Title Developement of high-performance concrete with lower ecological footprint Title (english) Razvoj betona visokih uporabnih svojstava smanjenog ekološkog otiska Author Kiran Ram Porikam Poil Mentor Marijana Serdar (mentor)Mentor Karen Scrivener Committee member Marija Jelčić Rukavina (predsjednik povjerenstva)Committee member Ivana Carević (član povjerenstva)Committee member Manu Santhanam Granter University of Zagreb Defense date and country 2023-05-24, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 624/625 - Civil and structural engineering. Civil engineering of land transport. Railway engineering. Highway engineering Abstract The project ACT began with a quest to explore the possibilities of using calcined clay as an alternative binder for cement. Due to the scarcity and high cost of traditional supplementary cementitious materials, the study focused on collecting and characterizing various materials, including low-kaolin clays from Croatia and neighboring countries. After extensive testing and preparation, six different high-performance mortar mixtures were created, incorporating the low-grade calcined kaolin clay, fly ash, and limestone powder. The results showed that all mixes, even those with extremely low kaolin content, were suitable for use in high-performance cement systems.
Building on this success, the study moved to the next phase, focused on formulating high-performance concrete with minimal environmental impact. The mix design used in the Pelješac Bridge was modified to significantly reduce the cement content and substitute it with fly ash and limestone or calcined clay and limestone. Fifteen different mixes were tested for workability, mechanical stability, and resistance to chloride penetration. The results indicated that reducing cement content had a significant effect on durability and service life, and the modified mixes achieved similar or higher sustainability indexes with lower cement amounts.
In the third and fourth phases, the study focused on the impact of kaolinite content on the durability of Limestone Calcined Clay Cement (LC3), particularly when the kaolinite content was less than 40%. Two clays with different kaolinite concentrations were used, and the medium-kaolinitic clay showed better durability performance in terms of chloride penetration resistance. The low-kaolinitic clay was found to be suitable for limestone calcined clay cement concrete in moderate exposure conditions. The study highlights the importance of clay purity in LC3 systems and suggests that lower-quality clays can be used in areas where high-purity clays are scarce.
In addition, the fourth phase aimed to analyze the effective diffusion coefficient of low-grade clays and their impact on pore structure, chloride binding, and bulk/pore solution conductivity. The results showed that low-grade clays have lower conductivity than Portland cement, resulting in greater chloride penetration resistance. Furthermore, pore structure and chloride binding capacities had a similar influence in LC3 with lower grade clays and Portland cement. Finally, the number of smaller capillary pores (< 5 nm) was closely related to the diffusion coefficient in all mixes, indicating the importance of pore structure in determining the effectiveness of clays in cementitious systems.
Overall, the thesis shows that low-grade clays can be utilized in cementitious systems to reduce the environmental footprint and achieve similar or better mechanical and durability properties. By understanding the impact of different parameters such as kaolinite content, pore structure, and chloride binding capacity, the use of low-grade clays in LC3 systems can be optimized for different exposure conditions. Furthermore, reducing cement content and using alternative binders such as fly ash and calcined clay can significantly reduce the carbon footprint of concrete mix designs without compromising the durability and service life of concrete structures. These findings contribute to the development of more sustainable and eco-friendly construction practices.
Abstract (croatian) Projekt ACT je započeo potragom za mogućnostima primjene kalcinirane gline kao alternativnog mineralnog dodatka u cementu. Zbog nedostatka i visoke cijene tradicionalnih mineralnih dodataka cementu, istraživanje je usmjereno na prikupljanje i karakterizaciju različitih materijala, uključujući gline s niskim udjelom kaolina, s područja Hrvatske i okolne regije. Nakon opsežnih ispitivanja i pripreme, projektirano je šest različitih mješavina mortova visokih uporabnih svojstava, koji sadrže kalciniranu glinu s manjim udjelom kaolina, leteći pepeo i vapnenac. Rezultati su pokazali da su sve mješavine, čak i one s izrazito niskim udjelom kaolina, prikladne za primjenu u cementnim kompozitima visokih uporabnih svojstava.
