. L } . . . A . . . . . 2 . . ; . } Z ; , \ ; 4 4 . . . , : 7 v . A . . ) . 7 . . 1 1 1 . \lllllllllllll T H E S I S M I C H I G A N T w l \ l \ \ 3 1 T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d F r o s t R e s i s t a n c e o f P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e P r e p a r e d W i t h C h e m i c a l a n d M i n e r a l A d m i x t u r e s a t M a r g i n a l A i r C o n t e n t p r e s e n t e d b y S h a m s h a d A h m a d K h a n h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r D o c t o r o f P h i l o s o p h y d e g r e e i n C i v i l E n g i n e e r i n g “ 7 W / M a j o r p r e r s s o r D a t e N o v e m b e r 1 9 , 1 9 9 2 M S U i s a n A f fi r m a r i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n 0 - 1 2 7 7 1 M L I B R A R Y l M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ~ 4 w P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d a t e d u e . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E . J M s u I s A n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n c : \ c i r c \ d a t e d u e . p m 3 — p . 1 F R O S T R E S I S T A N C E O F P O R T L A N D C E M E N T C O N C R E T E P R E P A R E D W I T H C H E M I C A L A N D M I N E R A L A D M I X T U R E S A T M A R G I N A L A I R C O N T E N T B y S h a m s h a d A h m a d K h a n V o l u m e I A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 2 A B S T R A C T F R O S T R E S I S T A N C E O F P O R T L A N D C E N I E N T C O N C R E T E P R E P A R E D W I T H C H E M C A L A N D M I N E R A L A D M I X T U R E S A T M A R G I N A L A I R C O N T E N T B y S h a m s h a d A h m a d I fl t a n F r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y i s c o n s i d e r e d t o b e o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r s a f f e c t i n g t h e p e r f o r m a n c e o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e i n t e m p e r a t e r e g i o n s . F r o s t r e s i s t a n c e , w h i c h i s b e l i e v e d t o b e a f u n c t i o n o f t h e a i r v o i d a n d w a t e r p o r e s y s t e m s , i s a f f e c t e d b y t h e u s e o f d i f f e r e n t t y p e s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s . A i r e n t r a i n m e n t h a s t r a d i t i o n a l l y b e e n c o n s i d e r e d t h e s i n g l e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r f o r m a k i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e , b u t t h e u s e o f s i l i c a f u m e h a s r e c e n t l y s h o w n s o m e p r o m i s e i n t h e p r e p a r a t i o n o f n o n a i r — e n t r a i n e d f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a t v e r y l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o s . T h i s r e s e a r c h w a s c o n d u c t e d t o d e t e r m i n e q u a l i t a t i v e l y a n d q u a n t i t a t i v e l y t h e e f f e c t s o f v a r i o u s c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t s a n d t y p i c a l w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o s . A l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t w a s d e s i g n e d a n d c o n d u c t e d o n c o n c r e t e m i x e s t h a t r e p r e s e n t e d a b r o a d r a n g e o f a d m i x t u r e a p p l i c a t i o n s . M o s t o f t h e t e s t m i x e s w e r e d e s i g n e d t o c o n t a i n o n l y s m a l l a m o u n t s o f e n t r a i n e d a i r s o t h a t t h e e f f e c t s o f t h e a d m i x t u r e s o n c o n c r e t e d u r a b i l i t y w o u l d b e m o r e a p p a r e n t . D u r a b i l i t y t e s t i n g w a s p e r f o r m e d , a l o n g w i t h s t r e n g t h t e s t i n g a n d m i c r o s c o p i c a n a l y s e s o f t h e a i r v o i d a n d w a t e r p o r e s t r u c t u r e . P e r m e a b i l i t y a n d t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e t e s t i n g w a s c o n d u c t e d o n t h e c o m p a n i o n s p e c i m e n s a t t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n u n d e r t h e s a m e p r o j e c t . S e v e r a l m e a s u r e s o f t h e c o n c r e t e a i r v o i d s y s t e m s w e r e c o m p u t e d a n d c o m p a r e d t o d e t e r m i n e w h i c h p a r a m e t e r s a r e t h e b e s t p r e d i c t o r s o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e . R e s u l t s i n d i c a t e d t h a t s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t w a s t h e b e s t p r e d i c t o r o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e f o r t h e m i x e s t e s t e d i n t h i s w o r k . I t w a s a l s o c o n c l u d e d t h a t t h e m a x i m u m a l l o w a b l e s p a c i n g f a c t o r c a n b e i n c r e a s e d f r o m 0 . 2 t o 0 . 3 m i l l i m e t e r w i t h o u t l o s s o f d u r a b i l i t y f o r m a n y m i x e s p r e p a r e d w i t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h e p o s s i b i l i t y o f p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t s w i t h 1 5 % c l a s s F fl y a s h , a n d 8 % a n d 1 5 % s i l i c a f u m e ( r e p l a c e m e n t b y w e i g h t o f c e m e n t ) . T h e g o o d p e r f o r m a n c e o f c l a s s F fl y a s h w a s a t t r i b u t e d t o t h e e f f e c t s o f t y p e , a m o u n t p o z z o l a n , a n d p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n . I n t h e c a s e o f s i l i c a f u m e , t h e fi n e n e s s a n d t h e p o z z o l a n i c p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l w e r e c o n s i d e r e d t h e m o s t l i k e l y s o u r c e s o f i m p r o v e d p e r f o r m a n c e , p r o d u c i n g s i g n i fi c a n t r e d u c t i o n s i n t h e p e r m e a b i l i t y a n d t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e . F i n a l