Belite type cement production with parallel valorisation of industrial by - products

Contemporary cement industries are faced with two main challenges: the reduction of CO2 emissions released during cement production as well as the cost and sustainability of raw materials and fuel. Cement industries rank second position in CO2 emissions produced by industrial activities (26%) and participate by 5-8% to the total anthropogenic CO2 emissions. During cement production CO2 emissions are primarily attributable to the decomposition of calcium carbonate (fundamental reaction for the cement production), the use of fuel and to a less important extent to the use of electricity and transportation. In this thesis, the production and development of belite type cements with parallel valorization of industrial by-products as raw materials, was investigated aiming at minimize the aforementioned problems. The difference between belite and Portland cements, is in the reduced levels of the tricalcium silicate (C3S) phase and the corresponding increase of dicalcium silicate (C2S) content. The result of this modification is the reduction of CaCO3 demand and of the firing temperature (~1350°C), both leading to the reduction of CO2 emissions. The main drawback of belite type cements are the low early compressive strength development. Several solutions have been proposed in order to overcome the low early strength, such as the stabilization of active belite polymorphs (α, α’H, α’L, β) through rapid cooling of the clinker or/and the introduction of 'foreign' ions (B2O3, Na2O, K2O, BaO, MnO2, Cr2O3) in the belite crystals. Alternatively the presence of a hydraulic compound, Klein phase (4CaO·3Al2O3·SO3/C4A3Ŝ), is expected to provide the required early strength. First, the influence of the firing temperature and cooling rate on the microstructure development and the physical/mechanical properties of belite type clinker BC (C2S=55% w.t. estimation from Bogue equations) was investigated. In order to study the effect of firing temperature on the microstructure development of clinker BC, clinker fired at four temperatures (1340°C, 1360°C, 1380°C and 1400°C). Two cooling methods of the clinker were applied: a) rapid cooling, achieved by crushing, suppling air at the same time (uf.c.≈1°C/s), and b) slow cooling to ambient temperature (us.c.≈0.1°C/s). The results of optical microscopy, of the produced clinkers, showed that increase of firing temperature and the reduction of cooling rate resulted in the increase of the belite crystal size. Semi-quantitative mineralogical analysis, according to the Rietveld method, showed that the reduction of the cooling rate lead to clinker with higher belite content and to the simultaneous increase of beta (β-) and gamma (γ-) polymorph (low or no hydraulic properties). Upon rapid cooling, despit the fact that belite content decreased in comparison with slow cooling, the a'L- polymorph content of belite is increased. The required grinding time for the clinker to achieve a particular values of the specific surface area (4000 cm2/g), was less on slow cooled clinker due to the presence of gamma polymorph of belite. Compressive strength test were done for the fast cooled cement, and showed that the early days strength development decreased in comparison with OPC (Ordinary Portland Cement), as anticipated for belite type cements. For the 28 days of hydration the compressive strength results for BCf.c._1340oC, BCf.c._1360oC, BCf.c._1380oC και BCf.c._1400oC were 52.9 MPa, 57.4 MPa, 50.7 MPa and 