Composite activation of ferronickel slag-calcium carbide slag system and the properties of concrete

Mengyang Ma

Doctoral thesis

Abstract:

Prostředí zatěžující feroniklová struska (FNS) je vedlejším produktem slitiny feroniklu. Struska karbidu vápenatého (CS) je průmyslový odpad hydrolýzy CaC2 s využitím hlavních složek Ca(OH)2 a CaCO3. Hydraulicitu FNS lze zlepšit aktivací alkálií pro přípravu slínku bez cementu. Ke studiu kombinovaného účinku CS na aktivaci FNS se používá uhličitan sodný (SC), síran sodný (SS), hemihydrát fosfosádrovce (HG) a dihydrát fosfosádrovce (DG). V práci jsou nejprve studovány vlastnosti FNS, poté byl jako prekurzor vybrán FNS s velikostí částic D50=8,4μm. Hlavní závěry tohoto studia jsou následující: FNS obsahuje především Al2O3, SiO2, CaO, MgO a Fe2O3. Cr je primární těžký kov ve strusce feroniklu. Stávající MgO fáze ve feroniklové strusce jsou převážně spinel a forsterit, to je zásadní pro nízkou brousitelnost a zanedbatelný pokles vazebné energie. CS a SC mohou snížit tekutost a dobu tuhnutí pasty zvýšením jejího alkalického stupně. SS však zvyšuje tekutost a také dobu tuhnutí. Přestože rozpouštění FNS závisí hlavně na alkalitě roztoku pórů, uvolňování tepla a vývoj pevnosti jsou zpomaleny, když je do systémů dávkováno vysoké množství Na2O-E. Gelem je v tomto případě C-(N)-A-S-H. SC aktivovaný systém vykazoval volnější strukturu a mikrotrhlinu v interfaciální přechodové zóně (ITZ). Ačkoli je u tohoto systému větší kritický průměr pórů a menší obsah gelových produktů, pevnost v tlaku u SS-aktivovaného systému je vyšší než u SC-aktivovaného systému. Je to způsobeno zejména lepší přechodovou zónou rozhraní způsobenou nižším autogenním smrštěním a generací správných hydratačních produktů. Tvorba CaSO4·2H2O v systému aktivovaném HG může rychle vybudovat strukturu, která prudce sníží tekutost a dobu tuhnutí. DG je inertní vůči vodě a tím prodlužuje dobu tuhnutí, redukce stupně tekutosti není patrný. Nečistoty ve fosfosádrovci mohou zpomalit dobu exotermického peaku. HG a DG vykazují pozitivní vliv na pevnost v tlaku v pozdějších stádiích. CS však vykazuje negativní vliv na rozvoj pevnosti v obou systémech. Vysoký obsah CS má za následek vysoký poměr Ca/Si v ITZ a byla pozorována i trhlina. Všechny vzorky HG a DG aktivovaných systémů vykazují stabilní deformaci po rychlém nárůstu expanze. Byly studovány betony aktivované jak SS, tak i DG. Zpracovatelnost a mechanické vlastnosti systému aktivovaného SS jsou lepší než systému aktivovaného DG. Tyto dva systémy vykazují sníženou pevnost po 60 dnech, ale obnoví se hned po 90 dnech. Stupeň karbonizace systému aktivovaného SS je mnohem nižší než systému aktivovaného DG. Vzorky po sulfátovém vytvrzování vykazují vyšší pevnost v tlaku než standardní vytvrzování. Integrita systému aktivovaného DG je stále dobrá i po kalcinaci při 800 ℃, ale systém aktivovaný SS vykazuje lepší odolnost vůči vysokým teplotám v rozmezí od 200 ℃ do 600 ℃.

Abstract:

Ferronickel slag (FNS) is a by-product of ferronickel alloy which causes pollution. Calcium carbide slag (CS) is an industrial waste residue from the hydrolysis of CaC2 with the main components of Ca(OH)2 and CaCO3. The hydraulicity of FNS can be improved by alkali activation to prepare cement-free clinker. Sodium carbonate (SC), sodium sulfate (SS), hemihydrate phosphogypsum (HG) and dihydrate phosphogypsum (DG) are used to study the combined effect with CS on the activation of FNS. The characteristics of FNS are studied firstly, then FNS with the particle size of D50=8.4μm is selected to be the precursor. The main conclusions are as follows: The main chemical composition of FNS is Al2O3, SiO2, CaO, MgO and Fe2O3. Cr is the primary heavy metal in ferronickel slag. The existing MgO phases in ferronickel slag are mainly spinel and forsterite, which is essential for the low grindability and negligible decrease in binding energy. CS and SC can decrease the fluidity and setting time of specimens by increasing the alkali degree of paste. However, SS increases the fluidity and setting time. Although the dissolution of FNS mainly depends on the alkalinity of the pore solution, the heat release and strength development are retarded when high Na2O-E is dosed in the systems. The gel product is believed to be C-(N)-A-S-H gel. SC-activated system showed looser structure and micro-crack in interfacial transition zone (ITZ). Although the larger critical pore diameter and fewer gel products are exhibited in SS-activated system, the compressive strength is higher than SC-activated system at 28d due to the better interfacial transition zone caused by lower autogenous shrinkage and the reasonable hydration products. The formation of CaSO4·2H2O in HG-activated system can build a structure rapidly to decrease the fluidity and setting time sharply. DG shows inert to prolong the setting time, and the decreased degree of fluidity is not apparent. The impurities in phosphogypsum can retard the occurred time of exothermal peak. HG and DG show a positive effect on compressive strength at later ages. But CS shows negative effect on strength development in both systems. High CS content results in a high Ca/Si ratio in ITZ and large crack can be observed. All the HG and DG-activated systems specimens present a stable deformation after a quick expansion increment. SS-activated and DG-activated concrete were studied. The workability and mechanical property of the SS-activated system is better than DG-activated system. The two systems present a decreased strength at 60d but recover after 90d. The carbonization degree of the SS-activated system is much lower than the DG-activated system. The specimens after sulfate curing present higher compressive strength than standard curing. The integrity of DG-activated system is still well after being calcined at 800℃, but SS-activated system shows better high-temperature resistance from 200℃ to 600℃.

Keywords

alkalická aktivace, feroniklová struska, vápenato-karbidická struska, uhličitan sodný, sulfid sodný, fosfosádrovec, beton

Keywords

alkali activation, ferronickel slag, calcium carbide slag, sodium carbonate, sodium sulfate, phosphogypsum, concrete

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 4. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2022
• Supervisor: Bohumír Strnadel
• Reader: Petr Jonšta, Tomáš Opravil, Otakar Bokůvka

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme:
Materiálové vědy a inženýrství