Cement Prospect for Radiation Shielding: Belite Calcium Sulfoaluminate Synthesis from Fly Ash and Bauxite Residue

국문 초록 (Abstract)

세계 인구 증가는 지구 자원에 점점 더 많은 것을 요구하고 있습니다. 인프라는 계속 확장되고 있으며, 건설 자재의 채석량은 증가하고 있습니다. 시멘트 생산과 관련된 배출량은 빠른 속도로 계속 증가하고 있습니다. 이 문제에서 그린 칼슘 설포알루미네이트 시멘트(GCSA)와 같은 재료를 개발하는 것은 시멘트 클링커 생산을 위한 천연 자원 소비를 완화하는 데 적합한 방법 중 하나인 듯합니다. 이 연구에서 고려된 주요 원자재는 보크사이트 잔여물과 석탄 비산재였으며 교정 목적을 위해 미네랄 석회암과 화학 석고가 더해졌습니다. 이 연구는 폐기물 기반 CSA 합성과 그 미네랄 형성, 온도와 다양한 혼합물 구성이 소결 클링커 내의 여러 미네랄 상의 분포에 어떤 영향을 미치는지에 초점을 맞춥니다. 이 CSA 합성 제품은 잠재적인 방사선 장벽으로 여겨집니다. 마지막으로, 이 연구는 원자로 격납 시스템에 대한 방사선 차폐 기술의 이러한 통찰을 적용하여 우주 공간의 극한 서식지에서 미래의 우주 식민지를 위한 기술을 공유할 수 있는 가능성을 촉진합니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

World population growth is demanding more and more from Earth’s resources. Infrastructure continues to expand, and construction materials are being quarried in increment. The emissions associated with the production of cement keep increasing at a rapid rate. In this matter, developing materials like Green Calcium Sulfoaluminate cement (GCSA) seems to be one suitable mitigation measurement of the consumption of natural resources for the production of cement clinker. The main raw materials considered for this study were bauxite residue and coal fly ash and were complemented with mineral limestone and chemical gypsum for corrective purpose. This study focuses on the waste-based CSA synthesis and their mineral formation, how temperature and different mix composition affect the distribution of the several mineral phases within the sintered clinker. This CSA synthesis product is thought to be a potential radiation barrier. And lastly, this study promotes the applicability of these insights of the radiation shielding technology for nuclear reactors containment systems as a possible to share technology for future space colonies in the extreme habitats in outer space.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.1.1 Energy generation and emissions 3
• 1.1.2 Downsized expansion & SMRs 3
• 1.2 Aim and objective 5
• 1.3 Research relevance 5
• 2. Literature Review 6
• 2.1 Coal ash production and fly ash 6
• 2.1.1 Fly ash generation 6
• 2.1.2 Characterization 6
• 2.1.3 Applications 8
• 2.2 Aluminum production and bauxite residue 9
• 2.2.1 Bauxite residue generation 9
• 2.2.2 Characterization 10
• 2.2.3 Applications 11
• 2.3 Ordinary Portland Cement (OPC) 11
• 2.3.1 Emissions & limitations 13
• 2.4 Calcium Sulfoaluminate Cement (CSAC) 14
• 2.4.1 Calcium Sulfoaluminate (CSA) 18
• 2.4.2 Belite Calcium Sulfoaluminate (BCSA) 20
• 2.5 Potential in wastes: Carbon Mineralization in SCMs 21
• 3. Materials and Methods 22
• 3.1 Materials 22
• 3.2 Methods 26
• 3.2.1 Characterization of materials 26
• 3.2.2 Clinker mix design 30
• 3.2.3 Production of clinker in laboratory 32
• 3.3 Preparing specimen for hydration study: mineralogical and physical testing 35
• 4. Results and Discussion 39
• 4.1 Sieved particles distribution 39
• 4.2 Raw materials characterization 41
• 4.3 Clinker Synthesis 48
• 4.4 Effect of temperature 51
• 4.5 Hydration products 53
• 4.6 Compressive strength comparison 56
• 5. Conclusion 57
• 6. Next steps 59
• 6.1 Cementitious materials development 59
• 6.2 CCUS as a micro-filler in CSAC 59
• References 62
• Acknowledgment 72