l y , a m o d e l w a s d e v e l o p e d t o p r e d i c t c o n c r e t e d u r a b i l i t y a s a f u n c t i o n o f s p a c i n g f a c t o r , f r e e z a b l e m o i s t u r e , a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . F r e e z a b l e m o i s t u r e w a s f o u n d t o b e a n e s p e c i a l l y i m p o r t a n t i n d i c a t o r o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . I t i s r e c o m m e n d e d t h a t a d d i t i o n a l w o r k b e p e r f o r m e d t o v a l i d a t e t h i s fi n d i n g o n a w i d e r r a n g e o f m i x d e s i g n s a n d t o d e v e I O p d e s i g n c r i t e r i a t h a t u t i l i z e f r e e z a b l e m o i s t u r e m e a s u r e m e n t s . T o M y A L L A H T h e M o s t M e r c i f u l a n d T h e M o s t B e n e fi c e n t i v d u l i C O E g u i t E a s s i : l i k e " m ‘ D a v . A C K N O W L E D G E M E N T S I v e r y h u m b l y t h a n k t h e A l l M i g h t y A l l a h f o r H i s k i n d n e s s , d i v i n e d i r e c t i o n a n d c o u n t l e s s b l e s s i n g s t h r o u g h o u t t h e c o u r s e o f t h i s s t u d y . T h e s c h o l a r l y a d v i c e , a b l e g u i d a n c e , p a t i e n c e a n d e n c o u r a g e m e n t o f D r . M a r k B . S n y d e r , m a j o r p r o f e s s o r a n d c h a i r p e r s o n O f t h e g u i d a n c e c o m m i t t e e d u r i n g m y g r a d u a t e s t u d i e s a n d r e s e a r c h , i s h i g h l y a p p r e c i a t e d . I a m a l s o i n d e b t e d t o t h e m e m b e r s o f m y g u i d a n c e c o m m i t t e e , D r . P a r v i z S o r o u s h i a n , D r . T h o m a s L . M a l e c k , a n d D r . C h a r l e s E . C r e s s , f o r t h e i r v a l u a b l e s u g g e s t i o n s a n d c o n s t r u c t i v e c o m m e n t s . T h e u s e f u l i n p u t a n d e n c o u r a g e m e n t o f D r . D o n a l d J . J a n s s e n ( a s s o c i a t e p r o f e s s o r a t t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n ) , D r . W i l l i a m C . T a y l o r , D r T h o m a s F . W o l f f , a n d D r . W i l l i a m S a u l ( c h a i r m a n o f t h e D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ) , i s h i g h l y a p p r e c i a t e d . T h a n k s a r e a l s o d u e t o C r a i g G u n n a n d D r . R i c h a r d L y l e s f o r t h e i r a s s i s t a n c e i n e d i t i n g m y d i s s e r t a t i o n . T h e s i n c e r e c o n t r i b u t i o n s a n d h e l p o f m a n y g r a d u a t e a n d u n d e r g r a d u a t e s t u d e n t s d u r i n g v a r i o u s s t a g e s o f t h i s r e s e a r c h a r e g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e d . I w o u l d e s p e c i a l l y l i k e t o t h a n k J e r - W e n H s u , Z a f a r R a j a , H a m i d M u k h t a r , Z a h i r S h a h , T a r i q M a h m o o d , " E d w a r d " H u a G u o , J o h n M a r s h , J e n i N o l a n , J u l i a H o o g e r w e r f , J u l i e V a n d e n b o s s c h e , D a v e J e a k l e , G e o f f W i l k i e , K e n K u c e l , F r e d N a z a r , B r a d W i e f e r i c h , R a m e z B u t r o s , S u t t p a h e p c v o k e r n K t o e d i P n a k g r e g S o e h T I q h P u a n r e o d P fi a n o d i e r s n a n h r o u g h h i n r o h e h z e s u o h i C n n i a y e r i e s r r p u u l e w c s e h i a a r t n r p a f I f F i d , n e o w a n a a o c n l k k m d j e o d n l u e d c m n u p e s e e f e p e i e d l r y c n a A d y r a , n o t t n n i , e o G n y E i 0 t n i o w l c n u I o d e r n u n i g 2 d e n t A o u f a z a f s s h G t t v i p s K h t A c 9 i e M i a n 3 p t y e r e a r m d i n g , n c s r r c r a i m i n a c h e l , a n d t i d s t ) a r i e e , e g e t e s t t m t o , h e t n r r h a e i t t f a d t y h r e s s y v p M h a e n L c h h m a t n t e l a i a n n d c s h i t o r e h n a n i p e c k s n w u e a t n a q d t q i v l h e k e r n a e d h a i k a t , s y l t e l u s y u f o n l a u a t n n h e t a l n , u o l u e e s s o l r f r t a g o g l e S t h f s e e w s h v y o o G e e i a a m u t e y h m n y t h n f x s n y e t r a t e g i c m s t y u C d y . u o d f l s o r b y f w r r i z y r e t r a e e e , i " o w d a l r e s . e f c u t t s a g h a n I n A e n o h S s , D a w i f e a p l a m i . e e i c A d h s y . S r e i m y t h a m m a M e i c m " g m d h e a s r r d e d n e t g t a , h t g l S h e m h d i l o n H t s i p h a c t s t s g o t h e i , i — a S t o f j k a T r a s t e h d f u n e o a n - n r e u n e t n w i s g h o i f w u n m m y H l s y o h a b w s E t t a i n N n i d o S h s a s n t a h i u , s i e t a a t e r e g c e r r m n g h e e r r a u s n a e e l , d t t P r o p r o l e v b g i i y r d n E e b l n s r F o r g s p o a i n r i h g o i i t v e f r z o u q a i o o r w h r i , d e o n y r f c o s s e m h m a h e b s . d r a y R e s e n a e s t s i i a n i n g i m e a n r , a p i a m v d e m w d i e n w a o b h s r n i t . o k S s p c t e d ( e R t t o e f e o d o s n r e t , a r h a c a h I h . o t l a s r i e n b e n n e e n e v e , p r a y e r s . T A B L E O F C O N T E N T S P a g e L I S T O F T A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x L I S T O F F I G U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i L I S T O F A B B R E V I A T I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v i i C H A P T E R S I . I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l 1 . 1 P r o b l e m S t a t e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 2 O b j e c t i v e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 . 3 R e s e a r c h A p p r o a c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 . 4 S c o p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 I I . B A C K G R O U N D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 . 