Tiedeblogi: Sementin korvaaminen kuonalla kovettuvissa kaivostäyttömateriaaleissa: teknisten ja kemiallisten ominaisuuksien arviointi

Kovettuvaa kaivostäyttöä käytetään tuki- ja täyttömateriaalina maanalaisissa louhoksissa. Se on ympäristöystävällinen tapa hyödyntää kaivannaisjätteitä, jotka ovat yksi suurimmista jätevirroista maailmassa. Kovettuvan kaivostäytön raaka-aineita ovat rikastushiekka, vesi sekä sideaine, joka on yleensä sementtiä. Sementin korvaaminen sekundäärisellä raaka-aineella, masuunikuonalla, vahvistaa kaivostäytön sisäistä mikrorakennetta ja vähentää CO2-päästöjä.

Kaivostäyttömateriaalitutkimus on uusi tutkimusalue GTK:ssa. Aihetta on tutkittu vuodesta 2019 asti EAKR-rahoitteisessa Kove-Pro-projektissa läheisessä yhteistyössä Savonia Ammattikorkeakoulun ja yrityskumppaneiden kanssa. Projekti on nyt edennyt tulosten julkaisuvaiheeseen, ja tässä blogissa esitellään ensimmäisten karakterisointitutkimusten tuloksia (Solismaa et al. 2021).

Näytteiden valmistus

Lähtömateriaalien karakterisoinnin jälkeen suunniteltiin viisi kovettuvaa kaivostäyttöreseptiä, joissa käytettiin erilaisia sideainesmääriä ja -suhteita (R1-R5, taulukko 1). Tavoitteena oli löytää optimaalisin kaivostäyttöresepti, jossa sementti on osittain tai kokonaan korvattu masuunikuonalla.

Taulukko 1. Lähtömateriaalien määrät kovettuvissa kaivostäyttöresepteissä R1-R5.

Starting Materials Kovettuvat kaivostäyttöreseptit (sementti:kuona-suhde)
R1 (40:60) R2 (50:50) R3 (0:100) R4 (100:0) R5 (50:50)
Rikastushiekka (%) 63 63 63 63 65
Vesi (%) 30 30 30 30 30
Huokosvesi (%) 96 96 96 96 100
Prosessivesi (%) 4 4 4 4 0
Sideaine (%) 7 7 7 7 5
Sementin osuus sideaineesta (%) 40 50 0 100 50
Kuonan osuus sideaineesta (%) 60 50 100 0 50
Painuma (mm) 200 220 210 190 200

Reseptien mukaiset seokset valettiin muotteihin ja niitä kovetettiin olosuhdekaapissa 60 vuorokautta ennen tutkimusten aloittamista. Kuvassa 1 avataan kaivostäyttökappaleen muottia ja tehdään puristuslujuuskoetta.

Simo Hyvönen aukaisemassa kaivostäyttökappaleiden muotteja ja tekemässä puristuslujuustestiä Savonialla. Kuvat: Soili Solismaa/GTK.
Kuva 1. Simo Hyvönen aukaisemassa kaivostäyttökappaleiden muotteja ja tekemässä puristuslujuustestiä Savonialla. Kuvat: Soili Solismaa/GTK.

Tulokset

Puristuslujuuskokeiden tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että sementin osittainen korvaaminen kuonalla (näytteet R1 ja R2) paransi kaivostäyttömateriaalin lujuusominaisuuksia (kuva 2). Sementin korvaaminen kokonaan kuonalla (R3) heikensi varhaislujuutta, mutta 56 vuorokauden kovettamisen jälkeen puristuslujuus ylsi samalle tasolle kuin pelkkää sementtiä sidosaineena sisältänyt resepti (R4). Sementin korvaaminen kokonaan kuonalla voi puristuslujuuskokeiden perusteella olla mahdollista kohteissa, joissa nopeaa kovettumista ei tarvita.

