Synthesis and alkali activation of Magnesium-rich aluminosilicates

Abstract Alkali-activated materials (AAMs) are alternative cementitious materials with lower carbon footprints compared to traditional Portland cement (PC). In addition to Ca, Si, and Al, the precursors used in the preparation of AAMs can sometimes include considerable amounts of Mg, so that Mg significantly influences the structure and properties of AAMs. When compared to Ca, Si, and Al, relatively few studies have focused on the role of Mg in AAMs. This thesis deals with alkali activation of Mg-rich aluminosilicate precursors with the following objectives: 1) preparation, characterization, and estimation of alkaline reactivity of Na-Mg aluminosilicate glasses; 2) synthesis of AAMs from Na-Mg aluminosilicate glasses and their detailed characterization to understand the fate of Mg; and 3) estimation of the potential of phlogopite as a Mg-rich raw material for alkali activation. The structural study of Na-Mg aluminosilicate glasses indicates that the higher cationic field strength (CFS) of Mg than Na makes Mg preferable as a network modifier, whereas Na acts as a charge compensator. Alkaline reactivity studies of Na-Mg aluminosilicate glasses reveal that as Mg replaces Na in glasses, the reactivity of the glasses increases initially, attains a maximum, and then drops. This trend can be explained by the interplay between glass depolymerization and optical basicity: depolymerization dictates the glass reactivity initially, while the effect of optical basicity dominates at later stages. Detailed structural study of AAMs prepared from Na-Mg aluminosilicate glasses indicates that Mg in AAMs exists as an amorphous magnesium silicate (AMS) phase, but the existence of this phase is not well documented in the literature. The driving force for AMS formation is the high CFS of Mg, which leads to effective stabilization of the depolymerized silicate species. The absence of hydrotalcite-group phases from these AAMs is due to the depletion of Al by zeolite production. The assessment of phlogopite mineral as a Mg-rich precursor for alkali activation indicates that untreated phlogopite is highly inert. However, thermal treatment could enhance the alkaline reactivity of phlogopite.Tiivistelmä Alkali -aktivoidut materiaalit (AAM) ovat vaihtoehtoisia sementtimateriaaleja, joilla on pienempi hiilijalanjälki verrattuna perinteiseen portland -sementtiin (PC). Ca: n, Si: n ja Al: n lisäksi esiasteissa (joita käytetään AAM: ien valmistukseen) voi joskus olla huomattava määrä Mg: tä, ja tämä johtaa siihen, että Mg vaikuttaa merkittävästi AAM: ien rakenteeseen ja ominaisuuksiin. Verrattuna Ca, Si ja Al, on ollut suhteellisen vähän tutkimuksia, joissa keskitytään Mg: n rooliin AAM: issä. Tämä opinnäytetyö käsittelee Mg-rikkaiden alumiinisilikaattiesiasteiden alkaliaktivaatiota seuraavilla tavoitteilla: 1) Na-Mg-alumiinisilikaattilasien alkalisen reaktiivisuuden valmistelu, karakterisointi ja arviointi; 2) synteesi AAM: istä Na-Mg-alumiinisilikaattilasista ja niiden yksityiskohtainen karakterisointi Mg: n kohtalon ymmärtämiseksi; 3) Flogopiitin potentiaalin arviointi Mg-rikkaana raaka-aineena alkalin aktivoimiseksi. Na-Mg-alumiinisilikaattilasien rakennetutkimus osoittaa, että Mg: n korkeamman kationisen kentänvoimakkuuden (CFS) takia Na: n vuoksi Mg on edullinen verkon muokkaajana, kun taas Na toimii varauksen kompensoijana. Na-Mg-alumiinisilikaattilasien alkaliset reaktiivisuustutkimukset paljastavat, että kun Mg korvaa Na: n lasissa, lasien reaktiivisuus kasvaa aluksi ja saavuttaa maksimin, minkä jälkeen se laskee. Tämä suuntaus voidaan selittää lasin depolymeroinnin ja optisen emäksisyyden välisellä vuorovaikutuksella: depolymerointi sanelee aluksi lasin reaktiivisuuden, kun taas optisen emäksisyyden vaikutus hallitsee myöhemmässä vaiheessa. Yksityiskohtainen rakenteellinen tutkimus AAM: ista, jotka on valmistettu Na-Mg-alumiinisilikaattilasista, osoittaa, että Mg AAM-yhdisteissä esiintyy amorfisena magnesiumsilikaatti (AMS) -faasina, jonka olemassaoloa ei ole hyvin dokumentoitu kirjallisuudessa. AMS: n muodostumisen liikkeellepaneva voima on Mg: n korkea CFS, mikä johtaa depolymeroitujen silikaattilajien tehokkaaseen vakautumiseen. Hydrotaltsiittiryhmän faasien puuttuminen näistä AAM: ista on havaittu johtuvan Al: n ehtymisestä zeoliittituotannolla. Flogopiittimineraalin arviointi Mg-rikkaana esiasteena alkalin aktivoitumiselle osoittaa, että käsittelemätön flogopiitti on erittäin inertti. Lämpökäsittely voi kuitenkin parantaa flogopiitin emäksistä reaktiivisuutta