Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Performance of concrete incorporating amorphous silica residue and biomass fly ash

L'industrie du ciment est l'une des principales sources d'émission de dioxyde de carbone. L'industrie mondiale du ciment contribue à environ 7% des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Afin d'aborder les effets environnementaux associés à la fabrication de ciment exploitant en permanence les ressources naturelles, il est nécessaire de développer des liants alternatifs pour fabriquer du béton durable. Ainsi, de nombreux sous-produits industriels ont été utilisés pour remplacer partiellement le ciment dans le béton afin de générer plus d'économie et de durabilité. La performance d'un additif de ciment est dans la cinétique d'hydratation et de la synergie entre les additions et de ciment Portland. Dans ce projet, deux sous-produits industriels sont étudiés comme des matériaux cimentaires alternatifs: le résidu de silice amorphe (RSA) et les cendres des boues de désencrage. Le RSA est un sous-produit de la production de magnésium provenant de l'Alliance Magnésium des villes d'Asbestos et Thedford Mines, et les cendres des boues de désencrage est un sous-produit de la combustion des boues de désencrage, l'écorce et les résidus de bois dans le système à lit fluidisé de l'usine de Brompton située près de Sherbrooke, Québec, Canada. Récemment, les cendres des boues de désencrage ont été utilisées comme des matériaux cimentaires alternatifs. L'utilisation de ces cendres comme matériau cimentaire dans la fabrication du béton conduit à réduire la qualité des bétons. Ces problèmes sont causés par des produits d'hydratation perturbateurs des cendres volantes de la biomasse quand ces cendres sont partiellement mélangées avec du ciment dans la fabrication du béton. Le processus de pré-mouillage de la cendre de boue de désencrage avant la fabrication du béton réduit les produits d'hydratation perturbateurs et par conséquent les propriétés mécaniques du béton sont améliorées. Les approches pour étudier la cendre de boue de désencrage dans ce projet sont : 1) caractérisation de cette cendre volante régulière et pré-humidifiée, 2) l'étude de la performance du mortier et du béton incorporant cette cendre volante régulière et pré-humidifiée. Le RSA est un nouveau sous-produit industriel. La haute teneur en silice amorphe en RSA est un excellent potentiel en tant que matériau cimentaire dans le béton. Dans ce projet, l'évaluation des RSA comme matériaux cimentaires alternatifs compose trois étapes. Tout d'abord, la caractérisation par la détermination des propriétés minéralogiques, physiques et chimiques des RSA, ensuite, l'optimisation du taux de remplacement du ciment par le RSA dans le mortier, et enfin l'évaluation du RSA en remplacement partiel du ciment dans différents types de béton dans le système binaire et ternaire. Cette étude a révélé que le béton de haute performance (BHP) incorporant le RSA a montré des propriétés mécaniques et la durabilité, similaire du contrôle. Le RSA a amélioré les propriétés des mécaniques et la durabilité du béton ordinaire (BO). Le béton autoplaçant (BAP) incorporant le RSA est stable, homogène et a montré de bonnes propriétés mécaniques et la durabilité. Le RSA avait une bonne synergie en combinaison de liant ternaire avec d'autres matériaux cimentaires supplémentaires. Cette étude a montré que le RSA peut être utilisé comme nouveaux matériaux cimentaires dans le béton.

Characterization and properties of elephant grass ashes as supplementary cementing material in pozzolan/Ca(OH)(2) pastes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Carbonation and pH in Mortars Manufactured with Supplementary Cementitious Materials

An investigation of carbonation in mortars and methods of measuring the degree of carbonation and pH change is presented. The mortars were manufactured using ordinary portland cement, pulverized fuel ash, ground granulated blast-furnace slag, metakaolin, and microsilica. The mortars were exposed to a carbon dioxide-rich environment 5% CO2 to accelerate carbonation. The resulting carbonation was measured using phenolphthalein indicator and thermogravimetric analysis. The pH of the pore fluid and a powdered sample, extracted from the mortar, was measured to give an accurate indication of the actual pH of the concrete. The pH of the extracted powder mortar sample was found to be similar to the pH of the pore fluid expressed from the mortars. The thermogravimetric analysis suggested two distinct regions of transport of CO2 within mortar, a surface region where convection was prevalent and a deeper region where diffusion was dominant. The use of microsilica has been shown to decrease the rate of carbonation, while pulverized fuel ash and ground granulated blast-furnace slag have a detrimental effect on carbonation. Metakaolin has little effect on carbonation.

