< Terug naar vorige pagina

Project

Het reologische en krimp gedrag van Fe-rijk slak gebaseerde bindmiddelen

De globale antropogene CO2 uitstoot, hetgeen de motor is van de opwarming van de aarde, stijgt elk jaar exponentieel. De bouwindustrie is verantwoordelijk voor zo’n 8-9% van deze uitstoot en dit aandeel wordt verwacht verder toe te nemen in de toekomst, aangezien de vraag naar grondstoffen in de bouwsector, zoals ordinaire Portland cement (OPC), stijgt. De productie van OPC is een milieuonvriendelijk proces en de beschikbaarheid van supplementaire cementachtige materialen is beperkt. Om dit probleem aan te pakken, is het interessant om de grote hoeveelheden niet gevaloriseerde restfracties van de non-ferro metaalindustrie, zoals Fe-rijke slakken, hiervoor aan te spreken. De slakken kunnen gebruikt worden als bindmiddel om zo milieuvriendelijkere bouwmaterialen te ontwikkelen die voornamelijk bestaan uit secondaire materialen. Het Fe-rijke slak kan opgelost worden via alkali-activatie en hieruit kan een bindmiddel gevormd worden, namelijk een anorganische polymeer (IP). Er kan ook een binder gevormd worden uit een alkali-geactiveerd mengsel van Fe-rijk slak en een kleine hoeveelheid OPC. Dit wordt een hybride binder genoemd. Beide binders kunnen geschikt zijn voor de bouwsector, op voorwaarde dat hun vloeigedrag voldoende in kaart wordt gebracht. Het analyseren en het op maat aanpassen van het vloeigedrag is een belangrijk aspect bij de verwerking van deze mengsels in de bouw en werd tot dusver nog niet onderzocht voor Fe-rijke slak mengsels.

Dit onderzoek toonde aan dat het vloeigedrag van een IP sterk gestuurd wordt door de volumefractie van de vaste stof, de interactiekrachten tussen de slak partikels en de chemie van de activatieoplossing. Naast het vloeigedrag was de volumetrische stabiliteit van bindmiddelen een ander belangrijk aspect om te onderzoeken, aangezien dit moeilijk te beheersen is in alkali-geactiveerde materialen. Een volumetrisch onstabiele binder kan namelijk leiden tot kromtrekken en de vorming van scheuren, hetgeen moeilijkheden kan geven bij de plaatsing van deze materialen en de duurzaamheid kan schaden. Dit onderzoek toonde aan dat IPs volumetrisch onstabiel zijn (5.1 mm/m) en dat de krimp gestuurd wordt door de capillaire poriëndruk die ontstaat tijdens het drogen. Verschillende strategieën voor het verminderen van de krimp werden toegepast op de IPs, zoals het introduceren van reactieve en niet-reactieve krimp reducerende middelen. Een volumetrisch stabiele IP (1.4 mm/m) werd ontwikkeld door 2-methyl-2.4-pentanediol toe te voegen en door het toepassen van warmte-uitharding. Dit alles zonder in te boeten aan compressiesterkte (67 MPa).

Hybride binders zijn functioneler dan IPs. Bij hybride binders kunnen namelijk superplastificeerders gebruikt worden. Dit maakt dat deze hybride binders in aanmerking komen voor de ontwikkeling tot hoogwaardige materialen. Echter, de literatuur geeft geen vermelding van een hybride binder gemaakt uit Fe-rijk slak. In dit onderzoek werd daarom een hybride binder ontwikkeld met behulp van een prestatiegerichte aanpak en op die manier werd een zo goed mogelijke receptuur ontwikkeld, bestaande uit Fe-rijk slak (80 wt%), OPC (10 wt%), fijngemalen kalksteen (8 wt%), superplastificeerder en bassaniet (0.3 wt%). Deze hybride samenstelling werd ontwikkeld met als doel zelf-nivellerend te zijn en om een vroegtijdige hoge sterkte te bekomen (38 MPa in 2 dagen). Op basis van deze samenstelling werd een ander hoogwaardig materiaal ontwikkeld: een 3D-printbare mortel.

