Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

邮发代号 80-969

2019 Impact Factor: 3.552

Frontiers of Chemical Science and Engineering  2017, Vol. 11 Issue (3): 317-327   https://doi.org/10.1007/s11705-017-1622-6
  本期目录
The influence of curing conditions on the mechanical properties and leaching of inorganic polymers made of fayalitic slag
Remus I. Iacobescu1, Valérie Cappuyns2,3, Tinne Geens4, Lubica Kriskova1, Silviana Onisei1, Peter T. Jones1, Yiannis Pontikes1()
1. KU Leuven, Department of Materials Engineering, 3001 Leuven, Belgium
2. KU Leuven, Department of Earth and Environmental Sciences, 3001 Leuven, Belgium
3. KU Leuven, Faculty of Economics and Business, 1000 Brussels, Belgium
4. KU Leuven, Department of Healthcare and Technology, 3001 Leuven, Belgium
 全文: PDF(417 KB)   HTML
文章导读  
Abstract

This study reports on the impact of the curing conditions on the mechanical properties and leaching of inorganic polymer (IP) mortars made from a water quenched fayalitic slag. Three similar IP mortars were produced by mixing together slag, aggregate and activating solution, and cured in three different environments for 28 d: a) at 20 °C and relative humidity (RH) ~ 50% (T20RH50), b) at 20 °C and RH≥90% (T20RH90) and c) at 60 °C and RH ~ 20% (T60RH20). Compressive strength (EN 196-1) varied between 19 MPa (T20RH50) and 31 MPa (T20RH90). This was found to be attributed to the cracks formed upon curing. Geochemical modelling and two leaching tests were performed, the EA NEN 7375 tank test, and the BS EN 12457-1 single batch test. Results show that Cu, Ni, Pb, Zn and As leaching occurred even at high pH, which varied between 10 and 11 in the tank test’s leachates and between 12 and 12.5 in the single batch’s leachates. Leaching values obtained were below the requirements for non-shaped materials of Flemish legislation for As, Cu and Ni in the single batch test.

Key wordsinorganic polymer    geochemical leaching modelling    heavy metals    recycling    non-ferrous fayalitic slag    curing
收稿日期: 2016-09-08      出版日期: 2017-08-23
Corresponding Author(s): Yiannis Pontikes   
 引用本文:   
. [J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2017, 11(3): 317-327.
Remus I. Iacobescu, Valérie Cappuyns, Tinne Geens, Lubica Kriskova, Silviana Onisei, Peter T. Jones, Yiannis Pontikes. The influence of curing conditions on the mechanical properties and leaching of inorganic polymers made of fayalitic slag. Front. Chem. Sci. Eng., 2017, 11(3): 317-327.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/CN/10.1007/s11705-017-1622-6
https://academic.hep.com.cn/fcse/CN/Y2017/V11/I3/317
Oxides XRF/
wt-%
Elements XRF/
(mg?kg?1)
ICP-OES/ (mg?kg ?1) VLAREMA[ 32] Minerals QXRD /wt-%
FeO 57.4 Cr 4789 8.4 1250 Fayalite 24.1
SiO 2 26.4 Pb 5570 5.5 1250 Magnetite 1.6
ZnO 6.2 Zn 49753 250 1250 Quartz 1.0
Al 2O3 3.4 Cu 3994 375 Amorphous 73.3
CaO 2.3 As 8.4 250
Cr 2O3 0.7 Cd 5.5 10
PbO 0.6 Ni 250 250
MgO 0.7
CuO 0.5
MnO 0.5
Other 1.3
Tab.1  
Fig.1  
Fig.2  
Fig.3  
Fig.4  
Fig.5  
Samples Oxides As and heavy metals (as oxides)
FeO SiO 2 Al 2O3 CaO Na 2O As 2O5 Cr 2O3 NiO PbO ZnO CdO CuO
T20RH50 36.22±7.0 43.77±6.3 3.57±0.6 6.47±0.7 0.66±0.3 0.12±0.03 0.06±0.04 0.01±0.01 0.54±0.16 4.69±1.16 0.01±0.01 0.42±0.18
T20RH90 45.09±8.9 37.07±9.7 3.00±1.2 4.55±1.1 3.19±1.6 0.10±0.06 0.09±0.02 0.04±0.01 0.42±0.23 3.87±0.95 0.01±0.01 0.34±0.18
T60RH20 36.17±5.0 43.75±8.0 4.64±1.8 3.94±1.5 1.45±0.5 0.06±0.02 0.08±0.04 0.03±0.01 0.55±0.16 4.02±0.43 0.01±0.01 0.52±0.19
Tab.2  
Samples Compressive strength Flexural strength
Average St. dev. Average St. dev.
