The Influence of Interfacial Transition Zone on Strength of Alkali-Activated Concrete

A process of structure formation taking place in the interfacial transition zone (ITZ) “cement stone-aggregate” was studied on a variety of concretes made with artificial and real aggregates. The study of these processes in the case of artificial aggregate prepared from a mixture of clay loam and alkali-activated slag cement showed that not only active SiO2 and Na2O but also other substances of both cement and aggregate are involved in the formation of the ITZ. This results in the formation of alkaline and alkaline-alkali-earth aluminosilicate hydrates which strengthen the ITZ and improve strength and durability of the concrete. Thus, the alkali-silica reaction (ASR) transforms from a destructive one (negative effect) into a constructive one (positive effect). The study on the ITZ in the alkali-activated cement concretes made with real alkali-susceptible aggregates selected from crushed basalt rock, glassy waste product from basalt fiber production, crushed perlite rock, and expanded perlite suggested to make a conclusion on the possibility to prevent the destructive processes in the ITZ through the addition of the metakaolin additive into the cement composition in quantities of 5–10% by mass. These conclusions were supported by the long-term testing of strength of these concretes, by measuring the deformations “shrinkage-expansion” as well as the results of study on hardness of the ITZ

Дослідження впливу метакаоліну на процеси самозаліковування структури контактної зони бетонів на основі лужного портландцементу

This paper reports results from comparative testing the reaction "alkali ‒ active silica" in traditional Portland cement and alkaline Portland cement with the addition of metakaolin. The research is based on studying the process of structure formation in cements in the contact zone "cement stone – basalt".The research results allow us to conclude that the dynamics of the process of interaction of the reaction "alkali‒silica" in cements may be constructive and destructive in character. That depends on the content of components that are able to actively interact with alkalis in the presence of reactive silica. The so-called "constructive" processes are accompanied by the binding of corrosion products during the formation of alkaline hydroalumosilicates. The research results were used as the basis for developing the mechanism of preventing the reaction "alkali – active aggregate" in concretes based on alkaline cement by introducing to the cement composition additional amounts of materials containing active aluminum, in particular, metakaolin.Our study has shown that the introduction of a metakaolin additive could effectively control the processes of structure formation in the contact area "cement stone – active silica", thereby changing the character of new structures. The mechanism of an alkaline corrosion process of an active aggregate in the presence of metakaolin has been established, according to which metakaolin enters the reaction at a rate of microsilica, providing for a very fast binding of the Na+ and K+ ions. Silicate gel of alkaline metals binds into insoluble zeolite-like new structures and hybrid hydroalumosilicates. As resilient structures, the latter condense and strengthen the contact area by enhancing its microhardness and strength.We have investigated the natural shrinkage deformations (expansion) of the developed compositions of concretes based on the traditional and alkaline Portland cements. It has been shown that the introduction of a metakaolin additive to the system formulation makes it possible to reduce the system expansion indicators from 0.44 to 0.01 mm/m, thereby maintaining the defect-free structure of cement stone and concrete and improving the durability of concreteПредставлены результаты сравнительных испытаний «щелочь – активный кремнезем» в традиционном портландцементе и щелочном портландцементе с добавкой метакаолина. Исследования базируются на изучении процессов структурообразования цементов в контактной зоне «цементный камень – базальт».Результаты исследований позволяют сделать вывод, что динамика процесса взаимодействия реакции «щелочь – кремнезем» в цементах может иметь конструктивный и деструктивный характер. Это зависит от содержания компонентов, которые способны активно взаимодействовать со щелочами в присутствии реакционно-способного кремнезема. Так называемые «конструктивные» процессы сопровождаются связыванием продуктов коррозии во время образования щелочных гидроалюмосиликатов. Результаты исследований были использованы для разработки механизма противодействия реакции «щелочь – активный заполнитель» в бетонах на основе щелочного цемента путем введения в состав цемента дополнительного количества материалов, содержащих активный алюминий, в частности, метакаолина.Исследования показали, что введение добавки метакаолина позволяет эффективно регулировать процессы структурообразования в контактной зоне «цементный камень – активный кремнезем», изменяя характер новообразований. Установлен механизм протекания процесса щелочной коррозии активного заполнителя в присутствии метакаолина, согласно с которым метакаолин вступает в реакцию со скоростью микрокремнезема, обеспечивая очень быстрое связывание ионов Na+ и K+. Силикатный гель щелочных металлов связывается в нерастворимые цеолитоподобные новообразования и гибридные гидроалюмосиликаты. Последние, будучи стойкими структурами, уплотняют и упрочняют контактную зону путем повышения ее микротвердости и прочности.Исследованы собственные деформации усадки (расширения) разработанных композиций бетонов на основе традиционного и щелочного портландцементов. Показано, что введение добавки метакаолина в состав системы позволяет уменьшить показатели расширения системы с 0.44 до 0.01 мм/м, обеспечивая таким образом сохранение бездефектной структуры цементного камня и бетона и повышая долговечность бетонаПредставлено результати порівняльних випробувань реакції «луг –активний кремнезем» у традиційному портландцементі та лужному портландцементі з добавкою метакаоліну. Дослідження базуються на вивченні процесів структуроутворення цементів у контактній зоні «цементний камінь – базальт».Результати досліджень дозволяють зробити висновок, що динаміка процесу взаємодії реакції «луг – кремнезем» у цементах може мати конструктивний та деструктивний характер. Це залежить від вмісту компонентів, що здатні до активної взаємодії з лугами у присутності реакційно здатного кремнезему. Так звані «конструктивні» процеси супроводжуються зв’язуванням продуктів корозії під час формування лужних гідроалюмосилікатів. Результати досліджень було використано як основу для розробки механізму запобігання реакції «луг – активний заповнювач» у бетонах на основі лужного цементу шляхом введення до складу цементу додаткової кількості матеріалів, що містять активний алюміній, зокрема, метакаоліну.Дослідження показали, що введення добавки метакаоліну дозволяє ефективно регулювати процеси структуроутворення у контактній зоні «цементний камінь – активний кремнезем», змінюючи характер новоутворень. Встановлено механізм протікання процесу лужної корозії активного заповнювача у присутності метакаоліну, згідно із яким метакаолін вступає у реакцію із швидкістю мікрокремнезема, забезпечуючи дуже швидке зв’язування іонів Na+ та K+. Силікатний гель лужних металів зв’язується у нерозчинні цеолітоподібні новоутворення та гібридні гідроалюмосилікати. Останні, будучи стійкими структурами, ущільнюють та зміцнюють контактну зону шляхом підвищення її мікротвердості та міцності.Досліджено власні деформації усадки (розширення) розроблених композицій бетонів на основі традиційного та лужного портландцементів. Показано, що введення добавки метакаоліну до складу системи дозволяє зменшити показники розширення системи з 0.44 до 0.01 мм/м, забезпечуючи таким чином збереження бездефектної структури цементного каменю і бетону та підвищує довговічність бетон