Characterization of physio-chemical processes and hydration kinetics in concretes containing supplementary cementitious materials using electrical property measurements

The current study monitors both the short- and long-term hydration characteristics of concrete using discretized conductivity measurements from initial gauging, through setting and hardening, the latter comprising both the curing and post-curing periods. In particular, attention is directed to the near-surface concrete as it is this zone which protects the steel from the external environment and has a major influence on durability, performance and service-life. A wide range of concrete mixes is studied comprising both plain Portland cement concretes and concretes containing fly-ash and ground granulated blast furnace slag. The parameter normalised conductivity was used to identify four distinct stages in the hydration process and highlight the influence of supplementary cementitious materials (SCM) on hydration and hydration kinetics. A relationship has been presented to account for the temporal decrease in conductivity, post 10-days hydration. The testing procedure and methodology presented lend itself to in-situ monitoring of reinforced concrete structures. (c) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Biomass fly ash incorporation in cement based materials

In recent years, pressures on global environment and energy security have led to an increasing demand on renewable energy sources, and diversification of Europe’s energy supply. Among these resources the biomass could exert an important role, since it is considered a renewable and CO2 neutral energy resource once the consumption rate is lower than the growth rate, and can potentially provide energy for heat, power and transports from the same installation. Currently, most of the biomass ash produced in industrial plants is either disposed of in landfill or recycled on agricultural fields or forest, and most times this goes on without any form of control. However, considering that the disposal cost of biomass ashes are raising, and that biomass ash volumes are increasing worldwide, a sustainable ash management has to be established. The main objective of the present study is the effect of biomass fly ashes in cement mortars and concretes in order to be used as a supplementary cementitious material. The wastes analyzed in the study were collected from the fluidized bed boilers and grate boilers available in the thermal power plants and paper pulp plants situated in Portugal. The physical as well as chemical characterisations of the biomass fly ashes were investigated. The cement was replaced by the biomass fly ashes in 10, 20 and 30% (weight %) in order to investigate the fresh properties as well as the hardened properties of biomass fly ash incorporated cement mortar and concrete formulations. Expansion reactions such as alkali silica reaction (ASR), sulphate attack (external and internal) were conducted in order to check the durability of the biomass fly ash incorporated cement mortars and concretes. Alternative applications such as incorporation in lime mortars and alkali activation of the biomass fly ashes were also attempted. The biomass fly ash particles were irregular in shape and fine in nature. The chemical characterization revealed that the biomass fly ashes were similar to a class C fly ash. The mortar results showed a good scope for biomass fly ashes as supplementary cementitious materials in lower dosages (<20%). The poor workability, concerns about the organic content, alkalis, chlorides and sulphates stand as the reasons for preventing the use of biomass fly ash in high content in the cement mortars. The results obtained from the durability tests have shown a clear reduction in expansion for the biomass fly ash mortars/concretes and the binder blend made with biomass fly ash (20%) and metakaolin (10%) inhibited the ASR reaction effectively. The biomass fly ash incorporation in lime mortars did not improve the mortar properties significantly though the carbonation was enhanced in the 15-20% incorporation. The biomass fly ash metakaolin blend worked well in the alkali activated complex binder application also. Portland cement free binders (with 30-40 MPa compressive strength) were obtained on the alkali activation of biomass fly ashes (60-80%) blended with metakaolin (20-40%).