1 F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 . 2 F r e e z i n g a n d T h a w i n g o f P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e . . . . . . . . . . 8 2 . 2 . 1 G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 2 . 2 C r i t i c a l S a t u r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 2 . 3 W a t e r P o r e S t r u c t u r e o f H y d r a t e d C e m e n t P a s t e . . . . . . . . 1 0 2 . 2 . 4 F r e e z e - T h a w D a m a g e T h e o r i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 . 2 . 5 F a c t o r s A f f e c t i n g F r o s t R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 . 3 A i r V o i d P a r a m e t e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 2 . 3 . 1 G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 2 . 3 . 2 A i r V o i d C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 2 . 3 . 3 S p e c i fi c S u r f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 2 . 3 . 4 V o i d F r e q u e n c y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 2 . 2 . 5 S p a c i n g F a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 2 . 2 . 6 P h i l l e o F a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 2 . 2 . 7 A t t i o g b e M e a n S p a c i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 2 . 4 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 v i i I I I . E P F R F E E V C I I V . V . P E R S T M 3 3 3 E 4 4 T 5 5 3 5 5 5 X E . . . . . . . . . . . 1 2 3 4 1 2 1 2 3 4 5 S U e h . i . . . . e . u e I A r n . . . e . . . . . . . a . . . . . . . n e 2 m e T 2 3 t e 2 3 3 3 3 M n s 2 2 s 3 3 3 3 3 3 l 4 4 4 4 4 4 4 u m O E d i r r a 5 2 2 3 4 1 1 m E o a 1 1 u 1 3 5 m 2 3 2 3 4 6 7 2 4 6 7 m . e . e e S . . . . . r p . . . . t . . . . . c . . . . . . . E a l l c r T o I c c F S a a r R a N F u a r a t a r A h A A A i l y a i i l r e A r t i a y e a a i t c i e e u h a i o r i y W A F G G S t M M o R C D D W M P S R D A M C C F d r P l E s g s u o s i a n r S P n E i g c a f D r n y a p i s e c r r r e e R . A i L o x L n e P n e a a a d V n a s M m c d E r A r n e V r t t b n a s n s a r d C . u i u r . S o z fi . e n a t d i g r e m f e t o t l l r i l o I X H t R x . . i F . f a r o t t b e . v l C . a p g i e F l h a c i i b . x r e t a d u t u . o b . T s r c o . d e l . 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R F R E P M F A F C C C C C l s e e r r i e i o o o o o C C C C C A A P F A S M F A A P P C S S E E c x l y t r e r e a f i e e a o t o m z v z h v r r m - t e m o e c a p e t n h n o c p h e r a d p e c h m m s i a e o a p a a a a a p p p p p m i i a a a a a i d , , , e e w z i z v v s s c c i e a t t a c t t r o o d e s s s s s s s s s s l e e l i g h , , s s f f o o o o o d i o o o o o D D D s p c c r r r r r i b r r r r r c e b b a F F F t i i i i s — d l i i i i i i i i i i i i a d d s c c o o T T T e t l l m m m m m r e o e r r e y f f a a m m m m m e x t t p p p p p m C C C p e p s e e e V V V o o o o o e r t r h h i r i i t t f f t 9 8 c w ] a 4 a l o d 9 n 9 i r c i f e t t c s i o u o n s e t c r o o n r o r t w a n n n n n n n n n n e t m e m i r m r e o i o d e o t a i o o o o o o o o o o n n i n y a a a o o r o w a a v a r r f o p F c d e s a c f f f f f t c e p e n d a a h n f f f f f a d d d s u c c y - G s t a B p r n h h a fl G D C a b a s t a u s t t l c e u A A A A A e s o g r t t r t t F l r e d v r s C C C C C [ W W W W t a r o r o m e u w y n i n r l p i t o a o i t c c s t H H H H r f f f f f l o t t o f c c e y s / s u a o r f r e n s R r t u i i c t t i s i r i t o u o W W W W m a e e e r l a a r t r r B B B B B i t r t o g t i p c r e i b r r r c o t o t s A A A A A d t / / / / e e s e e h e g s i c R R R R i i c e e n s x h e h t r m e s e i i i s o e s n l s s r u W l i c f d f e s n i f n h t n r r r r r R R R R h c h s o fl t i h a p a s e A t C f fl y e o o s o s o o o o o w t e f s s c r c A ( H w R i a g v , h s r 1 1 l l R R R R 1 n z r S c a c s a h h a r a z p c t u y f f C s t a h W r r A s s s s h a . . . . - i F r A a H F F C C s t h h a h h o n t o l e a a t s a a i o c c i t w S e s s c n s f B B r , f a p n o e o e f c M M F F C C - F a r a f f f f n 9 0 ] t c t e a s a r M M n e t e d s h r e d a a o e a R a r e r l d s a t t , n n i t C C C C r t i o z y y w s / t i t e t e i y y . t . . . i i t d w f f r r r z i c s s i n t l fl fl fl fl r r r r e t o t o p w d i r a i i o o o o h r r W c u d d x x W A w . o C s f f x p x o 1 1 l l c t i i i i r s h . . . . i C B / f , o C A t h t n 1 i f [ . . i a a l n . . . . o h h S h h a a u u R 1 t t a s g t . . h w w i e w w fl fl t . . . . r e n n t i e n i R u d fl fl f f q o c . . . . e i o o r t t o h h r f u n s i i W i e y y n i i y y r r s s a . . t t t t W . a . . . 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R e g r e s s i o n a n a l y s i s o f A V S , W P S , a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . . . . . 2 9 7 E 2 D e v e l o p m e n t o f r e g r e s s i o n e q u a t i o n b e t w e e n A V S , W P S , a n d f r e e z e - t h a w 3 0 0 p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s f o r m i x e s t e s t e d x i L I S T O F F I G U R E S F i g u r e P a g e 2 . 1 . D i m e n s i o n a l r a n g e o f s o l i d s a n d p o r e s i n h y d r a t e d c e m e n t p a s t e ] [ 2 ] . . . . . 1 3 2 . 2 . P o r e s i z e d i s t r i b u t i o n i n h y d r a t e d c e m e n t p a s t e [ 3 8 ] . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 . 3 . I n i t i a l e x p a n s i o n a t t h e s t a r t o f f r e e z i n g [ 3 7 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 . 4 . D i m e n s i o n a l c h a n g e s i n c e m e n t p a s t e w i t h a n d w i t h o u t a i r v o i d s [ 3 7 ] . . . . 2 0 2 . 