過酸化水素産業から発生する都市廃棄物を、高品質の製品の製造に最大限に利用します。

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12817 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

高級アルミン酸カルシウムセメント（CAC）は、穏やかな反応条件下で都市アルミナ廃棄物と石灰石から合成​​することに成功した。 焼結混合物の鉱物組成と微細構造は、X 線回折と FESEM を使用して調査されました。 CaCO3 含有量が高い混合物で検出された C3A 相に加えて、CA、CA2、C12A7 などの貴重なセメンティング相が観察されました。 60 wt% のアルミナ廃棄物を含む混合 CA60 は、1450 °C で最高の焼結性 (1 vol% 未満の気孔率) と最高の密度 (約 2.65 g/cm3 かさ密度) を達成しました。 水和セメントサンプル (Mix CA60 から) の緻密化、冷間圧砕強度 (CCS)、および微細構造を調査しました。 鋳造セメント試験片は、市販のセメントと比較して、より優れた密度および CCS 特性 (7 日および 28 日でそれぞれ 63.1 MPa および 74 MPa) を示しました。 従来のキャスタブル（5 × 5 × 5 cm3）は、15 wt% のセメントと 85 wt% の骨材（40% Al2O3）からなる混合物から調製され、CA60 と市販のセメントを使用して、製造された CA60 セメントの効果を市販のセメントと比較しました。 1つ。 CA60 セメントで製造されたキャスタブルは、同じ温度 (1.8 MPa) での市販の CAC と比較した場合、110 °C、4.5 MPa でより高い強度を示しました。 したがって、本研究は産業廃棄物の蓄積による環境保全に貢献するだけでなく、産業廃棄物の価値化・高付加価値化にも貢献します。

耐火物は、劣化することなく高温に耐えることができる伝統的なセラミック材料です。 これらは、セメント、ガラス、金属などの高温の材料を製造する容器のライニングに大量に使用されます。 耐火物を利用する主な目的は、窯によるエネルギー損失を軽減し、窯内の物質を通る熱の流れをスムーズにすることです1。 耐火材料は、より微細な相（場合によってはサブマイクロメートル）および結合剤と一緒に保持された大きなサイズ（最大センチメートル）の骨材相で構成されています2。 耐火物は物理的状態に応じて、（1）不定形耐火キャスタブル（モノリシック）と（2）定形耐火レンガの 2 種類に分類されます3。 モノリシックは、耐火性アルミン酸カルシウムセメントで結合され、設置場所に直接注入される、さまざまな粒子サイズの未焼成材料です。

アルミン酸カルシウムセメント (CAC) は、耐火性キャスタブルのバインダーとして機能する重要な水硬性セメントです。 バインダーとしてのその使用は、その高い耐火性、優れた水和能力相の存在、および腐食環境での良好な実行に関連しています4。 主に、最も重要な成分であるモノアルミン酸カルシウム（CaAl2O4（CA））、低濃度で現れるジアルミン酸カルシウム（CaAl4O7（CA2））、マイエナイト（Ca12Al14O33（C12A7））、および3CaO・Al2O3（C3A）などの非水硬性相から構成されます。 CaO/Al2O3 の正確な比率に応じて、CaO・6Al2O3 (CA6)、コルン、ダム、ゲーレニハットが現れることがあります。 CA 相は、高い融点 (約 1600 °C) に加えて、短期間の水和で高い機械的強度を生み出します。 CA2 相は CA 相に比べて若干高い融点 (約 1700 ℃) を示しますが、前者は硬化時間が長く、機械的強度が低くなります。 したがって、CA2 は CAC の主成分として存在することはできず、一般に CA を含むアルミナセメントの二次相として存在します。 低融点相 C12A7 (約 1430 °C) は、硬化速度と水和速度が速く、アルミナセメントの第 2 相として存在することで、セメンティング特性を簡単に変更および制御できます 2、5、6、7、8。

