Utilization of biomass fly ash from bubbling fluidized bed combustion as a cement replacement material

Cement production produces a significant portion of CO₂ emission caused by human activity. The replacing of cement with alternative binders is one way to reduce the CO₂ emission from cement industry and to save natural resources. In Finland, approximately 500 000 tons of biomass fly ash is created annually. Part of this ash could potentially be utilized as a cement replacement material if current concrete standards are modified to allow the use of biomass fly ash as a raw material of structural grade concrete, but even under current legislation biomass fly ash could be already utilized in low value concrete and mortar products or applications. In this study, the suitability of two biomass fly ash, from bubbling fluidized bed combustion, to partially replace cement in concrete was investigated. Cement was replaced also by milled sand to identify the effects of fine inert material. Replacement levels of 10%, 20% and 40% were used. Research methods included a grinding of materials, the preparation of mortar samples, evaluation of fresh mortar paste, strength measurements, calorimetry, electron microscopy, X-ray powder diffraction analysis and chemical analysis. Results of the study demonstrated, that replacement of cement by biomass fly ashes or milled sand had a clear impact on the properties of fresh and hardened mortar. Both fly ashes involved the hydration of cement instead of acting just as a filler material. The chemical composition and performance of two studied fly ash differed greatly from each other and indicated that at least part of biomass fly ashes could be very potential alternatives to replace significant amounts of cement in concrete. On the other hand, some biomass fly ashes can also cause detrimental expansion when used in concrete.Sementin tuotanto on vastuussa merkittävästä osasta ihmiskunnan aiheuttamista CO₂ päästöistä. Sementin korvaaminen vaihtoehtoisilla sideaineilla on yksi keino pienentää sementtiteollisuuden CO₂ päästöjä sekä säästää luonnonvaroja. Suomessa syntyy vuosittain noin 500 000 tonnia lentotuhkaa biomassan poltosta. Osa tästä lentotuhkasta voitaisiin mahdollisesti hyödyntää sementtiä korvaavana raaka-aineena, mikäli nykyisiä betonistandardeja muutetaan tulevaisuudessa sallimaan myös biomassan poltosta syntyvät lentotuhkat betonin raaka-aineina. Nykyisessäkin tilanteessa biomassan lentotuhkaa voitaisiin hyödyntää matala arvoisissa betonituotteissa ja sovelluksissa. Työssä tutkittiin sementin osittaista korvaamista kahdella leijupoltosta peräisin olevalla biotuhkalla. Sementtiä korvattiin myös jauhetulla hiekalla eri vaikutusmekanismien selvittämiseksi. Tutkimuksessa käytettiin 10, 20 ja 40 % korvausasteita. Tutkimus metodit käsittivät materiaalien jauhamisen, kemiallisen koostumuksen analysoinnin, laastinäytteiden valmistamisen, tuoreen laastin ominaisuuksien arvioimisen, lujuusmittaukset, kalorimetrian, elektronimikroskopian sekä hydrataatiossa syntyneiden faasien määrityksen. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että sementin osittainen korvaaminen biomassan lentotuhkalla tai jauhetulla hiekalla vaikuttaa selvästi tuoreen sekä lujittuneen laastin ominaisuuksiin. Molemmat tuhkat vaikuttivat sementin hydrataatioon sen sijaan, että ne olisivat toimineet ainoastaan hienona täyteaineena. Tuhkien kemiallinen koostumus sekä vaikutukset valmistettujen näytekappaleiden ominaisuuksiin poikkesivat toisistaan huomattavasti. Tutkimuksen perusteella ainakin osa biomassa lentotuhkista voisivat korvata huomattavia osia betonissa käytettävästä sementistä. Jotkut lentotuhkista voivat puolestaan aiheuttaa betonin haitallista paisumista mikäli niitä käytetään sementtiä korvaavana ainesosana

Utilization of peat-wood fly ash from fluidized bed combustion as supplementary cementitious material