5 . R e s p o n s e o f s a t u r a t e d c e m e n t p a s t e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g , b o t h w i t h a n d w i t h o u t e n t r a i n e d a i r [ 4 4 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 . 6 . I n fl u e n c e o f w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d a i r c o n t e n t o n d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e t o f r o s t a c t i o n [ 2 , 4 8 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 2 . 7 . R e l a t i o n o f d u r a b i l i t y , w a t e r - c e m e n t r a t i o , a n d s p a c i n g f a c t o r a t 3 0 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s [ 5 9 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 2 . 8 . R e l a t i o n o f d u r a b i l i t y , w a t e r - c e m e n t r a t i o , a n d S p a c i n g f a c t o r a t 1 0 0 0 ' f r e e z e - t h a w c y c l e s [ 5 9 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 2 . 9 . R e l a t i o n s h i p b e t w e e n a i r v o i d s p a c i n g f a c t o r a n d d u r a b i l i t y f a c t o r i n c o n c r e t e c o n t a i n i n g H R W R [ 6 1 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 3 . 1 . C o m p a r i s o n o f p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f p o r t l a n d c e m e n t , fl y a s h e s , a n d c o n d e n s e d s i l i c a f u m e [ 2 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 3 . 2 . P a r t i c l e s i z e a n a l y s i s o f h i g h — C a a n d l o w - C a fl y a s h e s [ 9 9 ] . . . . . . . . . . . 6 7 3 . 3 . P e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e w i t h a n d w i t h o u t p o z z o l a n [ 1 1 6 ] . . . . . . . . . . . . 7 0 3 . 4 a . R e s u l t s o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h [ 1 1 7 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 3 . 4 b . R e s u l t s o f p e r m e a b i l i t y [ 1 1 7 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 3 . 5 . S t r e n g t h r e l a t i o n s h i p o f m o r t a r c o n t a i n i n g t y p i c a l G G B F s l a g m e e t i n g A S T M C 9 8 9 r e q u i r e m e n t s , c o m p a r e d t o p o r t l a n d c e m e n t m o r t a r [ 1 6 ] . . . . 7 8 3 . 6 . E f f e c t o f w a t e r - c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l r a t i o o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f G G B F s l a g l e v e l s , e x p r e s s e d a s p e r c e n t a g e o f m i x t u r e s m a d e w i t h p o r t l a n d c e m e n t [ 1 3 7 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9 3 . 7 . E x a m p l e o f d o s a g e o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t a f f e c t e d b y s l a g r e p l a c e m e n t [ 1 3 8 ] 8 1 3 . 8 . F r e e z e - t h a w r e s i s t a n c e o f s l a g c o n c r e t e [ 1 4 3 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 3 . 9 . C a l c i u m h y d r o x i d e c o n t e n t s ( m e a s u r e d b y t h e r m a l g r a v i m e t r i c a n a l y s i s , T G A ) o f m a t u r e p a s t e s m a d e w i t h w h i t e p o r t l a n d c e m e n t [ 1 4 8 ] . . . . . . . . . . . . 8 7 3 . 1 0 . M e r c u r y i n t r u s i o n i n m a t u r e ( 6 5 - d a y - o l d ) w h i t e c e m e n t p a s t e s ( W / C = 0 . 6 0 ) [ 1 4 8 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0 , 3 . 1 1 . H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y ( p e r m e a b i l i t y ) o f d i f f e r e n t c o n c r e t e c o m p o s i t i o n s g i v e n d i f f e r e n t s t o r a g e c o n d i t i o n s [ 1 7 0 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 4 . 1 . E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 x i i F i g u r e P a g e 4 . 2 . 4 . 3 . 4 . 4 . 4 . 5 . 5 . 1 . 5 . 2 . 5 . 3 . 6 . 1 . 6 . 2 . 6 . 3 . 6 . 4 . 6 . 5 . 6 . 6 . 6 . 7 . 6 . 8 . 6 . 9 . 6 . 1 0 . 6 . 1 1 . 6 . 1 2 . 6 . 1 3 . 6 . 1 4 . 6 . 1 5 . 6 . 1 6 . 6 . 1 7 . 6 . 1 8 . 6 . 1 9 . 6 . 2 0 . 6 . 2 1 . C . l . C . 2 . C . 3 . C . 4 . E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 4 E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 5 E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 S a m p l e r e c o r d s h e e t , s h o w i n g a c t u a l t e m p e r a t u r e p r o fi l e f o r o n e w e e k d u r a t i o n o f f r e e z e - t h a w c y c l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 F r e e z a b l e m o i s t u r e d e t e r m i n a t i o n [ 1 9 0 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 4 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n r e l a t i v e h u m i d i t y a n d f r e e z i n g p o i n t [ 1 9 2 ] . . . . . . . 1 2 5 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W / C = 0 . 4 0 a n d A C = 2 . 5 % . ' . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W / C = 0 . 4 5 a n d A C = 2 . 5 % . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 M a t r i x A s p e c i m e n s H T A v e r s u s S F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 W / C v e r s u s C — s t r w i t h A C = 2 . 5 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 W / C v e r s u s C ‘ s t r w i t h A C = 5 . 0 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8 W / C v e r s u s D F w i t h A C = 5 . 0 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8 E f f e c t o f W / C o n p e r m e a b i l i t y [ 1 9 0 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 0 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W / C = O . 5 2 a n d A C = 2 . 5 % . . . . . . . . . . . 1 4 3 A E A v e r s u s S F T A , a n d S F E A f o r C 1 F fl y a s h w i t h W R / H R W R . . . . . . 1 5 1 A E A v e r s u s S F T A , a n d S F E A f o r C l C fl y a s h w i t h W R / H R W R . . . . . 1 5 6 A E A v e r s u s D F f o r s i l i c a f u m e w i t h H R W R . