Characterization of an alkali-activated cement made from incinerated weathered bottom ash

Abstract

The urgent need of changes in the human behavior regarding the environment is an exploding area of investigation, especially for material sciences. The reduction of carbon dioxide (CO2) emissions is one of the main investigation topic because of its direct impact on the environment and human being. As one of the greenhouse gas (GHG), its abondant presence on earth rises the general temperatures leading to major environmental and human disruption. An important source of CO2 emissions is the manufacturing of cement. From the extraction of the raw material, the energy used by the kiln for the clinkerisation or in the transportation to its end of life; combined by its world wide enormous consumption mostly for construction applications, the cement considerably impacts the environment. Alkali-activated cements (AACs) were proposed as an alternatives to this Ordinary Portland Cement (OPC), providing at least as good mechanical properties while reducing the amount of CO2 emissions and energy consumption by about 50-80 % [1]. However, the cost of the raw materials for the AAC is slowing down its utilisation, leading to further investigations on the precursor. The use of weathered bottom ash (WBA) is presented as an option for lowering the cost and the environmental impact of the AAC. Provided by the weight reduction at about 80 % of urban waste residues by incineration, then exposed to environmental conditions for stabilisation, it reduces both landfill and raw material extraction issues. In this master’s thesis were conducted preparation and characterizations of samples made with all fractions of WBA, fractions over 8 mm and as partial precursor, mixing the WBA with metakaolin or PAVAL, two aluminium rich powders. The results evidenced the effect of a high metal content provided by the smallest fraction of WBA and reducing the mechanical properties by increasing the porosity and slightly preventing the formation of C-(A)-S-H and N-A-S-H gels, typical AAC reaction products. The high porosity of the cement is linked with the higher original metal content and is proved to be a main issue for the mechanical properties. However, in fewer quantities, a good aluminium availability can increase the mechanical properties by slightly favoring the formation of N-A-S-H gel. When the porosity is low and both gels coexist, the final mechanical properties of the cement are promising for construction applications even though the content of arsenic and antimony in the leachate could still be an issue to completely replace the OPC.

La n´ecessit´e urgente de changer le fonctionnement de la soci´et´e vis-`a-vis de l’environnement offre de nombreuses possibilit´e de recherche, en particulier dans le domaine des sciences des mat´eriaux. La r´eduction des ´emissions de dioxyde de carbone (CO2) est l’un des principaux sujets de recherche en raison de son impact direct sur l’environnement et l’ˆetre humain. En tant que gaz `a effet de serre (GES), son abondante pr´esence sur terre augmente les temp´eratures g´en´erales, ce qui entraˆıne de majeurs perturbations environnementales et humaines. Le proc´ed´e de fabrication du ciment est une source importante d’´emissions de CO2. De l’extraction de la mati`ere premi`ere, l’´energie utilis´ee par le four pour la clink´erisation ou le transport, jusqu’`a sa fin de vie; combin´e `a sa colossale consommation mondiale, le ciment a un impact consid´erable sur l’environnement. Les ciments `a alctivation alkaline ont ´et´e propos´es comme une alternative au ciment Portland ordinaire (OPC), offrant des propri´et´es m´ecaniques au moins aussi bonnes, tout en r´eduisant les ´emissions de CO2 et la consommation d’´energie de 50 `a 80 % [1]. Cependant, le coˆut des mati`eres premi`eres ralentit son utilisation, conduisant `a des recherches suppl´ementaires au sujet du pr´ecurseur. L’utilisation des mˆachefers d’incin´eration est pr´esent´ee comme une option pour r´eduire le coˆut et l’impact environnemental des ciments `a activation alkine. La r´eduction d’environ 80 % des r´esidus urbains par incin´eration permet de r´eduire les probl`emes de mise en d´echarge et d’extraction des mati`eres premi`eres. Durant ce m´emoire, ont ´et´e men´ees la pr´eparation et les caract´erisations d’´echantillons r´ealis´es soit avec toutes les fractions de mˆachefers, les fractions sup´erieures `a 8 mm ou comme pr´ecurseur partiel, m´elangeant le mˆachefers avec du m´etakaolin ou du PAVAL, deux poudres riches en aluminium. Les r´esultats ont mis en ´evidence l’effet d’une teneur ´elev´ee en m´etal provenant de la plus petite fraction de mˆachefers et r´eduisant les propri´et´es m´ecaniques en augmentant la porosit´e et en empˆechant l´eg`erement la formation de gels C-(A)-S-H et N-A-S-H, produits typiques de l’alkali activation. Un r´eactif contenant une bonne disponibilit´e d’aluminium peut augmenter les propri´et´es m´ecaniques en favorisant l´eg`erement la formation du gel NA-S-H, une structure 3D solide. La porosit´e ´elev´ee du ciment est ´etroitement li´e `a la diminution des propri´et´es m´ecaniques. Cependant, la combinaison d’une faible porosit´e et d’une coexistence des deux gels dans des proportions ´elev´ees assure de bonnes propri´et´es m´ecaniques qui sont prometteuses pour les applications de construction, mˆeme si la teneur en arsenic et antomoine reste un probl`eme environnemental pour remplacer compl`etement les ciments Portland.