Enhancing the Fresh and Early Age Performances of Portland Cement Pastes via Sol-Gel Silica Coating of Metal Oxides (Bi2O3 and Gd2O3)

Data Availability Statement: The datasets generated and/or analyzed during this study are available from the corresponding author upon reasonable request.Copyright © 2023 by the authors. Incorporating metal oxide nanoparticles into cement-based composites delays the hydration process and strength gain of cementitious composites. This study presents an approach toward improving the performance of bismuth oxide (Bi2O3) and gadolinium oxide (Gd2O3) particles in cementitious systems by synthesizing core–shell structures via a sol-gel process. Two types of silica coatings on cementitious pastes with 5% and 10% substitution levels were proposed. The rheology, hydration, and mechanical properties of the pastes were analyzed to determine the relationship between the coating type and nanoparticle concentration. The results indicate that despite the significant disparities in the performance of the resulting material, both methods are appropriate for cement technology applications. Bi2O3’s silica coatings accelerate the hydration process, leading to early strength development in the cement paste. However, due to the coarse particle size of Gd2O3, silica coatings exhibited negligible effects on the early age characteristics of cement pastes.National Science Centre, Poland (project no. 2020/39/D/ST8/00975 (SONATA-16))

Influence of building-installation system parameters on the building energetic coefficients

W artykule przedstawiono wyniki badań, dotyczących wpływu parametrów systemu budowlano-instalacyjnego na wartość wskaźników energetycznych budynków jednorodzinnych. Do przeprowadzenia analizy przyjęto trzy rodzaje budynków: standardowy, energooszczędny oraz pasywny. Wśród tych kategorii przyjęto dodatkowo trzy powierzchnie użytkowe, tj. 100 m2,150 m2 i 200 m2. Wymienione kategorie budynków różnią się między sobą izolacyjnością przegród zewnętrznych pełnych i przeszklonych oraz sprawnością użytkową systemu ogrzewczego. Do porównania wytypowanych obiektów wykorzystano bilans energetyczny, oparty o metodologię wykonywania świadectw charakterystyki energetycznej budynków. Przedstawiono ponadto modele matematyczne wpływu parametrów przegród zewnętrznych omawianych budynków oraz powierzchni ogrzewanej na ich wskaźniki energetyczne, tj. zapotrzebowanie na energię końcową Ek i energię pierwotną Ep.In this paper experimental results of influence of building-installation system parameters on the building energetic coefficients are presented. Three types of buildings: standard, energy-saving and passive with heating surface of 100 m2,150 m2 i 200 m2 have been used. The above types of buildings differ on thermal barrier and heating system efficiency. Certificate for energy characteristic of building has been used. Mathematics models of influence of thermal barrier parameters and heating surface on the energy characteristic, namely final energy Ek and primary energy Ep have been established

Properties of Portland-composite cements with zeolite tuff

Growing requirements for protection of the environment every year gradually increase production of cements with a high content of mineral additives and clinker cements should be considered as cements for special purposes. The strong development of a quaternary Portland cement composite system containing blast-furnace slag, zeolite tuff and limestone powder is presented. The composition and particle size distribution of the constituents are optimized by the incremental coefficient of the surface activity of the zeolite-containing Portland composite cements. Zeolite tuff and limestone powder of high specific surface area lead to the increase of the surface activity of the entire system and a corresponding improvement in the performance of the cement. It was shown that low-energy Portland-composite cements “green cements” obtained by separate grinding are characterized by higher early compressive strength. The optimization of Portland-composite cements was carried out and the relationship between the phase composition, microstructure and strength of the cement matrix were investigated. The main role of zeolite is to improve the properties of cement stone by reducing the quantity and size of hydrate calcium hydroxide with increasing of low alkali calcium hydrosilicates. It is shown that a synergistic combination of mineral additives of different groups with substantial reduction of high energy-consumption clinker component in the Portland-composite cements allows to improve rheological properties and provides of strength increase of binder

Wpływ bardzo drobnoziarnistych popiołów na mikrostrukturę i właściwości materiałów cementowych