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 8 A E A v e r s u s S F T A , a n d S F E A f o r s i l i c a f u m e w i t h H R W R . . . . . . . . . 1 5 8 E f f e c t o f a d m i x t u r e s o n p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e f o r W / C + P = 0 . 4 0 [ 1 9 0 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 1 E f f e c t o f a d m i x t u r e s o n p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e f o r W / C + P = = 0 . 4 5 [ 1 9 0 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 1 W / C + P v e r s u s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h f o r C 1 F fl y a s h . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 V a r i o u s A V S m e a s u r e s v e r s u s D F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 9 C o m p a r i s o n o f v a r i o u s A V S m e a s u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 R e l a t i o n s h i p o f S F T A a n d C - s t r w i t h D F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 8 R e l a t i o n s h i p o f S F T A a n d F M w i t h D F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 9 R e l a t i o n s h i p o f F M a n d C - s t r w i t h D F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 1 P l o t s h o w i n g a c t u a l a n d p r e d i c t e d D F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W / C + P = O . 4 0 , A E A l a n d W R . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A l a n d W R . . . . . . . . . . . . 2 3 9 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W R , W / C + P = 0 . 4 0 , A E A 2 . . . . . . . . . . . . . . 2 4 0 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . O f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W R , W / C = 0 . 4 5 , A E A 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 1 x i i i F i g u r e C . 5 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e — t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = O . 4 0 , A E A l , a n d C 1 F F A . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 C 6 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A l , a n d C 1 F F A . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 C 7 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , A E A 2 , a n d C 1 F F A . . . . . . . . . . . . . . 2 4 4 C 8 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A 2 , a n d C 1 F F A . . . . . . . . . . . . . . 2 4 5 C 9 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e — t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , A E A l , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . . . . . . . 2 4 6 C . 1 0 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A l , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . . . . . . . 2 4 7 C H . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , A E A 2 , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . . . . . . . 2 4 8 C . 1 2 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A 2 , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . . . . . . . 2 4 9 C . 1 3 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e — t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , A E A l , H R W R , a n d 1 5 % C l F F A . . . . . 2 5 0 C M . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A l , H R W R , a n d 1 5 % C l F F A . . . . . 2 5 1 C . 1 5 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , A E A 2 , H R W R , a n d 1 5 % C l F F A . . . . . 2 5 2 C . 1 6 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A 2 , H R W R , a n d 1 5 % C l F F A . . . . . 2 5 3 C . 1 7 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = O . 4 0 , A E A l , H R W R , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . 2 5 4 C . 1 8 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A l , H R W R , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . 2 5 5 C . 1 9 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = O . 4 0 , A E A 2 , H R W R , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . 2 5 6 C . 2 0 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = O . 4 5 , A E A 2 , H R W R , a n d 1 5 % C l C F A . . . . . 2 5 7 C . 2 1 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e — t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = O . 4 0 , A E A l , H R W R , a n d 1 5 % s i l i c a f u m e . . . . 2 5 8 C . 2 2 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y C l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A l , H R W R , a n d 1 5 % s i l i c a f u m e . . . . 2 5 9 C 2 3 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , A E A 2 , H R W R , a n d 1 5 % s i l i c a f u m e . . . 2 6 0 C 2 4 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , A E A 2 , H R W R , a n d 1 5 % s i l i c a f u m e . . . . 2 6 1 C 2 5 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h o u t W R , W / C + P = 0 . 4 0 a n d 4 0 % G G B F s l a g . . . . . . . . . 2 6 2 x i v F i g u r e P a g e C . 2 6 . R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h o u t W R , W / C + P = 0 . 4 5 a n d 4 0 % G G B F s l a g . . . . . . . . . 2 6 3 C . 2 7 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W R , W / C + P = 0 . 4 0 a n d 4 0 % G G B F s l a g . . . . . . . . . . . . 2 6 4 C 2 8 R D M , c h a n g e i n . l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W R , W / C + P = 0 . 4 5 a n d 4 0 % G G B F s l a g . . . . . . . . . . . . 2 6 5 C 2 9 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W / C = O . 4 0 , a n d 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d . . . . . . . . 2 6 6 C 3 0 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r P C C w i t h W / C = 0 . 4 5 , a n d 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d . . . . . . . . 