جاده

جاده

تثبیت باطله سنگ‌آهن مگنتیت با ژئوپلیمر بر پایۀ متاکائولن به عنوان مصالح راهسازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، سیرجان، ایران
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سیرجان، سیرجان، ایران
3 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سیرجان، ایران
چکیده
فرآوری سنگ‌آهن باعث تولید حجم قابل ملاحظه‌ای باطله سنگ‌آهن می‌گردد. از طرفی صنعت ساخت و ساز دارای پتانسیل زیادی برای جذب پسماندهای سایر صنایع از جمله صنایع معدنی است. هدف از این مقاله تثبیت باطلۀ سنگ‌آهن مگنتیت با استفاده از ژئوپلیمر سنتز شده از متاکائولن به عنوان منبع آلومیناسیلیکات و سیلیکات سدیم (Na2SiO3) و سدیم هیدروکسید (NaOH) به عنوان مواد فعال‌کننده قلیایی است. برای این منظور، محلول فعال کننده قلیایی با ترکیب سدیم هیدروکسید (سود) در سه مولاریته 8 ، 10 و 12 با محلول سیلیکات سدیم در سه نسبت وزنی 1 ، 2 و 4 (سیلیکات سدیم به سدیم هیدروکسید) ساخته شد و به عنوان رطوبت بهینه به ترکیب‌های مختلف باطله سنگ آهن و متاکائولن (10، 20 و 30 درصد وزنی مگنتیت) اضافه شد. نمونه‌های مقاومت فشاری با دو زمان عمل آوری 7 و 28 روزه ساخته شدند. نتایج نشان دادند که افزایش درصد متاکائولن به تنهایی باعث افزایش مقاومت فشاری محصور نشده می‌گردد. همچنین افزایش نسبت سیلیکات سدیم به سدیم هیدروکسید و افزایش مولاریته سدیم هیدروکسید باعث کاهش مقاومت فشاری محصور نشده 28 روزه می‌گردد. بیشترین مقدار مقاومت فشاری محصور نشده در نمونه‌های 28 روزه با افزودن 30 درصد متاکائولن و در نسبت وزنی 1 سیلیکات سدیم به سدیم هیدروکسید (در سدیم هیدرواکسید 8 مولار) برابر با 10 مگاپاسکال به‌دست آمد. همچنین بررسی انجام شده نشان دهندۀ همبستگی بالای مقاومت فشاری محصور نشده و مدول یانگ است.
کلیدواژه‌ها

-زیلائی، مژده و غنی‌زاده، علیرضا. (1398). مقاومت فشاری محصور نشده و دوام مصالح باطله سنگ‌آهن تثبیت شده با سیمان به عنوان مصالح اساس: مورد مطالعاتی معدن گل‌گهر. مهندسی زیر ساخت‌های حمل و نقل، 7(2)، 122-101.
-فتحی، سیامک، پرویزی، منصور و هوشمند سروستانی، غلامحسین. (1392). بررسی تأثیر سیلیکات سدیم بر ظرفیت باربری ماسه. اولین کنفرانس ملی مهندسی ژئوتکنیک. اردبیل، ایران.
-کیانی نژاد، محمد، توفیق، محمد محسن و توفیق، وحید. (1402). تثبیت‌ ماسه‌بادی با استفاده از متاکائولن و پسماند کاربید کلسیم به عنوان فعال‌ساز قلیایی. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر. 55(8)، 1600-1579.
-میرزائی، کوروش، غنی‌زاده، علیرضا و بختیاری، سمیه (1401). تثبیت بستر رسی با استفاده از ژئوپلیمر سنتز شده از سرباره، خاکستربادی، دیاتومیت و خاکستر پوسته برنج. فصلنامه مهندسی حمل و نقل، 13(4)، 2064-2043.
-Abdulkareem, S.O., and Abbas, J.M. (2021). Effect of Adding Metakaolin Based Geopolymer to Improve Soft Clay Under Different Conditions. Second International Conference on Geotechnical Engineering, Iraq.
