Thermal resistance of hot-pressed paper mill fly ash

Abstract

Concrete is one of the most common construction materials, and its main raw material, Ordinary Portland Cement (OPC), is a significant greenhouse emitter. Numerous environmentally friendly alternatives have been developed for cement, from which alkali-activated materials (AAMs) are promising ones. Various industrial by-products such as fly ash (FA) and blast furnace slag (BFS) can be used as raw materials, and they are activated using an alkaline activator. This promotes the circular economy and reduces greenhouse emissions. Construction materials face different challenges, including corrosion and high temperatures. This work aimed to study the heat resistance of one of the AAMs. The work studied the flexural and compressive strengths of samples made from FA using various methods, as well as the changes in the crystal structure of the samples when they are exposed to high temperatures. FA from a by-product of the paper industry was used as raw material and standardized sand as an aggregate. A mixture containing sodium silicate, sodium hydroxide, and deionized water was used as an alkaline activator. In addition to conventional curing, a hot-pressing technique was utilized to prepare samples. Samples were cured at three different temperatures: 150°C, 225°C, and 300°C. Afterward, the samples were set to cure at room temperature. After two months, the samples were exposed to three different temperatures: 500°C, 800°C, and 1000°C. Based on the results, the hot-pressing technique is useful for preparing FA-based AAMs. The samples showed good heat resistance and especially, compressive strength remained when they were exposed to high temperatures. X-ray diffraction analysis (XRD) also showed that the phase structure of the samples was changed, and new amorphous phases were formed.

Betoni on yksi käytetyimmistä rakennusmateriaaleista ja sen tärkein raaka-aine, Portland-sementti, on merkittävä kasvihuonepäästöjen aiheuttaja. Sementille on kehitetty lukuisia ympäristöystävällisiä vaihtoehtoja, joista lupaavia ovat alkaaliaktivoidut materiaalit. Niiden raaka-aineina voidaan käyttää erilaisia teollisuuden sivutuotteita, kuten lentotuhkaa ja masuunikuonaa, joita aktivoidaan emäsaktivaattorilla. Tämä edistää kiertotaloutta ja vähentää kasvihuonepäästöjä. Rakennusmateriaalit kohtaavat useita erilaisia haasteita, kuten korroosiota ja korkeita lämpötiloja. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia erään alkaaliaktivoidun materiaalin lämmönkestoa. Työssä tutkittiin lentotuhkasta eri metodeilla valmistettujen alkaaliaktivoitujen näytteiden taivutus- ja puristuslujuutta, sekä muutoksia näytteiden kiderakenteessa altistettaessa näytteitä korkeille lämpötiloille. Paperiteollisuuden sivutuotteena syntyvää lentotuhkaa käytettiin pääraaka-aineena ja standardisoitua hiekkaa aggregaattina. Emäsaktivaattorina käytettiin seosta, joka sisälsi natriumsilikaattia, natriumhydroksidia ja deionisoitua vettä. Näytteiden valmistuksessa hyödynnettiin perinteisen kovettamisen lisäksi kuumapuristustekniikkaa. Näytteitä kovetettiin kolmessa eri lämpötilassa: 150 ℃, 225 ℃ ja 300 ℃. Tämän jälkeen näytteet asetettiin kovettumaan huoneenlämpöön. Kahden kuukauden jälkeen näytteet altistettiin kolmelle eri lämpötilalle: 500 ℃, 800 ℃ ja 1000 ℃. Tulosten perusteella kuumapuristustekniikka on erittäin hyödyllinen tapa valmistaa lentotuhkapohjaisia alkaaliaktivoituja materiaaleja. Näytteet osoittivat hyvää lämmönkestoa ja erityisesti puristuslujuus säilyi hyvin korkeille lämpötiloille altistettaessa. Röntgendiffraktioanalyysi osoitti myös, että näytteiden faasirakenne muuttui ja uusia amorfisia faaseja muodostui.