Effect of the mix composition with superplasticizer admixture on mechanical properties of high-strength concrete based on reactive powders

• Autorzy: Siwiński Jarosław , Szcześniak Anna , Nasiłowska Barbara , Mierczyk Zygmunt , Kubiak Katarzyna , Stolarski Adam

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.143027

Warianty tytułu

PL

Wpływ składu mieszanki z domieszką superplastyfikatora na właściwości mechaniczne betonu o wysokiej wytrzymałości na bazie proszków reaktywnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper outlines effect of the mix composition on mechanical properties of high-strength concrete based on aggregate size like in of Reactive Powder Concrete (RPC) but without fiber reinforcement. The main purpose which guided the authors choosing proportion of water and superplasticizer (SP) was to achieve a similar consistency in the test slump for various concrete mix. Test results for 3 groups of superplasticizers, designated as D - with chemical base - acrylic polymer, V - with chemical base - polycarboxylate ether, P - with chemical base - modified polycarboxylates, two cement groups, designated as Cem A - with fineness Blaine 3980 cm2/g, Cem B - with fineness Blaine 4430 cm2/g and 2 types of aggregate: basalt and granite were presented. After curing for 1, 7 and 28 days samples were tested for compressive strength and flexural tensile strength. The article also presents the study of the elemental composition and structure of the SP with the use of the SEM electron microscope. The amount of solid particles in the SP was also determined by the water vaporization. The assumption of the paper was to maintain the consistency of the mixture at the S2 level according to the Eurocode standard. The paper proposes a method based on SEM analysis in order to select a superplasticizer with the best ductility parameters, and the best results of the compressive and flexural tensile strength of concrete samples were obtained. The best results for compressive strength after 28 days are obtained for concrete series with the polycarboxylate ether superplasticizer and modified polycarboxylate ether superplasticizer in combination with the use of type A cement and it is greater than for the concrete series with type B cement by 11.7%.

PL

W artykule zamieszczono wpływ składu recepturowego betonu na jego właściwości mechaniczne. Badaniom poddano betony wysokowytrzymałościowe bazujące na proszkach reaktywnych, ale bez wykorzystania dodatkowego zbrojenia rozproszonego. Głównym założeniem autorów było uzyskanie klasy konsystencji S2 dla wszystkich receptur uwzględnionych w artykule. Betony zaprojektowano posługując się zmodyfikowaną procedurą de Larrarda opartą na modelu CPM (concrete packing model). W metodzie tej wprowadzono dodatkowe współczynniki uwzględniające ilość włókien zbrojenia rozproszonego, rodzaj i kształt formy próbek badawczych, czas, w którym wyznaczana jest wytrzymałość oraz współczynnik kruszywowy uwzględniający ilość frakcji poniżej 0,2 mm w mieszance betonowej. W badaniach uwzględniono dwa rodzaje kruszywa: granitowe i bazaltowe, dwa rodzaje betonu oznaczonych jako Cem A o powierzchni właściwej Blaina 3980 cm2/g i Cem B o powierzchni właściwej Blaina 4430 cm2/g oraz 3 rodzaje superplastyfikatorów oznaczonych jako D - z chemiczną bazą polimeru akrylowego, V - z chemiczną bazą eteru polikarboksylanowego i P - z chemiczną bazą zmodyfikowanego eteru polikarboksylanowego. Dla wszystkich wykonanych serii próbek badawczych wykonano test opadu stożka. Wyniki wytrzymałości betonów na ściskanie i rozciąganie przedstawiono dla serii próbek badawczych spełniających kryterium klasy konsystencji S2. Określono współczynnik ciągliwości wytrzymałościowej jako proporcję wytrzymałość betonu na rozciąganie przy zginaniu w stosunku do wytrzymałości betonu na ściskanie. Przedstawiono wyniki współczynnika ciągliwości dla średnich wytrzymałości wszystkich serii próbek badawczych po 1, 7 i 28 dniach. W artykule przedstawiono również badanie składu pierwiastkowego odparowanego superplastyfikatora z wykorzystaniem analizy SEM. Przedstawiono zdjęcia odparowanych i przygotowanych próbek superplastyfikatorów w celu określenia, który z SP ma największą ciągliwość, tzn. największe wymiary jednorodnych obszarów pomiędzy powstałymi pęknięciami. Wskazano na jakościową zgodność wyników opartych na współczynniku ciągliwości wytrzymałościowej i ciągliwości struktury superplastyfikatorów obserwowanej na podstawie analizy SEM. W wyniku przeprowadzonych badań i analiz stwierdzono, że zastosowanie superplastyfikatora typu P pozwala uzyskać największe wytrzymałości betonu na rozciąganie przy zginaniu oraz wytrzymałości betonu na ściskanie przy zachowaniu założonej klasy konsystencji S2. Podkreślić należy również, że metodyka projektowania betonów UHPC oraz RPC z założenia uwzględnia domieszkę superplastyfikatora.