2 6 7 C 3 1 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 0 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 1 5 % C l F F A . . . . 2 6 8 C 3 2 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 5 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 1 5 % C 1 F F A . . . 2 6 9 C . 3 3 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 0 , 2 8 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l F F A . . . 2 7 0 C . 3 4 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 0 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l F F A . . 2 7 1 C 3 5 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 5 , 2 8 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l F F A . . . 2 7 2 C 3 6 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 5 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l F F A . . . 2 7 3 C 3 7 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 0 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 1 5 % C l C F A . . . 2 7 4 C . 3 8 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 5 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 1 5 % C l F F A . . . 2 7 5 C 3 9 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 0 , 2 8 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l C F A . . . 2 7 6 C . 4 0 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 0 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l C F A . . . 2 7 7 C 4 1 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = O . 4 5 , 2 8 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l C F A . . . 2 7 8 C 4 2 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d f o r W / C + P = 0 . 4 5 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 3 0 % C l C F A . . . 2 7 9 C 4 3 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , 2 8 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 8 % s i l i c a f u m e . . 2 8 0 C . 4 4 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 8 % s i l i c a f u m e . . 2 8 1 C 4 5 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , 2 8 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 8 % s i l i c a f u m e . . 2 8 2 C 4 6 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 8 % s i l i c a f u m e . . 2 8 3 X V N 8 F i g u r e P a g e C . 4 7 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = O . 4 0 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 1 5 % s i l i c a f u m e 2 8 4 C . 4 8 R D M , c h a n g e i n l e n g t h , a n d w e i g h t v e r s u s n o . o f f r e e z e - t h a w c y c l e s e n d u r e d w i t h W / C + P = 0 . 4 5 , 5 6 d a y c u r i n g p e r i o d , a n d 1 5 % s i l i c a f u m e 5 x v i A b b r e v i a t i o n # l c y d A C A C I ( m m ) A C I A C L E A A C L T A E A ‘ A E A l A E A 2 A M S A R S q A S T M A V E A A V S A V T A B S G C - S - H C 2 8 C 3 A C 3 S C 4 A F ‘ C A - S S D C 3 ( O H ) 2 C D S C 1 C S A C S F C - s t r C T C y c D F E q s F A F A - S S D L I S T O F A B B R E V I A T I O N S M e a n i n g p o u n d s p e r c u b i c y a r d a i r c o n t e n t a v e r a g e c h o r d i n t e r c e p t i n m i l l i m e t e r s A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e a i r v o i d c h o r d l e n g t h b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t a i r v o i d c h o r d l e n g t h b a s e d o n t o t a l a i r c o n t e n t a i r e n t r a i n i n g a g e n t a i r e n t r a i n i n g a g e n t t y p e 1 , D a r a v a i r a i r e n t r a i n i n g a g e n t t y p e 1 , M i c r o a i r A t t i o g b e m e a n s p a c i n g a d j u s t e d R s q u a r e A m e r i c a n S t a n d a r d s f o r T e s t i n g M a t e r i a l s a i r v o i d s b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t a i r v o i d s y s t e m a i r v o i d s b a s e d o n t o t a l a i r c o n t e n t b u l k s p e c i fi c g r a v i t y c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s d i c a l c i u m s i l i c a t e t r i c a l c i u m a l u m i n a t e t r i c a l c i u m s i l i c a t e t e t r a c a l c i u m a l u m i n o f e r r i t e c o a r s e a g g r e g a t e i n S S D c o n d i t i o n c a l c i u m h y d r o x i d e c r i t i c a l d e g r e e o f s a t u r a t i o n c l a s s C a n a d i a n S t a n d a r d s A s s o c i a t i o n c o n d e n s e d s i l i c a f u m e c o m p r e s s i v e S t r e n g t h c u r i n g t i m e c y c l e s d u r a b i l i t y F a c t o r e q u a t i o n s fl y a s h fi n e a g g r e g a t e i n S S D c o n d i t i o n x v i i u r n a c e s l a g n t e n t E n g i n e e r s S t a n d a r d t c n e i i o f t r l t y b i o e a y a d b a t l y a i r n C t i u i r s c l e v d t c d r i r t a s e y a u o e t p l e t u l a n n r i r y t r e n c u r i a t e t h r e b i d e - r m o e s d r e l c f u b i c n o g a w t c a i f n t c c a a e t e e n m w o w w n o o l o e r n t r g y c s e e e n r d h d z h z z e u a - e g n fi a b a i a - - e e u s i u e t e a e e n l t r n e t e r e m c m f f f f g h h h h r r r r r y a i a a l a o h i l i n e e e e a d r g r e p a n l x l d o i i o a J c c m m m m a a a a o e h o e l l a a a a a a u v n p p p p p p P e e t l t p p p l p r r r R s s s s s s e c s s s s r r i z c a a n s g n c m c c a n f i e e i i l i m e m a a l v v a i m f e c t t t n b o a m e e r d i d a c r t r g g g c t t t t t m z l o t t q - i d i i i d p e e l e o i i u l a a n n n fi t o o o o d i e e f n d h v f f f s d e e i h h e e n g p u r S t e e t r r r t r i l t t d d t o n e e i m e q r e n t a a a a c i l n m n r i i i c d y u n m e t r c v y r t c c r t t f n d i t e a a a u e r m a r r d d i r r r r m o y a i o o o o a e n t c o n t e n t o o n n t e o n t t a r l a a i i n r e c d o a n i t r e s b b a a s s c o n c e e r d d e t m o d u l u o o o a a a t t t n i i i i t c i n t t i d y o e n x s s s s s t v p u p p h o r e e e i f c c r d a i