The effect of water addition on crack formation in inorganic polymer cement from Ca-Fe-Al-silicate glass

Glenn Beersaerts
Indien de activator, een alkali oplossing, wordt verandert door de water ratio te veranderen worden anorganische polymeren ontwikkeld met verschillende eigenschappen. Dit verschil in eigenschappen beïnvloed de hoeveelheid krimp en en vorming van scheuren. Hierdoor kan de drijvende kracht achter de vorming van krimp en scheuren onderzocht en verklaard worden.

Van afval uit grootouders tijd tot een toekomstige stoeptegel

Je hebt het ongetwijfeld al op tv gezien of je grootouders kunnen het zich nog goed voorstellen, fragmenten uit de jaren 70 en 80, waarop grote vuilnisbelten te zien zijn. In die tijd kon de overheid niet overweg met het opkomende consumptiegedrag van de bevolking. Als gevolg ontstonden er in Vlaanderen alleen al ruim 4000 vuilnisbelten bestaande uit huishoudelijk afval.  Dit probleem kwam niet alleen in Vlaanderen voor maar doorheen heel Europa, waar aan de hand van een ruwe schatting zo’n 350.000-500.000 vuilnisbelten liggen.

Vanaf de jaren 80 werd het concept recyclage echter toegepast en verder uitgewerkt tot op heden. Vanaf dan werden de vuilnisbelten afgesloten om grondwaterverontreiniging in te perken en overkapt met een laag aarde. De dag van vandaag zijn er maar enkele stortplaatsen actief meer, waaronder diegene van Houthalen-Helchteren. Daar wordt het afval opgegraven, het te recycleren afval gerecupereerd en de niet recycleerbare fractie gecategoriseerd volgens zijn eigenschappen. Op die manier komt afval op de vuilnisbelt niet meer in een eindfase terecht maar wordt het aanzien als een grondstof toepasbaar voor later.

Bij de afdeling duurzame materialen in het departement ingenieurs-wetenschappen van de KU Leuven wordt onderzoek verricht op deze niet recupereerbare fractie om deze “grondstof” te gebruiken als cement. Het huishoudafval zou via een plasma oven gesmolten worden. Drie restproducten worden gevormd waaronder een gas (CH4), waarmee elektriciteit opgewekt kan worden, metaal, dat eruit wordt gewonnen en een slak. Dit slak is een glasachtig materiaal en wordt ook wel plasmasteen genoemd. Dit nieuw type van cement, plasmasteen, heeft uitstekende eigenschappen en kan gebruikt worden in vergelijkbare toepassingen zoals traditionele cement. De productie van deze plasmasteen stoot tot 60% minder CO2 uit in vergelijking met de productie van de huidige cement. Eveneens is 8% van de wereldwijde CO2 uitstoot toe te wijzen aan de productie van traditionele cement. Op deze manier kan het gebruik van plasmasteen, een bijdrage bieden tot de beperking van wereldwijde CO2 uitstoot en de oplossing van het afvalprobleem.

Wanneer de plasmasteen gemengd wordt met een alkali oplossing, dit is een vloeistof met een hoge pH, lost de plasmasteen op en wordt een stroperige pasta gevormd. Deze pasta wordt hard na verloop van tijd door middel van polymerisatie reacties. Polymerisatie reacties zijn reacties waarbij ketens gevormd worden. Deze ketens gaan met elkaar binden waardoor een netwerk ontstaat. Dit netwerk wordt een anorganische polymeer genoemd. Echter, bij de productie van beton op basis van de plasmasteen en een alkali oplossing, worden macro-scheuren (>50 micrometer) gevormd in de anorganische polymeer. Dit is een probleem, want het tast de duurzaamheid van het beton aan. Hierdoor wordt er onderzoek verricht om de reactiviteit te veranderen in de alkali oplossing en om na te gaan hoe deze scheuren gevormd worden.

Wat blijkt, de macro-scheuren zouden ontstaan zijn bij de polymerisatie. Door de polymerisatie reactie gaat de pasta krimpen. Wanneer de pasta nog vloeibaar genoeg is kan de pasta mee krimpen, maar eens een sterk netwerk gevormd wordt, biedt het netwerk weerstand tegen krimp. Vervolgens bouwt er zich een spanning op in het netwerk. Deze spanning blijft stijgen zolang er reacties plaatsvinden en de spanning kan op een gegeven moment de sterkte van het netwerk overschrijden. Op dat moment komt een grote hoeveelheid energie vrij door de opgebouwde spanning, geregistreerd als hoge decibel en te zien in figuur 1, dat resulteert in de vorming van een macro-scheur.

