Z1-1858 Recikliranje odpadne titanove sadre v cementnih kompozitih
Z1-1858 Recycling of waste titanogypsun in cement composites
Logotip programa/financerja | Logotip projekta |
Partnerji projekta:
ZAG | |
Informacije o projektu
Vodja projekta: Vesna Zalar Serjun
Vodja projekta na ZAG: Vesna Zalar Serjun
Trajanje projekta: 1.7.2019 - 30.06.2021
SICRIS: link
Višina financiranja:
ARRS:
2019 0.5 FTE cenovne kategorije B
2020 1 FTE cenovne kategorije B
2021 0.5 FTE cenovne kategorije B
Povzetek projekta (SLO)
Odpadne industrijske oz. t.i. sintetične sadre so stranski produkti različnih kemičnih procesov .Številni ostanki proizvodnje se v večjih količinah že dolgo časa rutinsko reciklirajo v gradbenem sektorju. Taka praksa za odpadno industrijsko sadro še ni uspešno implementirana zaradi specifičnih kemijskih in fizikalnih lastnosti ter posledično nizkega potenciala za recikliranje. Vsebuje lahko tudi spremenljiv delež izlužljivih toksičnih komponent. Uporaba oz. recikliranje rdeče titanove sadre v cementnih kompozitih zahteva poznavanje njihovih kratkoročnih in dolgoročnih lastnosti, pri tem sta ključnega pomena mehanizem hidratacije, razvoj fazne sestave in mikrostrukture.
Sadra kot regulator vezanja na eni strani predstavlja bistveno komponento cementnih kompozitov na drugi strani pa se povečana količina sadre uporabljene lahko odraža v negativnih vplivih. Vpliv etringita na poškodbe cementnih kompozitov, ki so kot posledica prisotnosti povečane količine sadre ´prenasičeni´ s sulfatom, je v grobem opisan z dvema teorijama. Dejstvo je, da za potrditev obeh izmed predstavljenih teorij pomanjkuje eksperimentalnih dokazov, ki bi neposredno povezovale količino nastalega etringita z razsežnostjo ekspanzije. Raziskave so nadalje pokazale tudi, da se količina nastalega etringita ter obseg ekspanzije močno razlikuje med sistemi cementnih kompozitov z različno vsebnostjo aluminatnih faz.
Ker je za razvoj cementnih kompozitov s povečano količina titanove rdeče sadre (v kombinaciji z nekaterimi dodatnimi industrijskimi odpadki) poznavanje mehanizmov in kinetike hidratacije, spremljanje in identifikacija nastalih mineralnih faz ter kemijskih in mehansko fizikalnih lastnosti kompozitov v odvisnosti od časovne komponente nujna, bomo z izvedbo predlaganega projekta bistveno prispevali k detajlni karakterizaciji predlaganih sistemov cementnih kompozitov. Na femenološki ravni bomo z izvedbo projekta definirali vpliv večje količine nastalega etringita v preiskovanih sistemih na potencialne destruktivne mehanizme. Ustrezna Implementacija rezultatov mineraloških in kemijskih preiskav bo omogočila natančno kvantifikacijo in karakterizacijo mobilizacijskih procesov v preiskovanih cementnih kompozitih. Vzporedni rezultati mehansko- fizikalnih analiz bodo omogočili neposredno razlago o medsebojnih vplivih na trajnost tovrstnih kompozitov.
Predlagane metode dela zajemajo tako kvalitativne kot kvantitativne analize, na podlagi katerih bomo lahko določili ne le vrsto ampak tudi kvantiteto posameznega pridobljenega podatka. Metodologija dela bo temeljila na širokem spektru komplementarnih analitskih metod.
Cementni kompoziti opisani v projektnem predlogu omogočajo razvoj nizkoogljične in krožne ekonomije, ki temelji na uporabi manjše količine cementa in lokalnih obnovljivih virov. Predlagan program predstavlja središčni vozel različnih tematik in področij, ki bodo omogočile pridobitev novih znanj predvsem na področju geologije (mineralogija, petrografije) ter tudi kemije, materialov in gradbeništva.