T20RH50 19.3 ±2.9 1.8 ±0.0
T20RH90 31.0 ±4.8 3.4 ±0.2
T60RH20 20.6 ±1.7 2.1 ±0.0
Tab.3  
Elements T20RH50 T20RH90 T60RH20
As 165 179 167
Cd bdl a) bdl bdl
Cr 13 5 6
Cu 130 146 174
Pb 69 69 68
Ni 5 10 6
Zn 0 22 39
Ca 351 182 127
Fe 602 362 136
Mg 6 17 2
Tab.4  
Fig.6  
Elements T20RH50 T20RH90 T60RH20 Threshold /(mg•kg –1)
(CMA 2/II/A.9.1.)
As 0.20 0.40 0.20 0.80
Cd bdl a) bdl bdl 0.03
Cr 0.10 0.10 0.20 0.50
Cu 1.40 1.30 1.80 0.50
Pb 0.90 1.80 1.60 1.30
Ni 0.05 0.10 0.06 0.75
Zn 6.30 14.20 6.90 2.80
Ca 127.00 73.00 58.00
Fe 408.00 728.00 708.00
Mn 0.35 0.88 0.70
Tab.5  
1 The European Slag Association. Legas status of slags. Position paper on the status of Ferrous slag, 2012
2 Shi C, Qian  J. High performance cementing materials from industrial slags—a review. Resources, Conservation and Recycling, 2000, 29(3): 195–207
https://doi.org/10.1016/S0921-3449(99)00060-9
3 Al-Jabri K S, Hisada  M, Al-Saidy A H ,  Al-Oraimi S K . Performance of high strength concrete made with copper slag as a fine aggregate. Construction & Building Materials, 2009, 23(6): 2132–2140
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2008.12.013
4 Khanzadi M, Behnood  A. Mechanical properties of high-strength concrete incorporating copper slag as coarse aggregate. Construction & Building Materials, 2009, 23(6): 2183–2188
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2008.12.005
5 Onisei S, Lesage  K, Blanpain B ,  Pontikes Y . Early age microstructural transformations of an inorganic polymer made of fayalite slag. Journal of the American Ceramic Society, 2015, 98(7): 2269–2277
https://doi.org/10.1111/jace.13548
6 Shi C, Meyer  C, Behnood A . Utilization of copper slag in cement and concrete. Resources, Conservation and Recycling, 2008, 52(10): 1115–1120
https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2008.06.008
7 Zain M F M ,  Islam M N ,  Radin S S ,  Yap S G . Cement-based solidification for the safe disposal of blasted copper slag. Cement and Concrete Composites, 2004, 26(7): 845–851
https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2003.08.002
8 Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. France: Geopolymer Institute, 20 15, 3–17
9 Onisei S, Pontikes  Y, Van Gerven T ,  Angelopoulos G N ,  Velea T ,  Predica V ,  Moldovan P . Synthesis of inorganic polymers using fly ash and primary lead slag. Journal of Hazardous Materials, 2012, 205-206: 101–110
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.12.039
10 Pontikes Y, Machiels  L, Onisei S ,  Pandelaers L ,  Geysen D ,  Jones P T ,  Blanpain B . Slags with a high Al and Fe content as precursors for inorganic polymers. Applied Clay Science, 2013, 73: 93–102
https://doi.org/10.1016/j.clay.2012.09.020
11 Perera D S, Aly  Z, Vance E R ,  Mizumo M . Immobilization of Pb in a geopolymer matrix. Journal of the American Ceramic Society, 2005, 88(9): 2586–2588
https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00438.x
12 Hanzlicek T, Steinerova  M, Straka P . Radioactive metal isotopes stabilized in a geopolymer matrix: Determination of a leaching extract by a radiotracer method. Journal of the American Ceramic Society, 2006, 89(11): 3541–3543
https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2006.01024.x
13 Fernández-Jiménez A ,  Palomo A ,  Macphee D E ,  Lachowski E E . Fixing arsenic in alkali-activated cementitious matrices. Journal of the American Ceramic Society, 2005, 88(5): 1122–1126
https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00224.x
14 Palomo A, Palacios  M. Alkali-activated cementitious materials: Alternative matrices for the immobilisation of hazardous wastes: Part II. Stabilisation of chromium and lead. Cement and Concrete Research, 2003, 33(2): 289–295
https://doi.org/10.1016/S0008-8846(02)00964-X
15 Zhang Y, Sun  W, Chen Q ,  Chen L. Synthesis and heavy metal immobilization behaviors of slag based geopolymer. Journal of Hazardous Materials, 2007, 143(1-2): 206–213
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.09.033
