Rheological and mechanical characterization of portland cement mixes containing micro and nano amorphous silica particles

Abstract

In concrete technology, it is common to use fly ash (FA) and micro-SiO2 (SF) as mineral admixtures. This has resulted in improvements in the fresh and hardened states. On the other hand, nano-SiO2 (nS) is industrially produced for diverse applications due to their unique characteristics. Nevertheless, its use in the concrete industry is not yet common and their physical-chemical effects as well as mechanical and durability capacities are subject of interest in recent research. Thus, the current study employed nS, FA, SF and polycarboxylate-type superplasticizer (SP) to determine their rheological characteristics at early age and their macro-mechanical properties in the hardened state. The rheological properties of grouts using the Marsh cone test (MCT) approach showed that mineral admixtures could improve the fluidity. Nevertheless, results also showed that MCT must be interpreted carefully when mineral additions are applied, because nonlinearities of the plastic viscosity could cause distortions in the MCT analyses. On the other hand, the hardened state of mortar samples containing nano/micro-SiO2 at w/b=0.35 was studied. SEM examinations in the ITZ suggested that compressive strengths of nano-SiO2-systems presented densification and filler effects, whereas micro-SiO2-systems only showed filler effects. Nevertheless, the study of concretes containing nS, SF, FA, and SP was more complex and statistical tools (DOE) and artificial neural simulations (ANN) were required. DOE results of compressive and tensile strength indicated that nS-SF binary mixes are the optimal choice to gain strength. However, DOE results also showed lack-of-fit of the second-order. But, the ANN could effectively explain the lack-of-fit inherit in the DOEs. Finally, splitting tensile failures were carried out on concretes to investigate the accuracy of the Weibull models. The estimated Weibull parameters were obtained by using modern advanced nonlinear methodologies. Statistical analysis indicated that some specific combinations of amorphous silica exhibited Weibull modulus higher than the control case. The novelty in these analyses is that despite the importance of the Weibull modulus in reliability analyses of brittle materials, the majority of the studies are on plain concretes. The data is especially scarce for nano-SiO2 on binary, ternary, and/or quaternary concretes mixes.

En tecnología del concreto, el uso de ceniza volante (FA) y humo de sílice (SF) como aditivo mineral es muy común. Su implementación ha demostrado mejoras en el estado fresco y el endurecido. Además, debido a sus propiedades únicas, el uso de nano-SiO2 (nS) ha presentado varias aplicaciones industriales. Sin embargo, su uso en la industria del concreto no es común y sus efectos físico-químicos, capacidades mecánicas y durabilidad son aún tema de investigación. Por consiguiente, el presente estudio emplea nS, FA, SF y superplastificantes tipo polycarboxilatos (SP) para determinar las características reológicas en estado fresco y las propiedades macro-mecánicas en estado endurecido. El estado fresco de las pastas de cemento usando el cono de Marsh (MCT) mostró que las adiciones minerales mejoraron la fluidez. Pero los resultados también mostraron que los análisis del MCT se deben interpretar cuidadosamente cuando hay adiciones minerales, por posibles efectos de distorsión ocasionados por la viscosidad plástica en el material. Por otra parte, se estudió el estado endurecido de morteros a w/b=0.35 que contenían nano/micro-SiO2. Los análisis SEM en la interface mostraron que sistemas con nano-SiO2 presentaron mejoras por densificación y gradación, mientras que en micro-SiO2 sólo la gradación fue importante. Sin embargo, el estudio de concretos que contenían nS, SF, FA and SP fue más complejo y requirió usar técnicas estadísticas (DOE) y redes neuronales (ANN). Los resultados desde DOE en compresión y tensión indicaron que las mezclas binarias de nS-SF son la mejor opción para ganar resistencia. No obstante, también se encontró falta-de-ajuste de segundo orden. Pero los análisis con ANN pudieron eficazmente explicar esta falta-de-ajuste de los DOEs. Finalmente, desde ensayos de tensión indirecta en concretos se estimaron los parámetros de Weibull usando modernas técnicas no-lineales. Los resultados estadísticos mostraron que algunos sistemas de silica amorfa exhibían valores del módulo Weibull mayores que las muestras de control. La novedad es que pese a la importancia del modulo Weibull en el análisis de materiales quebradizos, la mayoría de los estudios se basan en concretos simples. Y los datos son especialmente escasos para concretos que poseen nS en diseños binarios, terciarios y/o cuaternarios.