MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a551.57
■1001  ▼aSharbaf,  Mohammadreza.
■24510▼aUtilizing  High-Alkali  and  High-Sulfur  Supplementary  Cementitious  Materials  for  Sustainable  Concrete  Production
■260    ▼a[Sl]▼bThe  Pennsylvania  State  University▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a160  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-01,  Section:  A.
■500    ▼aAdvisor:  Rajabipour,  Farshad.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  Pennsylvania  State  University,  2025.
■520    ▼aClinker  substitution  with  supplementary  cementitious  materials  (SCMs)  is  a  cornerstone  of  efforts  to  decarbonize  cement  and  concrete  production.  SCMs  not  only  reduce  concrete's  carbon  footprint  but  also  enhance  its  hardened  properties  and  durability,  including  mitigating  alkali-silica  reaction  (ASR)  in  reactive  aggregate-containing  concretes.  However,  supply  shortages  of  traditional  SCMs,  such  as  coal  fly  ash  and  slag  cement,  have  driven  the  exploration  of  alternative  SCMs,  including  natural  pozzolans,  marginal  and  off-spec  coal  ashes,  and  ground  glass.  While  promising,  these  alternatives  present  challenges:  high  alkali  content,  which  may  elevate  pore  solution  alkalinity  and  raise  questions  about  ASR  mitigation,  and  high  sulfur  content,  which  may  increase  the  risk  of  internal  sulfate  attack.This  dissertation  addresses  these  challenges  through  four  studies:  the  first  three  focus  on  high-alkali  SCMs,  while  the  fourth  examines  high-sulfur  SCMs.The  first  study  introduces  a  new  test  method  for  quantifying  the  soluble  fraction  of  alkalis  in  SCMs,  crucial  for  understanding  their  influence  on  cement  pore  solution  chemistry.  Applied  to  14  SCMs-including  natural  pozzolans,  coal  ashes,  and  ground  glass-the  test  measured  soluble  sodium  in  a  1M  KOH  host  solution  and  soluble  potassium  in  a  1M  NaOH  solution  over  180  days.  Thermodynamic  modeling  was  employed  to  validate  the  test  results  and  ensure  minimal  solid-phase  precipitation.  The  findings  revealed  that  a  significant  portion  of  SCM  alkalis  is  soluble,  often  exceeding  levels  measured  by  the  ASTM  C311  Available  Alkali  Test.The  second  study  evaluates  the  impact  of  the  14  SCMs  on  cement  paste  pore  solution  alkalinity  and  pH  in  pastes  where  20%  of  the  cement  was  replaced  by  SCMs.  Cement  paste  pore  solutions  were  extracted  and  analyzed  over  one  year.  While  the  first  study  showed  that  most  SCM  alkalis  are  soluble,  their  pozzolanic  reactions  enhanced  alkali  binding  capacity,  outweighing  the  effects  of  soluble  alkali  content  for  most  SCMs.  Nine  SCMs  acted  as  net  alkali  sinks,  one  showed  minimal  impact,  and  four  increased  pore  solution  alkali  content.  Notably,  all  14  SCMs  reduced  [OH⁻]  levels  below  those  of  100%  cement  pastes.  Regression  analysis  identified  that  an  SCM's  ability  to  alter  [OH⁻]  in  the  pore  solution  depends  on  its  soluble  alkali  content  (measured  by  the  proposed  method  in  the  first  study),  pozzolanic  reactivity,  and  CaO/(SiO₂  +  Al₂O₃)  ratio  based  on  bulk  chemistry.The  third  study  examines  the  effectiveness  of  these  SCMs  in  mitigating  ASR  in  concrete  mixtures  using  the  AASHTO  T  380  standard  test  method.  Seven  aggregate  groups  with  varying  reactivity  levels  were  tested.  Results  showed  SCM  effectiveness  in  ASR  mitigation  varied  across  aggregate  combinations.  Electrical  surface  resistivity  measurements  on  the  same  prisms  strongly  correlated  with  56-day  ASR  expansion,  suggesting  resistivity  as  a  reliable  early  indicator  of  ASR  mitigation  potential.  Regression  analysis  identified  the  control  mix's  56-day  expansion,  pozzolanic  reactivity,  and  SCM  soluble  alkali  content  as  significant  predictors  of  ASR  mitigation.  The  study  recommends  performance  testing  using  the  AASHTO  T  380  method  for  a  more  accurate  assessment  of  ASR  mitigation.The  fourth  study  assesses  the  risk  of  internal  sulfate  attack  in  concrete  containing  high-sulfur  coal  ashes,  which  often  exceed  the  5.0%  SO₃  limit  set  by  ASTM  C618.  Findings  show  that  fly  ashes  with  up  to  12.0%  SO₃  at  20%  replacement  levels  and  binders  with  up  to  5.0%  SO₃  can  be  safely  used  without  internal  sulfate  attack  risks.
■590    ▼aSchool  code:  0176.
■650  4▼aPrecipitation
■650  4▼aSodium
■650  4▼aConcrete  research
■650  4▼aCarbon
■650  4▼aSustainability
■650  4▼aSystems  development
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■650  4▼aHydration
■650  4▼aDensity
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■650  4▼aAlkalinity
■690    ▼a0640
■71020▼aThe  Pennsylvania  State  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-01A.
■790    ▼a0176
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17358658▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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