Influence of modification of cement matrix with fine mineral additive on its characteristics

Authors

  • Liliia V. Ilina Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin)
  • Sergey M. Anpilov Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin) https://orcid.org/0000-0002-6512-5803
  • Denis A. Tsekar Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin)

DOI:

https://doi.org/10.24866/2227-6858/2025-1/155-165

Keywords:

setting time, mineral additive, hydrated cement, grinding time

Abstract

The article considers the change in the amount of hydrate neoplasms when modifying a cement system with a finely dispersed mineral additive, which allows us to understand the reasons for the acceleration of the cement matrix setting process when the additive is introduced into it. A finely dispersed powder of hydrated cement, ground at different durations (30 and 45 sec, 1, 3 and 5 min) in an AGO-2 planetary mill, is proposed as a modifying additive. The modeling of the cement matrix composition and the technological parameters of the mineral additive dispersion was carried out using the method of multifactorial experimental planning. As a result, models were obtained for the dependence of the setting time of the cement system on the grinding duration and the amount of additive. The results of a comprehensive thermal analysis revealed a deeper hydration of cement systems when the studied finely dispersed additive was introduced. Deep hydration of cement systems explains the acceleration of the setting process when the additive proposed by the authors was introduced.

Author Biographies

  • Liliia V. Ilina, Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin)

    Doctor of Engineering Sciences, Professor, Director of the Institute of Digital and Engineering Technologies

  • Sergey M. Anpilov, Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin)

    Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Technology and Organization of Construction

  • Denis A. Tsekar, Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering (Sibstrin)

    Рostgraduate Student

References

1. Калашников В.И., Тараканов О.В., Володин В.М., Ерофеева И.В., Абрамов Д.А. Бетоны переходного и нового поколений. Состояние и перспективы // Технологии бетонов. 2023. № 2(187). С. 33–38.

2. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Дондуков В.Г. Цементы и добавки для производства высокопрочных бетонов // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 4–10. EDN: ZWUFVB

3. Лесовик В.С., Федюк Р.С. Композиты нового поколения для специального строительства // Строительные материалы. 2021. № 3. С. 9–17. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-789-3-9-17

4. Калашников В.И., Тараканов О.В. О применении комплексных добавок в бетонах нового поколения // Строительные материалы. 2017. № 1–2. С. 62–67. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-745-1-2-62-67

5. Тараканов О.В., Фишер Х.Б. Принципы получения высокопрочных бетонов с использованием местных сырьевых ресурсов // Эксперт: теория и практика. 2024. № 3(26). С. 112–117. DOI: https://doi.org/10.51608/26867818_2024_3_112

6. Вовк А.И. Гидратация C3S и структура C–S–H-фазы: новые подходы, гипотезы и данные // Цемент и его применение. 2012. № 3. С. 89–92.

7. Тараканов О.В., Акчурин Т.К., Белякова Е.А., Душко О.В. Перспективы применения комплексных органоминеральных добавок в бетонах нового поколения // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2023. № 2(91). С. 88–98. EDN: VXWGFN

8. Senhadji Y., Escadeillas G., Mouli M., Khelafi H., Benosman. Influence of natural pozzolan, silica fume and limestone fine on strength, acid resistance and microstructure of mortar // Powder Technology. 2014. № 254. P. 314–323. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.01.046

9. Dabbaghi F., Sadeghi-Nik A., Libre N.A., Nasrollahpour S. Characterizing fiber reinforced concrete incorporating zeolite and metakaolin as natural pozzolans // Structures. 2021. № 34. P. 2617–2627. DOI: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.09.025

10. Ma H., Yi C., Wu C. Review and outlook on durability of engineered cementitious composite (ECC) // Construction and Building Materials. 2021. № 287. Art. 122719.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.122719

11. Калашников В.И., Суздальцев О.В., Дрянин Р.А., Сехспосян Г.П. Роль дисперсных наполнителей в бетонах нового поколения // Известия вузов. Строительство. 2014. № 7. С. 11–21.

12. Величко Е.Г., Шумилина Ю.С. К проблеме формирования дисперсного состава и свойств высокопрочного бетона // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. С. 235–243. EDN: MTNVMX

13. Тараканов О.В., Акчурин Т.К., Душко О.В., Стефаненко И.В., Санягина Я.А. Формирование ранней структуры и прочности модифицированных цементных материалов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2023. № 5(93). С. 71–81.

14. Ahmad J., Zhou Zh. Waste marble based self compacting concrete reinforced with steel fiber exposed to aggressive environment // Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 81. Art. 108142. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108142

15. Salamanova M.Sh., Murtazaev S.-A.Yu., Alaskhanov A.Kh., Ismailova Z.Kh. Development of multicomponent binders using fine powders // Proceedings of the International Symposium “Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research” dedicated to the 85th anniversary of H.I. Ibragimov (ISEES 2019). Atlantis Press, 2019. P. 524–528. DOI: https://doi.org/10.2991/isees-19.2019.58

16. Nochaiya T., Chaipanich A. Behavior of multi-walled carbon nanotubes on the porosity and microstructure of cement-based materials // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257, № 6. P. 1941–1945. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.09.030

17. Xu S., Liu J., Li Q. Mechanical properties and microstructure of multi-walled carbon nanotube-reinforced cement paste // Construction and Building Materials. 2015. № 76. P. 16–23. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.11.049