Abstract Approximately 500 000 tons of non-coal fly ash are produced in Finland annually from energy generation sources, most of which is fluidized bed combustion fly ash (FBCFA) from the burning of peat and wood. This significant industrial side stream is not yet fully utilized, so that some is still escaping from the material circulation of circular economy. FBCFA is nevertheless a promising novel supplementary cementitious material, as it naturally possesses a fine particle size as well as suitable chemical and mineralogical composition properties. Utilization of this material would be beneficial for the environment, as it could potentially reduce the carbon footprint of concrete production and the environmental impacts of ash disposal. It would also be beneficial for ash producers, as it would provide a new route for reducing the amount of waste generated. The aim of this thesis was to study how FBCFAs originating from the co-combustion of peat and wood affect the properties of fresh and hardened mortars when used to replace 10–40% of the cement normally used in them, and also to examine the effect of FBCFAs on freeze-thaw durability. It was found that FBCFA acts as a beneficial reacting component in mortar rather than just an inert filler material. Its irregular particle shapes dramatically increase the water requirement of mortar, but it was found that with a sufficient dosage of superplasticizers it is possible to produce mortars with good workability even when 40% of the cement is replaced with FBCFA. In general, fluidized bed combustion fly ash slightly reduced the compressive strength of the mortar samples, but it clearly out-performed non-reactive filler materials and achieved roughly similar compressive strengths to those resulting from conventional coal fly ash. FBCFA increased the water requirement of fresh material due to irregular particle shape. However, sufficient dosage of superplasticizer enabled to prepare mortar with good workability. In addition, milling of FBCFA was found to be an effective method to decrease the water requirement of fresh mortar. FBCFA increased the porosity, capillary water absorption and water vapour permeability of mortars, but unlike conventional coal fly ash it did not have any negative effect on the performance of the air entrainment agent nor on the freeze-thaw resistance of the mortars. From a technical perspective, approximately 20% of the cement can be replaced with good quality FBCFA without significantly impairing the performance of the hardened material, although at the moment FBCFA does not conform to the European fly ash standard EN 450-1, which hampers its use. On the other hand, it could be still used in non-standardized applications. The future feasibility of FBCFA as a supplementary cementitious material is highly dependent on the legal incentives laid down and customers’ attitudes towards sustainable construction materials.Tiivistelmä Suomessa syntyy vuosittain noin 500 000 tonnia energiantuotannon lentotuhkia, jotka ovat peräisin muusta kuin kivihiilen poltosta. Suurin osa näistä tuhkista on peräisin puun ja turpeen leijupetipoltosta. Kaikkea syntyvää tuhkaa ei hyödynnetä vielä täysin ja osa tuhkista läjitetään kaatopaikoille. Leijupetipolton lentotuhka on kuitenkin lupaava sementin seosaine, sillä tuhkalla on luonnostaan hieno partikkelikoko ja sopiva kemiallinen koostumus. Tämän sivuvirran tuotteistaminen rakennusteollisuuden raaka-aineeksi olisi hyödyllistä ympäristön kannalta, sillä sen käyttö voisi pienentää sementin hiilijalanjälkeä sekä tuhkan läjittämisen ympäristövaikutuksia. Tämän lisäksi tuhkan hyödyntäminen sementin seosaineena hyödyttäsi tuhkan tuottajia, sillä tämä tarjoaisi uuden tavan vähentää syntyvän jätteen määrää. Tämän työn tavoitteena on tutkia, miten puun ja turpeen yhteispoltosta syntyvä leijupetipolton lentotuhka vaikuttaa tuoreen ja lujittuneen laastin ominaisuuksiin, kun tuhkalla korvataan 10–40 % käytettävästä sementistä. Tämän lisäksi työssä tutkittiin leijupetipolton lentotuhkan vaikutusta laastin pakkasenkestävyyteen. Työssä kävi ilmi, että leijupetipolton lentotuhka toimii laastissa reaktiivisena komponenttina, sen sijaan, että se olisi vain reagoimaton fillerimateriaali. Leijupetipolton lentotuhkan epäsäännöllinen partikkelimuoto nostaa merkittävästi laastin vedentarvetta, mutta riittävällä tehonotkistimen annostelulla voitiin valmistaa työstettävyydeltään hyviä laasteja, jopa silloin kun sementistä korvattiin 40 % leijupetipolton lentotuhkalla. Yleisesti ottaen leijupetipolton lentotuhkat heikensivät hiukan laastien puristuslujuutta. Lujuudet olivat kuitenkin huomattavasti parempia, kuin laasteissa, joissa vastaava määrä sementtiä korvattiin reagoimattomilla fillereillä, ja samaa tasoa kuin laasteissa, joissa sementti korvattiin perinteisellä hiilen pölypolton lentotuhkalla. Epäsäännöllisen partikkelimuodon vaikutuksesta tuhkat lisäsivät huomattavasti laastien vedentarvetta. Riittävällä notkistimen annostuksella voitiin kuitenkin valmistaa laasteja, joiden työstettävyys oli hyvä. Myös tuhkan jauhatuksen todettiin olevan tehokas menetelmä työstettävyyden parantamiseksi. Leijupetipolton lentotuhka lisäsi laastien huokoisuutta, kapilaarista veden imeytymistä sekä vesihöyryn läpäisevyyttä. Leijupetipolton lentotuhkien todettiin soveltuvan myös pakkasenkestävän laastin valmistukseen, eikä tuhkilla ollut negatiivista vaikutusta huokostimen toimintaan. Käytännössä noin 20 % sementistä voitaisiin korvata hyvälaatuisella leijupetipolton lentotuhkalla heikentämättä merkittävästi lujittuneen materiaalin ominaisuuksia. Tällä hetkellä eurooppalainen lentotuhka standardi EN 450-1 ei kata leijupetipolton lentotuhkaa, mikä rajoittaa sen käyttöä. Toisaalta, tuhka voitaisiin mahdollisesti hyödyntää sovelluksissa, joihin ei vaadita standardoitua betonia. Lähitulevaisuudessa leijupetipolton lentotuhkan hyödyntämisnäkymät ovat voimakkaasti riippuvaisia siitä, miten tuhkan hyödyntämistä rajoittava sääntely, sekä asiakkaiden suhtautuminen ympäristöystävällisiin rakennusmateriaaleihin kehittyvät