Alkali activated materials based on fluid catalytic cracking catalyst residue (FCC): Influence of SiO2/Na2O and H 2O/FCC ratio on mechanical strength and microstructure

Reuse of industrial and agricultural wastes as supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete and mortar productions contribute to sustainable development. In this context, fluid catalytic cracking catalyst residue (spent FCC), a byproduct from the petroleum industry and petrol refineries, have been studied as SCM in blended Portland cement in the last years. Nevertheless, another environmental friendly alternative has been conducted in order to produce alternative binders with low CO2 emissions. The use of aluminosilicate materials in the production of alkali-activated materials (AAMs) is an ongoing research topic which can present low CO2 emissions associated. Hence, this paper studies some variables that can influence the production of AAM based on spent FCC. Specifically, the influence of SiO 2/Na2O molar ratio and the H2O/spent FCC mass ratio on the mechanical strength and microstructure are assessed. Some instrumental techniques, such as SEM, XRD, pH and electrical conductivity measurements, and MIP are performed in order to assess the microstructure of formed alkali-activated binder. Alkali activated mortars with compressive strength up to 80 MPa can be formed after curing for 3 days at 65°C. The research demonstrates the potential of spent FCC to produce alkali-activated cements and the importance of SiO2/Na2O molar ratio and the H2O/spent FCC mass ratio in optimising properties and microstructure. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effect of Bauxol on properties of cement pastes

This paper presents the results of an experimental investigation carried out to evaluate the influence of Bauxsol, an artificially neutralised bauxite refinery residue (NBRR), on various properties of cement pastes. It was found that the NBRR does not have any pozzolanic properties and hence cannot be used as a supplementary cementitious material in concrete. In order to evaluate the effect of adding the product to Portland cement (PC) pastes, fresh properties (i.e. standard consistency and slump), setting time and heat of hydration were measured. In addition, its influence on chemical changes and compressive strength was investigated. It was found that the addition of this NBRR resulted in a decrease in compressive strength beyond 7 days. The setting time decreased with an increase in NBRR content in PC pastes. The rate of heat evolution for NBRR pastes was greater than that of the PC pastes, but a corresponding increase in the quantity of calcium hydroxide was not found. Therefore, it was concluded that unidentified hydration products when Bauxsol was used in PC pastes might have been the reason for the decrease in setting times.

Enhancing Physics Education in the National Defence University : A design based research approach in the production of learning material

This research is connected with an education development project for the four-year-long officer education program at the National Defence University. In this curriculum physics was studied in two alternative course plans namely scientific and general. Observations connected to the later one e.g. student feedback and learning outcome gave indications that action was needed to support the course. The reform work was focused on the production of aligned course related instructional material. The learning material project produced a customized textbook set for the students of the general basic physics course. The research adapts phases that are typical in Design Based Research (DBR). The research analyses the feature requirements for physics textbook aimed at a specific sector and frames supporting instructional material development, and summarizes the experiences gained in the learning material project when the selected frames have been applied. The quality of instructional material is an essential part of qualified teaching. The goal of instructional material customization is to increase the product's customer centric nature and to enhance its function as a support media for the learning process. Textbooks are still one of the core elements in physics teaching. The idea of a textbook will remain but the form and appearance may change according to the prevailing technology. The work deals with substance connected frames (demands of a physics textbook according to the PER-viewpoint, quality thinking in educational material development), frames of university pedagogy and instructional material production processes. A wide knowledge and understanding of different frames are useful in development work, if they are to be utilized to aid inspiration without limiting new reasoning and new kinds of models. Applying customization even in the frame utilization supports creative and situation aware design and diminishes the gap between theory and practice. Generally, physics teachers produce their own supplementary instructional material. Even though customization thinking is not unknown the threshold to produce an entire textbook might be high. Even though the observations here are from the general physics course at the NDU, the research gives tools also for development in other discipline related educational contexts. This research is an example of an instructional material development work together the questions it uncovers, and presents thoughts when textbook customization is rewarding. At the same time, the research aims to further creative customization thinking in instruction and development. Key words: Physics textbook, PER (Physics Education Research), Instructional quality, Customization, Creativity