University of Oulu

A cementitious binder from high-alumina slag generated in the steelmaking process

Saved in:
Author: Adesanya, Elijah D.1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Environmental Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 6.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526224527
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2019
Publish Date: 2019-12-03
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 13 December 2019, at 12 noon
Tutor: Professor Mirja Illikainen
Doctor Päivö Kinnunen
Doctor Katja Ohenoja
Reviewer: Professor Juan Manuel Manso Villalaín
Associate Professor Guang Ye
Opponent: Associate Professor Maria Chiara Bignozzi
Description:

Abstract

About 4 Mt of ladle slag is generated in steelmaking processes in Europe per year, a large proportion of which (80%) is placed in landfills or stored. This pattern is expected to continue without further research for their valorisation due to increasing demand for quality steel products worldwide. Ladle slag (LS) produced in Finland possesses large amounts of calcium and aluminium and mineralogical phases which can exhibit cementitious capabilities and can be utilized in applications where expensive commercial cements are currently being used. The aim of this thesis is to investigate the properties of ladle slag in different activation pathways, including alkali activation and use as a hydraulic binder with gypsum.

The results showed that ladle slag can be used alone as a precursor in alkali activation or as the sole binder or a co-binder with gypsum in hydraulic binding. Depending on the activation pathway, compressive strength between 35–92 MPa can be achieved after 28 days. The reaction properties of alkali activated ladle slag are characterized, and it is confirmed through X-ray diffraction (XRD) that the reaction product after alkali activation is mainly an x-ray amorphous (calcium aluminate silicate hydrate-like) phase. Characterization techniques (SEM, XRD, TGA and NMR) used to analyze the LS paste binder with just water showed the hydration products of ladle slag to be dicalcium aluminate octahydrate (C₂AH₈), tricalcium aluminate hexahydrate (C₃AH₆), gibbsite (AH₃) and stratlingite (C₂ASH₈) was also identified after a prolonged period of hydration. Furthermore, it was found that to minimize the conversion, the ideal water-to-binder ratio is 0.35. The conversion mechanism is reduced at this ratio and the strength is slightly affected. Another pathway that can be used to annul the conversion of calcium aluminate hydrates formed in LS paste is through the addition of gypsum to the LS paste system to produce an ettringite-rich binder (C₆A\(\bar{S}\)₃H₃₂). When ettringite is formed in place of calcium aluminate hydrates the strength increases, frost resistance is improved, and drying shrinkage is enhanced.

Lastly, a potential application of ladle slag as a refractory material was also investigated.

see all

Tiivistelmä

Euroopassa syntyy vuosittain noin 4 Mt terästeollisuden sivutuotetta, JV-kuonaa, josta 80 % läjitetään tai kaatopaikoitetaan. Maailmanlaajuisesti syntyvän kuonan määrä tulee todennäköisesti kasvamaan laadukkaiden terästuotteiden ennustetun kysynnän kanssa. Tämän vuoksi kuonalle tulisi löytää hyötökäyttökohde, jota vältyttäisiin läjitykseltä. JV-kuona sisältääkin suuria määriä kalsiumia ja alumiinia sekä mineralogisia faaseja, joilla on sementtimäisiä ominaisuuksia. Näin kuonaa voitaisiin käyttää sovelluksissa, joissa tällä hetkellä käytetään kalliita kaupallisia sementtejä. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia JV-kuonan ominaisuuksia sementtimäisenä sideaineena alkali-aktivoinnissa sekä hydraulisena sideaineena yksinään että kipsin kanssa sekoitettuna.

Väitöskirjan tulokset osoittivat, että JV-kuonaa voidaan käyttää prekursorina alkali-aktivoinnissa tai hydraulisena sideaineena pelkästään veden kanssa tai yhdessä kipsin ja veden kanssa. Saavutetut puristuslujuuset vaihtelivat 35 ja 92 MPa:n välillä, jotka vastaavat normaalin ja erityislujan betonin lujuuksia. JV-kuonan reaktiotuotteet alkali-aktivonnin jälkeen analysoitiin XRD- ja FTIR-analyyseillä. Tuloksista nähtiin, että alkali-aktivoinnin jälkeen reaktiotuote on sementin kaltainen kalsium-aluminatti-silikaati-hydraati (C-A-S-H) -tyyppinen faasi. XRD-, SEM-, TGA- ja NMR-analyysit osoittivat JV-kuonan hydrataatiotuotteiden olevan erilaisia kalsium-aluminaattihydraatteja (C₂AH₈, C₃AH₆, AH₃ ja C₂ASH₈). Tämän vuoksi työssä tutkittiin eri vesi–kuona-suhteita, ja havaittiin, että kun käytetään alhaista kuona-vesi –suhdetta (0,35), reaktiotuoteiden muutos vähenee ja lujuus paranee. Toinen tapa, jolla voidaan estää reaktiotuotteiden muuttuminen, on kipsin lisäys: lisäämällä kipsiä tuotetaan runsaasti ettringiittiä (C₆A\(\bar{S}\)₃H₃₂). Kun ettringiittiä muodostuu kalsium-aluminaattihydraattien sijaan, lujuus kasvaa, pakkaskestävyys paranee ja kuivumiskutistuma paranee.

Väitöskirjan viimeisessä osiossa tutkittiin JV-kuonan mahdollista käyttöä tulenkestävänä materiaalina ja huomattiin, että sen tulenkestävyysominaisuudet vaihtelevat käytetyn aktivointityypin mukaan.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2452-7
ISBN Print: 978-952-62-2451-0
Issue: 727
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 215 Chemical engineering
216 Materials engineering
218 Environmental engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.