Thermal activation of flexographic wastewater sludge and its influence on Portland cement hydration

In de wereld van de bouw is beton het meest gebruikte materiaal op aarde, een mengsel van water, zand, steen en een speciaal poeder genaamd Portlandcement dat als de lijm dient. Om dit materiaal duurzamer en minder kostbaar te maken, zoeken ingenieurs vaak naar manieren om een deel van dat cementpoeder te vervangen door industrieel afval. De hoop is dat bepaalde afvalstoffen, eenmaal verhit tot hoge temperaturen, kunnen transformeren in een reactieve substantie die chemisch bindt met het cement, waardoor het eindproduct wordt versterkt terwijl het afval uit stortplaatsen wordt gehouden. Dit proces steunt op een concept dat pozzolane reactiviteit wordt genoemd, waarbij een materiaal dat rijk is aan silica en aluminium, wanneer het wordt verhit, hunkert om te reageren met de calciumhydroxide die vrijkomt tijdens het uitharden van cement. Als dit succesvol is, verandert dit een afvalprobleem in een bouwkundige oplossing. Echter, niet alle afvalstoffen zijn gelijk, en de complexe mix van chemicaliën in sommige industriële bijproducten kan zich op onverwachte manieren gedragen wanneer ze met cement worden gemengd, waarbij ze soms de zeer reacties verstoren die ingenieurs juist willen stimuleren.

Onderzoekers in Argentinië zetten zich in om een specifiek type industrieel afval te onderzoeken: de slib dat overblijft na het reinigen van het afvalwater van flexografische drukpersen. Dit slib is een dikke, rommelige mengeling van watergedragen inkten, lijmen en de chemicaliën die worden gebruikt om vaste stoffen van het water te scheiden. Het bevat een hoog gehalte aan organische materie en een mix van mineralen, waaronder klei. Het team vroeg zich af of ze dit slib konden drogen en in een oven konden verhitten om de organische troep weg te branden en de klei te transformeren tot een nuttige cementadditief. Ze testten het materiaal bij verschillende temperaturen, specifificamente door monsters te verhitten tot 550 graden Celsius en 700 graden Celsius, om te zien of de hitte de benodigde reactieve, glasachtige structuur zou creëren om met cement te binden.

Het verhittingsproces werkte precies zoals de onderzoekers hoopten wat betreft het reinigen en veranderen van de structuur. Wanneer het slib werd verhit, brandde het organische materiaal weg en verloren de kleimineralen hun watermoleculen en stortten ze in tot een gedesorganiseerde, amorfe staat. Deze nieuwe staat, vergelijkbaar met een materiaal dat bekend staat als metakaolien, is meestal de sleutel om een afvalproduct nuttig te maken in beton. Het team bevestigde deze verandering door het materiaal onder krachtige microscopen te bekijken en door middel van lichtgebaseerde analyse te zien hoe de chemische verbindingen waren verschoven. Ze vonden dat het materiaal inderdaad was getransformeerd van een nat, organisch slib naar een droog, reactief poeder met een structuur die in staat is om met cement te interageren.

Echter, toen de onderzoekers dit verhitte poeder mengden met Portlandcement en water om de werkelijke prestaties te testen, waren de resultaten verrassend en ingewikkeld. Ze verwachtten dat het materiaal zou fungeren als een traditionele pozzolaan, die de calciumhydroxide die door het cement wordt geproduceerd chemisch zou "opeten" en het beton sneller of sterker zou laten uitharden. In plaats daarvan toonden de tests aan dat het materiaal zich niet als een echte pozzolaan gedroeg. Ondanks dat het poeder de juiste interne structuur had om te reageren, slaagde het niet voor de standaard chemische tests die worden gebruikt om pozzolane activiteit te bewijzen. De reden was niet dat het materiaal inert of nutteloos was, maar eerder dat het op een andere manier te actief was. Het verhitte slib liet zijn eigen calcium- en hydroxide-ionen vrij in de watermengeling, waardoor de oplossing werd overspoeld met precies de chemicaliën die het zou moeten consumeren. Deze instroom van extra chemicaliën maskeerde elke kleine reactie die mogelijk plaatsvond, waardoor het onmogelijk werd voor het materiaal om de standaardtests voor een reactieve cementadditief te doorstaan.

Ondanks het falen voor de chemische tests op pozzolaniciteit, was het materiaal niet slechts een passieve vulstof. Wanneer de onderzoekers bestudeerden hoe het cement in de loop van de tijd uithardde met behulp van gevoelige warmtemetingen, ontdekten ze dat het slib de snelheid en intensiteit van de reactie wel degelijk veranderde. Bij een specifiek mengniveau van tien procent vervanging zorgde het materiaal er zelfs voor dat het cement meer warmte vrijgaf tijdens de vroeële stadia van het uitharden, wat suggereert dat het de reactie op een bepaalde manier hielp stimuleren. Deze toename in activiteit was waarschijnlijk te danken aan de fysieke aanwezigheid van de poederdeeltjes die fungeerden als oppervlakken waar het cement kon beginnen met groeien, in plaats van een diepe chemische binding. Het uiteindelijke uitgeharde cement zag er onder de microscoop zeer vergelijkbaar uit met gewoon cement, met dezelfde belangrijkste bouwstenen, maar het pad om daar te komen was iets anders.

De studie concludeert dat hoewel het verhitten van flexografisch drukslib het succesvol reinigt en de structuur verandert, het het materiaal niet verandert in een standaard reactief cementingrediënt. Het materiaal is niet nutteloos, aangezien het duidelijk het gedrag van cement beïnvloedt, maar de interactie ervan wordt meer bepaald door de fysieke aanwezigheid van de deeltjes en de ionen die het in het water vrijgeeft dan door de chemische reactie waar ingenieurs doorgaans naar kijken. Deze bevinding is belangrijk omdat het aantoont dat niet alle industriële afvalstoffen volgens dezelfde regels beoordeeld kunnen worden. Een materiaal kan op papier perfect lijken en prachtig transformeren onder hitte, maar toch niet functioneren als een echte chemische partner voor cement omdat het zijn eigen unieke chemische samenstelling heeft. De onderzoekers suggereren dat voor complexe, hybride afvalstoffen we verder moeten kijken dan eenvoudige tests en het volledige beeld moeten begrijpen van hoe ze met cement interageren, waarbij we erkennen dat hun waarde wellicht ligt in het modificeren van het proces in plaats van het fungeren als een traditioneel reactief ingrediënt.