CAC の最も重要な特徴の 1 つは、わずか 24 時間後に最終強度の約 80 ～ 90% が発現することです。 これにより、軍事施設、交通量の多い場所、地下工事など、さまざまな耐火物および非耐火物用途への関与が可能になります9。 下水道用途 10,11、保護コーティング 10,11、膨張グラウト、化学建築製品 10,11 などの他の多くの用途では、CAC を普通ポルトランドセメント (OPC) と組み合わせて利用して、必要な硬化時間をより早く達成しています 9,10,11,12 、13． ポルトランドセメントと比較すると、CAC の年間生産量は、生産コストが高く、アルミナ源が不足しているため、非常に少ないです。 したがって、日常用途におけるアルミン酸カルシウムセメントの利用はポルトランドセメントに匹敵するものではありません。それにもかかわらず、CAC はポルトランドセメントの性能を上回る特定の用途には不可欠です。 例えば、CAC によって製造された従来のコンクリートは、卓越した強度に加え、高温、摩耗、および多くの化学的に攻撃的な条件に対する優れた耐性を示しています 8,14。 さらに、CAC の生産はポルトランドセメントの生産よりも CO2 排出量が少なくなります15。

CAC は重金属汚染土壌の修復にも利用され、OPC16 よりも優れたパフォーマンスを示しました。 Calgaro ら 16 は、重金属 (As、Ba、Be、Cu、Cd、Co、Cr、Hg、Tl、Ni、P b、Sn、 Sb、Se、V、Zn）、凝固/安定化プロセスを使用。 これらのプロセスは、低レベルの透過性と多孔性を備えた固体マトリックス内に汚染物質をカプセル化することを実現します。 さらに、これらの汚染物質は、水硬性結合剤との反応により、溶解性の低い、毒性の高い、または移動性の高い形態に変換されることに成功しました。 その結果、調査したほとんどの金属の固定化において、OPC よりも CAC の方が優れたパフォーマンスを示しました。

CAC の製造に使用される伝統的な原料は、CaO 源として石灰石、Al2O3 源として焼成アルミナまたはボーキサイトです。 産業廃棄物は CaO および Al2O3 の供給源として利用されており、これは近年注目されている環境と経済の動向と一致しています17。 例えば、CaO の廃棄物源は、アセチレンガスの調製で生成される水酸化カルシウムであり、Zawrah ら 9 はアルミン酸カルシウム耐火セメントの製造に使用しています。 純粋な商業用アルミン酸カルシウムセメントは、それぞれ純粋な焼成アルミナまたは焼成ボーキサイトを使用して 1500 ～ 1550 °C で焼結することによって製造されました。 得られたセメントは良好な焼結特性、機械特性、セメンチング特性、および耐火特性を示し、純粋なセメントは高温 (> 1500 °C) で使用でき、市販のセメントは限られた温度 (< 1500 °C) で使用できます。

一方、アルミナ源は非常に稀少であり、硬度が高いためボーキサイト（主なアルミナ源）を粉砕するために必要な特別な加工手順を除けば、いくつかの国に存在しています8、18、19。 アルミナ源の不足が、アルミナセメントの価格が高くなる主な理由です。 したがって、アルミナの安価な代替ソースを見つけることで、適切かつ費用対効果の高い条件でのCAC生産が可能となり、ポルトランドセメントの代わりに多くの用途で使用できるようになり、適切な価格で高品質の製品が生み出される可能性がある。 このため、一部の研究者は、産業廃棄物からのアルミン酸カルシウムセメントの製造をさらに調査し、改良することに興味を持っています。 これらの試みにより、廃棄物の種類や使用する添加剤に応じてさらに改善できる高品質の CAC が得られました。 例えば、アルミニウムスラグは、Ewais et al.12 によってアルミン酸カルシウムセメントの製造のための Al2O3 源として使用されています。 純粋なアルミナに加えて、アルミニウムスラッジも Al2O3 と酸化カルシウムの供給源として使用されました。 1500 °C で焼成され、72.2 wt% の Al2O3 で構成される CAC サンプルは、強度約 50 MPa の最高の機械的特性を示しました。 一方、62.55 wt% の Al2O3 を含む CAC サンプルは、さまざまな水和日 (1、3、7、および 28 日) 後に最高の強度値を示しました。

さらに、Krivoborodovet al.20 によるアルミナセメントの製造には、合金鉄製造のスラグやアルミニウム電解のガス浄化プラントのダストなどの他の廃棄物がアルミナ源として使用されている。 この研究では、67.4重量%のAl2O3を含むフェロバナジウム生産からのスラグに関連するアルミナセメントの特性が改善されていることが示されました。

