RESEARCH ARTICLE

The influence of curing conditions on the mechanical properties and leaching of inorganic polymers made of fayalitic slag

  • Remus I. Iacobescu 1 ,
  • Valérie Cappuyns 2,3 ,
  • Tinne Geens 4 ,
  • Lubica Kriskova 1 ,
  • Silviana Onisei 1 ,
  • Peter T. Jones 1 ,
  • Yiannis Pontikes , 1
Expand
  • 1. KU Leuven, Department of Materials Engineering, 3001 Leuven, Belgium
  • 2. KU Leuven, Department of Earth and Environmental Sciences, 3001 Leuven, Belgium
  • 3. KU Leuven, Faculty of Economics and Business, 1000 Brussels, Belgium
  • 4. KU Leuven, Department of Healthcare and Technology, 3001 Leuven, Belgium

Received date: 08 Sep 2016

Accepted date: 01 Dec 2016

Published date: 23 Aug 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

Abstract

This study reports on the impact of the curing conditions on the mechanical properties and leaching of inorganic polymer (IP) mortars made from a water quenched fayalitic slag. Three similar IP mortars were produced by mixing together slag, aggregate and activating solution, and cured in three different environments for 28 d: a) at 20 °C and relative humidity (RH) ~ 50% (T20RH50), b) at 20 °C and RH≥90% (T20RH90) and c) at 60 °C and RH ~ 20% (T60RH20). Compressive strength (EN 196-1) varied between 19 MPa (T20RH50) and 31 MPa (T20RH90). This was found to be attributed to the cracks formed upon curing. Geochemical modelling and two leaching tests were performed, the EA NEN 7375 tank test, and the BS EN 12457-1 single batch test. Results show that Cu, Ni, Pb, Zn and As leaching occurred even at high pH, which varied between 10 and 11 in the tank test’s leachates and between 12 and 12.5 in the single batch’s leachates. Leaching values obtained were below the requirements for non-shaped materials of Flemish legislation for As, Cu and Ni in the single batch test.

Cite this article

Remus I. Iacobescu , Valérie Cappuyns , Tinne Geens , Lubica Kriskova , Silviana Onisei , Peter T. Jones , Yiannis Pontikes . The influence of curing conditions on the mechanical properties and leaching of inorganic polymers made of fayalitic slag[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2017 , 11(3) : 317 -327 . DOI: 10.1007/s11705-017-1622-6

Acknowledgments

The EPMA-WDS work has been feasible due to the support of the Hercules Foundation (project ZW09-09).
1
The European Slag Association. Legas status of slags. Position paper on the status of Ferrous slag, 2012

2
Shi C, Qian  J. High performance cementing materials from industrial slags—a review. Resources, Conservation and Recycling, 2000, 29(3): 195–207

DOI

3
Al-Jabri K S, Hisada  M, Al-Saidy A H ,  Al-Oraimi S K . Performance of high strength concrete made with copper slag as a fine aggregate. Construction & Building Materials, 2009, 23(6): 2132–2140

DOI

4
Khanzadi M, Behnood  A. Mechanical properties of high-strength concrete incorporating copper slag as coarse aggregate. Construction & Building Materials, 2009, 23(6): 2183–2188

DOI

5
Onisei S, Lesage  K, Blanpain B ,  Pontikes Y . Early age microstructural transformations of an inorganic polymer made of fayalite slag. Journal of the American Ceramic Society, 2015, 98(7): 2269–2277

DOI

6
Shi C, Meyer  C, Behnood A . Utilization of copper slag in cement and concrete. Resources, Conservation and Recycling, 2008, 52(10): 1115–1120

DOI

7
Zain M F M ,  Islam M N ,  Radin S S ,  Yap S G . Cement-based solidification for the safe disposal of blasted copper slag. Cement and Concrete Composites, 2004, 26(7): 845–851

DOI

8
Davidovits J. Geopolymer Chemistry and Applications. France: Geopolymer Institute, 20 15, 3–17

9
Onisei S, Pontikes  Y, Van Gerven T ,  Angelopoulos G N ,  Velea T ,  Predica V ,  Moldovan P . Synthesis of inorganic polymers using fly ash and primary lead slag. Journal of Hazardous Materials, 2012, 205-206: 101–110

DOI

10
Pontikes Y, Machiels  L, Onisei S ,  Pandelaers L ,  Geysen D ,  Jones P T ,  Blanpain B . Slags with a high Al and Fe content as precursors for inorganic polymers. Applied Clay Science, 2013, 73: 93–102