50.9 MPa respectively, comparable with OPC CEMI 32.5N (32.5 MPa up to 52.5 MPa) according to EN 197-1. As a solution to the problem of low early compressive strength of belite cements, the effect of boron oxide addition in the belite crystal (as part of the clinker) for the stabilization of the most active polymorphs was investigated. Three types of clinker were produced, two with boron by-product addition (DBW, Kirka Boron Works) 1% w.t (BC_BW1), 6.5% w.t. (BC_ΒW6.5), and one with the addition of 2% w.t. boric acid (BC_ΒΑ1.5), which correspond to 0.38% w.t., 2.46% w.t. and 2.46% w.t. Β2Ο3, respectively. The design of the raw meals was based on the modified Bogue equations, and the main target was the high belite content (≥59% w.t.). Based on the results of the free lime test and on the microstructure development of the clinker, the firing temperaturew were 1350οC, 1330οC and 1310οC for BC_BW1, BC_BA1.5 and BC_BW6.5 respectively. The microstructure of the produced clinkers showed that they consisted predominantly of belite crystals surrounded by a micro-crystalline matrix composed by calcium boron silicate (C5BS), tricalcium aluminate (C3A) and tetracalcium aluminoferrite (C4AF). Increase of B2O3 content in the raw meal was accompanied by the reduction of the firing temperature, the stabilization of α΄- polymorph of belite as well as the belite overgrowth from Type I to Type III (no hydraulic properties). The produced cements presented relatively low early strength development. However, for the 28 days the results were 52.7 MPa and 60.0 MPa for BC_BA1.5 and BC_BW1 respectively, similar or even improved in comparison with OPC 42.5N. The addition of 2.46% w.t. B2O3 (BC_BW6.5) resulted to the deterioration of cement’s properties (5.6 MPa at 28 days). The results suggest that controlled quantities B2O3, pure or of boron by-products origin may be used in belite type cement production improving the late strength values. Next, the optimization of the early compressive strength by the production of sulpho-belite cements and the parallel valorization of industrial by-products as raw materials was studied. The by-products used, included electric arc furnace slag ("SOVEL" steel industry), red mud ("Aluminium of Greece") desulphurization gypsum (FGD, "PPC-Hellas" Megalopolis A) and boron by-product (DBW, Kirka Boron Works). Five clinker types were produced, SBb, SBb_EAFS (10% w.t. EAFS), SBb_R.M. (5% w.t. R.M. και 14.5% w.t. FGD gypsum), SBs_R.M. (5% w.t. R.M. και 23% w.t. FGD gypsum) and SBs_R.M._DBW (5% w.t. R.M., 22% w.t. FGD gypsum and 1% w.t. DBW). The design of the raw meals was based on the modified Bogue equations and the target was the high belite content in case of SBb, SBb_EAFS and SBb_R.M. and Klein compound in case of SBs_R.M. and SBs_R.M._DBW. The firing temperature for all clinkers was 1330°C, except for SBs_E.Ι._DBW which was fired at 1310°C, due to boron by-product addition. The firing temperature was determined by preliminary firing tests in the temperature range 1280°C-1340°C, based on free lime content. All products clinkers behaved as fast setting, due to the early hydration of C4A3Ŝ, C4AF and CŜ. SBb, SBb_EAFS and SBb_R.M., with low C4A3Ŝ and high C4AF content, and in general, they exhibited low strength development. On the contrary, SBs_R.M. presented high early strength, due to the high content of C4A3Ŝ (~54% w.t.) and the results of the late strength were maintained at the levels of OPC 42.5N. In the case of SBs_R.M._DBW, the results showed that the addition of B2O3 had negative