18. Dong S., Wang D., Ashour A., Han B., Ou J. Nickel plated carbon nanotubes reinforcing concrete composites: from nano/micro structures to macro mechanical properties // Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing. 2021. Vol. 141. Art. 106228. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106228

19. Тараканов О.В., Иващенко Ю.Г., Ерофеева И.В. Влияние карбонатных минеральных добавок на формирование микроструктуры и прочность минеральных вяжущих веществ // Региональная архитектура и строительство. 2024. № 1(58). С. 47–58. DOI: https://doi.org/10.54734/20722958_2024_1_47

20. Zhang Z., Yang F., Liu J.-C., Wang S. Eco-friendly high strength, high ductility engineered cementitious composites (ECC) with substitution of fly ash by rice husk ash // Cement and Concrete Research. 2020. Vol. 137. Art. 106200. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2020.106200

21. Doughmi K., Baba K., Nounah A. Mechanical properties of eco-friendly cement based composite mortars plastic fiber reinforced partially replaced by natural pozzolan and marble waste // Materials Today: Proceedings. 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.07.203

22. Bouaissi A., Li L.Y., Abdullah M.M.A.B., Ahmad R., Razak R.A., Yahya Z. Fly ash as a cementitious material for concrete // Sustainable Building Materials. IntechOpen: London, UK, 2020.

23. Wang N., Xia Z., Amin M. N., Ahmad W., Khan K., Althoey F., Alabduljabbar H. Sustainable strategy of eggshell waste usage in cementitious composites: An integral testing and computational study for compressive behavior in aggressive environment // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 386. Art. 131536. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131536

24. Cement paste modified by nano-montmorillonite and carbon nanotubes // ACI Materials Journal. 2022. Vol. 119, № 3. DOI: https://doi.org/10.14359/51734612

25. Ahmad J., Aslam F., Martinez-Garcia R., de-Prado-Gil J., Qaidi S., Brahmia A. Effects of waste glass and waste marble on mechanical and durability performance of concrete // Scientific Reports. 2021. № 11. Art. 21525. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-00994-0

26. She А., Li G., Tan L., Wei Y., Zuo J., Yao W. Comprehensive analysis of early-stage hydration and microstructure evolution in Sufflaminate cement: Insights from low-field NMR and isothermal calorimetry // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 80. Art. 108076. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108076

27. Fediuk R., Lesovik V., Vavrenyuk S., Zaiakhanov M., Bituyev A., Klyuev S., Yu K., Lesovik Ya., Bakatov K. Composite cement materials for structures foundation strengthening // Magazine of Civil Engineering. 2024. Vol. 17, № 3(127). DOI: https://doi.org/10.34910/MCE.127.1

28. Subash N., Avudaiappan S., Adish Kumar S., Amran M., Vatin N., Fediuk R., Aepuru R. Experimental investigation on geopolymer concrete with various sustainable mineral ashes // Materials. 2021. № 14(21). DOI: https://doi.org/10.3390/ma14247596

29. Лесовик В.С. Строительные материалы. Настоящее и будущее // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12, № 1(100). С. 9–16. https://doi.org/10.22227/1997-09З5.2017.1.9-1610

30. Лесовик В.С. Геоника (геомиметика). Примеры реализации в строительном материаловедении. Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2016. 287 с.

31. Ильина Л.В., Самченко С.В., Раков М.А., Зорин Д.А. Моделирование процессов кинетики цементных композитов, модифицированных кальций-содержащими добавками // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2023. Т. 15, № 5. С. 494–503. DOI: https://doi.org/10.15828/2075-8545-2023-15-5-494-503

32. Ilina L.V., Mukhina I.N., Semenova M.M. Hardening cement conglomerates by mining industries waste // Solid State Phenomena. 2021. № 316. Р. 1061–1066.

DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.316.1061

33. Diamond S. Densified silica fume: particle size and dispersion in concrete // Materials and Structures. 2006. Vol. 39, № 9. P. 849–859. DOI: https://doi.org/10.1617/s11527-006-9087-y

34. Ilina L., Kudyakov A., Rakov M. Aerated dry mix concrete for remote northern territories // Ma-gazine of Civil Engineering. 2022. № 5(113). Art. 11310. DOI: https://doi.org/10.34910/MCE.113.10

35. Самченко С.В., Каприелов С.С., Дыкин И.В. Оптимизация структуры и свойств порошково-активированного бетона путём применения портландцементов различной дисперсности // Техника и технология силикатов. 2022. Т. 29, № 1. С. 64–74.

36. Копаница Н.О., Демьяненко О.В., Куликова А.А. Комплексные добавки на основе вторичных ресурсов для модификации цементных композиций // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334, № 1. С. 136–144. DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2023/1/4045

37. Ильина Л.В., Молодин В.В., Гичко Н.О., Туляганов А.К. Повышение прочностных характеристик цементных конгломератов добавками направленного действия // Строительные материалы. 2023. № 7. С. 36–42. DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-815-7-36-42

38. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. Москва: Высшая школа, 1981. 335 с.

Downloads

Published

2025-03-31

Issue

No. 1(62) (2025)

Section

Building Materials and Products

License

Copyright (c) 2025 Far Eastern Federal University: School of Engineering Bulletin

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

How to Cite

1.
Influence of modification of cement matrix with fine mineral additive on its characteristics. Вестник Инженерной школы ДВФУ [Internet]. 2025 Mar. 31 [cited 2025 Apr. 27];1(1(62):155-6. Available from: https://journals.dvfu.ru/vis/article/view/1664