Influence of different types of nanosilica on compressive strength development of cement matrix composites

• Autorzy: Popławski J. , Lelusz M.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135215

Warianty tytułu

PL

Wpływ różnych rodzajów nanokrzemionki na rozwój wytrzymałości kompozytów o matrycy cementowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents test results of cement paste and binders with admixture of hydrophilic or hydrophobic nanosilica. The aim of the study was to determine the influence of nanosilica type and mixing method on compressive strength, porosity, and bulk density of cement paste, also on hydration heat of cement binders. The binder compounds were mixed in high speed mixer in order to provide the highest possible dispersion of nanoparticles in the binder before adding it to mixing water. Two mixing methods were studied. The admixtures increased the reactivity of cement binders. Both nanosilica types increased early compressive strength by 25% in comparison with control series. The increase in 28-day compressive strength was observed with the admixture of hydrophilic nanosilica. The differences in dynamics of binders rate of hydration and development of cement pastes compressive strength denote different reaction mechanisms of both types of nanosilica. Application of higher rotation speeds does not guarantee satisfactory mixing of the binder components. For compressive strength enhancement of cement paste prolonged mixing time occurred to be more important.

PL

Osiągnięcia nanotechnologii znalazły zastosowanie w szeregu gałęzi przemysłu. Wraz z rozwojem instrumentów naukowych stają się one również możliwe do wdrożenia w branży budowalnej, a zastosowanie nanodrobin w formie domieszek do betonu jest przykładem tego typu prób. W tym kontekście duże zainteresowanie wzbudza nanokrzemionka. Jest to materiał składający się z nanodrobin amorficznej krzemionki o dużej powierzchni właściwej i dużej czystości chemicznej. Dzięki intensywnej reakcji pucolanowej oraz zarodkowaniu reakcji hydratacji cementu sprzyja wytworzeniu zwartej struktury matrycy cementowej, co może przełożyć się na bardzo dobre parametry mechaniczne i wydłużoną trwałość kompozytu cementowego. Problemem przy stosowaniu nanodomieszek jest zapewnienie ich jednorodnego rozprowadzenia w mieszance i stwardniałym kompozycie. W celu znalezienia satysfakcjonującego rozwiązania tego problemu badane są różne rodzaje nanokrzemionki oraz różne procedury jej mieszania ze składnikami mieszanki. W artykule przedstawiono wyniki badań zaczynów i spoiw cementowych z domieszką nanokrzemionek hydrofilowej i hydrofobowej. Celem badań była ocena wpływu rodzaju nanokrzemionki oraz sposobu mieszania składników na rozwój wytrzymałości na ściskanie, porowatość kapilarną i gęstość zaczynów oraz rozwój ciepła hydratacji spoiw cementowych. Zawartość domieszek w spoiwach wynosiła 0%, 1% lub 2% masy spoiwa. Składniki spoiw cementowych zostały wymieszane w mieszarce wysokoobrotowej w celu zapewnienia możliwie jednorodnego rozprowadzenia nanodomieszek w spoiwie przed dodaniem spoiwa do wody zarobowej. Wykonano 10 serii spoiw: 5 spoiw wymieszanych I metodą mieszania (wykorzystującą dwie prędkości obrotowe mieszarki) oraz identycznych składów 5 spoiw wymieszanych II metodą mieszania (wykorzystującą jedną niższą prędkość urządzenia, ale z dłuższym etapem mieszania).

Słowa kluczowe

EN

cement; nanosilica; admixture; nanoparticle; paste; compressive strength; cement matrix composite

PL

cement; nanokrzemionka; domieszka; nanocząsteczka; zaczyn; wytrzymałość na ściskanie; kompozyt o matrycy cementowej

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 4
• Strony: 169--181
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Popławski J.

• Białystok University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Environmental Sciences, Białystok, Poland

autor

Lelusz M.

• Białystok University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Environmental Sciences, Białystok, Poland

