University of Oulu

Utilization of peat-wood fly ash from fluidized bed combustion as supplementary cementitious material

Saved in:
Author: Rissanen, Jouni1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.8 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526225890
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-09-22
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 2 October 2020, at 1 p.m.
Tutor: Professor Mirja Illikainen
Docent Katja Ohenoja
Reviewer: Professor Nina Štirmer
Associate Professor João Labrincha
Opponent: Professor Nina Štirmer
Doctor Anna Kronlöf
Description:

Abstract

Approximately 500 000 tons of non-coal fly ash are produced in Finland annually from energy generation sources, most of which is fluidized bed combustion fly ash (FBCFA) from the burning of peat and wood. This significant industrial side stream is not yet fully utilized, so that some is still escaping from the material circulation of circular economy. FBCFA is nevertheless a promising novel supplementary cementitious material, as it naturally possesses a fine particle size as well as suitable chemical and mineralogical composition properties. Utilization of this material would be beneficial for the environment, as it could potentially reduce the carbon footprint of concrete production and the environmental impacts of ash disposal. It would also be beneficial for ash producers, as it would provide a new route for reducing the amount of waste generated.

The aim of this thesis was to study how FBCFAs originating from the co-combustion of peat and wood affect the properties of fresh and hardened mortars when used to replace 10–40% of the cement normally used in them, and also to examine the effect of FBCFAs on freeze-thaw durability.

It was found that FBCFA acts as a beneficial reacting component in mortar rather than just an inert filler material. Its irregular particle shapes dramatically increase the water requirement of mortar, but it was found that with a sufficient dosage of superplasticizers it is possible to produce mortars with good workability even when 40% of the cement is replaced with FBCFA. In general, fluidized bed combustion fly ash slightly reduced the compressive strength of the mortar samples, but it clearly out-performed non-reactive filler materials and achieved roughly similar compressive strengths to those resulting from conventional coal fly ash. FBCFA increased the water requirement of fresh material due to irregular particle shape. However, sufficient dosage of superplasticizer enabled to prepare mortar with good workability. In addition, milling of FBCFA was found to be an effective method to decrease the water requirement of fresh mortar. FBCFA increased the porosity, capillary water absorption and water vapour permeability of mortars, but unlike conventional coal fly ash it did not have any negative effect on the performance of the air entrainment agent nor on the freeze-thaw resistance of the mortars.

From a technical perspective, approximately 20% of the cement can be replaced with good quality FBCFA without significantly impairing the performance of the hardened material, although at the moment FBCFA does not conform to the European fly ash standard EN 450-1, which hampers its use. On the other hand, it could be still used in non-standardized applications. The future feasibility of FBCFA as a supplementary cementitious material is highly dependent on the legal incentives laid down and customers’ attitudes towards sustainable construction materials.

see all

Tiivistelmä

Suomessa syntyy vuosittain noin 500 000 tonnia energiantuotannon lentotuhkia, jotka ovat peräisin muusta kuin kivihiilen poltosta. Suurin osa näistä tuhkista on peräisin puun ja turpeen leijupetipoltosta. Kaikkea syntyvää tuhkaa ei hyödynnetä vielä täysin ja osa tuhkista läjitetään kaatopaikoille. Leijupetipolton lentotuhka on kuitenkin lupaava sementin seosaine, sillä tuhkalla on luonnostaan hieno partikkelikoko ja sopiva kemiallinen koostumus. Tämän sivuvirran tuotteistaminen rakennusteollisuuden raaka-aineeksi olisi hyödyllistä ympäristön kannalta, sillä sen käyttö voisi pienentää sementin hiilijalanjälkeä sekä tuhkan läjittämisen ympäristövaikutuksia. Tämän lisäksi tuhkan hyödyntäminen sementin seosaineena hyödyttäsi tuhkan tuottajia, sillä tämä tarjoaisi uuden tavan vähentää syntyvän jätteen määrää.

Tämän työn tavoitteena on tutkia, miten puun ja turpeen yhteispoltosta syntyvä leijupetipolton lentotuhka vaikuttaa tuoreen ja lujittuneen laastin ominaisuuksiin, kun tuhkalla korvataan 10–40 % käytettävästä sementistä. Tämän lisäksi työssä tutkittiin leijupetipolton lentotuhkan vaikutusta laastin pakkasenkestävyyteen.

