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Authors
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Abstract(s)
In Portugal, the significant amount of mine waste mud from tungsten mining operations has led to growing concerns about their ecological and environmental impacts such as the occupation of large areas of land, generation of powder and the contamination of surface and underground water. Furthermore, natural by-products in general, and natural cork particles in particular, have been used to manufacture new materials which not only provide good thermal insulation but also have a limited impact on the environment and a lower cost. Alkali-activated foamed materials have been introduced in the field of alkali-activated materials which have been produced from different raw and waste materials. It has been proposed as a new idea that involves the production of lightweight materials, thus combining the performance and the benefits of energy-saving (Carbon footprint) with the reduction of the cradle-to-gate emission obtained. Besides, in order to reduce the density of the alkali-activated materials holes or lightweight aggregates can be added for such purposes. Therefore, in this research, novel alkali-activated lightweight foamed materials (AALFM) from a combination of tungsten mine waste mud (TWM), waste glass (WG), and metakaolin (Mk) using alkali activators solution of Sodium Silicate (SS) and Sodium Hydroxide (SH) was developed and combined with natural expanded granulated cork (EGC) using aluminium powder (Al) as a foaming agent.
The objective of this study is to develop a new alkali-activated foamed tungsten-based binder/mortar and to characterize the cork waste composite made from this binder/mortar and natural granulated aggregates (EG-Cork). Cork, which is the exterior bark of Quercus suber L., a natural, organic, and lightweight plant tissue with a high dimensional stability substance. Physical properties of tungsten-based alkali-activated binder/mortar such as bulk density, thermal conductivity and pore sizes distribution were provided. The formulations of the alkali-activated binders are based on a combination of tungsten waste mud (TWM), waste glass (WG), and metakaolin (Mk). The mechanical and thermal properties of alkali-activated foamed materials produced were then tested. The research work includes three main phases. The first part shows the feasibility to produce new improved lightweight foamed alkali-activated materials using Panasqueira tungsten waste mud (TWM) as major raw material incorporating expanded granulated cork (EGC). During this preliminary study, a series of mixes containing mining waste mud, milled waste glass, metakaolin and Ordinary Portland Cement, in different proportions, were prepared. The influence on porosity, density, and compressive strength of incorporating granulated expanded cork at different percentages was first studied with potential applications in artistic, architectural, and historical heritage restoration. The second part investigates the influence of different precursors’ particle sizes on the physical and mechanical properties, such as density, porosity, expansion volume, and pore size by image analysis. The design and development of tungsten-based alkali-activated foams (AAFs) were studied systematically. Moreover, the manufactured AAFs with enhanced compressive strength from non-calcined tungsten waste mud (raw material) by changing the precursor particle sizes showed results of the same level or even higher as other research results obtained with fly ash and MK. The third part of the research investigates the effect of the incorporation of expanded granulated cork (EGC) to produce alkali-activated lightweight foamed materials (AALFM) with thermal properties.
The findings indicate that experimental research on different combinations of raw materials particularly tungsten mining waste mud (TMWM) contribute to the development of alkali-activated materials (AAMs) and alkali-activated foamed materials (AAFMs). These new improved materials can be used as building materials with enhanced properties such as compressive strength, density, thermal conductivity, and fire resistance. This doctoral research contributes to a sustainable development by promoting the complete recycling and use of mining wastes as construction materials.
Em Portugal, a quantidade significativa de lamas residuais provenientes das operações de mineração de tungsténio, tem gerado preocupações crescentes relativamente aos impactos ecológicos e ambientais, tais como, ocupação de grandes áreas de terreno, libertação de poeiras, e a contaminação de águas superficiais e subterrâneas. Nesta pesquisa, um novo material espumoso leve obtido por ativação alcalina (AALFM) de lamas residuais da mina de tungsténio (TWM) foi desenvolvido, utilizando pó de alumínio (Al) como agente de formação de espuma e, ainda, combinado com cortiça granulada expandida natural (EGC). O trabalho de pesquisa comtemplou três fases principais. A primeira parte demonstra a viabilidade de produção de novos materiais expandidos ativados alcalinamente utilizando lamas residuais das minas de tungsténio da Panasqueira (TWM) como principal matéria-prima e, incorporando cortiça granulada expandida (EGC), com aplicações potenciais na restauração de património artístico, arquitetónico e histórico. Neste estudo preliminar, foram preparados