordance  to  the  research by 

Hardjito and Rangan (2006), with a 10M sodium hydroxide solution, aggregate content 

of 77%, sodium silicate to sodium hydroxide ratio of 2.5, and an alkaline  liquid to  fly 

ash ratio of 0.35.  

 

Water was added to the first mix produced  in anticipation of yielding a workable mix 

that was easy to place, as the moisture content of the aggregate used was quite  low.  

This mix was used as a datum  for  further mix designs, as the amount of water used, 

combined with the moisture content of the aggregate, would be used as a reference of 

the amount of water  in future mixes.  It was discovered for Mix One that 1.5  litres of 

water  was  required  to  be  added  to  gain  an  adequate  workability  of  the  mix.  A 

summary of this first produced mixes water content is found below in Table 3.2. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 38: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    31 

Table 3.2: Free Water Content of Mixes One and Two 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Throughout the year, seven geopolymer concrete mix designs were produced in order 

to gain a relevant comparison in the effect of altering the concrete mix properties. The 

final mix designs,  in  terms of mass of material  included per cubic metre of concrete 

produced, are found in Table 3.3 below. A summary of each mix design and its overall 

performance is also provided in Appendix A.  

 

 

MIX ONE        

Aggregate Water 

Content (%) 

Mass of 

Aggregate (kg) 

Water 

Content (kg) 

20mm  0.45 36 0.16 

10mm  0.69 18 0.12 

7mm  1.64 30 0.49 

Sand  0.42 36 0.15 

    Added Water  1.5 

    Alkaline Solution  1.6 

   

Total Free Water 

Content (kg)  4.0 

   

Total Free Water 

Content (%)  2.6 

    f'cm.28 (MPa)  30 

Page 39: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    32 

 

 

Table 3.3: Mix Design Summary of Carried Out Research 

Materials kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg20 mm 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.510 mm 277 18 277 18 277 18 277 19 277 2.8 277 2.8 277 2.87 mm 462 30 462 30 462 30 462 32 462 4.6 462 4.6 462 4.6Sand 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.5

Fly Ash 408 27 362 24 380 25 408 29 408 4.1 408 4.1 408 4.1Sodium Silicate 103 6.7 103 6.7 103 6.7 103 7.2 103 1.0 103 1.0 103 1.0

Sodium Hydroxide 41 2.7 41 2.7 41 2.7 41 2.9 41 0.4 41 0.4 41 0.4Silica Fume - - 46 3.0 - - - - - - - - - -

Calcium Hydroxide - - - - 28 1.8 - - 2.8 0.03 5.5 0.1 17 0.2Extra Water 23 1.5 23 1.5 - - - - 96 1.0 96 1.0 96 1.0

TOTAL 2423 157.5 2423 157.5 2400 156.0 2400 168.0 2499 25.0 2502 25.0 2513 25.1

MIX SEVENMIX FIVE MIX SIXMIX ONE MIX TWO MIX THREE MIX FOUR

 

 

 

 

 

 

Page 40: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    33 

3.4.3 Curing of Geopolymer Concrete

 

The  geopolymer  concrete  specimens  produced  for  this  research were  cured  under 

ambient  temperatures. Due  to  having  no  exposure  to  elevated  temperatures  under 

ambient  conditions,  the  cylinders  did  not  have  to  be wrapped  in  plastic  to  prevent 

excessive evaporation. Therefore, the specimens were left uncovered in the laboratory 

until set. 

 

The first mix made revealed that under ambient conditions; the geopolymer concrete 

did  not  set  until  6  days  after  pouring.  Therefore,  the  cylinders  remained  in  their 

moulds for the first week of curing. This also meant that compressive testing was not 

carried out at 3 days after pouring as was first anticipated.  

 

The first compression tests were undertaken at 7 days after pouring, and therefore all 

cylinder  moulds  were  released  at  this  time.  From  this  time  onwards,  specimens 

remained  under  the  same  ambient  conditions,  only  with  their  full  surface  area 

exposed. The first two mixes were poured at the beginning of June, 2009. The outside 

temperature during  this month  in Perth, Western Australia, varied between 3°C and 

26°C (Bureau of Meteorology 2009). 

 

Figure 3.4: Ambient Curing of Geopolymer Concrete 

Page 41: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    34 

3.5 Testing of Concrete Specimens

 

The compressive and tensile strength testing of the concrete cylinders was for majority 

of  the mixes  undertaken  at  7,  14,  21  and  28  days  after  pouring.  The  testing  was 

performed  using  a  300  ton  capacity  Controls  MCC8  hydraulic  testing  machine  in 

accordance to AS1012.10 – 2000 and AS1012.9‐2000 for tensile and compressive test 

respectively.  

 

Compressive strength was determined using three 100x200 mm concrete cylinders at 

all 4 testing days, while the indirect tensile tests we carried out on three 150x300 mm 

cylinders  at  14  and  28  days  after  pouring. Due  to  the  top  surface  condition  of  the 

compressive  specimens,  sulfur  caps were made  for  the  cylinders  to ensure  that  the 

compression  force  is  transferred  equally  across  the  top  of  the  surface.  Figure  3.5 

shows the exposed surface of the concrete, with aggregate particles exposed making 

an uneven surface, and the sulfur cap used to produce the even surface for testing. 

 

 

 

 

Figure 3.5: Rough Surface of Cured Geopolymer Cylinder 

Page 42: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    35 

4. EXPERIMENTAL RESULTS AND

DISCUSSION

 

4.1 Introduction

 

Chapter  4  presents  the  experimental  results  obtained  during  the  year,  and  the 

discussion  regarding  the  relevance  and  significance of  these  findings.    The  concrete 

strengths  discussed  in  this  chapter  correspond  to  the mean  value  of  strength  from 

three test specimens  in a series. All significant observations and occurrences are also 

noted with the results of the relevant concrete mix. 

 

For individual cylinder data, details and strengths see Appendix B.  

 

In this chapter, the effects on the strength of fly ash based geopolymer concrete within 

the mix design and preparation are compared and discussed. The different parameters 

considered within this research include: 

1. A standard geopolymer concrete reference mix (Mix One). 

2. The  effect  of  adding  silica  fume  to  aid  the  ambient  curing  properties  of 

geopolymer concrete (Mix Two). 

3. The  effect  of  a  high  free water  content  on  the  strength  of  geopolymer 

concrete (Mix Four). 

4. The effect of adding calcium hydroxide to aid ambient curing properties of 

geopolymer concrete (Mix Three, Mix Five, Mix Six and Mix Seven). 

 

4.2 Experimental Results Overview

 

The experimental results throughout the research for each mix are used in comparison 

to Mix One,  a  conventional  geopolymer  concrete mix with no  additives used  in any 

attempt  to  enhance  its  performance.  The  initial  aim  for  these mix  designs was  to 

consistently prepare concrete mixes that would yield a 28 day strength of at  least 30 

MPa, which is exactly what Mix One came out to be. 

Page 43: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    36 

 

The further mix designs did not yield as positive results as what was initially expected. 

The addition of silica  fume to the mix created an  inordinate amount of silicon  in the 

concrete which had drastic negative effects on the  final strength, exhibiting a 28 day 

strength of 12.8 MPa. Mix Two however did set slightly quicker with  the addition of 

silica  fume  than Mix One and could  therefore  in  theory be used under  low  strength 

geopolymer concrete applications being set under ambient conditions. 

 

The effect of raising the free water content of the concrete mix yielded the result that 

was expected in Mix Four. In fact at the first testing at 7 days, it was predicted that the 

concrete  had  not  properly  set,  given  the  extremely  low  strength  of  2.5 MPa.  This 

however was dispelled at the 28 day test with a final strength of only 10.8 MPa. It was 

therefore  seen  that  by  doubling  the  water  content  of  the mix,  the  resulting  final 

strength of the concrete is in effect one third of the reference Mix One.  

 

Because  of  the  nature  of  by which  the  aggregates were  stored  outside  during  the 

winter months, all further mixes now exhibited extremely wet aggregates leading to a 

high  free water content. Therefore Mix Four was now used as a  reference mix as  to 

match  the  free water  content  of  all  further mixes  and  comparing  compressive  and 

tensile  strengths  of  the  concrete.  As  previously  explained,  aggregates  were  not 

specifically prepared to simulate a large scale concrete production.  

 

Mix Three incorporated the use of calcium hydroxide (hydrated lime) in order to both 

quicken the curing time for the concrete and produce a higher final strength. Even with 

a moderately low amount of lime used (5% of the geopolymer, replacement of fly ash), 

the mix flash‐set in the pan mixer before being completely placed in the moulds. This 

mix  design would  therefore  not  be  applicable  in  an  industry  operation where  large 

quantities  of material  are  produced.  The  unaffected  cylinders were  still  tested  and 

showed positive results for a mix with a high free water content with a final strength of 

18.2 MPa, comparative to Mix Four’s reference strength of 10.8 MPa.   

 

Page 44: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    37 

To further the investigation into the use of calcium hydroxide in geopolymer concrete, 

a further three mixes were prepared with varying quantities of the product. This was 

carried  out  to  investigate what  composition  of  hydrated  lime  caused  a  geopolymer 

concrete mix to set too quickly to place. Mixes Five, Six and Seven were produced with 

an  addition  of  0.5%,  1%  and  3%  of  the  geopolymer  paste  respectively,  this  time 

however the calcium hydroxide was added to the concrete mix without replacement of 

the fly ash. Again the mix was produced with high water content in order to produce a 

relative comparison with Mix Three and Four.  

