University of Oulu

Cementitious binders for construction in northern cold regions

Saved in:
Author: Alzaza, Ahmad1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering, Fibre and Particle Engineering (FPE)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526236049
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2023
Publish Date: 2023-02-23
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu, for public defence in the Wetteri auditorium (IT115), Linnanmaa, on 3 March 2023, at 12 noon
Tutor: Professor Mirja Illikainen
Doctor Katja Ohenoja
Reviewer: Professor Jos Brouwers
Doctor Anna Kronlöf
Opponent: Professor Laurie Lacarrière
Description:

Abstract

The construction season in northern regions is shortened by the severe cold weather, which also considerably reduce the performance and quality of cementitious materials. The construction season is currently extended using various methods, such as the installation of heating/insulation systems, the use of high-early-strength cement, and the avoidance of the use of ecofriendly supplementary cementitious materials (SCMs). These measures increase the costs, energy consumption, emissions, and complexity of winter construction. Winter maintenance work is consequently postponed frequently, thereby decelerating regional growth. Therefore, this thesis aims to develop sustainable cementitious materials for northern cold regions with maximum utilization of SCMs and minimum use of heating systems.

A comparable 28-day compressive strength can be attained in the ordinary Portland cement (OPC)-based binder cured at −10 °C to that at 20 °C, which can be attributed to the combined effects of calcium silicate hydrate (C–S–H) seeds, a binary antifreeze admixture, and room-temperature (23 °C ± 1 °C) precuring. Moreover, 30 wt.% of OPC in the 0 °C-cured binders could be substituted with ground granulated blast-furnace slag by the addition of C–S–H seeds. This replacement level can be increased to 50 wt.% with the use of GGBFS pre-alkali activation treatment. The calcium sulfoaluminate belite ferrite (CSABF) cement works effectively as an ecofriendly mineral accelerator, assuring the strength development of the OPC/CSABF blend at extremely low ambient temperatures (i.e., −25 °C). The results of this thesis demonstrate the potential for extending the construction season in northern regions using more sustainable cementitious materials while reducing the requirement for expensive and energy-consuming heating systems during winter construction work.

see all

Tiivistelmä

Pohjoisten alueiden rakennuskautta lyhentää ankara kylmä sää, joka myös heikentää huomattavasti betonin laatua. Rakennuskautta pidennetään tällä hetkellä erilaisilla menetelmillä, kuten lämmitys-/eristysjärjestelmien asennuksella, korkean varhaisen lujuuden omaavan sementin käytöllä ja sementtiä korvaavien materiaalien (SCM) käytön välttämisellä. Nämä toimenpiteet lisäävät talvirakentamisen kustannuksia, energiankulutusta, ja CO2-päästöjä, ja monimutkaistavat rakentamista. Näin ollen talvikrakentamista lykätään usein, mikä hidastaa alueellista kasvua. Siksi tämän opinnäytetyön tavoitteena on kehittää kestäviä sementtimäisiä sideaineitaa pohjoisille kylmille alueille hyödyntämällä mahdollisimman paljon sementtiä korvaavia ympäristöystävällisiä sideaineita ja käyttämällä mahdollisimman vähän lämmitysjärjestelmiä.

Tavalliselle, Portland-sementtipohjaiselle (OPC) sideaineelle voidaan saavutta yhtä korkea lujuus −10 °C:ssa kuin 20 °C:ssa 28 päivän iässä, jos käytetäään kalsiumsilikaattihydraatti (C–S–H) -nanopartikkeleita, jäätymisenestoaineita ja esikovetusta huoneenlämpötilassa (23 °C ± 1 °C). Lisäksi 0 °C:ssa kovettuneissa sideaineissa 30 paino-%:a OPC:sta voitaisiin korvata jauhetulla masuunikuonalla lisäämällä siihen C–S–H-nanopartikkeleita. Tämä korvausaste voidaan nostaa 50 paino-%:iin käyttämällä masuunikuonan alkaliaktivaatiokäsittelyä. Lisäksi työssä havaittiin, että kalsiumsulfoaluminaattibeliitti-ferriittisementti (CSABF) toimii tehokkaasti ympäristöystävällisenä mineraalikiihdyttimenä ja varmistaa OPC/CSABF-seoksen lujuuskehityksen erittäin alhaisissa ympäristön lämpötiloissa (−25 °C). Tämän opinnäytetyön tulokset osoittavat, että rakennuskautta on mahdollista pidentää pohjoisilla alueilla kestävämmillä sementtimateriaaleilla ja samalla vähentää kalliiden ja energiaa kuluttavien lämmitysjärjestelmien tarvetta talvibetonoinnin aikana.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Alzaza, A., Ohenoja, K., Langås, I., Arntsen, B., Poikelispää, M., & Illikainen, M. (2022). Low-temperature (−10 °c) curing of Portland cement paste – Synergetic effects of chloride-free antifreeze admixture, C–S–H seeds, and room-temperature pre-curing. Cement and Concrete Composites, 125, 104319. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104319

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Alzaza, A., Ohenoja, K., & Illikainen, M. (2022). Improved strength development and frost resistance of Portland cement ground-granulated blast furnace slag binary binder cured at 0 °C with the addition of calcium silicate hydrate seeds. Journal of Building Engineering, 48, 103904. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103904

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Alzaza, A., Ohenoja, K., Dabbebi, R., & Illikainen, M. (2022). Enhancing the hardened properties of blended cement paste cured at 0 °C by using alkali-treated ground granulated blast furnace slag. Cement and Concrete Composites, 134, 104757. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104757

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Alzaza, A., Ohenoja, K., Isteri, V., Hanein, T., Geddes, D., Poikelispää, M., & Illikainen, M. (2022). Blending eco-efficient calcium sulfoaluminate belite ferrite cement to enhance the physico–mechanical properties of Portland cement paste cured in refrigerated and natural winter conditions. Cement and Concrete Composites, 129, 104469. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104469

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3604-9
ISBN Print: 978-952-62-3603-2
Issue: 871
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 216 Materials engineering
Subjects:
Funding: The work is part of the ARCTICecocrete project funded by the Interreg Nord EU program and the Regional Council of Lapland. The author appreciates the support from Finnsementti (Finland), Master Builders Solutions (Sweden), Sika (Finland), SSAB (Finland), and the CECIRE project, which was funded by Business Finland and the Finnish companies (Boliden Harjavalta, Boliden Kokkola, Outokumpu Stainless, and Yara and Fortum Waste Solutions) for providing materials throughout the studies in this thesis. The author also thanks Tauno Tönning Research Foundation, Riitta ja Jorma J. Takasen Säätiö SR Foundation, and the Finnish concrete association for financial support.
Copyright information: © University of Oulu, 2023. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.