i m s c a fi fi e c c l p e a r u u s s s g r r r a m c t e e e e e i t m d b b r e d r a a i s s c t e u i f f v r l a a i a l c c m b b a a s s e e d ; o o y e e d d n n o o a n b a a l s d r e t n o t t a n n y e e t i n o t s o s d i a a l r t a r l a n n i i a e r n i . e r e n t r d c a o i n r t d a i c a o i n n n c n o t c n t o a e d e r t e t n i e t n e t n t r c o n t e n t A b b r e v i a t i o n F A C F M F T C F T D G G B F s l a g H - w a t e r H E A H R W R H T A J S C E S t a n d a r d k L - c h g m a x m i n m l / c y d m m 1 1 n m P P / A P / A - T P / A - E P C C P e r m P F P o z z R e c o m m R D M R S q S A I S E S F S F E A S F I ‘ A S l p S S S S D S S E S S T T G A V P M E A M e a n i n g x v i i i A b b r e v i a t i o n V P M M V P M T A W / C + P W / C W P S W R W t - c h g A o z u m M e a n i n g v o i d s p e r m i l l i m e t e r , v o i d s p e r m i l l i m e t e r b a s e d o n t o t a l a i r c o n t e n t w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o w a t e r - c e m e n t r a t i o w a t e r p o r e s y s t e m w a t e r - r e d u c e r c h a n g e i n w e i g h t a n g s t r o m s p e c i fi c s u r f a c e m i c r o n x i x C H A P T E R I I N T R O D U C T I O N 1 . 1 P r o b l e m S t a t e m e n t C o n c r e t e h a s b e e n w i d e l y u s e d a s a c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l s i n c e t h e R o m a n e r a a b o u t 2 0 0 0 y e a r s a g o [ 1 ] . W h i l e m a n y c o n c r e t e s t r u c t u r e s h a v e w i t h s t o o d t h e d i s r u p t i v e f o r c e s o f n a t u r e ( i n s o m e c a s e s f o r c e n t u r i e s ) , o t h e r s h a v e s h o w n s i g n s o f d e t e r i o r a t i o n a f t e r o n l y a f e w m o n t h s . O n e m a j o r s o u r c e o f p o o r d u r a b i l i t y i n c o n c r e t e w a s i d e n t i fi e d i n t h e e a r l y 1 9 3 0 3 : t h e d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e d u e t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g . M a n y s t u d i e s s i n c e t h e n h a v e v e r i fi e d t h a t c o n c r e t e i s s u s c e p t i b l e t o t h e p h e n o m e n o n o f f r o s t a c t i o n i n t h e p r e s e n c e o f m o i s t u r e [ 2 ] . T h e r e h a v e b e e n d r a m a t i c i m p r o v e m e n t s i n t h e p r o p e r t i e s a n d p e r f o r m a n c e o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e ( P C C ) o v e r p a s t d e c a d e s , p a r t i c u l a r l y w i t h r e s p e c t t o d u r a b i l i t y . T h e d i s c o v e r y o f t h e b e n e fi c i a l e f f e c t s o f a i r e n t r a i n m e n t f o l l o w e d b y t h e c o o p e r a t i v e r e s e a r c h e f f o r t s o f m a n y o r g a n i z a t i o n s fi n a l l y r e s u l t e d i n t h e e s t a b l i s h m e n t o f c u r r e n t 2 s p e c i fi c a t i o n s f o r p r o v i d i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . T h e s e s p e c i fi c a t i o n s a r e b a s e d p r i m a r i l y u p o n a i r c o n t e n t , s t r e n g t h , a n d a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c r e q u i r e m e n t s . T h e c r i t e r i a r e c o m m e n d e d b y A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ( A C 1 ) c o m m i t t e e s 2 0 1 , 2 1 1 , 2 1 2 , a n d 3 1 8 [ 3 , 4 , 5 , 6 ] a r e b e i n g u s e d i n t e r n a t i o n a l l y . H o w e v e r , i t h a s b e e n e s t a b l i s h e d t h a t t h e u s e o f d i f f e r e n t k i n d s o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t s ( A E A ) a f f e c t t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i n d i f f e r e n t w a y s , r e s u l t i n g i n t h e p r o d u c t i o n o f c o n c r e t e s r a n g i n g f r o m h i g h l y f r o s t - r e s i s t a n t t o t o t a l l y n o n - f r o s t — r e s i s t a n t , d e p e n d i n g o n t h e b u b b l e s i z e a n d s p a t i a l d i s t r i b u t i o n s a s w e l l a s t h e t o t a l v o l u m e o f a i r p r o d u c e d [ 7 ] . I t h a s a l s o b e e n d o c u m e n t e d t h a t , f o r n o r m a l s t r e n g t h c o n c r e t e , e a c h p e r c e n t i l e o f a i r e n t r a i n m e n t r e d u c e s t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e b y a b o u t 2 t o 1 0 p e r c e n t [ 8 , 9 . 1 0 , 1 1 ] . T h e d e v e l o p m e n t a n d u s e o f o t h e r t y p e s o f a d m i x t u r e s d u r i n g t h e p a s t f e w d e c a d e s h a v e a l s o r e v o l u t i o n i z e d t h e u s e o f c o n c r e t e i n m a n y w a y s . F o r e x a m p l e , t h e u s e o f w a t e r r e d u c e r s ( W R ) o r h i g h - r a n g e w a t e r r e d u c e r s ( H R W R ) , a l s o k n o w n . a s s u p e r p l a s t i c i z e r s , h a s n o w m a d e i t p o s s i b l e t o p r o d u c e w o r k a b l e c o n c r e t e w i t h e x t r e m e l y l o w w a t e r - t o - c e m e n t r a t i o s ( W / C ) , w h i c h w a s a l m o s t i m p o s s i b l e i n t h e p a s t [ 3 4 1 2 ] . T h e s e a d m i x t u r e s h a v e o f t e n p r o d u c e d f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e s w i t h h i g h e r S p a c i n g f a c t o r s t h a n a l l o w e d b y s t a n d a r d s p e c i fi c a t i o n s [ l 3 ] . T h e s t a b i l i t y o f t h e a i r v o i d s y s t e m o f t h e c o n c r e t e i n t h e p r e s e n c e o f s u p e r p l a s t i c i z e r s h a s a l s o b e e n q u e s t i o n e d a n d s p a c i n g f a c t o r s t w o t o t h r e e t i m e s h i g h e r t h a n t h o s e p r o d u c e d b y A E A h a v e b e e n o b s e r v e d i n t h e h a r d e n e d c o n c r e t e [ 1 4 ] . T h e p a r t i a l r e p l a c e m e n t o f t h e p o r t l a n d c e m e n t w i t h d i f f e r e n t t y p e s o f m i n e r a l a d m i x t u r e s , s u c h a s fl y a s h e s ( F A ) , g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g ( G G B F s l a g ) , — F — . _ . — — n u _ _ _ _ ‘ 2 . . A _ A ‘ 1 2 . - x . ' 5 . . . 