Potential use of low-carbon concretes for low and intermediate level nuclear waste repositories

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Date

2024-05-20

Department

Major/Subject

Concrete Technology

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Building Technology (CIV)

Language

en

Pages

99+25

Series

Abstract

The low and intermediate level nuclear waste (LILW) repositories in Finland are planned to be extended to accommodate the expected volumes from decommissioning of the existing nuclear power plants. The interest of using low-carbon concrete has increased rapidly, driven by the awareness that cement manufacturing is responsible for approximately 7% of the global carbon dioxide emissions. The objective of this thesis is to investigate the properties and key characteristics of low-carbon concrete with mineral additives in order to evaluate its suitability for use in LILW repository structures. In this study, five different concrete mixtures with increasing levels of ground granulated blast-furnace slag (GGBFS) content as cement replacement were cast and subjected to tests for heat monitoring, compressive strength, modulus of elasticity, shrinkage and carbonation. The fifth mixture, containing only slag as binder, was activated using a sodium silicate solution and dissolved sodium hydroxide, forming alkali-activated slag (AAS) composite. The findings were then compared with existing literature. GGBFS substitution appeared to enhance the durability of concrete as it reduces its permeability. However, based on the accelerated carbonation method, the carbonation resistance emerged as a crucial factor of low-carbon concrete suitability in LILW repository environments. This research demonstrates that low-carbon concrete may possess properties different from those of Portland cement concrete. Therefore, it is essential for supporting sustainability to thoroughly analyse and investigate the potential of low-carbon concrete mixtures to ensure efficient utilization in applications where they outperform Portland cement concrete.

Slutförvaren för låg- och medelaktivt kärnavfall (LILW) i Finland planeras att byggas ut för att ta emot de förväntade volymerna från avveckling av befintliga kärnkraftverk. Intresset för att använda betong med lågt koldioxadavtryck har ökat kraftigt som en följd av medvetenheten om att cement-tillverkningen ger upphov till uppskattningsvis 7% av de globala koldioxidutsläppen. Syftet med denna forskning är att undersöka egenskaperna hos betong med lågt koldioxidavtryck innehållande mineraltillskott, för att kunna utvärdera dess lämplighet för användning i slutförvarsstrukturerna för LILW. I denna studie undersöktes fem olika betongblandningar med ökad cementersättningshalt av masugnsslagg genom testning av värmegenerering under härdning, tryckhållfasthet, elasticitetsmodul, krympning och karbonatisering. Den femte blandningen, innehållande endast slagg som bindemedel, aktiverades med en lösning av natriumsilikat och natriumhydroxid, vilket bildar alkaliaktiverad slaggkomposit. Resultaten jämfördes sedan med befintlig litteratur. Substitutionen av masugnsslagg visade sig förbättra hållbarheten hos betong eftersom det minskar betongens permeabilitet. Baserat på den accelererade karbonatiseringsmetoden framstår karbonatisering däremot som en avgörande faktor för huruvida betong med lågt koldioxidavtryck är lämplig för miljön i LILW-slutförvar. Denna forskning visar att egenskaperna hos betongblandningar med lågt koldioxidavtryck kan avvika från egenskaperna hos vanlig betong av portlandcement. För att bidra till hållbarhet är det därför viktigt att noggrant analysera och undersöka deras potential för att säkerställa effektiv användning i tillämpningar där de överträffar portlandcementbetong.

Description

Supervisor

Punkki, Jouni

Thesis advisor

Al-Neshawy, Fahim

Keywords

low-carbon concrete, LILW repositories, ground granulated blast-furnace slag, alkali-activated slag

Other note

Citation