The influence of the process of mechanical activation in electromagnetic mill on the properties of fly ash are shown. The effect of ultrafine fly ash and chemical admixtures of polyfunctional action on the properties of cementitious materials was investigated. It was observed that combination of such complex chemical admixtures and ultrafine fly ash provides the reaching of technological, technical and economical effects in сoncretes. The using of fly ash ultrafine particles gives the possibility of manipulation and control of properties of cementitious materials and design of High Performance Concretes new generation on their base.Przeprowadzono badania wpływu ultradrobnego popiołu lotnego i domieszek chemicznych na właściwości materiałow cementowych. Stwierdzono, że kombinacja domieszek chemicznych i najdrobniejszych cząsteczek popiołow lotnych w betonie zapewnia osiągnięcie doskonałych efektow technicznych i ekonomicznych. Stosowanie bardzo drobno mielonych cząsteczek popiołu daje możliwości modyfikacji i kontroli właściwości materiałów cementowych oraz możliwość projektowania na ich podstawie wysokowartościowych betonow nowej generacji

Dekoracyjny cement wieloskładnikowy do zapraw tynkarskich

The paper is devoted to the research of decorative multicomponent cements and Roman cement for finishing mortars that are characterized by improved quality parameters. The use of fine mineral additives allows to obtain multicomponent low energy consumption cements. The chemical composition of multicomponent cement is similar to Roman cement. XRD and SEM carried out on cement paste allow the identification of the AFm and AFt type phases as hydration products responsible of the flash setting typical to multicomponent cement. The results of physical and mechanical properties of multicomponent cement and Roman cement are shown. The use of decorative multicomponent cement is an alternative solution, suitable for restoration, finish works and to decorate facades.Artykuł przedstawia rozwój i badania dekoracyjnych wieloskładnikowych cementów oraz cementu romańskiego do zapraw tynkarskich, które cechują lepsze parametry jakościowe. Stosowanie drobnoziarnistych dodatków mineralnych pozwala na uzyskanie wieloskładnikowych cementów zawierających niższą ilość klinkieru. Skład chemiczny cementów wieloskładnikowych jest podobny do składu cementu romańskiego. Identyfikację faz AFm i AFt przy hydratacji wieloskładnikowych cementów prowadzono metodami XRD i SEM. Podano wyniki fizycznych i mechanicznych właściwości cementów wieloskładnikowych oraz cementu romańskiego. Zastosowanie dekoracyjnego cementu wieloskładnikowego jest alternatywą i nadaje się do renowacji, prac wykończeniowych oraz do dekoracji elewacji budynków

RESEARCH OF ALTERATION OF PORTLANDITE CRYSTALS HABIT AS A FACTOR OF STRUCTURE FORMATION CONTROL FOR LIME-CONTAINING BINDERS

The processes of CaO hydration have been investigated under various temperature conditions and while introducing of H3PO4, H2SO4,H2SiO3, H3BO3 and their sodium salts into water. The binding composites were obtained based on thin-grinded quicklime with 95.6 % of active CaO and MgO. The phase composition of the hydration products were clearly confirmed mainly by XRD and thermal analyses. Under cryogenic conditions (temperature –4˚C) the rate of the reaction between CaO and CO2 of the air increased and extra amount of calcite was formed. During CaO hydration with the introduction of additives containing SO42- and BO33- anions the formation of Portlandite crystals (mainly of lamellar habit) was observed. Rietveld method demonstrates the increase in half-width of 01–2, 02–1, 01–3, 022 and 122 reflections in Portlandite stone indicating the occurrence of stresses that alter the rate of crystals growth in definite directions. The formation of Ca(OH)2 fine crystals of hexagonal lamellae shape results in the increase of their surface, the contact area and bond strength that leads, in its turn, to the increase in mechanical strength of the structure

