Production and characterization of eco-cement from municipal solid waste incineration residues

This research program was aimed at developing cement ecologically from municipal solid waste incineration (MSWI) residues utilizing the wastes, reducing carbon emission and minimizing the natural resource consumption. Two types of eco-cements were produced; one with 100% MSWI residues and the other with 94% MSWI residues and 6% additives, with a clinkering temperature of 1100°C. The eco-cement demonstrated non-hydraulic behavior; however, it could be consolidated upon carbonation activation, forming a binding matrix comprised of amorphous calcium silicate hydrocarbonate, CaCO3, and gypsum. Carbonation activation of eco-cement for two hours showed compressive strength comparable to the 28 days strength of ordinary Portland cement upon hydration. Carbonation up to twelve hours further improved the compressive strength by 50% in comparison to the two hours results. Microstructural studies confirmed chloroellestadite (CE) and belite as the main strength contributors along with CO2 reactive phases in the eco-cement. For a better understanding of the carbonation reactivity and strength contribution of these phases, both chloroellestadite and belite were synthesized. Carbonation cured synthesized CE and belite showed strength behavior similar to that of eco-cement, and the carbonation-derived phases of synthesized compounds confirmed the development of CaCO3, gypsum, and calcium silicate hydrocarbonate as a strength contributing matrix. Eco-concrete slabs were produced to assess the binding properties of the eco-cement with compressive strength comparable to that of OPC concrete. Finally, extensive environmental testing results showed that the clinkering and carbonation curing process helped immobilize the hazardous elements such as heavy metals, organic compounds and dioxin, and furans. These results show that eco-cement can be safely used in commercial applications.Ce travail de recherche a démontré que le ciment peut être fabriqué écologiquement à partir de résidus municipaux d'incinération des déchets solides pour réduire l'émission de carbone, utiliser les déchets et minimiser la consommation de ressources naturelles. Deux types d'éco-ciments ont été produits; un avec des résidus de 100% de MSWI et un avec 94% de résidus de MSWI et 6% d'additifs, avec une température de clintage de 1100 °C. L'éco-ciment a montré un comportement non-hydraulique mais pourrait être consolidé lors de l'activation de la carbonatation, formant une matrice de liaison composée d'hydrocarbonate de silicate de calcium amorphe, de CaCO3 et de gypse. L'activation de la carbonatation de l'éco-ciment par deux heures a montré une résistance à la compression comparable à la résistance d'hydratation de 28 jours du ciment Portland ordinaire. La carbonatation jusqu'à douze heures a encore amélioré la résistance à la compression de 50% par rapport aux résultats de deux heures. Les études microstructurales confèrent au chloroellestadite et au bélite le principal facteur de force et les phases de réaction au CO2 dans l'éco-ciment. Pour une meilleure compréhension de la réactivité de la carbonatation et la contribution de la force de ces phases, le chloroellestadite et le bélite ont été synthétisés. La carbonatation polymérisée ce et le bélite ont montré des analogues de comportement de résistance à l'éco-ciment, et les phases dérivées de carbonatation des composés synthétisés ont confirmé le développement du CaCO3, du gypse et de l'Hydrocarbonat de silicate de calcium comme force matrice contributif. Des dalles d'éco-béton ont été produites pour évaluer les propriétés de liaison de l'éco-ciment avec une résistance à la compression comparable au béton OPC. Enfin, de vastes résultats de tests environnementaux ont montré que le processus de polymérisation et de carbonatation a permis d'immobiliser l'élément dangereux tel que les métaux lourds, les composés organiques et les dioxines et les furannes. Ces résultats ont montré que l'éco-ciment peut être utilisé en toute sécurité dans les applications commerciales