On the properties of new sustainable cementitious composites

Cement and cement products such as mortar and concrete are a major global contributor to greenhouse gas emissions. However, they are indispensable as construction materials especially in developing countries. To reduce the environmental impact of the cement industry, a significant research effort is currently put into the development of a more sustainable alternative to conventional mortar and concrete, which is at the same time affordable and accessible. This paper investigates the use of carbonated and recycled steel slags as a replacement for clinker and aggregate in mortar or concrete. Three types of slags, Blast Oxygen Furnace Slag (BOF), De-Sulfurisation Slag (De-S) and Ladle Slag (LS) were sourced in Finland and sent to Politechnico di Milano for mixing and testing, after they were pre-processed and carbonated at the University of Oulu. Several different composite materials were sampled from the available slags, and were tested for compressive strength, stress-strain behaviour, thermal degradation, and frost resistance. After the initial experiments with LS-based composites proved unsuccessful, the research was continued using conventional cement clinker with De-S slag as aggregate. The performance of the cement-based samples showed more promising results – while relatively weak in compression and of low stiffness, the material performed very well in freeze-thaw tests, showing no loss of strength or degradation of the material after 28 freeze-thaw cycles. Overall, the material may be suited for non-structural applications, such as low-grade concrete or mortar. Further research is needed to identify possible changes to the material composition that could improve the properties especially regarding compressive strength and stiffness.

I prodotti cementizi, come malta e calcestruzzo, generano un importante contributo alle emissioni di gas serra. Tuttavia, sono indispensabili come materiali da costruzione soprattutto nei paesi in via di sviluppo. Questa tesi si occupa del riciclo di scorie di acciaieria per la sostituzione di clinker e aggregati in malta e calcestruzzo, in modo da diminuire il loro impatto ambientale. Tre tipi di scorie sono state considerate: scorie di altoforno (BOF), scorie dal processo di desolforazione (De-S) e scorie di siviera (LS). Diverse miscele sono state preparate con le scorie disponibili. I materiali sono stati caratterizzati meccanicamente a compressione, prima e dopo invecchiamaento con cicli di gelo-disgelo. I materiali a base di LS si sono rivelati poco resistenti, pertanto la ricerca è proseguita utilizzando clinker di cemento convenzionale con scorie De-S come aggregati. Le prestazioni dei campioni a base di cemento hanno mostrato caratteristiche più promettenti, sebbene con rigidezza a compressione relativamente bassa. Questo materiale, invece, ha mostrato un ottimo comportamento dopo i cicli di gelo-disgelo, mantenendo le proprietà meccaniche circa inalterate. Nel complesso, il materiale può essere adatto per applicazioni non strutturali, come calcestruzzo o malta di bassa qualità. Pertanto, sono necessarie ulteriori ricerche per identificare possibili modifiche alla composizione del materiale per migliorarne le proprietà meccaniche.