Zrównoważone betony zawierające dodatkowe składniki wiążące

This paper is devoted to the most important developments in the field of sustainable concrete production and evaluates various approaches. In the global context of cost reduction and CO2 constraints, producers are striving to lower the cement content in concrete. Limits are set by regional and global availability of appropriate materials. The use of supplementary cementitious materials (SCMs), where no additional clinkering process is involved, leads to a significant reduction in CO2 emissions per ton of cementitious materials (grinding, mixing and transport of concrete use less energy compared to the clinkering process) and also provides the utilization of by-products from industrial manufacturing processes. Such new materials might be able to play a significant role as main cement constituents in the future.Artykuł dotyczy oceny produkcji zrównoważonych betonów zawierających dodatkowe składniki wiążące. Obecnie na całym świecie dąży się do zmniejszeniu kosztów i ograniczenia emisji CO2, dlatego też celem producentów jest obniżenie zawartości cementu w betonach. Działania te wynikają z konieczności dostosowania się do narzuconych limitów emisji CO2 oraz z faktu kurczenia się zasobów odpowiednich materiałów do produkcji cementu. Zastosowanie dodatkowych składników wiążących, które można pozyskać bez kosztownego procesu wypalania klinkieru, prowadzi do znaczącej redukcji emisji CO2, przypadającej na tonę wyprodukowanego spoiwa cementowego. Obniża to także koszty związane z mieleniem, oraz umożliwia wykorzystanie ubocznych produktów procesów przemysłowych do wytworzenia materiałów wiążących. Nowe materiały mają szansę stać się głównymi składnikami cementów przyszłości

Nanomodyfikowane kompozyty z cementu portlandzkiego cementowe z aktywacją alkaliczną

This paper deals with design of rapid hardening Portland cement compositions modified ultrafine mineral additives, polycarboxylate type superplasticizer, alkalicontaining activator. Nanoparticles relating to microheterogeneous systems are characterized by high values of specific interfacial area and “excess surface energy” and promote more complete synergic effect of other components activity. The possibility of increasing of liquid phase alkalinity due to interaction of sodium sulphate and calcium hydroxide in the presence of such ultrafine aluminium containing additives as metakaolin was established.W artykule przedstawiono szybkotwardniejące kompozyty z cementu portlandzkiego modyfikowane ultradrobnymi dodatkami mineralnymi oraz domieszkami superplastyfikatora polikarboksylanowego i aktywatora alkalicznego. Nanocząstki systemów mikroheterogenicznych charakteryzują się wysokimi wartościami powierzchni właściwej międzyfazowej oraz "nadmiarem energii powierzchniowej", co powoduje bardziej kompletny synergiczny efekt działania innych składników. Uzyskano możliwość zwiększenia aktywności alkalicznej fazy ciekłej ze względu na interakcje siarczanu sodu i wodorotlenku wapnia w obecności ultradrobnych cząstek aluminium zawierających dodatki, takie jak metakaolin

Study of Low-emission Multi-component Cements with a High Content of Supplementary Cementitious Materials

The studies have established the influence of various types of supplementary cementitious materials on physical and mechanical properties and structure formation of low-emission multi-component cements. The results of the granulometric composition examination of main components of multi-component cements were obtained and a comprehensive estimation of their particle size distribution relative to volume and specific surface was performed. It was proved that increase in dispersity of supplementary cementitious materials leads to decrease in their bleeding and increase in activity but simultaneously increases water demand and power consumption for mechanical activation. Efficiency of mechanical activation of main non-clinker components having different characters of activity was compared.Experimental studies have confirmed that the problem of increasing hydraulic activity of granulated blast-furnace slag is solved by increasing content of fractions up to 10 μm in size. However, when preparing highly active granulated blast-furnace slag, energy inputs for grinding significantly grow, especially in ball mills. It should be noted that a shortage of quality slag in the cement industry is expected in the coming years. This necessitates the search for new combinations of supplementary cementitious materials, namely natural zeolites and fly ash which possess excellent pozzolanic properties. Studies of partial and complete replacement of granulated blast-furnace slags in the composition of low-emission cements with clinker factor of 0.50 have shown that necessary indices of early and standard strength are ensured due to optimization of granulometric composition of pozzolanic additives. At the same time, binder strength increases significantly with the age of hardening and exceeds standard strength by 30 % in 90 days. This makes it possible to state that due to the pozzolanic reaction between superfine zeolite, fly ash and calcium hydroxide, the processes of formation of hydrate phases in the intergranular space are stimulated and microstructure of the cement matrix is compacted. It was shown that the use of low-emission multi-component cements modified with superplasticizers of polycarboxylate type provides technological, technical, economic and environmental effects.Thus, there are grounds to state feasibility of obtaining clinker-efficient low-emission multi-component cements by optimizing granulometric composition of supplementary cementitious materials of various kinds in order to reduce power inputs in the technological processes of their production