Interfacial transition zone in reactive powder concretes (RPC) cured under various hydrothermal conditions

• Autorzy: Zdeb T.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135213

Warianty tytułu

PL

Strefa przejściowa w betonach z proszków reaktywnych BPR dojrzewających w różnych warunkach hydrotermalnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Reactive powder concrete (RPC), due to its characteristic composition with reduced water quantity, often below a stoichiometric ratio, the addition of pozzolana usually close to or above 20% of the weight of cement and a significantly reduced inclusion rate compared to normal or high performance concrete, has a different nature of the interfacial transition zone between the micro aggregate grains and the binder matrix. Due to the significant influence of RPC curing conditions on the morphology of the interfacial transition zone, the analysis included composites cured in water of Tmax=20°C, subject to low-pressure steam curing Tmax=90°C and autoclaved at Tmax=250°C. The paper presents a qualitative assessment of the interfacial transition zone in reactive powder concretes with the use of a scanning microscope with the use of linear EDS and quantitative analysis by means of stereological analysis of the image obtained with the use of a BSE detector. The results of the study unequivocally confirm the lack of portlandite crystallisation at the phase interface and the different phase composition in the interfacial transition zone in relation to the mean mass composition.

PL

Ewolucję opisu strefy przejściowej w kompozytach cementowych prześledził Kurdowski w publikacji „Chemia Cementu i Betonu”, gdzie scharakteryzował jej ogólnie przyjęte modele zróżnicowane pod względem występujących kolejno po sobie stref, jak i pod względem ich składu fazowego. Ponadto rozwój metodyki badań strefy przejściowej pozwala obecnie coraz ściślej opisywać właściwości oraz budowę tej newralgicznej części cementowych kompozytów ziarnistych. Stosuje się tutaj najczęściej metodę mikroskopii zarówno optycznej jak i skaningowej wraz ze stereologiczną analizą obrazu, analizę EDS, XRD, a także w celu rozpoznania różnic we właściwościach mechanicznych względem kruszywa i matrycy stosuje się badania metodą nanoindentacji. W przypadku tradycyjnych kompozytów cementowych strefa przejściowa odgrywa ważną rolę w kształtowaniu ich cech mechanicznych ze względu na obszar, w którym najczęściej dochodzi do zainicjowania rys w obciążonym materiale. Z tego względu, jedną z podstawowych idei komponowania składu kompozytów BPR jest homogenizacja tekstury kompozytu, mająca bezpośredni związek z ujednorodnieniem rzeczywistych naprężeń panujących w obciążonym materiale. Godycki-Ćwirko tłumaczy, jak intensywnie na wartość naprężeń rzeczywistych wpływa: wielkość inkluzji, wzajemna odległość pomiędzy jej ziarnami oraz różnica w odkształcalności inkluzji względem matrycy. Ponadto, na charakter strefy przejściowej mają także warunki dojrzewania kompozytu. Z tego powodu w części badawczej niniejszego artykułu scharakteryzowano strefę przejściową pomiędzy matrycą spoiwową i mikrokruszywem kwarcowym w betonach z proszków reaktywnych dojrzewających w zróżnicowanych warunkach hydrotermalnych tj. w wodzie, poddane niskoprężnemu naparzaniu w temperaturze 90°C oraz autoklawizacji w temperaturze 250°C. Warunki te wpływają na reaktywność poszczególnych składników kompozytu i tym samym na skład fazowy strefy przejściowej. W badaniach wykorzystano standardowy skład mieszanek betonów z proszków reaktywnych, które po dojrzewaniu w wyżej wymienionych warunkach hydrotermalnych zostały poddane obserwacjom mikroskopowym SEM wraz z analizą EDS. Badania jakościowe zostały zrealizowane na powierzchni trzech losowo wybranych ziaren piasku kwarcowego, każdorazowo realizując pięć analiz liniowych EDS ukierunkowanych prostopadle do powierzchni ziarna. Pozwoliły one na wyznaczenie proporcji liczby atomów pierwiastków Ca, Si, Al i Fe w całym przyjętym zakresie długości linii i tym samym w każdym jej punkcie z rozdzielczością około co 0,05 μm. Na tej podstawie naniesiono chmurę punktów pomiarowych w układzie współrzędnych Ca/Si – Al+Fe/Ca, gdzie zaznaczono także obszary występowania możliwych w kompozycie faz tj. C-S-H, CH, C3S, AFm.