 

Despite all three setting noticeably quicker than the standard mix, Mixes Five, Six and 

Seven  showed no  significant  increase  in  strength at 28 days of age. What was even 

more  unexpected  was  that  Mixes  Five  and  Six  were  significantly  lower  than  the 

reference. Of  the  three differing amounts of  calcium hydroxide used, Mix  Six which 

contained  an  addition  of  3%  of  the  geopolymer  exhibited  the  highest  compressive 

strength of 11.0 MPa, just slightly above the 10.8 MPa reference of Mix Four. 

 

The resulting compressive strengths as strength develops over the  first 28 days  from 

pouring can be seen in the below Figure 4.1. 

 

The indirect tensile strengths were also determined for Mixes One to Four. The 28 day 

tensile strength for the majority proved proportional to compressive strength results, 

with Mixes One and Three ending up the strongest with 2.7 and 2.2 MPa respectively. 

It  was  seen  that  the  relationship  between  the  compressive  and  indirect  tensile 

strength was extremely similar to one proposed by Neville (2000) suggesting: 

Fct = 0.3 fcm⅔  

A  relationship determined by Lloyd and Rangan  (2009)  for geopolymer concrete was 

not  adhered  to  primarily  due  to  a  contrast  in  curing  conditions.  Lloyd  and  Rangan 

developed this relationship using geopolymer concrete specimens cured  in the steam 

room, where as the laboratory work for this report was based on ambient curing. 

 

The indirect tensile strength of Mixes One to Four is shown below in Figure 4.2. 

 

Page 45: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    38 

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

Co

mp

res

sive

Str

en

gth

(MP

a)

Age After Pouring (Days)

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two

Mix Four

Mix Three

Mix Five

Mix Six

Mix Seven

 

Figure 4.1: Compressive Strength of all Carried Out Mixes 

 

Page 46: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    39 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 5 10 15 20 25 30

Tensile Stren

gth (MPa)

Age After Pouring (Days)

Tensile Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two 

Mix Three

Mix Four

Figure 4.2: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four

Page 47: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    40 

4.3 Compressive Strength and Observations of Geopolymer

Concrete Mixes

 

4.3.1 Initial Geopolymer Concrete Reference Mix

 

Table 4.1: Mix Design One 

Materials kg/m3 kg20 mm 554 3610 mm 277 187 mm 462 30Sand 554 36

Fly Ash 408 27Sodium Silicate 103 6.7

Sodium Hydroxide 41 2.7Silica Fume - -

Calcium Hydroxide - -Extra Water 23 1.5

TOTAL 2400 157.5

MIX ONE

 

 

Mix  one  was  prepared  in  anticipation  of  it  being  the  ‘reference mix’  by  which  to 

compare other mixes made. This was seen as the standard geopolymer concrete mix 

and all further mix designs were based on this with variations in quantities of materials 

used  and  additives  included.  Mix  One  was  prepared  in  early  June  2009  at  the 

immediate beginning of the laboratory work conducted for this report. 

 

Mix One exhibited a 28 day strength of exactly 30 MPa, coincidentally the benchmark 

strength  upon which  all  further mixes were  expected  to  exceed.  The  shape  of  the 

strength  development  curve,  as  shown  in  Figure  4.3  also  indicates  that  given  extra 

curing  time under  these ambient conditions, a higher  strength could be attained. Of 

the three mixes made throughout the year which was at regular  intervals, Mix One  is 

the  only  one  that  shows  a  still  developing  strength  curve  and  promises  to  provide 

worthwhile higher strengths at an age beyond that of 28 days.  

 

 

 

Page 48: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    41 

 

Table 4.2: Compressive Strength of Mix One (MPa) 

MIX ONEAge in Days

Compressive Strength (MPa)

Standard Deviation

Number of Samples

0 0.0 0.00 -7 8.6 0.19 3

14 17 0.65 321 24 0.30 328 30 0.25 3  

 

 

 

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

Co

mp

res

sive

Str

en

gth

(MP

a)

Age After Pouring (Days)

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two

Mix Four

Mix Three

 

Figure 4.3: Compressive Strength of Mix One 

 

 

It was also noticed that an efflorescence precipitate was formed on the outside of the 

cylinders on Mix One. The efflorescence was  in  the  form of a white crystal, and was 

apparent at 14 days after pouring. The amount of efflorescence changed  too as  the 

Page 49: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    42 

age  of  the  concrete  lengthened,  and  by  28  days  the  specimens  had  a  substantial 

coating  of  material  on  the  outside.  Temuujin,  van  Riessen  and  Williams  (2009) 

discovered  similar  findings on ambient  cured geopolymer paste  samples when using 

additives to aid mechanical properties of the paste under ambient curing conditions. It 

was  led  to  believe  that  the  efflorescence  formed  was  an  indication  of  insufficient 

geopolymerisation  or  excess  alkali.  Further  investigation  into  the materials  showed 

that the efflorescence was composed of sodium, oxygen and phosphorus. XRF analysis 

also showed that the precipitate showed clear presence of sodium phosphate hydrate 

(Na3PO4.12H2O)  in  all  samples  ambient  cured.  Figures  4.4  and  4.5  below  show  the 

efflorescence forming on the outside of Mix One at 14 and 28 days respectively. 

 

 

 

 

 

Figure 4.4: Efflorescence Formed on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 14 days 

 

Page 50: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    43 

 

Figure 4.5: Efflorescence on the Outside of Cylinders ‐ Mix One at 28 days 

 

 

4.3.2 The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing

 

Table 4.3: Mix Designs One and Two 

Materials kg/m3 kg kg/m3 kg20 mm 554 36 554 3610 mm 277 18 277 187 mm 462 30 462 30Sand 554 36 554 36

Fly Ash 408 27 362 24Sodium Silicate 103 6.7 103 6.7

Sodium Hydroxide 41 2.7 41 2.7Silica Fume - - 46 3.0

Calcium Hydroxide - - - -Extra Water 23 1.5 23 1.5

TOTAL 2400 157.5 2400 157.5

MIX ONE MIX TWO

 

 

Mix Two was based upon using Mix One with  the addition of silica  fume  to  the mix. 

Silica fume was substituted  in for fly ash at a quantity of 8.3% of the geopolymer (no 

Page 51: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    44 

aggregate) based upon mix designs previously established in geopolymer pastes. Upon 

scaling up  to a concrete by addition of aggregate,  the silica  fume content of  the mix 

stood at 1.9% of the 65 litre concrete mix. Both Mix One and Mix Two were produced 

on the same day. 

 

The  silica  fume  was  the  final  constituent  added  during  the mixing  process  in  the 

production of Mix Two. This was undertaken  so  that  in  the event  that  rapid  setting 

occurred upon addition,  it would be obvious  that  the  silica  fume was  the cause and 

could be traced. This method of mixing was used consistently throughout the research.  

 

It was observed that upon ambient curing of the first two mixes made, Mix Two (silica 

fume included) experienced some expansion after 3 days above the top of the cylinder 

mould as seen in Figures 4.6 and 4.7. There was no expansion of Mix One which would 

suggest that this was purely an effect from the included silica fume. The expansion of 

these  cylinders  therefore  required  that  these  cylinders  be  cut  down  to  size 

(approximately 200mm  in  length for compression specimens)  in order for them to be 

tested  upon  an  even  top  surface  for  equal  distribution  of  force  throughout  the 

specimen. The expansion of Mix Two’s cylinders only occurred during the initial setting 

when  the  concrete was wet. This was apparent as after  the  concrete had dried and 

was  subsequently  removed  from  the  moulds  at  7  days,  there  was  no  change  in 

diameter of the specimens. 

 

It was also apparent that at 3 days after pouring Mix Two had set slightly faster than 

Mix One,  suggesting  that  the  silica  fume  did  increase  the  rate  of  curing  by  a  small 

amount. Mix Two had completely set by 5 days old  in comparison  to Mix One being 

ready at 7 days. Mix Two also exhibited an amount of efflorescence on the outside of 

cylinders similar to Mix One, the amount present though was considerably less.  

 

 

 

Page 52: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    45 

 

Figure 4.6: Expansion of Mix Two (right) Relative to Mix One (left). 

 

 

 

Figure 4.7: Expansion of Mix Two Cylinders 

Page 53: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    46 

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

Co

mp

res

sive

Str

en

gth

(MP

a)

Age After Pouring (Days)

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two

Mix Four

Mix Three

 

Figure 4.8: Compressive Strength for Mixes One and Two 

 

 

Table 4.4: Compressive Strength of Mix Two (MPa) 

MIX TWOAge in Days

Compressive Strength (MPa)

Standard Deviation

Number of Samples

0 0.0 0.00 -7 1.9 0.09 3

14 7.0 0.14 321 10 0.11 328 13 1.3 3  

 

It can be seen from the resulting compressive strengths in Table 4.4 that the addition 

of silica fume to the geopolymer mix had a negative effect on the strength. With  just 

1.91% of the concrete mix being silica fume substituted for fly ash, the final strength of 

the concrete mix more than halved. The 28 day strength of Mix Two peaked at only 13 

MPa  in  comparison  to  Mix  One’s  30  MPa  with  no  silica  fume.  The  strength 

development  curve  can  be  seen  to  have  diminished  after  14  days  and  have  no 

significant growth after 28 days (Figure 4.8). 