Lopez-Delgado ら 21 は、Al2O3 の原料として使用されてきたスペインの有害廃棄物からアルミン酸カルシウム (CA) を合成することに成功しました。 非晶質前駆体は、700 °C からアルミン酸カルシウム (CA) の沈殿が起こる水熱法によって得られました。 この研究では、結晶性アルミン酸塩の前駆体の変態が検出されました。C12A7 相が最初に形成され、次に 838 ～ 848 °C で CA2 に転移しました。 続いて、1000 ～ 1034 °C で CA への変態が起こりました。

Engbert et al.22 は、CAC の水和に対する充填剤としての砂の効果を調査し、その結果水和が促進されました。 石灰石の微粉末、マイクロシリカ、α-Al2O3、γ-Al2O3 などの他の微細充填材も CAC の水和を促進します。 検出された加速のメカニズムは、アルカリ条件下でカルシウムイオンに影響を与える負の表面電荷の影響を受けました。

Idrees et al.23 は、フライアッシュ、高炉微粉砕スラグ、シリカフュームなどの鉱物混和剤が CAC モルタルの特性に及ぼす影響をさまざまな硬化温度でテストしました。 CACモルタルの水和反応は、砂代替材料として鉱物混和剤を使用することにより促進されることが判明した。 砂の代替材料として飛灰と高炉微粉砕スラグを 10% 使用すると、20 °C での機械的強度が向上することがわかりました。 CAC は、Arbi らによって新しいセメント質材料の製造に干渉されています24。 これらの材料は、反応性アルミニウム源としてCACの存在下で、珪藻土（主にSiを含む）または高炉スラグ（主にCaとSiを含む）をアルカリ賦活することによって製造されました。 ２０％のＣＡＣおよび８０％の高炉スラグを含む得られたセメント質材料は、アルカリ性活性化剤として８ＭのＮａＯＨを使用した場合に最も高い機械的強度値を示した。 製品のセメント質特性は、形成されたゲルに割り当てられ、その性質（C-A-S-H- または (N, C)-A-S-H 様）は、使用した活性化剤と主要材料に依存しました。

エジプトでは、中間化学品エル・ナスル社（NCIC）の過酸化水素産業から毎年大量のアルミナ廃棄物が発生しています（約240トン）。 これらの廃棄物は、有機物と混合された純粋なアルミナで構成されています。 アルミン酸カルシウムセメントの製造にこれらの廃棄物を利用すると、特に簡単で低コストの製造方法により、経済的および環境的進歩において大きな一歩を達成することができます。 したがって、この研究では、これらのアルミナ廃棄物と石灰石から、簡単な固体プロセスを使用して高品位のCACを製造することに初めて成功し、これらの廃棄物の処理と高品位のアルミナの製造により、2倍の経済的および環境的価値を達成しました。超高速硬化時間機能を備えたセメント。

アルミナ産業廃棄物は、エジプトの El-Nasr Co. for Intermediate Chemical (NCIC) の過酸化水素工場から供給されました。 この工場では、年間約 240 トンのアルミナ廃棄物が生成されます。 それは埋め立て地に蓄積し、深刻な環境問題を引き起こします。 表 1 に示すように、この廃棄物は主に Al2O3 (55.6 wt%) で構成され、低レベルの不純物 (2.5 wt%) と強熱減量 41.9 wt% を含みました。 一方、石灰石はエジプトのミニヤの採石場から供給されました。 これは主に CaCO3 (98.61 wt%) と少量の MgO (0.75 wt%) および SiO2 (0.234 wt%) の不純物から構成されていました (表 1)。 アルミナ５０％を含む市販のセメントを使用して調製したセメントと比較した。 この作業では、原料は前処理なしで使用されています。

40 ～ 70 wt% のアルミナ廃棄物と 60 ～ 30 wt% の石灰石を含む原料から 4 つのバッチ組成が設計されました。 これらのバッチにはCA40～70の番号が付けられた[CAはアルミン酸カルシウムを表し、数字は混合物中のアルミナ廃棄物の重量%を示す]。 設計されたバッチ組成の公称組成を表 2 に示します。典型的な手順では、ブレンドの成分を均質化するために、遊星ボールミルを使用して 350 rpm で 30 分間バッチを乾式粉砕しました。 その後、粉砕混合物を 40 メッシュの篩でふるい分けし、100 MPa で一軸プレスにより円筒形の試験片に成形しました。 次に、成形されたディスクを 1250 ～ 1450 °C で 4 時間、100 °C 間隔、加熱速度 5 °C/min で焼結しました。 温度範囲は、アルミン酸カルシウムセメントの状態図に基づいて選択されました25。 焼結試験片の相組成と緻密化特性に基づいて、急結耐火セメントとして鋳造するために、1450 °C での CA60 焼結試験片が選択されました。 その後、1450 °C で焼結した CA60 試験片 2 kg を粉砕し、水と混合し、5 × 5 × 5 cm3 の鋼製型内でセメントモルタルとして鋳造しました。 硬化したセメント立方体を 24 時間後に型から取り出し、その後、湿潤雰囲気中で 1、3、7、および 28 日間水和させました。 未成形の従来のキャスタブルは、未成形のキャスタブルにおける製造された CA60 セメントの結合性能を研究するために、重いおよび軽量の焼成カオリン骨材とともに 15 wt% CA60 セメントから製造されました。 市販のアルミン酸カルシウムセメントを使用して同様の鋳造可能構造を調製し、未成形モノリシックにおける CA60 と市販セメントの結合能力を比較しました。

