FiksuHasu - Utilization of acid sulfate soils

About the project

The key themes in the Innovation and Skills in Finland 2021−2027 program are to achieve a carbon-neutral Finland and to encourage a transition to a circular economy. Due to climate change, the structure/infrastructure sector has recently paid more attention to more sustainable construction works/solutions, among others by using materials with a low carbon footprint. The structure/infrastructure sector has a need for more efficient ways/methods to decrease the environmental impact of acid sulfate soils and for better technical solutions to problems related to construction on acid sulfate soils. In current earthworks projects, mass transfers are usually required where soil materials are swapped out with sand or gravel and transported away. The re-use of acid sulfate soil materials can be challenging due to their potential acidity, corrosive properties and in some cases poor geotechnical properties.

The re-use of acid sulfate soil materials can be made feasible by neutralization and stabilization, after which the soil materials can be used safely as base materials, for example as noise barriers and other applied earthwork projects. Stabilization and neutralization of acid sulfate soil materials inhibit the acid formation in the soil materials and the subsequent environmental load and problems related to corrosion.

Stabilization and neutralization techniques currently use cement or lime, the use of these materials greatly increases the carbon footprint of the construction sector. In earthworks, the use of recycled materials is still uncommon, even though it has been shown that industrial side streams, such as ash and slag, may be used for stabilization and neutralization. The use of industrial side streams does not cause any new release of carbon dioxide, but in order to utilize them in an environmentally safe way, research in both laboratory and field scale is required. The re-use, instead of disposal, of soil materials is wise and beneficial both for the environment and the construction sector from a sustainability and economic point of view.

A prerequisite for the stabilization and neutralization, is that the properties of the excavated material is investigated properly so that the correct amount of additives is used. Time is often of the essence and information about the excavated material properties should be assessed rapidly since a proper investigation of the soil materials cannot always be performed before excavations start. Currently, acidifying soil materials can be characterized using quick identification and risk assessment methods, but the suitability of these methods for the assessment of neutralization, stabilization and corrosion have not been studied. Corrosion studies are currently performed according to guidelines by the Finnish Transport Infrastructure Agency. However, these guidelines do not consider the change in environmental conditions such as lower groundwater levels and changes in the redox potential, which considerably affect corrosion. In construction projects, acid sulfate soil assessment and corrosion studies are performed separately, even though samples are collected simultaneously, and acid sulfate soil materials greatly increase the risk of corrosion. Therefore, several analytical methods for acid sulfate soils may be used directly to assess corrosion risks, which will save resources and time. With the aid of analytical methods developed for acid sulfate soils, it is possible to consider environmental changes and their effect on corrosion.
_____________________________________________________________________________

Uudistuva ja Osaava Suomi 2021−2027 -ohjelmassa keskeisiä teemoja ovat hiilineutraali Suomi ja kiertotalouteen siirtyminen. Ilmastonmuutoksen myötä maanrakennusalalla on viime aikoina kiinnitetty enemmän huomiota kestävään rakentamiseen ja vähähiilisten materiaalien käyttöön. Maanrakennusalalla on tarve happamien sulfaattimaiden paremmalle huomioimiselle ympäristökuormituksen vähentämiseksi ja rakennusteknisten ongelmien ratkaisemiseksi. Maarakennushankkeiden massatasapaino on tyypillisesti alijäämäinen eli rakennusalueiden ylijäämaita kuljetetaan läjitettäväksi muualle ja niitä korvataan pääasiassa luonnonmateriaaleilla esimerkiksi soralla ja hiekalla. Happamilla sulfaattimailla massojen hyötykäyttöä voi haitata erityisesti niiden suuri hapontuottopotentiaali, korroosio-ominaisuudet ja huonot geotekniset ominaisuudet.

Sulfaattimaiden hyötykäyttöä voidaan lisätä neutraloimalla ja stabiloimalla massat, jolloin niitä voidaan hyödyntää turvallisesti rakennuspohjana, materiaalina meluvalleissa ja muussa rakentamisessa. Happamien sulfaattimaiden stabilointi ja neutralointi estävät happamuuden muodostumisen maaperässä, vähentävät happamien valumavesien muodostumista ja sulfaattimaiden käytön aiheuttamia ympäristöongelmia sekä rakenteiden korroosiohaittoja.

Massojen neutralointia ja stabilointia tehdään nykyisin sementti- ja kalkkipohjaisilla materiaaleilla, joiden käyttö lisää rakentamisen hiilidioksidipäästöjä. Kierrätysmateriaalien käyttö maanrakennuksessa on vielä vähäistä, vaikka neutraloinnin ja stabiloinnin on todettu onnistuvan myös sivuvirtamateriaalien, kuten tuhkia ja kuonia käyttäen, joilla on merkittävästi pienempi hiilidioksidikuormitus. Kierrätysmateriaalien turvallinen käyttö edellyttää lisätutkimuksia niin laboratoriossa kuin käytännön mittakaavassakin. Materiaalien uusiokäyttö läjityksen sijaan olisi järkevää ympäristön ja rakentamisen kestävyyden näkökulmasta sekä taloudellisesti.

Kaivettujen, happoa tuottavien massojen neutralointi ja stabilointi edellyttää, että käsiteltävän massan ominaisuudet tunnistetaan luotettavasti, jotta materiaalimäärät voidaan laskea oikein. Tietoa kaivetun massan ominaisuuksista tarvitaan usein nopeasti, eikä niitä aina pystytä täysin selvittämään ennen kaivuutöiden aloittamista. Tällä hetkellä happoa tuottaville massoille on käytössä erilaisia pikatunnistus- ja riskinarviomenetelmiä, joiden soveltuvuutta käytännössä massojen neutralointiin, stabilointiin ja korroosiotutkimuksissa ei ole tutkittu.

Korroosiotutkimukset tehdään nykyisin Liikenneviraston (2017) ohjeistuksen mukaan, joka ei ota huomioon maaperän mahdollisia olosuhdemuutoksia, kuten pohjavedenpinnan ja hapetus-/pelkistysolosuhteiden vaihtelua. Tämä voi vaikuttaa kuitenkin merkittävästi korroosioon ja sen voimakkuuteen. Rakennushankkeissa happamien sulfaattimaiden tutkimukset ja korroosiotutkimukset ovat tyypillisesti erilliset osakokonaisuudet. Näytteet niihin otetaan usein saman aikaisesti, ja todellisuudessa juuri monet happamien sulfaattimaiden ominaisuudet ovat kriittisiä korroosioriskin arvioinnissa. Siksi useita happamien sulfaattimaiden analyysimenetelmiä voitaisiinkin hyödyntää suoraan korroosioriskin tarkastelussa, ja siten saada kustannus- ja aikatauluhyötyä hankkeille. Happamille sulfaattimaille kehitettyjen analyysimenetelmien avulla maaperän muuttuvat olosuhteet olisi mahdollista ottaa huomioon ja tuottaa siten uutta tietoa korroosiotutkimuksiin.