Työssä kävi ilmi, että leijupetipolton lentotuhka toimii laastissa reaktiivisena komponenttina, sen sijaan, että se olisi vain reagoimaton fillerimateriaali. Leijupetipolton lentotuhkan epäsäännöllinen partikkelimuoto nostaa merkittävästi laastin vedentarvetta, mutta riittävällä tehonotkistimen annostelulla voitiin valmistaa työstettävyydeltään hyviä laasteja, jopa silloin kun sementistä korvattiin 40 % leijupetipolton lentotuhkalla. Yleisesti ottaen leijupetipolton lentotuhkat heikensivät hiukan laastien puristuslujuutta. Lujuudet olivat kuitenkin huomattavasti parempia, kuin laasteissa, joissa vastaava määrä sementtiä korvattiin reagoimattomilla fillereillä, ja samaa tasoa kuin laasteissa, joissa sementti korvattiin perinteisellä hiilen pölypolton lentotuhkalla. Epäsäännöllisen partikkelimuodon vaikutuksesta tuhkat lisäsivät huomattavasti laastien vedentarvetta. Riittävällä notkistimen annostuksella voitiin kuitenkin valmistaa laasteja, joiden työstettävyys oli hyvä. Myös tuhkan jauhatuksen todettiin olevan tehokas menetelmä työstettävyyden parantamiseksi. Leijupetipolton lentotuhka lisäsi laastien huokoisuutta, kapilaarista veden imeytymistä sekä vesihöyryn läpäisevyyttä. Leijupetipolton lentotuhkien todettiin soveltuvan myös pakkasenkestävän laastin valmistukseen, eikä tuhkilla ollut negatiivista vaikutusta huokostimen toimintaan.

Käytännössä noin 20 % sementistä voitaisiin korvata hyvälaatuisella leijupetipolton lentotuhkalla heikentämättä merkittävästi lujittuneen materiaalin ominaisuuksia. Tällä hetkellä eurooppalainen lentotuhka standardi EN 450-1 ei kata leijupetipolton lentotuhkaa, mikä rajoittaa sen käyttöä. Toisaalta, tuhka voitaisiin mahdollisesti hyödyntää sovelluksissa, joihin ei vaadita standardoitua betonia. Lähitulevaisuudessa leijupetipolton lentotuhkan hyödyntämisnäkymät ovat voimakkaasti riippuvaisia siitä, miten tuhkan hyödyntämistä rajoittava sääntely, sekä asiakkaiden suhtautuminen ympäristöystävällisiin rakennusmateriaaleihin kehittyvät.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Rissanen, J., Ohenoja, K., Kinnunen, P., & Illikainen, M. (2017). Partial Replacement of Portland-Composite Cement by Fluidized Bed Combustion Fly Ash. Journal of Materials in Civil Engineering, 29(8), 04017061. https://doi.org/10.1061/(asce)mt.1943-5533.0001899

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Rissanen, J., Ohenoja, K., Kinnunen, P., Romagnoli, M., & Illikainen, M. (2018). Milling of peat-wood fly ash: Effect on water demand of mortar and rheology of cement paste. Construction and Building Materials, 180, 143–153. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.05.014

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Rissanen, J., Giosué, C., Ohenoja, K., Kinnunen, P., Marcellini, M., Letizia Ruello, M., … Illikainen, M. (2019). The effect of peat and wood fly ash on the porosity of mortar. Construction and Building Materials, 223, 421–430. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.06.228

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Rissanen, J., Ohenoja, K., Kinnunen, P., & Illikainen, M. (2020). Peat-Wood Fly Ash as Cold-Region Supplementary Cementitious Material: Air Content and Freeze–Thaw Resistance of Air-Entrained Mortars. Journal of Materials in Civil Engineering, 32(6), 04020119. https://doi.org/10.1061/(asce)mt.1943-5533.0003189

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2589-0
ISBN Print: 978-952-62-2588-3
Issue: 745
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 215 Chemical engineering
216 Materials engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.