JultikaUniversity of Oulu repository

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, kuinka hyvin mineraalivillajäte soveltuu geopolymeerien raaka-aineeksi. Mineraalivillajäte on hankalasti kierrätettävää jätemateriaalia, jonka uudelleenkäytöllä rakennus- ja purkujätteen ympäristökuormitusta saataisiin pienennettyä huomattavasti. Jätettä syntyy Suomessa yli 20 000 tonnia vuosittain, tehden siitä merkittävän yhteiskunnallisen ongelman kiertotalouden näkökulmasta. Mineraalivillajätenäytteet kerättiin eri aikakausilta peräisin olevasta rakennus- ja purkujätteestä. Esikäsittelynä mineraalivillat jauhettiin kuulamyllyllä sekä osassa koesarjoja villojen sisältämä orgaaninen sideaine poistettiin kuumentamalla. Jauhetut mineraalivillat alkaliaktivoitiin eli geopolymerisoitiin kaliumsilikaattiliuoksella. Näytteet kovetettiin huoneenlämmössä tai ensimmäiset 24 tuntia 50°C:ssa ja sen jälkeen huoneenlämmössä. Valmistetuista geopolymeereistä määritettiin puristus- ja taivutuslujuuden kehitys ajan funktiona, veden absorptio, kestävyys jäätymis-sulamissyklejä vastaan ja niille suoritettiin röntgendiffraktioanalyysi. Kaikki mineraalivillajätteet soveltuivat geopolymeerien lähtöaineeksi erinomaisesti. Työssä saavutettiin parhaimmillaan 60–65 MPa:n puristuslujuuden omaavia kivivillapohjaisia geopolymeerejä. Lasivillapohjaisille geopolymeereille mitattiin 60–70 MPa:n lujuisia puristuslujuuksia. Molempien villojen seokselle saavutettiin 30 MPa puristuslujuus. Jäätymis-sulamissyklien jälkeen kivivillageopolymeerit säilyttivät lujuusominaisuutensa erinomaisesti. 116 syklin jälkeen kivivillageopolymeereillä oli yhä noin 45–60 MPa:n puristuslujuus, joka on tavallista betonia lujempi (42 MPa). Lasivillapohjaiset geopolymeerit eivät kestäneet jäätymis-sulamissyklejä yhtä pitkälle, joten ne eivät sovellu sellaisenaan ulkokäyttöön. Molempien villojen seoksesta valmistettu geopolymeeri kesti jäätymis-sulamissyklejä hyvin. Röntgendiffraktioanalyysi osoitti, että muodostuneet sidefaasit olivat täysin amorfisia, lukuun ottamatta muutamaa lasivillageopolymeeriä. Työssä osoitettiin mineraalivillajätegeopolymeerien olevan potentiaalisia materiaaleja laastien ja betonien korvikkeeksi tulevaisuudessa. Tämä diplomityö luo pohjan jatkokehitykselle ja on todennäköistä, että tulevaisuudessa mineraalivillajätegeopolymeerejä voidaan käyttää monissa eri käyttötarkoituksissa.

The purpose of the thesis is to investigate whether mineral wool waste would be a suitable raw material for geopolymers. Mineral wool waste is difficult to recycle and finding new purposes for its use would reduce the carbon footprint of construction industry on environment. In Finland alone, over 20 000 tonnes of the waste is generated annually, posing a serious challenge for the circular economy of the country. In this work, mineral wool waste was separated from construction and demolition waste from different time periods. As pre-treatment mineral wool wastes were milled with a ball mill and for certain experimental series the organic binder in mineral wool was removed by heating process. Milled mineral wools were alkali-activated i.e. geopolymerized with potassium silicate solution. Geopolymer samples were cured at room temperature or first 24h at 50°C and then at room temperature. Following analyses were conducted for hardened geopolymer samples: development of compressive and flexural strength as a function of time, water absorption, resistance against freeze-thaw-cycles, and X-ray diffraction analysis. All mineral wools were excellent raw material for geopolymers. At best stone wools geopolymers had 60–65 MPa compressive strength. Glass wool-based geopolymers had compressive strengths up to 60–70 MPa while the mix of both wools had compressive strength of 30 MPa. Stone wool-based geopolymers had excellent resistance against freeze-thaw-process. It was determined that after 116 cycles stone wool-based geopolymers had still compressive strength of 45–60 MPa with no visible micro cracks. Glass wool-based geopolymers did not have as good freeze-thaw-resistance so they are not suitable for outdoor use as such. However, the mixes of both wools resisted freeze-thaw-process. Based on X-ray diffraction analysis the formed binding phases were amorphous. The overall results found in this thesis indicate that geopolymers based on mineral wool waste could serve as a potential substitute for mortars and concretes. Hence, it is likely that mineral wool waste could serve as a raw material for construction industry in near future.