Development of advanced cementitious systems with enhanced mechanical properties, improved microstructure and chemical resistance

Abstract

The aim of this study is to develop advanced cementitious systems with enhanced mechanical properties, improved microstructure, and chemical resistance. Utilizing supplementary cementing materials has apparent benefits in reducing the carbon footprint and improving the durability performance of concrete structures. In that respect, combinations of Portland cement and supplementary cementing materials, such as ultrafine limestone and ground granulated blastfurnace slag, were utilised in the present experimental research. Admixture compatibility with supplementary cementing materials is a continuous challenge for the construction industry. Aggregate shape, texture, and grading have a significant effect on the performance of mortar and concrete. Aggregate combinations with well-shaped and round particles require fewer admixtures in a cementitious system for a given workability. Particle size distributions with sufficient quantities of each size improve compaction in blends. As a result, cementitious systems, containing these aggregates, are anticipated to exhibit improved durability performance and mechanical properties. In the present study, the aggregate effect was assessed in the early experimental investigations in order to select the appropriate materials and proportions for the development of the reference mixtures. The performance of Portland limestone cement composites, containing butyl stearate, zinc stearate, calcium carbonate, and oleic acid was then assessed using performance-based and microscopy examination approaches. The results indicate the great potential of butyl stearate as an effective water permeability, reducing admixture either alone or in combination with calcium carbonate and oleic acid. Measurements for drying shrinkage and thermal expansion were further conducted to verify durability performance. The results suggest the dominant effect of the aggregate and binder type. Validation, however, of these observations through further testing is recommended. As part of the final stage of this experimental work, combinations of hydroxycarboxylate, polycarboxylate, lignosulfonate and modified polycarboxylate admixtures were examined in cementitious blends containing GGBS (Ground Granulated Blast-furnace Slag) and Portland cement. Workability loss studies indicate the effectiveness of lignosulfonates and hydroxycarboxylates in retaining the consistence up to 5 h. Furthermore, adding polycarboxylate and modified polycarboxylate admixtures had a positive effect in obtaining mixtures with chloride migration coefficients as low as 1.2 × 10−12 m2/s.

Ο σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων τσιμέντου με ενισχυμένες μηχανικές ιδιότητες, βελτιωμένη μικροδομή, και χημική αντοχή. Η χρήση υποκατάστατων τσιμέντου έχει προφανή οφέλη στην μείωση του αποτυπώματος άνθρακα και στη βελτίωση της ανθεκτικότητας των κατασκευών από σκυρόδεμα. Στην παρούσα πειραματική έρευνα, αξιοποιήθηκαν συνδυασμοί τσιμέντου Portland και υποκατάστατων τσιμέντου, όπως εξαιρετικά λεπτόκοκκος ασβεστόλιθος και σκωρία υψικαμίνου. Η συμβατότητα των προσμίκτων με τα υποκατάστατα τσιμέντου είναι μια συνεχής πρόκληση για τον κατασκευαστικό κλάδο. Το σχήμα, η υφή και η διαβάθμιση των αδρανών έχουν σημαντική επίδραση στην απόδοση του κονιάματος και του σκυροδέματος. Οι συνδυασμοί αδρανών με καλοσχηματισμένα και σφαιρικά σωματίδια απαιτούν λιγότερες ποσότητες προσμίκτων σε ένα σύστημα τσιμέντου για δεδομένη εργασιμότητα. Οι κατανομές μεγέθους σωματιδίων με επαρκείς ποσότητες του κάθε μεγέθους βοηθούν στη βελτίωση της συμπύκνωσης μιγμάτων. Ως αποτέλεσμα, συστήματα τσιμέντου που περιέχουν αυτά τα αδρανή αναμένονται να παρουσιάσουν βελτιωμένη ανθεκτικότητα και μηχανικές ιδιότητες. Στην παρούσα πρωτότυπη μελέτη, η επίδραση των αδρανών αξιολογήθηκε στις πρώιμες πειραματικές έρευνες για να επιλεχθούν τα κατάλληλα υλικά και οι αναλογίες στην ανάπτυξη των μιγμάτων αναφοράς. Η απόδοση των σύνθετων υλικών ασβεστολιθικού τσιμέντου Portland που περιέχουν στεατικό βουτυλεστέρα, στεατικό ψευδάργυρο, ανθρακικό ασβέστιο και ελαϊκό οξύ αξιολογήθηκε στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας προσεγγίσεις που βασίζονται στην απόδοση και ανάλυση μικροσκοπίας. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τη δυνατότητα του στεατικού βουτυλεστέρα, ως ενός αποτελεσματικού πρόσμικτου που μειώνει τη διαπερατότητα σε νερό είτε μόνο του είτε σε συνδυασμό με ανθρακικό ασβέστιο και ελαϊκό οξύ. Μετρήσεις της συρρίκνωσης κατά την ξήρανση και της θερμικής διαστολής πραγματοποιήθηκαν στη συνέχεια ώστε να επαληθευτεί η ανθεκτικότητα. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν την κυρίαρχη επίδραση του τύπου του αδρανούς και της συνδετικής ύλης. Ωστόσο, συνιστάται η επικύρωση αυτών των παρατηρήσεων μέσω περαιτέρω δοκιμών. Ως μέρος του τελικού σταδίου αυτής της εργασίας, εξετάστηκαν συνδυασμοί υδροκαρβοξυλικών, πολυκαρβοξυλικών (τροποποιημένων και μη), λιγνοσουλφονικών σε μίγματα τσιμέντου που περιέχουν σκωρία υψικαμίνου και τσιμέντο Portland. Μελέτες απώλειας εργασιμότητας υποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα των λιγνοσουλφονικών και υδροκαρβοξυλικών στη διατήρηση της συνοχής και εργασιμότητας έως 5 ώρες. Επιπλέον, η προσθήκη πολυκαρβοξυλικών είχε θετική επίδραση στη λήψη μιγμάτων με συντελεστές διείσδυσης ιόντων χλωρίου μέχρι 1.2 × 10−12 m2/s.