Published May 10, 2024 | Version v1
Publication Open

Cement kiln dust-based geopolymer: Microstructural investigation and performances optimization through response surface methodology

  • 1. Cadi Ayyad University

Description

Abstract Cement kiln dust (CKD), which consisted of mullite, quartz, fused silica, and calcite (49, 23, 11 and 10 mass%, respectively) was alkali-activated ([NaOH]: 4–12 M) and cured under different conditions (25 ≤ T ≤ 85°C, time (t): up to 30 days). The microstructure of the cured samples was investigated using X-ray diffraction, Fourier-transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy. The mechanical/physical properties of the cured samples were related to the above factors using response surface methodology. The results showed that increasing the levels of these factors enhanced the reactivity of mullite and quartz, leading thus to the formation of hydrosodalite along with geopolymer. Conversely, a pseudo-amorphous phase along with limited amount of geopolymer occurred with lower levels of the factors. Moreover, samples prepared with concentrated solutions of NaOH or cured at high temperatures were the object of formation of zeolite ZK, and semi-crystallized hydroxysodalite, respectively. Tobermorite and hydroxysodalite were formed at long and short curing times, respectively. The mechanical/physical properties of the cured samples were well related to the operating factors through quadratic models, and their changes were discussed in relation to the microstructure characterization. The results of the desirability approach demonstrated that the optimal values for bending strength, compressive strength, porosity, and water absorption (10.4 MPa, 9.1 MPa, 16.4%, and 28%, respectively) are obtained at: [NaOH] = 10 M, T = 73°C, and t = 23 days. In the light of these results, the CKD is suitable as a binder for mortar and bricks.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تم تنشيط غبار فرن الأسمنت التجريدي (CKD)، الذي يتكون من الموليت والكوارتز والسيليكا المنصهرة والكالسيت (49 و 23 و 11 و 10 ٪ من الكتلة، على التوالي) بالقلويات ([هيدروكسيد الصوديوم]: 4–12 م) ومعالجته في ظروف مختلفة (25 ≤ T ≤ 85 درجة مئوية، الوقت (t): حتى 30 يومًا). تم فحص البنية المجهرية للعينات المعالجة باستخدام حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه والمسح المجهري الإلكتروني. كانت الخواص الميكانيكية/الفيزيائية للعينات المعالجة مرتبطة بالعوامل المذكورة أعلاه باستخدام منهجية سطح الاستجابة. أظهرت النتائج أن زيادة مستويات هذه العوامل عززت تفاعل الموليت والكوارتز، مما أدى إلى تكوين هيدروسوداليت جنبًا إلى جنب مع البوليمر الأرضي. وعلى العكس من ذلك، حدثت مرحلة شبه متبلورة إلى جانب كمية محدودة من البوليمر الجيولوجي مع مستويات أقل من العوامل. علاوة على ذلك، كانت العينات التي تم تحضيرها بمحاليل مركزة من هيدروكسيد الصوديوم أو معالجتها في درجات حرارة عالية موضوع تكوين زيوليت ZK، وهيدروكسيسوداليت شبه متبلور، على التوالي. تشكل التوبرموريت والهيدروكسيسوداليت في أوقات معالجة طويلة وقصيرة، على التوالي. كانت الخصائص الميكانيكية/الفيزيائية للعينات المعالجة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بعوامل التشغيل من خلال النماذج التربيعية، وتمت مناقشة تغييراتها فيما يتعلق بتوصيف البنية المجهرية. أظهرت نتائج نهج الرغبة أنه يتم الحصول على القيم المثلى لمقاومة الانحناء ومقاومة الانضغاط والمسامية وامتصاص الماء (10.4 ميجا باسكال، 9.1 ميجا باسكال، 16.4 ٪، و 28 ٪، على التوالي) عند: [هيدروكسيد الصوديوم] = 10 م، T = 73 درجة مئوية، و t = 23 يومًا. في ضوء هذه النتائج، فإن CKD مناسب كموثق للملاط والطوب.