effect on the overall strength development of the cement. In order to evaluate the environmental behavior of SBb, SBb_EAFS and SBs_R.M. NEN 7345-tank leaching test, which refers to monolithic materials (“service life” scenario) was employed. The elution of heavy metals, Cr, Ni and V, which are contained in red mud and EAF slag, was tested. In the case of SBs_R.M. no Cr, Ni and V leaching was detected. In the case of SBb and SBb_EAFS however, quantities of Cr were detected at the eluate, which did not exceed the threshold of Existing (NEN7375) Monolithic Waste Acceptance Criteria_mg/m2 at 64 days (500 mg/m2). The SO2 sorption capacity from red mud was investigated next, aiming at its maximum valorization during the production of sulpho-belite cements. Aqueous suspensions (slurry) of 0%, 25% and 40% w.t. of red mud, were studied. The experiments were carried out in continuous flow stirred-tank reactor (CSTR). The results showed that the sorption capacity of was 23.2g SO2/kg slurry Ε.Ι. 25% w.t. and 49.3g SO2/kg slurry Ε.Ι. 40% w.t. The sorption of SO2 by the R.M. resulted in the formation of gypsum (CaSO4·2H2O) and pyrite (FeS2) and in an acid character of the initially basic slurry. It should be mentioned that the process did not lead to heavy metal (Cr, Ni and V) leaching from red mud. At the final part of the present work, a mathematical model was developed in order to estimate the energy demand and CO2 emission of different types of clinker. Mass and energy balances were used For the development of the model, in a system concerning the production of clinker. Three different clinker types were studied: alite clinker (OPC, Τfiring:1450°C and 1500°C), belite clinker with parallel valorization of EAF slag as raw material (BC, BC5 and BC10, Τfiring:1340°C, 1360°C and 1380°C) and sulpho-belite clinker with red mud and FGD gypsum valorization (SBS_R.M. για Τfiring:1320°C and 1330°C). The results showed that the production of belite and sulpho-belite type clinkers lead to the reduction of energy demand and to CO2 emissions compared to OPC. The minimum reduction of CO2 emission was 6.7% in the case of BC_1380°C and the maximum 38.6% for SBS_R.M._1320°C. The decrease of CO2 emission enhanced drastically the use of alternative raw materials, which are carbonate free (or low content). CO2 emissions are 897.18 kg/t, 839.90 kg/t, 804.67 kg/t, 771.79 kg/t and 558.34 kg/t (average values from the firing temperatures of each sample) for OPC, ΒC, BC5, BC10 and SBS_R.M. respectively. Overall, a reduction in the production costs of the clinker was estimated, rangin between 3.4-12.8 €/t clinker depending on the type of cement, the mineralogy and firing temperature of the clinker and the use of alternative raw materials.Οι βιομηχανίες τσιμέντου σήμερα έχουν να αντιμετωπίσουν δυο βασικές προκλήσεις, την μείωση της εκπομπής του CO2 που απελευθερώνεται κατά την παραγωγή του τσιμέντου καθώς και το κόστος και την αειφορία των Α’ υλών και καυσίμων. Οι τσιμεντοβιομηχανίες κατέχουν τη δεύτερη θέση στην εκπομπή CO2 που προέρχεται από βιομηχανικές δραστηριότητες με ποσοστό 26% και συμμετέχουν σε ποσοστό 5-8% επί των συνολικών ανθρωπογενών εκπομπών στο περιβάλλον. Οι εκπομπές CO2 ¬κατά την παραγωγική διαδικασία του τσιμέντου, οφείλονται πρωτίστως στη διάσπαση του ανθρακικού ασβεστίου (βασική αντίδραση για την παραγωγή τσιμέντου) και στη χρήση καυσίμων για την παραγωγή της απαιτούμενης ενέργειας, και δευτερευόντως στη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας και στις εργασίες μεταφοράς. