Reuse of Waste from the South West of England in Alkali-Activated Cement Concrete

The extraction of china clay in the South West of the UK generates waste in a mass ratio of 1:9 for china clay: waste. Currently, part of the coarser waste, “stent” and sand named “china clay sand” (CCS) in this study, is used as building stone or secondary aggregate in concrete and asphalt but the finest waste fraction, called “mica” waste, is used only for the restoration of old quarries. Looking for innovative solutions for the needs of a new Eco-town in the UK, and with regard to uses commercially applicable to construction and of low environmental impact, the china clay waste is being studied as an aggregate in alkali-activated cements (AAC). Aiming to replace primary aggregates with wastes in low risk construction materials, a series of AAC concrete based on a 50% GGBS and 50% fly ash (FA) blend and an equivalent Portland concrete series were produced. In the mixes the primary aggregate was steadily replaced by forms of the waste and tests in compression showed a decreasing trend in strength accordingly. The two series of concrete follow approximately the same ratios of decrease although in absolute values the AAC series reached higher range of strengths on the 28 day compared to the Portland series. While the use of CCS did not have any negative impact, the addition of mica decreased the strength up to 25% more.</jats:p

China clay waste as aggregate in AA cement mortars

Every 1 t of china clay produced in the UK generates 9 t of waste material. A limited quantity of the coarser waste has beneficial use as a building stone or secondary aggregate in concrete and asphalt, but there are currently limited uses for the finest waste fraction. ‘Mica’ waste is a mixture of fine minerals and is one of the forms of waste with little beneficial use other than the restoration of old quarries. With an aim to find new commercially viable and low environmental impact uses in construction, this paper focuses on the use of china clay waste as an aggregate in alkali-activated cement mortar. Based on preliminary analysis of the compressive strength of binders using slag and fly ash, optimum binders were selected to produce mortars using mica and other forms of china clay waste as aggregate. The mortars were then compared in compression with control specimens using standard sand. Although the results show that the test mortars were generally weaker than the control samples, the paper concludes there are opportunities for their use. </jats:p

Η αξιοποίηση παραπροϊόντος από την παραγωγή καολίνη σε αλκαλικά ενεργοποιημένες τσιμεντοκονίες και σκυροδέματα

Every 1 t of china clay (kaolin) produced in the UK generates 9 t of waste material. A limited quantity of the coarser waste has beneficial use as a building stone or secondary aggregate in concrete and asphalt, but there are currently limited uses for the finest waste fraction. ‘Mica’ waste is a mixture of fine minerals and is one of the forms of waste with little beneficial use other than the restoration of old quarries. With an aim to find innovative, commercially viable and low environmental impact uses in construction, this PhD introduces the idea of using the china clay waste in alkali-activated binders. First, it was investigated whether the contained mica mineral could be used as an alkali-activated binder. This was done using different MAS NMR and XRD analysis, and mechanical strength tests based on European standards. The material was shown to have low reactivity and some direct trials of alkali-activation of thermally treated mica mineral produced in average weak binders. Later, three series of alkali-activated binders were studied, one based on Ground Granulated Blastfurnace Slag (GGBS), one based on Fly Ash (FA) and one based on a 50%GGBS-50%FA blend (50/50). The china clay waste was incorporated in selected optimum binders from the three series as aggregate to make mortars and concrete. Compared to control specimens, the test mortar specimens using the china clay waste always showed lower strength. It is suggested that the high water demand of the waste is the main problem. Ιn mortars the impact of the water declined over time.Regarding the concrete testing, the test specimens of the GGBS series showed potential for replacing Portland control specimens. The concrete design was accompanied by an environmental analysis to ensure environmentally beneficial outcomes were obtained. The environmental analysis shows that although the carbon emissions would be reduced using alkali-activated concrete, most of the other environmental impact categories would be affected negatively which has to be considered when making the final decision regarding the use and future further development of this new material.Κάθε 1t καολίνη που παράγεται στο Ηνωμένο Βασίλειο δημιουργεί 9t παραπροϊόντων. Από αυτά μόνο ένα μικρό ποσοστό του χονδρόκοκκου υλικού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αδρανές υλικό σε σκυρόδεμα και άσφαλτο. Για το λεπτοκοκκο υλικό, πλούσιο σε μαρμαρυγίες (κυριως μοσχοβίτη), δεν υπάρχει χρήση πέρα από την επίχωση παλιών λατομείων. Με στόχο την εύρεση καινοτόμων χρήσεων στην κατασκευή, εμπορικά βιώσιμων και περιβαλλοντικά φιλικών, αυτή η διατριβή διερευνά την χρήση των παραπροϊόντων του καολίνη σε αλκαλικά-ενεργοποιημένες κονίες. Αρχικά, εξετάστηκε αν ο περιεχόμενος μοσχοβίτης μπορεί να ενεργοποιηθεί αλκαλικά. Αυτό έγινε με την χρήση MAS NMR and XRD αναλύσεων και δοκιμών μηχανικής αντοχής με βάση ευρωπαϊκά πρότυπα. Το υλικό αποδείχθηκε ότι έχει χαμηλή αντιδραστικότητα και άμεσες δοκιμές αλκαλικής-ενεργοποίησης του θερμικά επεξεργασμένου μαρμαρυγία έδωσαν μη-ικανοποιητικής αντοχής κονίες. Αργότερα, μελετήθηκαν τρεις σειρές αλκαλικά-ενεργοποιημένων κονιών, μία με βάση σκωρία υψικαμίνου (GGBS), μία με βάση τη ιπτάμενη τέφρα (FA) και μία με βάση μίγμα 50% GGBS - 50% FA (50/50). Από αυτές τις τρεις σειρές, επιλέχθηκαν βέλτιστες κονίες στις οποίες χρησιμοποιήθηκαν τα παραπροϊόντα καολίνη ως αδρανή υλικά για την κατασκευή κονιαμάτων και σκυροδέματος. Σε σύγκριση με δείγματα ελέγχου, τα υπό μελέτη δείγματα κονιαμάτων που κάνουν χρήση των παραπροϊόντων παρουσιάζανε πάντα χαμηλότερη αντοχή. Προτείνεται ότι η υψηλή απαίτηση σε νερό των συγκεκριμένων παραπροϊόντων είναι το κύριο πρόβλημα. Στα κονιάματα η επίδραση του νερού μειώθηκε με την πάροδο του χρόνου. Όσο αφορά τις δοκιμές σε σκυροδέματα, τα δείγματα σκυροδέματος της GGBS σειράς έδειξαν δυνατότητα αντικατάστασης των δοκιμίων ελέγχου Portland. Ο σχεδιασμός του σκυροδέματος συνοδεύτηκε από περιβαλλοντική ανάλυση για να διασφαλιστεί ότι επιτεύχθηκαν περιβαλλοντικά ωφέλιμα αποτελέσματα. Η ανάλυση κύκλου ζωής έδειξε πως αν και οι εκπομπές άνθρακα θα μειωθούν με τη χρήση των αλκαλικά-ενεργοποιημένων σκυροδεμάτων, οι περισσότερες από τις άλλες κατηγορίες περιβαλλοντικών επιπτώσεων θα επηρεαστούν αρνητικά γεγονός που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τη λήψη της τελικής απόφασης για χρήση και μελλοντική περαιτέρω ανάπτυξη αυτού του νέου υλικού