Translated Description (French)

Résumé La poussière de four à ciment (CKD), qui se composait de mullite, de quartz, de silice fondue et de calcite (49, 23, 11 et 10 % en masse, respectivement) était activée par les alcalis ([NaOH] : 4–12 M) et durcie dans différentes conditions (25 ≤ T ≤ 85 °C, temps (t) : jusqu'à 30 jours). La microstructure des échantillons durcis a été étudiée en utilisant la diffraction des rayons X, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la microscopie électronique à balayage. Les propriétés mécaniques/physiques des échantillons durcis ont été liées aux facteurs ci-dessus en utilisant la méthodologie de la surface de réponse. Les résultats ont montré que l'augmentation des niveaux de ces facteurs augmentait la réactivité de la mullite et du quartz, conduisant ainsi à la formation d'hydrosodalite avec le géopolymère. Inversement, une phase pseudo-amorphe avec une quantité limitée de géopolymère s'est produite avec des niveaux plus faibles des facteurs. De plus, des échantillons préparés avec des solutions concentrées de NaOH ou durcis à haute température ont fait l'objet de formation de zéolite ZK, et d'hydroxysodalite semi-cristallisée, respectivement. La tobermorite et l'hydroxysodalite se sont formées à des temps de durcissement longs et courts, respectivement. Les propriétés mécaniques/physiques des échantillons durcis étaient bien liées aux facteurs de fonctionnement par le biais de modèles quadratiques, et leurs changements ont été discutés en relation avec la caractérisation de la microstructure. Les résultats de l'approche de désirabilité ont démontré que les valeurs optimales pour la résistance à la flexion, la résistance à la compression, la porosité et l'absorption d'eau (10,4 MPa, 9,1 MPa, 16,4 % et 28 %, respectivement) sont obtenues à : [NaOH] = 10 M, T = 73 °C et t = 23 jours. Au vu de ces résultats, le CKD convient comme liant pour mortier et briques.

Translated Description (Spanish)

El polvo del horno de cemento (CKD), que consistía en mullita, cuarzo, sílice fundida y calcita (49, 23, 11 y 10% en masa, respectivamente) se activó con álcali ([NaOH]: 4–12 M) y se curó en diferentes condiciones (25 ≤ T ≤ 85°C, tiempo (t): hasta 30 días). La microestructura de las muestras curadas se investigó utilizando difracción de rayos X, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y microscopía electrónica de barrido. Las propiedades mecánicas/físicas de las muestras curadas se relacionaron con los factores anteriores utilizando la metodología de superficie de respuesta. Los resultados mostraron que el aumento de los niveles de estos factores mejoró la reactividad de la mullita y el cuarzo, lo que condujo a la formación de hidrosodalita junto con el geopolímero. Por el contrario, se produjo una fase pseudoamorfa junto con una cantidad limitada de geopolímero con niveles más bajos de los factores. Además, las muestras preparadas con soluciones concentradas de NaOH o curadas a altas temperaturas fueron objeto de formación de zeolita ZK e hidroxisodalita semicristalizada, respectivamente. La tobermorita y la hidroxisodalita se formaron en tiempos de curado largos y cortos, respectivamente. Las propiedades mecánicas/físicas de las muestras curadas estuvieron bien relacionadas con los factores de operación a través de modelos cuadráticos, y se discutieron sus cambios en relación con la caracterización de la microestructura. Los resultados del enfoque de deseabilidad demostraron que los valores óptimos para la resistencia a la flexión, resistencia a la compresión, porosidad y absorción de agua (10.4 MPa, 9.1 MPa, 16.4% y 28%, respectivamente) se obtienen en: [NaOH] = 10 M, T = 73 ° C y t = 23 días. A la luz de estos resultados, el CKD es adecuado como aglutinante para mortero y ladrillos.

Files

latest.pdf.pdf

Files (2.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:c1e9b9aa21b8b0b26ec3b17e8457d257
2.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
البوليمر الجيولوجي القائم على الغبار في فرن الأسمنت: التحقيق الهيكلي الدقيق وتحسين الأداء من خلال منهجية سطح الاستجابة
Translated title (French)
Géopolymère à base de poussière de four à ciment : investigation microstructurale et optimisation des performances grâce à la méthodologie de surface de réponse
Translated title (Spanish)
Geopolímero a base de polvo de horno de cemento: investigación microestructural y optimización del rendimiento a través de la metodología de superficie de respuesta

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4396789105
DOI
10.21203/rs.3.rs-4365638/v1

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Morocco

References

  • https://openalex.org/W1989850594
  • https://openalex.org/W2019031259
  • https://openalex.org/W2043054070
  • https://openalex.org/W2048314124
  • https://openalex.org/W2056371893
  • https://openalex.org/W2065258689
  • https://openalex.org/W2088732846
  • https://openalex.org/W2093152460
  • https://openalex.org/W2136195365
  • https://openalex.org/W2340213805
  • https://openalex.org/W2736697856
  • https://openalex.org/W2906599200
  • https://openalex.org/W3016029045
  • https://openalex.org/W3082262197
  • https://openalex.org/W3111991694
  • https://openalex.org/W3181687612
  • https://openalex.org/W4205911059
  • https://openalex.org/W4282822835
  • https://openalex.org/W4376637910
  • https://openalex.org/W4381895226
  • https://openalex.org/W4391392731