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Jan Olek
Author with expertise in Geopolymer and Alternative Cementitious Materials
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Mechanism of sulfate attack: A fresh look

Manu Santhanam et al.Jun 1, 2002
This paper reports the results of an investigation on the effects of sodium and magnesium sulfate solutions on expansion and microstructure of different types of Portland cement mortars. The effects of using various sulfate concentrations and of using different temperatures are also reported. The results suggest that the expansion of mortars in sodium sulfate solution follows a two-stage process. In the initial stage, Stage 1, there is little expansion. This is followed by a sudden and rapid increase in the expansion in Stage 2. Microstructural studies suggest that the onset of expansion in Stage 2 corresponds to the appearance of cracks in the chemically unaltered interior of the mortar. Beyond this point, the expansion proceeds at an almost constant rate until the complete deterioration of the mortar specimen. In the case of magnesium sulfate attack, expansion occurs at a continually increasing rate. Microstructural studies suggest that a layer of brucite (magnesium hydroxide) on the surface forms almost immediately after the introduction of the specimens into the solution. The attack is then governed by the steady diffusion of sulfate ions across the brucite surface barrier. The ultimate failure of the specimen occurs as a result of the decalcification of the calcium silicate hydrate (C-S-H), and its conversion to magnesium silicate hydrate (M-S-H), after prolonged exposure to the solution. The effects of using various admixtures, and of changing the experimental variables such as the temperature and concentration of the solution, are also summarized in this paper. Models for the mechanism of the attack resulting from sodium and magnesium sulfate solutions will be presented in Part 2.
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Effects of Sample Preparation and Interpretation of Thermogravimetric Curves on Calcium Hydroxide in Hydrated Pastes and Mortars

Taehwan Kim et al.Jan 1, 2012
Calcium hydroxide [Ca(OH) 2 ] is one of the major constituents of hydrated portland cement paste. Its content can be used to trace the progress of cement hydration or serve as an indicator of the extent of pozzolanic reaction. The thermogravimetric analysis (TGA) method is often used to determine the Ca(OH) 2 content because it is a relatively easy and fast procedure. However, no universally accepted method exists for the preparation of TGA specimens and for the interpretation of the resulting TGA curves. This paper presents an investigation on the contents of Ca(OH) 2 in samples subjected to different preparation techniques. The results showed that a certain amount of calcium carbonate (CaCO 3 ) was produced as a result of carbonation during the sample preparation process. The degree of carbonation was dependent on the sample preparation, and carbonated Ca(OH) 2 was considered to determine the accurate total Ca(OH) 2 content. In addition, a modified interpretation of the TGA curve for Ca(OH) 2 was suggested. In this interpretation, the mass losses caused by the other hydration products, except for the Ca(OH) 2 and the carbonated Ca(OH) 2 , were considered so that the accurate content of Ca(OH) 2 could be determined. The interpretation technique was verified by comparing the results with those obtained by differential scanning calorimetry. Ultimately, the actual contents of Ca(OH) 2 in pastes undergoing different sample preparation techniques were determined by using the modified interpretation of the TGA curve for the Ca(OH) 2 . The results showed that this interpretation yielded comparable contents of Ca(OH) 2 in most of the sample preparation techniques used in this study.
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Cements in the 21st century: Challenges, perspectives, and opportunities

Joseph Biernacki et al.Apr 26, 2017
Abstract Since its widespread use in concrete began over 100 years ago, the chemical composition and physical properties of portland cement have changed only incrementally in response to various and competing pressures of constructability and cost. Instead, the construction demands have been met largely through the development and introduction of chemical admixtures that are added to the binder during mixing. These same demands persist into the 21 st Century and are just as important now as before, yet newer driving forces are simultaneously pushing the industry both toward more automated construction and toward more sustainable concrete materials that generate lower CO 2 and have longer service life. These new cement binder formulations and new construction technologies are expected to go well outside the bounds of traditional portland cement compositions and batching and placing practices. This study examines the origins of these new market demands and the influence they are having on the construction industry. Seven scientific or technological pathways are identified that will be critical for enabling the kinds of transformational changes in cement and concrete construction that the industry needs: (i) additive manufacturing, (ii) designer admixtures, (iii) curated materials data repositories, (iv) computationally designed composites, (v) big data and smart materials, (vi) alternative binder compositions, and (vii) next‐generation instrumentation.
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