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η παραγωγή και η ανάπτυξη τσιμέντων μπελιτικού τύπου με παράλληλη αξιοποίηση βιομηχανικών παραπροϊόντων ως πρώτων υλών, με στόχο την ελαχιστοποίηση των προαναφερθέντων προβλημάτων. Η διαφορά των μπελιτικών τσιμέντων από τα τσιμέντα τύπου Portland είναι τα μειωμένα επίπεδα της φάσης του πυριτικού τριασβεστίου (C3S) και η αντίστοιχη αύξηση του πυριτικού διασβεστίου (C2S). Αποτέλεσμα αυτής της τροποποίησης είναι η μείωση, της απαίτησης σε CaCO3 και της θερμοκρασίας έψησης (~1350οC), που συνεπάγεται μείωση των εκπομπών CO2. Το βασικό πρόβλημα των μπελιτικών τσιμέντων είναι οι χαμηλές πρώιμες αντοχές, για την επίλυση του οποίου έχουν προταθεί διάφορες λύσεις. Η σταθεροποίηση ενεργών δομών του μπελίτη (α, α’H, α’L, β), μέσω της ταχείας ψύξης του clinker ή/και της εισαγωγής ‘ξένων’ ιόντων (Β2Ο3, Να2Ο, Κ2Ο, ΒαΟ, ΜnO2, Cr2O3) στους κρυστάλλους του μπελίτη, ενδέχεται να βελτιώσει τις υδραυλικές του ιδιότητες. Εναλλακτικά, η εισαγωγή στις ορυκτολογικές φάσεις του clinker μιας υδραυλικής ένωσης (συστατικό Klein 4CaO·3Al2O3·SO3/C4A3Ŝ), η οποία θα οδηγήσει σε αύξηση των πρώιμων αντοχών. Αρχικά, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας έψησης και του ρυθμού ψύξης, συγκεκριμένης σύστασης μπελιτικού clinker, BC (C2S=55% κ.β. εκτίμηση από τις εξισώσεις του Bogue), στην ανάπτυξη της μικροδομής και των φυσικό/μηχανικών ιδιοτήτων του. Για την μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασία έψησης στην ανάπτυξη της μικροδομής του clinker BC, πραγματοποιήθηκαν εψήσεις σε τέσσερις θερμοκρασίες (1340°C, 1360°C, 1380°C και 1400°C). Όσον αφορά στον ρυθμό ψύξης του clinker ακολουθήθηκαν δυο τρόποι: α) ταχεία ψύξη, η οποία επιτεύχθηκε με θραύση και ταυτόχρονη παροχή αέρα (uf.c.≈1°C/s) και β) αργή ψύξη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (us.c.≈0.1°C/s). Τα αποτελέσματα της οπτικής μικροσκοπίας, που πραγματοποιήθηκε στα παραγόμενα clinker, έδειξαν, ότι η αύξηση της θερμοκρασίας έψησης και η μείωση του ρυθμού ψύξης είχε ως αποτέλεσμα την αύξησης του μεγέθους των κρυστάλλων του μπελίτη. Από την ημιποσοτική ορυκτολογική ανάλυση με τη μέθοδο Rietveld διαπιστώθηκε, ότι η μείωση του ρυθμού ψύξης συνεπάγεται την αύξηση του περιεχόμενου μπελίτη στο clinker με παράλληλη αύξηση της β- αλλά και γ- δομής του, ο οποίες παρουσιάζουν μειωμένες ή/και καθόλου υδραυλικές ιδιότητες. Στην γρήγορη ψύξη, αν και παρατηρήθηκε μείωση της περιεκτικότητας σε μπελίτη αυξήθηκε η περιεκτικότητα της α’L- δομής. Ο απαιτούμενος χρόνος άλεσης του clinker για την επίτευξη συγκεκριμένης τιμής της ειδικής επιφάνειας (4000 cm2/g), ήταν μικρότερος στα clinker αργής ψύξης λόγω της παρουσίας της γ- δομής του μπελίτη. Ο έλεγχος της ανάπτυξης των αντοχών πραγματοποιήθηκε για τα τσιμέντα ταχείας ψύξης. Τα αποτελέσματα των πρώτων ημερών ενυδάτωσης έδωσαν μειωμένες αντοχές σε σύγκριση με τις αντίστοιχες του OPC (Ordinary Portland Cement), όπως ήταν αναμενόμενο για τσιμέντα μπελιτικού τύπου. Για τις 28 ημέρες τα αποτελέσματα για τα BCf.c._1340oC, BCf.c._1360oC, BCf.c._1380oC και BCf.c._1400oC ήταν 52.9 MPa, 57.4 MPa, 50.7 MPa και 50.9 MPa αντίστοιχα, που είναι συγκρίσιμα με το OPC CEMI 32.5N (32.5 MPa έως 52.5 MPa) σύμφωνα με το EN 197-1. Ως λύση στο πρόβλημα των μειωμένων πρώιμων αντοχών που παρουσίασαν τα μπελιτικά τσιμέντα, αρχικά ελέγχθηκε η επίδραση της προσθήκης βορίου στο κρύσταλλο του μπελίτη (ως μέρος του clinker) για την σταθεροποίηση των πιο ενεργών δομών του. Παρήχθησαν 3 τύποι clinker, δύο με προσθήκη παραπροϊόντος βορίου (DBW, Kirka Boron Works) σε περιεκτικότητα 1% κ.β (BC_BW1), 6.5% κ.