DOI

11
Perera D S, Aly  Z, Vance E R ,  Mizumo M . Immobilization of Pb in a geopolymer matrix. Journal of the American Ceramic Society, 2005, 88(9): 2586–2588

DOI

12
Hanzlicek T, Steinerova  M, Straka P . Radioactive metal isotopes stabilized in a geopolymer matrix: Determination of a leaching extract by a radiotracer method. Journal of the American Ceramic Society, 2006, 89(11): 3541–3543

DOI

13
Fernández-Jiménez A ,  Palomo A ,  Macphee D E ,  Lachowski E E . Fixing arsenic in alkali-activated cementitious matrices. Journal of the American Ceramic Society, 2005, 88(5): 1122–1126

DOI

14
Palomo A, Palacios  M. Alkali-activated cementitious materials: Alternative matrices for the immobilisation of hazardous wastes: Part II. Stabilisation of chromium and lead. Cement and Concrete Research, 2003, 33(2): 289–295

DOI

15
Zhang Y, Sun  W, Chen Q ,  Chen L. Synthesis and heavy metal immobilization behaviors of slag based geopolymer. Journal of Hazardous Materials, 2007, 143(1-2): 206–213

DOI

16
Izquierdo M, Querol  X, Phillipart C ,  Antenucci D ,  Towler M . The role of open and closed curing conditions on the leaching properties of fly ash-slag-based geopolymers. Journal of Hazardous Materials, 2010, 176(1-3): 623–628

DOI

17
Phair J W, Van Deventer  J S J. Effect of silicate activator pH on the leaching and material characteristics of waste-based inorganic polymers. Minerals Engineering, 2001, 14(3): 289–304

DOI

18
Van Deventer J S J ,  Provis J L ,  Duxson P ,  Lukey G C . Reaction mechanisms in the geopolymeric conversion of inorganic waste to useful products. Journal of Hazardous Materials, 2007, 139(3): 506–513

DOI

19
Van Jaarsveld J G S ,  Van Deventer J S J . The effect of metal contaminants on the formation and properties of waste-based geopolymers. Cement and Concrete Research, 1999, 29(8): 1189–1200

DOI

20
Tavor D, Wolfson  A, Shamaev A ,  Shvarzman A . Recycling of industrial wastewater by its immobilization in geopolymer cement. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(21): 6801–6805

DOI

21
Deja J. Immobilization of Cr6+, Cd2+, Zn2+ and Pb2+ in alkali-activated slag binders. Cement and Concrete Research, 2002, 32(12): 1971–1979

DOI

22
Quina M J, Bordado  J C M, Quinta-Ferreira  R M. The influence of pH on the leaching behaviour of inorganic components from municipal solid waste APC residues. Waste Management (New York, N.Y.), 2009, 29(9): 2483–2493

DOI

23
Muñiz-Villarreal M S ,  Manzano-Ramírez A ,  Sampieri-Bulbarela S ,  Gasca-Tirado J ,  Reyes-Araiza J L ,  Rubio-Ávalos J C ,  Pérez-Bueno J J ,  Apatiga L M ,  Zaldivar-Cadena A ,  Amigó-Borrás V . The effect of temperature on the geopolymerization process of a metakaolin-based geopolymer. Materials Letters, 2011, 65(6): 995–998

DOI

24
Van Jaarsveld J G S ,  Van Deventer J S J ,  Schwartzman A . The potential use of geopolymeric materials to immobilise toxic metals: Part II. Material and leaching characteristics. Minerals Engineering, 1999, 12(1): 75–91

DOI

25
Komnitsas K, Zaharaki  D, Bartzas G . Effect of sulphate and nitrate anions on heavy metal immobilisation in ferronickel slag geopolymers. Applied Clay Science, 2013, 73(0): 103–109

DOI

26
Snellings R, Machiels  L, Mertens G ,  Elsen J . Rietveld refinement strategy for qualitative phase analysis of partially amorphous zeolitized tuffaceous rocks. Geologica Belgica, 2010, 13(3): 183–196

27
Panagiotopoulou C, Kontori  E, Perraki T H ,  Kakali G . Dissolution of aluminosilicate minerals and by-products in alkaline media. Journal of Materials Science, 2007, 42(9): 2967–2973

DOI

28
Environment agency NEN 7375-2004. Leaching characteristics of moulded or monolithic building and waste materials. Determination of leaching of inorganic components with the diffusion test. The tank test. Delft: The Netherlands Normalisation Institute, 2004

29
BS EN 12457-1:2002. Characterisation of waste—Leaching —Compliance test for leaching of granular waste materials and sludges. Part 1: One stage batch test at a liquid to solid ratio of 2 L/kg for materials with high solid content and with particle size below 4 mm (without or with size reduction), 2002