Page 54: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    47 

 

The difference  in compressive strengths between Mix One and Two can be explained 

through  the extra amount of silicon present  in Mix Two. The  inclusion of silica  fume 

combined with the already present sodium silicate presented an abnormal amount of 

silicon  in the mix.  It would be seen that silica  fume particles have not reacted within 

the microstructure of  the  geopolymer,  and  are present  in  the  concrete, un‐reacted. 

The  resulting  compressive  strength of Mix Two was unexpected, as  it had  set  faster 

than Mix One  and  a higher  strength was  therefore predicted, particularly  at  7 days 

after curing.  

 

This is in contrast to the findings of Barbuiya et al (2009) who discussed that upon the 

addition of silica fume to cement based concrete, the fine particles of the silica fume 

combine  with  the  concrete  transition  structure.  This  is  known  as  the  ‘micro‐filler 

effect’ upon which the material’s structure is strengthened with the transitional bonds 

between particles. It was discovered that an addition of silica fume at a quantity of 5% 

of the concrete increased the strength by approximately 20%.  

 

It can therefore be seen that the addition of silica fume to geopolymer concrete at a 

quantity of 8.3% of the geopolymer poses a negative effect on the final strength. With 

this composition of silica fume replacing fly ash, the final strength is more than halved. 

Further  to  this,  the  concrete  specimens  experience  a  swelling  above  the  top of  the 

cylinder  moulds,  something  that  would  not  be  suitable  in  an  industrial  concrete 

application.  

 

 

 

 

 

 

 

Page 55: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    48 

4.3.4 The Effect of Free Water Content on the Strength of

Geopolymer Concrete

Table 4.5: Mix Design Four 

Materials kg/m3 kg20 mm 554 3910 mm 277 197 mm 462 32Sand 554 39

Fly Ash 408 29Sodium Silicate 103 7.2

Sodium Hydroxide 41 2.9Silica Fume - -

Calcium Hydroxide - -Extra Water - -

TOTAL 2400 168.0

MIX FOUR

 

 

An  investigation  into  the  effect  of  raising  the  free water  content  of  a  geopolymer 

concrete mix was  carried out.  This undertaken  research was  required  to distinguish 

between  the  method  of  producing  geopolymer  paste  and  concrete.  The  included 

aggregate  in the concrete holds water and therefore a workable concrete mix can be 

made without the addition of any extra water to the mix.  

 

Avoiding  this  condition  can  be  achieved  by  preparing  the  aggregate  in  Saturated 

Surface Dry  condition.  This was not  carried out  in  an  attempt  to  keep  the  research 

relevant  to  large  scale  concrete  production,  in  which  it  would  not  be  efficient  to 

prepare large quantities of aggregates to SSD.  It is also a difficult stage to get to, as it 

is  based  on  visual  and  touch  parameters,  however  it  can  be  complied  with  by 

Australian  Standard  1141.5‐2000  and  1141.6.1‐2000.  The  concept  of  preparing 

aggregate  to  SSD  is  that  the  particles  appear  damp,  but  upon  surface  touching  no 

moisture  is  felt  and  therefore would  occur  differently  upon  individual  opinion.  This 

condition  is  optimum  for  concrete  preparation  in  order  to  yield  aggregate  that  is 

holding enough moisture only to a point where it is not surface wet, and therefore not 

Page 56: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    49 

contributing any water to the mix. The moisture of these particles also prevents any of 

the added free water to the concrete mix being absorbed by the dry aggregate too. 

 

The water content of the mix is contributed to by the condition of the aggregate, any 

extra water added to the mix, and the water used in the alkaline solution. In Mixes One 

and Two, it was found that the free water content was approximately 4.0 litres over a 

65  litre mix of  concrete,  including 1.5  litres of extra added water, producing a 2.6% 

free water content as seen  in Table 4.6. By using aggregate that was not prepared  in 

any  situation  obtaining  it  straight  from  the  outside  conditions  under  the  rain, Mix 

Four’s water content was raised to 4.2% after calculating 6.5 litres of free water in the 

aggregate and alkaline solution as seen in Table 4.7. 

 

Prior  to mixing,  it was anticipated  that  the  strength of  this mix with  the higher  free 

water content would be  lower than Mix One. This  is the situation as seen  in ordinary 

Portland cement concrete, as raising the water content lowers the ultimate strength. 

 

Table 4.6: Free Water Content of Mix One 

MIX ONE

AggregateWater 

Content (%)

Mass of 

Aggregate (kg)

Water 

Content (kg)

20mm 0.45 36 0.16

10mm 0.69 18 0.12

7mm 1.64 30 0.49

Sand 0.42 36 0.15

Added Water 1.5

Alkaline Solution 1.6

Total Free Water 

Content (kg)4.0

Total Free Water 

Content (%)2.6

f'cm.28 (MPa) 30

 

Page 57: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    50 

 

 

 

Mix Four  (investigating a mix with a higher water content) was designed exactly  the 

same  as Mix One poured earlier  in  the  year. No preparation of  the  aggregates was 

carried out as these were obtained straight from the storage area, that was exposed to 

heavy rain that week, into sealed bins to retain the water content at that time. 

 

It was  noticed  that  the water  in  the mix  had  an  effect  on  the  appearance  of  the 

geopolymer concrete. The concrete had an oily appearance with black portions spread 

throughout where the excess water was sitting in the mix. Figure 4.9 below shows an 

example of this on top of a poured cylinder during the placement. These black sections 

disappeared as  the concrete  set. This oily appearance was  seen consistently over all 

further mixes produced with this high free water content throughout the year.  

 

Table 4.7: Free Water Content of Mix Four 

MIX FOUR

AggregateWater 

Content (%)

Mass of 

Aggregate (kg)

Water 

Content (kg)

20mm 1.25 36 0.45

10mm 1.50 18 0.27

7mm 4.14 30 1.24

Sand 8.17 36 2.94

Added Water 0

Alkaline Solution 1.6

Total Free Water 

Content (kg) 6.5

Total Free Water 

Content (%) 4.2

f'cm.28 (MPa) 11

       

 

Page 58: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    51 

 

Figure 4.9: Excess Water in Geopolymer Concrete 

 

Obviously, when mixed  the  concrete was  exceptionally  easy  to  place with  the  high 

water content and  the mix had a high  slump value of over 250mm. Due  to  the high 

slump nature of this mix, only a light amount of vibration was applied to the cylinders 

to avoid segregation of the mix and  letting all the aggregate fall to the bottom of the 

moulds and therefore producing more of a paste at the top of the cylinder.  

 

Understandably, Mix Four took quite some time to set. At 7 days old it was seen that 

the  concrete  still may not have  set properly,  as  the  strength  at  this  time was  even 

lower than expected, with a 2.5 MPa average in comparison to Mix One’s 8.6 MPa. Mix 

Four only had specimens taken for 7 and 28 days old in compression, and 28 days for 

tensile. Therefore, the strength development and rate of changes cannot be observed 

as closely over 28 days. 

 

The final strength of Mix Four did not get close at all to Mix One as seen in Figure 4.10. 

At 28 days the compressive strength of concrete reached 10.8 MPa (Table 4.8). It can 

Page 59: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    52 

therefore be  seen  that by  increasing  the  free water content  in a geopolymer mix  to 

almost double, it effectively reduces the 28 day strength to a third of the original mix. 

 

 

Table 4.8: Compressive Strength of Mixes One and Four (MPa) 

MIX FOURAge in Days

Compressive Strength (MPa)

Standard Deviation

Number of Samples

0 0.0 0.00 -7 2.5 0.09 3

28 11 0.48 3  

 

 

 

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

Co

mp

res

sive

Str

en

gth

(MP

a)

Age After Pouring (Days)

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two

Mix Four

Mix Three

 

Figure 4.10: Compressive Strength of Mixes One and Four 

 

 

 

Page 60: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    53 

4.3.3 The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing

 

Table 4.9: Mix Design Three 

Materials kg/m3 kg20 mm 554 3610 mm 277 187 mm 462 30Sand 554 36

Fly Ash 380 25Sodium Silicate 103 6.7

Sodium Hydroxide 41 2.7Silica Fume - -

Calcium Hydroxide 28 1.8Extra Water - -

TOTAL 2400 156.0

MIX THREE

 

 

Calcium hydroxide (hydrated lime) is used in common concrete applications to shorten 

the setting time under ambient conditions. Similar to Mix Two, calcium hydroxide was 

substituted into Mix Three for fly ash, at an amount of 5% of the geopolymer mix. This 

replacement of fly ash therefore worked out to 27.6 kg/m3 for the total concrete mix.  

 

Mix Three was poured at the end of July, 2009 with the intention of developing a faster 

setting ambient cured geopolymer concrete with a higher early strength. The calcium 

hydroxide was added to the concrete mix in much the same fashion as the silica fume 

in Mix Two, in that it was the final constituent included in the mixing procedure.  

 

Due  to  the  high  moisture  content  of  the  aggregates  used,  the  concrete  mix  was 

extremely wet during mixing. At this point  it would be thought that placement of the 

concrete would be easier than in previous experiments, although the final strength of 

the concrete would be lower. The slump recorded of this mix exceeded 250mm, similar 

to Mix Four. 