Macro-scheuren worden vooral gevormd bij sterk alkalische oplossingen die weinig water bevatten. Bij zo’n oplossingen treedt veel reactie op, wordt snel een netwerk gevormd dat snel aan sterkte wint en wordt bijgevolg de eerste 12 uur een grote spanning gecreëerd. Eens de sterkte van de anorganische polymeer groot genoeg is en er een spanningsafname heeft plaatsgevonden, worden geen macro-scheuren meer gevormd.

Indien er alkali oplossingen, die meer water bevatten, worden gebruikt om een pasta te maken, gaan de sterkte eigenschappen dalen en wordt de pasta trager hard. Bijgevolg treedt er minder reactie in de pasta op. Op die manier wordt, bij enige resistentie aan krimp, de sterkte snel overwonnen door de spanning. Bijgevolg komt er slechts een lage energie vrij, lage decibel in figuur 1, wat resulteert in de vorming van micro-scheuren (<10 micrometer). Hoewel deze micro-scheuren een geringere invloed op de duurzaamheid hebben, bouwt de anorganische polymeer cement maar weinig sterkte op.

Image removed.

Door water toe te voegen aan de alkali oplossing, treden er reacties op, die het krimp en scheurgedrag kunnen veranderen. Dit resulteert in een verschil in eigenschappen van de anorganische polymeer. Op die manier kan de vorming van scheuren gecontroleerd of vermeden worden.

Hierdoor kan een duurzaam materiaal als plasmasteen ontwikkeld worden. Deze kan dan gebruikt worden voor eindeloze toepassingen bij jouw thuis zoals terrastegels, stoeptegels of muurtegels, gemaakt van afval dat je grootouders ooit weggegooid hebben.

Bibliografie

Analytical, P., 2016, Brunauer, Emmett and Teller (BET) Theory, Practicle Analytical, Denmark.

Azenha, M., L. F. Ramos, R. Aguilar, and J. L. Granja, 2012, Continuous monitoring of concrete E- modulus since casting based on modal identification: A case study for in situ application: Cement and Concrete Composites, v. 34, p. 881-890.

Bentz, D. P., and O. M. Jensen, 2004, Mitigation strategies for autogenous shrinkage cracking: Cement and Concrete Composites, v. 26, p. 677-685.

Danthurebandara, M., S. Van Passel, L. Machiels, and K. Van Acker, 2015, Valorization of thermal treatment residues in Enhanced Landfill Mining: Environmental and economic evaluation: Journal of Cleaner Production, v. 99, p. 275-285.

Davidovits, J., 2013, Geopolymer Cement, Institut Géopolymère, p. 11.

Duxson, P., A. Fernández-Jiménez, J. Provis, G. Lukey, A. Palomo, and J. Deventer, 2007, Geopolymer technology: the current state of the art: J Mater Sci, v. 42, p. 2917-2933.

Farhidzadeh, A., S. Salamone, B. Luna, and A. Whittaker, 2012, Acoustic emission monitoring of a reinforced concrete shear wall by b -value–based outlier analysis: Structural Health Monitoring, v. 12, p. 3-13.

GroupMachiels, 2015, Enhanced Landfill Mining, Hasselt, Group Machiels, p. http://www.machiels.com/company-detail.aspx?ID=885c55e0-f3b6-4fe6-aa25-….

Holt, E. E., 2001, Early age autogneous shrinkage of concrete: Technical research centre of Finland, Espoo, 197 p.

JCI, 1999, Autogenous shrinkage of concrete: London, E & FN Spon, 62 p.

Jennings, H. M., J. J. Thomas, J. S. Gevrenov, G. Constantinides, and F.-J. Ulm, 2007, A multi-technique investigation of the nanoporosity of cement paste: Cement and Concrete Research, v. 37, p. 329-336.

Jones, P. T., D. Geysen, Y. Tielemans, S. Van Passel, Y. Pontikes, B. Blanpain, M. Quaghebeur, and N. Hoekstra, 2013, Enhanced Landfill Mining in view of multiple resource recovery: a critical review: Journal of Cleaner Production, v. 55, p. 45-55.

Kim, M. S., Y. Jun, C. Lee, and J. E. Oh, 2013, Use of CaO as an activator for producing a price-competitive non- cement structural binder using ground granulated blast furnace slag: Cement and Concrete Research, v. 54, p. 208-214.

