Mechanical Strength Assessment of Eco-Friendly Bricks Produced Using Waste Marble Dust and Crushed Stone Dust as Partial Cement Replacements

Technische Samenvatting: Beoordeling van de Mechanische Sterkte van Milieuvriendelijke Stenen Geproduceerd met Afval van Marmerstof en Gebroken Steenstof

Probleemstelling
De bouwsector staat voor een dubbele uitdaging: de generatie van enorme hoeveelheden industrieel afval, specifelijk marmerstof (MD) en gebroken steenstof (CSD), en de hoge ecologische voetafdruk van de cementproductie. De marmerverwerking in India genereert jaarlijks ongeveer 12 miljoen ton afval, wat aanzienlijke risico's vormt voor de vervuiling van bodem en water. Tegelijkertijd draagt de cementproductie ongeveer 5% bij aan de wereldwijde antropogene CO₂-emissies. Hoewel eerdere studies de individuele toepassing van MD of CSD als gedeeltelijke vervanging voor cement hebben onderzocht, blijft het synergetische effect van het combineren van deze twee afvalmaterialen in de productie van bakstenen een aanzienlijk onderzoeksgat. Deze studie adresseert de noodzaak om deze lokaal beschikbare afvalmaterialen te gebruiken om het cementverbruik te verminderen, milieuproblemen te verzachten en duurzame bouwmaterialen te produceren zonder de mechanische prestaties in gevaar te brengen.

Methodologie
Het onderzoek maakte gebruik van een experimenteel ontwerp om de geschiktheid van MD en CSD als gedeeltelijke vervanging voor Pozzolaan Portland Cement (PPC) in de productie van bakstenen te evalueren.

• Materialen: De studie maakte gebruik van PPC (35% vliegas), natuurlijk zand (Zone I), marmerstof en gebroken steenstof.
• Mengontwerp: De stenen werden gegoten in een verhouding van 1:4 (Cement:Zand) met een water-cementverhouding van 0,45. Het controlemengsel (M0) bevatte 100% cement. Experimentele mengsels vervingen cement met gelijke proporties MD en CSD op drie niveaus:
  • M10: 10% MD + 10% CSD (Totaal 20% vervanging).
  • M20: 20% MD + 20% CSD (Totaal 40% vervanging).
  • M30: 30% MD + 30% CSD (Totaal 60% vervanging).
• Preparatie van Specimens: Bakstenen met afmetingen van 230 mm x 90 mm x 80 mm werden gegoten in houten mallen, gecompacteerd met een tafeltrilmachine en uitgehard in water gedurende 7, 14 en 28 dagen.
• Testprotocollen: De studie voerde korfanalyses, specifieke dichtheidstests, slibgehalte-tests, waterabsorptietests en dichtheidsmetingen uit. De druksterkte werd geëvalueerd met een druktestmachine (CTM) na 7, 14 en 28 dagen.
• Statistische Analyse: De gegevens werden geanalyseerd met behulp van beschrijvende statistiek (gemiddelde, standaarddeviatie, variatiecoëfficiënt) en One-Way Analysis of Variance (ANOVA) om de significantie van uithardingsleeftijd en vervangingsniveaus op de sterkte te bepalen (p < 0,05).

Belangrijkste Resultaten

• Druksterkte: Het controlemengsel (M0) bereikte de hoogste 28-daagse druksterkte van 24,56 MPa. Het M10-mengsel (20% totale vervanging) registreerde 20,62 MPa, wat een levensvatbaar alternatief vertegenwoordigt. Echter, hogere vervangingsniveaus leidden tot een significante afname van de sterkte: M20 (40% vervanging) daalde naar 8,61 MPa, en M30 (60% vervanging) viel naar 6,37 MPa.
• Statistische Significantie: ANOVA bevestigde dat zowel de uithardingsleeftijd als het vervangingsniveau een statistisch significant effect hadden op de druksterkte (p < 0,001). De sterkteontwikkeling in de loop van de tijd (van 7 naar 28 dagen) was significant voor alle mengsels.
• Waterabsorptie: Er werd een omgekeerd verband waargenomen tussen sterkte en waterabsorptie. Naarmate het vervangingsniveau toenam, nam de waterabsorptie toe van 5,66% (M0) naar 9,81% (M30), wat wijst op een verhoogde porositeit en verminderde binding bij hogere vervangingsniveaus.
• Dichtheid: De dichtheid van de stenen nam geleidelijk af met toenemende vervanging, variërend van 2698,87 kg/m³ (M0) tot 2491,14 kg/m³ (M30). Het M10-mengsel behield een dichtheid die consistent is met standaard bouwmaterialen.
• Materiële Eigenschappen: Marmerstof vertoonde een specifieke dichtheid van 2,63 en steenstof 2,57, beide lager dan cement (3,1), wat bijdroeg aan de geobserveerde reductie in dichtheid.

Belangrijkste Bijdragen en Claims
Het artikel claimt dat de gedeeltelijke vervanging van cement met een combinatie van marmerstof en gebroken steenstof een levensvatbare strategie is voor duurzame constructie, mits het vervangingsniveau wordt geoptimaliseerd.

• Optimaal Vervangingsniveau: De studie identificeert het 20% totale vervangingsniveau (10% MD + 10% CSD) als de optimale kandidaat. Dit mengsel bereikte een gemiddelde druksterkte van 20,62 MPa, wat volgens de auteurs voldoende is om te concurreren met het controlemengsel voor specifieke constructietoepassingen, terwijl het ook milieuvoordelen biedt.
• Synergetisch Gebruik: Het onderzoek benadrukt het potentieel om twee verschillende industriële afvalstromen gelijktijdig te benutten, waarmee een gat in de literatuur over gecombineerde afvalvalorisatie wordt gedicht.
• Milieu en Economische Impact: Door de vervanging van cement claimt de studie een reductie in de CO₂-emissies en het energieverbruik dat gepaard gaat met de cementproductie. Bovendien verlaagt het gebruik van lokaal gewonnen afval de transportkosten en de kosten voor afvalverwerking die verbonden zijn aan de marmer- en steenverwerkingsindustrieën.

Significantie
De auteurs positioneren dit werk als een bijdrage aan de Duurzame Ontwikkelingsdoelstellingen (SDG's) 9 (Industrie, Innovatie en Infrastructuur) en 11 (Duurzame Steden en Gemeenschappen). De studie toont aan dat industriële bijproducten kunnen worden omgevormd tot functionele bouwmaterialen, waardoor de koolstofvoetafdruk van de gebouwde omgeving wordt verminderd en het afvalbeheer wordt verbeterd. Het artikel concludeert dat hoewel excessieve vervanging de duurzaamheid en sterkte in gevaar brengt, een gecontroleerde, lage substitutie (specifiek de 20% totale vervanging) een evenwichtige aanpak biedt om kostenbesparingen, milieustabiliteit en aanvaardbare mechanische prestaties te bereiken. Toekomstig werk wordt gesuggereerd om zich te richten op langetermijnprestaties en de standaardisatie van de eigenschappen van afvalmaterialen.