-Ambroise, J., Murat, M., & Pera, J. (1985). Hydration reaction and hardening of calcined clays and related minerals: V. Extension of the research and general conclusions. Cement and Concrete Research, 15, 261-268.
-Andrejkovičová, S., Sudagar, A., Rocha, J., Patinha. C., Hajjaji, W., Ferreira da Silva, E., Velosa, A., and Rocha, F. (2016). The effect of natural zeolite on microstructure, mechanical and heavy metals adsorption properties of metakaolin based Geopolymers. Applied Clay Science, 126, 141-152.
-Andrew, R. M. (2018). Global CO2 emissions from cement production. Earth System Science Data, 10(1), 195–217.
-Bernal, S.A., Rodríguez, E.D., Mejía de Gutiérrez, R., Gordillo, M., and Provis, J.L. (2011). Mechanical and thermal characterization of Geopolymers based on silicate-activated metakaolin/slag blends. Journal of materials science, 46(16),
5477-5486.
-Buchwald, A., Hilbig, H., and Kaps, Ch. (2007). Alkali-activated metakaolin-slag blends—performance and structure in dependence of their composition. Advanced in Geopolymer Science and Technology, 42(9), 3024-3032.
-Buchwald, A. Tatarin, R., and Stephan, D. (2009). Reaction progress of alkaline-activated metakaolin-ground granulated blast furnace slag blends. Journal of Materials Science, 44(20), 5609-5617.
-Cabalara, A.F., & Mustafa, W.S. (2015). Behavior of sand–clay mixtures for road pavement subgrade. International Journal of Pavement Engineering, 18(8), 714-726.
-Chowdary, V. B., Ramanamurty, V., and Pillai, R.J. (2021). Experimental evaluation of strength and durability characteristics of Geopolymer stabilised soft soil for deep mixing applications. Innovative Infrastructure Solutions, 6, 1-10.
-Daneshgar, P., Ghaffarpour Jahromi, S., and Arzani, H. (2023). Investigation of the behavior of Ahvaz sand soil stabilized with metakaolin. Amirkabir Journal of Civil Engineering, 55(2), 73-76. doi.org/10.22060/ceej.2022.21851.7838
-Davidovits, J. (1994). Properties of Geopolymer cements. In First international conference on alkaline cements and concretes, Kiev, Ukraine.
-Das, S. K., Kumar, S., & Ramachandrarao, P. (2000). Exploitation of iron ore tailing for the development of ceramic tiles. Waste Management, 20(8), 725-729.
-Duxson, P., Provis, J. L., Lukey, G. C., Mallicoat, S. W., Kriven, W. M., & Van Deventer, J. S. (2005). Understanding the relationship between Geopolymer composition, microstructure and mechanical properties. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 269(1-3), 47-58. doi.org/10.1016/j.colsurfa.2005.06.060
-Fernández-Jiménez, A., Monzó, M., Vicent, M., Barba, A., and Palomo, A. (2008). Alkaline activation of metakaolin–fly ash mixtures: Obtain of Zeoceramics and Zeocements. Microporous and mesoporous materials, 108(1-3), 41-49.
-Görhan, G. (2015). The evaluation with anova of the effect of lime admixture and thermal cure time on fly ash paste activated with Sodium Silicate solution. Construction and Building Materials, 94, 228-234.
-Gutierrez A. S., Eras J. C., Gaviria C. A., Caneghem J. V., and Vandecasteele C. (2017). Improved selection of the functional unit in environmental impact assessment of cement. Journal of Cleaner Production, 168, 463–473. dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.09.007
-Hadi, N.A.R.A. (2016). Geo Polymerization of Kaolin and Metakaolin Incorporating NaOH and High Calcium Ash. Earth Science Research, 5(1), 67-75.
-Hamaideh, A., Komnitsas, K., Esaifan, M., Al-Kafawein, J.K., Rahier, H., & Mazen Alshaaer. (2014). Advantages of Applying a Steam Curing Cycle for the Production of Kaolinite-Based Geopolymers. Arabian Journal for Science and Engineering, 39, 7591-7597. doi.org/10.1007/s13369-014-1314-1
-Horpibulsuk, S., Phetchuay, C., Chinkulkijniwat, A., and Cholaphatsorn, A. (2013). Strength development in silty clay stabilized with calcium carbide residue and fly ash. Soils and Foundations, 53, 477-486.
