Application of weathered granulated blast furnace slag as a supplementary cementitious material in concrete

• Autorzy: Pacierpnik W. , Nocuń-Wczelik W. , Kapeluszna E.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135227

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie żużli o długim czasie składowania jako składników cementów powszechnego użytku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The physical and chemical properties of cements with slag originated from the storage yards of different age, added as a supplementary cementing material are highlighted. The materials after 20-year storage, the crushed slag after approximately 2-year storage and the new slag from the ongoing production were compared. The materials supplied by the same metallurgical plant were characterized. The blended cements were produced by Portland cement clinker grinding with gypsum and slags added as 5 to 50% of binder mass. The standard properties of cements were examined, as well as some experiments related to the kinetics of hydration and hydration products were carried out. The addition of granulated blast furnace slag (GBFS) stored for a long time, as a component of cement, affects the properties of material in such a way that the early compressive strength is not specially altered but at longer maturing the strength decreases generally with the storage time and percentage of additive. This is related to the reduction of the vitreous component, as well as to the presence of weathered material of altered activity. At the additive content up to 50% the binder complying with the requirements of the European standards for CEM III/A or CEM II/(A,B)-S common cements can be produced. The cements with the old slag meet the requirements of EN 197-1 relating at least to the class 32,5. The role of calcium carbonate, being the product resulting from the slag weathering process, acting as a grindability and setting/hardening modifying agent, should be underlined.

PL

Praca dotyczy właściwości cementów zawierających granulowane żużle wielkopiecowe o różnym czasie składowania, z jednego źródła (huty żelaza). Porównano właściwości materiału z żużlem pochodzącym sprzed 20 lat, żużlem składowanym około 2 lat i żużlem z bieżącej produkcji. Cementy wyprodukowano poprzez przemiał klinkieru cementu portlandzkiego z gipsem; udział żużla stanowił od 5% do 50% masy spoiwa. Otrzymane cementy poddano badaniom standardowym; przeprowadzono również ocenę kinetyki i produktów hydratacji. Ustalono w pierwszej kolejności, że wprowadzenie żużla składowanego przez długi czas w charakterze składnika cementów powszechnego użytku wpływa na właściwości cementów w taki sposób, że wytrzymałości wczesne nie ulegają znaczącym zmianom, natomiast wytrzymałość po 28 dniach twardnienia zmniejsza się. Zredukowanie wytrzymałości jest wyraźniejsze w przypadku żużla o długim czasie składowania i przy większym jego udziale. Jest to powiązane ze zmniejszeniem zawartości fazy szklistej w żużlu i obniżeniem aktywności w następstwie procesów wietrzenia. Jednakże i tak przy odpowiednich udziałach żużla w granicy do 50% jest możliwe otrzymanie cementów powszechnego użytku typu CEM III/A lub CEM II/(A,B)-S spełniających wymagania normy EN 197-1 klasy przynajmniej 32,5. Należy podkreślić, że rolę modyfikującą pozytywnie właściwości cementów takie, jak mielność oraz generalnie proces wiązania i twardnienia wydaje się pełnić węglan wapnia tworzący się jako produkt wietrzenia żużli.

Słowa kluczowe

EN

supplementary cementing material; SCM; old slag; slag weathering; compressive strength; hydration heat; microstructure

PL

dodatek do cementu; dodatek mineralny; SCM; żużel; czas składowania długi; wietrzenie żużla; wytrzymałość na ściskanie; ciepło hydratacji; mikrostruktura

• 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: 381--398
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Pacierpnik W.

• Cemex Poland ltd. Cement plant Rudniki, Rudniki, Poland

autor

Nocuń-Wczelik W.

• University of Science and Technology AGH, Kraków, Poland

autor

Kapeluszna E.

