Title: Experimental determination of the stiffness evolution of young cement pastes with and without fly-ash as cement replacement material
Language: English
Authors: Karte, Philipp 
Keywords: Steifigkeit; Zementstein; Hydratation; Entlastungsmodul; dynamischer Elastizitätsmodul
stiffness; cement paste; hydration; unloading modulus; dynamic Young's modulus
Advisor: Pichler, Bernhard 
Issue Date: 2014
Number of Pages: 68
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Um CO2 Emissionen zu reduzieren, versucht die Zement- und Betonindustrie, klassischen Zement teilweise durch Ersatzmaterialen wie z.B. Flugasche zu ersetzen. Das Ergebnis sind so genannte verschnittene Zemente. Mischt man sie mit Wasser, so entsteht ein neuartiger Zementleim, der nach wenigen Stunden zu Zementstein abbindet und anschließend über Wochen, Monate und Jahre hinweg aushärtet. Die mechanischen Eigenschaften dieser neuen Materialien sind allerdings insbesondere in den ersten Tagen nach der Materialherstellung weitestgehend unerforscht. Das ist die Motivation für die vorliegende Arbeit. Es wird die Steifigkeitsentwicklung von Zementsteinen am zweiten, dritten und vierten Tag nach ihrer Herstellung untersucht. Drei verschiedene Materialien werden charakterisiert. Sie unterscheiden sich in der Materialrezeptur, die mit Hilfe des Wasser-Zement-Massenverhältnisses w/c und des Wasser-Bindemittel-Massenverhältnisses w/s angegeben werden. Die Studie beinhaltet zwei klassische Zementsteine, mit w/c = w/s = 0,50 und w/c = w/s = 0,42. Weiters wird ein Flugaschenzement untersucht, der aus 16 Massenprozent Flugasche und 84 Massenprozent klassischem Zement besteht: w/c = 0,50 und w/s = 0,42. Drei verschiedene Testmethoden werden verwendet. Entlastungsmoduln werden mit Hilfe zerstörungsfreier Druckversuche bestimmt. Dabei kommt eine neue Testmethode zum Einsatz, die sich durch überbestimmte Verformungsmessung auszeichnet. Dynamische Elastizitätsmoduln werden mit Ultraschalltests bestimmt. Differentalkalorimetrie erlaubt es schließlich, einen Zusammenhang zwischen der beobachteten zeitabhängigen Frühzeitsteifigkeitsentwicklung und dem Hydratationsgrad herzustellen. Damit wird gezeigt, dass sowohl die Entlastungsmoduln als auch die dynamischen Elastizitätsmoduln aller drei Materialien praktisch linear mit wachsendem Hydratationsgrad ansteigen. Flugasche greift in den ersten Tagen nach der Materialherstellung nicht wesentlich in die auf der Mikrostruktur ablaufenden chemischen Reaktionen ein. Flugaschenpartikel wirken daher als quasi-inerte Bestandteile der Mikrostruktur, die allerdings zu einer Versteifung des Materials beitragen.

In order to reduce CO2 emissions, cement clinker is nowadays partly replaced by supplementary cementitious materials such as fly ash, but the early-age mechanical performance of blended binders is not as well understood as the one of pure cements. This provides the motivation to study the stiffness evolution of pure and fly ash-blended cement pastes during the second, third, and fourth day after production. Herein, we analyze three material compositions, defined in terms of the initial water-to-cement mass ratio w/c and the initial water-to-solid (binder) mass ratio w/s. Pure cement pastes exhibit w/c = w/s = 0.50 and w/c = w/s = 0.42, respectively. The fly ash-blended cement paste refers to a cement mass replacement level of 16 percent, and this is related to w/c = 0.50 and w/s = 0.42. These materials are analyzed by means of three test methods. Unloading modulus is determined using a novel setup for nondestructive uniaxial compression testing including overdetermined deformation measurements. Dynamic Young's moduli are obtained from ultrasonics experiments. Isothermal differential calorimetry allows for linking the observed temporal evolution of early-age stiffness to the hydration degree of cement. Both unloading moduli and dynamic Young's moduli of all three materials increase practically linearly with increasing hydration degree. Fly ash does not contribute significantly to the early-age hydration of the material, i.e. it represents a quasi-inert part of the material's microstructure, exhibiting a significant stiffening effect.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-73040
http://hdl.handle.net/20.500.12708/5683
Library ID: AC11575893
Organisation: E202 - Institut für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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