Various deleterious chemicals can be introduced to existing concrete structures from various external sources. The deterioration of concrete by seawater attack is involved in complex processes due to various elements contained in seawater. In the present study, attention was paid to the formation of secondary minerals and characteristics of mineralogical and micro-structural changes involved in concrete deterioration caused by the influence of major seawater composition. The characteristics of deterioration occurred in existing concrete structures was carefully observed and samples were collected at many locations of coastal areas in Busan-Kyungnam. The petrographic, XRD, SEM/EDAX analyses were conducted to determine chemical, mineralogical and micro-structural changes in the aggregate and cement paste of samples. The experimental concrete deteriorations were performed using various chloride solutions (NaCl, CaCl, $MgCl_2$ and $Na_2SO_4$ solution. The experimental results were compared with the observation results in order to determine the effect of major elements in seawater on the deterioration. The alkalies in seawater appear to accelerate alkali-silica reaction (ASR). The gel formed by ASR is alkali-calcium-silica gel which known to cause severe expansion and cracking in concrete. Carbonation causes the formation of abundant less-cementitious calcite and weaken the cement paste. Progressive carbonation significantly affects on the composition and stability of some secondary minerals. Abundant gypsum generally occurs in concretes subjected to significant carbonation, but thaumasite ({$Ca_6/[Si(OH)_6]_2{\cdot}24H_2O$}${\cdot}[(SO_4)_2]{\cdot}[(CO_3))2]$) occurs as ettringite-thaumasite solid solution in concretes subjected to less significant carbonation. Experimentally, ettringite can be transformed to trichloroaluminate or decomposed by chloride ingress under controlled pH conditions. Mg ions in seawater cause cement paste deterioration by forming non-cementitious brucite and magnesium silicate hydrate (MSH).
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.24
no.2
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pp.181-191
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2024
In the realm of cement manufacturing, concerted efforts are underway to mitigate the emission of greenhouse gases. A significant portion, approximately 60%, of these emissions during the cement clinker sintering process is attributed to the decarbonation of limestone, which serves as a fundamental ingredient in cement production. Prompted by these environmental concerns, there is an active pursuit of alternative technologies and admixtures for cement that can substitute for limestone. Concurrently, initiatives are being explored to harness technology within the cement industry for the capture of carbon dioxide from industrial emissions, facilitating its conversion into carbonate minerals via chemical processes. Parallel to these technological advances, economic growth has precipitated a surge in construction activities, culminating in a steady escalation of construction waste, notably waste concrete. This study is anchored in the innovative production of calcium silicate cement clinkers, utilizing finely powdered waste concrete, followed by a thorough analysis of their mineral phases. Through X-ray diffraction(XRD) analysis, it was observed that increasing the substitution level of waste concrete powder and the molar ratio of SiO2 to (CaO+SiO2) leads to a decrease in Belite and γ-Belite, whereas minerals associated with carbonation, such as wollastonite and rankinite, exhibited an upsurge. Furthermore, the formation of gehlenite in cement clinkers, especially at higher substitution levels of waste concrete powder and the aforementioned molar ratio, is attributed to a synthetic reaction with Al2O3 present in the waste concrete powder. Analysis of free-CaO content revealed a decrement with increasing substitution rate of waste concrete powder and the molar ratio of SiO2/(CaO+SiO2). The outcomes of this study substantiate the viability of fabricating calcium silicate cement clinkers employing waste concrete powder.
The studied Fe-REE ore consists of magnetite, ankerite, siderite, magnesite and strontianite as the major constituent, and monazite, columbite, fergusonite, apatite, aegirine-augite, Na-amphibole, pyrite, chalcopyrite, sphalerite, molybdenite and barite as accessaries. Wall rock of ore deposits is replaced to fenite due to Na-metasomatism and mainly consists of sugary albite and Na-amphibole. Monazite $Ce_{0.49}La_{0.31}Pr_{0.14}Nd_{0.03}Gd_{0.03})PO_4$ is the main mineral for REE deposit and shows myrmekitic intergrowth with strontianite $Ca_{0.02-0.16}Sr_{0.84-0.98}CO_3$ and is corroded by carbonate minerals. Mineral forming sequence can be divided into early and late periods by the development of microfractures. The early period minerals such as magnetite, ankerite, magnesite, monazite and apatite show well developed networks of microfractures due to cataclastic deformation caused by enriched $CO_2$ gas in melts during emplacement. The late minerals of columbite, fergusonite, siderite molybdenite, chalcopyrite and sphalerite formed after the brecciation event and have little micro-fractures. Ankerite, magnesite, monazite, strontianite, barite and pyrite seem to be formed continuously from the ealy to the late period since they show textures both with well developed fractures and also with little fractures. Mineral chemistry, mineral assemblages such as various carbonate minerals, magnetite, REE minerals of monazite and fergusonite, Sr mineral of strontianite, and Nb minerals of columbite, myrmekitic texture of monazite and ankerite, and well developed fenite along ore deposits observed from this studied area strongly indicate that this Hongcheon Fe-REE ore deposits are formed from carbonatitic melt and its rock type is late differentiated Fe-carbonatite or ankerite-carbonatite.