Na temeljima ovih uspješnih rezultata, započeta je sljedeća faza istraživanja, usmjerena na projektiranje betonskih mješavina visokih uporabnih svojstava s minimalnim utjecajem na okoliš. Sastav betonskih mješavina korištenih u izgradnji Pelješkog mosta je modificiran kako bi se značajno smanjio sadržaj cementa, zamjenom letećim pepelom i vapnencem ili kalciniranom glinom i vapnencem. Za petnaest različitih mješavina ispitana je obradljivost, mehanička stabilnost i otpornost na prodor klorida. Rezultati su pokazali da je smanjenje udjela cementa imalo značajan utjecaj na trajnost i uporabni vijek, a modificirane mješavine dostigle su sličan ili viši indeks održivosti, s nižim količinama cementa.
U trećoj i četvrtoj fazi, istraživanje je usmjereno na utjecaj udjela kaolina na trajnost veziva na bazi kalcinirane gline i vapnenca (engl. Limestone Calcined Clay Cement - LC3), osobito kada je sadržaj kaolina manji od 40%. Korištene su dvije gline s različitim udjelom kaolina, a glina sa srednjim udjelom kaolina pokazala je bolja trajnosna svojstva, u pogledu otpornosti na prodor klorida. Utvrđeno je da je glina s niskim udjelom kaolina pogodna za pripremu LC3 veziva u umjerenim uvjetima izloženosti. Istraživanjem je istaknuta važnost udjela kaolina u sastava gline i predložena je uporaba glina niske kvalitete u područjima gdje visoko kvalitetna glina nije dostupna.
Pored navedenog, četvrta faza imala je za cilj analizu efektivnog koeficijenta difuzije glina niske kvalitete i njegovog utjecaja na strukturu pora, vezivanje klorida, provodljivost materijala/provodljivost otopine u porama. Rezultati su pokazali da niskokvalitetne gline imaju manju provodljivost od Portland cementa, što rezultira većom otpornosti na prodor klorida. Osim toga, struktura pora i sposobnost vezivanja klorida imali su sličan utjecaj u LC3 vezivima s glinama niže kvalitete i u Portland cementu. Na kraju, količina manjih kapilarnih pora (< 5 nm) bila je usko povezana s koeficijentima difuzije u svim mješavinama, što ukazuje na važnost strukture pora pri određivanju učinkovitosti glina u cementnim kompozitima.
Disertacija pokazuje da se gline niske kvalitete mogu primjenjivati u cementnim kompozitima kako bi se smanjio negativni utjecaj na okoliš i postigla slična ili bolja mehanička i trajnosna svojstva. Razumijevanjem utjecaja različitih parametara, kao što su sadržaj kaolina, struktura pora i sposobnost vezivanja klorida, primjena niskokvalitetnih glina u LC3 sustavima može biti optimizirana za različite uvjete izloženosti. Smanjenjem udjela cementa i korištenjem alternativnih mineralnih dodataka, kao što su leteći pepeo i kalcinirana glina, moguće je značajno smanjiti ugljični otisak sastava betonske mješavine, bez ugrožavanja trajnosnih svojstava i uporabnog vijeka betonskih konstrukcija. Ovi rezultati istraživanja pridonose razvoju održivih i ekološki prihvatljivih građevinskih praksi.
Keywords
Carbon footprint
performance-based concrete
limestone calcined clay cement
low kaolinitic clay
chloride diffusion
pore structure
chloride binding
conductivity
Keywords (croatian)
ugljični otisak
projektiranje na bazi svojstava
veziva na bazi kalcinirane gline i vapnenca
gline s niskim udjelom kaolina
difuzija klorida
mikrostruktura pora
vezivanje klorida
provodljivost
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:237:978941 Promotion 2023 Study programme Title: Postgraduate doctoral study of the Faculty of Civil Engineering Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Closed access Terms of use Created on 2023-06-07 11:48:32
