Effect of Ultrafine Additives on Mechanical Properties of Concrete


Cite item

Full Text

Abstract

The study is aimed at assessing the mechanical properties of concrete modified with ultrafine powders produced from construction waste by fine grinding. To achieve this goal, concrete samples with different contents of ultrafine powders in the cement matrix were prepared and tested. The mechanical properties of the samples were assessed in terms of compressive strength and modulus of elasticity. The tests were carried out on concrete samples aged for 7, 14, 21 and 28 days, followed by an analysis of the average values of the three measurements for each time point. The results of the study showed that concrete mixtures containing ultrafine powders have improved mechanical properties compared to control samples. The optimal content of ultrafine powders is 20% of the cement weight. The compressive strength of such concrete samples exceeds the reference values by 46% after 28 days of hardening. This indicates the possibility of using ultrafine powders to improve the performance of concrete structures. Experimental studies have shown that the size, concentration, and chemical composition of ultrafine particles significantly affect the mechanical properties of concrete mixtures modified with ultrafine powders of construction waste

About the authors

Marianna Yu. Malkova

RUDN University

Author for correspondence.
Email: marianna300@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-6939-1658
SPIN-code: 2680-1505

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technologies, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Alexander S. Gorshkov

RUDN University

Email: gorshkov_as@pfur.ru
ORCID iD: 0000-0002-8844-7397
SPIN-code: 3987-3902

Assistant of the Department of Architecture, Restoration and Design, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Alexander N. Zadiranov

Academy of State Fire Service EMERCOM of Russia

Email: zadiranov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7787-8290
SPIN-code: 2873-6465

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Combustion Processes and Environmental Safety, Educational and Scientific Complex of Combustion Processes and Environmental Safety

4 Boris Galushkin St, Moscow, 129366, Russian Federation

Evgeny A. Larionov

RUDN University

Email: evgenylarionov39@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4906-5919

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Construction Technology and Structural Materials, Engineering Academy