β.(BC_ΒW6.5), και ένα με προσθήκη βορικού οξέος 2% κ.β. (BC_ΒΑ1.5), τα οποία ισοδυναμούν με 0.38% κ.β., 2.46% κ.β. και 2.46% κ.β. Β2Ο3 αντίστοιχα. Ο σχεδιασμός των μιγμάτων έγινε βάσει των τροποποιημένων εξισώσεων του Bogue, με στόχο την διατήρηση του μπελίτη σε υψηλή περιεκτικότητα (≥59% κ.β.). Με βάση τα αποτελέσματα των δοκιμών της ελευθέρας ασβέστου και την ανάπτυξη της μικροδομής των clinker, η έψησή τους πραγματοποιήθηκε στους 1350οC, 1330οC και 1310οC για BC_BW1, BC_BA1.5 και BC_BW6.5 αντίστοιχα. Η μικροδομή των παραγόμενων clinker αποτελείται κυρίως από κρυστάλλους μπελίτη εντός μιας μικρο-κρυσταλλικής μήτρας αποτελούμενης από βοριοπυριτικό ασβέστιο (C5BS), αργιλικό τριασβέστιο (C3A) και αργιλοφερριτικό τετρασβέστιο (C4AF). Η αύξηση του B2O3 ευνοεί τη μείωση της θερμοκρασίας έψησης, τη σταθεροποίηση της α΄- δομής του μπελίτη αλλά και την επικρυσταλλική ανάπτυξη (overgrowth) του Τύπου Ι μπελίτη σε Τύπο ΙΙΙ, οποίος δεν φαίνεται να παρουσιάζει υδραυλικές ιδιότητες. Τα παραγόμενα τσιμέντα παρουσίασαν σχετικά χαμηλή ανάπτυξη πρώιμων αντοχών. Ωστόσο, για τις 28 ημέρες τα αποτελέσματα ήταν 52.7 MPa και 60.0 MPa για τα BC_BA1.5 και BC_BW1 αντίστοιχα, παρόμοια ή και βελτιωμένα σε σχέση με το OPC 42.5N. Στην περίπτωση προσθήκης Β2Ο3 2.46% κ.β. (BC_BW6.5) παρατηρήθηκε υποβάθμιση των ιδιοτήτων του τσιμέντου (5.6 MPa σε 28 ημέρες). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ελεγχόμενες ποσότητες Β2Ο3, καθαρού ή προερχόμενο από παραπροϊόντα βορίου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή τσιμέντου μπελιτικού τύπου βελτιώνοντας τις ύστερες αντοχές του. Στη συνέχεια μελετήθηκε η βελτιστοποίηση των πρώιμων αντοχών μέσω της παραγωγής θειικό-μπελιτικών τσιμέντων με παράλληλη αξιοποίηση βιομηχανικών παραπροϊόντων ως πρώτη ύλη. Τα παραπροϊόντα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν σκωρία κλιβάνου ηλεκτρικού τόξου EAFS (χαλυβουργία «SOVEL»), Ερυθρά Ιλύς (Ε.Ι.) («Αλουμίνιον της Ελλάδος»), γύψος αποθείωσης (FGD, «ΔΕΗ» ΑΗΣ Μεγαλόπολης Α) και παραπροϊόν βορίου (DBW, Kirka Boron Works). Παρασκευάστηκαν πέντε τύποι clinker, SBb, SBb_EAFS (10% κ.β. EAFS), SBb_E.Ι. (5% κ.β. E.Ι. και 14.5% κ.β. FGD γύψο), SBs_E.Ι. (5% κ.β. E.Ι. και 23% κ.β. FGD γύψο) και SBs_E.Ι._DBW (5% κ.β. E.Ι., 22% κ.β. FGD γύψο και 1% κ.β. DBW). Ο σχεδιασμός των μιγμάτων έγινε, βάσει των τροποποιημένων εξισώσεων του Bogue. Τα SBb, SBb_EAFS και SBb_E.Ι. σχεδιάστηκαν με στόχο υψηλά ποσοστά μπελίτη, ενώ τα SBs_E.Ι. και SBs_E.Ι._DBW με στόχο την υψηλή περιεκτικότητα σε συστατικό Klein. Η έψηση των clinker πραγματοποιήθηκε στους 1330°C για όλα τα clinker εκτός από το SBs_E.Ι._DBW, η έψηση του οποίου πραγματοποιήθηκε στους 1310°C, λόγω της προσθήκης του παραπροϊόντος βορίου. Η θερμοκρασία έψησης προσδιορίστηκε από προκαταρκτικές δοκιμές έψησης στο θερμοκρασιακό εύρος 1280°C-1340°C, με βάση τα αποτελέσματα της ελευθέρας ασβέστου. Όλα τα παραγόμενα clinker συμπεριφέρθηκαν ως ταχύπηκτα, λόγω της πρώιμης ενυδάτωσης των C4A3Ŝ , C4AF και CŜ. Τα clinker SBb, SBb_EAFS και SBb_E.I., τα οποία περιείχαν χαμηλά ποσοστά C4A3Ŝ και υψηλά C4AF, παρουσίασαν μειωμένες συνολικά αντοχές. Αντίθετα, το SBs_E.I. παρουσίασε υψηλές πρώιμες αντοχές, λόγω της υψηλής περιεκτικότητας C4A3Ŝ (~54% κ.β.) και τα αποτελέσματα των ύστερων αντοχών του διατηρήθηκαν στα επίπεδα του OPC 42.5N. Όσον αφορά στο SBs_E.I._DBW, διαπιστώθηκε, ότι η προσθήκη B2O3 δρα αρνητικά στη συνολική ανάπτυξη των αντοχών του τσιμέντου. Προκειμένου να αξιολογηθεί η περιβαλλοντική συμπεριφορά των SBb, SBb_EAFS και SBs_E.I. πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εκπλυσιμότητας βάσει του προτύπου NEN 7345-tank test που αναφέρεται σε μονολιθικά υλικά (service life scenario). Ελέγχθηκε η έκλουση των βαρέων μετάλλων, Cr, Ni και V, τα οποία περιέχονται στην Ε.