原材料および焼結サンプルの化学分析は、PanalyticalXRF (Model Advanced Axios、オランダ) 装置を使用して検出されました。 焼結および水和した試験片の相組成は、粉末 X 線回折計 [Philips PW 1710 X 線回折計、Cu kα 線 (λ = 1.54 nm)、40 kV、30 mA、走査速度 2°] によって検出されました。分]。 焼結および水和サンプルの緻密化パラメーターは、ASTM C830 に準拠した真空圧力法を使用して計算されました。 1450 °C で焼結し、1、3、および 7 日間水和させた CA60 試験片の研磨表面の微細構造を、エネルギー分散型 X と接続した FESEM (QUANTAFEG250、オランダ) の後方散乱電子 (BSE) によって調査しました。 - 光線マイクロアナライザー (EDX)。 粘稠度の水に関する注型セメントモルタルのセメント特性、および初期および最終硬化時間は、Vicat 装置を使用して測定されました。 焼結試験片と水和試験片の両方の冷間圧壊強度を、島津万能圧縮試験機 (UH-F 1000 KN、日本) を使用して 1.3 mm/分の速度で測定しました。

図 1、2、および 3 は、それぞれ 1250、1350、および 1450 °C で焼結した CA40-70 セメント混合物の X 線回折パターンを示しています。 図1に示すように、1250℃で焼結したCA40およびCA50混合物からは、大部分のアルミン酸三カルシウム（C3A）と少数のマイエナイト（C12A7）が検出されました。 設計されたバッチのアルミナ含有量が増加すると、大部分のモノアルミン酸カルシウム (CA) と少数のマイエナイトおよびアルミン酸カルシウム (CA2) 相がそれぞれ CA60 および CA70 混合物で検出されました。 焼結温度が 1350 °C まで上昇すると、CA40 および CA50 混合物は C3A の単相組成を示しましたが、CA60 および CA70 混合物は 1250 °C と同じ構造を有し、大部分の CA と少数の C12A7 および CA2 が存在しました。 、それぞれ（図2）。 CA40 および CA50 混合物の場合、マイエナイト相に対する C3A 相の優位性は、これら 2 つの混合物中の Al2O3 含有量と比較して観察された CaO wt% の増加に戻る可能性があります 26。 1450 °C では、CA40 および CA50 混合物は完全に溶融しましたが、CA60 および CA70 混合物はアルミナ含有量が高いため残存しました。 1450 °C では、CA60 セメント混合物は同量の C12A7 相と CA 相を含む二相構造を示しましたが、CA70 セメント混合物は 1250 ～ 1350 °C と同じ構造を示し、大部分が CA で少数が CA2 でした。 (図3)。 アルミン酸カルシウムセメントの主な水硬相はモノアルミン酸カルシウム相です。 CA60 セメント混合物中の主水硬相と同様の量の急結マイエナイト相の出現は、優れた機械的特性と迅速な施工機能を備えた優れたセメント構造の構築にとってこのブレンドが非常に重要であることを示しています。 焼結試験片で検出された結晶相を表 3 にまとめました。

