Användning av bindemedel med lägre koldioxidbelastning för markstabilisering

Abstract (Swedish)

Stora mängder koldioxidutsläpp från stora infrastrukturprojekt är en av de mest angelägna utmaningarna inom dagens bygg- och anläggningsbransch, där klimatbelastande material ofta används i stora mängder. Markstabilisering är en beprövad teknik för att förbättra bärigheten hos svaga jordar och erbjuder både tids- och kostnadseffektiva lösningar. Trots dess fördelar är metoden förknippad med betydande koldioxidutsläpp, främst till följd av det omfattande användandet av kalk och cement som bindemedel. Mot denna bakgrund framstår utvecklingen och utvärderingen av alternativa bindemedel med lägre klimatpåverkan särskilt relevant i strävan mot en mer hållbar bygg- och anläggningssektor.

I detta examensarbete har ett antal alternativa bindemedel undersökts i syfte att utvärdera både deras tekniska prestanda och deras potential att minska klimatavtrycket vid markstabilisering. De studerade materialen omfattar Belite-Ye'elimite-Ferrite-cement (BYF-cement), supersulfatcement (SSC), cement kiln dust (CKD), kalkrik aska från pappersindustrin (Terra E) samt slagg från stålindustrin. Studien är förankrad i ett konkret anläggningsprojekt, där jordmaterialet i form av lera har hämtats i Lilla Edet, där kalk-cementpelare planeras utföras för att stabilisera jordmassor i samband med uppförandet av en slussanläggning. Leran från det aktuella projektområdet har använts som provmaterial i de genomförda laboratorieundersökningarna.

De alternativa bindemedlen har blandats med den aktuella leran i olika proportioner och olika kombinationer för att skapa 9 olika recept och jämförts mot ett konventionellt referensrecept baserat på kalk och cement. För att efterlikna fältmässiga förhållanden har även temperaturens inverkan beaktats, då markstabilisering i fält ofta sker under varierande klimatförhållanden. Därför har mätningar utförts vid två temperaturer, 7 °C och 20 °C, i syfte att undersöka hur reaktivitet och styrkeutveckling påverkas av termiska variationer. Utvärdering av de tekniska egenskaperna hos blandningarna har genomförts med hjälp av tre mätmetoder, (i) seismiska mätningar av primärvågshastighet i provkropparna under upp till 90 dygn för att följa styvhetsutvecklingen, (ii) mätningar med isoterm kalorimetri under 28 dygn för att studera värmeutveckling som sker till följd av hydratiseringsreaktionerna vid inbladningen samt (iii) enaxliga tryckförsök efter 90 dygns härdning för att fastställa den mekaniska hållfastheten hos de stabiliserade proverna.

Resultaten indikerar att flera av de studerade alternativa bindemedlen uppvisar god potential att helt eller delvis ersätta traditionella bindemedel, med bibehållen – eller i vissa fall förbättrad – teknisk prestanda. BYF-cement uppvisade dock begränsad prestanda under de aktuella förhållandena och bedöms därför inte utgöra ett konkurrenskraftigt alternativ i denna studie. Däremot presterade Terra-produkterna (Terra E och Terra EC), supersulfatcement (SSC) samt Multicem – en sammansättning av cement kiln dust (CKD) och cement – på en nivå som är jämförbar med det konventionella referensreceptet. Vidare påvisade de tillämpade mätmetoderna en hög grad av inbördes samstämmighet, vilket stärker resultatens tillförlitlighet och understryker metodernas relevans för icke-destruktiv utvärdering av bindemedlens egenskaper inom markstabilisering.

Sammanfattningsvis visar studien att koldioxidutsläpp vid markstabiliseringen kan reduceras avsevärt genom ett medvetet och vetenskapligt förankrat val av alternativa bindemedel – utan att kompromissa med de tekniska krav som ställs inom moderna anläggningsprojekt.

Abstract

Large-scale carbon dioxide emissions from major infrastructure projects constitute one of the most pressing challenges within the contemporary construction and civil engineering sector, where climate-intensive materials are often used in considerable quantities. Soil stabilization is a proven technique for enhancing the bearing capacity of weak soils and offers both time- and cost-effective solutions. However, despite its technical benefits, the method is closely associated with substantial CO₂ emissions, primarily due to the extensive use of lime and cement as binders. In this context, the development and evaluation of alternative binders with lower climate impact is particularly relevant in the pursuit of a more sustainable construction industry.

This thesis investigates a range of alternative binders with the aim of assessing both their technical performance and their potential to reduce the climate footprint of soil stabilization. The materials studied include Belite-Ye'elimite-Ferrite cement (BYF), supersulfated cement (SSC), cement kiln dust (CKD), lime-rich ash from the pulp and paper industry (Terra E), and slag from the steel industry. The study is anchored in a real-world infrastructure project, in which clayey soil was collected from Lilla Edet—where lime-cement columns are planned to be implemented for ground improvement in connection with the construction of a canal lock facility. This clay served as the basis for the laboratory investigations.

The alternative binders were combined with the clay in various proportions and formulations to produce nine different mixes, which were evaluated against a conventional lime–cement reference mixture. To better reflect real field conditions, the influence of temperature was also considered, as soil stabilization often takes place under varying climatic conditions. Accordingly, experiments were conducted at 7 °C and 20 °C to investigate how thermal variation affects binder reactivity and strength development. The technical properties of the stabilized samples were assessed using three complementary methods: (i) seismic measurements of primary wave velocity over a period of 90 days to monitor stiffness development, (ii) isothermal calorimetry over 28 days to quantify the heat release associated with hydration reactions, and (iii) unconfined compressive strength tests after 90 days of curing to determine the mechanical strength of the treated specimens.

