Published September 1, 2023 | Version v1
Publication Open

A systematic study on sustainable low carbon cement – Superplasticizer interaction: Fresh, mechanical, microstructural and durability characteristics

Creators

  • 1. Vellore Institute of Technology University
  • 2. Central Building Research Institute

Description

As governments around the world take on ambitious construction projects, from housing to infrastructure to transportation, the demand for cement is set to rise. It is anticipated that global cement production is set to achieve a compound annual growth rate of ∼5.1% for the years 2022-2025. The negative impact of cement production on the environment, such as carbon emissions and energy consumption, is also well known. This instigates the need to look for alternative and sustainable supplementary cementitious materials (SCMs) such as Fly ash (FA), Limestone (LS), Metakaolin (MK), Ground granulated blast furnace slag (GGBFS) and Silica fume (SF) which when blended with Portland clinker result in lower carbon emissions and better end products. With expanding cement demand, the need for chemical admixtures has also increased. This comprehensive study focuses on the compatibility of commercially available superplasticizers with SCMs blended low carbon cement and their influence on fresh and hardened properties along with microstructural and durability aspects. The chemistry of superplasticizers and how it effects the hydration mechanism of blended cement are also highlighted in detail. Moreover, the effect of different types of superplasticizers, their dosage, water binder ratio, and details of experiments used by other authors are also discussed and listed. As cementitious matrix containing any kind of SCM such as FA showed better environmental performance on the basis of life cycle assessment which was due to carbon emission factor (ξi). For cement, ξi was 311.27 kg CO2-eq/t, whereas for FA it was much lower (8.70 kg CO2-eq/t). Based on this comprehensive literature review, current challenges for the utilisation of waste SCMs incorporating superplasticizers along with research gap have been identified. Apart from this, the ongoing research work on the effect of chemical and mineral admixture on Limestone-calcined clay cement (LC3) using statistical modelling to optimize the mix is also discussed. It was observed that the use of a specific type of mineral admixture with a superplasticizer inversely affected the mechanical properties like compressive strength and modulus of rupture but improved the water-binder ratio, porosity, and water absorption.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

مع قيام الحكومات في جميع أنحاء العالم بمشاريع بناء طموحة، من الإسكان إلى البنية التحتية إلى النقل، من المتوقع أن يرتفع الطلب على الأسمنت. من المتوقع أن يحقق إنتاج الأسمنت العالمي معدل نمو سنوي مركب قدره 5.1 ٪ للسنوات 2022-2025. كما أن التأثير السلبي لإنتاج الأسمنت على البيئة، مثل انبعاثات الكربون واستهلاك الطاقة، معروف جيدًا. هذا يحرض على الحاجة إلى البحث عن مواد أسمنتية تكميلية بديلة ومستدامة (SCMs) مثل الرماد المتطاير (FA) والحجر الجيري (LS) والميتاكاولين (MK) وخبث فرن الصهر المحبب المطحون (GGBFS) ودخان السيليكا (SF) الذي يؤدي عند مزجه مع الكلنكر البورتلاندي إلى انخفاض انبعاثات الكربون وتحسين المنتجات النهائية. مع زيادة الطلب على الأسمنت، زادت الحاجة إلى الخلطات الكيميائية أيضًا. تركز هذه الدراسة الشاملة على توافق الملدنات الفائقة المتاحة تجاريًا مع إسمنت إس سي إم الممزوج منخفض الكربون وتأثيرها على الخصائص الطازجة والمتينة جنبًا إلى جنب مع الجوانب الهيكلية الدقيقة والمتانة. كما يتم تسليط الضوء بالتفصيل على كيمياء الملدنات الفائقة وكيفية تأثيرها على آلية ترطيب الأسمنت المخلوط. علاوة على ذلك، تتم أيضًا مناقشة وإدراج تأثير الأنواع المختلفة من الملدنات الفائقة، وجرعتها، ونسبة رابطة المياه، وتفاصيل التجارب التي يستخدمها مؤلفون آخرون. كما أظهرت المصفوفة الأسمنتية التي تحتوي على أي نوع من إدارة سلسلة التوريد مثل FA أداءً بيئيًا أفضل على أساس تقييم دورة الحياة الذي كان بسبب عامل انبعاث الكربون. أما بالنسبة للأسمنت، فقد كان 311.27 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/طن، في حين كان أقل بكثير (8.70 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/طن). استنادًا إلى هذه المراجعة الشاملة للأدبيات، تم تحديد التحديات الحالية لاستخدام النفايات SCMs التي تتضمن الملدنات الفائقة جنبًا إلى جنب مع فجوة البحث. بصرف النظر عن ذلك، تتم أيضًا مناقشة العمل البحثي المستمر حول تأثير المزيج الكيميائي والمعدني على الأسمنت الطيني المكلس بالحجر الجيري (LC3) باستخدام النمذجة الإحصائية لتحسين المزيج. لوحظ أن استخدام نوع معين من الخليط المعدني مع ملدن فائق يؤثر عكسياً على الخواص الميكانيكية مثل مقاومة الانضغاط ومعامل التمزق ولكنه يحسن نسبة رابطة الماء والمسامية وامتصاص الماء.