1250 °C で焼結した圧縮試験片の粉末 XRD パターン。

1350 °C で焼結した圧縮試験片の粉末 XRD パターン。

1450 °C で焼結した圧縮試験片の粉末 XRD パターン。

最適な焼結温度と化学量論組成を決定するために、焼結試験片「CA40-70」の緻密化パラメーターを嵩密度と見掛け気孔率に関してテストしました。 結果は図１〜３に明らかになった。 CA40-60 焼結サンプルの見かけの気孔率は減少し (図 4)、逆に廃棄アルミナを添加すると、コランダムの密度が高くなったため (D = 3.88 ～ 3.99) かさ密度が増加しました (図 5)。 g/cm3)27,28,29 は石灰石のそれと比較して (D = 2.71 g/cm3)29,30,31,32。 対照的に、CA60を超えるとアルミナ含有量が増加すると、かさ密度が低下し、見かけの気孔率が異常に増加しました。 1250 ～ 1450 °C の温度範囲で焼結された「CA70」試験片の緻密化特性が低いことは、これらのサンプル (mp = 1750 ～ 1770 °C) における高融点 CA2 相の進化の観点から説明できます33。 「CA60」試験片で形成された低融点マイエナイト相 (mp = 1390 °C)34,35,36,37。 焼結サンプル「CA40-70」の緻密化挙動に及ぼす焼結温度の影響については、焼結温度が1250℃か​​ら1450℃に上昇すると、焼結現象によりかさ密度が増加し、見かけの気孔率が減少しました。緻密化と空隙内に形成された相の緩やかな沈降により、見かけの気孔率が減少し、かさ密度が増加します12、29、38、39、40。 テストしたサンプルの中で、1450 °C で焼結した「CA60」試験片は、見かけの気孔率が最も低く (0.9 vol%)、かさ密度が最も高く (2.7 g/cm3) 、半溶融した完全に緻密な構造を示しました。 これは、未反応の石灰が存在しないため、アルミン酸カルシウムセメントの合成にとって理想的な構造と考えられています。 未反応の石灰は、水和や炭酸化に対する感受性が高いため、耐火物に悪影響を及ぼします。 焼結ブレンド「CA40-70」の相組成と緻密化パラメーターの分析により、低い焼成温度（1450°）での速硬化特性を備えた高品質のアルミン酸カルシウムセメントの合成には、「CA60」ミックスが非常に優れていることが示されました。 C)。

1250、1350 °C、および 1450 °C で焼結した圧縮試験片の見かけの気孔率。

1250、1350 °C、および 1450 °C で焼結した圧縮試験片のかさ密度。

焼結サンプル「CA40-70」の焼結温度とアルミナ添加量による圧壊強度の変化を図6に示します。緻密化挙動と圧縮抵抗値の間には高い適合性があり、気孔率が減少すると圧縮抵抗が増加し、気孔率が増加すると密度が増加しました。焼結温度とアルミナ含有量の両方。 焼結試験片「CA70」の場合、その圧縮抵抗値は試験片「CA60」の値よりわずかに低く、これは「CA60」試験片と比較して「CA70」試験片の気孔率の増加および密度の低下と一致しました。 最高の圧縮抵抗値 (49 MPa) は、全体が緻密な構造と低い気孔率のため、1450 °C で焼結された「CA60」試験片で記録されました。 1250 ～ 1450 °C で焼結された「CA40-70」混合物の化学的および物理機械的特性に基づいて、1450 °C で調製された CA60 試験片が、軍事用の高強度、速硬化アルミン酸カルシウム セメントとして選択されました。および海洋用途。 1450 °C で焼結され、400 メックの篩で選別された「CA60」混合物のセメント特性については、次のセクションで説明します。

1250、1350 °C、および 1450 °C で焼結した圧縮試験片の圧縮強度。

図 7 は、1、3、7、および 28 日目に水和した CA60 混合物の粉末 XRD パターンを示しています。 図 7 に示すように、水硬性 CA 相は混合水と反応して、微量の Al2O3 (コランダム)41 とともに C3AH6 (カトーアイト) および AH3 (ギブサイト) 水和物を生成しました。 アルミン酸カルシウムセメント CAC (またはアルミン酸モノカルシウム CA) を水に入れると、カルシウムイオン (Ca2+) とアルミン酸イオン (Al(OH)4-) が水に溶解して溶液が形成されます。 C2AH8、CAH10、C3AH6、AH3 などのいくつかの水和物タイプは、Ca2+ イオンと Al(OH)4- イオンの組み合わせによって形成できます (式 (1) ～ (4))。 10 ～ 27 °C の温度で、式 (1) に示すように C12A7 が存在する場合。 (5)42、2 つの水和相 C2AH8 と CAH10 は一緒に存在する可能性があります 41,43。 これらの相は準安定であり、六角形の形態を持ち、開始相の集合体よりも低いエネルギーがその形成の推進力となります。 一方、それらのエネルギーは安定相集合体よりも高いため、これらの準安定相は反応して安定相集合体を形成します。 したがって、これらの準安定相のその後の変換反応により、安定相 C3AH6 および AH344 が形成される可能性があります。