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

References

  1. Smith J., Cusatis G., Pelessone D., Landis E., O’Daniel J., Baylot J. Discrete modeling of ultra-high-performance concrete with application to projectile penetration. International Journal of Impact Engineering. 2014;65:13-32. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2013.10.008
  2. Abbas R. Influence of nano-silica addition on properties of conventional and ultra-high performance concretes. Housing and building national research center. 2009;5(1):18-30. Available from: https://sid.ir/paper/649683/en212qw (accessed: 22.09.2024)
  3. Rong Zh., Sun W., Xiao H., Jiang G. Effects of nano-SiO2 particles on the mechanical and microstructural properties of ultra-high performance cementitious composites. Cement and Concrete Composites. 2015;56:25-31. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.11.001
  4. Schröfl Ch., Gruber M., Plank J. Preferential adsorption of polycarboxylate superplasticizers on cement and silica fume in ultra-high performance concrete (UHPC). Cement and Concrete Research. 2012;42(11):1401-1408. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2012.08.013
  5. Ravindra K.D., Henderson N.A. Specialist Techniques and Materials for Concrete Production. Thomas Telford Publ.; Thomas Telford Ltd; 1999. ISBN: 978-0-7277-2825-8
  6. Zhang P., Wan J., Wang K., Li Q. Influence of nano-SiO2 on properties of fresh and hardened high performance concrete: A state-of-the-art review. Construction and Building Materials. 2017;148:648-658. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.05.059 EDN: YETSVO
  7. Bjornstrom J., Matic A., Borjesson L., Panas I. Accelerating effects of colloidal nano-silica for beneficial calciumsilicate-hydrate formation in cement. Chemical Physics Letters. 2004;392(1-3):242-248. https://doi.org/10.1016/j.cplett. 2004.05.071 EDN: KEDYZN
  8. Zhao Z.Q., Sun R.J., Xin G.F., Wei S.S., Huang D.W. A Review: Application of Nanomaterials in Concrete. Applied Mechanics and Materials. 2013;405-408:2881-2884. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.405-408.2881
  9. Morsy M.S., Alsayed S.H., Aqel M. Hybrid effect of carbon nanotube and nano-clay on physico-mechanical properties of cement mortar. Construction and Building Materials. 2011;25(1):145-149. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.06.046
  10. Rong Zh., Sun W., Xiao H., Jiang G. Effects of nano-SiO2 particles on the mechanical and microstructural properties of ultra-high performance cementitious composites. Cement and Concrete Composites. 2015;56:25-31. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.11.001
  11. Atmaca N., Abbas M.L., Atmaca A. Effects of nano-silica on the gas permeability, durability and mechanical properties of high-strength lightweight concrete. Construction and Building Materials. 2017;147:17-26. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.04.156
  12. Mohamed A.M. Influence of nano materials on flexural behavior and compressive strength of concrete. HBRC Journal. 3016;12(2):212-225. https://doi.org/10.1016/j.hbrcj.2014.11.006
  13. Schröfl Ch., Gruber M., Plank J. Preferential adsorption of polycarboxylate superplasticizers on cement and silica fume in ultra-high performance concrete (UHPC). Cement and Concrete Research. 2012;42:1401-1408. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2012.08.013
  14. Alhawat M., Ashour A., El-Khoja A. Influence of using different surface areas of nano silica on concrete properties. AIP Conference Proceedings. 2019;2146(1):020007. https://doi.org/10.1063/1.5123694
  15. Sanchez F., Sobolev K. Nanotechnology in concrete - a review. Construction and Building Materials. 2010; 24(11):2060-2071. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2010.03.014 EDN: NAKRSB
  16. Sobolev K., Flores I., Torres-Martinez L.M., Valdez P.L., Zarazua E., Cuellar E.L. Engineering of SiO2 nanoparticles for optimal performance in nano cement based materials. In: Bittnar Z., Bartos P.J.M., Němeček J., Šmilauer V., Zeman J. (eds.) Nanotechnology in Construction 3. Berlin, Heidelberg: Springer; 2009. p. 139-148 https://doi.org/10.1007/978-3-64200980-8_18
  17. Zaki S.I., Ragab Khaled S. How nanotechnology can change concrete industry. In: 1st International Conference on Sustainable Built Environment Infrastructures in Developing Countries. Oran, Algeria. 2009;1:407-414. ISSN 2170-0095
  18. Nazari A., Riahi S. The effects of SiO2 nanoparticles on physical and mechanical properties of high strength compacting concrete. Compos. Eng. 2011;42(3):570-578. https://doi.org/10.1016/J.COMPOSITESB.2010.09.025
  19. Senff L., Hotza D., Lucas S., Ferreira V.M., Labrincha J.A. Effect of nano-SiO2 and nano-TiO2 addition on the rheological behavior and the hardened properties of cement mortars. Materials Science and Engineering. 2012;A 532:354-361. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.10.102
  20. Hosseini P., Booshehrian A., Madari A. Developing concrete recycling strategies by utilization of nano-SiO2 particles. Waste and Biomass Valorization. 2011;2(3):347-355. https://doi.org/10.1007/s12649-011-9071-9 EDN: VEZHBS
  21. Senff L., Hotza D., Repette W.L., Ferreira V.M., Labrincha J.A. Mortars with nano-SiO2 and micro-SiO2 investigated by experimental design. Constr. Build. Mater. 2010;24:1432-1437. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.01.012 EDN: OEJPTD
  22. Najigivi A., Khaloo A., Iraji Zad A., Abdul Rashid S. Investigating the effects of using different types of SiO2 nanoparticles on the mechanical properties of binary blended concrete. Composites Part B Engineering. 2013;54:52-58. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.04.035
  23. Kong D., Su Y., Du X., Yang Y., Wei S., Shah S.P. Influence of nano-silica agglomeration on fresh properties of cement pastes. Constr. Build. Mater. 2013;43:557-562. https://doi.org/10.1007/s12633-021-01598-z
  24. Haruehansapong S., Pulngern T., Chucheepsakul S. Effect of the particle size of nanosilica on the compressive strength and the optimum replacement content of cement mortar containing nano-SiO2. Constr. Build. Mater. 2014;50: 471-477. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.10.002
  25. Kim J.J., Rahman M.K., Al-Majed A.A., Al-Zahrani M.M., Reda Taha M.M. Nanosilica effects on composition and silicate polymerization in hardened cement paste cured under high temperature and pressure. Cem. Concr. Compos. 2013;43:78-85. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2013.07.002
  26. Zyganitidis I., Stefanidou M., Kalfagiannis N., Logothetidis S. Nanomechanical characterization of cement-based pastes enriched with SiO2 nanoparticles. Materials Science and Engineering B. 2011;176(19):1980. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2011.05.005
  27. Li L.G., Zhu J.Y., Kwan A.K.H. Combined usage of micro-silica and nano-silica in concrete: SP demand, cementing efficiencies and synergistic effect. Construction and Building Materials. 2018;168:622-632. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.02.181
  28. Barabanshchikov Y., Usanova K. A Cementless Binder Based on High-Calcium Fly Ash, Silica Fume, and the Complex Additive Ca(NO3)2 + MgCl2: Phase Composition, Hydration, and Strength. Buildings. 2024;14(7):2121. https://doi.org/10.3390/buildings14072121 EDN: HUHIAZ
  29. Mohammed B.S., Adamu M., Liew M.S. Evaluating the effect of crumb rubber and nano silica on the properties of high volume fly ash roller compacted concrete pavement using non-destructive techniques. Case studies in construction materials. 2018;8:380-391. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2018.03.004
  30. Shi C., Qian J. High performance cementing materials from industrial slags - a review. Resources Conservation and Recycling. 2000;29(3):195-207. https://doi.org/10.1016/S0921-3449(99)00060-9
  31. Nazari A., Riahi S. The role of SiO2 nanoparticles and ground granulated blast furnace slag admixtures on physical, thermal and mechanical properties of self compacting concrete. Materials Science and Engineering A. 2011;528(s 4-5): 2149-2157. https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.11.064
  32. Chithra S., Senthil Kumar S.R.R., Chinnaraju K.The effect of colloidal nano-silica on workability, mechanical and durability properties of high-performance concrete with copper slag as partial fine aggregate. Construction and Building Materials. 2016;113:794-804. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.03.119
  33. Shobeiri V., Bree Bennett B., Xie T., Visintin P. Mix design optimization of concrete containing fly ash and slag for global warming potential and cost reduction. Case Studies in Construction Materials. 2023;18:e01832. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e01832 EDN: CZMPWZ
  34. Nesvetaev G.V., Kuzmenko T.G. On the ratio of flexural and compessive strength of cement concrete. Ingineering journal of Don. 2023;(8):304-316. (In Russ.) EDN: KCHUVU
  35. Haruehansapong S., Pulngern T., Chucheepsakul S. Effect of the particle size of nanosilica on the compressive strength and the optimum replacement content of cement mortar containing nano-SiO2. Construction and Building Materials. 2014;50:471-477. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.10.002
  36. Givi A.N., Rashid S.A., Aziz F.N.A., Salleh M.A.M. Influence of 15 and 80 nano-SiO2 particles addition on mechanical and physical properties of ternary blended concrete incorporating rice husk ash. Journal of Experimental Nanoscience. 2013;8(1):1-18. https://doi.org/10.1080/17458080.2010.548834

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».