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Phase assemblage and mechanical strength of ultra-high performance concrete under long-term autoclaving
Tian, Hongwei
This research studied the behavior of Portland cement-based materials under autoclaving at 200 C. The cement hydration achieves a higher degree under autoclaving due to the transformation of amorphous C-S-H to more ordered phases, releasing more water for hydration. However, some calcium aluminoferrite phase keeps partially unhydrated after longterm autoclaving, probably due to the retardation by the hydrate layer. A pure cement paste
generates the crystalline C-S-H with a high Ca/Si ratio. Quartz powder can effectively decrease the matrix Ca/Si ratio, leading to the crystalline C-S-H with a relatively low Ca/Si ratio. Further increase of quartz powder results in the formation of poorly crystallized C-S-H. The addition of fly ash can increase the effective Al in the matrix, leading to the formation of hydrogarnet. The composition of hydrogarnet depends on the contents of Si and Al in the matrix. High contents of Si and Al favor Si-rich hydrogarnet. A high water/solid ratio can accelerate the dissolution of raw materials, leading to a different hydrate assemblage. Moreover, in the case of a low Ca/Si ratio, a high water/solid ratio favors the transformation of the C-S-H precursor to tobermorite. For the samples with the same contents of fly ash and quartz powder, a low water/solid ratio generates the hydrogarnet with a higher Si content (more anhydrous).
For autoclaved UHPC, the compressive strength can stay robust because a large amount of silica (silica fume and quartz powder) prevents the formation of crystalline hydrates with high densities and leads to tobermorite and poorly crystallized C-S-H as the main hydrates. However, the flexural strength is vulnerable to autoclaving, probably due to the transformation of amorphous C-S-H to more ordered phases. The UHPC performance is improved by partially replacing cement with limestone powder, benefiting from the decreased Ca/Si ratio and the more poorly crystallized C-S-H with a low Ca/Si ratio. However, excessive poorly crystallized C-S-H may magnify the thermal mismatch between matrix and aggregate, leading to low mechanical strength. The addition of fly ash can also mitigate the detrimental effect of longterm autoclaving by increasing the Si and Al contents and inducing tobermorite and poorly crystallized C-S-H as the main hydrates. Meanwhile, the content of fly ash should also be controlled as excessive Al results in the massive formation of hydrogarnet. The mechanical strength is not strictly related to the porosity of UHPC under autoclaving, and the hydrate assemblage overweighs porosity on the mechanical strength. Appropriate incorporation of SCMs in UHPC can decrease the production cost, improve sustainability, and intensify the performance of UHPC under autoclaving.
Diese Arbeit untersucht das Verhalten von portlandzementbasierten Materialien beim Autoklavieren bei 200 °C. Dabei erreicht die Zementhydration ein höheres Niveau, weil durch die Umwandlung von amorpher C-S-H-Phase zu geordneten Phasen mehr Wasser für die Hydratation freigesetzt wird. Allerdings bleibt ein Teil der Calciumaluminatferrit-Phase nach längerem Autoklavieren wahrscheinlich wegen der Verzögerung durch eine Hydratschicht teilweise unhydratisiert. Ein reiner Zementstein erzeugt kristalline C-S-H-Phasen mit hohem Ca/Si-Verhältnis. Aber Quarzpulver kann das Ca/Si-Verhältnis der Matrix verringern, was zu kristallinen C-S-H-Phasen mit niedrigerem Ca/Si-Verhältnis führt. Eine noch größere Zugabe von Quarzpulvers kann jedoch zur Bildung einer schlecht kristallinen C-S-H-Phase führen. Die Zugabe von Flugasche kann den Al-Anteil in der Matrix effektiv erhöhen, was zur Bildung des Hydrogranats führt. Die Zusammensetzung des Hydrogranats ist abhängig von den Gehalten an Si und Al. Ein hohes Wasser/Feststoff-Verhältnis kann die Auflösung der Rohstoffe erhöhen, dadurch wird es zu einer anderen Hydratzusammensetzung geführt. Außerdem begünstigt ein hohes Wasser/Feststoff-Verhältnis bei einem niedrigen Ca/Si-Verhältnis die Umwandlung von C-S-H zum Tobermorit.
Für UHPC kann die Druckfestigkeit auch unter Autoklavierungsbedingungen gleich bleiben, weil eine große Menge von Silika (Silikastaub und Quarzpulver) die Bildung von kristallinen Hydraten mit hoher Dichte verhindert. Es führt dazu, dass Tobermorit und schlecht kristallisierte C-S-H-Phase als Haupthydrate vorliegen. Allerdings ist die Biegezugfestigkeit gefährdet, da amorphe C-S-H-Phase zu mehr geordneten Phasen umgewandelt wird. Die Leistungsfähigkeit des UHPC wird dadurch verbessert, dass Zement durch Kalkstein teilweise ersetzt wird, wobei die Verbesserung auf der Verringerung des Ca/Si-Verhältnisses und einer größeren Menge von schlecht kristallinen C-S-H-Phasen beruht. Übermäßige schlecht kristalline C-S-H-Phase könnte die thermische Fehlanpassung zwischen Matrix und Aggregaten verstärken, was zur niedrigen mechanischen Festigkeit führt. Die Zugabe von Flugasche kann wegen des zunehmenden Si- und Al-Gehalts, des daraus resultierenden
Tobermorits und der schlecht kristallinen C-S-H-Phase die nachteiligen Auswirkungen des langfristigen Autoklavierens mildern. Gleichzeitig muss der Gehalt an Flugasche kontrolliert werden, weil übermäßig Al zur massiven Bildung vom Hydrogranat führt. Beim Autoklavieren steht die mechanische Festigkeit nicht in engem Zusammenhang mit der Porosität des UHPC, sondern die Phasenzusammensetzung ist der entscheidende Faktor. Eine geeignete Zugabe von SCMs in UHPC kann die Produktionskosten senken, die Nachhaltigkeit verbessern und die Leistungsfähigkeit des UHPCs beim Autoklavieren erhöhen.
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