1、3、7、および28日間水和させたCA60セメントサンプルの粉末X線回折パターン。

後方散乱電子 (BSE) 電界放出走査型電子顕微鏡 (FESEM) は、さまざまな水和期間中の CAC の挙動を示すために応用されています。 図 8 は、1、3、7 日間の水和後のアルミン酸カルシウム水和セメント CA60 の微細構造を示しています。 図８ａでは、１日の水和後に、優勢な半立方体粒子が明るい灰色ではっきりと現れた。 これらの粒子は、立方晶構造を有し、CA の水和により準安定相 CAH10 および C2H8 になり、その後安定相 C3AH6 および AH344、45 に変換された C3AH6 結晶を表します。 C3AH6 結晶は、形のない塊を持つ AH3 に起因する暗い雲で部分的に覆われています 44。 さらに、粒子間に大きな細孔があり、粒子が間隔をあけて分布していることがはっきりとわかります。 図 8b に見られるように、3 日間の水和後、結晶は水和アルミナ (AH3) の分布とともに密に詰め込まれ、粒子に濃い灰色を与えています 40。 さらに、結晶のサイズも小さくなり、細孔も大幅に減少しました。 図8cでは、7日間の水和後に結晶がほぼ完全に合体しており、粒子のサイズが減少し、小さな断片が積み重なったように見えています。 水和時間の増加が結晶の接着に大きな影響を与えると結論付けることができます。 したがって、得られるセメントは高密度で粒子間の空隙率が低いという特徴があるため、C3AH6 結晶と AH3 の凝集力が CAC の高い圧壊強度を発現する主な役割を果たします。

1450℃で焼成した水和CA60セメントサンプルのFESEM顕微鏡写真。 (a) 1 日後、(b) 3 日後、(c) 7 日後。

1450 °C で焼結した 60 wt% Al2O3 を含む混合 CA60 の水和セメントサンプルの見掛けの気孔率と嵩密度を調査しました。 図 9 は、1、3、7、および 28 日間の水和後の緻密化パラメーターを示しています。 水和サンプルの見かけの多孔度は、水和日数が増加すると減少し、最小の多孔度（1.5%）は水和の 28 日後に発生しました。 かさ密度については、逆の挙動が起こり、水和日数を増やすことによってかさ密度が増加し、28 日後に最大​​の 2 g/cm3 に達します。 密度の増加を伴う空隙率の減少は、CAC 水和機構によって説明できます。 水和物相 AH3、C3AH6、CAH10、および C2AH8 は、水/セメント比が低い飽和溶液から沈殿します。 これらの水和物は、化学変化後に連動効果を示し、新しい結合を形成して、低多孔性、したがって高密度を実現します46。

1450℃で焼結後の（1、3、7、および28日後）水和CA60セメントサンプルのかさ密度および見掛け気孔率。

上記の結果に基づいて、製造されたセメントの最適組成は、最適焼成温度 1450 °C で CA60 に選択されました。 セメント特性は、異なる養生時間 (1、3、7、および 28 日) にわたる粘稠度の水、凝結時間、および圧壊強度を含む混合物 CA60 の製造セメントに適用されました。

この研究の主な目的は、廃棄物から CAC を製造し、市販のものと比較することです。 セメント特性、すなわち、 粘稠度および硬化時間を市販のアルミン酸カルシウムセメントと比較した。 図 10 は、1450 °C で CA60 混合物を使用して調製したセメントと市販のセメントを示しています。 表 4 は、製造された CA60 と市販の CAC の粘稠度の水と硬化時間を示しています。 CA60混合物から調製したセメントペーストは、市販のものとほぼ同じ量の水を消費しました。 初期硬化時間は約 45 分、最終硬化時間は約 135 分でしたが、市販の CAC の初期硬化時間と最終硬化時間はそれぞれ 30 分と 360 分でした。 準備された CAC のこの高速な設定時間により、軍事用途として高速な設定時間を必要とする多くの用途に CAC を実装することができます。