Puristuslujuuden kehittyminen kovettuvissa kaivostäyttökappaleissa, joissa käytettiin erilaisia sideainesmääriä (R1-R5, katso taulukko 1). Vain R3, jossa käytettiin ainoastaan kuonaa sideaineena, ei saavuttanut tavoiteltua 0,5 Mpa:n lujuutta 14 vuorokaudessa. Toisaalta lujuusarvo saavutti saman arvon pelkästään sementtiä sideaineena sisältävän näytteen (R4) kanssa 56 vuorokaudessa. Kuva: Pasi Heikkilä, GTK.
Kuva 2. Puristuslujuuden kehittyminen kovettuvissa kaivostäyttökappaleissa, joissa käytettiin erilaisia sideainesmääriä (R1-R5, katso taulukko 1). Vain R3, jossa käytettiin ainoastaan kuonaa sideaineena, ei saavuttanut tavoiteltua 0,5 Mpa:n lujuutta 14 vuorokaudessa. Toisaalta lujuusarvo saavutti saman arvon pelkästään sementtiä sideaineena sisältävän näytteen (R4) kanssa 56 vuorokaudessa. Kuva: Pasi Heikkilä, GTK.

 

Mineralogiset ja kemialliset analyysit osoittivat, että rikastushiekka ja kaivostäyttökappaleet sisälsivät noin 2 % rikkiä, joka oli pääosin sitoutuneena kipsiin (CaSO4). Myös tutkimuksissa käytetty sementti sisälsi kipsiä ja kaivostäyttökappaleiden valmistuksessa käytetyssä vedessä oli runsaasti sulfaattia.

Kuona tarvitsee aktivaattorin, esimerkiksi sementin, toimiakseen kovettavana sideaineena. R3 kuitenkin kovettui, vaikka sen ainoa lisätty sideaines oli kuona. Aktivaattori on todennäköisesti ollut neutraloidun rikastushiekan kipsi. Lähtöaineista syntynyt hydrataatiotuote, ettringiitti (kuva 3), havaittiin kaikista kaivostäyttökappaleista, ja sen pitoisuusvaihtelut antoivat lisätietoa eri reseptien välisistä eroista. Ettringiitin määrä oli pienin kuonaa sisältävissä näytteissä, joten vaikuttaa siltä, että sementin korvaaminen kuonalla rajoittaa ettringiitin muodostumista. C-S-H-geeli on tärkein betonia koossapitävä ainesosa. C-S-H-geeliä on todennäköisesti muodostunut reaktiossa kuonan ja sementin sisältämän hydraulisen kalkin välillä, mikä selittää sementtiä ja kuonaa sisältävien näytteiden (R1 ja R2) erinomaiset lujuustulokset.

Näyte kovettuvasta kaivostäytöstä, jossa käytettiin ainoastaan sementtiä sideaineena (R4). Ettringiitti täyttää perusmassan välit ja kasvaa mineraalien, kuten albiitin, rajapintoja pitkin. Kuva: Akseli Torppa/GTK.
Kuva 3. Näyte kovettuvasta kaivostäytöstä, jossa käytettiin ainoastaan sementtiä sideaineena (R4). Ettringiitti täyttää perusmassan välit ja kasvaa mineraalien, kuten albiitin, rajapintoja pitkin. Kuva: Akseli Torppa/GTK.

 

Vedellä tehdyissä liukoisuuskokeissa jauhetuista kaivostäyttökappaleistä liukeni enemmän arseenia kuin pelkästä rikastushiekasta. Liukeneminen liittyi sementin ja kuonan lisäämisestä johtuvaan pH:n nousuun. Jatkotutkimus, jossa käytetään kokonaisia kaivostäyttökappaleita jauhetun materiaalin sijaan ja kaivoksen kuivatusvettä liuottimena, julkaistaan myöhemmin. Jatkotutkimuksen pohjalta voidaan tehdä päätelmiä siitä, mitä kaivostäyttömateriaalille voi tapahtua oikeassa kaivosympäristössä.