The objectives of this study were to recover silica and iron oxides and $CO_2$ sequestration using serpentine via various acid dissolution and pH swing processes. Serpentine collected from Guhang-myeon in S. Korea were mainly composed of antigorite and magnetite consisting of $SiO_2$ (45.3 wt.%), MgO (41.3 wt.%), $Fe_2O_3$ (12.2 wt.%). Serpentine pulverized ($${\leq_-}75{\mu}m$$) and then dissolved in 3 different acids, HCl, $H_2SO_4$, $HNO_3$. Residues treated with acidic solution were recovered from the solution (step 1). And then the residual solution containing dissolved serpentine was titrated using $NH_4OH$. And pH of the solution increased up to pH=8.6 to obtain reddish precipitates (step 2). After recovery of the precipitates, the residual solution reacted with $CO_2$ and then pH increased up to pH=9.5 to precipitate white materials (step 3). The mineralogical characteristics of the original sample and harvested precipitates were examined by XRD, and TEM-EDS analyses. ICP-AES analysis was also used to investigate solution chemistry. The dissolved ions were Mg, Si, and Fe. The antigorite became noncrystralline silica after acid treatment (step 1). The precipitate at pH=8.6 was mainly amorphous iron oxide, of which size ranged from 2 to 10 nm and mainly consisting of Fe, O, and Si (step 2). At pH=9.5, nesquehonite [$Mg(HCO_3)(OH){\cdot}2(H_2O)$] and lasfordite [$MgCO_3{\cdot}H_2O$] were formed after reaction with $CO_2$ (step 3). The size of carbonated minerals was ranged from 1 to $6{\mu}m$. These results indicated that the acid treatment of serpentine and pH swing processes for the serpentine can be used for synthesis of other materials such as silica, iron oxides and magnesium carbonate. Also, This process may be useful for the precursor synthesis and $CO_2$ sequestration via mineral carbonation.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.36
no.5
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pp.342-351
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2014
The present paper investigates the performance of direct wet mineral carbonation technology to fix carbon dioxide ($CO_2$) from relatively high $CO_2$ concentration feeding gas using wollastonite ($CaSiO_3$)-water (and 0.46 M acetic acid) suspension solution. To minimize the energy consumed on the process, the carbonation in this work is carried out at atmospheric pressure and slightly higher room temperature. As a result, carbon fixation is confirmed on the surface of $CaSiO_3$ after carbonation with wollastonite-water suspension solution and its amount is increased according to the $CO_2$ composition in the feeding gas. The leaching and carbonation ratio of wollastonite-water suspension system obtained from the carbonation with 50% of $CO_2$ composition feeding gas is 13.2% and 10.4%, respectively. On the other hand, the performance of wollastonite-acetic acid in the same condition is 63% for leaching and 1.39% for carbonation.
Son, Minah;Kim, Gookhee;Han, Kunwoo;Lee, Min Woo;Lim, Jun Taek
Korean Chemical Engineering Research
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v.55
no.2
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pp.141-155
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2017
In the present paper, we investigated the development status of precipitated calcium carbonate (PCC) production using steel slag, which is one of mineral carbonation (MC) technologies, from the standpoint of $CO_2$ utilization. Principle, feature, and global and domestic development status of the mineral carbonation technology were discussed together with the overview of the production method and market of PCC. Mineral carbonation is known as stable and environmentally-friendly technology enabling economical treatment of industrials wastes. Typically, PCC is produced by the reaction of $CO_2$ with supernatant solution after Ca extraction from steel slag followed by the separation of solid and liquid. The development status of MC using steel slag is at the pilot stage (Slag2PCC at Aalto University), and there remains the process economics improvement for commercialization. Key technologies for the further development are efficient extraction of Ca ions from steel slag including impurities removal, valorization of PCC via shape and size control, usage development and value-addition of residual slag, and optimization of reaction conditions for continuous process setup, etc.
