Studying the ability of sewage sludge ash in controlling alkali-silica reaction and it's synergic behavior with natural pozzolans

Document Type : Research Paper

Authors

Faculty of Civil Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

10.22124/jcr.2023.20862.1525

Abstract

Sewage sludge is one of the subsidiary products of sewage treatment that should be managed in an appropriate way due to its pollutant components and massive production. One of these methods is incineration. In recent decades, many studies have been done on sewage sludge ash (SSA) as a supplementary cementitious material (SCMs) in concrete. On the other hand, one phenomena leading to deterioration of concrete, is alkali-silica reaction (ASR). One way to control this reaction is through using SCMs that prevent the formation of alkali-silica gel and expansion by consuming alkalis available in cement paste. According to results obtained from SSA utilized as SCM in former studies, it is possible that it could prevent ASR in concrete by decreasing the alkali content. However, very few studies have been done on this issue. In this study, SSA was used as a replacement for cement at 10, 30 and 50% levels in order to assess its ability to control ASR. In addition, the effect of trass and pumice as natural pozzolans in improving its ability to control ASR was investigated. The results revealed that only at 50% replacement level, SSA was able to control the ASR expansion in mortars. However adding 5% trass or 10% pumice improved this ability to a considerable extent.

Keywords

Main Subjects

References

]1[ افشاری, سجاد؛ محمدجواد خانجانی و حبیبه قدسی، ۱۳۹۸، بررسی عملکرد تصفیه­خانه­ی فاضلاب، پنجمین همایش بین­المللی مهندسی عمران، معماری و شهرسازی با رویکرد توسعه پایدار، شیراز، مرکز راهکارهای دستیابی به توسعه پایدار.
]2[ تکدستان, افشین؛ علی اکبر عظیمی و علی ترابیان، ۱۳۸۵، بررسی میزان تولید لجن فاضلاب در ایران و روشهای کاهش تولید لجن در فرایندهای بیولوژیکی هوازی تصفیه فاضلاب، سومین همایش ملی بحرانهای زیست محیطی ایران و راهکارهای بهبود آنها، اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی - واحد علوم و تحقیقات مرکز اهواز.
[3] Tchobanoglous G, Burton FL, Stensel HD. Wastewater engineering. Management. 1991;7:1-4.
[4] Metcalf L, Eddy HP, Tchobanoglous G. Wastewater engineering. Treatment, disposal, and reuse. New York: McGraw-Hill; 1979.
[5] Cieślik BM, Namieśnik J, Konieczka P. Review of sewage sludge management: standards, regulations and analytical methods. Journal of Cleaner Production. 2015 Mar 1;90:1-5.
]6[ ارشد ترابی، م. (1394)، "تاثیر کاربرد خاکستر لجن فاضلاب شهری به عنوان پوزولان جایگزین بخشی از سیمان بر ویژگی­های فیزیکی، مکانیکی و پایایی بتن"، پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی محیط زیست، دانش، ش. (استاد راهنما)، توکلی­زاده، م. (مشاور)، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه فردوسی مشهد.
[7] Werther J, Ogada T. Sewage sludge combustion. Progress in energy and combustion science. 1999 Feb 1;25(1):55-116.
[8] Alleman JE, Berman NA. Constructive sludge management: biobrick. Journal of Environmental Engineering. 1984 Apr;110(2):301-11.
[9]  Tay JH. Bricks manufactured from sludge. Journal of Environmental Engineering. 1987 Apr;113(2):278-84.
[10] Weng CH, Lin DF, Chiang PC. Utilization of sludge as brick materials. Advances in environmental research. 2003 May 1;7(3):679-85.
[11] Al Sayed MH, Madany IM, Buali AR. Use of sewage sludge ash in asphaltic paving mixes in hot regions. Construction and Building Materials. 1995 Feb 1;9(1):19-23.
[12]   Endo H, Nagayoshi Y, Suzuki K. Production of glass ceramics from sewage sludge. Water Science and Technology. 1997 Jan 1;36(11):235-41.
[13]   Merino I, Arévalo LF, Romero F. Preparation and characterization of ceramic products by thermal treatment of sewage sludge ashes mixed with different additives. Waste Management. 2007 Jan 1;27(12):1829-44.
[14] Tanaka H, Suzuki T, Yoshigae T, Takehana N. Producing crystallized slag from sewage sludge ash. RESEARCH AND DEVELOPMENT-KOBE-. 1993;43:17-17.
[15] Bhatty JI, Reid KJ. Compressive strength of municipal sludge ash mortars. Materials Journal. 1989 Jul 1;86(4):394-400.
[16] Tay JH, Yip WK, Show KY. Clay-blended sludge as lightweight aggregate concrete material. Journal of Environmental Engineering. 1991 Nov;117(6):834-44.
 [17]  Tay JH. Sludge ash as filler for Portland cement concrete. Journal of Environmental Engineering. 1987 Apr;113(2):345-51.
[18]  Monzó J, Paya J, Borrachero MV, Córcoles A. Use of sewage sludge ash (SSA)-cement admixtures in mortars. Cement and Concrete Research. 1996 Sep 1;26(9):1389-98.