• University of Science and Technology AGH, Kraków, Poland

Bibliografia

• 1. M. Robbie Andrew, Research, CICERO Center for International Climate. Global CO2 emissions from cement production, Journal of Earth Syst. Sci. Data (2017) Available at: https://doi.org/10.5194/essd-10-195-2018. Access: 30.11.2019.
• 2. UN Environment, K.L. Scrivener, J.M. Vanderley, E.M. Gartner, Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry. Cem.Concr.Res. 114: 2-26, 2018.
• 3. OECD/IEA, CSI, Low-carbon Transition in the Cement Industry: Technology Roadmap, International Energy Agency, IEA, Paris, 2018 Available at: https://webstore.iea.org/technology-roadmap-low-carbontransition-in-the-cement-industry. Access: 30.11.2019.
• 4. J. Ruppert, L. Claude, CEMBUREAU Cement CO2 Emission Share. Task Force Low Carbon Economy, Brussels 2017.
• 5. C. Le Quéré, et al., Global carbon budget 2018, Earth Syst. Sci. Data 10 (2018) 2141-2194, Available at. https://doi.org/10.5194/essd-10-2141-2018. Access: 30.11.2019
• 6. M. Schneider, The cement industry on the way to a low-carbon future. Cem. Concr. Res.124 (2019) 105792.
• 7. K.-H. Yang, Y.-B. Jung, M.-S. Cho, S.-H. Tae, Effect of supplementary cementitious materials on reduction of CO2 emissions from concrete, J. Clean. Prod. 103: 774-783, 2015.
• 8. M.C.G. Juenger, R. Siddique, Recent advances in understanding the role of supplementary cementitious materials in concrete, Cem. Concr. Res. 78: 71-80, 2015.
• 9. K.L. Scrivener, V.M. John, E.M. Gartner, Eco efficient cements, United Nations Environment Program Sustainable Building and Climate Initiative (UNEP-SBCI), 2016.
• 10. CSI Global Cement Data base on CO2 and Energy Information, Available at https://www.wbcsdcement.org/GNR-2016/world/GNR-Indicator_59cAWcm-world.html, Access: 30.11.2019
• 11. CEMBUREAU, Domestic Deliveries of Cement Types and Strength: Cembureau Countries - Synthesis, (2016)
• 12. J. Deja, D. Konieczny, G. Krechowiecki, Z. Pilch, B. Środa. Cement i beton w gospodarce niskoemisyjnej (Cement and concrete in low-emission economy), Polish Cement Association conference in Kraków, 1.10. 2019 (in Polish)
• 13. Polish Cement Association annual reports 2008 - 2017.
• 14. The cement industry in Poland. Important role of the cement sector in the EU economy, Brussels 2019-11-08 .
• 15. K.L. Scrivener, Eco-effcient Cements: Potential, Economically Viable Solutions for a Low-CO2, Cement-based Materials Industry, Paris, 2016.
• 16. B. Lothenbach, K. Scrivener, R.D. Hooton, Supplementary cementitious materials, Cem. Concr. Res. 41: 1244-1256, 2011.
• 17. K.-H. Yang, Y.-B. Jung, M.-S. Cho, S.-H. Tae, Effect of supplementary cementitious materials on reduction of CO2 emissions from concrete, J. Clean. Prod. 103: 774-783, 2015.
• 18. M.C.G. Juenger R. Snellings, S. A. Bernal, Supplementary cementitious materials: New sources, characterization, and performance insight. Cem.Concr.Res., 122: 257-273, 2019.
• 19. B. Lothenbach, G. Le Saout, E. Gallucci, K. Scrivener, Influence of limestone on the hydration of Portland cements, Cem. Concr. Res. 38: 848-860, 2008.
• 20. M. Bruin and P. De Vries, Slag cements: green, strong and cool!, in 5th International Slag Valorisation Symposium, Leuven, 03-05/04/2017. 239-242.
• 21. A. Ehrenberg, V. Feldrappe, Potentials of new cements made from granulated blast furnace slag, fly ash and clinker, in 6th International Slag Valorisation Symposium, Mechelen, 05.04.2019, Belgium, 97-100.