30
Allison J D, Brown  D S, Novogradac  K J. MINTEQA2/PRODEFA2. A chemical assessment model for environmental systems: Version 4.0 user’s manual. Environmental Research Laboratory Office of Research and Development, 1999

31
Gustafsson J P . Visual MINTEQ. Version 3.0: A Windows version of MINTEQA2, version 4.0. 2004

32
VLAREMA. Flemish regulation on the sustainable management of material cycles and waste. VLAREMA, 2016, 3 (in Dutch)

33
Parsons M B, Bird  D K, Einaudi  M T, Alpers  C N. Geochemical and mineralogical controls on trace element release from the Penn Mine base-metal slag dump. California. Applied Geochemistry, 2001, 16(14): 1567–1593

DOI

34
Pontikes Y, Machiels  L, Onisei S ,  Pandelaers L ,  Geysen D ,  Jones P T ,  Blanpain B . Slags with a high Al and Fe content as precursors for inorganic polymers. Applied Clay Science, 2013, 73: 93–102

DOI

35
Davidovits J A . Geopolymers: Inorganic polymeric new materials. Journal of Materials Education, 1994, 16(2-3): 91–139

36
Perera D S, Cashion  J D, Blackford  M G, Zhang  Z, Vance E R . Fe speciation in geopolymers with Si/Al molar ratio of ~2. Journal of the European Ceramic Society, 2007, 27(7): 2697–2703

DOI

37
Bell J L. Formation of an iron-based inorganic polymer (geopolymer). In: Proceedings of Mechanical Properties and Performance of Engineering Ceramics and Composites IV. Wiley: Hoboken, 2010, 301–312

38
Chen A, Zhao  Z W, Jia  X, Long S ,  Huo G, Chen  X. Alkaline leaching Zn and its concomitant metals from refractory hemimorphite zinc oxide ore. Hydrometallurgy, 2009, 97(3-4): 228–232

DOI

39
Puligilla S. Understanding the role of slag on geopolymer hardening and microstructural development. Dissertation for the Master Degree. Urbana: University of Illinois, 2011, 84

40
Provis J L. Modelling the formation of geopolymers. Dissertation for the Doctoral Degree. Australia: University of Melbourne, 2006, 282

41
Williams R P, Hart  R D, Van Riessen  A. Quantification of the extent of reaction of metakaolin-based geopolymers using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and energy-dispersive spectroscopy. Journal of the American Ceramic Society, 2011, 94(8): 2663–2670

DOI

42
Mihailova I, Mehandjiev  D. Characterization of fayalite from copper slags. Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2010, 45(3): 317–326

43
Lappi S E, Smith  B, Franzen S . Infrared spectra of H216O, H218O and D2O in the liquid phase by single-pass attenuated total internal reflection spectroscopy. Spectrochimica Acta. Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2004, 60(11): 2611–2619

DOI

44
Hanna R, Su  G J. Infrared absorption spectra of sodium silicate glasses from 4 to 40 microns. Journal of the American Ceramic Society, 1964, 47(12): 597–601

DOI

45
Gervais F, Blin  A, Massiot D ,  Coutures J P ,  Chopinet M H ,  Naudin F . Infrared reflectivity spectroscopy of silicate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 1987, 89(3): 384–401

DOI

46
Kuenzel C, Vandeperre  L J, Donatello  S, Boccaccini A R ,  Cheeseman C . Ambient Temperature Drying Shrinkage and Cracking in Metakaolin-Based Geopolymers. Journal of the American Ceramic Society, 2012, 95(10): 3270–3277

DOI

47
Ismail I, Bernal  S A, Provis  J L, Hamdan  S, Van Deventer J S J. Drying-induced changes in the structure of alkali-activated pastes. Journal of Materials Science, 2013, 48(9): 3566–3577

DOI

48
European Committee for Standardisation. EN 197-1. Norm for Cement. Part 1, 2000

49
De Groot G J . Development of a leaching method for the determination of the environmental quality of concrete. European ComissionFinal Report. EUR 17869 EN, 1997

50
Van der Sloot H A . Development of horizontally standardized leaching tests for construction materials: A material based or release based approach? Identical leaching mechanisms for different materials. Report ECN-C-04-060, 2004

51
Dell’Orso M, Mangialardi  T, Paolini A E ,  Piga L. Evaluation of the leachability of heavy metals from cement-based materials. Journal of Hazardous Materials, 2012, 227-228: 1–8

DOI

Outlines

/