Słowa kluczowe

EN

concrete mix design; high strength concrete; superplasticizer; ductility; reactive powder

PL

beton wysokiej wytrzymałości; proszek reaktywny; ciągliwość; superplastyfikator; projektowanie składu betonu

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 4
• Strony: 77--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 42 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Siwiński Jarosław

• Military University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Geodesy, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4805-166X

autor

Szcześniak Anna

• Military University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Geodesy, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3936-9847

autor

Nasiłowska Barbara

• Military University of Technology, Institute of Optoelectronics, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0960-5260

autor

Mierczyk Zygmunt

• Military University of Technology, Institute of Optoelectronics, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8453-6894

autor

Kubiak Katarzyna

• Institute of Aviation Łukasiewicz, Unmanned Technologies Center, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4156-3139

autor

Stolarski Adam

• Military University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Geodesy, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4754-3067

Bibliografia

• [1] R. Pierre, M. Cheyrezy, “Composition of reactive powder concretes”, Cement and Concrete Research, 1995, vol. 25, no. 7, pp. 1501-1511.
• [2] G. Danying, G. Zhiqiang, P. Yuyang, Y. Lin, “Mechanical Properties of recycled fine aggregate concrete incorporating different types of fibers”, Construction and Building Materials, 2021, vol. 298, art. ID 123732; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123732.
• [3] Z. Bo, J. Lihua, T. Ming, N. Nanying, Z. Liqun, W. Wencai: Surface and interface modification of aramid fiber and its reinforcement for polymer composites: A review”, European Polymer Journal, 2021, vol. 147, art. ID 110352; DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110352.
• [4] A.M. Zeyad, “Effect of fibers types on fresh properties and flexural toughness of self - compacting concrete”, Journal of Materials Research and Technology, 2020, vol. 9, no. 3, pp. 4147-4158; DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.02.042.
• [5] C.D. Johnston, Fiber - reinforced cements and concretes. Advances in Concrete Technology. New York: Taylor & Francis, 2001.
• [6] O. Bonneau, C. Poulin, J. Dugat, P. Richard, P.C. Aitcin, “Reactive powder concrete: from theory to practice”, ACI Concrete International, 1996, vol. 18, pp. 47-49.
• [7] M.G. Lee, Y.C. Wang, C.T. Chiu, “Apreliminary study of reactive powder concrete as a new repair material”, Construction and Building Materials, 2007, vol. 21, pp. 182-189; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2005.06.024.
• [8] M. Cheyrezy, V. Maret, L. Frouin, “Microstructural analysis of RPC (Reactive Powder Concrete), Cement & concrete research, 1995, 25, 1491-1500.
• [9] Pereira P., Evangelista L., de Brito J., The effect of superplasticizers on the mechanical performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates”, Cement & Concrete Composites, 2012, vol. 34, no. 9, pp. 1044-1052; DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2012.06.009.
• [10] Y.R. Zhang, X.-P. Cai, X.-M. Kong, L. Gao, “Effect of comb - shaped superplasticizers with different charge characteristics on the microstructure and properties of fresh cement pastes”, Construction and Building Materials, 2017, vol. 155, pp. 441-450; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.08.087.