Influence of Dosage and Modulus on Soluble Sodium Silicate for Early Strength Development of Alkali-Activated Slag Cements

In world practice, the need for high-strength concrete with an intensive gain of early strength is due to an increase in requirements for characteristics of concrete and the desire to shorten the construction period. Alkali-activated cement, based on soluble sodium silicates (SSS), can demonstrate high strength and rapid gain due to the nano-modifying effect of amorphous silica present in SSS. However, the problem with the effective use of such cement compositions is unsatisfactory short setting times. This work investigates the effect of modifying admixtures on the structure formation of alkali-activated slag cement (AASC), its physical and mechanical properties depending on characteristics of SSS and the basicity of the aluminosilicate component (precursor), which was changed by the ratio of the ordinary Portland cement (OPC) clinker and granulated blast furnace slag (GBFS). A positive synergistic effect was noticed from glycerol and trisodium phosphate, as the components of a complex admixture, to control the setting of AASC. This resulted in extending the initial setting time from 1 to 5 min to the values of 21–72 min. The compressive strength of 21–26.3 MPa by 3 h, 36.5–43.4 MPa by 1 day, and 84.7–117.1 MPa by 28 days was obtained. Proper shrinkage deformations were equal to 0.47–0.6 mm/m. It was shown that with an increase in the basicity of the aluminosilicate component, the properties of AASC increased both in the early and late stages of hardening

Studying the Influence of Metakaolin on Self-healing Processes in the Contact-zone Structure of Concretes Based on the Alkali-activated Portland Cement

This paper reports results from comparative testing the reaction "alkali ‒ active silica" in traditional Portland cement and alkaline Portland cement with the addition of metakaolin. The research is based on studying the process of structure formation in cements in the contact zone "cement stone – basalt".The research results allow us to conclude that the dynamics of the process of interaction of the reaction "alkali‒silica" in cements may be constructive and destructive in character. That depends on the content of components that are able to actively interact with alkalis in the presence of reactive silica. The so-called "constructive" processes are accompanied by the binding of corrosion products during the formation of alkaline hydroalumosilicates. The research results were used as the basis for developing the mechanism of preventing the reaction "alkali – active aggregate" in concretes based on alkaline cement by introducing to the cement composition additional amounts of materials containing active aluminum, in particular, metakaolin.Our study has shown that the introduction of a metakaolin additive could effectively control the processes of structure formation in the contact area "cement stone – active silica", thereby changing the character of new structures. The mechanism of an alkaline corrosion process of an active aggregate in the presence of metakaolin has been established, according to which metakaolin enters the reaction at a rate of microsilica, providing for a very Fast binding of the Na+ and K+ ions. Silicate gel of alkaline metals binds into insoluble zeolite-like new structures and hybrid hydroalumosilicates. As resilient structures, the latter condense and strengthen the contact area by enhancing its microhardness and strength.We have investigated the natural shrinkage deformations (expansion) of the developed compositions of concretes based on the traditional and alkaline Portland cements. It has been shown that the introduction of a metakaolin additive to the system formulation makes it possible to reduce the system expansion indicators from 0.44 to 0.01 mm/m, thereby maintaining the defect-free structure of cement stone and concrete and improving the durability of concret