JultikaUniversity of Oulu repository

Tiivistelmä

Betoni on maailman käytetyin rakennusmateriaali, ja sen yksi keskeisimmistä raaka-aineista on sementti. Sementtityypeistä eniten betoniin käytetään portlandsementtiä, joka on sen suuresta tarpeesta sekä sen valmistusprosessista johtuen suurin ihmiskunnan aiheuttama hiilidioksidipäästöjen lähde. Sementtiteollisuuden päästöjen vähentäminen on siten avainasemassa ilmastonmuutoksen vastaisessa työssä.

Portlandsementille pyritään löytämään vaihtoehtoisia materiaaleja, joiden ympäristövaikutukset olisivat pienemmät. Tällaisia materiaaleja voisivat olla teollisuudesta saatavat sivutuotteet ja jätteet. Yksi tällainen sivutuote on teräskuona. Sitä voidaan käyttää betonissa sementin osittaisena korvikkeena tai sitä voidaan pyrkiä hyödyntämään myös uudenlaisissa, täysin sementtivapaissa materiaaleissa. Tällaisia ovat alkaliaktivoidut materiaalit ja geopolymeerit. Sivutuotteiden hyödyntäminen myös vähentää niiden päätymistä jätteeksi ja edistää näin kiertotaloutta.

Teräskuona, kuten monet muut teollisuuden sivutuotteet, vaatii käsittelyä ennen varsinaista käyttöä betonissa, jotta tuote saadaan kestämään käytössä. Yksi mahdollinen käsittelytapa on karbonointi eli materiaalin käsittely hiilidioksidilla. Sen tarkoitus on parantaa lopputuotteen stabiilisuutta ja lujuutta. Tässä työssä tutkitaan karbonoinnin ja lisäainekäsittelyn vaikutusta BOF-kuonan, erään teräskuonatyypin, hydrataatioon. Kokeissa BOF-kuona toimii osittaisena korvikkeena sementille. Kokeiden tulosten odotetaan antavan hyödyllistä tietoa BOF-kuonan mahdollisuuksia laajempaan käyttöön sementin korvaajana. Käytettävät lisäaineet ovat kalium- ja natriumsitraatti ja niiden tarkoitus on parantaa kuonan reaktiivisuutta.

Työssä valmistettiin karbonoidut kuonanäyte-erät vaihtelevilla pitoisuuksilla kalium- tai natriumsitraattia ja yksi erä valmistettiin myös ilman kumpaakaan niistä. Kuonanäytteistä valmistettiin edelleen sementtinäytteet, joihin sisältyi kuonanäytteen lisäksi vettä ja portlandsementtiä. Sementtinäytteille suoritettiin puristuslujuusmittaukset eri kovettumisaikojen jälkeen sekä termogravimetrinen analyysi. Puristuslujuusmittausten tarkoitus oli mitata materiaalin kestävyyttä kuormituksen alaisena ja termogravimetrisen analyysin taas antaa tietoa muodostuneista hydrataatiotuotteista.

Puristuslujuusmittaukset osoittivat, että paras lujuus pitkän kovettumisajan eli 28 päivän jälkeen saavutetaan ilman kalium- tai natriumsitraatin käyttöä. Sitraatittomien sementtinäytteiden puristuslujuuksien keskiarvo 28 päivän kohdalla oli noin 49 MPa. Lyhyempien kovettumisaikojen lujuuksissa eri resepteillä ei yleisesti ollut merkittäviä eroja. Termogravimetrisessa analyysissa taas selvisi, että sementtinäytteissä muodostuneet hydrataatiotuotteet olivat kalsiumkarbonaatti, C-S-H-geeli ja portlandiitti. Kuonanäytteet sisälsivät hydrataatiotuotteena vain kalsiumkarbonaattia.

Hydration and carbonation of steel slag with presence of organic ligands

Abstract

Concrete is the most used construction material worldwide and one of its most crucial raw materials is cement. Portland cement is the most frequently used cement type, and it is the biggest anthropogenic source of carbon dioxide emissions due to its vast demand and its manufacturing process. Therefore, reducing emissions of cement industry has a vital role in work against climate change.

Target is to find some alternative materials for Portland cement which have lower environmental impact. Industrial by-products and wastes could be that kind of materials. One such a by-product is steel slag. It can be used in concrete as a partial substitute for cement or it can be aimed at utilization in new and completely cement-free materials. These materials are alkali-activated materials (AAM) and geopolymers. Utilization of byproducts also reduces wasting of them and hence contributes to the circular economy.

Like many other industrial by-products steel slag requires processing before use in concrete for ensuring durability of the end product. One possible processing method is carbonation which means treatment of the material by carbon dioxide. Its function is to enhance stability and strength of the final product. In this work we examine an effect of carbonation and treatment with additives on hydration of BOF slag which is a certain type of steel slag. In the experiments slag acts as a partial replacement for cement. Results of the experiments are expected to yield some useful information about potential of BOF slag to larger utilization as a cement replacement. The additives used are potassium citrate and sodium citrate and the purpose of those is to improve reactivity of the slag.

In the work we prepared sample batches of carbonated slag with varying portions of potassium citrate or sodium citrate and also one batch was prepared with neither of them. The slag samples were further used for making some cement samples which include water and Portland cement along with the slag sample. Cement samples underwent compressive strength measurements after different setting times and also thermogravimetric analysis. Compressive strength tests were intended for measuring durability of the material under stress whereas thermogravimetric analysis was intended for information about hydration products that had formed.

The compressive strength measurements indicated that the best strength for a long setting time of 28 days is obtained by using neither potassium citrate nor sodium citrate. Average compressive strength of the cement samples without citrates was around 49 MPa at the measurement point of 28 days. Different recipes had no significant differences in strength values of shorter setting times. The thermogravimetric analysis indicated that the hydration products formed in the cement samples were calcium carbonate, C-S-H gel and portlandite. The slag samples contained only calcium carbonate as a hydration product.