 

Upon addition of the calcium hydroxide to the mix and then mixing,  it was seen that 

the concrete was bubbling  furiously as the reaction between the chemicals  in the  fly 

Page 61: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    54 

ash  and  the  calcium  hydroxide.  At  this  point  it was  realized  that  something  never 

experienced by the author was occurring so progress was made as quick as possible to 

place the concrete into the moulds.  

 

Approximately ten minutes into placement of the concrete in the moulds, rapid setting 

began  to  occur  and  placement  of  the mix  became  very  difficult.  Vibration  of  the 

cylinders did not have an effect on the form of the concrete, and air voids remained in 

some  of  the  cylinders.  Because  the  concrete  was  set  on  the  day  of  casting,  de‐

moulding of the cylinders was carried out at only two days of age. Upon removing the 

concrete from the moulds  it was apparent that majority of the compression cylinders 

turned out fine for testing as usual. The tensile cylinders on the other hand, appeared 

to have a considerable amount of voids  in them because of the fast setting concrete, 

however testing of these cylinders was still carried out in order to yield some data for 

this mix (Figure 4.12). 

 

Mix  Three  and  Four were  produced  on  the  same  day  and  therefore  had  the  same 

relatively high free water content. Mix Four, as explained in the previous section of this 

report,  is a standard geopolymer concrete mix  investigating  the effect of high water 

content.  For  this  reason, Mix  Three  and  all  further mixes  later on  in  the  year were 

compared to Mix Four. The strength of Mix Three was consistently stronger than the 

reference mix  throughout,  and  the  rate  of  strength  development was  substantially 

larger up until 14 days of age. Eventually,  though,  the  strength development of Mix 

Three tapered off and did not exhibit any rapid strength gain within 28 days. The final 

testing at 28 days showed a compressive strength of 18 MPa, comparative to Mix Four 

which exhibited a 28 day strength of 11 MPa as seen in Table 4.10 and Figure 4.11. 

 

 

 

 

 

 

 

Page 62: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    55 

 

 

 

Table 4.10: Compressive Strength of Mix Three 

MIX THREEAge in Days

Compressive Strength (MPa)

Standard Deviation

Number of Samples

0 0.0 0.00 -7 9.2 0.78 3

14 15 0.25 321 17 0.33 328 18 0.3 3

 

 

 

 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25 30

Co

mp

res

sive

Str

en

gth

(MP

a)

Age After Pouring (Days)

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two

Mix Four

Mix Three

Mix Five

Mix Six

Mix Seven

 

Figure 4.11: Compressive Strength of Mixes Three and Four 

 

 

Page 63: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    56 

 

Figure 4.12 : Rapid Setting Effects and Efflorescence on Mix Three Cylinders 

 

 

 

Figure 4.13: Cross Section of Small Cylinder ‐ Mix Three 

Page 64: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    57 

 

Figure 4.13  shows  the cross  section of a cylinder  from Mix Three. The most obvious 

aspect is the shape of the top (right side of the image) where the concrete had set just 

as the cylinder had been filled up. The material at the top of these cylinders was flaky 

and brittle and so each affected cylinder had this surface condition trimmed off prior 

to testing. Another aspect of this cylinder  is the amount of air voids seen throughout 

the section. Because Mix Three set whilst the cylinders were being vibrated all of the 

air voids were not able to be removed from the concrete.  

 

It  should  however  be  noted,  that  any  results  obtained  from  the  testing  of  these 

specimens provide little use in further applications of geopolymer concrete mix design. 

It is recommended that the research in the addition of calcium hydroxide is continued 

with varying amounts added. On a  larger scale  in  industry  the  time  for placement of 

concrete would be much longer, and therefore setting would occur before all concrete 

is put into place. However, for the purpose of this research, the strength development 

is to be investigated into the addition of calcium hydroxide to geopolymer concrete, so 

testing of the cylinders continued. 

 

As  seen  in  Figure  4.12 Mix  Three  also  exhibited  an  amount of  efflorescence on  the 

outside of  the  cylinders.  It was  apparent  at  this  stage  that  all  geopolymer  concrete 

samples cured under ambient conditions consistently exhibited this property. 

 

Approximately  a week  later,  it was  informed  to  the  author  of  this  report,  that  the 

Physics department at Curtin University had attempted  to  replicate  the  rapid setting 

nature of this mix by producing a geopolymer paste mix with the same proportions as 

Mix Three, albeit without  the aggregate. The outcome, however, differed  in  that  the 

mix did not rapid set whilst preparing and in fact took approximately 36 hours before it 

had properly set (M. Lee, personal communication August 26, 2009). 

 

To  further  the  research  into  the  effect  of  adding  calcium  hydroxide  to  geopolymer 

concrete,  Mixes  Five,  Six  and  Seven  were  produced  with  varying  amounts  of  the 

product added. The difference  in this mix was the calcium hydroxide was added to a 

Page 65: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    58 

set mix  as  an  addition,  not  through  substitution  for  fly  ash.  This was  achieved  by 

producing a replica of Mix Four  (standard geopolymer concrete mix, with high water 

content, as was Mix Three) and adding the hydrated  lime at a percentage by mass of 

the  geopolymer  paste  in  the  concrete.  Quantities  of  0.5%,  1%  and  3%  of  the 

geopolymer were added to the concrete mix respectively. Table 4.11 below shows the 

specific mix designs of these mixes. It can be seen that the total composition of Mixes 

Five to Seven exceed a composition of 2400 kg/m3 due to the extra water and calcium 

hydroxide added  to  the already complete concrete mix. The amount of water added 

was calculated in order to yield the same free water content as Mixes Three and Four. 

 

Table 4.11: Mix Designs Five, Six and Seven 

Materials kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg20 mm 554 5.5 554 5.5 554 5.510 mm 277 2.8 277 2.8 277 2.8

7 mm 462 4.6 462 4.6 462 4.6Sand 554 5.5 554 5.5 554 5.5

Fly Ash 408 4.1 408 4.1 408 4.1Sodium Silicate 103 1.0 103 1.0 103 1.0

Sodium Hydroxide 41 0.4 41 0.4 41 0.4Silica Fume - - - - - -

Calcium Hydroxide 2.8 0.03 5.5 0.1 17 0.2Extra Water 96 1.0 96 1.0 96 1.0

TOTAL 2499 25.0 2502 25.0 2513 25.1

MIX FIVE MIX SIX MIX SEVEN

 

 

In  order  to  avoid  quick  setting mixes  hardening  in  the  pan,  the  bulk  standard mix 

design was produced and then the required amount for each sub‐mix (Mixes Five, Six 

and  Seven) was  placed  onto  an  aggregate  preparation  tray.  From  here  the  varying 

amounts of calcium hydroxide was added and then mixed by hand  into the concrete. 

This also allowed  for a better  feel of  the workability of  the mix, as any quick setting 

could be detected straight away.   

 

Mix Five (0.5% calcium hydroxide) presented no difference in workability or immediate 

setting  time  whilst  mixing  compared  to Mix  Four.  In  order  to  make  the  required 

amount of concrete for 6 compression cylinders (3 x 7 days, 3 x 28 days), only 29 grams 

of calcium hydroxide was added to 25 kilograms of concrete. In the time it took to mix 

Page 66: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    59 

in  the calcium hydroxide and  then  transfer  the concrete  into  the cylinders, Mix Five 

appeared to have no difference in workability relative to any standard geopolymer mix 

prepared earlier in the year. After 24 hours of curing it was apparent that Mix Five had 

still  not  set.  Complete  setting  occurred  by  5  days  after  pouring,  very  similar  to  a 

standard geopolymer concrete mix with no additives.  

 

Mix  Six  (1%  calcium hydroxide) exhibited  a  slightly  faster  setting  rate  than Mix  Five 

during  the  day.  An  amount  of  58  grams  of  calcium  hydroxide  was  added  to  the 

concrete mix and whilst  there was no noticeable  setting or difference  in workability 

during placement, approximately two hours after producing the mix it was clear that it 

had begun setting. Figure 4.14 below shows the excess of Mix Six at two hours after 

mixing and partially set. At this point the concrete was beginning to harden on the top, 

however  beneath  the  surface  it was  still  very wet. By  3  days  of  curing Mix  Six  had 

completely set and was able to be removed from the moulds. 

 

 

Figure 4.14: Mix Six at Two Hours after Pouring 

                                                    

Page 67: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    60 

Mix  Seven  (3%  calcium hydroxide) was  the  only mix  prepared  out  of  the  last  three 

which exhibited noticeable early setting properties during placement of the concrete. 

It was experienced that whilst combining the 173 grams of calcium hydroxide that the 

workability of  the  concrete  changed almost  instantly, however not enough  to affect 

the placement. The mix felt heavier to move after mixing in the calcium hydroxide as it 

appeared  the  reaction  between  the  chemicals  in  the  concrete  had  occurred 

immediately. The  rate of  reaction was not as quick as Mix Three  though, where  the 

concrete set before all cylinders could be poured, and therefore the placement of Mix 

Seven went accordingly to plan. 

 

Again, the left over concrete from Mix Seven was kept to observe how long it took to 

set compared to Mix Six. After  just one hour Mix Seven was significantly harder than 

Mixes Five and Six, and was obviously going to be completely set within hours. Figure 

4.15 below shows the condition of the excess from Mixes Six and Seven after one hour 

of setting, and it can be seen that Mix Six is still completely wet where as Mix Seven is 

significantly  further along  in the setting process. After twelve hours of standing after 

pouring, Mix Seven had completely set and therefore the cylinders would have been 

able to be de‐moulded after 24 hours. 