16 Izquierdo M, Querol  X, Phillipart C ,  Antenucci D ,  Towler M . The role of open and closed curing conditions on the leaching properties of fly ash-slag-based geopolymers. Journal of Hazardous Materials, 2010, 176(1-3): 623–628
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.11.075
17 Phair J W, Van Deventer  J S J. Effect of silicate activator pH on the leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers. Minerals Engineering, 2001, 14(3): 289–304
https://doi.org/10.1016/S0892-6875(01)00002-4
18 Van Deventer J S J ,  Provis J L ,  Duxson P ,  Lukey G C . Reaction mechanisms in the geopolymeric conversion of inorganic waste to useful products. Journal of Hazardous Materials, 2007, 139(3): 506–513
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2006.02.044
19 Van Jaarsveld J G S ,  Van Deventer J S J . The effect of metal contaminants on the formation and properties of waste-based geopolymers. Cement and Concrete Research, 1999, 29(8): 1189–1200
https://doi.org/10.1016/S0008-8846(99)00032-0
20 Tavor D, Wolfson  A, Shamaev A ,  Shvarzman A . Recycling of industrial wastewater by its immobilization in geopolymer cement. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(21): 6801–6805
https://doi.org/10.1021/ie0616996
21 Deja J. Immobilization of Cr6 +, Cd2+, Zn2+ and Pb2+ in alkali-activated slag binders. Cement and Concrete Research, 2002, 32(12): 1971–1979
https://doi.org/10.1016/S0008-8846(02)00904-3
22 Quina M J, Bordado  J C M, Quinta-Ferreira  R M. The influence of pH on the leaching behaviour of inorganic components from municipal solid waste APC residues. Waste Management (New York, N.Y.), 2009, 29(9): 2483–2493
https://doi.org/10.1016/j.wasman.2009.05.012
23 Muñiz-Villarreal M S ,  Manzano-Ramírez A ,  Sampieri-Bulbarela S ,  Gasca-Tirado J ,  Reyes-Araiza J L ,  Rubio-Ávalos J C ,  Pérez-Bueno J J ,  Apatiga L M ,  Zaldivar-Cadena A ,  Amigó-Borrás V . The effect of temperature on the geopolymerization process of a metakaolin-based geopolymer. Materials Letters, 2011, 65(6): 995–998
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2010.12.049
24 Van Jaarsveld J G S ,  Van Deventer J S J ,  Schwartzman A . The potential use of geopolymeric materials to immobilise toxic metals: Part II. Material and leaching characteristics. Minerals Engineering, 1999, 12(1): 75–91
https://doi.org/10.1016/S0892-6875(98)00121-6
25 Komnitsas K, Zaharaki  D, Bartzas G . Effect of sulphate and nitrate anions on heavy metal immobilisation in ferronickel slag geopolymers. Applied Clay Science, 2013, 73(0): 103–109
https://doi.org/10.1016/j.clay.2012.09.018
26 Snellings R, Machiels  L, Mertens G ,  Elsen J . Rietveld refinement strategy for qualitative phase analysis of partially amorphous zeolitized tuffaceous rocks. Geologica Belgica, 2010, 13(3): 183–196
27 Panagiotopoulou C, Kontori  E, Perraki T H ,  Kakali G . Dissolution of aluminosilicate minerals and by-products in alkaline media. Journal of Materials Science, 2007, 42(9): 2967–2973
https://doi.org/10.1007/s10853-006-0531-8
28 Environment agency NEN 7375-2004. Leaching characteristics of moulded or monolithic building and waste materials. Determination of leaching of inorganic components with the diffusion test. The tank test. Delft: The Netherlands Normalisation Institute, 2004
29 BS EN 12457-1:2002. Characterisation of waste—Leaching —Compliance test for leaching of granular waste materials and sludges. Part 1: One stage batch test at a liquid to solid ratio of 2 L/kg for materials with high solid content and with particle size below 4 mm (without or with size reduction), 2002
30 Allison J D, Brown  D S, Novogradac  K J. MINTEQA2/PRODEFA2. A chemical assessment model for environmental systems: Version 4.0 user’s manual. Environmental Research Laboratory Office of Research and Development, 1999
31 Gustafsson J P . Visual MINTEQ. Version 3.0: A Windows version of MINTEQA2, version 4.0. 2004
32 VLAREMA. Flemish regulation on the sustainable management of material cycles and waste. VLAREMA, 2016, 3 (in Dutch)
33 Parsons M B, Bird  D K, Einaudi  M T, Alpers  C N. Geochemical and mineralogical controls on trace element release from the Penn Mine base-metal slag dump. California. Applied Geochemistry, 2001, 16(14): 1567–1593