• [11] M.H. Zhang, K. Sisomphon, T.S. Ng, “Effect of superplasticizers on workability retention and initial setting time of cement paste”, Construction and Building Materials, 2010, vol. 24, no. 9, pp. 1700-1707; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2010.02.021.
• [12] O. Boukendakdji, E.-H. Kadri, S. Kenai, “Effects of granulated blast furnace slag and superplasticizer type on the fresh properties and compressive strength of self-compacting concrete”, Cement & Concrete Composites, 2012, vol. 34, no. 4, pp. 583-590; DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2011.08.013.
• [13] L.G. Li, A.K.H. Kwan, “Effects of superplasticizer type on packing density, water film thickness and flowability of cementitious paste”, Construction and Building Materials, 2015, vol. 86, pp. 113-119; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.03.104.
• [14] P. Gao, M. Deng, N. Feng, “The influence of superplasticizer and superfine mineral powder on the flexibility, strength and durability of HPC”, Cement & Concrete Research, 2001, vol. 31, no. 5, pp. 703-706; DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00484-1.
• [15] O.S.B. Al- Amoudi, T.O. Abiola, M. Maslehuddin, “Effect of superplasticizer on plastic shrinkage of plain and silica fume cement concretes”, Construction and Building Materials, 2006, vol. 20, no. 9, pp. 642-647; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2005.02.024.
• [16] T. Gorzelańczyk, J. Hoła, “Pore Structure of self - compacting concretes made using different superplasticizers”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2011, vol. 11, no. 3, pp. 611-621; DOI: 10.1016/S1644-9665(12)60104-6.
• [17] D. Mostofinejad, M.R. Nikoo, S.A. Hosseini, “Determination of optimized mix designed and curing conditions of reactive powder concrete (RPC)”, Construction and Building Materials, 2016, vol. 123, pp. 754-767; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.07.082.
• [18] J. Siwinski, A. Szczesniak, A. Stolarski, “Effect of mixture proportioning of the High Performance Cementitious - Limestone Composites on the compressive strength”, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 471, no. 3, pp. 32-50; DOI: 10.1088/1757-899X/471/3/032050.
• [19] J. Siwinski, A. Szczesniak, A. Stolarsk, “Modified Formula for Designing Ultra-High-Performance Concrete with Experimental Verification”, Materials, 2020, vol. 13, no. 20, art. ID 4518; DOI: 10.3390/ma13204518.
• [20] S. Collepardi, L. Coppola, R. Troli, P. Zaffaroni, “Influence of the Superplasticizer Type on the Compressive Strength of Reactive Powder Concrete for Precast Structures”, in Proceedings of the 16 Congresso Internazionale BIBM’99, Venice - Italy, vol. 1. 1999, pp. 25-30.
• [21] J. Plank, E. Sakai, C. Miao, C. Yu, X. Hong, “Chemical admixtures - Chemistry, applications and their impact on concrete microstructure and durability”, Cement and Concrete Research, 2015, vol. 78, pp. 81-99; DOI: 10.1016/j.cemconres.2015.05.016.
• [22] F. De Larrard, Concrete Mixture Proportioning: A Scientific Approach; Modern Concrete Technology Series. London, UK: E&FN SPON, 1999.
• [23] K. Wille, A.E. Naaman, G.J. Parra-Montesinos, “Ultra-high performance concrete with compressive strength exceeding 150 MPA (22ksi): A simpler way”, ACI Materials Journal, 2011, vol. 108, no. 1, pp. 46-54; DOI: 10.14359/51664215.
• [24] K. Wille, A.E. Naaman, S. El-Tawil, G.J. Parra-Montesinos, “Ultra-high performance concrete and fiber reinforced concrete: Achieving strength and ductility without heat curing”, Materials & Structures, 2012, vol. 45, pp. 309-324; DOI: 10.1617/s11527-011-9767-0.
• [25] N.M. Azmee, N. Shafiq, “Ultra-high performance concrete: From fundamental to applications”, Case Studies Construction Materials, 2018, vol. 9; DOI: 10.1016/j.cscm.2018.e00197.
• [26] O.M. Abdulkareem, A.B. Fraj, M. Bouasker, A. Khelidj, “Mixture design and early age investigations of more sustainable UHPC”, Construction and Building Materials, 2018, vol. 163, pp. 235-246; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.107.
