Abstract

Fayalite slag (FS) is an Fe-rich by-product generated during non-ferrous metallurgy refining processes. Currently, the annual global production of FS is 58 million tons, and this is likely to increase soon due to the increasing demand for non-ferrous metals for varied applications. Regrettably, only a small fraction of FS is utilized in low value applications with most of it ending up in landfills. The aim of this thesis is to fully utilize FS as precursor for alkali-activated materials (AAMs). AAMs are alternative cementitious materials that could provide environmental benefits compared to Portland cement concrete.

Although FS contains a large amount of iron (>50%) and low amounts of calcium, aluminium, and amorphous material compared to blast furnace slag, which is a commonly used AAM precursor, the results of this thesis show that this low reactive material can be used as a sole precursor (aggregate and binder source) for AAMs. Furthermore, the mineralogical investigation of different particle size fractions of FS revealed a variation in the amorphous content. Fine fractions of FS had a higher amorphous content, and this resulted in higher reactivity and better mechanical and microstructural properties compared to the coarse fractions of FS.

AAMs containing FS as an aggregate and binder had superior mechanical and microstructural properties compared to those containing standard sand as aggregates. Further optimization of the particle size distribution and elevated temperature curing improved the properties of FS-based AAMs. To avoid the use of curing at elevated temperatures, the incorporation of co-binders into the FS matrix was investigated as a means to improve the properties of FS-based AAMs at an ambient temperature and facilitate their practical application. The incorporation of co-binders significantly modified the gels formed and improved the fresh, hardened and durability properties of FS-based AAMs when exposed to different aggressive environmental conditions and high temperature. The outcome of this thesis work can provide detailed information on the full utilization of FS with high potential for construction applications.

Tiivistelmä

Fayaliittikuona on ei-rautametallien jalostusprosesseissa syntyvä rautapitoinen sivutuote. Tällä hetkellä fayaliittikuonaa tuotetaan maailmanlaajuisesti 58 miljoonaa tonnia, ja määrän odotetaan kasvavan ei-rautametallien kysynnän lisääntyessä erilaisissa sovelluksissa. Vain pieni osuus fayaliittikuonasta pystytään hyödyntämään vähäarvoisissa sovelluksissa suurimman osan päätyessä kaatopaikoille. Tämän väitöskirjan tavoitteena on hyödyntää fayaliittikuonaa kokonaisvaltaisesti alkaliaktivoitujen materiaalien (AAM) raaka-aineena. AAM:t ovat vaihtoehtoisia sementtipohjaisia materiaaleja, jotka voivat tarjota ympäristöhyötyjä portlandsementtibetoniin verrattuna.

Fayaliittikuona sisältää suuren määrän rautaa (>50 %) ja vähän kalsiumia, alumiinia sekä amorfista ainetta verrattuna masuunikuonaan, joka on yleisesti käytetty AAM:ien raaka-aine. Tämän väitöskirjatyön tulokset kuitenkin osoittavat, että tätä matalareaktiivista fayaliittikuonaa voidaan käyttää sekä aggregaattina että sideaineena AAM-laasteissa. Lisäksi fayaliittikuonan eri kokojakeiden mineraloginen tutkimus paljasti vaihtelua amorfisessa aineen määrässä. Pienien fayaliittikuonapartikkelien amorfinen pitoisuus oli korkeampi kuin isojen partikkelien, mikä johti pienen kokojakauman korkeampaan reaktiivisuuteen sekä sideaineen parempiin mekaanisiin ja mikrorakenteellisiin ominaisuuksiin. Fayaliittikuona sisältää suuren määrän rautaa (>50 %) ja vähän kalsiumia, alumiinia sekä amorfista ainetta verrattuna masuunikuonaan, joka on yleisesti käytetty AAM:ien raaka-aine. Tämän väitöskirjatyön tulokset kuitenkin osoittavat, että tätä matalareaktiivista fayaliittikuonaa voidaan käyttää sekä aggregaattina että sideaineena AAM-laasteissa. Lisäksi fayaliittikuonan eri kokojakeiden mineraloginen tutkimus paljasti vaihtelua amorfisessa aineen määrässä. Pienien fayaliittikuonapartikkelien amorfinen pitoisuus oli korkeampi kuin isojen partikkelien, mikä johti pienen kokojakauman korkeampaan reaktiivisuuteen sekä sideaineen parempiin mekaanisiin ja mikrorakenteellisiin ominaisuuksiin.

Fayaliittikuonaa aggregaattina ja sideaineena sisältävillä laasteilla oli ylivoimaiset mekaaniset ja mikrorakenteelliset ominaisuudet verrattuna laasteihin, jotka sisälsivät aggregaattina tavallista hiekkaa. Lisäksi partikkelikokojakauman optimointi ja kovettaminen korkeassa lämpötilassa paransivat laastien mekaanisia ominaisuuksia. Korkeassa lämpötilassa kovettamista pyrittiin välttämään tutkimalla, voitaisiinko fayaliittikuonapohjaisten laastien kovettumista parantaa lisäämällä rinnakkaissideaineita. Seosaineiden käyttö muutti merkittävästi muodostuneita sideainegeelejä ja paransi laastien tuoreita, kovettuneita ja kestävyysominaisuuksia, kun ne altistettiin erilaisille aggressiivisille ympäristöolosuhteille ja korkeille lämpötiloille. Tämän väitöskirjatyön tulokset tarjoavat yksityiskohtaista tietoa fayaliittikuonan kokonaisvaltaisesta hyödyntämisestä ja sen mahdollisuuksista rakentamisen eri sovelluksissa.

Osajulkaisut / Original papers

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

1. Adediran, A., Yliniemi, J., & Illikainen, M. (2021). Development of sustainable alkali-activated mortars using Fe-rich fayalitic slag as the sole solid precursor. Frontiers in Built Environment, 7, 653466. https://doi.org/10.3389/fbuil.2021.653466

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Adediran, A., Yliniemi, J., Lemougna, P. N., Perumal, P., & Illikainen, M. (2023). Recycling high volume Fe-rich fayalite slag in blended alkali-activated materials: Effect of ladle and blast furnace slags on the fresh and hardened state properties. Journal of Building Engineering, 63, 105436. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105436

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Adediran, A., Yliniemi, J., Carvelli, V., Adesanya, E., & Illikainen, M. (2022). Durability of alkali-activated Fe-rich fayalite slag-based mortars subjected to different environmental conditions. Cement and Concrete Research, 162, 106984. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106984

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Adediran, A., Yliniemi, J., Moukannaa, S., Ramteke, D. D., Perumal, P., & Illikainen, M. (2023). Enhancing the thermal stability of alkali-activated Fe-rich fayalite slag-based mortars by incorporating ladle and blast furnace slags: Physical, mechanical and structural changes. Cement and Concrete Research, 166, 107098. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107098

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Adediran, A., Yliniemi, J., & Illikainen, M. (2021). Mineralogy and glass content of Fe‐rich fayalite slag size fractions and their effect on alkali activation and leaching of heavy metals. International Journal of Ceramic Engineering & Science, 3(6), 287–300. https://doi.org/10.1002/ces2.10107

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version