1450℃で焼結したCA60と市販のセメントペーストを製造。

図 11 は、混合 CA60 の水和セメントの 1、3、7、および 28 日間の冷間圧壊強度を示しています。 1450℃で焼結した水和セメントの強度は水和日数の増加とともに増加し、7日後には強度が63.1MPaに達し、28日後には74MPaに達した。 水和セメントの高い強度は、水と急速に反応する主な化合物としての CA 相および C12A7 相の存在に関係しています 36。 CA と C12A7 の反応は初期段階で起こり、C12A7 の発熱による水和により安定した水和物が早期に形成され、その結果、初期年齢で高い強度が発現します 8,9。

1、3、7、および 28 日間の水和後に 1450 °C で焼結した水和 CA60 セメントサンプルの冷間圧壊強度。

従来のキャスタブル（5 × 5 × 5 cm3）は、15 wt% のセメントと 85 wt% の骨材（40% Al2O3）からなる混合物から調製され、CA60 と市販のセメントを使用して、製造された CA60 セメントの効果を市販のセメントと比較しました。 1つ。 準備されたキャスタブルは図 12 に示されており、さまざまな温度 (110、820、および 1100 °C) で 2 時間硬化されています。 図１３の圧壊強度は、両方のセメントを使用して調製されたキャスタブルの硬化温度を上昇させると強度が低下することを示している。 CA60 セメントで製造されたキャスタブルは、同じ温度 (1.8 MPa) での市販の CAC と比較した場合、110 °C、4.5 MPa でより高い強度を示しました。 硬化温度がさらに上昇すると、温度が上昇するにつれて水が蒸発するため、キャスタブルの強度が低下します。 その後、余分な細孔が生成され、耐火性キャスタブルの強度が低下します29,47。 CA60 と市販セメントの強度におけるこの大きな違いは、製造された CA60 セメントの工業的および経済的価値を促進し、表明しました。そこでは、市販セメントの代わりに廃棄物から調製したセメントを適用することにより、硬化時間の速い高強度のキャスタブルが達成できます。

1450℃で焼結したCA60と市販のセメントを使用した不定形耐火キャスタブル。

キャスタブルの圧壊強度に及ぼす 110、820、および 1100 °C での硬化温度の影響。

アルミナ含有量が97.5％と高く、CaO含有量が98.6％の石灰石を含む産業廃棄物から、高純度の高強度アルミン酸カルシウムセメントを製造することに成功した。

アルミナ含有量が40〜70wt%の異なる4種の混合物に,1250,1350,1450℃の異なる温度での単純な焼結法を適用した。 選択された最適焼結温度は1450℃であり、最適セメント混合物は60重量%のアルミナを含んでいた。 これらの最適条件下で得られたセメントは、最良の焼結パラメーターを示し、28 日間の水和後に 74 MPa に達する高強度を達成しました。

調製した CAC および市販の CAC をキャスタブルの調製に使用して、さまざまな用途での特性を調査しました。 調製された CAC で製造されたキャスタブルは、市販の CAC よりも高い強度を示し、セメント製品よりも優れていることが保証されています。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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科学技術イノベーション資金庁 (STDF) がエジプト知識銀行 (EKB) と協力して提供するオープンアクセス資金。

エジプト、カイロの中央冶金研究開発研究所、耐火物およびセラミック材料部門

アーメド IH アメール、AA エルマッダ、YMZ アーメド & アーメド AM エルアミール

アル・アズハル大学理学部化学科（カイロ、エジプト）

アーメド M. アブエレラ & アリ M. ハッサン

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AIHAとAAE-M。 実験部分の実行と原稿の初稿の執筆を共有します。 AMA と AMH。 AIHA と AAE-MAAME-A によって書かれた原稿の初稿の修正に協力しました。 原稿のアイデアを作成し、いくつかの結果の新しい説明を追加して原稿の第 2 稿を洗練する実験部分を管理することに共有します。 YMZA; 原稿のアイデアを共有し、実験部分を管理し、特性評価部分を促進し、提出するための最終原稿のフォーマットを準備します。

YMZ Ahmed または Ahmed AM El-Amir への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

アメル、AIH、エルマッダ、AA、アブエレラ、AM 他。 高品質の耐火物 CAC の製造において、過酸化水素産業から発生する都市廃棄物を最大限に利用します。 Sci Rep 12、12817 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16891-z

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受信日: 2022 年 5 月 15 日

受理日: 2022 年 7 月 18 日

公開日: 2022 年 7 月 27 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16891-z

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