L'industrie du ciment est l'une des principales sources d'émission de dioxyde de carbone. L'industrie mondiale du ciment contribue à environ 7% des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Afin d'aborder les effets environnementaux associés à la fabrication de ciment exploitant en permanence les ressources naturelles, il est nécessaire de développer des liants alternatifs pour fabriquer du béton durable. Ainsi, de nombreux sous-produits industriels ont été utilisés pour remplacer partiellement le ciment dans le béton afin de générer plus d'économie et de durabilité. La performance d'un additif de ciment est dans la cinétique d'hydratation et de la synergie entre les additions et de ciment Portland. Dans ce projet, deux sous-produits industriels sont étudiés comme des matériaux cimentaires alternatifs: le résidu de silice amorphe (RSA) et les cendres des boues de désencrage. Le RSA est un sous-produit de la production de magnésium provenant de l'Alliance Magnésium des villes d'Asbestos et Thedford Mines, et les cendres des boues de désencrage est un sous-produit de la combustion des boues de désencrage, l'écorce et les résidus de bois dans le système à lit fluidisé de l'usine de Brompton située près de Sherbrooke, Québec, Canada. Récemment, les cendres des boues de désencrage ont été utilisées comme des matériaux cimentaires alternatifs. L'utilisation de ces cendres comme matériau cimentaire dans la fabrication du béton conduit à réduire la qualité des bétons. Ces problèmes sont causés par des produits d'hydratation perturbateurs des cendres volantes de la biomasse quand ces cendres sont partiellement mélangées avec du ciment dans la fabrication du béton. Le processus de pré-mouillage de la cendre de boue de désencrage avant la fabrication du béton réduit les produits d'hydratation perturbateurs et par conséquent les propriétés mécaniques du béton sont améliorées. Les approches pour étudier la cendre de boue de désencrage dans ce projet sont : 1) caractérisation de cette cendre volante régulière et pré-humidifiée, 2) l'étude de la performance du mortier et du béton incorporant cette cendre volante régulière et pré-humidifiée. Le RSA est un nouveau sous-produit industriel. La haute teneur en silice amorphe en RSA est un excellent potentiel en tant que matériau cimentaire dans le béton. Dans ce projet, l'évaluation des RSA comme matériaux cimentaires alternatifs compose trois étapes. Tout d'abord, la caractérisation par la détermination des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques des RSA, ensuite, l'optimisation du taux de remplacement du ciment par le RSA dans le mortier, et enfin l'évaluation du RSA en remplacement partiel du ciment dans différents types de béton dans le système binaire et ternaire. Cette étude a révélé que le béton de haute performance (BHP) incorporant le RSA a montré des propriétés mécaniques et la durabilité, similaire du contrôle. Le RSA a amélioré les propriétés des mécaniques et la durabilité du béton ordinaire (BO). Le béton autoplaçant (BAP) incorporant le RSA est stable, homogène et a montré de bonnes propriétés mécaniques et la durabilité. Le RSA avait une bonne synergie en combinaison de liant ternaire avec d'autres matériaux cimentaires supplémentaires. Cette étude a montré que le RSA peut être utilisé comme nouveaux matériaux cimentaires dans le béton. / Abstract : Cement manufacturing industry is one of the carbon dioxide emitting sources. The global cement industry contributes about 7% of greenhouse gas emission to the earth’s atmosphere. In order to address environmental effects associated with cement manufacturing and constantly depleting natural resources, there is necessity to develop alternative binders to make sustainable concrete. Thus, many industrial by-products have been used to partially substitute cement in order to generate more economic and durable concrete. The performance of a cement additive depends on kinetics hydration and synergy between additions and Portland cement. In this project, two industrial by-products are investigated as alternative supplementary cementitious materials (ASCMs), non-toxic amorphous silica residue (AmSR) and wastepaper sludge ash (WSA). AmSR is by-product of production of magnesium from Alliance Magnesium near of Asbestos and Thetford Mines Cities, and wastepaper sludge ash is by-product of combustion of de-inking sludge, bark and residues of woods in fluidized-bed system from Brompton mill located near Sherbrooke, Quebec, Canada. The AmSR is new industrial by-products. Recently, wastepaper sludge ash has been used as cementitious materials. Utilization of these ashes as cementitious material in concrete manufacturing leads to reduce the mechanical properties of concretes. These problems are caused by disruptive hydration products of biomass fly ash once these ashes partially blended with cement in concrete manufacturing. The pre-wetting process of WSA before concrete manufacturing reduced disruptive hydration products and consequently improved concrete mechanical properties. Approaches for investigation of WSA in this project consist on characterizing regular and pre-wetted WSA, the effect of regular and pre-wetted WSA on performance of mortar and concrete. The high content of amorphous silica in AmSR is excellent potential as cementitious material in concrete. In this project, evaluation of AmSR as cementitious materials consists of three steps. Characterizing and determining physical, chemical and mineralogical properties of AmSR. Then, effect of different rates of replacement of cement by AmSR in mortar. Finally, study of effect of AmSR as partial replacement of cement in different concrete types with binary and ternary binder combinations. This study revealed that high performance concrete (HPC) incorporating AmSR showed similar mechanical properties and durability, compared to control mixture. AmSR improved mechanical properties and durability of ordinary concrete. Self-consolidating (SCC) concrete incorporating AmSR was stable, homogenous and showed good mechanical properties and durability. AmSR had good synergy in ternary binder combination with other supplementary cementitious materials (SCMs). This study showed AmSR can be use as new cementitious materials in concrete.