Bibliografia

• [1] K. Sobolev, Nanotechnology in Construction, Nanotechnology in Construction: 3-13, 2015.
• [2] M.J. Hanus, A.T. Harris, Nanotechnology innovations for the construction industry, Progress in Materials Science 58: 1056-1102, 2013.
• [3] E. Horszczaruk, P. Sikora, P. Lukowski, Application of Nanomaterials in Production of Self-Sensing Concretes: Contemporary Developments and Prospects, Archives of Civil Engineering 62: 61-74, 2016.
• [4] L.P. Singh, S.R. Karade, S.K. Bhattacharyya, M.M. Yousuf, S. Ahalawat, Beneficial role of nanosilica in cement based materials - A review, Construction and Building Materials 47: 1069-1077, 2017.
• [5] N.B. Singh, M. Kalra, S.K. Saxena, Nanoscience of Cement and Concrete, Materials Today: Proceedings 4, 5478-5487, 2017.
• [6] A.M. Rashad, A synopsis about the effect of nano-Al2O3, nano-Fe2O3, nano-Fe3O4 and nano-clay on some properties of cementitious materials - A short guide for Civil Engineer, Materials and Design 52: 143-157, 2013.
• [7] H. Madani, A. Bagheri, T. Parhizkar, The pozzolanic reactivity of monodispersed nanosilica hydrosols and their influence on the hydration characteristics of Portland cement, Cement and Concrete Research 42: 1563-1570, 2012.
• [8] A.H. Korayem, N. Tourani, M. Zakertabrizi, A.M. Sabziparvar, W.H. Duan, A review of dispersion of nanoparticles in cementitious matrices: Nanoparticle geometry perspective, Construction and Building Materials 153: 346-357, 2017.
• [9] D. Kong, X. Du, S. Wei, H. Zhang, Y. Yang, S.P. Shah, Influence of nano-silica agglomeration on microstructure and properties of the hardened cement-based materials, Construction and Building Materials 37: 707-715, 2012.
• [10] P. Hou, S. Kawashima, D. Kong, D.J. Corr, J. Qian, S.P. Shah, Modification effects of colloidal nanoSiO2 on cement hydration and its gel property, Composites Part B: Engineering 45: 440-448, 2013.
• [11] D. Kong, D.J. Corr, P. Hou, Y. Yang, S.P. Shah, Influence of colloidal silica sol on fresh properties of cement paste as compared to nano-silica powder with agglomerates in micron-scale, Cement and Concrete Composites 63: 30-41, 2015.
• [12] G. Shakhmenko, I. Juhnevica, A. Korjakins, Influence of sol-gel nanosilica on hardening processes and physically-mechanical properties of cement paste, Procedia Engineering 57: 1013-1021, 2013.
• [13] M. Berra, F. Carassiti, T. Mangialardi, A.E. Paolini, M. Sebastiani, Effects of nanosilica addition on workability and compressive strength of Portland cement pastes, Construction and Building Materials 35: 666-675, 2012.
• [14] Q. Huang, X. Zhu, L. Zhao, M. Zhao, Y. Liu, X. Zeng, Effect of nanosilica on sulfate resistance of cement mortar under partial immersion, Construction and Building Materials 231: 117180, 2020.
• [15] G. Quercia, P. Spiesz, G. Hüsken, H.J.H. Brouwers, SCC modification by use of amorphous nano-silica, Cement and Concrete Composites 45: 69-81, 2014.
• [16] N. Ivanchik, V. Kondratiev, A. Chesnokova, Use of Nanosilica Recovered from the Finely Dispersed Byproduct of the Electrothermal Silicon Production for Concrete Modification, Procedia Engineering 150: 1567-1573, 2016.
• [17] J. Skibsted, R. Snellings, Reactivity of supplementary cementitious materials (SCMs) in cement blends, Cement and Concrete Research 124: 105799, 2019.
• [18] E. Horszczaruk, E. Mijowska, K. Cendrowski, S. Mijowska, P. Sikora, Effect of incorporation route on dispersion of mesoporous silica nanospheres in cement mortar, Construction and Building Materials 66: 418-421, 2014.
• [19] S. Gopinath, P.C.Mouli, A.R. Murthy, N.R. Iyer, S. Maheswaran, Effect of nano silica on mechanical properties and durability of normal strength concrete, Archives of Civil Engineering 58: 433-444, 2012.
• [20] H. Du, S. Du, X. Liu, Durability performances of concrete with nano-silica, Construction and Building Materials 73: 705-712, 2014.
• [21] M.H. Zhang, J. Islam, Use of nano-silica to reduce setting time and increase early strength of concretes with high volumes of fly ash or slag, Construction and Building Materials 29: 573-580, 2012.
• [22] K. Abid, R. Gholami, H. Elochukwu, M. Mostofi, C.H. Bing, G.Muktadir, A methodology to improve nanosilica based cements used in CO2 sequestration sites, Petroleum 4: 198-208, 2018.
• [23] T.M. Jassam, K. Kien-Woh, J. Ng yang-zhi, B. Lau, M.M.M. Yaseer, Novel cement curing technique by using controlled release of carbon dioxide coupled with nanosilica, Construction and Building Materials 223: 692-704, 2019.
• [24] W. Zielenkiewicz, M. Kamiński, A conduction calorimeter for measuring the heat of cement hydration in the initial hydration period, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 65: 335-340, 2001.