Thermisch behandelde Soilmix-overschotten (CSMR) als bouwmaterialen

Beton met portlandcement (OPC) als primair bindmiddel is de afgelopen decennia wereldwijd het meest geproduceerde bouwmateriaal geworden met een jaarlijkse productie van ongeveer 30 miljard ton. De cementindustrie is echter jaarlijks verantwoordelijk voor 5-8% van de wereldwijde CO2-emissies. Naar verwachting zal dit aantal tegen 2050 met  12-23% toenemen vanwege de snelle ontwikkeling van de infrastructuurwerken. In deze context is er een toenemende behoefte ontstaan om alternatieve cementachtige materialen te onderzoeken, vooral die uit de afvalstroom.

Dit proefschrift richt zich op de haalbaarheid van het gebruik van Soilmix-overschotten (CSMR), een vast materiaal bestaande uit een grond-cementmengsel, om duurzamere cementgebonden materialen te ontwikkelen. Ten eerste werd CSMR eerst thermisch geactiveerd bij 800 °C. De chemische en minerale samenstellingen van de ruwe en gecalcineerde CSMR werden gekarakteriseerd. Vervolgens werd de gecalcineerde CSMR gebruikt als 1) een aanvullend cementachtig materiaal (CSM) om gemengd cement te ontwikkelen en 2) een voorloper om alkali-geactiveerd cement (AAC) te synthetiseren. De prestaties van die nieuwe cementbindmiddelen werden bestudeerd via verse eigenschappen, hydratatiekinetiek en producten, en mechanische eigenschappen. Ten slotte werden die nieuwe bindmiddelen gebruikt om spanning verhardende cementgebonden composieten (SHCC's) te synthetiseren, een speciaal type hoogwaardig beton met ultrahoge ductiliteit. De bindmiddeleigenschappen, mechanische eigenschappen en micromechanische parameters van de SHCC's werden onderzocht. Bovendien werden de belichaamde energie- en koolstofemissies van de op cement gebaseerde materialen die met het gecalcineerde materiaal waren bereid, geanalyseerd.

De calcinering maakt de vorming mogelijk van calcium-rijke amorfe aluminosilicaten met puzzolane activiteit en -C2Smet hydraulische eigenschappen. De eerste is afgeleid van de synergie tussen kleimineralen en Ca-dragende fasen (bv. calciet en gehydrateerd cement) tijdens het calcineren, terwijl de laatste wordt gegenereerd uit het gedehydrateerde cement. De vorming van die fasen met puzzolane en/of hydraulische eigenschappen suggereert het potentieel van de gecalcineerde CSMR als een SCM in gemengd cement of een voorloper in AAC.

Het specifieke oppervlak (SSA) van het gecalcineerde CSMR speelt een dominante rol in de verse eigenschappen van het gemengde cement. Een gecalcineerd CSMR-monster met een hogere (of lagere) SSA dan OPC is vatbaar voor het verhogen (of verlagen) van de vloeispanning van de cementpasta en de plastische viscositeit. De gecalcineerde CSMR kan bijdragen aan de sterkte-ontwikkeling van het gemengde cement door een verhoogde hydratatiegraad, een versnelde hydratatiesnelheid, een puzzolane reactie en het creëren van extra hydraten. Er bestaat een bijna lineaire correlatie tussen het gehalte aan reactieve fase in de gecalcineerde CSMR (uit XRD-karakterisering) en de druksterkte van gemengde cementpasta's. Het inwerken van tot 20% gecalcineerde CSMR heeft geen nadelig effect op de druksterkte van de cementmortel. De toevoeging van het gecalcineerde cement is bevorderlijk voor het beperken van de droge krimp en het verbeteren van de duurzaamheid (bijvoorbeeld weerstand tegen sulfaat en chloride) van de cementmortel. Het gebruik van de gecalcineerde CSMR in SHCC's als gedeeltelijke vervanging van cement verhoogt de trekspanningscapaciteit door de vezel-matrix grensvlakeigenschappen te wijzigen, terwijl de druksterkte behouden blijft. De nieuwe SHCC's hebben de uitstoot van energie en CO2 met respectievelijk 13-39% en 17-50% verminderd.

Het door alkali geactiveerde gecalcineerde CSMR (AA-CSMR) cement vertoont een snelle sterkteontwikkeling en kan een maximale druksterkte van 28 dagen van 33,2 MPa bereiken, die kan worden verhoogd tot 50 MPa of zelfs hoger door ofwel 10% slag toe te voegen of uit te harden bij 70 °C gedurende 1 dag. De primaire alkalische reactieproducten zijn C-(A)-S-H-gels, die de vorming van de reactieve calciumrijke amorfe fasen in de gecalcineerde CSMR zouden kunnen verifiëren. Vergeleken met de OPC-gebaseerde SHCC's, vertonen de SHCC's die zijn bereid met AA-CSMR-cement vergelijkbare of zelfs betere mechanische eigenschappen, terwijl ze ongeveer 40% belichaamde energie en ongeveer 60% CO2 emissies verminderen.

De resultaten van dit onderzoek ondersteunen het gebruik van gecalcineerde CSMR als duurzame cementachtige materialen. Gezien de hoge complexiteit van de samenstelling in CSMR, is systematisch onderzoek naar meer CSMR-monsters uit verschillende bronnen nodig in het vervolgonderzoek.