The results indicate that several of the studied alternative binders demonstrate promising potential to fully or partially replace conventional binders, while maintaining—or in some cases enhancing—technical performance. In contrast, BYF cement exhibited limited performance under the test conditions and is therefore not considered a viable alternative in the context of this study. Conversely, the Terra products (Terra E and Terra EC), SSC, and Multicem—a composite of CKD and cement—performed at a level comparable to the reference mixture. Furthermore, the employed testing methods showed a high degree of internal consistency, reinforcing the reliability of the results and highlighting the relevance of these methods for non-destructive evaluation of binder performance in geotechnical applications.

In conclusion, this study demonstrates that CO₂ emissions from soil stabilization can be significantly reduced through a deliberate and scientifically grounded selection of alternative binders – without compromising the technical requirements of modern infrastructure projects.

Popular Abstract (Swedish)

Markstabilisering är en viktig teknik inom anläggningssektorn för att förbättra bärigheten hos svaga jordar, inte minst i samband med infrastrukturprojekt. Traditionellt sker stabilisering med kalk och cement – två bindemedel som visserligen är tekniskt beprövade men samtidigt förknippade med betydande koldioxidutsläpp. Mot bakgrund av klimatmålen och bygg- och infrastruktursektorns ansvar att bidra till minskade utsläpp, finns ett växande behov av att identifiera mer hållbara alternativ.

Detta examensarbete syftar till att undersöka i vilken utsträckning alternativa bindemedel med lägre klimatpåverkan kan ersätta konventionella material i stabilisering av lera. Studien har en tydlig tillämpningsförankring och baseras på provmaterial från ett aktuellt infrastrukturprojekt i Lilla Edet, där markstabilisering planeras inför byggandet av en ny slussanläggning. Studien bygger på laboratorieförsök där flera alternativa bindemedel – bland annat Belite-Ye’elimite-Ferrit cement (BYF), supersulfatcement (SSC), kalkrik aska (Terra E) från pappersindustrin, slagg från stålindustri, samt Multicem, en blandning av cement och cement kiln dust (CKD) – har testats och jämförts med ett traditionellt recept bestående av kalk och cement.

Frågeställningar i arbetet:
1.Bidrar alternativa bindemedel till minskade koldioxidutsläpp jämfört med traditionellt använda bindemedel inom markstabilisering?
2.Uppnår alternativa bindemedel likvärdig eller förbättrad hållfasthetsutveckling i jämförelse med konventionella bindemedel?
3.Hur förhåller sig härdningstiden och styvhetsutvecklingen över tid för lera stabiliserad med alternativa bindemedel, jämfört med traditionella bindemedel?
4.Hur påverkar temperaturförhållanden styvhetsutveckling i lera stabiliserad med dessa alternativa bindemedel?

Mätmetoder: För att utvärdera hur väl blandningarna fungerar har tre mätmetoder använts:
1. Seismiska mätningar: med resonans kolumn metoden (RCM-FF) för att bestämma materialets dynamiska styvhet.
2. Isoterm kalorimetri: för att analysera bindemedlens reaktivitet genom mätning av värmeutveckling.
3. Enaxligt tryckförsök: för att fastställa den mekaniska hållfastheten hos stabiliserade prover.

Mätningar har genomförts på provkroppar framställda enligt tio olika recept, vid två temperaturförhållanden: 20°C och 7°C. Seismiska mätningar utfördes löpande under en period av 90 dygn, medan värmeutvecklingen med isoterm kalorimetri studerades under 28 dygn. Slutligen genomfördes enaxliga tryckförsök på provkropparna efter 90 dygns härdning.

Resultaten visar att flera av de alternativa bindemedlen – särskilt SSC, Terra E och Multicem – uppvisar tekniska egenskaper i nivå med eller bättre än det konventionella referensreceptet. Samtidigt medför de en avsevärt lägre klimatbelastning, då de till stor del baseras på industriella restprodukter och har lägre processrelaterade utsläpp. BYF-cement uppvisade dock begränsad prestanda under de aktuella förhållandena och bedöms därför inte utgöra ett konkurrenskraftigt alternativ i denna studie. Vidare påvisade de tillämpade mätmetoderna en hög grad av inbördes samstämmighet, vilket stärker resultatens tillförlitlighet och understryker metodernas relevans för icke-destruktiv utvärdering av bindemedlens egenskaper inom markstabilisering.

• author: Alhamsho, Mohammad
• supervisor: Lars Wadsö; Per Lindh; Paul Sandberg
• organization: Division of Building Materials
• alternative title: Use of binders with a lower carbon footprint for soil stabilization
• course: VBMM01 20242
• year: 2025
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Markstabilisering, alternativa bindemedel, icke-förstörande mätningar, seismiska mätningar, isoterm kalorimetri, enaxligt tryckförsök, Belite-Ye'elimite-Ferrit cement (BYF), supersulfatcement (SSC), cement kiln dust (CKD), kalkrik aska (Terra E).
• publication/series: LUTVDG/TVBM
• report number: 5141
• other publication id: LUTVDG/TVBM-25/5141-SE
• language: Swedish
• id: 9209468
• date added to LUP: 2025-08-07 07:37:01
• date last changed: 2025-08-07 07:37:01