Kirschner, A. V., and H. Harmuth, 2004, Investigation of geopolymer binders with respect to their application for building materials: Ceramics - Silikaty, v. 48, p. 117-120.

Kriskova, L., L. Machiels, and Y. Pontikes, 2015, Inorganic Polymers from a Plasma Convertor Slag: Effect of Activating Solution on Microstructure and Properties: J. Sustain. Metall., v. 1, p. 240-251.

Kuenzel, C., L. J. Vandeperre, S. Donatello, A. R. Boccaccini, C. Cheeseman, and P. Brown, 2012, Ambient Temperature Drying Shrinkage and Cracking in Metakaolin- Based Geopolymers: Journal of the American Ceramic Society, v. 95, p. 3270.

Lee, N., 2007, Creep and shrinkage of inorganic polymer concrete, Judgeford, New Zealand, BRANZ study report SR 175, p. 32.

Machiels, L., 26/03/2015, Closing the Circle meeting.

Machiels, L., L. Arnout, P. Jones, B. Blanpain, and Y. Pontikes, 2014, Inorganic Polymer Cement from Fe- Silicate Glasses: Varying the Activating Solution to Glass Ratio: Waste Biomass Valor, v. 5, p. 411-428.

Piccinin, M., 2016, Blaine Specific Surface Area (Cement density), Torri del Benaco, Italy, The Cement Grinding Office.

Provis, J., 2013, Alkali Activated Materials: State-of-the-Art Report, RILEM TC 224-AAM: Alkali Activated Materials: Dordrecht, Dordrecht : Springer; Dordrecht : Springer,, 2013.

Provis, J. L., and S. Bernal, A., 2014, Geopolymers and Related Alkali-Activated Materials: Annual review of materials research, v. 44, p. 299-327.

Rees, C. A., J. L. Provis, G. C. Lukey, and J. S. J. Van Deventer, 2007, Attenuated total reflectance fourier transform infrared analysis of fly ash geopolymer gel aging: Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids, v. 23, p. 8170.

Sagoe-Crentsil, K., T. Brown, and A. Taylor, 2013, Drying shrinkage and creep performance of geopolymer concrete: Journal of Sustainable Cement-Based Materials, v. 2, p. 35-42.

Scherer, G. W., 1987, Drying gels: Journal of Non-Crystalline Solids, v. 89, p. 217-238.

Scherer, G. W., 1988, Aging and drying of gels: Journal of Non-Crystalline Solids, v. 100, p. 77-92.

Scrivener, K. L., and R. J. Kirkpatrick, 2008, Innovation in use and research on cementitious material: Cement and Concrete Research, v. 38, p. 128-136.

Steins, P., A. Poulesquen, F. Frizon, O. Diat, J. Jestin, J. Causse, D. Lambertin, and S. Rossignol, 2014, Effect of aging and alkali activator on the porous structure of a geopolymer: Journal of Applied Crystallography, v. 47, p. 316-324.

Taylor, R., R. Ray, and C. Chapman, 2013, Advanced thermal treatment of auto shredder residue and refuse derived fuel: Fuel, v. 106, p. 401-409.

Thomassen, L., 2011, Model systel to study the influence of aggregation on the Hemolytic potential of silica nanoparticles: American Chemical Society, v. 24, p. 6.

Van Den Abeele, K., W. Desadeleer, G. De Schutter, and M. Wevers, 2009, Active and passive monitoring of the early hydration process in concrete using linear and nonlinear acoustics: Cement and concrete research, v. 39, p. 426-432.

Vijayakumar, R. M., 2013, Evaluating shrinkage of fly ash –slag polymers, Master of science in civil engineering in the graduate college of university of Illinois at Urbana-Champaign., 55 p.

Vinai, R., A. Rafeet, M. Soutsos, and W. Sha, 2015, The role of water content and paste proportion on physic-mechanical properties of alkali activated fly ash –Ggbs concrete., Minerals, Metals and Materials Society, p. 11.

Xu, H., and J. S. J. Van Deventer, 2000, The geopolymerisation of alumino- silicate minerals: International Journal of Mineral Processing, v. 59, p. 247-266.

Zhang, M. H., C. T. Tam, and M. P. Leow, 2003, Effect of water-to- cementitious materials ratio and silica fume on the autogenous shrinkage of concrete: Cement and Concrete Research, v. 33, p. 1687-1694.

 

Universiteit of Hogeschool
Geologie
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Professor Jan Elsen
Kernwoorden
Share this on: