Durability properties of low-carbon concrete using chemical and thermal activation

Abstract

To reduce greenhouse gas (GHG) emissions, the use of low-carbon concretes using high fractions of ground granulated blast furnace slag (GGBFS) has received increased interest in recent years. As these concretes have lower early compressive strength compared to concretes using ordinary cement, the use of activators is sometimes necessary to achieve the same compressive strength in the same time frame. This thesis studied the durability properties of concretes using CEM III/B (70 % slag) cements which were activated using 2 chemical activation methods and 1 thermal activation method in 5 combinations and compared to CEM III/B and CEM II/B reference casts with no activators.

The tests performed on fresh concrete were the slump test and the air content test. Compressive strength, carbonation resistance, capillary suction and pressure saturation, shrinkage tests and thin section analysis were used for hardened concrete. In addition, early strength development was recorded using non-destructive tests with a rebound hammer and an ultrasonic pulse velocity (UPV) device. The test results were analysed and compared with the references to determine changes in the durability properties of concretes.

The results indicated that the use of all activation methods had a weakening influence on the durability properties of the concrete in varying magnitudes, while the early compressive strength was increased. Thus, the application of the activation methods used in this thesis is not recommended for concretes in more demanding exposure classes and more optimisations should be performed to lower the durability reductions. Nevertheless, the activation methods are suitable for concretes in indoor use.

Suuren määrän masuunikuonaa sisältävän vähähiilisen betonin käyttö kasvihuonepäästöjen vähentämiseksi on herättänyt viime aikoina kasvavaa mielenkiintoa. Koska näillä betoneilla on alhaisempi varhaislujuus verrattuna normaalia sementtiä sisältäviin betoneihin, aktivaattorien käyttö on monesti tarpeellista saman lujuuskehityksen saavuttamiseksi. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin CEM III/B-sementtiä sisältävän betonin säilyvyysominaisuuksia. Betoniseoksissa käytetty CEM III/B aktivoitiin kahdella kemikaalisella aktivaattorilla ja yhdellä lämpökäsittelyllä. Näistä aktivaattoreista tehtiin viisi yhdistelmää, ja niitä verrattiin CEM III/B ja CEM II/B referenssibetoneihin, joissa ei käytetty aktivaattoreita.

Tuoreelle betonille tehtiin painuma- ja ilmamäärätesti. Kovettuneelle betonille tehtiin puristuslujuustesti, karbonatisoitumisen resistanssitesti, kapillaarihuokosten imukyky- ja painesaturaatiotesti, kutistumatesti ja ohuthieanalyysi. Lisäksi betonin varhaislujuutta mitattiin kimmovasaralla ja ultraäänen nopeudella. Testien tulokset analysoitiin ja verrattiin vertailubetoneiden säilyvyysominaisuuksien erojen tutkimiseksi.

Tulokset osoittivat, että kaikilla aktivaattoreilla oli vaihtelevan suuruinen heikentävä vaikutus betonin kestävyysominaisuuksiin, mutta varhaislujuus kasvoi vaihtelevissa määrin. Tässä työssä käytettyjä aktivointimetodeja ei saatujen tulosten perusteella suositella käytettäväksi vaativamman rasitusluokan betoneissa, mutta ne ovat sopivia sisätiloissa käytettäviin betoneihin. Aktivointimetodien lisäoptimointi on tarpeellista betonien säilyvyysominaisuuksien merkittävän heikkenemisen vähentämiseksi.