Słowa kluczowe

EN

interfacial transition zone; reactive powder concrete; RPC; steaming; autoclaving

PL

strefa przejściowa; beton z proszków reaktywnych; BPR; naparzanie niskoprężne; autoklawizacja

• 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: 137--152
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Zdeb T.

• Cracow University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Cracow, Poland

Bibliografia

• 1. Kurdowski, W.: Cement and Concrete Chemistry. Springer Netherlands (2014).
• 2. De Rooij, M.R., Bijen, J.M., Frens, G.: Introduction of Syneresis in Cement Paste. In: Second International Conference on the Interfacial Transition Zone in Cementitious Composites, Rilem proceedings. Haifa, Isarel (1998).
• 3. Roy, D.M., Langton, C.A.: Morphology and Microstructure of Cement Paste-Rock Interfacial Regions. In: 7th Int. Congr. Chem. Cem.ICCC. p. Vol. 3 Vll-127. Paris (1980).
• 4. Barnes, B.D., Diamond, S., Dolch, W.L.: The contact zone between portland cement paste and glass “aggregate” surfaces. Cem. Concr. Res. 8, (1978).
• 5. Diamond, S., Huang, J.: The ITZ in concrete-a different view based on image analysis and SEM observations. Cem. Concr. Compos. 23, 179-188 (2001).
• 6. Vargas, P., Restrepo-Baena, O., Tobón, J.I.: Microstructural analysis of interfacial transition zone (ITZ) and its impact on the compressive strength of lightweight concretes. Constr. Build. Mater. 137, 381-389 (2017). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.01.101.
• 7. Xie, Y., Corr, D.J., Jin, F., Zhou, H., Shah, S.P.: Experimental study of the interfacial transition zone (ITZ) of model rock-filled concrete (RFC). Cem. Concr. Compos. 55, 223-231 (2015). https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.09.002.
• 8. Elsharief, A., Cohen, M.D., Olek, J.: Influence of aggregate size, water cement ratio and age on the microstructure of the interfacial transition zone. Cem. Concr. Res. 33, 1837-1849 (2003). https://doi.org/10.1016/S0008-8846(03)00205-9.
• 9. Diamond, S.: Considerations in image analysis as applied to investigations of the ITZ in concrete. Cem. Concr. Compos. 23, 171-178 (2001). https://doi.org/10.1016/S0958-9465(00)00085-8
• 10. Cwirzen, A.: The effect of the heat-treatment regime on the properties of reactive powder concrete. Adv. Cem. Res. 19, 25-33 (2007). https://doi.org/10.1680/adcr.2007.19.1.25.
• 11. Erdem, S., Dawson, A.R., Thom, N.H.: Influence of the micro- and nanoscale local mechanical properties of the interfacial transition zone on impact behavior of concrete made with different aggregates. Cem. Concr. Res. 42, 447-458 (2012). https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.11.015.
• 12. Trägárdh, J.: Microstructural features and related properties of self compacting concrete. In: Proceedings of the First International RILEM Symposium on Self Compacting Concrete (1999).
• 13. Yue, L., Shuguang, H.: The microstructure of the interfacial transition zone between steel and cement paste. Cem. Concr. Res. 31, 385-388 (2001). https://doi.org/10.1016/S0008-8846(01)00452-5.
• 14. Grandet, J., Ollivier, J.P.: New method for the study of cement - aggregate interfaces. In: 7th Int. Congr. Chem. Cem. pp. 85-89. , Rio de Janeiro (1986).
• 15. Zhang, Z., Zhang, B., Yan, P.: Comparative study of effect of raw and densified silica fume in the paste, mortar and concrete. Constr. Build. Mater. 105, 82-93 (2016). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.045.
