DRI-pohjaisen valokaariuunikuonan geotekniset ominaisuudet

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli alustavasti selvittää DRI-pohjaisen valokaariuunikuonan (EAF-kuonan) teknistä soveltuvuutta maarakentamiseen ja edistää näin terästeollisuuden sivutuotteiden hyödyntämistä ja uusiutumattomien luonnonvarojen kestävää käyttöä. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksen ja laboratoriokokeiden avulla. Kirjallisuuskatsaus tarjosi pohjan EAF-kuonan mahdolliselle käytölle maarakentamiseen, ja laboratoriokokeissa selvitettiin kuonan geoteknisiä ja luokitusominaisuuksia, jotka ovat keskeisiä ominaisuuksia materiaalin teknisen soveltuvuuden arvioinnissa. Tulosten vertailtavuuden ja luotettavuuden parantamiseksi kokeet suoritettiin myös ilmajäähdytetylle masuunikuonamurskeelle ja kalliomurskeelle. Masuunikuona ja kalliomurske ovat yleisesti maarakentamisessa käytettäviä materiaaleja, joiden ominaisuudet tunnetaan hyvin. Vertailemalla näitä materiaaleja toisiinsa ja kirjallisuudesta löytyviin arvoihin, saatiin käsitys EAF-kuonan ominaisuuksien soveltuvuudesta maarakentamiseen.

Työn teoriaosassa selvitettiin terästeollisuuden kuonien teknisiä ominaisuuksia ja niiden käyttöä maarakentamisessa. Lisäksi tarkastelussa oli erityisesti EAF-kuonasta löytyvät tutkimukset sekä kiviaineksilta vaaditut ominaisuudet maarakentamisessa. Tällä hetkellä EAF-kuonasta löytyvät tutkimukset painottuvat maailmanlaajuisesti romupohjaiseen kuonaan, jota hyödynnetään yleisimmin tien päällysteissä sen korkean lujuuden, hyvän kitkaominaisuuden ja mekaanista rasitusta kestävän rakenteen ansiosta. EAF-kuonan käyttöä on rajoittanut maarakentamisessa kemiallisen koostumuksen vaihtelu sekä epävarmuus raskasmetallien liukeneminen ja paisumisominaisuuksista.

Tässä työssä tutkittava EAF-kuona on tuotettu vetypelkistetyn rautasienen (H-DRI) sulatuksessa pilottivalokaariuunissa. Kuonasta selvitettiin Oulun yliopiston geoteknisessä laboratoriossa rakeisuus, optimivesipitoisuus, maksimikuivatilavuuspaino, kapillaarisuus, leikkauskestävyyskulma, vedenläpäisevyys, vedenpidätyskyky, kiintotiheys, routivuus sekä paisunta varastoinnin jälkeen. Tuloksien perusteella EAF-kuona on routimaton materiaali, jolla on korkea kiintotiheys ja alhainen hienoainespitoisuus. Masuunikuonaan ja kalliomurskeeseen verrattuna EAF-kuonalla on myös korkea maksimikuivatilavuuspaino sekä alhainen kapillaarisuus ja heikompi vedenpidätyskyky. Vastaavasti taas kaikkien materiaalien vedenläpäisevyyden ja leikkauskestävyyskulman arvot olivat samankaltaisia. Lisäksi kuonille tyypilliseen tapaan EAF-kuonalla oli vaikea saavuttaa haluttua tiiviysastetta, mikä heikentää tulosten vertailtavuutta erityisesti kalliomurskeeseen. Tavoitellusta tiiviysasteesta jäätiin erityisesti rasialeikkauskokeessa ja routanousukokeessa. Epävarmuutta aiheutti myös EAF-kuonan hienontuminen Proctor-kokeessa.

Teknisten ominaisuuksien perusteella EAF-kuonan potentiaalisin soveltamiskohde on tien sitomattomat rakennekerrokset. EAF-kuonan ominaisuuksista routimattomuus, alhainen kapillaarisuus, suuri leikkauskestävyyskulma ja heikompi vedenpidätyskyky osoittavat materiaalin sopivuutta tien kantavaan, jakavaan ja suodatinkerrokseen. Jatkotutkimusta tarvitaan kuitenkin tuoreen kuonan paisuntaominaisuuksien, kantavuusominaisuuksien, hienonemisherkkyyden sekä jäätymis-sulamiskestävyyden selvittämiseksi. On myös huomioitava, että tässä työssä tutkittiin vain yhdenlaista EAF-kuonaa, ja tulevaisuudessa teräksen valmistukseen käytetään samaan aikaan vetypelkistettyä rautasientä ja teräsromua, mikä vaikuttaa myös tuotettavan EAF-kuonan ominaisuuksiin.