conjuntos de misturas, contendo lamas residuais, resíduo de vidro moído, metacaulino e cimento Portland, em diferentes proporções. Em primeiro lugar, foi estudada a influência na porosidade, densidade e resistência à compressão da incorporação de cortiça expandida granulada em diferentes percentagens. A segunda parte investiga o projeto e o desenvolvimento de ligantes /argamassas espumosas ativadas alcalinamente com lamas das minas de tungsténio, utilizando três tamanhos de partícula de diferentes. As propriedades físicas e mecânicas, densidade, porosidade, volume de expansão e tamanho dos poros, foram estudados de forma sistemática. Além disso, foi também estudado o aprimoramento da resistência à compressão de espumas ativadas alcalinamente (AAFs), alterando os tamanhos das partículas precursoras. A terceira parte da investigação investiga o efeito da incorporação da cortiça granulada expandida (EGC) na produção de espumas leves ativadas alcalinamente (AALFM) nas suas propriedades térmicas. Os materiais espumosos ativados alcalinamente inserem-se no campo dos materiais obtidos por ativação alcalina, os quais têm sido produzidos a partir de diferentes matérias-primas e resíduos. Foi proposto como uma ideia nova que envolve a produção de materiais leves, combinando assim o desempenho e os benefícios da poupança de energia (pegada de carbono) com a redução da emissão “cradle-to-gate” obtida. Além disso, a fim de reduzir a densidade dos materiais ativados alcalinamente, podem ser adicionados orifícios ou agregados leves para esse fim. Os resultados dos estudos experimentais permitem desenvolver diferentes tipos de materiais, utilizando resíduos de minas como matéria-prima. Este novo material produzido pode ser usado como materiais de construção com propriedades aprimoradas, como resistência à compressão, densidade, condutividade térmica e resistência ao fogo. Esta investigação de doutoramento contribui para o desenvolvimento sustentável, promovendo a reciclagem completa e a utilização de resíduos de mineração como materiais de construção.
Em Portugal, a quantidade significativa de lamas residuais provenientes das operações de mineração de tungsténio, tem gerado preocupações crescentes relativamente aos impactos ecológicos e ambientais, tais como, ocupação de grandes áreas de terreno, libertação de poeiras, e a contaminação de águas superficiais e subterrâneas. Nesta pesquisa, um novo material espumoso leve obtido por ativação alcalina (AALFM) de lamas residuais da mina de tungsténio (TWM) foi desenvolvido, utilizando pó de alumínio (Al) como agente de formação de espuma e, ainda, combinado com cortiça granulada expandida natural (EGC). O trabalho de pesquisa comtemplou três fases principais. A primeira parte demonstra a viabilidade de produção de novos materiais expandidos ativados alcalinamente utilizando lamas residuais das minas de tungsténio da Panasqueira (TWM) como principal matéria-prima e, incorporando cortiça granulada expandida (EGC), com aplicações potenciais na restauração de património artístico, arquitetónico e histórico. Neste estudo preliminar, foram preparados conjuntos de misturas, contendo lamas residuais, resíduo de vidro moído, metacaulino e cimento Portland, em diferentes proporções. Em primeiro lugar, foi estudada a influência na porosidade, densidade e resistência à compressão da incorporação de cortiça expandida granulada em diferentes percentagens. A segunda parte investiga o projeto e o desenvolvimento de ligantes /argamassas espumosas ativadas alcalinamente com lamas das minas de tungsténio, utilizando três tamanhos de partícula de diferentes. As propriedades físicas e mecânicas, densidade, porosidade, volume de expansão e tamanho dos poros, foram estudados de forma sistemática. Além disso, foi também estudado o aprimoramento da resistência à compressão de espumas ativadas alcalinamente (AAFs), alterando os tamanhos das partículas precursoras. A terceira parte da investigação investiga o efeito da incorporação da cortiça granulada expandida (EGC) na produção de espumas leves ativadas alcalinamente (AALFM) nas suas propriedades térmicas. Os materiais espumosos ativados alcalinamente inserem-se no campo dos materiais obtidos por ativação alcalina, os quais têm sido produzidos a partir de diferentes matérias-primas e resíduos. Foi proposto como uma ideia nova que envolve a produção de materiais leves, combinando assim o desempenho e os benefícios da poupança de energia (pegada de carbono) com a redução da emissão “cradle-to-gate” obtida. Além disso, a fim de reduzir a densidade dos materiais ativados alcalinamente, podem ser adicionados orifícios ou agregados leves para esse fim. Os resultados dos estudos experimentais permitem desenvolver diferentes tipos de materiais, utilizando resíduos de minas como matéria-prima. Este novo material produzido pode ser usado como materiais de construção com propriedades aprimoradas, como resistência à compressão, densidade, condutividade térmica e resistência ao fogo. Esta investigação de doutoramento contribui para o desenvolvimento sustentável, promovendo a reciclagem completa e a utilização de resíduos de mineração como materiais de construção.
Description
Keywords
Materiais ativados alcalinamente Lamas residuais de tungstênio Cortiça expandida Materiais em espuma Pó de alumínio Resistência à compressão Densidade Porosidade Volume de expansão Condutividade térmica