Julkaisuohjelmistojen käytettävyys yksisivuisen printtimedian taitossa

Erilaisten julkaisujen tuottaminen on muuttunut ja siirtynyt painoalan ammattilaisten lisäksi myös yksityishenkilöiden saataville. Käsin latominen on jäänyt unholaan ja nykyään julkaisut luodaan digitaalisesti. Tähän muutokseen ovat vaikuttaneet erilaiset saatavilla olevat julkaisuohjelmistot, jotka ovat kehittyneet vuosien aikana paljon. Samalla, kun ohjelmat ovat kehittyneet ja ne ovat tulleet kaikkien saataville, ovat myös käyttäjäryhmät kasvaneet ja muuttuneet. Uusien ohjelmien tuleminen markkinoille aiheuttaa myös ongelman oikean ohjelman valintaan. Tämän tutkielman tavoitteena oli tutkia kahden ammattikäytössä olevan julkaisuohjelman käytettävyyttä ja soveltuvuutta yksisivuisen printtimedian taitossa. Tutkimuksen alaisena olevat ohjelmat ovat Adoben valmistamat Illustrator ja Indesign. Tutkielman tavoitteena oli tutkia, kummalla ohjelmalla on tehokkaampaa luoda yksisivuinen printtimediajulkaisu. Teoriatausta tutkimukselle saavutettiin kirjallisuuskautsauksella. Kirjallisuuskatsauksen avulla selvitettiin käytettävyyden määritelmiä ja käytettävyysvaatimuksia ohjelmistoille. Kirjallisuudesta selvitettiin myös hyvän käytettävyyden tuomia etuja sekä huonon käytettävyyden tuomia haittoja. Kirjallisuuskatsauksesta selvisi myös eri menetelmiä käytettävyyden arviointiin. Tutkielma kertoo tarkemmin myös julkaisun valmistuksesta sekä julkaisuohjelmistoista. Kirjallisuuskatsauksen aineistona on käytetty käytettävyyteen sekä julkaisun valmistukseen liittyviä artikkeleita ja tutkimuksia sekä oppikirjoja. Empiirisen tutkimuksen kohteena toimi sanomalehtitalo, jossa on käytössä molemmat ohjelmat. Menetelmänä tutkimuksessa käytettiin käytettävyystestausta ja testit olivat vertailevia testejä. Testeihin osallistui neljä sanomalehtitalon työntekijää, joilla kaikilla oli vuosien kokemus eri julkaisuohjelmistoista. Tutkimuksessa vertailtiin ohjelmien tehokkuutta lähinnä suoritusaikojen avulla, tapahtuvien virheiden määrää sekä lopputuloksen laatua. Testituloksia tarkasteltiin tilastollisen kuvailevan analyysin avulla, joka perustui aika- ja tehtävämäärämittauksiin ja graafisiin esityksiin ja kyselyjä tarkasteltiin laadullisena sisällönanalyysinä. Nykyään tutkimuksen kohteena olevassa yrityksessä yksittäiset lehti-ilmoitukset luodaan Illustratorilla ja kokonainen lehti taitetaan Indesignilla. Tutkimuksen tavoitteena oli myös tutkia voidaanko Indesignilla luoda yksittäiset lehti-ilmoitukset laadukkaasti, jolloin yrityksessä voitaisiin käyttää vain yhtä ohjelmaa. Tutkimuksessa saatiin selville, että käyttäjät tekivät heille annetun tehtävän nopeammin Illustratorilla, joten yksittäisen ilmoituksen luonti on Illustratoria käyttäen tehokkaampaa. Virheiden määrä kuitenkin kasvoi kolmella käyttäjällä neljästä siirryttäessä käyttämään Illustratoria. Ohjelmilla aikaansaatuja lopputuloksia vertailemalla oli nähtävissä, että kumpikaan ohjelma ei tuota toista laadukkaampaa jälkeä, mutta molemmilla ohjelmilla pystytään luomaan laadukkaita yksisivuisia printtimedia julkaisuja