There is an ongoing transition to a more sustainable industry with lower climate impact. As part of this transition, the steel industry is expected to move from the conventional process for producing iron and steel using Blast Furnace (BF) and Basic Oxygen Furnace (BOF) processes, consuming large amounts of fossil fuels. In Sweden, transition to an alternative process route using Hydrogen Direct Reduction of Iron (H DRI) combined with electric arc furnace s (EAFs) is underway. Large H DRI based steel industries are being established and are expected to produce significant volumes of residues. According to the principles of circular economy, these residues should be valorised as products or raw materials to as large an extent as possible. Industrial Symbiosis is a method for increasing industrial circularity by promoting transactions of information and residues to- provide economic and environmental synergies in a network of industry actors. There are existing industrial networks for valorising residues from the traditional iron and steel industry. Notably, large amounts of BF slags are used as a Supplementary Cementitious Material (SCMs) or raw material in cement production. However, there is a lack of research into how these existing networks can manage the residues produced in the new H DRI and EAF based process. There is also a need to better understand to what extent EAF slags can replace BF and BOF slags in valuable applications such as SCM or cement production. Research into these issues is complicated by the fact that no commercially operating HDRI based steel industries exist at present. Therefore, an exploratory and qualitative research approach was chosen to investigate the knowledge and current conditions in a region where such an industry is being established. A case study was conducted to investigate the industrial network surrounding an emerging steel industry that will use H DRI and EAF processes. A theoretical framework was constructed to assess conditions for the development of an Industrial Symbiosis Network (ISN) in such an industry. Social as well as technological conditions important for ISN development were identified.  The growing network of recyclers, metal industries and other actors surrounding the planned steel plant of H2 Green Steel (H2GS) in Boden was chosen as case. Potential ISN participants were identified and participated in four focus group workshops and ten in depth interviews. An overview of expected residues from H2GS was compiled, together with a list of potential methods for valorisation. The Technology Readiness Levels (TRL) of these valorisation processes were assessed, and the social conditions for ISN development were investigated. There seems to be an existing ISN kernel already forming among recyclers and waste management actors surrounding H2GS. Social networks and an exchange of experiences are in place, and technological and economic barriers are perceived as the main obstacles to efficient residue management. The presence of traditional iron and steel industries in the region seems to be a clear benefit to ISN development. Most of the residues originating in the planned H2GS plant are well known and similar to those produced by other steelmakers, except for the large volumes. However, valorisation of EAF slags is a significant challenge. The most mature technology valorising EAF slags as rocky materials in construction seems unlikely to be able to valorise large volumes of EAF slags in the long run. EAF slags has potential as an SCM material or as raw material for cement production. However, these applications require further refining using technologies that are not yet mature. When the development trajectory of these immature technologies can be predicted, the ISN participants can adjust and prepare for the opp ortunities they create. Some valorisation technologies would bring great ISN advantages by improving diversity of inputs and outputs. However, when development trajectories are unpredictable, ISN development is blocked. / Det pågår en omställning till en mer hållbar industri med lägre klimatavtryck. Som en del i denna omställning förväntas