Abstract

Ladle slag (LS) is a by-product of refining molten steel. Given that the production of one ton of crude steel produces 12–15 kg of LS, Europe produces approximately 2.6 million tons of this slag annually. In Finland, LS currently has limited use in low-value applications. It has shown high potential in producing cementitious binders due to its high calcium and aluminum content. The goal of this thesis is to offer the best solution to utilize LS in the construction industry for both its environmental and economic benefits. To achieve this goal, the present research focuses on two pathways: (1) Developing a cementitious binder with minimal pre-treatment for raw materials and chemicals that meets the requirements to be used as a construction material (papers I–II) (2) Producing a high-performance fiber-reinforced cementitious composite from the LS-based binder with a good balance of high mechanical performance, small carbon footprint, embodied energy, and high durability (papers II–IV).

This thesis is based on studies that have found that LS can hydrate with gypsum to form an ettringite-based binder for which the only treatment needed is milling the precursors. Citric acid works effectively in the binder as a set retarder to control setting time and workability. The binder can thus be used in various construction applications. Polypropylene fiber can be used to produce the most balanced ettringite-based composite considering mechanical performance, CO₂ emission, and embodied energy with great resistance under chemical and physical stress. The results of this thesis will enable better utilization of LS for high-value construction applications.

Tiivistelmä

Mikserikuona (LS) on teräksenvalmistuksen sivutuote. Jokainen tonni raakaterästä voi tuottaa noin 12–15 kg kyseistä kuonaa, joten Euroopassa tuotetaan yhteensä noin 2,6 miljoonaa tonnia tätä kuonaa vuodessa. Suomessa LS:n käyttö on tällä hetkellä rajoittunut matalan lisäarvon sovelluksiin. Kyseinen kuona omaa kuitenkin suuren potentiaalin sementtisideaineiden valmistuksessa korkean kalsium- ja alumiinipitoisuutensa vuoksi. Tämän väitöskirjan tavoitteena on löytää korkeamman lisäarvon ratkaisu LS:n hyödyntämiseen rakennusteollisuudessa sekä ympäristön että taloudellisten hyötyjen näkökulmasta. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi tässä tutkimuksessa tarkastellaan kahta hyödyntämisreittiä: (1) Rakennusmateriaalien mekaaniset vaatimukset täyttävän sementtisidosaineen kehittäminen minimaalisella raaka-aineiden esikäsittelyllä ja kemikaalien lisäyksellä (julkaisut I–II) (2) Korkean suorituskyvyn kuituvahvisteisen komposiitin kehittäminen LS-pohjaisesta sideaineesta, joka omaa korkean mekaanisen suorituskyvyn, pienen hiilijalanjäljen, korkean kestävyyden, ja jonka valmistus on energiatehokasta (julkaisut II–IV).

Tämä väitöskirja pohjautuu tutkimuksiin, joissa on todettu, että LS lujittuu yhteisreaktiossa kipsin kanssa muodostaen ettringiittipohjaisen sideaineen, jota varten ainoa tarvittava käsittely on raaka-aineiden jauhaminen. Sitruunahappo toimii sideaineessa tehokkaasti hidastimena säätäen asettamisaikaa ja parantaen työstettävyyttä. Sideainetta voidaan siten käyttää erilaisissa rakennussovelluksissa. Polypropeenikuituja voidaan käyttää tuottamaan optimaalinen ettringiittipohjainen komposiitti ottaen huomioon mekaaniset ominaisuudet, hiilidioksidipäästöt ja valmistusenergia, ja jolla on lisäksi riittävä kestävyys kemiallisessa ja fysikaalisessa rasituksessa. Tämän opinnäytetyön tulokset mahdollistavat LS:n paremman hyödyntämisen korkean lisäarvon sovelluksissa rakennusteollisuudessa.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Nguyen, H., Kinnunen, P., Gijbels, K., Carvelli, V., Sreenivasan, H., Kantola, A. M., … Illikainen, M. (2019). Ettringite-based binder from ladle slag and gypsum – The effect of citric acid on fresh and hardened state properties. Cement and Concrete Research, 123, 105800. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2019.105800

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Nguyen, H., Kinnunen, P., Carvelli, V., Mastali, M., & Illikainen, M. (2019). Strain hardening polypropylene fiber reinforced composite from hydrated ladle slag and gypsum. Composites Part B: Engineering, 158, 328–338. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.09.056

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Nguyen, H., Staudacher, M., Kinnunen, P., Carvelli, V., & Illikainen, M. (2019). Multi-fiber reinforced ettringite-based composites from industrial side streams. Journal of Cleaner Production, 211, 1065–1077. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.11.241

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Nguyen, H., Kinnunen, P., Carvelli, V., & Illikainen, M. (2019). Durability of ettringite-based composite reinforced with polypropylene fibers under combined chemical and physical attack. Cement and Concrete Composites, 102, 157–168. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2019.04.021

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version