Carbonation curing : a pathway towards the utilization of CO2 to produce sustainable building materials

Cement is the major component of concrete, which corresponds to the most widely spread construction material. The consciousness of the CO2 emissions from cement production has risen. Consequently, there has been particular attention to mitigation strategies. Therefore, considering the worldwide cement production scale, even a discrete reduction in the average global emissions per ton can have a vast CO2 reduction potential. Nowadays, several studies and research are focusing on this topic to find solutions to reduce the environmental impact and make the production process of building materials more sustainable. One solution can be employing carbonated steel slags as alternative materials in the mortar. This thesis studied the properties of two different slags exposed to accelerated carbonation with different duration, temperatures and pressure. Further on, the carbonated slags were used as Supplementary Cementitious Materials in the concrete mixture. The slags analyzed are De - Sulfurization slag ( De-S slag) and Basic Oxygen Furnace slag ( BOF slag). The analyses were entirely carried out in the laboratories of the University of Oulu. After the carbonation process, Thermogravimetric Analysis (TGA) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) were carried out to understand which carbonation condition was the most suitable for the study. After accurately selecting the materials, paste samples were produced and tested to measure the compressive strengt. Subsequently, characterization techniques such as Scanning Electron Microscope (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD) were employed to investigate the elemental and mineral composition of the paste samples. De-S slag seemed to be more promising during the carbonation phase, while after having performed the compressive strength tests, BOF slag showed higher mechanical properties, and the results were comparable with the Ordinary Portland Cement. Overall, BOF slag can be successfully employed as a Supplementary Cementitious Material in the mortar to create a more sustainable material suitable for building applications. Nevertheless, further research and studies are essential to assess the material’s performance accurately and investigate its mechanical properties.

Il cemento è il principale componente del calcestruzzo, che corrisponde al materiale da costruzione più diffuso. La consapevolezza delle emissioni di CO2 derivanti dalla produzione di cemento sta aumentadno. Di conseguenza, si sta prestando particolare attenzione alle strategie di mitigazione. Pertanto, considerando la scala mondiale di produzione del cemento, anche una discreta riduzione delle emissioni medie globali per tonnellata può avere un enorme potenziale di riduzione di CO2. Oggigiorno, diversi studi e ricerche si concentrano su questo argomento per trovare soluzioni per ridurre l’impatto ambientale e rendere il processo di produzione dei materiali da costruzione più sostenibile. Una soluzione può consistere nell’impiego di scorie di acciaio carbonatato come materiale alternativo nella malta. Questa tesi ha studiato le proprietà di due diverse scorie esposte alla carbonatazione accelerata con durata, temperature e pressione diverse. Più avanti, le scorie carbonatate sono state utilizzate come materiali cementizi supplementari nella miscela di calcestruzzo. Le scorie analizzate sono le scorie di De - Sulfurization ( De-s slag) e le scorie di Basic Oxygen Furnace ( BOF slag). Le analisi sono state interamente effettuate nei laboratori dell’Università di Oulu. Dopo il processo di carbonatazione, l’analisi termogravimetrica (TGA) e la spettrosciìopia infrarossa (FTIR) sono state effettuate per capire quale condizione di carbonatazione era la più adatta per lo studio. Dopo aver selezionato accuratamente i materiali, i campioni di pasta sono stati gettati in stampi e lasciati in una camera di umidità fino a raggiungere la durezza adeguata per effettuare le prove di resistenza alla compressione. In seguito, tecniche di caratterizzazione quali il microscopio elettronico di scansione (SEM) e la diffrazione a raggi X (XRD) sono state impiegate per studiare la composizione elementare e minerale dei campioni di cemento. Le scorie di De-S sembravano essere più promettenti durante la fase di carbonatazione, mentre dopo aver eseguito le prove di resistenza alla compressione, le scorie BOF hanno mostrato proprietà meccaniche più elevate e i risultati sono stati comparabili con il cemento ordinario Portland. Nel complesso, le scorie BOF possono essere utilizzate con successo come materiale cementizio supplementare nella malta per creare un materiale più sostenibile adatto alle applicazioni edilizie. Tuttavia, ulteriori ricerche e studi sono essenziali per implementare le prestazioni del materiale con precisione.