Translated Description (French)

Alors que les gouvernements du monde entier entreprennent des projets de construction ambitieux, du logement aux infrastructures en passant par les transports, la demande de ciment devrait augmenter. On s'attend à ce que la production mondiale de ciment atteigne un taux de croissance annuel composé d'environ5,1 % pour les années 2022-2025. L'impact négatif de la production de ciment sur l'environnement, comme les émissions de carbone et la consommation d'énergie, est également bien connu. Cela incite à rechercher des matériaux cimentaires supplémentaires (SCM) alternatifs et durables tels que les cendres volantes (FA), le calcaire (LS), le métakaolin (MK), le laitier de haut fourneau granulé broyé (GGBFS) et la fumée de silice (SF) qui, lorsqu'ils sont mélangés avec du clinker Portland, entraînent une réduction des émissions de carbone et de meilleurs produits finaux. Avec l'expansion de la demande de ciment, le besoin d'adjuvants chimiques a également augmenté. Cette étude approfondie se concentre sur la compatibilité des superplastifiants disponibles dans le commerce avec le ciment à faible teneur en carbone mélangé SCMS et leur influence sur les propriétés fraîches et durcies ainsi que sur les aspects microstructuraux et de durabilité. La chimie des superplastifiants et son effet sur le mécanisme d'hydratation du ciment mélangé sont également mis en évidence en détail. De plus, l'effet de différents types de superplastifiants, leur dosage, leur rapport de liant à l'eau et les détails des expériences utilisées par d'autres auteurs sont également discutés et énumérés. En tant que matrice cimentaire contenant tout type de SCM, telle que FA, a montré une meilleure performance environnementale sur la base de l'évaluation du cycle de vie qui était due au facteur d'émission de carbone (ξi). Pour le ciment, le ξi était de 311,27 kg CO2-éq/t, alors que pour l'AF, il était beaucoup plus faible (8,70 kg CO2-éq/t). Sur la base de cette revue complète de la littérature, les défis actuels pour l'utilisation de SCM de déchets incorporant des superplastifiants ainsi que des lacunes de recherche ont été identifiés. En dehors de cela, les travaux de recherche en cours sur l'effet du mélange chimique et minéral sur le ciment argileux calciné au calcaire (LC3) en utilisant la modélisation statistique pour optimiser le mélange sont également discutés. Il a été observé que l'utilisation d'un type spécifique d'adjuvant minéral avec un superplastifiant affectait inversement les propriétés mécaniques telles que la résistance à la compression et le module de rupture, mais améliorait le rapport liant-eau, la porosité et l'absorption d'eau.

Translated Description (Spanish)

A medida que los gobiernos de todo el mundo asumen ambiciosos proyectos de construcción, desde viviendas hasta infraestructura y transporte, la demanda de cemento aumentará. Se prevé que la producción mundial de cemento alcance una tasa de crecimiento anual compuesta de ~5,1% para los años 2022-2025. El impacto negativo de la producción de cemento en el medio ambiente, como las emisiones de carbono y el consumo de energía, también es bien conocido. Esto instiga la necesidad de buscar materiales cementosos suplementarios (SCM) alternativos y sostenibles, como cenizas volantes (FA), piedra caliza (LS), metacaolín (MK), escoria de alto horno granulada molida (GGBFS) y humo de sílice (SF) que, cuando se mezclan con clinker Portland, resultan en menores emisiones de carbono y mejores productos finales. Con la creciente demanda de cemento, la necesidad de aditivos químicos también ha aumentado. Este estudio exhaustivo se centra en la compatibilidad de los superplastificantes disponibles en el mercado con el cemento bajo en carbono mezclado con SCM y su influencia en las propiedades frescas y endurecidas junto con los aspectos microestructurales y de durabilidad. También se destaca en detalle la química de los superplastificantes y cómo afecta el mecanismo de hidratación del cemento mezclado. Además, también se discute y enumera el efecto de diferentes tipos de superplastificantes, su dosificación, la proporción de aglutinante de agua y los detalles de los experimentos utilizados por otros autores. Como la matriz cementosa que contiene cualquier tipo de SCM, como FA, mostró un mejor rendimiento ambiental sobre la base de la evaluación del ciclo de vida que se debió al factor de emisión de carbono (i). Para el cemento, fue de 311,27 kg CO2-eq/t, mientras que para el AF fue mucho menor (8,70 kg CO2-eq/t). Con base en esta revisión exhaustiva de la literatura, se han identificado los desafíos actuales para la utilización de SCM de residuos que incorporan superplastificantes junto con la brecha de investigación. Aparte de esto, también se discute el trabajo de investigación en curso sobre el efecto de la mezcla química y mineral en el cemento de arcilla calcinada con piedra caliza (LC3) utilizando modelos estadísticos para optimizar la mezcla. Se observó que el uso de un tipo específico de mezcla mineral con un superplastificante afectó inversamente las propiedades mecánicas como la resistencia a la compresión y el módulo de ruptura, pero mejoró la relación agua-aglutinante, la porosidad y la absorción de agua.