Ι. και στη σκωρία EAF. Οι δοκιμές εκτίμησης περιβαλλοντικής συμπεριφοράς έδειξαν μηδενική έκλουση Cr, Ni και V για το SBs_E.I.. Στην περίπτωση των SBb και SBb_EAFS παρατηρήθηκε έκλουση Cr, η οποία δεν υπερβαίνει το υφιστάμενο όριο (Existing (NEN7375) Monolithic Waste Acceptance Criteria_mg/m2) το οποίο για διάστημα 64 ημερών είναι 500 mg/m2. Ακολούθησε ο έλεγχος της ικανότητας δέσμευσης SO2 από την Ε.Ι., με απώτερο σκοπό τη μέγιστη δυνατή αξιοποίησή της στην παραγωγή θειικό-μπελιτικών τσιμέντων. Ελέγχθηκε η ικανότητα δέσμευσης SO2 για δυο περιεκτικότητες υδατικού αιωρήματος Ε.Ι., 25% και 40% κ.β. καθώς και στο υδατικό μέρος του αιωρήματος χωρίς προσθήκη Ε.Ι. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης και συνεχούς λειτουργίας (CSTR). Διαπιστώθηκε, ότι η ικανότητα δέσμευσης SO2 από αιώρημα E.I. ανήλθε στα 23.2g SO2/kg αιωρήματος Ε.Ι. 25% κ.β. και 49.3g SO2/kg αιωρήματος Ε.Ι. 40% κ.β. Η δέσμευση του SO2 από την Ε.Ι. οδήγησε στο σχηματισμό γύψου (CaSO4·2H2O) και πυρίτη (FeS2) καθώς και στον τελικά όξινο χαρακτήρα του αρχικά βασικού αιωρήματος. Αξίζει να σημειωθεί, ότι η διεργασία δεν συνοδεύεται από απελευθέρωση βαρέων μετάλλων (Cr, Ni και V) που περιέχονται στην Ε.Ι. Τέλος πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη μαθηματικού μοντέλου για τον υπολογισμό των ενεργειακών απαιτήσεων και της εκπομπής CO2 κατά την παραγωγή διαφόρων τύπων clinker. Για την ανάπτυξη του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν ισοζύγια μάζας και ενέργειας σε σύστημα που αφορά στην παραγωγή του clinker. Μελετήθηκαν τρεις διαφορετικές κατηγορίες clinker: clinker αλιτικού τύπου (OPC, για Τέψησης:1450°C και 1500°C), μπελιτικού τύπου με παράλληλη αξιοποίηση σκωρίας EAF ως εναλλακτικής πρώτης ύλης (BC, BC5 και BC10 για Τέψησης:1340°C, 1360°C και 1380°C) και θειικό-μπελιτικού με αξιοποίηση Ε.Ι. και FGD γύψου (SBS_E.I. για Τέψησης:1320°C και 1330°C). Διαπιστώθηκε, ότι η παραγωγή clinker μπελιτικού και θειικό-μπελιτικού τύπου οδήγησε σε μείωση της ενεργειακής απαίτησης και εκπομπής CO2 σε σύγκριση με το clinker OPC. Η μείωση του εκπεμπόμενου CO2 άρχισε από 6.7% για το BC_1380°C και έφθασε μέχρι 38.6% στην περίπτωση του SBS_E.I._1320°C. Στη μείωση της εκπομπής CO2 συνέβαλε δραστικά και η χρήση εναλλακτικών πρώτων υλών απαλλαγμένων (ή μειωμένων) από ανθρακικές ενώσεις. Οι εκπομπές CO2 ανήλθαν σε 897.18 kg/t, 839.90 kg/t, 804.67 kg/t, 771.79 kg/t και 558.34 kg/t (μέσος όρος τιμών για τις θερμοκρασίες έψησης κάθε δείγματος) για τα OPC, ΒC, BC5, BC10 και SBS_E.I. αντίστοιχα. Συνολικά παρουσιάστηκε μείωση του κόστους παραγωγής του clinker η οποία κυμάνθηκε μεταξύ 3.4-12.8 €/t clinker και εξαρτάται από τον τύπο clinker, την ορυκτολογική σύσταση και από τη θερμοκρασία έψησης του clinker καθώς και από τη χρήση εναλλακτικών πρώτων υλών

Valorisation of electric arc furnace steel slag as raw material for low energy belite cements

