Dissolution-precipitation reactions of amorphous multi-oxide silicates : application of ligands in low-CO2 cementitious binders
Ramaswamy, Rajeswari (2025-03-14)
© University of Oulu, 2025. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2025. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202502071528
Kuvaus
Tiivistelmä
Utilization of inorganic waste in the production of alkali-activated materials (AAMs) has shown potential to reduce CO2 emissions and energy usage compared to the production of traditional cement and concrete. Two such wastes are mineral wool and ground granulated blast furnace slag which are composed of amorphous multi-oxide silicates. Insights into the hydration mechanisms of AAMs are still being explored, which limits the utilization of these wastes. This thesis aims to develop an understanding of the factors controlling the dissolution-precipitation reactions of these wastes in alkaline conditions and to modify their reaction properties by using ligands as a new type of chemical admixture to produce low-CO2 cementitious binders.
Various analytical and microscopic techniques were employed to understand the dissolution and precipitation chemistry on the solid-solution interface. The results showed that mineral wool has a homogenous median chemical composition, fiber length, and width for their respective types. The dissolution-precipitation reactions of mineral wool are affected by the pH, liquid-to-solid ratio, and chemical composition. Stone wool dissolved better than glass wool in alkaline conditions and the formation of precipitates such as Mg-Fe-Al-Ti layered double hydroxides and Ca-Na-Al-Si hydrate gel for both wools at pH 14 and the formation of phyllosilicates (Mg-Si-Al-Fe) for stone wool at pH 11 was observed. These results confirm the potential of mineral wool as a secondary raw material for AAMs.
Five types of ligands were investigated as accelerators for Na2CO3-activated slag binder. The most promising was 2,3-dihydroxynaphthalene (DHNP), which showed an acceleration of the reaction kinetics of Na2CO3-activated slag, producing a strength of 40 MPa at 2 d compared to the strength of the reference sample without ligand of 2 MPa. Ligand properties like functional group and concentration affected the reaction kinetics and mechanism compared to the reference. Dissolution studies showed that DHNP increases the extent of dissolution significantly compared to the reference due to complexation reactions with Si and Ti, which accelerated the precipitation kinetics and increased the quantity of carbonate phases. Additionally, DHNP affected the morphology of the phyllosilicate phases. These results confirm the potential of ligands as new chemical admixtures to produce sustainable engineered cementitious binders.
Teollisuuden epäorgaanisten jätteiden hyödyntäminen alkaliaktivoitujen materiaalien tuotannossa voi alentaa CO2-päästöjä ja energiankulutusta verrattuna perinteisen sementin ja betonin tuotantoon. Kaksi tällaista jätettä ovat mineraalivilla ja jauhettu masuunikuona, jotka koostuvat amorfisista multioksidisilikaateista. Alkaliaktivoitujen materiaalien hydrataatiomekanismeja tutkitaan edelleen, mikä rajoittaa näiden jätteiden hyödyntämistä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on parantaa ymmärrystä näiden jätteiden liukenemis-saostumisreaktioista emäksisissä olosuhteissa säätelevistä tekijöistä ja muokata niiden reaktio-ominaisuuksia käyttämällä ligandeja uudenlaisena kemiallisena lisäaineena vähähiilisten sementtimäisten sideaineiden valmistuksessa.
Työssä käytettiin useita analyyttisiä ja mikroskooppisia tekniikoita liukenemis- ja saostumiskemian tutkimiseen kiinteä-liuosrajapinnalla. Tulokset osoittivat, että mineraalivilloilla on homogeeninen kemiallinen koostumus, kuidun pituus ja että mineraalivillan liukenemis-saostumisreaktioihin vaikuttavat pH, neste-kiintoaine-suhde ja kemiallinen koostumus. Kivivilla liukenee paremmin kuin lasivilla emäksisissä olosuhteissa ja niissä muodostuu useita erilaisia saostumia, kuten kerroksellisia Mg-Fe-Al-Ti-pitoisia hydroksideja, Ca-Na-Al-Si-pitoisia hydraattigeelejä ja Mg-Si-Al-Fe-pitoisia phyllosilikaatteja, riippuen villatyypistä ja pH:sta. Nämä tulokset vahvistavat mineraalivillojen potentiaalin alkaliaktivoitujen materiaalien vaihtoehtoisena raaka-aineena.
Viittä erityyppistä ligandia tutkittiin Na2CO3-aktivoidun masuunikuona-pohjaisen sideaineen kiihdyttimenä. Lupaavin oli 2,3-dihydroksinaftaleeni, joka nopeutti Na2CO3-aktivoidun masuunikuonan reaktiokinetiikkaa ja tuotti 40 MPa:n lujuuden kahdessa vuorokaudessa verrattuna vertailunäytteen 2 MPa lujuuteen ilman ligandia. Ligandin ominaisuudet, kuten funktionaaliset ryhmät ja pitoisuus, vaikuttivat reaktiokinetiikkaan ja reaktiomekanismiin. Liukenemistutkimukset osoittivat, että 2,3-dihydroksinaftaleeni merkittävästi lisää liukenemisastetta verrattuna referenssinäytteeseen johtuen kompleksointireaktioista Si:n ja Ti:n kanssa, mikä nopeutti saostumiskinetiikkaa ja lisäsi karbonaattifaasien määrää. Lisäksi DHNP vaikutti phyllosilikaattifaasien morfologiaan. Nämä tulokset vahvistavat ligandien potentiaalin uusina kemiallisina lisäaineina vähähiilisten sementtimäisten sideaineiden valmistuksessa.
Original papers
-
Yliniemi, J., Ramaswamy, R., Luukkonen, T., Laitinen, O., De Sousa, Á. N., Huuhtanen, M., & Illikainen, M. (2021). Characterization of mineral wool waste chemical composition, organic resin content and fiber dimensions: Aspects for valorization. Waste Management, 131, 323–330. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.06.022 https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.06.022
-
Ramaswamy, R., Yliniemi, J., & Illikainen, M. (2022). Dissolution-precipitation reactions of silicate mineral fibers at alkaline pH. Cement and Concrete Research, 160, 106922. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106922 https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106922
-
Ramaswamy, R., Illikainen, M., & Yliniemi, J. (2024). Influence of ligands as chemical admixtures in the early hydration of sodium carbonate-activated blast furnace slag. Construction and Building Materials, 422, 135753. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135753 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135753
-
Ramaswamy, R., & Yliniemi, J. (2024). Dissolution-precipitation reactions of blast furnace slag and sodium carbonate with 2,3-dihydroxy naphthalene. Manuscript submitted for publication.
Osajulkaisut
-
Yliniemi, J., Ramaswamy, R., Luukkonen, T., Laitinen, O., De Sousa, Á. N., Huuhtanen, M., & Illikainen, M. (2021). Characterization of mineral wool waste chemical composition, organic resin content and fiber dimensions: Aspects for valorization. Waste Management, 131, 323–330. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.06.022 https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.06.022
-
Ramaswamy, R., Yliniemi, J., & Illikainen, M. (2022). Dissolution-precipitation reactions of silicate mineral fibers at alkaline pH. Cement and Concrete Research, 160, 106922. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106922 https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106922
-
Ramaswamy, R., Illikainen, M., & Yliniemi, J. (2024). Influence of ligands as chemical admixtures in the early hydration of sodium carbonate-activated blast furnace slag. Construction and Building Materials, 422, 135753. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135753 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135753
-
Ramaswamy, R., & Yliniemi, J. (2024). Dissolution-precipitation reactions of blast furnace slag and sodium carbonate with 2,3-dihydroxy naphthalene. Manuscript submitted for publication.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38841]