Ontwikkeling van anorganische polymeren voor bijna-energieneutrale gebouwen

Alkali activering is een opkomende duurzame technologie om innovatieve bouwmaterialen te produceren. Alkali-geactiveerde materialen zijn uitgebreid onderzocht, maar verschillende niveaus van wetenschappelijk inzicht en industriële implementatie zijn te vinden bij verschillende subgroepen van dergelijke materialen.

De meest onderzochte alkali-geactiveerde materialen staan algemeen bekend als geopolymeren. De wetenschappelijke kennis van hun reactiemechanismen en -structuren is diepgaand en hun marktimplementatie is redelijk geconsolideerd. Anorganische polymeren (IP) echter, behoren tot een andere subgroep van alkali-geactiveerde materialen, aangezien hun chemie niet exact overeenkomt met de definitie van geopolymeren. Deze IP systemen zijn uitdagend, maar in tegenstelling tot geopolymeren, kan een breed scala aan precursors worden toegelaten die de mogelijkheid bieden om laagwaardige grondstoffen te valoriseren, waaronder verschillende afvalstoffen en industriële bijproducten. De diversiteit aan precursors die kunnen worden gebruikt in IP-productie belemmert de definitie van productiegidsen, en specifiek onderzoek is nodig om ad hoc mixontwerpen te definiëren volgens de kenmerken van de precursors en de beoogde toepassingen. Dit doctoraatsonderzoek was gericht op de multischaal ontwikkeling van anorganische polymeren en het conceptuele ontwerp van duurzame en multifunctionele materialen voor bijna-energieneutrale gebouwen. Verglaasde residuen, geproduceerd tijdens de thermochemische conversie van refuse-derived fuel, werden genomen als representatieve case study van een brede groep van momenteel onderbenutte industriële bijproducten, namelijk calcium-ijzerrijke slakken.

Het doel van dit werk was om de fundamentele verwerkingsparameters te begrijpen die het reactiemechanisme beïnvloeden dat betrokken is bij de vorming van calcium-ijzerrijke IPs en hun correlatie met de chemische en fysisch-mechanische eigenschappen van de ontwikkelde materialen.

De belangrijkste technologische beperkingen in verband met het gebruik van dergelijke slakken als IP-precursors werden onderzocht en de meest geschikte productieomstandigheden om IP-producten met verbeterde eigenschappen te verkrijgen, werden geïdentificeerd. Er is een brede waaier aan verschillende IP-materialen met technische eigenschappen ontwikkeld en geoptimaliseerd. De inspanningen die zijn geleverd bij het ontwikkelen van voorspellende modellen, het optimaliseren van mengverhoudingen en het minimaliseren van de krimp van de IP-bindmiddelen en mortels worden beschreven. Geoptimaliseerde producten die worden gekenmerkt door een hoge dosering van residuen in hun samenstelling, verhoogde volumetrische stabiliteit, uitstekende mechanische eigenschappen en goede finale eigenschappen na blootstelling aan hoge temperaturen werden ontwikkeld. De functionalisering van IP-mortels werd aangepakt en de effecten van het opnemen van phase changing materials in het mixontwerp werden onderzocht. Lichtgewicht IP's zijn ontwikkeld met behulp van verschillende verwerkingsroutes en hun mechanische en thermische eigenschappen zijn onderzocht.

Er werden verschillende IP-producten gebruikt om meerlaagse sandwichpanelen te ontwikkelen die zowel thermisch isolerend als gevoelig waren voor temperatuurschommelingen. De problemen met betrekking tot hun opschaling werden geanalyseerd en de productieprocessen geoptimaliseerd. Er werden semi-industriële sandwichpanelen geproduceerd om de haalbaarheid van de voorgestelde oplossingen aan te tonen.

Het onderwerp dat in dit doctoraatsonderzoek werd geanalyseerd en de verkregen inzichten leveren een belangrijke bijdrage aan zowel de implementatie van de alkali-activeringstechnologie als een levensvatbare oplossing voor het opwaarderen van industriële bijproducten, en is met name interessant voor de bouwsector waarin de huidige inspanningen om lagere milieu-impacten te bereiken aanzienlijk zijn. Het gebruik van calcium-ijzerrijke slakken, zoals die worden geproduceerd in thermochemische conversieprocessen, in dergelijke productieschema's is een plausibele grootschalige upcycling-route waarbij aanzienlijke hoeveelheden van die residuen kunnen worden gebruikt en daardoor kan dit bijdragen aan het verhogen van de duurzaamheid van industriële sectoren waarin dergelijke residuen worden geproduceerd.