Partial replacement of Portland-composite cement by fluidized bed combustion fly ash

Abstract Fly ash from fluidized bed combustion differs greatly from that of pulverized coal firing. The most noticeable differences are in morphology, reactivity, and chemical composition. The use of biomass fly ash from fluidized bed combustion as a cement replacement material could be a promising method for both minimizing the amount of landfilled fly ash and reducing CO2 emissions in the concrete and cement industry. In this study, fly ash from fluidized bed combustion of peat and forest industry residue was used as a supplementary cementitious material for portland-composite cement (CEM II) containing clinker, blast furnace slag, and limestone. Even with a 40% cement replacement ratio, the compressive strengths of the mortar samples were still as high as 88% of the control sample’s strength. Comparison with unreactive replacement material revealed that moderate hydraulic properties of the studied fly ash explained the positive effects on strength rather than filler or nucleation effects

Peat-wood fly ash as cold-region supplementary cementitious material:air content and freeze–thaw resistance of air-entrained mortars

Abstract Fluidized bed combustion fly ash (FBCFA) is a promising industrial side stream to be used as a partial cement replacement material. Untreated and milled FBCFAs from cocombustion of peat and wood were used to replace 20% of portland cement in air-entrained and non-air-entrained mortars. Additionally, equivalent mortars containing fly ash from pulverized coal combustion (CFA) were prepared to compare FBCFAs with more conventional standardized cement replacement material. The study found that both FBCFAs produced mortars with similar compressive strengths compared to a reference, indicating that milling did not affect reactivity of ashes. Air-entrained FBCFA-containing mortars had about the same amount of entrained air compared to the reference mortar. FBCFAs outperformed CFA as a cement replacement material, which produced lower compressive strengths and reduced the amount of entrained air. Non-air-entrained mortar containing CFA suffered severe damage during the freeze–thaw (FT) experiment, unlike non-air-entrained mortars containing untreated or milled FBCFA. The addition of an air-entrainment agent improved FT resistance of all mortars, except those that contained milled FBCFA, which nevertheless had good FT resistance. This first-of-its-kind investigation of the suitability of peat-wood FBCFAs as a supplementary cementitious material in air-entrained mortars suggests a potential use of FBCFAs in cold-region concreting

Direct carbonation of peat-wood fly ash for carbon capture and utilization in construction application

Abstract Carbon dioxide (CO₂) emissions from industrial processes contribute largely to the greenhouse effect and climate change. One of these industries is the cement industry, which contributes around 8% of CO₂ emissions caused by mankind. Two promising and interesting ways to reduce CO₂ emission are the utilization of alternative cementitious materials and carbon capture and utilization through CO₂ mineralization. In this study, peat-wood fly ashes from fluidized bed combustion were used as a construction material for mineral carbonation. A self-hardening characteristic of this type of fly ash was utilized, and simultaneous carbonation and hydration reactions were studied. The study showed that fly ashes from the fluidized bed combustion of peat and wood could be used to capture and mineralize CO₂ during hydration reactions. At the same time, CO₂ could improve the strength of self-hardened fly ashes. One interesting future possibility is fly ash tile production at energy plants: fly ashes can be used to capture CO₂ from flue gases, thus improving the strength of produced tiles

