Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6142
Main Title: Study of the mortar and concrete properties with the use of raw clay minerals and modified calcareous fly ash
Translated Title: Untersuchung der Mörtel- und Beton-Eigenschaften mit der Verwendung von Roh-Tonmineralien und modifizierter kalkhaltiger Flugasche
Author(s): Shafiei, Kasra
Advisor(s): Hillemeier, Bernd
Stephan, Dietmar
Referee(s): Hillemeier, Bernd
Stephan, Dietmar
Taffe, Alexander
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Concrete is the largest manufactured produced construction material by volume in the world. The production of concrete results in the formation and release of pollution into the environment, most of which is due to the cement production. Based on this fact and in order to counter these consequences, since decades, application of the new technologies and materials is growing both in industrial and in academic scales. These new approaches are mainly enhancing the concrete properties with decreasing the cement consumption via the application of industrial by-products or natural minerals. Clay minerals are a group of the mineral additives as concrete ingredients with an unclear state and a general negative reputation. The negative reputation, however, is based on the conflicting related data in the open literature and lack of standard methods to handle and test them. Most of the research studies have been focusing on the mechanical properties, and especially the compressive strength, of the clay containing concrete. In addition to that, the testing methods and evaluations are partly questionable. Moreover, ion exchange capacity of the clay minerals, which is an important property of them, is neither considered in the evaluation methods nor thought to be applied to deal with environmental issues. In the first part of this dissertation, influences of a clay mineral mixture, Ionsorb, on the mortar and concrete properties have been investigated. In this respect, it is tried to evaluate the influences both on mechanical properties and durability of mortar and concrete. Moreover, the high ion exchange capacities of these fine minerals are also considered with evaluation of the leaching. The investigations are done on the properties of Ionsorb, mortar and concrete with different Ionsorb contents and w/c ratios. Besides the clay minerals, another commonly applied cementitious supplementary material is fly ash, the performance of which is investigated as the second part of this research study. Fly ash is known generally to enhance the concrete properties with its pozzolanic reactions. Its function in concrete is depending on many factors influencing its quality. However, two types of fly ash are categorized and permitted for construction application according to available standards; these are siliceous fly ash (known also as class F fly ash or hard coal fly ash), and calcareous fly ash (known also as class C fly ash or brown coal fly ash). The calcareous fly ash has a higher calcium content, and hence categorized as the low-quality fly ash. Consequently, it is not allowed for the application in construction concrete, whereas the production of brown coal fly ash is quite massive. In the second part of this dissertation, the properties of a modified brown coal fly ash, Bifament, are studied. Regarding its results, the interaction of this pozzolanic fine powder with the cement paste is studied with different cement replacements. To evaluate the performance of the Bifament, the compressive strength development, and the porosity of the cement paste are monitored. These are, then, interpreted with the help of the analytical techniques such as X-ray diffraction (XRD) analysis or scanning electron microscopy (SEM) observations. In all the steps, siliceous fly ash is used to produce reference samples for the comparison. The results show that Ionsorb is not detrimental to the mechanical properties of the concrete, as it is generally believed. This is especially true with higher w/c ratios of 0.55 and more. Moreover, the clay mineral accelerates the hydration of cement which is confirmed by the observations on the compressive strength and the hydration heat measurements with calorimetry method. However, application of Ionsorb results in a lower consistency of the fresh mortar and concrete, because of its high water demand due to its layered structure. To deal with this problem, the optimum dosage of superplasticizer should be added to the mixture. The durability of concrete is also changed in a way that water permeation is slightly enhanced while the chloride migration is increased considerably. The vapor diffusion resistance, however, is enhanced only with more clay content and with a higher w/c ratio. Despite the confirmation of the Ionsorb capacity in absorbing heavy metal cations from the solution, to achieve a desirable utilization dealing with the environmental issues, more investigation is required in this field. The evaluation of the modified brown coal fly ash, Bifament, shows a high reactivity of this material comparing to a normal siliceous fly ash. Especially the higher cement replacement levels results in a proper strength. This is due to the formation of more hydration products and strength giving phases which is confirmed by the results of the analytical techniques.
