Experimental investigation of the rheological properties and the hydration heat of cementitious pastes with mineral additions

In the present thesis, rheology and heat of hydration of fresh cement pastes with various supplementary cementitious materials and water to binder ratios have been investigated. In particular, various percentages of cement have been substituted with ground granulated blast furnace slag, class F fly ash and condensed micro silica and water to binder ratios equal to 0,30, 0,35, 0,40 and 0,45 have been considered. The entire experimental campaign, consisting of 44 paste samples, has been carried out at the Indian Institute of Technology Bombay. After a preliminary work of optimization of the superplasticizer, rheological parameters and flow behavior have been obtained performing both rotational tests and oscillatory ones within the linear viscoelastic region. Parameters such as yield stress, viscosity, rate of structural build up, storage modulus and loss factor have been determined. Simultaneously, calorimetric recordings have been carried out by means of a semi-adiabatic calorimeter and the developed heat of hydration measured. All tests lasted 90 minutes in order to allow for a study of the time dependent behavior and evolution of the cement paste properties. Main goal of the research work is to find a link between rheology and heat of hydration and in particular to obtain, through calorimetric recordings, an estimate of the rheological parameters and of the level of internal structural formation. Throughout the work, the obtained parameters and results will be interpreted not only from a purely material characterization point of view, but also from a more practical and applicative perspective.

Nella presente tesi verranno studiate la reologia ed il calore di idratazione di paste cementizie prodotte con l’aggiunta di vari materiali cementizi supplementari e diversi rapporti acqua cemento. In particolare sono state considerate varie percentuali di sostituzione di cemento con loppa granulata d’altoforno, cenere volante di classe F e fumo di silice condensata e rapporti acqua cemento pari a 0,30, 0,35, 0,40 e 0,45. L’intera campagna sperimentale, costituita da 44 campioni di pasta cementizia, è stata svolta presso l’Indian Institute of Technology Bombay. In seguito ad un lavoro preliminare di ottimizzazione del superfluidificante, i parametri reologici ed il comportamento di flusso sono stati investigati eseguendo sia dei test rotazionali che oscillatori in campo viscoelastico. Parametri quali sforzo di snervamento, viscosità, tasso di formazione strutturale, modulo elastico e fattore di perdita sono stati determinati. Contemporaneamente, misure calorimetriche sono state eseguite per mezzo di un calorimetro semi- adiabatico ed il calore di idratazione è stato calcolato. Tutti i test sono durati 90 minuti in modo da poter valutare il comportamento e l’evoluzione delle proprietà delle paste cementizie nel tempo. L’obbiettivo principale di questo lavoro di ricerca è quello di trovare un collegamento tra reologia e calore di idratazione ed in particolar modo di ottenere, tramite misure calorimetriche, una stima dei parametri reologici e del livello di sviluppo microstrutturale interno. Nel corso dell’elaborato, i parametri ed i risultati ottenuti verranno interpretati non solo da un punto di vista prettamente teorico della scienza dei materiali, ma anche da una prospettiva più pratica ed applicativa.