Jätteenpolton pohjakuonan hyödyntäminen maarakentamisessa

Abstract

Yhdyskuntajätteen poltossa syntyy pohjakuonaa, jonka hyödyntämismahdollisuuksia on pyritty tutkimaan laajalti. Tässä työssä tutkittiin Fortum Waste Solutions Oy:n käsittelemää pohjakuonaa ja sen soveltuvuutta sideaineeksi kantavaan kerrokseen. Tutkittavaa pohjakuonaa oli kahdessa eri raekokoluokassa, 0–1,7 mm ja 1,7–13 mm. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena sekä laboratoriokokeina.

Kirjallisuuskatsauksessa käytiin läpi pohjakuonien syntyminen sekä niiden yleiset ominaisuudet. Työssä selvitettiin myös kuonien lujittumisominaisuuksia sekä itsekseen että erilaisten aktivaattorien kanssa. Lisäksi selvitettiin kuonien käsittely- ja hyödyntämismahdollisuuksia.

Kokeellisessa osuudessa tutkittiin saadun pohjakuonan perusominaisuudet sekä lujuusominaisuuksia eri sideaineiden (kalsiumhydroksidi ja sementti) kanssa. Molemmista kuonajakeista tutkittiin partikkelikokojakauma, tiheys, hehkutushäviö, kemiallinen ja mineraloginen koostumus, liukoisuusominaisuudet sekä tehtiin termogravimetrinen analyysi. Lisäksi molemmille jakeille tehtiin puristuslujuuskokeet 10 %:n sementin ja kalsiumhydroksidin lisäyksellä. Näiden tulosten perusteella todettiin, että hieno (0–1,7 mm) pohjakuona on potentiaalisempi materiaali käytettäväksi sideaineena.

Hienolle pohjakuonalle suoritettiin lisäkokeita eri sideainemäärillä. Valmistetuille koekappaleille suoritettiin puristuslujuusmittauksia, laskettiin absorptioarvot sekä mitattiin kemiallinen ja mineraloginen koostumus että liukoisuusarvot. Tutkimusten perusteella koekappaleet eivät saavuttaneet haluttuja lujuusominaisuuksia, joten tutkittava kuona ei sovellu sellaisenaan käytettäväksi sideaineena kantavan kerroksen lujittamisessa. Yhtenä syynä toimimattomuudelle voi olla korkea orgaanisen aineen määrä, johon korkea hehkutushäviö ja liuenneen orgaanisen hiilen määrä viittaavat. Orgaanisen aineksen määrä voitaisiin vielä varmistaa TOC-analyysin avulla.

Kuonan ominaisuuksia voisi mahdollisesti parantaa kehittämällä poltto- tai käsittelyprosessia. Vaikka tutkittava kuona ei soveltunut sideaineeksi, alkuperäinen hienontamaton jae voisi mahdollisesti soveltua muuhun käyttöön, esimerkiksi korvaamaan luonnonkiviainesta tien jakaviin kerroksiin. Koska pohjakuonien ominaisuudet vaihtelevat jätteenpolttolaitoksen mukaan, tämän työn tuloksia ei voi yleistää koskemaan kaikkia jätteenpolttolaitosten kuonia.

The incineration of municipal solid waste generates bottom ash which utilization has been widely studied. In this thesis, the suitability of bottom ash as binder in road base was investigated. The material used in this study was provided by Fortum Waste Solutions Oy. Studied bottom ash was in two fractions: 0–1.7 mm and 1.7–13 mm. Thesis was carried out as literature review and laboratory experiments.

The literature review examined the generation of bottom ash and its general characteristics. The work also investigated the self-hardening properties of bottom ash and hardening with different activators. In addition, the possibilities of bottom ash treatment and utilization were studied.

In laboratory experiments, general characteristics of the obtained bottom ash as well as hardening properties with different binders (calcium hydroxide and cement) were studied. Both fractions were examined for particle size distribution, density, loss on ignition, chemical composition, mineralogy, leaching, and thermogravimetric analysis. In addition, both fractions were subjected to compressive strength tests with the addition of 10% cement or calcium hydroxide. Based on these results, it was seen that fine fraction (0–1.7 mm) had more potential to work as a binder, and therefore further investigations were made for this material.

For fine fraction, more tests were made with the addition of different binder contents. Compressive strength measurements were performed on the prepared test specimens, absorption values were calculated and chemical and mineralogical composition as well as leaching values were measured. Based on the studies, the test specimens did not achieve the desired strength properties, so the studied bottom ash is not suitable to use as a binder in road base. One reason for failure may be the high amount of organic matter indicated by the high loss on ignition and the amount of dissolved organic carbon. The amount of organic matter could still be confirmed by TOC analysis.

The properties of the bottom ash could potentially be improved by developing the incineration or treatment process. Although the bottom ash was not suitable as a binder, the original, non-milled fraction could potentially be suitable for other uses, such as replacing natural aggregates in sub-base. Because the properties of municipal solid waste incineration (MSWI) bottom ash vary depending on the incinerator, the results of this thesis cannot be generalized to other MSWI bottoms ashes.