Preparazione della ganga del carbone ad alta ceramsite

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 16369 (2022) Citare questo articolo

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L'uso della ganga di carbone (CG) come materiale da costruzione non solo riduce lo smaltimento dei rifiuti industriali e promuove l'utilizzo delle risorse dei rifiuti solidi, ma risolve anche il consumo eccessivo di sabbia e pietra nelle costruzioni. Questo studio ha studiato sperimentalmente la calcinazione delle ceramisite da materie prime CG e sono state studiate le proprietà meccaniche del calcestruzzo ceramsite CG. Inoltre, i cambiamenti fisici, chimici e di composizione del CG prima e dopo la calcinazione sono stati osservati utilizzando la microscopia elettronica a scansione e l'analisi di diffrazione di raggi X (XRD). I risultati sperimentali rivelano che la calcinazione può ridurre la densità, aumentare la resistenza, aumentare la porosità del CG e modificare la microstruttura e la composizione minerale del CG. Infine, ci sono grandi differenze tra il calcestruzzo ceramsite della ganga di carbone e il calcestruzzo ordinario nella variazione della resistenza a compressione nel tempo e nella relazione tra modulo elastico e resistenza a compressione. In questo articolo, la formula esistente viene modificata in base ai dati sperimentali.

La ganga di carbone (CG) è un tipo di rifiuto solido industriale prodotto dal processo di scavo e separazione del carbone1,2,3. Generalmente, ogni 10 tonnellate di carbone prodotto viene scartata una tonnellata di CG4,5. Le statistiche mostrano che attualmente vengono immagazzinati 5-6 miliardi di tonnellate di CG e che l’accumulo aumenta al ritmo di 150-200 milioni di tonnellate all’anno in Cina6,7. Attualmente, la maggior parte della CG viene smaltita tramite semplice accatastamento e in Cina ci sono circa 2600 colline CG su larga scala, che ammontano a circa 15.000 ettari8,9,10. Ciò non si traduce solo in uno spreco di risorse, ma provoca anche inquinamento ambientale e minaccia la salute e il benessere delle comunità locali11. Con l’implementazione della strategia di sviluppo verde e sostenibile della Cina, l’utilizzo razionale e completo del CG porterà notevoli benefici economici, ambientali e sociali.

La ricerca esistente sui principali metodi di applicazione del CG nei materiali da costruzione comprende la ricerca sulla produzione di cemento, mattoni bruciati, blocchi cavi di cemento e calcestruzzo aerato12,13. Sebbene esistano diversi tipi di CG con proprietà diverse a causa delle diverse origini del CG, la maggior parte dei componenti chimici e minerali sono simili agli aggregati naturali (NA). Pertanto, un metodo più diretto ed efficace per utilizzare il CG è quello di utilizzarlo come aggregato grosso o fine nel calcestruzzo dopo la frantumazione14,15,16. Tuttavia, gli aggregati CG (CGA) hanno una struttura più flessibile e mostrano proprietà fisiche inferiori rispetto agli NA. Pertanto, la resistenza del calcestruzzo con CG come aggregato è inferiore a quella del calcestruzzo con NA come aggregato nella stessa proporzione della miscela17,18,19. Pertanto, per migliorare le proprietà meccaniche del calcestruzzo CGA e consentirne l'adozione in più campi dell'edilizia, è necessario migliorare le proprietà fisiche e meccaniche del calcestruzzo CGA.

Sebbene la composizione chimica del CG sia complessa, è composto principalmente da silicio e alluminio e contiene più di una dozzina di elementi. Generalmente, il CG è composto principalmente da ossidi, come SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, NaO e K2O20,21,22. Il CG calcinato è un metodo efficace per migliorare le proprietà degli aggregati. Il carbonio e vari altri componenti del CG possono essere rimossi durante la calcinazione a una temperatura compresa tra 500 e 800 °C e anche la caolinite del CG può essere gradualmente trasformata in metacaolino23,24. Zhang et al.25, Cao et al.13 e Guo et al.26 hanno sottolineato che il CG ha un'elevata attività dopo la calcinazione alla temperatura di 700–800 °C. La reazione di idratazione secondaria del metacaolino e dei prodotti di idratazione del cemento (idrossido di calcio) può migliorare le proprietà meccaniche del calcestruzzo CGA. Yang et al.27 hanno scoperto che la calcinazione ad alta temperatura può causare la reazione chimica interna del CG, eliminare componenti instabili nel CG, generare sostanze stabili e causare cambiamenti corrispondenti alle proprietà fisiche del CG. Mediante calcinazione, il CGA può essere convertito in un aggregato ceramsite leggero e ad alta resistenza5,28. Rispetto al calcestruzzo ordinario, il calcestruzzo aggregato leggero ceramsite presenta proprietà eccellenti, quali bassa densità, elevata resistenza alla compressione cilindrica, elevata porosità, elevato coefficiente di rammollimento, buona resistenza al gelo ed eccellente resistenza agli aggregati alcalini29,30,31. Numerosi studi32,33,34,35,36 hanno indagato la preparazione e le prestazioni del calcestruzzo ceramsite con l'obiettivo di migliorarne ulteriormente le prestazioni. Per migliorare le prestazioni del calcestruzzo aggregato leggero CG ceramsite (CGCLAC), è necessario migliorare le proprietà fisiche e meccaniche dei ceramsite della ganga di carbone. Tuttavia, la ricerca sulla preparazione di ceramsite ad alta resistenza da materie prime CG è ancora relativamente rara, e gli studi sulle proprietà costitutive del CGCLAC sono ancora meno.