 

 

Figure 4.15: Mixes Seven (Left) and Six (Right) at One Hour after Pouring 

Page 68: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    61 

The  relatively  low  final  strength’s  of  Mixes  Five,  Six  and  Seven  came  as  quite 

unexpected due to the setting times experienced by the three mixes. Though Mix Five 

set  in  the  same  amount of  time  as  the  reference mix,  it was expected  that  a  small 

amount of calcium hydroxide would have a compressive strength slightly higher, if not 

equal to the reference Mix Four. The faster setting nature of Mixes Six and Seven made 

for  the  prediction  of  higher  compressive  strengths  in  proportion  to  the  amount  of 

calcium hydroxide used. Despite this, the highest compressive strength experienced by 

these three mixes was 11.0 MPa, only slightly higher than the 10.8 MPa reference as 

seen below in Figure 4.16. 

 

 

 

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30

Co

mp

res

sive

Str

en

gth

(MP

a)

Age After Pouring (Days)

Compressive Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two

Mix Four

Mix Three

Mix Five

Mix Six

Mix Seven

 

Figure 4.16: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) 

 

 

 

 

 

Page 69: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    62 

 

Table 4.12: Compressive Strength of Mixes Five, Six and Seven (MPa) 

Age in Days

Compressive Strength (MPa)

Standard Deviation

Number of Samples

7 3.2 0.10 328 7.4 0.33 37 3.6 0.37 3

28 8.0 0.81 37 5.1 0.10 3

28 11 0.89 3

MIX FIVE

MIX SIX

MIX SEVEN 

 

It  can  be  seen  from  the  results  in  Table  4.12  that  the  compressive  strength  of 

geopolymer concrete increases in proportion to the amount of calcium hydroxide used 

within  the mix. Mix Seven with a 3%  calcium hydroxide addition exhibited a  slightly 

higher compressive strength than Mixes Five and Six. The difference though is seen at 

the 7 day strengths where any addition of calcium hydroxide to a geopolymer concrete 

mix  increases  the  strength and  rate of  setting, making  the mix applicable  for use  in 

industry applications where the concrete is cured without the use of steam rooms.  

 

Mix Seven appears to be a practical solution to developing a geopolymer concrete mix 

that sets within 24 hours without decreasing the final strength. The addition of calcium 

hydroxide at an amount of 3% of the geopolymer provides a concrete mix that will set 

efficiently without the need for a steam room, and provide a final strength to that of 

equal  to a mix without any additives.  If Mix Seven had achieved a  final compressive 

strength substantially higher than the reference mix, it would be seen that this was the 

optimum arrangement for the inclusion of calcium hydroxide in geopolymer concrete.  

 

Another aspect of these three mixes that was noticed is how quickly the efflorescence 

began to appear after de‐moulding. Approximately 30 minutes after all cylinders were 

removed from their moulds, a small amount of efflorescence started to appear around 

the top of the cylinders below where any excess bits of concrete had been chipped off 

during handling. Figure 4.17below shows the first amounts of efflorescence appearing 

at half an hour after de‐moulding the cylinders at five days after casting.  

Page 70: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    63 

 

It was  interesting  to  discover  the  substantial  difference  between  a  3%  addition  of 

calcium  hydroxide  relative  to  the  5%  replacement  of  fly  ash  as  seen  in Mix  Three. 

Despite the fact that Mix Three was deemed a failure, the compressive strengths of the 

unaffected  cylinders  were  still  substantial.  From  this,  it  would  be  seen  that 

incorporating a 3% replacement of fly ash with calcium hydroxide would produce a mix 

that sets within 12 hours and presents positive compressive and tensile strengths.  

 

 

Figure 4.17: Efflorescence Beginning to Form after De‐moulding ‐ Mix Five 

 

 

4.4 Indirect Tensile Strength of Geopolymer Concrete

 

The  relationship  between  the  compressive  strength  and  indirect  tensile  strength  of 

concrete  is well  known. Whilst  not  as  heavily  relied  upon  from  the  results  point  of 

view, the tensile strength of the tested specimens must also be analysed to gain a full 

perspective of the conclusions. The tensile strength of these specimens was tested  in 

compliance with Australian Standard 1012.10‐2000. 

Page 71: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    64 

 

The  indirect  tensile  tests  were  only  carried  out  on Mix  One  to  Four  due  to  both 

material and time restraints. To undertake this, cylinders were produced using 150mm 

diameter  by  300mm  long moulds.  The  tensile  splitting  strength was  determined  in 

accordance with Australian Standards AS1012.10‐2000: Method of testing concrete – 

Determination of indirect tensile strength of concrete cylinders (Brasil or splitting test).  

 

From  the  determined  splitting  load  P  (kN),  it  is  possible  to  determine  the  indirect 

tensile strength in MPa by the following equation: 

    T = 2000P / πLD 

Where P = Splitting strength of cylinder in kN.  

  L = Length of cylinder in mm 

  D = Diameter of cylinder in mm. 

  T = Tensile Strength in MPa 

 

For the most part the  indirect tensile strength of the four mixes were proportional to 

the compressive strength, with Mix One and Three being the strongest easily (2.7 MPa 

and 2.2 MPa respectively), and Mix Two and Four trailing behind. Mix Four (2.0 MPa) in 

fact was  quite  a  bit  stronger  in  tension  than Mix  Two  (1.5 MPa)  in  contrast  to  the 

compressive  strength  of  these  two mixes  in which  the  two mixes were  extremely 

similar, Mix Two being just slightly stronger as seen in Figure 4.18. 

 

Due to time and material restraints again, Mix Four only had tensile cylinders cast for 

one day of testing. For this reason, the tensile strength development shape of the mix 

cannot be viewed and therefore is shown on the below figure by just a marking at 28 

days old. 

 

It can be seen that the magnitude of tensile strength of geopolymer concrete at early 

stages in the curing life is a fairly good indicator of its later strengths relative to other 

mix designs. The ranking of strongest to weakest mix at 14 days old is the same at 28 

days after casting. This is in contrast to compressive strength, which can change order 

as age increases. This can be seen particularly in Figure 4.1 where the strength of Mix 

Page 72: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    65 

Three was higher than Mix One at 7 days, but that soon changes as Mix Three tapers 

off very early. 

 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 5 10 15 20 25 30

Tensile Stren

gth (MPa)

Age After Pouring (Days)

Tensile Strength of Geopolymer Concrete (MPa)

Mix One

Mix Two 

Mix Three

Mix Four

 

Figure 4.18: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four 

 

 

Table 4.13: Indirect Tensile Strength of Mixes One to Four 

Age Mix One Mix Two Mix Three Mix Four14 days 2.0 0.95 1.6 -28 days 2.7 1.5 2.2 2.0

TENSILE STRENGTH

 

 

Lloyd and Rangan (2009) suggest that it is possible to draw a relationship between the 

tensile and compressive strengths of geopolymer concrete. Over a period  from 2007 

and  2008,  a  variety  of mix  designs were  tested  at  Curtin  University  and  had  their 

results  used  to  develop  this  association.  It was  discovered  that  over  41  tests,  the 

Page 73: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    66 

relationship between  the  compressive and  tensile  strengths of geopolymer  concrete 

was: 

 

  Fct = 0.6 ± 0.1√fcm 

 

Neville (2000) suggested that a similar relationship can be drawn between the tensile 

and  compressive  strength  of  ordinary  Portland  cement  based  cements.  This 

relationship was as follows: 

 

  Fct = 0.3 fcm⅔ 

 

These relationships were tested with the results obtained through the research for this 

report. The results are presented below in Table 4.14. 

 

Table 4.14: Relationship Between Compressive and Tensile Strength 

Age (days) fcm MPa

fct MPa (Lloyd

and Rangan

2009)

fct MPa (Neville 2000)

fct MPa

MIX ONE 14 17.3 1.0 2.0 228 30 1.1 2.9 2.7

MIX TWO 14 7.0 0.87 1.1 0.9528 12.8 0.96 1.6 1.5

MIX THREE 14 14.9 0.97 1.8 1.628 18.2 1.0 2.1 2.2

MIX FOUR 28 10.8 0.93 1.5 1.4  

 

As can be seen, the estimation  for the relationship between tensile and compressive 

strengths  for  the  research  carried  out  here  is  much  suited  towards  Neville’s 

suggestion.  The  relationship  that  Lloyd  and  Rangan  suggested  did  not  present  very 

similar  findings to the present research, which  is unexpected considering  it has been 

specifically developed from geopolymer concrete specimens. A possible reason for this 

though  is that  it  is stated  in the report that all utilized concrete mixes were cured  in 

the steam room under varying temperatures and regimes. Under the research carried 

Page 74: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    67 

out  for this relationship, no such  investigation was carried out with specimens cured 

under ambient conditions as in the research for this present report. 

 

At this stage with only four mix designs and 7 values tested, an  initial estimation  into 

the  relationship  between  the  compressive  and  tensile  strengths  of  geopolymer 

concrete  cured under  ambient  conditions would  suggest  that Neville’s  suggestion  is 

valid. 

 

 

Page 75: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    68 

5. SUMMARY AND CONCLUSIONS

 

5.1 Introduction

 

Chapter 5 presents a summary of  the present study,  the major conclusions  from  the 

conducted research. 

