Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials

In de moderne wereld staat de bouwsector voor een dubbele uitdaging: het moet manieren vinden om sterkere, duurzamere constructies te bouwen, terwijl tegelijkertijd de enorme CO2-voetafdruk van de traditionele cementproductie moet worden verminderd. Tegelijkertijd genereren steden enorme hoeveelheden vast afval, met name glas, dat niet rot of van nature afbreekt en vaak op stortplaatsen terechtkomt. Wetenschappers weten al lang dat vermalen glas kan worden gebruikt als vervanging voor een deel van het zand en grind in beton, maar het simpelweg mengen ervan is niet voldoende om het sterk te maken. Om afvalglas om te zetten in een bindmiddel dat gebouwen bij elkaar houdt, gebruiken onderzoekers een proces dat alkali-activatie wordt genoemd. Dit houdt in dat het glaspoeder wordt gemengd met een sterk alkalische vloeistof, die werkt als een chemisch oplosmiddel om de rigide glasstructuur af te breken en deze vervolgens opnieuw te assembleren tot een nieuwe, solide gel. De sleutel tot dit proces ligt in de vloeibare activator zelf. Als de vloeistof te sterk is, breekt het het glas snel af, maar blijven er mogelijk niet genoeg bouwstenen over om later een sterk netwerk te vormen. Als het te zwak is, kan het het glas niet effectief oplossen in de eerste plaats. Het vinden van de perfecte balans is essentieel voor het creëren van een materiaal dat zowel milieuvriendelijk als mechanisch robuust is.

Een team van onderzoekers aan de Quzhou Universiteit in China zette zich schouder aan schouder om deze evenwichtsoefening op te lossen met behulp van twee specifieke afvalmaterialen: afvalglaspoeder en rijstkafas. Rijstkafas is een bijproduct van de rijstverwerking dat rijk is aan silica, precies hetzelfde hoofdbestanddeel dat in glas en zand wordt gevonden. In plaats van dure commerciële chemicaliën te kopen om het glas te activeren, creëerde het team hun eigen vloeibare activator door de rijstkafas op te lossen in een natriumhydroxide-oplossing. Ze mengden deze zelfgemaakte vloeistof vervolgens met het afvalglaspoeder om een pasta te maken. Om te begrijpen hoe het recept de uiteindelijke sterkte beïnvloedt, bereidden ze drie verschillende batches voor. In elke batch hielden ze de hoeveelheid glas gelijk, maar veranderden ze de verhouding van de ingrediënten in de vloeibare activator. Eén batch had een lagere ratio van silica tot natrium, een andere batch had een medium ratio, en de derde had een hoge ratio. Vervolgens testten ze hoe hard deze materialen werden na één week en na vier weken.

De resultaten toonden een duidelijk patroon in de ontwikkeling van het materiaal over de tijd. Na slechts één week was de batch met de laagste silica-ratio het sterkst, met een druksterkte van 31,4 MPa. Dit gebeurde omdat de hogere concentratie van het alkalische component in die mix het glasnetwerk zeer snel afbrak, waardoor het vroegtijdig kon uitharden. Echter, naarmate de tijd verstreek, veranderde het verhaal. Bij de vierweekse markering kwam de batch met de medium silica-ratio als duidelijke winnaar naar voren, met een druksterkte van 39,6 MPa, wat aanzienlijk hoger was dan bij de andere twee groepen. De batch met de hoogste silica-ratio, die over de meeste bouwstenen beschikte, eindigde in het midden, terwijl de batch die sterk begon, naar de laagste sterkte van de groep zakte. Deze verschuiving toonde aan dat hoewel een sterke initiële chemische aanval helpt om het materiaal snel te laten uitharden, de langetermijnsterkte afhangt van het beschikbaar hebben van voldoende opgeloste silica om in de loop van de tijd een dicht, onderling verbonden netwerk op te bouwen.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, keken de onderzoekers in het materiaal met behulp van geavanceerde beeldvormingsinstrumenten die de rangschikking van atomen en de structuur van de chemische verbindingen konden zien. Ze ontdekten dat het proces geen nieuwe kristallen creëerde; in plaats daarvan transformeerde het glas in een ongeordende, amorfe vaste stof, veel zoals het oorspronkelijke glas, maar met een andere interne structuur. Door de chemische verbindingen te analyseren, maten ze de ratio van "brugzure zuurstof"-atomen (bridging oxygen), wat de verbindingen zijn die de siliciumatomen samenhouden in een sterk driedimensionaal web. Na één week had de mix met de laagste silica-ratio het hoogste aantal van deze verbindingen, wat de vroege sterkte verklaarde. Maar tegen de vier weken had de mix met de medium-ratio de hoogste hoeveelheid brugverbindingen ontwikkeld, bereikend tot 63,25 procent. Deze toename in het aantal verbindingen kwam direct overeen met de toename in sterkte. De mix met de laagste silica-ratio raakte te vroeg door haar bouwstenen heen om meer verbindingen te vormen, terwijl de mix met de hoogste silica-ratio het glas niet snel genoeg oploste om al die extra blokken te kunnen gebruiken. Alleen de medium-mix slaagde erin om het glas te blijven oplossen en de verbindingen tegelijkertijd te laten vormen, waardoor de sterkst mogelijke structuur ontstond.

Deze studie toont aan dat de weg naar een sterker, groener bouwmateriaal niet gaat over het maximaliseren van één enkel ingrediënt, maar over het vinden van de precieze balans tussen de snelheid van de chemische reactie en de aanvoer van bouwmaterialen. Door rijstkafas te gebruiken om de activator te maken, lieten de onderzoekers zien dat het mogelijk is om twee verschillende soorten afval om te vormen tot een hoogwaardige cementvervanger. De bevindingen suggereren dat voor deze specifieke combinatie van materialen een matige hoeveelheid silica in de activator de beste omgeving biedt voor het glas om op te lossen en zichzelf opnieuw te assembleren tot een dicht, duurzaam netwerk. Deze aanpak biedt een praktisch blauwdruk voor het omzetten van de groeiende bergen glas en agrarisch afval ter wereld in een waardevolle hulpbron voor duurzame constructie, waarmee wordt bewezen dat het juiste chemische recept wat ooit als afval werd beschouwd, kan transformeren tot een fundament voor de toekomst.