In this paper, the valorisation of electric arc furnace steel slag (EAFS) in the production of low energy belite cements is studied. Three types of clinkers were prepared with 0 wt.% (BC), 5 wt.% (BC5) and 10 wt.% (BC10) EAFS, respectively. The design of the raw mixes was based on the compositional indices lime saturation factor (LSF), alumina ratio (AR) and silica ratio (SR). The clinkering temperature was studied for the range 1280–1400°C; firing was performed at 1380°C based on the results regarding free lime and the evolution of microstructure. In order to activate the belite, clinkers were cooled fast by blown air and concurrent crushing. The results demonstrate that the microstructure of the produced clinkers is dominated by belite and alite crystals, with tricalcium aluminate and tetracalcium-alumino-ferrite present as micro-crystalline interstitial phases. The prepared cements presented low early strength development as expected for belite-rich compositions; however the 28-day results were 47.5 MPa, 46.6 MPa and 42.8 MPa for BC, BC5 and BC10, respectively. These values are comparable with OPC CEMI 32.5 N (32.5–52.5 MPa) according to EN 197-1. A fast setting behaviour was also observed, particularly in the case of BC10, whereas soundness did not exceed 1 mm.status: publishe

Structure–Superstructure Inter-Relations in Ca₂SiO₄ Belite Phase

Belite, the second most abundant mineralogical phase in Portland cement, presents five polymorphs which are formed at different temperatures. The increased interest in belite cement-based products is due to the lower environmental impact associated with the lower energy consumption. The importance of belite polymorphs formed at higher temperatures for cement industry applications is high, because they present better hydraulic properties. Thus, any study that helps to explore the structure relations of all belite polymorphs is of interest for both scientific and practical points of view. In the present work, a systematic structure–superstructure relation study is presented for all polymorphs, and it is based on the work of O’Keefe and Hyde (1985). In this pioneering work, generally, the structures of oxides are considered as having common characteristics with prototype structures of alloys. The basic result of the present work is the fact that all the polymorphs adopt a common architecture which is based on capped trigonal prisms of Ca cations, which host the Si one, and the oxygen anions occupy interstitial sites, i.e., an architecture in conformity with the model which considers the oxide structures as stuffed alloys. This result supports the displacive character of the transformation structural mechanism that links the five polymorphs based on the cation sites in their structures. However, based on the sites of oxygen anions, it could be considered as of diffusion character. The study of belite polymorphs is also of interest to products obtained by doping dicalcium silicate compounds, which present interesting luminescent properties

Evaluating the correspondence of educational software to learning theories

As new technologies emerge, more and more people depend on them for a variety of purposes. Now more than ever there is a tendency for technological implications to substitute for face-to-face communication and education. In this paper we attempt to investigate whether the usability and pedagogical factors for quality educational platforms meet the expectations of three dominant learning theories of the past century, which, namely are: behaviorism, cognitivism and constructivism. We assign specific factors derived from 9 evaluation models to the 3 learning theories. A list of 15 questions was produced to help evaluators in the assessment of the educational software. Then we evaluated 11 educational websites that aim to help anglophone students improve their language skills e.g. through grammar and spelling exercises. The results show the level of correspondence of these educational websites to the learning theories