 

The  main  objective  of  this  study  was  to  further  the  past  research  carried  out  in 

geopolymer concrete mix design and develop a scaling up process of work carried out 

by  the Physics Department at Curtin University,  in which  they produced geopolymer 

pastes that set quicker under ambient conditions. By adding aggregate to these mixes 

and  therefore producing a geopolymer concrete, several mix designs were  tested by 

introducing different additives  to  the  concrete. The  two processes differed by more 

than  just adding aggregate, as  it was discovered that the  longer handling time of the 

concrete  restricted  the  effectiveness  in  adding  calcium  hydroxide  to  geopolymer 

concrete.  It was also apparent how much water  is stored within the aggregate, as no 

extra water needed to be added to the mix at all, due to how wet the aggregate was in 

Mixes Three to Seven.  

 

In  order  to  maintain  a  constant  approach  between  each  of  the  batches,  mixing 

procedures, materials used and mix designs for the most part were kept constant.  

 

5.2 Production of Geopolymer Concrete

 

5.2.1 Pre-production Issues

 

The most  important  work  carried  out  before  the mixing  of  the  concrete  was  the 

preparation of the alkaline liquid. This liquid was a combination of a sodium hydroxide 

solution and sodium silicate. The sodium hydroxide solution was formed by dissolving 

pellets  into  distilled water  under  pre‐calculated  proportions. Upon  carrying  out  this 

Page 76: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    69 

dissolution  it was  seen  that  the  reaction  carried out was  exothermic,  and heat was 

generated as the solid dissolved.  

 

Sodium  silicate was  used  as  obtained  through  a  local  supplier.  These  two  elements 

were combined at  the beginning of  the day of mixing and kept sealed until use. The 

sodium hydroxide solution though was able to be produced a few days prior to mixing 

so  long as any precipitate formed  in that standing time was re‐dissolved again before 

use. No super plasticisers were used in the laboratory work in this research. 

 

Aggregates were not prepared prior to use to provide a realistic comparison to that of 

a larger scale in industry. The water content of the aggregates were taken, though, and 

noted what effect this content had on the final results. 

 

5.3 Results and Observations

 

5.3.1 The Use of Silica Fume to Aid Ambient Curing

 

The  addition  of  silica  fume  to  geopolymer  concrete  produced  a  faster  setting mix; 

however it had a negative effect on the compressive and tensile strength. In this mix, 

silica fume was added at a quantity of 8.3% of the geopolymer paste as a replacement 

for  fly  ash.  The  28  day  compressive  strength  for  Mix  Two  peaked  at  12.8  MPa 

comparative to Mix One’s 30.0 MPa (Figure 4.8). 

 

The  addition  of  this  silica  fume  to  the  concrete mix  also  caused  a  swelling  of  the 

cylinder, resulting  in a porous expansion above the top of the mould upon setting as 

seen in Figures 4.6 and 4.7. 

 

5.3.2 The Effect of Free Water Content on Geopolymer Concrete

 

It was seen that under ambient conditions in the middle months of the year in Western 

Australia, the curing of standard geopolymer concrete with no additives takes almost a 

week, therefore preventing any testing to be undertaken before an age of 7 days. 

Page 77: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    70 

 

The effect of raising the free water content in geopolymer concrete was similar to that 

of ordinary concrete, reducing  its strength. This was confirmed  in Mix Four, where by 

doubling the free water content of Mix One, the 28 day strength resulted in one third 

of it with 10.8 MPa (Figure 4.10). 

 

5.3.3 The Use of Calcium Hydroxide to Aid Ambient Curing

 

The  addition  of  calcium  hydroxide  within  a  geopolymer  concrete  mix  causes  the 

concrete mix to set quicker. In the research carried out, the use of calcium hydroxide 

did not improve the compressive strength of the concrete despite it setting quicker. 

 

It  can be  seen  in Table 4.16  that  increasing  the amount of  calcium hydroxide  into a 

geopolymer  concrete mix  proportionally  increases  the  compressive  strength  of  the 

concrete  mix.  It  was  seen  that  an  addition  of  3%  of  the  geopolymer  of  calcium 

hydroxide  produced  a  concrete  mix  that  set  within  24  hours  and  exhibited  a 

compressive strength extremely similar the standard reference mix (11.0 MPa). It was 

also  seen  that  0.5%  and  1%  of  calcium  hydroxide  added  in  fact  decreased  the 

compressive strength of the mix (Figure 4.16).  

 

Upon replacement of 5% of  fly ash with calcium hydroxide  in a geopolymer mix,  the 

concrete flash set at approximately 10 minutes into placing the concrete into moulds. 

It was also seen that the chemicals  in the mix were  furiously reacting after thorough 

mixing  in  of  the  calcium  hydroxide.  Though  the  strength  of Mix  Three  (5%  calcium 

hydroxide utilized)  substantially higher  than  the  reference  strength,  it was  seen as a 

failed mix because of the rapid setting and therefore would not be applicable in large 

scale operations (Table 4.10).  

 

5.3.4 Other Observations During Research

 

During  this  research, all ambient cured geopolymer concrete specimens developed a 

layer of efflorescence on the outside as seen in Figures 4.4 and 4.5. This efflorescence 

Page 78: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    71 

is thought to be unreacted sodium hydroxide in a white crystalline form (Temuujin, van 

Riessen and Williams 2009). This however, did not occur in the experimental research 

carried out in the steam curing of geopolymer concrete specimens.  

 

 

 

Page 79: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    72 

6. RECOMMENDATIONS

 

To further develop the application of geopolymer concrete for structural use, research 

needs to be continued in order to refine the knowledge attained on the properties of 

this material. The  research carried out  for  this  report extends  to only a very  limited 

scope of the variables that were suggested for investigation. Because of both material 

and  time  restraints,  a  number  of  variables were  not  tested,  however  the  following 

points  are  recommendations  to  be  investigated  in  further  research  on  geopolymer 

concrete mix design. 

 

1. As can be seen by the shape of Mix One’s strength vs. age graph in Figure 4.3, 

the strength development of geopolymer concrete extends for a period beyond 

28 days. The next  step would be  to  investigate  the  strength development of 

geopolymer  concrete  for  long  term periods after pouring. The  comparison of 

the  final  strength  of  geopolymer  concrete  comparative  to  the  strength 

development  of  OPC  concrete  would  promote  the  use  of  it  in  long  term 

applications. 

 

2. Past research has shown  that  the addition of silica  fume  in concretes with  fly 

ash aid the strength after ambient curing. Similar to the method carried out in 

this  report  for  calcium  hydroxide,  it  is  worth  investigating  the  optimum 

quantity  of  silica  fume  required  in  a  geopolymer  concrete mix  that  allows  a 

quicker setting time and a higher early strength of the concrete. 

 

3. Mix Three showed promising results with the addition of calcium hydroxide to 

the  concrete,  but  unfortunately  did  not  allow  enough  time  to  complete  the 

pour  before  it  set.  A  possible  solution  into  this  could  be  the  use  of  super 

plasticiser  in  the  mix.  This  will  increase  the  setting  time  of  the  mix  and 

therefore hopefully provide a delay prior to rapid setting occurring. The super 

plasticiser would  be  added,  though,  not  as  a  final  additive  like  the  calcium 

Page 80: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    73 

hydroxide,  but  as  part  of  the  alkaline  liquid  prior  to  mixing  with  the  dry 

materials.  

 

4. Mix Four was used to  investigate whether raising the  free water content of a 

geopolymer  concrete  lowered  the  strength  of  the mix,  as  is  the  case  with 

ordinary Portland cement based concrete. The free water content between the 

two  compared mixes  differed  greatly,  and  therefore  producing  a mix with  a 

water content between Mix One and Four would establish whether any type of 

linear relationship exists within this variable.   

 

5. To  follow  on  from  Lloyd  and  Rangan’s  (2009)  research  for  the  relationship 

between  compressive  and  tensile  strengths,  further  investigation  into  this 

relationship could be considered  for ambient cured geopolymer concrete. An 

initial  investigation  into this has been carried out  in this report, however only 

four  mixes  were  tested  for  tensile  strength  due  to  material  and  time 

constraints. Lloyd and Rangan only developed this relationship for geopolymer 

concrete specimens under steam curing. 

 

6. An initial aim for this thesis was to investigate the use of a bayer liquor residue 

to produce  a  geopolymer  concrete mix, which was unfortunately not  carried 

out due to time restraints. Bayer liquor is a waste material that is produced in 

the  bauxite  removal  stage  in  the  production  of  alumina.  The  Centre  of 

Materials  Research  at  Curtin  has  previously  used  this material  to  produce  a 

geopolymer  paste  in  small  quantities.  Scaling  this  exercise  up  to  produce  a 

concrete mix with the bayer would provide a largely sustainable option in using 

a  concrete  that  is  comprised  of  fly  ash  and  bayer,  two  industrial  waste 

products.  

 

7. Further  to  this, once  the  transition of bayer  liquor  in  a  geopolymer paste  to 

concrete has been made, the next step in a sustainability exercise would be to 

investigate what amount of  the conventionally made alkaline  solution can be 

directly replaced with the bayer. This would not only increase the sustainability 

Page 81: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    74 

view of the concrete, in using large amounts of waste, but an economic benefit 

could be established in negating the need to dispose of this material. Elemental 

composition of the concrete obviously matters, but by progressively increasing 

the amount of bayer  in  the mix, which  replaces  the  costly  sodium hydroxide 

and sodium silicate, economic and environmental advantage could be had. 

