Low carbon concrete: design of a CEM III high-performance concrete (CEM III-UHPC)

Abstract

In order to reach net zero emissions by the year 2050, as stated in the Paris Agreement, the sector Building Materials and Construction, which contributes 11% to the total emissions, needs to develop by reducing the Kilograms of Carbon Dioxide Equivalent (kgCO2e) emissions. A major pollution factor is the cement industry, particularly the production of Portland cement clinker. Due to a chemical reaction, where the embodied carbon in the limestone’s atomic structure gets released, this process cannot simply turn carbon dioxide (CO2)-neutral by running it with green energy. One alternative to conventional Portland Cement (CEM I) is the so called Blast Furnace Cement with 66-80% Slag (CEM III/B). Consisting mostly of Blast Furnace Slag (BFS), a byproduct of steel production, it is considered as an environmentally friendly alternative. This thesis explores whether CEM III/B is suitable for producing usable Ultra High Performance Concrete (UHPC) and experiments with different amounts of additives added to the mixture to observe how they influence the fresh and hardened concrete properties. Different mixes were tested with a Water to Cement Ratio (w/c) of 0.25, which is typical for UHPC, to ensure a good balance between workability and compressive strength. The replacement of 10 to 30 percent of the cement mass with Limestone Powder (LS), and 10 to 40 percent with Microsilica (MS), was also studied to observe the impact on the mixtures properties. In this work, we further focused on the mixture design, especially regarding packing density. Workability issues, in form of strong shear thickening effects, were addressed by implementing the surplus water factor, which provides direct information on whether the amount of water is sufficient to fill the voids in the bulk volume. With the promising strength results of this thesis, further research is recommended, particularly focusing on the addition of steel fibres for reinforcement, with the perspective to significantly enhance the strength, especially the bending tensile strength. Additionally, a subsequent thesisshould investigate whether factors other than packing density contribute to the shear thickening, as this phenomenon was more pronounced than in CEM I UHPC mixtures. Further, a larger specimen series should also be tested with the updated calculation to highlight the importance of the amount of surplus water in the mixture design. Since a considerable proportion of slag is already utilized in various applications, CEM III/B does not have the potential to revolutionize the cement industry alone. Therefore, additional alternatives are required, and luckily, a lot of research is going on right now. The goal should be to have a range of different alternatives, each for its own special application. The research for cement technology in the last decades has put a huge gap on the map between the potential strengths of the material and the actual strengths used by the industry [9]. This makes it an opportune time to focus on developing alternatives that can achieve the same strengths already obtained with conventional concrete.

Wie im Pariser Abkommen beschlossen, sollen bis zum Jahre 2050 Netto-Null-Emissionen erreicht werden. Dafür muss sich der Sektor Baustoffe und Bauwesen, der 11% zu den Gesamtemissionen beiträgt, weiterentwickeln und die kgCO2e Emissionen deutlich reduzieren.Ein Großteil der Emissionen wird durch die Zementindustrie verursacht, insbesondere durch die Herstellung von Portlandzementklinker. Da bei diesem Prozess durch eine chemische Reaktion der in Kalkstein gebundene Kohlenstoff freigesetzt wird, kann dieses Verfahren nicht gänzlich CO2-neutral betrieben werden. Eine Alternative zu Portlandzement ist CEM III/B. Er besteht großteils aus Hochofenschlacke, einem Nebenprodukt der Stahlproduktion, und wird daher als umweltfreundliche Alternative betrachtet.Diese Arbeit untersucht, ob CEM III/B für die Herstellung von UHPC geeignet ist und wie unterschiedliche Mengen an Zusatzstoffen die Frisch- und Festbetoneigenschaften beeinflussen. Es wurden verschiedene Mischungen mit einem, für UHPC typischen, Wasser zu Zement-Verhältnis von 0,25 getestet. Dies soll ein gutes Gleichgewicht zwischen Verarbeitbarkeit und Druckfestigkeit gewährleisten. Schrittweise wurden 10 bis 30 Prozent der Zementmasse mit Kalksteinmehl, und 10 bis 40 Prozent der Zementmasse mit Microsilica ersetzt und die Auswirkungen auf die Eigenschaften sowie das Verhalten der Mischung beobachtet. Weiters fokusiert sich diese Arbeit auf die Mischungszusammensetzung, insbesondere auf die Berücksichtigung der Packungsdichte. Die Probleme mit der Verarbeitbarkeit, in Form von stark auftretenden Scherverdickungseffekten, wurden durch die Ergänzung des Überschusswasser-Faktors, in der Mischungsberechnung, behoben. Dieser liefert direkte Informationen darüber, ob die Wassermenge ausreicht um die Hohlräume im Gesamtvolumen zu füllen. Aufgrund der vielversprechenden Festigkeitswerte, welche in dieser Arbeit erreicht wurden, sollten weitere Forschungsarbeiten in diesem Themenbereich durchgeführt werden. Vor allem mit Fokus auf die Zugabe von Stahlfasern als Bewehrung, die die Festigkeitswerte, vor allem die Biegezugfestigkeit, deutlich erhöhen werden. Außerdem sollte in weiteren Forschungsarbeiten untersucht werden, ob zusätzliche Faktoren, neben der Packungsdichte, zur Scherverdickung beitragen, da dieses Phänomen deutlich ausgeprägter ist als mit vergleichbaren CEM I UHPC-Mischungen. Darüber hinaus sollte eine größere Probenserie mit der aktualisierten Berechnung untersucht werden, um deren Richtigkeit zu verifizieren. Da ein erheblicher Anteil an Schlacke bereits für verschiedenste Anwendungen eingesetzt wird, hat CEM III/B nicht das Potenzial, die Zementindustrie allein zu revolutionieren. Aus diesem Grund sind zusätzliche Alternativen zu Portlandzement erforderlich, welche zur Zeit Thema mehrerer Forschungsarbeiten sind. Das Ziel sollte eine Reihe von Zement-Alternativenfür unterschiedliche Anwendungsgebiete sein. In den letzten Jahrzehnten entstand durch die Forschung in der Zementtechnologie eine große Lücke zwischen den potenziellen Festigkeiten des Materials und den von der Industrietatsächlich verwendeten Festigkeiten [9]. Dadurch bietet sich die Gelegenheit, die Entwicklung von Alternativen zu forcieren, die dieselben Festigkeiten erreichen können, welche bereits mit konventionellem Beton erreicht werden.