Project Summary (EN)
Waste industrial gypsum is a waste or a by-product generated during various chemical processes. Numerous different types of industrial residues have been routinely recycled in the construction sector, but in the case of waste industrial gypsum this practice has not been widely implemented, since it has a low recycling potential due to its specific chemical and physical properties. The recycling of red titanogypsum in cementitious composites requires knowledge of its properties, in particular about the hydration mechanism, the development of phase composition, and the microstructure.
Gypsum is on one hand an essential ingredient in the production of cement composites, but on the other hand the increased amount of gypsum used in the preparation of cement composites can be reflected in the in the lower mechanical properties. Two theories have been presented to link ettringite formation in systems containing a high quantity of gypsum (so-called over-sulphated systems) with expansion. However, there is a lack of experimental evidence which could directly link the observed expansion to the formation of ettringite. The results of some analyses have also shown that the amount of ettringite and expansion varies widely between systems with different alumina containing compounds.
Since in-depth knowledge of the mechanisms and kinetics of the hydration process, the sequence of formation and identification of the mineral phases formed, together with time dependent chemical and mechanical properties of the composites, is crucial in order to develop cement composites containing high quantities of red titanogypsum (in combination with some additional industrial waste), realization of this project will contribute significantly towards the characterization of described systems. The realization of proposed research work will enable to define the fundamentals based on which the behaviour of the proposed two- and three-component cement systems, as well as similar systems, could be predicted. Further, the effects of increased amounts of formed ettringite on the potential destructive mechanisms will be explained on the phenomenological level.
The methodology will be based on a broad range of complementary methods.
Cement composites described in the project proposal will promote the development of a low¬carbon and circular economy, based on the usage of lower amounts of cement and local renewable materials. The proposed program consists of a central node for various topics and fields, which will make it possible to assess the new knowledge particularly in the field of geology (mineralogy, petrography) and also in the fields of chemistry, materials and construction.
Faze projekta in opis realizacije (delovni sklopi)
Delovni sklop 1: Vodenje in organizacija dela v projektu
Naloga tega sklopa je nemoteno delovanje projekta med celotnim časom trajanja projekta. Poleg tega skrbi, da so vse aktivnosti opravljene v dogovorjenih rokih, ki zagotavljajo uspešno izvedbo projekta. Skrbi tudi za pravočasno izdelavo in oddajo vseh zahtevanih poročil. Izvajali bomo naslednje aktivnosti: (i) spremljanje napredka raziskav in doseganje mejnikov, (ii) kontrola izvedenih ur in porabljenih sredstev, (iii) redno in pravočasno poročanje financerju projekta ARRS (plan ur, poročanje o izvedenih urah, letno vsebinsko poročanje).
Delovni sklop 2: Karakterizacija vhodnih materialov
V sklopu 2 bodo izvedene preiskave, ki so ključne za karakterizacijo sestavin za pripravo cementnih kompozitov s povečano količino titanove rdeče sadre (v kombinaciji z nekaterimi dodatnimi industrijskimi odpadki): rdeče titanove sadre, cementa in dodatkov. Predvidoma bosta uporabljena dva različna cementa. Glede na rezultate preliminarnih raziskav, ki smo jih opravili, bomo v kombinaciji s cementoma uporabili še dva dodatna industrijska odpadka. Na reprezentativnih vzorcih frakcij vhodnih komponent bodo izvedene podrobne mineraloške in mikrostrukturne analize, kemijska analiza in določene bodo fizikalne lastnosti. Kvantitativno bodo določene tudi morebitne potencialno škodljive mineraloške ali kemične komponente, ki lahko vplivajo na potek hidratacije cementa ter tiste, ki v cementnem kompozitu lahko povzročijo patološke spremembe. Volumska stabilnost ter prisotnost potencialno toksičnih elementov v izlužkih sta kritični lastnosti, zato bo za oceno teh lastnosti posvečen poseben del raziskav. Končni cilj je zagotoviti natančno poznavanje vhodnih komponent.
Delovni sklop 3: Načrtovanje sestav cementnih kompozitov s povečano količina titanove rdeče sadre v kombinaciji z dodatnima industrijskima odpadkoma
Na podlagi rezultatov raziskav cementnih kompozitov z uporabo 10 mas % in 20 mas % dodane sadre, ki smo jih pridobili predhodno in z njimi že razpolagamo ter preiskav vhodnih materialov, izvedenih v okviru sklopa 1, bomo v sklopu 2 določili (in po potrebi deloma optimizirali) sestave cementnih kompozitov s povečano količino titanove rdeče sadre, ki bodo okoljsko sprejemljivi ter imeli ustrezne minimalne mehansko- fizikalne lastnosti za določene aplikacije.
