Alkali activated materials as a sustainable material solution for waste remediation, smart construction, and energy storage applications

Di Mare, Michael (2023). Alkali activated materials as a sustainable material solution for waste remediation, smart construction, and energy storage applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Alkali activated materials (AAM) are a class of amorphous aluminosilicate solids that have attracted interest because of their facile production and unusual properties. They cure at room temperature without energy-intensive processing and can be produced from industrial byproducts, making them an environmentally friendly alternative to ceramics and cement products. AAM have been heavily studied as a green alternative to Portland cement but, to date, have seen little commercialization in North America. Two key obstacles to their industrial production are (1) the competition for raw materials with cement production and (2) the lack of high-value applications to facilitate the scale up of AAM production. This thesis addresses these challenges by proposing a new methodology to utilize bauxite residue as a raw material for high-strength AAM and identifying new applications that serve as a stepping stone to scale up AAM production.

Bauxite residue is a large volume by-product of the aluminum industry that is particularly significant to the province of Quebec. In this thesis, the first obstacle to AAM production is addressed by developing a new methodology to utilize bauxite residue as a raw material for high-strength AAM. While the use of bauxite residue as a raw material is not new, the proposed methodology triples the content of bauxite residue in the AAM, up to 77%, can valorize bauxite residue in its raw state without additional modification, and achieve compressive strength over 32 MPa, exceeding the ASTM standards for load-bearing structural materials.

The second obstacle to AAM production is addressed through the identification of new highvalue applications for AAM from an investigation of their unique electrical and electromechanical properties. AAM were discovered to possess a unique self-sensing property that can be leveraged to produce smart construction materials. Unlike cement, AAM exhibit self-sensing as an intrinsic material property without the need for costly self-sensing additives. This makes AAM an unparalleled solution for the field of smart construction materials. AAM with self-sensing piezoresistivity above 50% and compressive strength above 50 MPa were produced, demonstrating the possibility to tune the composition of AAM to achieve both high self-sensing and mechanical performance. An investigation of the electrical properties of AAM revealed an unprecedented dielectric behavior. AAM have not been previously considered as an alternative to dielectric ceramics, but the results demonstrate that they are among the most polarizable materials ever reported with dielectric constants as high as 109 . This presents a novel opportunity to utilize AAM as a powerful low-cost alternative for supercapacitors. These two applications provide a new avenue to scale up AAM production and take advantage of this environmentally friendly class of materials.

Titre traduit

Méthodes et matériaux pour les matériaux à activation alcaline dans des applications structurelles, d’auto-détections et diélectriques

Résumé traduit

Les matériaux à activation alcaline (AAM) sont une catégorie de solides aluminosilicates amorphes qui ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur production facile et de leurs propriétés inhabituelles. Ils durcissent à température ambiante sans traitement à forte intensité énergétique et peuvent être produits à partir de sous-produits industriels, ce qui en fait une alternative écologique aux produits en céramique et en ciment. AAM a fait l'objet d'études approfondies en tant que solution de rechange écologique au ciment Portland mais, à ce jour, il a été peu commercialisé en Amérique du Nord. Deux obstacles clés à l’augmentation de la production sont (1) la concurrence pour les matières premières avec l'industrie du ciment et (2) le manque d'applications à forte valeur ajoutée pour faciliter le passage à l'échelle de la production d'AAM. Cette thèse relève ces défis en proposant une nouvelle méthodologie pour utiliser les résidus de bauxite comme matière première pour l'AAM à haute résistance et en identifiant de nouvelles applications qui servent de tremplin pour la production à grande échelle d'AAM.

Le résidu de bauxite est un sous-produit de l'industrie de l'aluminium qui revêt une importance particulière pour la province de Québec. Dans cette thèse, le premier obstacle à la production d'AAM est abordé en développant une nouvelle méthodologie pour utiliser les résidus de bauxite comme matière première pour l'AAM à haute résistance. Bien que l'utilisation de résidus de bauxite comme matière première ne soit pas nouvelle, la méthodologie proposée permet de tripler la teneur en résidus de bauxite dans l'AAM (jusqu'à 77%), de valoriser les résidus de bauxite à l'état brut sans modification supplémentaire et d'atteindre une résistance à la compression supérieure à 32 MPa, dépassant les normes ASTM pour les matériaux structurels porteurs.

Le deuxième obstacle à la production d'AAM est abordé par l'identification de nouvelles applications à haute valeur ajoutée pour l'AAM à partir d'une étude de leurs propriétés électriques et électromécaniques uniques. Il a été démontré que les AAM possèdent une propriété unique d'auto-détection qui peut être exploitée pour produire des matériaux de construction intelligents. Contrairement au ciment, les AAM possèdent l'auto-détection comme propriété intrinsèque du matériau, sans qu'il soit nécessaire d'ajouter de coûteux additifs. Cela fait des AAM une solution inégalée dans le domaine des matériaux de construction intelligents. L'AAM testé a été produit avec une piézorésistivité supérieure à 50 % et une résistance à la compression supérieure à 50 MPa, ce qui démontre la possibilité d'ajuster la composition de l'AAM pour obtenir des performances mécaniques et d'autodétection élevées. Une étude des propriétés électriques de l'AAM a révélé un comportement diélectrique sans précédent. Les AAM n'ont pas été considéré auparavant comme une alternative aux céramiques diélectriques, mais les résultats démontrent qu'ils sont parmi les matériaux les plus polarisables jamais rapporté avec des constantes diélectriques aussi élevées que 109 . Cela présente une nouvelle opportunité d'utiliser les AAM comme une alternative puissante et peu coûteuse pour les supercondensateurs. Ces deux applications offrent une nouvelle possibilité d'augmenter la production d'AAM et de tirer parti de cette catégorie de matériaux respectueux de l'environnement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 219-254).
Mots-clés libres:	alkali activated materials, one-part geopolymer, bauxite residue, red mud, leaching behavior, self-sensing, piezoresistivity, structural health monitoring, dielectric constant
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ouellet-Plamondon, Claudiane
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	09 mars 2023 15:49
Dernière modification:	09 mars 2023 15:49
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3195

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