The potential position of and drivers for inorganic polymers ("geopolymers") as an element of the push for a sustainable concrete industry are discussed. These materials are alkali-activated aluminosilicates, with a much smaller CO2 footprint than traditional Portland cements, and display very good strength and chemical resistance properties as well as a variety of other potentially valuable characteristics. It is widely known that the widespread uptake of geopolymer technology is hindered by a number of factors, in particular issues to do with a lack of long-term (20+ years) durability data in this relatively young research field. There are also difficulties in compliance with some regulatory standards in Europe and North America, specifically those defining minimum clinker content levels or chemical compositions in cements. Work on resolving these issues is ongoing, with accelerated durability testing showing highly promising results with regard to salt scaling and freeze–thaw cycling. Geopolymer concrete compliance with performance-based standards is comparable to that of most other high-strength concretes. Issues to do with the distinction between geopolymers synthesised for cement replacement applications and those tailored for niche ceramic applications are also discussed. Particular attention is paid to the role of free alkali and silicate in poorly-formulated systems and its deleterious effects on concrete performance, which necessitates a more complete understanding of the chemistry of geopolymerisation for the technology to be successfully applied. The relationship between CO2 footprint and composition in comparison with Portland-based cements is quantified.

A mechanistic model accounting for reduced structural reorganization and densification in the microstructure of geopolymer gels with high concentrations of soluble silicon in the activating solution has been proposed. The mechanical strength and Young's modulus of geopolymers synthesized by the alkali activation of metakaolin with Si/Al ratio between 1.15 and 2.15 are correlated with their respective microstructures through SEM analysis. The microstructure of specimens is observed to be highly porous for Si/Al ratios ≤1.40 but largely homogeneous for Si/Al ≥1.65, and mechanistic arguments explaining the change in microstructure based on speciation of the alkali silicate activating solutions are presented. All specimens with a homogeneous microstructure exhibit an almost identical Young's modulus, suggesting that the Young's modulus of geopolymers is determined largely by the microstructure rather than simply through compositional effects as has been previously assumed. The strength of geopolymers is maximized at Si/Al = 1.90. Specimens with higher Si/Al ratio exhibit reduced strength, contrary to predictions based on compositional arguments alone. The decrease in strength with higher silica content has been linked to the amount of unreacted material in the specimens, which act as defect sites. This work demonstrates that the microstructures of geopolymers can be tailored for specific applications.

There is a burgeoning interest in the development, characterization, and implementation of alternatives to Portland cement as a binder in concrete. The construction materials industry is under increasing pressure to reduce the energy used in production of Portland cement clinker and the associated greenhouse gas emissions. Further, Portland cement is not the ideal binder for all construction applications, as it suffers from durability problems in particularly aggressive environments. Several alternative binders have been available for almost as long as Portland cement, yet have not been extensively used, and new ones are being developed. In this paper, four promising binders available as alternatives to Portland cement are discussed, namely calcium aluminate cement, calcium sulfoaluminate cement, alkali-activated binders, and supersulfated cements. The history of the binders, their compositions and reaction mechanisms, benefits and drawbacks, unanswered questions, and primary challenges are described.

This paper, which forms part of the UNEP White Papers series on Eco-Efficient Cements, provides a brief discussion of the class of cementing materials known as ‘alkali-activated binders’, which are identified to have potential for utilization as a key component of a sustainable future global construction materials industry. These cements are not expected to offer a like-for-like replacement of Portland cement across its full range of applications, for reasons related to supply chain limitations, practical challenges in some modes of application, and the need for careful control of formulation and curing. However, when produced using locally-available raw materials, with well-formulated mix designs (including in particular consideration of the environmental footprint of the alkaline activator) and production under adequate levels of quality control, alkali-activated binders are potentially an important and cost-effective component of the future toolkit of sustainable construction materials.

Alkali activation is a highly active and rapidly developing field of activity in the global research and development community. Commercial-scale deployment of alkali-activated cements and concretes is now proceeding rapidly in multiple nations. This paper reviews the key developments in alkali-activated materials since 2011, with a particular focus on advances in characterisation techniques and structural understanding, binder precursors and activation approaches, durability testing and design, processing, and sustainability. The scientific and engineering developments described in this paper have underpinned the on-going scale-up activities. We also identify important needs for future research and development to support the optimal and appropriate utilisation of alkali activated materials as a component of a sustainable future construction materials industry.

The development of new, sustainable, low-CO 2 construction materials is essential if the global construction industry is to reduce the environmental footprint of its activities, which is incurred particularly through the production of Portland cement. One type of non-Portland cement that is attracting particular attention is based on alkali-aluminosilicate chemistry, including the class of binders that have become known as geopolymers. These materials offer technical properties comparable to those of Portland cement, but with a much lower CO 2 footprint and with the potential for performance advantages over traditional cements in certain niche applications. This review discusses the synthesis of alkali-activated binders from blast furnace slag, calcined clay (metakaolin), and fly ash, including analysis of the chemical reaction mechanisms and binder phase assemblages that control the early-age and hardened properties of these materials, in particular initial setting and long-term durability. Perspectives for future research developments are also explored.

The microstructural evolution of alkali-activated binders based on blast furnace slag, fly ash and their blends during the first six months of sealed curing is assessed. The nature of the main binding gels in these blends shows distinct characteristics with respect to binder composition. It is evident that the incorporation of fly ash as an additional source of alumina and silica, but not calcium, in activated slag binders affects the mechanism and rate of formation of the main binding gels. The rate of formation of the main binding gel phases depends strongly on fly ash content. Pastes based solely on silicate-activated slag show a structure dominated by a C–A–S–H type gel, while silicate-activated fly ash are dominated by N–A–S–H ‘geopolymer’ gel. Blended slag-fly ash binders can demonstrate the formation of co-existing C–A–S–H and geopolymer gels, which are clearly distinguishable at earlier age when the binder contains no more than 75 wt.% fly ash. The separation in chemistry between different regions of the gel becomes less distinct at longer age. With a slower overall reaction rate, a 1:1 slag:fly ash system shares more microstructural features with a slag-based binder than a fly ash-based binder, indicating the strong influence of calcium on the gel chemistry, particularly with regard to the bound water environments within the gel. However, in systems with similar or lower slag content, a hybrid type gel described as N–(C)–A–S–H is also identified, as part of the Ca released by slag dissolution is incorporated into the N–A–S–H type gel resulting from fly ash activation. Fly ash-based binders exhibit a slower reaction compared to activated-slag pastes, but extended times of curing promote the formation of more cross-linked binding products and a denser microstructure. This mechanism is slower for samples with lower slag content, emphasizing the correct selection of binder proportions in promoting a well-densified, durable solid microstructure.

Geopolymers are a class of aluminosilicate materials synthesized by alkaline or alkali-silicate activation of solid alumina- and silica-containing precursor materials at ambient or higher temperature. These products have highly significant commercial and technological potential, but the exact physicochemical nature of the geopolymeric binder phase has never before been determined. Through analysis of existing experimental results from the literature and comparison with related systems, in particular the hydrothermal synthesis of zeolites, geopolymeric binders are identified as being comprised of agglomerates of nanocrystalline zeolites compacted by an amorphous gel phase. The degree of crystallinity is largely determined by product formulation and synthesis conditions. Results from powder X-ray diffraction, microscopy, electron diffraction, mechanical strength testing, and calorimetry are analyzed and shown to be consistent with the theory presented. The implications of nanocrystallinity are discussed, and areas to be targeted in further experimental investigations are identified.