https://doi.org/10.1016/S0883-2927(01)00032-4
34 Pontikes Y, Machiels  L, Onisei S ,  Pandelaers L ,  Geysen D ,  Jones P T ,  Blanpain B . Slags with a high Al and Fe content as precursors for inorganic polymers. Applied Clay Science, 2013, 73: 93–102
https://doi.org/10.1016/j.clay.2012.09.020
35 Davidovits J A . Geopolymers: Inorganic polymeric new materials. Journal of Materials Education, 1994, 16(2-3): 91–139
36 Perera D S, Cashion  J D, Blackford  M G, Zhang  Z, Vance E R . Fe speciation in geopolymers with Si/Al molar ratio of ~2. Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27(7): 2697–2703
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.10.006
37 Bell J L. Formation of an iron-based inorganic polymer (geopolymer). In: Proceedings of Mechanical Properties and Performance of Engineering Ceramics and Composites IV. Wiley: Hoboken, 2010, 301–312
38 Chen A, Zhao  Z W, Jia  X, Long S ,  Huo G, Chen  X. Alkaline leaching Zn and its concomitant metals from refractory hemimorphite zinc oxide ore. Hydrometallurgy, 2009, 97(3-4): 228–232
https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2009.01.005
39 Puligilla S. Understanding the role of slag on geopolymer hardening and microstructural development. Dissertation for the Master Degree. Urbana: University of Illinois, 2011, 84
40 Provis J L. Modelling the formation of geopolymers. Dissertation for the Doctoral Degree. Australia: University of Melbourne, 2006, 282
41 Williams R P, Hart  R D, Van Riessen  A. Quantification of the extent of reaction of metakaolin-based geopolymers using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and energy-dispersive spectroscopy. Journal of the American Ceramic Society, 2011, 94(8): 2663–2670
https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04410.x
42 Mihailova I, Mehandjiev  D. Characterization of fayalite from copper slags. Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2010, 45(3): 317–326
43 Lappi S E, Smith  B, Franzen S . Infrared spectra of H216O, H218O and D2O in the liquid phase by single-pass attenuated total internal reflection spectroscopy. Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2004, 60(11): 2611–2619
https://doi.org/10.1016/j.saa.2003.12.042
44 Hanna R, Su  G J. Infrared absorption spectra of sodium silicate glasses from 4 to 40 microns. Journal of the American Ceramic Society, 1964, 47(12): 597–601
https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1964.tb13113.x
45 Gervais F, Blin  A, Massiot D ,  Coutures J P ,  Chopinet M H ,  Naudin F . Infrared reflectivity spectroscopy of silicate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 1987, 89(3): 384–401
https://doi.org/10.1016/S0022-3093(87)80280-6
46 Kuenzel C, Vandeperre  L J, Donatello  S, Boccaccini A R ,  Cheeseman C . Ambient Temperature Drying Shrinkage and Cracking in Metakaolin-Based Geopolymers. Journal of the American Ceramic Society, 2012, 95(10): 3270–3277
https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2012.05380.x
47 Ismail I, Bernal  S A, Provis  J L, Hamdan  S, Van Deventer J S J. Drying-induced changes in the structure of alkali-activated pastes. Journal of Materials Science, 2013, 48(9): 3566–3577
https://doi.org/10.1007/s10853-013-7152-9
48 European Committee for Standardisation. EN 197-1. Norm for Cement. Part 1, 2000
49 De Groot G J . Development of a leaching method for the determination of the environmental quality of concrete. European ComissionFinal Report. EUR 17869 EN, 1997
50 Van der Sloot H A . Development of horizontally standardized leaching tests for construction materials: A material based or release based approach? Identical leaching mechanisms for different materials. Report ECN-C-04-060, 2004
51 Dell’Orso M, Mangialardi  T, Paolini A E ,  Piga L. Evaluation of the leachability of heavy metals from cement-based materials. Journal of Hazardous Materials, 2012, 227-228: 1–8
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.04.017
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed