The use of china clay waste as a construction material using alkali-activated cement technology

Abstract

Every 1 t of china clay (kaolin) produced in the UK generates 9 t of waste material. A limited quantity of the coarser waste has beneficial use as a building stone or secondary aggregate in concrete and asphalt, but there are currently limited uses for the finest waste fraction. ‘Mica’ waste is a mixture of fine minerals and is one of the forms of waste with little beneficial use other than the restoration of old quarries. With an aim to find innovative, commercially viable and low environmental impact uses in construction, this PhD introduces the idea of using the china clay waste in alkali-activated binders. First, it was investigated whether the contained mica mineral could be used as an alkali-activated binder. This was done using different MAS NMR and XRD analysis, and mechanical strength tests based on European standards. The material was shown to have low reactivity and some direct trials of alkali-activation of thermally treated mica mineral produced in average weak binders. Later, three series of alkali-activated binders were studied, one based on Ground Granulated Blastfurnace Slag (GGBS), one based on Fly Ash (FA) and one based on a 50%GGBS-50%FA blend (50/50). The china clay waste was incorporated in selected optimum binders from the three series as aggregate to make mortars and concrete. Compared to control specimens, the test mortar specimens using the china clay waste always showed lower strength. It is suggested that the high water demand of the waste is the main problem. Ιn mortars the impact of the water declined over time.Regarding the concrete testing, the test specimens of the GGBS series showed potential for replacing Portland control specimens. The concrete design was accompanied by an environmental analysis to ensure environmentally beneficial outcomes were obtained. The environmental analysis shows that although the carbon emissions would be reduced using alkali-activated concrete, most of the other environmental impact categories would be affected negatively which has to be considered when making the final decision regarding the use and future further development of this new material.

Κάθε 1t καολίνη που παράγεται στο Ηνωμένο Βασίλειο δημιουργεί 9t παραπροϊόντων. Από αυτά μόνο ένα μικρό ποσοστό του χονδρόκοκκου υλικού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αδρανές υλικό σε σκυρόδεμα και άσφαλτο. Για το λεπτοκοκκο υλικό, πλούσιο σε μαρμαρυγίες (κυριως μοσχοβίτη), δεν υπάρχει χρήση πέρα από την επίχωση παλιών λατομείων. Με στόχο την εύρεση καινοτόμων χρήσεων στην κατασκευή, εμπορικά βιώσιμων και περιβαλλοντικά φιλικών, αυτή η διατριβή διερευνά την χρήση των παραπροϊόντων του καολίνη σε αλκαλικά-ενεργοποιημένες κονίες. Αρχικά, εξετάστηκε αν ο περιεχόμενος μοσχοβίτης μπορεί να ενεργοποιηθεί αλκαλικά. Αυτό έγινε με την χρήση MAS NMR and XRD αναλύσεων και δοκιμών μηχανικής αντοχής με βάση ευρωπαϊκά πρότυπα. Το υλικό αποδείχθηκε ότι έχει χαμηλή αντιδραστικότητα και άμεσες δοκιμές αλκαλικής-ενεργοποίησης του θερμικά επεξεργασμένου μαρμαρυγία έδωσαν μη-ικανοποιητικής αντοχής κονίες. Αργότερα, μελετήθηκαν τρεις σειρές αλκαλικά-ενεργοποιημένων κονιών, μία με βάση σκωρία υψικαμίνου (GGBS), μία με βάση τη ιπτάμενη τέφρα (FA) και μία με βάση μίγμα 50% GGBS - 50% FA (50/50). Από αυτές τις τρεις σειρές, επιλέχθηκαν βέλτιστες κονίες στις οποίες χρησιμοποιήθηκαν τα παραπροϊόντα καολίνη ως αδρανή υλικά για την κατασκευή κονιαμάτων και σκυροδέματος. Σε σύγκριση με δείγματα ελέγχου, τα υπό μελέτη δείγματα κονιαμάτων που κάνουν χρήση των παραπροϊόντων παρουσιάζανε πάντα χαμηλότερη αντοχή. Προτείνεται ότι η υψηλή απαίτηση σε νερό των συγκεκριμένων παραπροϊόντων είναι το κύριο πρόβλημα. Στα κονιάματα η επίδραση του νερού μειώθηκε με την πάροδο του χρόνου. Όσο αφορά τις δοκιμές σε σκυροδέματα, τα δείγματα σκυροδέματος της GGBS σειράς έδειξαν δυνατότητα αντικατάστασης των δοκιμίων ελέγχου Portland. Ο σχεδιασμός του σκυροδέματος συνοδεύτηκε από περιβαλλοντική ανάλυση για να διασφαλιστεί ότι επιτεύχθηκαν περιβαλλοντικά ωφέλιμα αποτελέσματα. Η ανάλυση κύκλου ζωής έδειξε πως αν και οι εκπομπές άνθρακα θα μειωθούν με τη χρήση των αλκαλικά-ενεργοποιημένων σκυροδεμάτων, οι περισσότερες από τις άλλες κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων θα επηρεαστούν αρνητικά γεγονός που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τη λήψη της τελικής απόφασης για χρήση και μελλοντική περαιτέρω ανάπτυξη αυτού του νέου υλικού.