• 16. Allison, P.G., Moser, R.D., Chandler, M.Q., Rushing, T.S., Williams, B.A., Cummins, T.K.: Nanomechanical structure-property relations of dynamically loaded reactive powder concrete. WIT Trans. Eng. Sci. 72, 287-298 (2011). https://doi.org/10.2495/MC110251.
• 17. Rossignolo, J.A., Rodrigues, M.S., Frias, M., Santos, S.F., Junior, H.S.: Improved interfacial transition zone between aggregate-cementitious matrix by addition sugarcane industrial ash. Cem. Concr. Compos. 80, 157-167 (2017). https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2017.03.011.
• 18. Godycki Ćwirko, T.: Mechanika betonu. Arkady, Warszawa (1982).
• 19. Korpa, A., Kowald, T., Trettin, R.: Phase development in normal and ultra high performance cementitious systems by quantitative X-ray analysis and thermoanalytical methods. Cem. Concr. Res. 39, 69-76 (2009). https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2008.11.003.
• 20. Hu, C., Li, Z.: Property investigation of individual phases in cementitious composites containing silica fume and fly ash. Cem. Concr. Compos. 57, 17-26 (2015).
• 21. Garcia, D.C.S., Soares, M.M.N. de S., Bezerra, A.C. da S., Aguilar, M.T.P., Figueiredo, R.B.: Microstructure and hardness of cement pastes with mineral admixture. Rev. Mater. 22, (2017). https://doi.org/10.1590/S1517-707620170002.0145.
• 22. Richard, P., Cheyrezy, M.: Composition of reactive powder concretes. Cem. Concr. Res. 25, 1501-1511 (1995).
• 23. Funk, J.E., Dinger, D.R.: Introduction to Predictive Process Control. In: Predictive Process Control of Crowded Particulate Suspensions. pp. 1-16 (1994).
• 24. EN 1015-3: Methods of test for mortar for masonry. Determination of consistence of fresh mortar (by flow table). (1999).
• 25. Zdeb, T.: An analysis of the steam curing and autoclaving process parameters for reactive powder concretes. Constr. Build. Mater. 131, 758-766 (2016). https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.11.026.
• 26. Zdeb, T.: The impact of composition and technology on selected properties of reactive powder concretes., (2009).
• 27. Zdeb, T.: Autogenous Healing Effect of Ultra-High Performance Cementitious Composites. J. Adv. Concr. Technol. 16, 549-562 (2018). https://doi.org/10.3151/jact.16.549.
• 28. Feylessoufi, A., Crespin, M., Dion, P., Bergaya, F., Van Damme, H., Richard, P.: Controlled Rate Thermal Treatment of Reactive Powder Concretes. Adv. Cem. Based Mater. 6, 21-27 (1997).
• 29. Philippot, S., Masse, S., Zanni, H., Nieto, P., Maret, V., Cheyrezy, M., Physique, L. De, Mccanique, D., Cnrs, U.R.: 29Si NMR study of hydratation and pozzolanic reactions in reactive powder concrete (RPC). Magn. Reson. Imaging. 14, 891-893 (1996).
• 30. Lehmann, C., Fontana, P., Müller, U.: Evolution of Phases and Micro Structure in Hydrothermally Cured Ultra-High Performance Concrete (UHPC). Nanotechnol. Constr. 3 - Proc. NICOM3. 287-294 (2009).
• 31. Muller, U., Kuhne, H., Fontana, P., Meng, B., Nemecek, J.: Micro texture and mechanical properties of heat treated and autoclaved Ultra High Performance Concrete (UHPC). In: Fehling, E., Schmidt, M., and Sturwald, S. (eds.) Second International Symposium on Ultra High Performance Concrete. pp. 211-220. Kassel, Germany (2008).
• 32. Zdeb, T.: Effect of vacuum mixing and curing conditions on mechanical properties and porosity of reactive powder concretes. Constr. Build. Mater. 209, 326-339 (2019).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).