Ladle furnace slag (LFS): a sustainable concrete performance-improving agent for use in rigid pavements

This thesis studies the implications of using ladle furnace slag (LFS), an industrial by-product of the steel production process, as a sustainable alternative material in the construction of rigid pavements for road and airport infrastructure. The study stems from the growing need to reduce the environmental impact of civil engineering works and improve the circularity of construction materials by reusing industrial waste without compromising mechanical efficiency or durability. The research begins with an overview of the functional and structural characteristics of road and airport pavements, focusing on rigid pavements composed mainly of cementitious concrete. These systems are designed to withstand significant static and dynamic loads generated by vehicular and air traffic, as well as environmental stress factors such as temperature changes and chemical aggression. Despite their high durability, the traditional materials used pose sustainability challenges due to high energy consumption, greenhouse gas emissions, and the depletion of non-renewable resources. In this context, the integration of secondary raw materials such as steel slag represents a promising approach for the development of sustainable infrastructure. Particular attention is paid to LFS, a by-product formed during secondary steel refining in ladle furnaces. Its composition, consisting mainly of CaO, SiO₂, Al₂O₃, and MgO, offers a combination of mechanical strength and potential reactivity. However, the presence of free CaO and MgO can cause volumetric instability due to hydration and expansion phenomena, limitations that can be mitigated through stabilization techniques, allowing the safe reuse of LFS in structural applications. To assess the suitability of LFS as a partial substitute for natural aggregates in concrete mixes for rigid pavements, an extensive experimental campaign was conducted in the road engineering laboratory of the University of Burgos (Spain) during an Erasmus mobility semester, under the supervision of research groups from the Universities of Burgos and Padua (Italy). The laboratory tests evaluated the properties of fresh concrete (workability, density, and air content), the mechanical behavior of hardened concrete (density, UPV, compressive, flexural and splitting tensile strength, modulus of elasticity and Poisson’s ratio), the durability (water penetration resistance), and both short-term (plastic shrinkage) and long-term shrinkage performance (drying and autogenous shrinkage). The results were analyzed in comparison with reference concretes to determine the influence of the composition, dosage, and morphology of LFS particles on the overall performance of the material. The results indicate that concretes incorporating up to 20% LFS exhibit mechanical strengths comparable to or higher than those of conventional mixtures. The angular and rough structure of LFS particles improves the ITZ, enhancing adhesion with the cement paste and contributing to higher strengths. In addition, silica-rich LFS exhibits beneficial pozzolanic activity, leading to the formation of additional C-S-H, which increase the compactness and durability of the matrix. Shrinkage behavior is also improved, as LFS reduces internal porosity and water evaporation, mitigating the risk of microcracking and improving long-term dimensional stability. From a sustainability perspective, the reuse of LFS significantly reduces the demand for virgin aggregates and CO₂ emissions associated with cement production. The study therefore demonstrates that the adoption of LFS in the construction of rigid pavements is in line with the principles of the circular economy and contributes to the development of eco-efficient infrastructure systems. In conclusion, the research confirms that LFS, when properly treated and characterized, is a technically and environmentally sound material for the production of rigid pavement layers in both road and airport applications.

Questa tesi studia le implicazioni dell'utilizzo della scoria “bianca” d’acciaieria (LFS) come materiale alternativo sostenibile nella costruzione di pavimentazioni rigide per infrastrutture stradali e aeroportuali. Lo studio nasce dalla crescente necessità di ridurre l'impatto ambientale delle opere ingegneristiche e migliorare la circolarità dei materiali da costruzione riutilizzando rifiuti industriali senza comprometterne l'efficienza meccanica o la durata. La ricerca inizia con una panoramica delle caratteristiche delle pavimentazioni stradali e aeroportuali, concentrandosi su quelle rigide, composte principalmente da calcestruzzo e progettate per resistere a carichi statici e dinamici significativi generati dal traffico, nonché a fattori di stress ambientale. Nonostante la loro elevata durabilità, i materiali tradizionali utilizzati pongono sfide di sostenibilità a causa dell'elevato consumo energetico, delle emissioni di gas serra e dell'esaurimento delle risorse non rinnovabili. In questo contesto, l'integrazione di materie prime secondarie come le scorie d'acciaio rappresenta un approccio promettente per lo sviluppo di infrastrutture sostenibili. Particolare attenzione viene riservata all'LFS, sottoprodotto derivante dalla raffinazione secondaria dell'acciaio nei forni a siviera. Essa, costituita principalmente da CaO, SiO₂, Al₂O₃ e MgO, offre una combinazione di resistenza meccanica e potenziale reattività. Tuttavia, la presenza di CaO e MgO liberi può causare instabilità volumetrica dovuta a fenomeni di idratazione ed espansione, mitigabili attraverso tecniche di stabilizzazione, consentendo il riutilizzo sicuro dell'LFS in applicazioni strutturali. Per valutare l'idoneità dell'LFS come sostituto parziale degli aggregati naturali nelle miscele di calcestruzzo per pavimentazioni rigide, è stata condotta un'ampia campagna sperimentale nel laboratorio di ingegneria stradale dell'Università di Burgos durante un semestre di mobilità Erasmus, sotto la supervisione dei gruppi di ricerca delle Università di Burgos e Padova. Le prove hanno valutato le proprietà del calcestruzzo fresco (lavorabilità, densità e contenuto d'aria), il comportamento meccanico del calcestruzzo indurito (densità, UPV, resistenza a compressione, flessione e trazione indiretta, modulo di elasticità e coefficiente di Poisson), la durabilità (resistenza alla penetrazione dell'acqua) e le prestazioni di ritiro sia a breve termine (plastico) che a lungo termine (da essiccamento e autogeno). I risultati sono stati analizzati in confronto con calcestruzzi di riferimento per determinare l'influenza delle particelle LFS sulle prestazioni complessive del materiale. I risultati indicano che i calcestruzzi che incorporano fino al 20% di LFS presentano resistenze meccaniche paragonabili o superiori a quelli convenzionali, grazie alla struttura angolare e ruvida delle particelle di LFS migliora l'ITZ, aumentando l'adesione pasta-aggregato. Inoltre, l'LFS mostra un’attività pozzolanica che porta alla formazione di ulteriore C-S-H, aumentando compattezza e durabilità della matrice. Anche il comportamento di ritiro è migliorato, poiché l'LFS riduce porosità interna ed evaporazione dell'acqua, mitigando il rischio di microfessurazioni e migliorando la stabilità dimensionale a lungo termine. Dal punto di vista della sostenibilità, il riutilizzo dell'LFS riduce significativamente la domanda di aggregati vergini e le emissioni di CO₂ associate alla produzione di cemento. Lo studio dimostra quindi che l'adozione di LFS nella costruzione di pavimentazioni rigide è in linea con i principi dell'economia circolare e contribuisce allo sviluppo di infrastrutture eco-efficienti. In conclusione, la ricerca conferma che LFS, se adeguatamente trattato e caratterizzato, è un materiale tecnicamente e ambientalmente valido per la produzione di strati di pavimentazioni rigide sia stradali che aeroportuali.