[19] Garcés P, Carrión MP, García-Alcocel E, Payá J, Monzó J, Borrachero MV. Mechanical and physical properties of cement blended with sewage sludge ash. Waste management. 2008 Dec 1;28(12):2495-502.
]20[ ارشد ترابی, محمدامین؛ شهناز دانش و محمدرضا توکلی­زاده، ۱۳۹۳، اثر خاکستر لجن فاضلاب به عنوان ماده پوزولانی بر خواص مکانیکی بتن، سومین کنفرانس و نمایشگاه بین­المللی صنعت سیمان، انرژی و محیط زیست، تهران، دانشگاه تهران.
[21] Cyr M, Coutand M, Clastres P. Technological and environmental behavior of sewage sludge ash (SSA) in cement-based materials. Cement and Concrete Research. 2007 Aug 1;37(8):1278-89.
[22] Tantawy MA, El-Roudi AM, Abdalla EM, Abdelzaher MA. Evaluation of the pozzolanic activity of sewage sludge ash. International Scholarly Research Notices. 2012;2012.
]23[ نیک منش، امیرمهدی و رمضانیان پور، امیرمحمد و شکرچی زاده، محمد،1398،بررسی اثر دمای حرارت دهی بر خواص خاکستر لجن فاضلاب (SSA) و امکان سنجی استفاده از آن در مصالح بتنی،یازدهمین کنفرانس ملی بتن،تهران
]24[ پیدایش, منصور، ۱۳۸۴، بتن و تعامل آن با محیط زیست، دومین کنفرانس بین­المللی بتن و توسعه، تهران، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن.
]25 [ شکرچی­زاده, محمد, میرزایی, زانیار. آموزش مهندسی بتن و سیمان با رویکرد توسعه پایدار و حفظ محیط زیست. نشریه دانشکده فنی, 1388; 43(2).
]26[ صفری, نیلوفر و مریم میرابی، ۱۳۹۵، بررسی و ارزیابی بتن­های سازگار با محیط زیست، سمینار ملی بتن­های سازگار با محیط زیست.
[27] Mehta PK, Monteiro PJ. Concrete microstructure, properties and materials. 2017.
[28] Stanton TE. Influence of cement and aggregate on concrete expansion. Engineering News-Record. 1940 Feb 1.
[29] Stanton TE. Expansion of concrete through reaction between cement and aggregate, Proc. Am. Soc. Civ. Eng. 66 (10) (1940) 1781–1811.
[30] Shayan A, Diggins R, Ivanusec I. Effectiveness of fly ash in preventing deleterious expansion due to alkali-aggregate reaction in normal and steam-cured concrete. Cement and Concrete Research. 1996 Jan 1;26(1):153-64.
]31[ حامدی راد, محمدامین و سیدسجاد میرولد، ۱۳۹۸، بررسی اثر سرباره ایران بر واکنش زایی قلیایی-سیلیسی سنگ‌دانه­های بتن، یازدهمین کنفرانس ملی بتن، تهران- مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، انجمن بتن ایران.
]32[ صدرممتازی, علی؛ امید علیدوست؛ نامی غفارنیا و محراب پورنصیر، ۱۳۸۷، واکنش سیلیسی- قلیایی (ASR) در بتن حاوی سنگ‌دانه­های شیشه­ای و اثر پوزولان­های مختلف بر میزان واکنش­پذیری، چهارمین کنگره ملی مهندسی عمران، تهران، دانشگاه تهران.
[33] Barger GM, Hulshizer AJ, Popovics S, Call BM, Jaber TM, Prusinski J, Carrasquillo RL, Jensen JS, Ravina D, Cook JE, Jordan ES. Use of Raw or Processed Natural Pozzolans in Concrete.
[34] Mohammadi, Afshin and Ghiasvand, Ebrahim,1398,Effect of cement based products containing Trass on expansion due to alkali silica reaction (ASR),Eleventh National Congress on Civil Engineering,Shiraz
[35] Gökçe HS, Şimşek O, Korkmaz S. Reduction of alkali− silica reaction expansion of mortars by utilisation of pozzolans. Magazine of concrete research. 2013 Apr;65(7):441-7.
[36] Ramasamy U, Tikalsky P. Evaluation report of hess pumice. Concrete and Materials Research and Evaluation Laboratory Department of Civil and Environmental Engineering. The University of UTAH. 2012 Jun 11.
[37] Thomas M. The effect of supplementary cementing materials on alkali-silica reaction: A review. Cement and concrete research. 2011 Dec 1;41(12):1224-31.
]38[  شیخی، عباس؛ مجتبی عسکری؛ مجید حیدری و علیرضا آسفی، 1398، ارائه برخی از تجربیات فنی و اجرایی بدست آمده از روسازی بتنی در منطقه یک آزادراه تهران شمال، سومین کنفرانس ملی رویه­های بتنی ،تهران.
[39] ASTM C1260-21, Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Method), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2021.
[40] ASTM C1567-21, Standard Test Method for Determining the Potential Alkali-Silica Reactivity of Combinations of Cementitious Materials and Aggregate (Accelerated Mortar-Bar Method), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2021.
[41] ASTM C311 / C311M-18, Standard Test Methods for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for Use in Portland-Cement Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2018.
[42] ASTM C109 / C109M-21, Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars (Using 2-in. or [50 mm] Cube Specimens), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2021.
[43] ASTM C305-20, Standard Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2020.
[44] ASTM C618-19, Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019.

Files

Share

How to cite

Statistics