Milling of peat-wood fly ash:effect on water demand of mortar and rheology of cement paste

Abstract The milling of fluidized bed combustion fly ashes is a promising method to improve ashes’ properties as a cement replacement material. Two fly ashes from the co-combustion of peat and wood, as well as inert sand were milled at varying times. The physical properties of materials, water demand of mortar and rheology of cement paste were studied. At 25% cement replacement rate, the milling decreased the water demand of mortar by 10% and the yield stress of cement paste by 33%. It was found that milling disintegrated irregularly shaped particles, which were the main reason for high water demand of ashes, and tapped density could be used as a simple parameter to estimate the water demand for all studied materials

The effect of peat and wood fly ash on the porosity of mortar

Abstract Fluidized bed combustion fly ash (FBCFA), notably different from regular (coal) fly ash, is a promising industrial side stream to be used as a supplementary cementitious material (SCM). Peat and wood are important sources of biomass for energy production in Nordic countries and generate formidable amounts of un-used ash yearly. Two FBCFAs from the co-combustion of peat and wood, fly ash from coal combustion, and limestone filler were used to replace 10 wt%, 20 wt%, and 40 wt% of cement in mortar specimens. The compressive strength, porosity, water absorption, water vapor permeability, and drying shrinkage of the mortars were measured and compared. It was found that in almost all properties FBCFAs outperformed un-reactive limestone filler. Compared to coal fly ash, FBCFAs produced mortars with comparable compressive strength although with higher porosity, water absorption, and water vapor permeability

Cold-related symptoms and performance degradation among Thai poultry industry workers with reference to vulnerable groups:a cross-sectional study

Abstract Background: Few studies have examined cold-related symptoms among cold workplace workers in Thailand. This study aimed to determine the prevalence of cold-related cardiorespiratory, circulatory, and general symptoms and performance degradation among Thai chicken industry workers and identify vulnerable groups. Methods: Overall, 422 workers aged from 18 to 57 years at four chicken meat factories in Thailand were interviewed for cold-related symptoms and complaints. The results were expressed in terms of model-based adjusted prevalence and prevalence differences (PDs) in percentage points (pp) with 95% confidence intervals (CIs). Results: In total, 76.1% of the respondents reported cold-related respiratory symptoms, 24.6% reported cardiac symptoms, 68.6% reported circulatory symptoms, and 72.1% reported general symptoms. In addition, 82.7% of the respondents reported performance degradation. Cold-related respiratory symptoms increased by PD 29.0 pp. (95% CI 23.4–34.6) from the lowest to the highest educational group, with a similar pattern observed in performance degradation. Forklift drivers and storage and manufacturing workers complained of cold-related respiratory symptoms more than office staff (PD 22.1 pp., 95% CI 12.8–31.3; 12.0 pp., 95% CI 2.4–21.6; and 17.5 pp., 95% CI 11.5–23.6, respectively); they also reported more performance degradation (PD 24.1 pp., 95% CI 17.0–31.2; 19.8 pp., 95% CI 14.1–25.6; and 14.8 pp., 95% CI 8.0–22.6, respectively). Weekly alcohol consumers reported more performance problems owing to cold (PD 18.2 pp., 95% CI 13.9–22.6) than non-consumers of alcohol. Cardiac and circulation symptoms were more common in women than men (PD 10.0 pp., 95% CI 1.1–18.9; and 8.4 pp., 95% CI 0.5–16.4, respectively). The age trend in performance issues was curved, with the highest prevalence among those aged 35–44 years, while the oldest workers (45–57 years) perceived less cold-related symptoms, particularly thirst. Conclusions: Cold-related symptoms and performance degradation were found to be common in this industry, with vulnerable groups comprising of highly educated workers, forklift drivers, storage and manufacturing workers, weekly alcohol consumers, aging workers, and women. The results demonstrate a need for further research on the adequacy of protection provided against the cold, particularly given that global warming will increase the contrast between cold workplaces and outdoor heat