Extrusie-gebaseerd 3D-printen is een opkomende technologie die, eens geïmplementeerd in de bouwsector, de mogelijkheid biedt om de weinig-innovatieve bouwindustrie te automatiseren. Dit onderzoek is nieuw, omdat tot dusver geen hybride mortel van Fe-rijk slak werd ontwikkeld om te printen op semi-grote schaal. Om een 3D-printbare hybride mortel te bekomen moet er aan verscheidene print criteria voldaan worden. De drie voornaamste criteria zijn: (i.) pompbaarheid, (ii.) extrudeerbaarheid en (iii.) bouwbaarheid. Een commercieel 3D-printbare OPC-gebaseerde mortel werd gebruikt om deze print criteria te identificeren. De hybride mortel werd ontwikkeld aan de hand van een prestatiegerichte methodologie. Eerst werd de deeltjespakking bevorderd door het introduceren van, met de juiste proportie, microsilica, vliegas, fijne kalksteen en kwarts zand in het hybride mengsel. Vervolgens werd het effect van elke grondstof in het mengsel onderzocht op de reactiviteit, de stijfheid ontwikkeling en het vloeigedrag van de hybride mortel. Tenslotte werd de hoeveelheid superplastificeerder verlaagd en werden microvezels toegevoegd, elk tot een specifieke hoeveelheid. Hiermee werd een hybride mortel bekomen met een versnelde vroegtijdige stijfheid ontwikkeling, een hoge vloeispanning (yield stress) en een sterke afschuifverdunning (shear-thinning). Dit onderzoek toonde aan dat het Fe-rijk slak reageert en bijdraagt aan de sterkte van de hybride binder. Dit laatste is een complex systeem met een chemie die verschilt naargelang de naburige reactieve stof. Het effect van elk toevoegsel op de krimp, sterkte en kruip van de hybride binder werd onderzocht en toonde aan dat de krimp en de kruip waarden laag zijn en amper beïnvloed werden. De sterkte daarentegen werd significant beïnvloed door de proportie van elk toevoegsel.

Verscheidene structuren met een uitstekende bouwbaarheid konden worden geprint met de ontwikkelde hybride mortel, wat aangeeft dat het mengsel pompbaar en extrudeerbaar was. Deze succesvolle print test bevestigde dat de voorafgaande testen een goede indicatie gaven voor de ontwikkeling van printbare mortel. Dit manuscript bevat niet alleen een volledige analyse van de verse eigenschappen van de mortel, maar ook de verharde eigenschappen van de geprinte mortel komen uitvoerig aan bod. Micro en macro porositeit analyses werden uitgevoerd en toonden een toename in porositeit in de mortel door het meevoeren van lucht in het mengsel tijdens het pompen. Het samendrukken van de lagen tijdens het print proces zorgde ervoor dat de porositeit tussen de lagen werd gereduceerd. De 2, 7, 28 en 90 dagen druk- en buigsterkte van de geprinte mortel overtrof de huidige criteria voor dragende constructies. De duurzaamheid van het geprinte materiaal werd getest en het materiaal toonde een zwakke vorst-dooi resistentie tijdens de eerste cycli, maar evolueerde in latere cycli naar een uitstekende weerstand. De geloogde concentraties vielen binnen de limieten van de Vlaamse regulering (VLAREMA). Tenslotte, werd de milieu-impact en economische rendabiliteit van het product geanalyseerd. Hierbij werd aangetoond dat de hybride mortel een CO2 impact heeft die drie keer zo laag ligt in vergelijking met een OPC-gebaseerde 3D printbare mortel en daarenboven goedkoper is.

Dit onderzoek toonde aan dat Fe-rijk slak van de non-ferro metaalindustrie gebruikt kan worden (met of zonder OPC) om een binder te vormen, waarvan het vloeigedrag kan aangepast worden afhankelijk van de gewenste toepassing. Deze binder is volumetrisch stabiel en een minimum aan sterkte kan worden gegarandeerd. Een zelf-nivellerende mortel met vroegtijdig hoge sterkte en een 3D printbare mortel werden succesvol ontwikkeld met Fe-rijk slak en hun verharde eigenschappen werden geanalyseerd. Door de resultaten van dit onderzoek kunnen deze binders uit Fe-rijke slakken in de bouw geïmplementeerd worden. Op die manier kan het ultieme doel bereikt worden, zijnde de milieu impact in de bouw reduceren en de transformatie naar een groenere maatschappij in beweging zetten, waarin een circulaire economie wordt omarmd.

Datum:15 sep 2016 →  8 jul 2021
Trefwoorden:Inorganic polymers, Shrinkage, Cracks
Disciplines:Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie
Project type:PhD project