Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

Betonvloeren in fabrieken, magazijnen en drukke openbare ruimtes staan een constante strijd tegen slijtage aan. Elke voetstap, elke rijdende kar en elk voertuigwiel slijt het oppervlak langzaam weg, waardoor het materiaal wordt weggesleten en de structuur in de loop der tijd verzwakt. Om vloeren te bouwen die lang meegaan, vertrouwen ingenieurs op cement, het bindmiddel dat beton bij elkaar houdt. De productie van dit cement brengt echter een zware prijs met zich mee: voor elke ton cement die wordt geproduceerd, worden bijna 0,85 ton kooldioxide in de atmosfeer uitgestoten, wat aanzienlijk bijdraagt aan klimaatverandering. Deze realiteit heeft onderzoekers gedreven om manieren te zoeken om een deel van het cement te vervangen door industrieel afval, waarbij een milieuprobleem wordt omgezet in een constructieve oplossing. Een dergelijk afvalproduct komt uit olieraffinaderijen, waar minuscule deeltjes, genaamd katalysatoren, worden gebruikt om ruwe olie te helpen omzetten in brandstof. Zodra deze deeltjes hun werk hebben gedaan, worden ze weggegooid als "gebruikte katalysator". Deze deeltjes zijn rijk aan aluminium en silica, precies dezelfde ingrediënten die aanwezig zijn in de rotsen en zanden waaruit beton is opgebouwd, wat suggereert dat ze nuttig kunnen zijn in een nieuw leven.

Een team van onderzoekers zette zich af om te testen of deze weggegooide deeltjes uit olieraffinaderijen in beton gemengd konden worden om sterkere, duurzamere vloeren te creëren die ook nog eens beter zijn voor het milieu. Ze richtten zich op twee verschillende soorten betonmengsels. Het eerste was een standaard cementmengsel, waarbij de afvaldeeltjes zouden dienen als vulmiddel om een deel van het cement te vervangen. Het tweede was een "alkali-geactiveerd" mengsel, een geavanceerder type beton dat een chemische oplossing gebruikt om de afvaldeeltjes zonder traditioneel cement aan elkaar te binden. De onderzoekers wilden zien hoe de grootte van de afvaldeeltjes en het type mengsel de weerstand van het beton tegen verbrijzeling, buiging en constante wrijving (abrasie) beïnvloedde. Ze streefden er ook naar om een reeks regels op te stellen die ingenieurs kunnen gebruiken om te voorspellen hoe sterk een vloer zal zijn voordat ze het beton zelfs maar storten, gebaseerd op simpelweg hoeveel afval ze toevoegen en hoe fijn de deeltjes zijn.

Het team begon met het verzamlen van hun materialen: standaard Portlandcement, rivierzand, water en de gebruikte katalysatorpartikels van een raffinaderij in Polen. Ze sorteerden de katalysatorpartikels zorgvuldig in twee groottes, één fijner en één grover, om te zien of de grootte ertoe deed. Vervolgens maakten ze een reeks testbatches. Sommige batches vervingen tot 20 procent van het cement met de afvaldeeltjes, terwijl andere de deeltjes als hoofdbestanddeel gebruikten in het alkali-geactiveerde mengsel. Om de mengsels werkbaar te maken, voegden ze een vloeibare weekmaker toe om het natte beton gemakkelijk in de mallen te laten stromen. Nadat het beton was uitgehard, onderwierpen de onderzoekers de monsters aan een reeks strenge tests. Ze verbrijzelden kubussen van het materiaal om de druksterkte te meten, bogen lange balken om de buigsterkte te testen en gebruikten een gespecialiseerde machine die een zwaar, abrasief wiel tegen het oppervlak liet schuren om te meten hoeveel gewicht het materiaal in de loop van de tijd verloor. Deze abrasietest is cruciaal omdat het jaren aan voetverkeer en voertuigverslijting simuleert in slechts enkele uren.