 

8. The  effect  of  adding  calcium  hydroxide  to  a  geopolymer  concrete mix  was 

investigated  in  Mixes  Three,  Five,  Six  and  Seven.  However,  due  to  the 

conditions  in which  the aggregates were kept, each of  these mixes ended up 

with a substantially high water content  in order  to keep a viable comparison. 

Mixes  Three  (5%  calcium  hydroxide)  and  Seven  (3%  calcium  hydroxide) 

exhibited  the  largest  compressive  strength,  yet was  limited  through  the high 

water content. It is worth reproducing these mixes with a lower water content 

to investigate just how well this product works in geopolymer concrete. 

Page 82: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    75 

REFERENCES

 

Ash Development Association of Australia. 2009. Coal Ash Matters May 2009. 

http://www.adaa.adn.au/docs/Coal_Ash_Matters_May_09 (accessed 

September 16, 2009).  

 

Barbhuiya, S. A., J. K. Gbagbo, M. I. Russell, and P. A. M. Basheer. 2009. Properties of  

fly ash concrete modified with hydrated lime and silica fume. Construction and 

Building Materials 23 (10): 3233‐3239. 

http://www.sciencedirect.com/science/article/B6V2G‐4WS85SX‐

1/2/8b71b06e46b273e47193252653c20399 (accessed September 15, 2009). 

 

Bureau of Meteorology. 2009. Western Australian Weather and Warnings.  

  http://www.bom.gov.au/weather/wa/ (accessed August 3, 2009).  

 

Cross, D., J. Stephens, and J. Vollmer. 2005. “Field trials of 100% fly ash concrete.” 

  Concrete International 27(9): 47‐51. 

 

Damtoft, J. S., J. Lukasik, D. Herfort, D. Sorrentino, and E. M. Gartner. 2008.  

“Sustainable development and climate change initiatives.” Cement and 

Concrete Research 38 (2): 115‐127. 

http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TWG‐4PYMWW3‐

1/2/7d4ac12efd5dc1867c42d07ec788b970 (accessed March 28, 2009). 

 

Davidovits, J. 1999. “Chemistry of Geopolymer Systems, Teminology.” Geopolymer ’99 

  International Conference, France. 

 

Grading Curve [Image]. 2009. http://www.episkeves.civil.upatras.gr/ (accessed  

  May 19, 2009).  

 

Page 83: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    76 

Hardjito, D. and B. V. Rangan. 2005 “Development and properties of low‐calcium fly 

  ash‐based geopolymer concrete.” Research Report GC1, Faculty of Engineering,  

Curtin University of Technology.  http://www.geopolymer.org.  

  (accessed April 29, 2009). 

 

Hardjito, D, S. E. Wallah, D. M. J. Sumajouw, B. V. Rangan. 2004. “On the Development 

of Fly Ash‐Based Geopolymer Concrete.” ACI Materials Journal 101‐M52. 

http://www.sciencedirect.com (accessed April 29, 2009). 

   

Hendriks, C.A., E. Worrell, D. deJager, K. Block, and P. Riemer. 2003. “Emission 

reduction of greenhouse gases from the cement industry.” IEA Greenhouse gas 

R&D Programme. http://www.ieagreen.org.uk/prghgt42.htm (accessed April 

11, 2009). 

     

Huntzinger, D. N., and T. D. Eatmon. 2009. “A life‐cycle assessment of Portland cement  

manufacturing: comparing the traditional process with alternative 

technologies.” Journal of Cleaner Production 17 (7): 668‐675. 

http://www.sciencedirect.com/science/article/B6VFX‐4SWP1TT‐

1/2/017ab91eca875d825dfb76028d85907f (accessed April 11, 2009). 

 

Johnson, G. 2007. “Geopolymer concrete and method of preparation and casting.” 

United States Patent Application Publication 0125272 A1. 

http://www.freepatentsonline.com/y2007/0125272.html (accessed April 8, 

2009). 

 

Lloyd, N. and V. Rangan. 2009. “Geopolymer concrete: Sustainable cement‐less  

  concrete.”  

 

Malhotra, V.M. 2002. “Introduction: Sustainable development and concrete  

  technology.”   ACI Concrete International 24(7): 22. 

 

Page 84: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    77 

Mehta, P.K. 2001. “Reducing the Environmental Impact of Concrete.” Concrete  

  International 23(10): 61‐66.   

 

Neville, A. M. 2000. Properties of Concrete. New York: John Wiley and Sons. 

 

Sofi, M, van Deventer, J.S.J., Mendis, P.A., Lukey, G.C. 2006. “Engineering properties of  

inorganic polymer concretes (IPCs).” Cement and Concrete Research 37 (2007) 

251‐ 257. Science Direct. http://www.sciencedirect.com (accessed March 28, 

2009). 

 

Standards Australia. 1999. “Method of testing concrete – Determination of the  

  Compressive strength of concrete specimens.” AS1012.9. Standards Australia 

  Online.http://www.saiglobal.com (accessed June 9, 2009). 

 

Standards Australia. 2000. “Method for sampling and testing aggregates. Method 5:    

  Particle density and water absorption of fine aggregate.” AS1141.5. Standards 

  Australia Online. http://www.saiglobal.com (accessed May 28, 2009). 

 

 

Standards Australia. 2000. “Method of testing concrete – Determination of indirect  

tensile strength of concrete cylinders (Brasil or splitting test).” AS1012.10. 

Standards Australia Online. http://www.saiglobal.com (accessed June 9, 2009). 

 

Temuujin, J., A. van Riessen, and R. Williams. 2009. Influence of calcium compounds on  

the mechanical properties of fly ash geopolymer pastes. Journal of Hazardous 

Materials 167 (1‐3): 82‐88. 

http://www.sciencedirect.com/science/article/B6TGF‐4VB01X1‐

1/2/75cbb075d0800a72d9ad23f9672e7d82 (accessed September 15, 2009). 

 

Wallah, S. E. and B. V. Rangan. 2006. “Low Calcium Fly Ash‐Based Geopolymer       

Concrete: Long‐Term Properties.”Research Report GC2, Faculty of Engineering,  

Page 85: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    78 

Curtin University of Technology. http://www.geopolymer.org (accessed April 

29, 2009).  

 

 

Page 86: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    79 

 

APPENDIX A

Mix Design Details of Carried Out Geopolymer Concrete Mixes 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 87: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    80 

 

 

Age (days) 7 14 21 28MIX ONE 8.6 17 24 30MIX TWO 1.9 7 10 13MIX THREE 9.2 15 17 18MIX FOUR 2.5 - - 11MIX FIVE 3.2 - - 7.0MIX SIX 3.6 - - 8.0MIX SEVEN 5.1 - - 11

Compressive Strength of Mix Designs (MPa)

 

 

Materials kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg kg/m3 kg20 mm 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.510 mm 277 18 277 18 277 18 277 19 277 2.8 277 2.8 277 2.87 mm 462 30 462 30 462 30 462 32 462 4.6 462 4.6 462 4.6Sand 554 36 554 36 554 36 554 39 554 5.5 554 5.5 554 5.5

Fly Ash 408 27 362 24 380 25 408 29 408 4.1 408 4.1 408 4.1Sodium Silicate 103 6.7 103 6.7 103 6.7 103 7.2 103 1.0 103 1.0 103 1.0

Sodium Hydroxide 41 2.7 41 2.7 41 2.7 41 2.9 41 0.4 41 0.4 41 0.4Silica Fume - - 46 3.0 - - - - - - - - - -

Calcium Hydroxide - - - - 28 1.8 - - 2.8 0.03 5.5 0.1 17 0.2Extra Water 23 1.5 23 1.5 - - - - 96 1.0 96 1.0 96 1.0

TOTAL 2423 157.5 2423 157.5 2400 156.0 2400 168.0 2499 25.0 2502 25.0 2513 25.1

MIX SEVENMIX FIVE MIX SIXMIX ONE MIX TWO MIX THREE MIX FOUR

Page 88: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    81 

APPENDIX B

Details of Geopolymer Concrete Cylinder Testing 

 

 

 

 

 

 

Page 89: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    82 

Mix One Standard geopolymer reference mix

COMPRESSION

Mass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)7 day 9th June 20097 day - 1 3960 205.1 99.5 7776 68.7 8.8357 day - 2 4044 205.3 100 7854 66.8 8.5057 day - 3 3994 204.7 99.8 7823 65.6 8.386

Average 8.576

14 day 16th June 200914 day - 1 3972 205.6 99.6 7791 131.1 16.8

14 day - 2 3968 203.7 99.6 7791 131 16.814 day - 3 3989 204.3 100.0 7854 143.0 18.2

Average 17.3

21 day 23rd June 200921 day - 1 3947 198.4 100.4 7917 190.2 24.021 day - 2 3936 203.8 99.5 7776 191.5 24.621 day - 3 3962 205 100.1 7870 194.3 24.7

Average 24.4

28 day 30th June 200928 day - 1 3990 205.1 100.2 7885 234 29.728 day - 2 3934 203.4 99.8 7823 236.9 30.328 day - 3 3957 203.8 99.6 7791 233.3 29.9

Average 30.0

TENSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

14 day 16th June 200914 day - 1 13008 300.5 149.9 17648 141.2 2.014 day - 2 13061 300 149.8 17624 140.6 2.014 day - 3 13034 300 149.8 17624 137.9 2.0