Beton ist der am meiste produzierte Baustoff, gemessen am Volumen, in der Welt. Die Herstellung von Beton belastet die Umwelt stark, wobei hauptverantwortlich die Zementproduktion durch ihren CO2-Ausstoß und Energieverbrauch zu nennen ist. Basierend auf dieser Tatsache und um diese Umwelteinflüsse zu reduzieren, wächst seit Jahren die Anwendung und Forschung von neuen Technologien und Materialien sowohl in der Industrie als auch auf dem akademischen Sektor. Diese neuen Ansätze verbessern vor allem die Betoneigenschaften, wobei der Zementverbrauch infolge der Verwendung von industriellen Nebenprodukten und natürlichen Mineralien reduziert wird. Tonminerale gehören zu der Gruppe der mineralischen Betonzusatzstoffe, allerdings behaftet mit unklarer Beschaffenheit und einem allgemein negativen Ruf. Der negative Ruf basiert allerdings auf widersprüchlichen Zusammenhängen in der Literatur und dem Mangel an entsprechenden Untersuchungsverfahren. Die meisten Studien konzentrieren sich auf mechanische Eigenschaften, insbesondere auf die Druckfestigkeit von Betonen mit Tonmineralien. Auch sind die durchgeführten Untersuchungsmethoden mit ihren entsprechenden Bewertungen fragwürdig. Weiterhin wird die wichtige Eigenschaft der Tonmineralien, die Ionenaustauschkapazität, weder in den Auswertungsmethoden noch als positiver Umwelteinfluss behandelt. Im ersten Teil dieser Forschung werden die Einflüsse einer Tonmineralmischung, Ionsorb, auf die Betoneigenschaften untersucht. Dabei wird versucht, die Einflüsse sowohl auf die mechanischen Eigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit von Mörtel und Beton zu bewerten. Darüber hinaus wird die hohe Ionenaustauschkapazität dieses feinen Mineralstoffs auch mit der Auswertung der Auslaugung betrachtet. Die Untersuchungen sind anhand der Eigenschaften von Ionsorb, Mörtel und Beton mit unterschiedlichen Ionsorb-Konzentrationen und w/z-Werten durchgeführt worden. Neben dem Tonmineral wird die Leistungsfähigkeit eines weiteren, häufig angewandten zementhaltigen Zusatzstoffs, der Flugasche, im zweiten Teil dieser Dissertation untersucht. Flugasche ist allgemein dafür bekannt, dass sie die Betoneigenschaften mit puzzolanischen Reaktionen verbessert. Ihre Funktion im Beton ist allerdings von vielen Faktoren abhängig, die wiederum die Qualität der Flugasche beeinflussen können. Zwei Sorten von Flugaschen sind nach derzeitigem Standard kategorisiert und als Baustoff zugelassen, die kieselsäurereiche Flugaschen (oder Flugasche Klasse F) und die kalkreiche Flugasche (oder Flugasche Klasse C). Die kalkreiche Flugasche ist aufgrund ihres hohen Calcium-Anteils als mindere Qualität eingestuft und daher auch nicht für die Anwendung als Konstruktionsbeton zugelassen. Trotzdem wird die kalkreiche Flugasche in großen Mengen produziert. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Eigenschaften einer modifizierten kalkreichen Flugasche, Bifament, untersucht. Dann wird die Wechselwirkung dieses puzzolanischen Feinpulvers mit verschiedenen Zement-Ersatzstoffen erforscht. Um die Leistungsfähigkeit des Bifaments zu beobachten, wurden die Druckfestigkeitsentwicklung und die Porosität der Zementpaste überwacht. Diese wurden dann mit Hilfe der analytischen Techniken wie die Röntgendiffraktometrie (XRD) oder mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) interpretiert. Bei allen Arbeitsschritten ist die kieselsäurereiche Flugasche verwendet worden, um Vergleichsproben zu erstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Tonmineral Ionsorb nicht nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften des Betons auswirkt, entgegen der generellen Annahme. Dieses gilt vor allem bei der Verwendung von höheren w/z-Verhältnissen von etwa 0,55 und größer. Darüber hinaus beschleunigt das Tonmineral die Hydratation von Zement, was bei den Beobachtungen der Druckfestigkeit und bei den Messungen der Hydratationswärme mit der Kalorimetrie-Methode festgestellt worden ist. Allerdings führt die Verwendung von Ionsorb aufgrund seines hohen Wasserbedarfs, hervorgerufen durch seine Schichtstruktur, zu einer geringeren Konsistenz des frischen Mörtels und Betons. Um dieses Problem zu umgehen, sollte eine optimale Menge an Fließmittel der Mischung zugegeben werden. Weiterhin wird die Durchlässigkeit des Betons dahingehend verändert, dass die Wasserpermeation leicht verbessert und die Chlorid-Migration wesentlich erhöht wird. Der Dampfdiffusionswiderstand wird nur mit einem höheren Tonanteil und einem höheren w/z-Wert verstärkt. Trotz der Bestätigung der Funktion von Ionsorb, Schwermetallkationen aus einer Lösung zu absorbieren, ist mehr Forschungsbedarf in diesem Bereich notwendig, um den wünschenswerten Nutzen zur Verhinderung von Umweltbelastungen zu erzielen. Die Auswertung der Ergebnisse des Vergleichs der modifizierten kalkreichen Flugasche, Bifament, mit der normalen kieselsäurereichen Flugasche ergab eine höhere Reaktivität. Vor allem die höheren Stufen der Zement-Ersatzstoffe bewirken eine höhere Festigkeit. Diese Eigenschaft beruht auf der Bildung von mehr Hydratationsprodukten, welches durch die Ergebnisse der analytischen Techniken bestätigt worden ist.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6704
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6142
Exam Date: 2-Dec-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 12-Sep-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::690 Hausbau, Bauhandwerk::691 Baustoffe
Subject(s): concrete
calcareous fly ash
clay minerals
Beton
kalkreiche Flugasche
Tonminerale
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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