De resultaten toonden een duidelijke splitsing in prestaties, afhankelijk van welk type beton werd gebruikt. In de standaard cementmengsels werkte het toevoegen van de afvaldeeltjes opmerkelijk goed. Wanneer de onderzoekers 20 procent van het cement vervingen door de gebruikte katalysator, werd het resulterende beton sterker en beter bestand tegen slijtage. Het mengsel met de fijnste deeltjes bereikte een druksterkte van 52 megapascal en een buigsterkte van 8 megapascal, en vertoonde ook een verbetering van 18 procent in de weerstand tegen abrasie vergeleken met puur cement. De afvaldeeltjes fungeerden als een spons, die water absorbeerde en reageerde met het cement om gaatjes op te vullen, waardoor een dichter en taaier materiaal ontstond. Het verhaal was echter anders voor de alkali-geactiveerde mengsels. In deze mengsels reageerden de afvaldeeltjes niet volledig met het chemische bindmiddel. Het resulterende materiaal was aanzienlijk zwakker en vertoonde veel hogere slijtage, waarbij het na 28 dagen negen keer zoveel gewicht verloor als de cementmengsels. De onderzoekers ontdekten dat het chemische activatieproces incompleet was, waardoor veel van de afvaldeeltjes ongereageerd en losjes binnen de structuur bleven zitten, wat ervoor zorgde dat het oppervlak gemakkelijk afbrokkelde onder wrijving.

Om deze complexe resultaten te duiden, ontwikkelden de onderzoekers een reeks wiskundige modellen die de prestaties van het beton konden voorspellen zonder dat elke test uitgevoerd hoefde te worden. Deze modellen waren niet gebaseerd op willekeurige gissingen; ze werden gebouwd op fysieke principes die de hoeveelheid toegevoegd afval, de grootte van de deeltjes, het type bindmiddel en de leeftijd van het beton koppelden aan de uiteindelijke sterkte en duurzaamheid. De modellen bleken zeer nauwkeurig en voorspelden de druksterkte, buigsterkte en het abrasieverlies met een foutmarge van minder dan 7 procent. Dit betekent dat als een ingenieur weet welk specifiek mengsel hij van plan is te gebruiken, hij deze formules kan gebruiken om met vertrouwen te voorspellen hoe de vloer zal presteren onder zwaar verkeer. De modellen bevestigden dat voor standaard cement het toevoegen van het afval een win-win situatie was, die zowel de sterkte als de duurzaamheid verbeterde. Voor de alkali-geactiveerde mengsels benadrukten de modellen dat de huidige chemische recepten nog niet klaar zijn om dit specifieke afval volledig te benutten, aangezien de deeltjes te inert blijven om de nodige bindkracht te bieden.

De studie concludeert dat het gebruik van olie-raffinaderijafval in beton een levensvatbaar pad vooruit is, maar dat dit de juiste aanpak vereist. Het vervangen van een deel van het cement door deze deeltjes creëert een hoogwaardig materiaal dat taaier is tegen slijtage en de CO2-voetafdruk van de bouw vermindert. De onderzoekers schatten dat het vervangen van 20 procent van het cement de CO2-emissies met ongeveer 170 kilogram kan verlagen voor elke ton gebruikt bindmiddel. Dit voordeel wordt echter alleen gerealiseerd wanneer het afval in traditionele cementmengsels wordt gebruikt, waar het fungeert als een reactief vulmiddel. In de meer experimentele alkali-geactiveerde systemen is de technologie nog niet volwassen genoeg om dit specifieke afval effectief te verwerken. Het werk biedt een duidelijke routekaart voor de bouwsector: door zorgvuldig het type beton en de grootte van de afvaldeeltjes te selecteren, kunnen bouwers vloeren creëren die niet alleen duurzamer zijn, maar ook langer meegaan, waarbij een industrieel bijproduct wordt omgezet in een fundament voor de toekomst.