Abstract About 4 Mt of ladle slag is generated in steelmaking processes in Europe per year, a large proportion of which (80%) is placed in landfills or stored. This pattern is expected to continue without further research for their valorisation due to increasing demand for quality steel products worldwide. Ladle slag (LS) produced in Finland possesses large amounts of calcium and aluminium and mineralogical phases which can exhibit cementitious capabilities and can be utilized in applications where expensive commercial cements are currently being used. The aim of this thesis is to investigate the properties of ladle slag in different activation pathways, including alkali activation and use as a hydraulic binder with gypsum. The results showed that ladle slag can be used alone as a precursor in alkali activation or as the sole binder or a co-binder with gypsum in hydraulic binding. Depending on the activation pathway, compressive strength between 35–92 MPa can be achieved after 28 days. The reaction properties of alkali activated ladle slag are characterized, and it is confirmed through X-ray diffraction (XRD) that the reaction product after alkali activation is mainly an x-ray amorphous (calcium aluminate silicate hydrate-like) phase. Characterization techniques (SEM, XRD, TGA and NMR) used to analyze the LS paste binder with just water showed the hydration products of ladle slag to be dicalcium aluminate octahydrate (C₂AH₈), tricalcium aluminate hexahydrate (C₃AH₆), gibbsite (AH₃) and stratlingite (C₂ASH₈) was also identified after a prolonged period of hydration. Furthermore, it was found that to minimize the conversion, the ideal water-to-binder ratio is 0.35. The conversion mechanism is reduced at this ratio and the strength is slightly affected. Another pathway that can be used to annul the conversion of calcium aluminate hydrates formed in LS paste is through the addition of gypsum to the LS paste system to produce an ettringite-rich binder (C₆A\(\bar{S}\)₃H₃₂). When ettringite is formed in place of calcium aluminate hydrates the strength increases, frost resistance is improved, and drying shrinkage is enhanced. Lastly, a potential application of ladle slag as a refractory material was also investigated. / Tiivistelmä Euroopassa syntyy vuosittain noin 4 Mt terästeollisuden sivutuotetta, JV-kuonaa, josta 80 % läjitetään tai kaatopaikoitetaan. Maailmanlaajuisesti syntyvän kuonan määrä tulee todennäköisesti kasvamaan laadukkaiden terästuotteiden ennustetun kysynnän kanssa. Tämän vuoksi kuonalle tulisi löytää hyötökäyttökohde, jota vältyttäisiin läjitykseltä. JV-kuona sisältääkin suuria määriä kalsiumia ja alumiinia sekä mineralogisia faaseja, joilla on sementtimäisiä ominaisuuksia. Näin kuonaa voitaisiin käyttää sovelluksissa, joissa tällä hetkellä käytetään kalliita kaupallisia sementtejä. Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia JV-kuonan ominaisuuksia sementtimäisenä sideaineena alkali-aktivoinnissa sekä hydraulisena sideaineena yksinään että kipsin kanssa sekoitettuna. Väitöskirjan tulokset osoittivat, että JV-kuonaa voidaan käyttää prekursorina alkali-aktivoinnissa tai hydraulisena sideaineena pelkästään veden kanssa tai yhdessä kipsin ja veden kanssa. Saavutetut puristuslujuuset vaihtelivat 35 ja 92 MPa:n välillä, jotka vastaavat normaalin ja erityislujan betonin lujuuksia. JV-kuonan reaktiotuotteet alkali-aktivonnin jälkeen analysoitiin XRD- ja FTIR-analyyseillä. Tuloksista nähtiin, että alkali-aktivoinnin jälkeen reaktiotuote on sementin kaltainen kalsium-aluminatti-silikaati-hydraati (C-A-S-H) -tyyppinen faasi. XRD-, SEM-, TGA- ja NMR-analyysit osoittivat JV-kuonan hydrataatiotuotteiden olevan erilaisia kalsium-aluminaattihydraatteja (C₂AH₈, C₃AH₆, AH₃ ja C₂ASH₈). Tämän vuoksi työssä tutkittiin eri vesi–kuona-suhteita, ja havaittiin, että kun käytetään alhaista kuona-vesi –suhdetta (0,35), reaktiotuoteiden muutos vähenee ja lujuus paranee. Toinen tapa, jolla voidaan estää reaktiotuotteiden muuttuminen, on kipsin lisäys: lisäämällä kipsiä tuotetaan runsaasti ettringiittiä (C₆A\(\bar{S}\)₃H₃₂). Kun ettringiittiä muodostuu kalsium-aluminaattihydraattien sijaan, lujuus kasvaa, pakkaskestävyys paranee ja kuivumiskutistuma paranee. Väitöskirjan viimeisessä osiossa tutkittiin JV-kuonan mahdollista käyttöä tulenkestävänä materiaalina ja huomattiin, että sen tulenkestävyysominaisuudet vaihtelevat käytetyn aktivointityypin mukaan.