Average 2.0

28 day 30th June 200928 day - 1 12916 301 149.6 17577 182 2.628 day - 2 12957 300.5 150.1 17695 194.4 2.728 day - 3 12977 300 150.2 17719 191.8 2.7

Average 2.7

Materials kg/m3 kg %20 mm 554.4 36.0 23.114 mm 277.2 18.0 11.67 mm 462 30.0 19.3Sand 554.4 36.0 23.1

Fly Ash 408 26.5 17.0Sodium Silicate 103 6.7 4.3

odium Hydroxide 41 2.7 1.7Extra Water 23.1 1.5 1.0Silica Fume 0 0.0 0.0

MIX ONE

 

Page 90: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    83 

Mix Two 8.3% silica fume fly ash replacement, cut - poured 2nd June 2009

COMPRESSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

7 day 9th June 20097 day - 1 3816 203.7 100 7854 15.7 2.07 day - 2 3806 202.7 100.1 7870 15.9 2.07 day - 3 3771 202.7 99.7 7807 14.2 1.8

Average 1.9

14 day 16th June 200914 day - 1 3813 203.3 99.8 7823 53.5 6.814 day - 2 3813 203.9 100 7854 56.5 7.214 day - 3 3792 201.4 99.3 7744 54.4 7.0

Average 7.0

21 day 23rd June 200921 day - 1 3972 201.2 99.6 7791 79.4 10.221 day - 2 3731 200.7 100.8 7980 80.5 10.121 day - 3 3820 202.3 100.3 7901 81.9 10.4

Average 10.2

28 day 30th June 200928 day - 1 3771 202.4 100 7854 103.3 13.228 day - 2 3880 202 100.7 7964 113.4 14.228 day - 3 3820 202.1 100.4 7917 87.8 11.1

Average 12.8

TENSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

14 day 16th June 200914 day - 1 12977 306.5 149.9 17648 66.9 0.914 day - 2 12989 307 149.8 17624 69.3 1.014 day - 3 13048 308 150.2 17719 69.2 1.0

Average 0.9

28 day 30th June 200928 day - 1 12910 306 149.7 17601 105.7 1.528 day - 2 13005 310 150 17671 111.2 1.528 day - 3 12914 311 149.7 17601 103.8 1.4

Average 1.5

Materials kg/m3 kg %20 mm 554.4 36.0 23.114 mm 277.2 18.0 11.6

7 mm 462.0 30.0 19.3Sand 554.4 36.0 23.1

Fly Ash 362.2 23.5 15.1Sodium Silicate 103.0 6.7 4.3

odium Hydroxide 41.0 2.7 1.7Extra Water 23.1 1.5 1.0Silica Fume 45.8 3.0 1.9

MIX TWO

 

Page 91: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    84 

Mix Three 5% calcium hydroxide, fly ash replacement - poured 27th July 2009

COMPRESSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

7 day 3rd August 20097 day - 1 3.832 200.2 100.1 7870 77.2 9.87 day - 2 3.906 204.2 99.9 7838 75.5 9.67 day - 3 3.784 200 99.7 7807 63.1 8.1

Average 9.2

14 day 10th August 200914 day - 1 3.770 201.1 100 7854 117.4 14.914 day - 2 3.822 201.2 99.9 7838 118.9 15.214 day - 3 3.772 200.2 100.0 7854 114.4 14.6

Average 14.9

21 day 17th August 200921 day - 1 3.771 198 99.9 7838 131.3 16.821 day - 2 3.801 201.6 100.3 7901 137.8 17.421 day - 3 3.531 188.2 99.4 7760 129.8 16.7

Average 17.0

28 day 24th August 200928 day - 1 3.697 196 99.7 7807 142.8 18.328 day - 2 3.710 199.8 99.6 7791 138.4 17.828 day - 3 3.815 205.5 99.6 7791 144.9 18.6

Average 18.2

TENSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

14 day 10th August 200914 day - 1 12.335 275 149.9 17648 111.4 1.714 day - 2 12.855 282 150.2 17719 101.9 1.514 day - 3 12.825 301 150.2 17719 113.5 1.6

Average 1.6

28 day 24th August 200928 day - 1 12.611 285 149.5 17554 138.4 2.128 day - 2 12.841 282 149.4 17530 135.3 2.028 day - 3 12.222 209 149.8 17624 123.1 2.5

Average 2.2

Materials kg/m3 kg %20 mm 554.4 36.0 23.114 mm 277.2 18.0 11.6

7 mm 462 30.0 19.3Sand 554.4 36.0 23.1

Fly Ash 380.4 24.7 15.9Sodium Silicate 103 6.7 4.3

odium Hydroxide 41 2.7 1.7alcium Hydroxide 27.6 1.8 1.2

Extra Water 0 0.0 0.0

MIX THREE

 

Page 92: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    85 

Mix Four No Silica Fume, uncut, large water content - poured 6th August 2009

COMPRESSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

7 day 13th August 20097 day - 1 3.876 199.9 100.4 7917 20.8 2.67 day - 2 3.832 201 100.3 7901 19.2 2.47 day - 3 3.851 200.3 100.7 7964 19.5 2.4

Average 2.5

28 day 3rd September 200928 day - 1 3.726 198.4 98.5 7620 78.9 10.428 day - 2 3.735 199.4 99 7698 81.6 10.628 day - 3 3.792 199.7 99.9 7838 89.9 11.5

Average 10.8

TENSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

28 day 3rd September 200928 day - 1 13 298.5 149.8 17624 101.8 1.428 day - 2 13 301 148.9 17413 93.7 1.328 day - 3 13 295 150.3 17742 95.3 1.4

Average 1.4

Materials kg/m3 kg %20 mm 554.4 38.8 23.114 mm 277.2 19.4 11.6

7 mm 462 32.3 19.3Sand 554.4 38.8 23.1

Fly Ash 408 28.6 17.0

Sodium Silicate 103 7.2 4.3odium Hydroxide 41 2.9 1.7

Extra Water 0.0 0.0 0.0Silica Fume 0 0.0 0.0

MIX FOUR

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 93: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    86 

Mix Five 0.5% calcium hydroxide additive, poured 24th September 2009

COMPRESSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

7 day 13th August 20097 day - 1 3.759 201.0 99.3 7744 25.6 3.37 day - 2 3.703 199.0 99.6 7791 24.1 3.17 day - 3 3.753 200.0 100.0 7854 24.2 3.1

Average 3.2

28 day 3rd September 200928 day - 1 3.636 199.2 99.0 7698 54.7 7.128 day - 2 3.669 199.2 100.1 7870 62.1 7.928 day - 3 3.683 199.8 99.1 7713 56.4 7.3

Average 7.4

Materials kg/m3 kg %20 mm 554 5.5 22.114 mm 277 2.8 11.27 mm 462 4.6 18.4Sand 554 5.5 22.1

Fly Ash 408 4.1 16.4Sodium Silicate 103 1.0 4.0

Sodium Hydroxide 41 0.41 1.6Extra Water 96 1.0 4.0

Calcium Hydroxide 2.76 0.03 0.1

MIX FIVE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 94: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    87 

Mix Six 1% calcium hydroxide additive, poured 24th September 2009

COMPRESSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

7 day 13th August 20097 day - 1 3.755 201.0 99.6 7791 25.8 3.37 day - 2 3.775 200.0 99.3 7744 32.2 4.27 day - 3 3.783 200.0 99.7 7807 27.1 3.5

Average 3.6

28 day 3rd September 200928 day - 1 3.712 201.5 100.0 7854 71.4 9.128 day - 2 3.704 200.2 99.9 7838 60.5 7.728 day - 3 3.651 199.7 99.5 7776 55.7 7.2

Average 8.0

Materials kg/m3 kg %20 mm 554 5.5 22.114 mm 277 2.8 11.27 mm 462 4.6 18.4Sand 554 5.5 22.1

Fly Ash 408 4.1 16.4Sodium Silicate 103 1.0 4.0

Sodium Hydroxide 41 0.41 1.6Extra Water 96 1.0 4.0

Calcium Hydroxide 5.5 0.10 0.4

MIX SIX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 95: Thesis Final

Civil Engineering Project 461 & 462          Mix Design Development of Geopolymer Concrete Curtin University of Technology   

Darryl Hole    88 

Mix Seven 3% calcium hydroxide additive, poured 24th September 2009

COMPRESSIONMass (g) Length (mm Diam (mm) Area (mm2) Force (kN) Stress (Mpa)

7 day 13th August 20097 day - 1 3.753 200.2 100.1 7870 40.7 5.27 day - 2 3.783 201.4 99.6 7791 40.2 5.27 day - 3 3.761 201.2 100.2 7885 39.1 5.0

Average 5.1

28 day 3rd September 200928 day - 1 3.707 200.3 100.2 7885 94.4 12.028 day - 2 3.732 202.9 99.2 7729 75.8 9.828 day - 3 3.711 200.5 99.4 7760 86.1 11.1

Average 11.0

Materials kg/m3 kg %20 mm 554 5.5 22.114 mm 277 2.8 11.27 mm 462 4.6 18.4Sand 554 5.5 22.1

Fly Ash 408 4.1 16.4Sodium Silicate 103 1.0 4.0

Sodium Hydroxide 41 0.41 1.6Extra Water 96 1.0 4.0

Calcium Hydroxide 17 0.20 0.8

MIX SEVEN