Preiskovani bodo različni cementni kompoziti in sicer tako paste kot malte.
Delovni sklop 4: Karakterizacija cementnih kompozitov s povečano količina titanove rdeče sadre v kombinaciji z dodatnima industrijskima odpadkoma
Mehansko fizikalne lastnosti cementnih kompozitov bodo določene tako na svežih kot na strjenih kompozitih. Karakterizacija fazne sestave bo izvedena z in-situ analizo fazne sestave tekom zgodnje hidratacije in fazno analizo hidratacijskih produktov z ozkimi časovnimi intervali v obdobju zatem, ter analizo mehansko-fizikalnih lastnosti v primerljivih časovnih intervalih. Vzporedno bodo potekale tudi primerjave z standardnimi zahtevami oz. referenčnimi kompoziti. Dodatno bomo vzporedno v ključnih časovnih intervalih opravili tudi analizo izlužkov.
Metode dela bodo zajemale tako kvalitativne kot kvantitativne analize, na podlagi katerih ne bomo določili le vrsto ampak tudi kvantiteto posameznega pridobljenega podatka. Metodologija dela bo temeljila na širokem spektru komplementarnih analitskih metod. Ob upoštevanju eksperimentalnih rezultatov, dobljenih v sklopih 1, 2 in 3, bomo tako lahko predvideli model, s katerim bomo dobro napovedali dogajanje v kompozitu še pred njegovo vgradnjo, s čimer bomo omogočili optimizacijo tehnologije in izbiro pravih sestav betonov.
Ob upoštevanju eksperimentalnih rezultatov, dobljenih v sklopih 1, 2 in 3, bomo tako lahko pripravili osnovo za izdelavo enostavnejšega modela dvo- in tro- komponentnih cementnih sistemov s povečano vsebnostjo odpadne sadre. Natančno časovno spremljanje mineralne asociacije kompozitov in vzporedni rezultati mehansko-fizikalnih ter kemijskih analiz bodo omogočili neposredne povezave med razvojem faz na mikrostrukturnem nivoju in njihovem vplivu na kompozit. Podatke pridobljene na osnovi izluževalnih testov bomo korelirali s podatki mineraloške in mikrostrukturne analize, s čimer bomo preučili mehanizme imobilizacije. Na podlagi rezultatov našega dela ter rezultatov objavljenih v strokovni literaturi bo predviden tudi scenarij potencialnih vplivov različnih agresivnih okolji.
Delovni sklop 5: Diseminacija rezultatov
V prvi fazi bo na portalu ZAG pripravljeno ustrezno odprto spletno mesto, preko katere bo moč pridobiti vse pomembne podatke o samem projektu, zadnje pomembne rezultate, napovednik posameznih dogodkov, povezanih s predstavitvijo rezultatov projekta itd. Diseminacija rezultatov projekta bo poleg stalnega obveščanja na odprtem spletnem mestu projekta potekala preko sodelovanja na slovenskih konferencah, ki bodo tematsko povezane z recikliranjem industrijskih odpadkov, krožnem gospodarstvom in cementnimi kompoziti ter na mednarodnih konferencah. Poleg tega načrtujemo objave v slovenskih in mednarodnih revijah, s poudarkom na revijah, ki so indeksirane v sistemu ISI WOS.
Delo bomo opravili po naslednjem časovnem razporedu:
Pomembni mejniki:
- A – zaključek sklopa 2 s pripravljenim poročilom, ki bo osnova oziroma izhodišče za sklop 3 (načrtovanje sestav cementnih kompozitov s povečano količina titanove rdeče sadre v kombinaciji z dodatnima industrijskima odpadkoma)
- B – zaključek sklopa 3, ki je osnova za sklop 4 (Karakterizacija cementnih kompozitov s povečano količina titanove rdeče sadre v kombinaciji z dodatnima industrijskima odpadkoma). Sklop 4 oziroma priprava nanj se bo sicer začela že pred zaključkom sklopa 3.
- C – zaključek sklopa 4 s pripravljenim poročilom.