Development and assessment of magnesium phosphate cements by using industrial by-products and wastes

Abstract

[eng] The construction sector is globally recognized as a significant contributor to environmental pollution, particularly in terms of climate change and the depletion of natural resources. These environmental impacts arise from various factors, including the materials used, the technologies applied, and transportation processes involved. In response, the industry is increasingly prioritizing strategies to reduce its carbon footprint by adopting innovative solutions that minimize environmental impact and promote sustainability. One such approach is the development of alternative cements that valorise industrial by-products and wastes. These efforts aim to conserve natural resources, protect the environment, and promote sustainable construction practices. Among these alternatives, magnesium phosphate cement (MPC) has gained recognition as a promising option. MPC is typically composed of a magnesium oxide (MgO) source and a phosphate source. However, due to the high carbon dioxide emissions associated with the production of pure magnesium oxide, identifying sustainable alternatives is essential to minimizing their environmental impact. This PhD thesis explores the feasibility of using industrial by-products and wastes as substitutes for pure magnesium oxide in the production of MPC. Specifically, it focuses on tundish deskulling waste (TUN), a waste of the steel industry, and low-grade magnesium oxide (LG-MgO; LG), a by-product derived from magnesite calcination. This approach aligns with principles of the circular economy, promotes efficient wastes management, and contributes to the achievement of sustainable development goals (SDGs), particularly in addressing climate change. The research began with a comprehensive evaluation of the global landscape of alternative magnesium oxide sources, offering valuable context while identifying existing opportunities and challenges. Following, a detailed investigation was conducted into the properties of TUN, marking its first-ever application as a raw material for MgO-based cements. The analysis assessed its suitability for cement formulations, its performance in mortar development, and, finally, its environmental impact through a life cycle assessment (LCA).

Subsequent chapters focused on the characterization of cements incorporating TUN and LG-MgO. The first study examined the synergistic effects of combining these materials, emphasizing their compatibility and mutual benefits. The second study shifted attention solely on LG-MgO, exploring its versatility and potential for innovative applications in the construction sector. The present doctoral thesis highlights the transformative potential of alternative secondary sources, such as TUN and LG-MgO, as sustainable raw materials for MPC production. By minimizing the environmental footprint of conventional cement formulations, this research offers a pathway for a greener and more sustainable construction industry, emphasizing the pivotal role of industrial by-products and wastes in the advancement of cementitious materials.

[cat] El sector de la construcció és reconegut globalment com un dels principals responsables de la contaminació ambiental, especialment pel canvi climàtic i l’esgotament dels recursos naturals. Aquest impacte prové dels materials utilitzats, les tecnologies emprades i els processos de transport. En resposta, aquesta indústria busca reduir la seva petjada de carboni mitjançant solucions innovadores i sostenibles. Una estratègia per aconseguir-ho és el desenvolupament de ciments alternatius que valoritzin residus i subproductes industrials. Aquests ciments tenen com a objectiu conservar els recursos naturals, protegir el medi ambient i fomentar pràctiques de construcció més sostenibles. El ciment de fosfat de magnesi (MPC), format per una font d’òxid de magnesi (MgO) i una font de fosfat, és una opció prometedora. No obstant això, la producció d’òxid de magnesi de pur genera elevades emissions de diòxid de carboni, per la qual cosa és essencial identificar alternatives més sostenibles. Aquesta tesi doctoral explora la viabilitat d’utilitzar residus i subproductes industrials com a substituts de l’òxid de magnesi pur per a la producció de MPC. Concretament, analitza l’ús de residus de l’artesa del tundish (TUN), provinents de la indústria siderúrgica i un òxid de magnesi de baixa qualitat (LG-MgO; LG), derivat de la calcinació de la magnesita. Aquesta estratègia s’alinea amb els principis de l’economia circular i la gestió eficient de residus, contribuint a la consecució dels objectius de desenvolupament sostenible (ODS). La recerca s'inicia amb una avaluació global de les fonts alternatives d'òxid de magnesi, seguida d'una anàlisi detallada del TUN per al desenvolupament de ciments, morters i l'anàlisi ambiental, marcant la primera vegada que aquest residu s'utilitza com a matèria primera en el sector de la construcció. A continuació, s'examina la possibilitat de combinar TUN amb LG-MgO per a la formulació de ciments, així com la versatilitat del LG-MgO per a noves aplicacions en la indústria de la construcció. Els resultats obtinguts evidencien el gran potencial dels residus industrials per reduir l'impacte ambiental dels ciments tradicionals i promoure un model de construcció més sostenible.