Files

pdf.pdf

Files (16.1 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:bddafa0d0866b896f5a62acd7d0d8d1f
16.1 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
دراسة منهجية حول الأسمنت منخفض الكربون المستدام – تفاعل الملدنات الفائقة: الخصائص الطازجة والميكانيكية والهيكلية الدقيقة والمتانة
Translated title (French)
Une étude systématique sur le ciment durable à faible teneur en carbone – Interaction superplastifiant : Caractéristiques fraîches, mécaniques, microstructurales et de durabilité
Translated title (Spanish)
Un estudio sistemático sobre el cemento sostenible bajo en carbono – Interacción superplastificante: características frescas, mecánicas, microestructurales y de durabilidad

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4386034526
DOI
10.1016/j.heliyon.2023.e19176

Is supplement to
https://openalex.org/W4243978880 (Other)
https://openalex.org/W3208982818 (Other)
https://openalex.org/W3042325573 (Other)
https://openalex.org/W2945938548 (Other)
https://openalex.org/W2810561010 (Other)
https://openalex.org/W2740380792 (Other)
https://openalex.org/W2492700266 (Other)
https://openalex.org/W2477634360 (Other)
https://openalex.org/W2353277691 (Other)
https://openalex.org/W2048505465 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1964934983
  • https://openalex.org/W1966664715
  • https://openalex.org/W1969419718
  • https://openalex.org/W1978480714
  • https://openalex.org/W1988882477
  • https://openalex.org/W2007072022
  • https://openalex.org/W2008696204
  • https://openalex.org/W2011192732
  • https://openalex.org/W2012123755
  • https://openalex.org/W2014379959
  • https://openalex.org/W2016350219
  • https://openalex.org/W2018303602
  • https://openalex.org/W2020318023
  • https://openalex.org/W2020845713
  • https://openalex.org/W2036551145
  • https://openalex.org/W2042924677
  • https://openalex.org/W2043983247
  • https://openalex.org/W2044771729
  • https://openalex.org/W2047601566
  • https://openalex.org/W2048516435
  • https://openalex.org/W2048897577
  • https://openalex.org/W2056836525
  • https://openalex.org/W2060041389
  • https://openalex.org/W2063948634
  • https://openalex.org/W2071661799
  • https://openalex.org/W2073662598
  • https://openalex.org/W2077736935
  • https://openalex.org/W2078462763
  • https://openalex.org/W2087651162
  • https://openalex.org/W2094582232
  • https://openalex.org/W2171830439
  • https://openalex.org/W2182743743
  • https://openalex.org/W2268854783
  • https://openalex.org/W2527981682
  • https://openalex.org/W2530146456
  • https://openalex.org/W2573796313
  • https://openalex.org/W2731156971
  • https://openalex.org/W2750609547
  • https://openalex.org/W2762758277
  • https://openalex.org/W2763413203
  • https://openalex.org/W2771439456
  • https://openalex.org/W2790675377
  • https://openalex.org/W2793117647
  • https://openalex.org/W2809383412
  • https://openalex.org/W2907839016
  • https://openalex.org/W2912435365
  • https://openalex.org/W2923167491
  • https://openalex.org/W2957182830
  • https://openalex.org/W2963810609
  • https://openalex.org/W2968100291
  • https://openalex.org/W2971154477
  • https://openalex.org/W2982993582
  • https://openalex.org/W2989265584
  • https://openalex.org/W2991505511
  • https://openalex.org/W3007373848
  • https://openalex.org/W3021356343
  • https://openalex.org/W3022637540
  • https://openalex.org/W3023384291
  • https://openalex.org/W3038147534
  • https://openalex.org/W3038259725
  • https://openalex.org/W3047623656
  • https://openalex.org/W3049045772
  • https://openalex.org/W3088145559
  • https://openalex.org/W3113997037
  • https://openalex.org/W3119105591
  • https://openalex.org/W3121088081
  • https://openalex.org/W3123974210
  • https://openalex.org/W3128463419
  • https://openalex.org/W3128748398
  • https://openalex.org/W3129675821
  • https://openalex.org/W3130261905
  • https://openalex.org/W3155234846
  • https://openalex.org/W3157847540
  • https://openalex.org/W3158711959
  • https://openalex.org/W3158946218
  • https://openalex.org/W3161897457
  • https://openalex.org/W3166078858
  • https://openalex.org/W3167177817
  • https://openalex.org/W3179271244
  • https://openalex.org/W3182609704
  • https://openalex.org/W3198436538
  • https://openalex.org/W3201523549
  • https://openalex.org/W3206429613
  • https://openalex.org/W4200183524
  • https://openalex.org/W4200347263
  • https://openalex.org/W4206440982
  • https://openalex.org/W4207070800
  • https://openalex.org/W4210280690
  • https://openalex.org/W4223488424
  • https://openalex.org/W4226443181
  • https://openalex.org/W4284977150
  • https://openalex.org/W4288046827
  • https://openalex.org/W4292314477
  • https://openalex.org/W4292966014
  • https://openalex.org/W4297425184
  • https://openalex.org/W4307467045
  • https://openalex.org/W4312314817