stålindustrin röra sig i väg från den konventionella framställningsprocessen för järn och stål som använder masugn och syrgaskonverter där stora mängder fossila bränslen förbrukas. I Sverige pågår en omställning till en alternativ processväg där direktreduktion med vätgas används tillsammans med ljusbågsugnar. Stora industrier baserade på direktreduktion med vätgas håller på att etablera sig och förväntas producera stora mängder restprodukter. Enligt principerna för cirkulär ekonomi bör dessa restprodukter användas som produkter eller råmaterial för andra processer i så stor utsträckning som möjligt. Industriell symbios är en metod för att förbättra industrins cirkularitet genom att främja utbyten av information och restprodukter som kan skapa ekonomiska och miljömässiga fördelar i ett industrinätverk. Det finns existerande industrinätverk för att använda restprodukter från den traditionella järn- och stålindustrin. Särskilt relevant är att stora mängder masugnsslagg används som alternativa cementmaterial eller som insatsvara i cementproduktion. Det finns dock en brist på forskning om hur sådana nätverk kan hantera restprodukterna från den nya processkedjan med vätgasreduktion och ljusbågsugn. Vidare finns ett behov av att förstå i vilken utsträckning ljusbågsugnsslagg kan ersätta masugnsslagg och konverterslagg i tillämpningar som cementproduktion eller produktion av alternativa cementmaterial. Forskning om dessa ämnen försvåras av att det ännu inte finns någon aktiv stålindustri i storskalig kommersiell drift som använder sig av vätgasreduktion och ljusbågsugnsprocesserna. Därför valdes en utforskande och kvalitativ forskningsdesign för att undersöka kunskapen och de nuvarande förutsättningarna i en region där en sådan industri håller på att etableras. En fallstudie genomfördes för att undersöka industrinätverket kring en framväxande stålindustri som kommer att använda vätgasreduktion och ljusbågsugn. Ett teoretiskt ramverk konstruerades för att bättre bedöma förutsättningarna för industriella symbiosnätverk att växa fram i en sådan industri. Sociala så väl som tekniska omständigheter som påverkar nätverkets framväxt identifierades. Det framväxande nätverket av återvinnare, metallindustrier och andra aktörer runt H2 Green Steels planerade stålverk i Boden valdes som fallstudie. Potentiella nätverksdeltagare identifierades och deltog i fyra fokusgruppworkshops samt tio djupintervjuer. En sammanställning av förväntade restmaterial från H2GS sammanställdes tillsammans med en lista över möjliga metoder för att nyttja dessa. Den tekniska färdighetsnivån (TRL-nivån) hos dessa nyttjandealternativ bedömdes och de sociala förutsättningarna för ett industriellt nätverk att växa fram undersöktes. Ett frö till symbiosnätverk verkar redan formas bland återvinnare och restmaterialhanterare runt H2GS. Sociala nätverk och utbyten av erfarenheter finns, och tekniska och ekonomiska barriärer ses som de största hindren för effektiv restmaterialhantering. Närvaron av traditionella järn- och stålindustrier verkar vara en tydlig fördel för framväxten av ett symbiosnätverk. De flesta av restprodukterna som förväntas från den planerade H2GS anläggningen är väl kända och lika de som produceras av andra stålverk, förutom att de kommer produceras i större volymer. Nyttjande av ljusbågsugnsslagg är dock en betydande utmaning Den mest mogna nyttjandemetoden för denna slagg är att använda den som ett stenmaterial i byggnadstillämpningar. Det verkar dock osannolikt att denna metod skulle kunna hitta avsättning för de stora mängderna ljusbågsslagg som väntas på lång sikt. Ljusbågsugnsslagg har potential som ett alternativt cementmaterial eller som insatsvara i cementproduktion. Dessa tillämpningar kräver dock vidare förädling av slaggen med hjälp av tekniker som inte är mogna ännu. När utvecklingsbanan för dessa tekniker kan förutsägas kan nätverksdeltagarna anpassa sig och förbereda för de möjligheter de skapar. Vissa nyttjandemetoder skulle ge stora symbiosfördelar till nätverket genom att öka mångfalden av insatsvaror och produkter som är möjliga. När utvecklingsbanorna inte går att förutsäga blockeras dock symbiosnätverkets utveckling.