Abstract Industrial ecology provides the scientific and technological understanding upon which the increased environmental, economic and social efficiencies necessary to progress towards sustainability can be based. Industrial ecosystem is the creation of synergies between various industries, agriculture, and communities to profitably convert waste into valuable products or feedstock. Copper and nickel flash smelters developed by Outokumpu form the heart of the Harjavalta industrial ecosystem, which consists of thirteen different firms. The ideas found in Harjavalta industrial ecosystem consideration can be applied to carbon steelmaking and other related industry sectors to add product efficiency, improve energy utilization and start new local business, when different firms can concentrate to their own core know-how areas. When planning to add the amount of recycled material in steel production the waste oxides from steel industry, pyrite roasting residues and slags from the copper and nickel smelters are rich iron sources. When processing dusts, scales and sludge in the separate treatment plant, the main thing is that the primary production of the steel plant is not disturbed. The big problem when using secondary iron raw materials will be the contamination of steel by tramp elements similar to scrap based steel manufacture. Today's industry is facing significant change from the process related environmental thinking towards product based environmental thinking seen in the EU product policy. This will mean need for the research covering raw material acquisition, production, products, in-use phase, recycling and disposal. Steel has very unique properties, which can be improved, if steel manufacturers can concentrate on their core know-how area. The essential difference between the technical and natural systems is the human control. Based on the experiences of Harjavalta industrial ecosystem the occupational safety and accident security risk prevention should be included into the metaphor of industrial ecology. If we consider the human control in global scale the future development will depend on the ethical decisions made by humankind. / Tiivistelmä Teollisessa ekologiassa pyritään aine- ja energiavirtojen tutkimiseen siten, että jäljitellään luontoa lopullisena tavoitteena jätevirtojen eliminointi tai ainakin minimointi, jolloin se on osa kestävälle kehitykselle välttämätöntä ekologista, taloudellista ja sosiaalista toimintaa. Teollinen ekosysteemi on teollisuuslaitosten ja yhteiskunnan sekä mahdollisesti maatalouden synerginen liittymä, jonka avulla integroidaan tuotannon ja kulutuksen lohkot yhteen tavoitteena vähentää sekä raaka-aineiden kulutusta että ympäristöpäästöjä. Harjavallan teollinen ekosysteemi on syntynyt ja kehittynyt Outokummun kehittämän liekkisulatusmenetelmään perustuvien kupari- ja nikkelisulattojen ympärille. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatuja ajatuksia ja kokemuksia voidaan soveltaa luovasti hiiliteräksen valmistukseen ja muihin vastaaviin teollisuuden haaroihin. Eri yritysten keskittyessä omalle ydinosaamisalueelleen voidaan parantaa raaka-aine- ja energiatehokkuutta sekä perustaa uutta paikallista teollisuutta. Terästeollisuuden hyödyntämättömät jäteoksidit, pyriitin pasuttamisesta saatavat pasutteet sekä nikkelin ja kuparin valmistuksen kuonat ovat potentiaalisia uusioraaka-aineita. Uusioraaka-aineille on kehitettävä hiiliteräksen valmistuksen pääprosessin viereen omat käsittelyratkaisut, sillä muuten rautapohjaisten poisteiden kierrätyksen ekologiset ja taloudelliset säästöt saatettaisiin menettää pääprosessin tuottavuuden laskuna. Ongelmallista on myös teräksen laatua haittaavien harmeaineiden kumuloituminen teräkseen, mitä tapahtuu myös käytettäessä romua uusioraaka-aineena. Kestävää kehitystä tavoiteltaessa täydennetään EU:n perinteistä prosessi- ja tuotantoyksikköperusteista ympäristölainsäädäntöä tuotelähtöisellä ympäristölainsäädännöllä. Säädöksissä huomioidaan laajemmin koko tuotteen elinkaari, jolloin tutkimuksen on katettava raaka-aineen hankinta, tuotanto, tuotteet, käyttö ja käytöstä poistoon liittyvä kierrätys tai sijoittaminen takaisin luontoon. Teräksen ainutkertaisia ominaisuuksia voidaan entisestään parantaa, jos teräksen valmistajat saavat keskittyä omalle ydinosaamisalueelleen. Teknisen järjestelmän sisältä löytyy aina ihminen suorittamassa tietoisen ohjauksen, mitä ei luonnonjärjestelmissä löydy. Harjavallan Suurteollisuuspuistosta saatujen kokemusten perusteella voidaan todeta, että työturvallisuus ja teollisuusonnettomuuksia ehkäisevä turvallisuustyö on otettava teollisen ekologian viitekehykseen. Jos tarkastellaan ihmisen vaikutusta globaalissa viitekehyksessä, voidaan todeta, että ihmisen vaikutus riippuu tulevaisuudessa tehtävistä eettisistä päätöksistä ja päätösten edellyttämistä toimenpiteistä.