Thermal stability of cement systems with active mineral additives

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Thermal corrosion of cement stone is a serious issue in public utilities and other structures operated under conditions of elevated temperature and humidity. This type of corrosion is thoroughly studied by experts in plug-back work, but it is less researched in construction materials science. Due to the fact that technologies of plugging and construction works have significant differences, further research in this field is necessary.Materials and methods. The study used fly ash from the Smolensk Hydroelectric Power Station and granulated blast furnace slag from the Novolipetsk Steel Plant in dosage of 30 %. Portland cement CEM I 42.5 N from CJSC “Oskolcement” (GOST 31108–2020) was used as the binder. The compressive and flexural strength of the specimens was determined using a PGM-100MG4 hydraulic press. Hydration products were analyzed using an ARL 9900 Work Station X-ray fluorescence spectrometer, an STA 449 F1 Jupiter NETZSCH synchro nous thermal analyzer, and the microstructure of the cement stone was examined using a Tescan Mira 3 scanning electron microscope.Results. It was found that active mineral additives of fly ash and slag increase the thermal stability coefficient of the cement stone from 0.47 to 0.69 (slag) and 0.72 (fly ash) after 12 months of testing. Significant differences between hydration products under normal and thermal-humidy conditions were revealed through the combined use of X-ray phase and derivatographic analysis with electron microscopy studies. The stone structure under prolonged curing in thermal-humidy conditions is complex and heterogeneous, with well-crystallized calcium hydrosilicates of varying basicity forming alongside tobermorite gel.Conclusions. The addition of active mineral additives, such as fly ash and granulated blast furnace slag, contributes to the increased thermal stability of cement stone. Under elevated temperature and humidity, the formation of low-basicity hydrosilicates is intensified, which mitigates the difference between the solubility of the contact zones and isolated particles, thereby enhancing the thermal stability of the system.

About the authors

N. M. Tolypina

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU)

Email: tolypina.n@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5788-8520
SPIN-code: 4650-2537

Sh. M. Rakhimbaev

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU)

Email: dmitriychashin11@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0542-0963

D. Yu. Chashin

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov (BSTU)

Email: dmitriychashin11@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9844-4053
SPIN-code: 1395-4281

References

  1. Shen Z., Zhou H., Brooks A., Hanna D. Evolution of elastic and thermal properties of cementitious composites containing micro-size lightweight fillers after exposure to elevated temperature // Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 118. P. 103931. doi: 10.1016/j.cem-concomp.2021.103931
  2. Yu Z., Zhang F., Ma X., Yang F., Hu D., Zhou H. Experimental Study on Thermal Expansion Behavior of Concrete under Three-Dimensional Stress // Advances in Civil Engineering. 2021. Vol. 2021. Issue 1. doi: 10.1155/2021/5597918
  3. Мазур В.А., Куценко Т.Н., Петров С.В. Выбор рационального метода ремонта монолитных железобетонных оболочек градирен с учетом использования различных средств подмащивания // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2020. № 6 (146). С. 11–18. EDN FCPRGC.
  4. Чашин Д.Ю., Толыпин Д.А. Проблемы деструкции бетона в условиях повышенных технологических температур и влажности // Инженерное дело на Дальнем Востоке России : мат. VII Всерос. науч.-практ. конф. 2023. С. 94–98.
  5. Славчева Г.С., Ким Л.В. Механизмы и закономерности изменения прочностных характеристик бетонов в связи с их температурно-влажностным состоянием // Вестник Инженерной школы Дальне-восточного федерального университета. 2015. № 1 (22). С. 63–70. EDN TNULPV.
  6. Толыпина Н.М., Чашин Д.Ю., Хахалева Е.Н. Особенности фазообразования в цементных системах при повышенных температурах и влажности // Наука и инновации в строительстве : сб. докл. VII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 170-летию В.Г. Шухова. 2023. С. 237–241. EDN DMGCWD.
  7. Чашин Д.Ю., Толыпин Д.А. Процессы старения и рекристаллизации цементного камня // Образование. Наука. Производство : сб. докл. XV Междунар. молодежного форума. 2023. С. 62–65. EDN KCVSBA.
  8. Moghadam M.A., Izadifard R.A. Effects of zeolite and silica fume substitution on the microstructure and mechanical properties of mortar at high temperatures // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 253. P. 119206. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119206
  9. Абрамов С.А. Термическая усталость тампонажного камня и механизм ее проявления в условиях скважин // Нефтегазовая геология, геофизика и бурение. 1984. № 3. С. 48–49.
  10. Yanjie B., Hui S., Bai Y., Cai Y. Mechanical properties and damage mechanisms of concrete under four temperature gradients combined with acoustic emission method // Journal of Building Engineering. 2022. Vol. 57. P. 104906. doi: 10.1016/j.jobe.2022.104906
  11. Рябова Л.И. Тампонажные растворы повышенного качества // Бурение и нефть. 2003. № 1. С. 30–31. EDN ORCJWF.
  12. Smith J.D. Durability of Concrete Structures in Hot Water Environments // International Journal of Concrete Research. 2018. Vol. 12 (2). Pp. 145–159.
  13. Liu C., Chen J. High Temperature Degradation Mechanism of Concrete with Plastering Layer // Materials. 2022. Vol. 15. Issue 2. P. 398. doi: 10.3390/ma15020398
  14. Kodur V.K.R., Khaliq W. Effect of temperature on thermal properties of different types of high-strength concrete // Journal of Materials in Civil Engineering. 2011. Vol. 23. Issue 6. Pp. 793–801. doi: 10.1061/(asce)mt.1943-5533.0000225
  15. Чашин Д.Ю., Хахалева Е.Н. Первичная защита бетона при воздействии повышенных температур и влажности // Наука и инновации в строительстве : сб. докл. VIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 70-летию со дня образования БГТУ им. В.Г. Шухова. 2024. С. 385–389. EDN FMJNAO.
  16. Meng T., Chen Y., Ying K., Jin X., Zhan S. Deterioration mechanism of concrete under long-term elevated temperature in a metallurgic environment: A case study of the Baosteel company // Case Studies in Construction Materials. 2021. Vol. 14. P. e00503. doi: 10.1016/j.cscm.2021.e00503
  17. He B., Zhu X., Zhang H., Zheng Q., Zhao H., Onuaguluchi O., Banthia N. et al. Flexural failure of ultra-high performance concrete subjected to the alternating cryogenic and elevated temperature via acoustic emission characterization // Cement and Concrete Composites. 2024. Vol. 151. P. 105583. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2024.105583
  18. Кравцов В.М. Термодинамика и механизм процесса коррозии тампонажного камня в условиях сероводородной агрессии // Технология бурения нефтяных и газовых скважин : Межвуз. науч.-техн. сб. 1980. № 7. С. 159–166.
  19. Zhao Y., Li G., Fan C., Pang W., Wang Y. Effect of thermal parameters on hydration heat temperature and thermal stress of mass concrete // Advances in Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 2021. Issue 1. doi: 10.1155/2021/5541181
  20. Kim H.J. Comprehensive Study on the Durabili-ty of Concrete in Hot Water Environment // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 122. Pp. 754–762.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

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».