Magnesium silicate minerals such as serpentine [Mg3Si2O5(OH)4] have a high potential for the sequestration of CO2; thus, their reactivity toward dissolution under CO2-free and CO2-containing conditions in acidic solvents is a critical process with respect to their carbonation reactions. To examine the carbonation efficiency and dissolution mechanism of serpentine, hydrothermal treatment was performed to the starting material via a modified direct aqueous carbonation process at 100 and 150℃. The serpentine dissolution experiments were conducted in H2SO4 solution with concentration range of 0.3-1 M and at a CO2 partial pressure of 3 MPa. The initial pH of the solution was adjusted to 13 for the carbonation process. Under CO2-free and CO2-containing conditions, the carbonation efficiency increased in proportion to the concentration of H2SO4 and the reaction temperature. The leaching rate under CO2-containing conditions was higher than that under CO2-free conditions. This suggests that shows the presence of CO2 affects the carbonation reaction. The leaching and carbonation efficiencies at 150℃ in 1 M H2SO4 solution under CO2-containing conditions were 85 and 84%, respectively. The dissolution rate of Mg was higher than that of Si, such that the Mg : Si ratio of the reacted serpentine decreased from the inner part (approximately 1.5) to the outer part (less than 0.1). The resultant silica-rich layer of the reaction product ultimately changed through the Mg-depleted skeletal phase and the pseudo-serpentine phase to the amorphous silica phase. A passivating silica layer was not observed on the outer surface of the reacted serpentine.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.5
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pp.165-172
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2021
The purpose of this study is to investigate the carbon capture capacity of various inorganic materials. For this purpose, the change in property of ordinary Portland cement (OPC), blast furnace slag fine powder (GGBS), and circulating fluidized bed boiler ash (CFBC) due to carbonation were analyzed. Carbonation curing was performed on all specimens through the accelerated carbonation experiment, and the amount of carbon capture was quantitatively analyzed by thermogravimetric analysis according to the age of carbonation. From the results, it is confirmed that the carbon capture capacity was shown in all specimens. The carbon capture amount was shown in the order of CFBC, OPC, and GGBS. The 28-day carbon capture of CFBC, OPC, and GGBS was 3.9%, 1.3%, and 9.4%, respectively. Carbon capture reaction occurred rapidly at the beginning of carbonation, and occurred slowly with increasing age. SEM image analysis revealed that an additional product generated by carbonation curing in all specimens was calcium carbonate.
Electrolyzed reduced water was known as an alkaline solvent than piped water, natural water and mineral water etc. By means of reduction property, electrolyzed reduced water could dissolve a solute than other kinds of water without chemicals. In this study, serpentine dissolution in electrolyzed reduced water was investigated as a novel pre-treatment of serpentine which was a minerals for carbon dioxide sequestration. The elements (Ca, Si, Mg etc.) of serpentine were dissolved rapidly at early in the dissolvation then after some minutes the solubilities of serpentine elements showed stable state without abrupt changes. In spite of serpentine elements dissolution, chemical bondings and crystallographic structure of serpentine were not changed. It was explained that the dissolution mechanism of serpentine occurred from surface in electrolyzed reduced water and bulk structure sustained without collapse.
Ki-Yeon Moon;Byung-Ryeol Kim;Seung-Han Lee;Moon-Kwan Choi;Kye-Hong Cho;Jin-Sang Cho
Resources Recycling
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v.31
no.6
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pp.52-59
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2022
Calcium silicate based cement (CSC) is a low-carbon cement that emits less CO2 by up to 70% compared to ordinary Portland cement during its manufacture. Most developed countries have commercialized CSC, whereas Korea is still investigating the manufacturing characteristics and basic properties of CSC. This paper provides a review of methods for manufacturing CSC using domestic raw materials and discusses the possibility of CSC localization based on an evaluation of the basic physical properties of manufactured CSC. The experimental results of this study indicate that the primary mineral components of CSC were CS, C3S2 C2S, and unreacted SiO2. This suggests the possibility of manufacturing CSC using domestic raw materials that exhibit mineral compositions similar to that of theoretical CSC. The compressive strength of CSC mortar is less than 1MPa at the age of 7 d under wet curing. This implies that hydration does not affect the property development of CSC mortar. Meanwhile, during carbonation curing, the compressive strength is 56 MPa or higher after 7 d, which indicates excellent early strength development. Furthermore, results of Thermogravimetric Analysis Differential scanning calorimetry (TG/DSC) show that a significant amount of CaCO3 is formed, which is consistent with the results of previous studies. This implies that carbonation is associated significantly with the properties of CSC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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