• 22. P.T. Durdziński, M. Ben Haha, M. Zając, K. L Scrivener, Phase assemblage of composite cements. Cem. Concr. Res. 99: 172-182, 2017.
• 23. Ł. Gołek, Glass powder and high-calcium fly ash based binders - Long term examinations, J. Clean. Prod. 220: 493-506, 2019.
• 24. R.D. Hooton, The reactivity and reaction products of blast-furnace slag, in: V.M. Malhotra (Ed), Supplementary cementing materials for concrete, Ottawa, Canada, pp 245-288, 1987.
• 25. V.M. Malhotra, Properties of fresh and hardened concrete incorporating ground, granulated blast furnace slag, in: V.M. Malhotra (Ed), Supplementary cementing materials for concrete, Ottawa, Canada, pp 289-333, 1987.
• 26. K. Sideris, H. Justnes, M. Soutsos, T. Sui, Fly ash, in: N. De Belie, M. Soutsos, E. Gruyaert (Eds.), Prop. Fresh Hardened Concr. Contain. Suppl. Cem. Mater. State-of-the-Art Rep. RILEM Tech. Comm. 238-SCM, Work. Gr. 4, Springer International Publishing, Cham, 2018, pp. 55-98, https://doi.org/10.1007/978-3-319-70606-1_2.
• 27. W. Matthes, A. Vollpracht, Y. Villagrán, S. Kamali-Bernard, D. Hooton, E. Gruyaert, M. Soutsos, N. De Belie, Ground granulated blast-furnace slag, RILEM State-of-the-Art Reports, 2018, pp. 1-53, , https://doi.org/10.1007/978-3-319-70606-1_1.
• 28. Reactivity of supplementary cementitious materials (SCMs) in cement blends J. Skibsted, R. Snellings, Cem. Concr. Res. 124 , 105799, 2019
• 29. Z. Giergiczny, M. Szybilski, “Nowelizacja normy EN 197-1 - Trójskładnikowe cementy powszechnego użytku o niskiej zawartości klinkieru portlandzkiego (Three-component blended common cements), Mater. Bud., vol. nr 11, 2014. (in Polish)
• 30. P. Edwards, SCM supplies under pressure from rising demand, Glob. Cem. Mag. pp 19-2, 20181.
• 31. S. Apex, Ferrous slag trends, Glob. Cem. Mag. pp 211-26, 2018.
• 32. A.F. Battagin, M. Pecchio, Blast furnace slag weathering study, Proc. 11th Int. Congress on the Chemistry of Cement, Durban; pp 905-912, 2003.
• 33. A. Hiroshima, T. Igarashi, Effect by Weathering of Granulated Blast Furnace Slag Powder on the Quality of Portland Blast Furnace Slag Cement, CAJ Review pp 65-66, 1983.
• 34. E. Demoulian, C. Vernet, F. Hawthorn, P. Gourdin, Détermination de la teneur en laitier dans le ciments par dissolucion seletive. In. Proc. 7th Int. Congr. on the Chemistry of Cement, Paris, vII, pp 151-156, 1980.
• 35. E. Demoulian, P. Gourdin, F. Hawthorn, C. Vernet, Influence de la composition chimique et de la texture des laitiers sur leur hydraulicité. In: 7th Int. Congress on the Chemistry of Cement, Paris, v4, pp 17-20, 1980.
• 36. F. Puertas, C. Varga, M. Del Mar Alonso et al. New technology for alternative pozzolanic addition to Portland cement from abandoned landfills, Cement Wapno Beton, XX/LXXXII, 2, 88-105
• 37. J. J. Faraway, Practical Regression and Anova using R, ed. Univ. of Bath, pp 159-169, 2002.
• 38. T. Matschei, B. Lothenbach and, F.P. Glasser, The role of calcium carbonate in cement hydration, Cem. Concr. Res. 37: 551-558, 2007.
• 39. B. Lothenbach, G. Le Saout, E. Gallucci, K. Scrivener, Influence of limestone on the hydration of Portland cements, Cem. Concr. Res. 38: 848-860, 2008.
• 40. T. Sato, J. Beaudoin, Effect of nano-CaCO3 on hydration of cement containing supplementary cementitious materials, Adv. Cem. Res. 23: 33-43, 2011.
• 41. K. De Weerdt, M. Ben Haha, G. Le Saout, K.O. Kjellsen, H. Justnes, B. Lothenbach, Hydration mechanisms of ternary Portland cements containing limestone powder and fly ash, Cem. Concr. Res. 41: 279-291, 2011.