-Horvat, B., Ducman, V., & Pavlin, A.S. (2019, October 24-25). Waste Foundry Sand as Precursor in Alkali Activation Process. 2nd International Conference on Technologies & Business Models for Circular Economy, Portorož, Slovenia.
-Jamil, N. H., Abdullah, M. M. A. B., Che Pa, F., Hasmaliza, M., W. Ibrahim, W. M. A., A. Aziz, I. H., and Nabiałek, M. (2021). Phase Transformation of Kaolin-Ground Granulated Blast Furnace Slag from Geopolymerization to Sintering Process. Magnetochemistry, 7(3),
1-13. doi.org/10.3390/magnetochemistry7030032
-John, V. M. and Zordan, S. E. (2001). Research and development methodology for recycling residues as building materials—a proposal. Waste management, 21(3), 213-219. doi.org/10.1016/s0956-053x(00)00092-1
-Kazemzadeh, M., Zad, A.A., and Latifi, P. (2023). Stabilization of clayey soils contaminated with lead and zinc nitrate using metakaolin Geopolymer. Amirkabir Journal of Civil Engineering, 54(12), 961-964. doi.org/10.22060/ceej.2022.21411.7712
-Khoury, H. (2006). Industrial rocks and minerals in Jordan (2nd edition). Publications of the University of Jordan.
-Komnitsas, K., Zaharaki, D., & Perdikatsis, V. (2007). Geopolymerisation of low calcium ferronickel slags. Journal of Materials Science, 42(9), 3073– 3082.
-Kuranchie, F. A. (2015). Characterisation and applications of iron ore tailings in building and construction projects. Doctorates and Masters Theses. Cowan University.
-Łach1, M., Mikuła, J., Lin, W.T., Bazan, P., Figiela, B., & Korniejenko, K. (2020). Development and Characterization of Thermal Insulation Geopolymer Foams Based on Fly Ash. Proceedings of Engineering and Technology Innovation, 16, 23-29.
-Li, C. Sun, H., and Li, L. (2010). A review: The comparison between alkali-activated slag (Si+Ca) and metakaolin (Si+Al) cements. Cement and Concrete Research, 40(9), 1341-1349.  doi.org/10.1016/j.cemconres.2010.03.020
-Li, X., Rao, F., Song, S., Corona-Arroyo, M.A., Ortiz-Lara, N., & Aguilar-Reyes, E.A. (2018). Effects of aggregates on the mechanical properties and microstructure of geothermal metakaolin-based Geopolymers. Results in Physics, 11, 267-273.
-Li, X., Wang, P., Guo, Z., Qin, J., & Liang, K. (2022). Effect of Fe2+/Fe3+ on high-strength ceramsite prepared by sintering Geopolymers using iron ore tailings. Ceramics International, 48(4), 5681-5688.
-Liew, Y.M., Kamarudin, H., Mustafa Al Bakri, A.M., Luqman, M., Khairul Nizar, I., and Heah, C.Y. (2011). Investigating The Possibility of Utilization of Kaolin and The Potential of Metakaolin to Produce Green Cement for Construction Purposes – A Review. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 5(9), 441-449.
-Liu, Z., Cai, C. S., Liu, F., & Fan, F. (2016). Feasibility Study of Loess Stabilization with Fly Ash–Based Geopolymer. Journal of Materials in Civil Engineering, 28(5), 1-8. dx.doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001490
-Longos, A. Tigue, A.A., Dollente, I.J., Malenab, R.A., Bernardo-Arugay, I., Hinode, H., Kurniawan, W., and Promentilla, M.A. (2020). Optimization of the mix formulation of Geopolymer using nickel-laterite mine waste and coal fly ash. Minerals, 10(12), 1-17. doi.org/10.3390/min10121144
-Metakaolin, H. R. (2004). Engineered Mineral Admixture for Use with Portland Cement. Advanced Cement Technologies.