Röntgentomografiatutkimus paljasti kaivostäyttökappaleiden kerrostuneen rakenteen (kuva 4). Kaikkien näytekappaleiden alaosat olivat tiiviimpiä kuin yläosat. Ilmiön mahdollinen syy on se, että kiinteät partikkelit laskeutuvat näytteen alaosaan ja nestefaasi nousee ylöspäin kovettumisvaiheessa. Lisätutkimuksia tarvitaan, että voidaan sanoa, mistä ilmiö johtuu ja mitä seurauksia sillä voi olla kaivostäytölle todellisessa käyttökohteessa. Röntgentomografialla saatujen huokoisuustulosten perusteella näytteessä, jossa käytettiin vain kuonaa sideaineena (R3), oli pienin huokoisuus, kun taas ainoastaan sementtiä sisältävässä näytteessä (R4) huokoisuus oli suurin. Kuonan käyttö siis vähentää huokoisuuden määrää.

Kovettuvien kaivostäyttökappaleiden keskimääräisessä tiheydessä on samanlainen trendi kaikille näytteille (R1-R5, katso taulukko 1). Kovetettujen kaivostäyttökappaleiden yläosat ovat vasemmalla puolella. Kuva: Jukka Kuva ja Pasi Heikkilä /GTK.
Kuva 4. Kovettuvien kaivostäyttökappaleiden keskimääräisessä tiheydessä on samanlainen trendi kaikille näytteille (R1-R5, katso taulukko 1). Kovetettujen kaivostäyttökappaleiden yläosat ovat vasemmalla puolella. Kuva: Jukka Kuva ja Pasi Heikkilä /GTK.


Johtopäätökset

Sementin osittainen korvaaminen kuonalla vähentää kovettuvan kaivostäyttömateriaalin huokoisuutta ja parantaa sen lujuusominaisuuksia. Joissakin tapauksissa jopa sementin korvaaminen kokonaan kuonalla saattaa olla mahdollista. Ns. sulfaattihyökkäyksen ja siitä johtuvan materiaalin heikkenemisen mahdollisuus on olemassa, koska lähtöaineet sisältävät runsaasti sulfaattia. Tätä ei kuitenkaan havaittu 91 vuorokautta kestäneen puristuslujuusseurannan aikana. Lisätutkimusten avulla selvitetään, mitä reaktioita tapahtuu kaivoksen kuivatusveden ja kovettuvien kaivostäyttökappaleiden välillä pidemmän seurantajakson aikana.

Tämän tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää kestävämpien ja ympäristöystävällisempien kaivostäyttöreseptien suunnitteluun. Katso tarkemmat kuvaukset ja tulokset Minerals-lehdessä äskettäin julkaistusta artikkelista.

Lähde

Solismaa, S., Torppa, A., Kuva, J., Heikkilä, P., Hyvönen, S., Juntunen, P., Benzaazoua, M. & Kauppila, T. 2021. Substitution of Cement with Granulated Blast Furnace Slag in Cemented Paste Backfill: Evaluation of Technical and Chemical Properties. Minerals 2021, 11, 1068. Saatavissa: https://doi.org/10.3390/min11101068

Teksti: Soili Solismaa ja Tommi Kauppila

Soili Solismaa on työskennellyt GTK:lla yli kymmenen vuotta. Hänen uransa alkoi tutkimusavustajana, ja valmistuttuaan Turun yliopiston Geologian laitokselta hän siirtyi tutkijaksi kaivosympäristötutkimusten, erityisesti kaivannaisjätteiden hyötykäytön, pariin. Hänen nykyinen ryhmänsä Kaivosympäristöt ja sivuvirrat on osa GTK:n Kiertotalouden ratkaisut -yksikköä, joka edistää materiaalien tehokasta käyttöä ja mineraalipohjaisten raaka-aineiden kierrätystä.

Tommi Kauppila on tutkimusprofessori vastuualueenaan kaivos- ja teollisuusympäristöjen tutkimus. Hän on työskennellyt ympäristöasioiden hallintaan ja kestävyyteen liittyvien aiheiden parissa GTK:lla yli 15 vuotta. Hänen tutkimusalueitaan ovat kaivostoiminnan ympäristöriskien arviointi ja hallinta, kaivosten sulkemisen hallinta ja kestävä kaivostoiminta.