A novel application of mineral powders in normal strength concrete

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (monograph) | Defence date: 2013-11-22
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
198
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 182/2013
Abstract
The possibility of using inert mineral powders to replace a part of the cement in concrete and the effects of replacement on the properties of fresh and hardened concrete were studied. In the past, studies of the influence of fillers in concrete have mainly been focused on high strength, self-compacting and high-performance concretes. However, in the current research,the focus was on normal-strength concretes, with adequate to good consistency. According to the results, mineral powders had a considerable effect on the properties of the cement paste and concrete. The results obtained show that mineral powders can replace cement to a moderate extent, mainly as the result of the reduced water demand of the mineral powder concretes. In concretes with the same amount of cement and similar consistency,mineral powder concretes obtained higher strengths as a result of their lower amount of water.The use of mineral powders had a greater effect on the water demand of concrete than directly on the compressive strength. The direct strength gain, presumably caused by chemical activation of the hydration of cement via heterogeneous nucleation, was, on average, from 0 to5 MPa. Finally, a statistical model, based on over 70 mix compositions, is proposed for the quantification of the effects of the addition of the powder on the flow and compressive strength of the concrete.The use of mineral powders in itself was not observed to affect the freeze-thaw resistance,but the consequent binder reduction and strength loss reduced the freeze-thaw resistance.However, it is concluded that the strength loss resulting from the replacement of the cement could be compensated for by reducing the w/c ratio of the mineral powder concretes because of the lowered water requirement. The use of mineral powders also had an effect on the hydration and microstructure of the concretes. The maturities of the concretes containing mineral additions were continuously higher than that of the reference. In addition, a moderate cement reduction was not observed to have detrimental effects on the microstructure of the concrete. This work suggests that part of the cement can be replaced by inert powders, which lower the water demand of the concrete and thus allow a partial cement reduction. The advantages of the use of mineral powder in concrete include lower CO2 emissions and energy consumption in cement and concrete production and the potential to improve the cost-effectiveness of concrete manufacturing.

Tutkimuksessa selvitettiin mahdollisuutta korvata osa sementistä inertillämineraalijauheella sekä sen vaikutuksia tuoreen ja kovettuneen betonin ominaisuuksiin. Aikaisemmat tutkimukset aiheesta ovat pääasiassa keskittyneet korkealujuusbetoneihin,itsetiivistyviin betoneihin sekä muihin erikoisbetoneihin. Kuitenkin tässä tutkimuksessa keskityttiin normaalilujuusbetoneihin, joiden notkeus vaihteli riittävästä hyvään.Tulosten mukaan, mineraalijauheilla oli merkittävä vaikutus sementtipastojen ja betonienominaisuuksiin. Saatujen tulosten mukaan kohtuullinen osa sementistä voidaan korvatamineraalijauheilla, pääasiassa pienentyneen vedentarpeen perusteella. Betoneissa, joissa olisama määrä sementtiä ja vastaavanlainen notkeus, mineraalijauhetta sisältäneet betonitsaavuttivat suuremman puristuslujuuden pienentyneen vedentarpeen seurauksena. Mineraalijauheiden käytöllä oli suurempi vaikutus betonien vedentarpeeseen kuin suoraanpuristuslujuuteen. Mineraalijauheiden suora lujuusvaikutus oli keskimäärin 0 – 5 MPa;oletettavasti heterogeenisen tiivistymiskeskusten muodostumisen seurauksena. Lopuksi tutkimuksessa muodostettiin yli 70 betonivaluun perustuva tilastollinen malli betonien notkeuden ja puristuslujuuden määrittämiseksi.Mineraalijauheiden käytön itsessään ei havaittu vaikuttavan betonien pakkasenkestävyyteen,mutta jauheiden käytöstä johtuva sideaineen vähennys ja sitä seurannut lujuuden menetyslaski betonien pakkasenkestävyyttä. Kuitenkin voidaan todeta, että sementin vähenemisestä seurannutta puristuslujuuden menetystä voitaisiin kompensoida laskemalla mineraalijauhebetonien vesi-sementtisuhdetta, sillä jauheiden käyttö vähensi näiden betonienvedentarvetta. Mineraalijauheita sisältäneiden betonien kypsyysasteet olivat yhtäjaksoisesti korkeammat kuin vertailubetonin. Lisäksi, maltillisella sementin korvauksella ei havaittu olevan haitallisiavaikutuksia betonin mikrorakenteeseen. Päinvastoin, pyyhkäisyelektronimikroskoopin kuvat paljastivat mineraalijauhebetonien runkoaineen ja sementtipastan välisten faasirajojen olevan jopa tiiviimpiä. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella, osa sementistä voidaan korvata inerteillä jauheilla,jotka vähentävät betonien vedentarvetta ja siten mahdollistavat sementin osittaisenkorvaamisen. Mineraalijauheiden käytön hyötyihin kuuluvat pienemmät CO2-päästöt ja alhaisempi energiankulutus sementin ja betonin valmistuksessa sekä mahdollisuus parantaa betonin valmistuksen kustannustehokkuutta
Description
Supervising professor
Penttala, Vesa, Professor emeritus, Aalto University, Department of Civil and Structural Engineering, Finland
Keywords
concrete technology, mineral powders, cement replacement, mix design, freeze-thaw durability, hydration, microstucture, betonitekniikka, mineraalijauheet, sementin korvaaminen, suhteitus, pakkasenkestävyys, hydrataatio, mikrorakenne
Other note
Citation