• [27] J.J. Park, S.T. Kang, K.T. Koh, S. Kim, “Influence of the ingredients on the compressive strength of UHPC as a fundamental study to optimize the mixing proportion”, in Proceedings of the Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete, Albany, NY, USA, 2-5 June 2019. 2019, pp. 105-112.
• [28] J. Yang, G.-F. Peng, G.-S. Shui, G. Zhang, “Mechanical properties and anti-spalling behavior of ultra-high performance concrete with recycled and industrial steel fibers”, Materials, 2019, vol. 12, no. 5, art. ID 783; DOI: 10.3390/ma12050783.
• [29] O. Mazanec, D. Lowke, P. Schießl, “Mixing of high performance concrete: Effect of concrete composition and mixing intensity on mixing time”, Materials & Structures, 2010, vol. 43, pp. 357-365; DOI: 10.1617/S11527-009-9494-Y.
• [30] P. N. Hiremath, S.C. Yaragal, “Influence of mixing method, speed and duration on the fresh and hardened properties of Reactive Powder Concrete”, Construction and Building Materials, 2017, vol. 141, pp. 271-288; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.03.009.
• [31] S. Collepardi, L. Copolla, R. Troli, M. Collepardi, “Mechanical properties of modified reactive powder concrete”, ACI Specials Publons, 1997, vol. 173, pp. 1-22; DOI: 10.14359/6175.
• [32] EN 12350-2:2009 Testing Fresh Concrete - Part 2: Slump-Test. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, 2009.
• [33] EN 12390-2:2009 Testing Hardened Concrete - Part 2: Making and Curing Specimens for Strength Tests. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, 2009.
• [34] EN 12390-3:2009 Testing Hardened Concrete - Part 3: Compressive Strength of Test. Specimens. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, 2009.
• [35] Q. Liu, Z. Lu, X. Hu, et al., “A mechanical strong polymer - cement composite fabricated by in situ polymerization within the cement matrix”, Journal of Building Engineering, 2021, vol. 42, art. ID 103048; DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103048.
• [36] R. Wang, P.-M. Wang, X.-G. Li, “Physical and mechanical properties of styrene - butadiene rubber emulsion modified cement mortars”, Cement and Concrete Research, 2005, vol. 35, no. 1, pp. 900-906; DOI: 10.1016/j.cemconres.2004.07.012.
• [37] R. Wang, R. Lackner, P.-M. Wang, “Effect of Styrene - Butadiene Rubber latex on Mechanical Propierties of Cementitious Materials Highlighted by Means of Nanoindentation”, Strain, 2011, vol. 47, no. 2, pp. 117-126; DOI: 10.1111/j.1475-1305.2008.00549.x.
• [38] T. Hirschi, F. Wombacher, “Influence of different superplasticizers on UHPC”, in Second International Symposium on UHPC, March 05-07, 2008. Kassel University Press, 2008.
• [39] Y. Wu, Q. Li, G. Li, et al., „Effect of naphthalene - based superplasticizer and polycarboxylic acid superplasticizer on the properties of sulfoaluminate cement”, Materials, 2021, vol. 14, no. 3, art. ID 662; DOI: 10.3390/ma14030662.
• [40] J. Kheir, B. Hilloulin, A. Lokuili, N. De Belie, “Chemical shrinkage of low water to cement (w/c) ratio CEM I and CEM III cement pastes incorporating silica fume and filler”, Materials, 2021, vol. 14, no. 5, art ID 1164; DOI: 10.3390/ma14051164.
• [41] J. Arend, A.Wetzel, B. Middendorf, “Fluorescence microscopy of superplasticizers in cementitious systems: applications and challenges”, Materials, 2020, vol. 13, no. 17, art. ID 3733; DOI: 10.3390/ma13173733.
• [42] L. Yang, E. Yilmaz, J. Li, H. Liu, H. Jiang, “Effect of superplasticizer type and dosage on fluidity and strength behavior of cemented tailings backfill with different solid contents”, Construction and Building Materials, 2018, vol. 187, pp. 290-298; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.07.155.