-Pourabbas M., Toufigh, MM. and Toufigh, V. (2018). Experimental investigation of using a recycled glass powder-based Geopolymer to improve the mechanical behavior of clay soils. Construction and Building Materials, 170, 302–313.
-Rao, F., & Liu, Q. (2015). Geopolymerization and its potential application in mine tailings consolidation: a review. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review, 36(6), 399-409.
-Rashad, A. M., and Ouda, A. S. (2019). Thermal resistance of alkali-activated metakaolin pastes containing nano-silica particles. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 136(2), 609-620.
-Rodrigues, M., Vogt, J., Lima, L., Duarte, G., Freire, C., & Lameiras, F. (2020). The Use of Iron Ore Tailings in the Iron Quadrangle of Minas Gerais, Brazil. KnE Engineering, 5(4), 147-156. doi.org/10.18502/keg.v5i4.6805
-Shi, X., Zha, Q., Li, S., Cai, G., Wu, D., and Zhai, C. (2022). Experimental Study on the Mechanical Properties and Microstructure of Metakaolin-Based Geopolymer Modified Clay. Molecules, 27(15).
-Silva, I.C., Castro-Gomes, J., & Albuquerque, A. (2010). Evaluation of the stability of waste-based Geopolymeric artificial aggregates for wastewater treatment processes under different curing conditions. Advances in Science and Technology, 69, 86-91.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AST.69.86
-Sithole, N.T., & Magage, B. (2021, December 02-04). Sodium Aluminate Activation of Non-ferrous Waste Foundry Sand: A Feasibility Study. 3rd International Conference on Resources and Environmental Research, Online.
-Sudagar, A., Andrejkovičová, S., Patinha, C., Velosa, A., McAdam, A., Silvaa, E. F., and Rocha, F. (2018). A novel study on the influence of cork waste residue on metakaolin-zeolite based Geopolymers. Applied Clay Science, 152, 196-210.
-Wongsa, A., Boonserm, K., Waisurasingha, C., Sata, V., Chindaprasirt, P. (2017). Use of municipal solid waste incinerator (MSWI) bottom ash in high calcium fly ash Geopolymer matrix. Journal of Cleaner Production, 148, 49-59.
-Vlček, J., Topinková, M., Klárová, M., Maierová, P., Ovcacíková, H., Matejka, V., Martaus, A., and Blahušková, V. (2021). Alkali-Activated Metakaolin and Fly Ash as Unfired Ceramic Bonding Systems. Minerals, 11(2), 1-16. doi.org/10.3390/min11020197
-Xu, H. & Van Deventer, J.S.J. (2000). The Geopolymerisation of aluminosilicate minerals. International Journal of Mineral Processing, 59(3), 247–266.
-Yip, C. K., Lukey, G. C., and Van Deventer, J. S. (2005). The coexistence of Geopolymeric gel and calcium silicate hydrate at the early stage of alkaline activation. Cement and Concrete Research, 35(9), 1688-1697.
-Zaharaki, D., Komnitsas, K., & Perdikatsis, V. (2010). Use of analytical techniques for identification of inorganic polymer gel composition. Journal of Materials Science, 45(10), 2715–2724.
-Zailani, W.W.A., Abdullah, M.M.A., Arshad, M.F., Burduhos-Nergis, D.D., & Tahir, M.F.M. (2020, May 21-23). Effect of Iron Oxide (Fe2O3) on the Properties of Fly Ash Based Geopolymer. International Conference on Innovative Research. Iasi, Romania. doi.org/10.1088/1757-899X/877/1/012017
-Zainal, F. F., Fazill, M. F., Kamarudin, H., Rahmat, A., Abdullah, M. M. A. B., & Wazien, W. (2018). Effect of Geopolymer coating on mild steel. Solid State Phenomena, 273, 175-180.
-Zhang, M., Guo, H., El-Korchi, T., Zhang, G., and Tao, M. (2013). Experimental feasibility study of Geopolymer as the next-generation soil stabilizer. Construction and Building Materials, 47, 1468–1478.