3 a n d c o n d e n s e d s i l i c a f u m e ( C S F ) , i s a l s o b e c o m i n g m o r e c o m m o n . T h e s e m a t e r i a l s i m - p r o v e s o m e p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e a n d h a v e e c o n o m i c a n d e n v i r o n m e n t a l a d v a n t a g e s . T h e s e m i n e r a l a d m i x t u r e s , h a v e d i f f e r e n t o r i g i n s a n d d i f f e r e n t c h e m i c a l a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s , h a v e g r e a t p o t e n t i a l f o r a l t e r i n g t h e P C C a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s o f p e r m e a b i l i t y a n d p o r e s t r u c t u r e , w h i c h m a y g r e a t l y a f f e c t t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f t h e p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e [ 1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 ] . T y n e s [ 2 1 ] , M a l h o t r a [ 2 2 ] , W h i t i n g [ 2 3 ] a n d o t h e r s g e n e r a l l y a g r e e o n t h e e f f e c t s o f a d m i x t u r e s o n m a n y P C C p r o p e r t i e s . H o w e v e r , t h e r e i s c o n s i d e r a b l e d i s a g r e e m e n t c o n c e r n i n g t h e i r e f f e c t s o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . F u r t h e r m o r e , t h e r e a r e n o s e p a r a t e s p e c i fi c a t i o n s f o r t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e m a d e w i t h c h e m i c a l a n d / o r m i n e r a l a d m i x t u r e s ; t h e s p e c i fi c a t i o n s t h a t h a v e b e e n p r e p a r e d f o r n o r m a l c o n c r e t e w i t h A E A a r e e x p e c t e d t o a p p l y t o a l l c o n c r e t e s w i t h o u t d i s t i n c t i o n , w h i c h m a y o r m a y n o t b e t r u e . T h e f r o s t r e s i s t a n c e p r o p e r t i e s o f P C C p r o d u c e d u s i n g v a r i o u s k i n d s o f a d m i x t u r e s m u s t b e u s e d t o e v a l u a t e e x i s t i n g c r i t e r i a f o r t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e b e c a u s e t h e s e c r i t e r i a m a y o r m a y n o t b e g e n e r a l l y a p p l i c a b l e t o t o d a y ’ s m a t e r i a l s . T h e c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e a d m i x t u r e s , t o g e t h e r w i t h t h e fi n e p a r t i c l e s i z e a n d p o z z o l a n i c a n d c e m e n t i t i o u s p r o p e r t i e s o f t h e p o z z o l a n s , g r e a t l y a f f e c t t h e p o r e s t r u c - t u r e a n d t h e a i r v o i d s y s t e m o f t h e c o n c r e t e , a n d t h u s , t h e c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e . T h e s e f a c t o r s h a v e n o t y e t b e e n t h o r o u g h l y e v a l u a t e d i n t h e c o n t e x t o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e a n d i t s r e l a t i o n s h i p t o t h e a i r v o i d a n d w a t e r p o r e s y s t e m p a r a m e t e r s . G i v e n t h e a b o v e , t h e r e i s a n e e d t o e v a l u a t e a n d s t u d y t h e e f f e c t s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s o n t h e a i r v o i d s y s t e m , w a t e r p o r e s y s t e m , a n d f r o s t r e s i s t a n c e o f 4 p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s . C r i t e r i a f o r t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t P C C m u s t a l s o b e i m p r o v e d . 1 . 2 O b j e c t i v e T h e o v e r a l l o b j e c t i v e o f t h e s t u d y h e r e i s t o a d v a n c e t h e s t a t e o f t h e k n o w l e d g e o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e , a n d s t u d y t h e e f f e c t s o f v a r i o u s t y p e s o f c h e m i c a l a n d p o z z o l a n i c a d m i x t u r e s o n t h e d u r a b i l i t y o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e e x p o s e d t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g . T h e S p e c i fi c o b j e c t i v e o f t h e e x p e r i m e n t i n t h i s s t u d y i s t o d e t e r m i n e q u a l i t a t i v e l y a n d q u a n t i t a t i v e l y t h e e f f e c t s o f v a r i o u s k i n d s o f a d m i x t u r e s o n t h e a i r v o i d p a r a m e t e r s a n d f r o s t r e s i s t a n c e o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e p r o d u c e d a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t , a n d t o s u g g e s t m o d i fi c a t i o n s , i f a n y , t o t h e e x i s t i n g s p e c i fi c a t i o n s / g u i d e l i n e s f o r t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . 1 . 3 R e s e a r c h A p p r o a c h A t w o - p h a s e a p p r o a c h w a s a d o p t e d f o r t h i s s t u d y . P h a s e I o f t h e r e s e a r c h w a s t o c o n d u c t a n e x t e n s i v e l i t e r a t u r e r e v i e w t o i d e n t i f y t h e r e s e a r c h n e e d s w i t h r e s p e c t t o t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e m a d e w i t h d i f f e r e n t k i n d s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s . P h a s e I I o f t h e w o r k w a s t o d e v e l o p a n d c o n d u c t a t e s t p r o g r a m i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s o f a d m i x t u r e s , w a t e r - t o - c e m e n t / c e m e n t i t i o u s r a t i o s ( W / C + P ) , a n d c u r i n g t i m e o n t h e a i r v o i d s y s t e m a n d t h e — . , . , ' ~ . . . . ~ . . . . . . . . — . 5 . - A I ~ _ . , - - - . 5 f r o s t r e s i s t a n c e o f P C C . V a r i o u s a i r v o i d p a r a m e t e r s w e r e m e a s u r e d f o r e a c h m i x d e s i g n , a n d t e s t s w e r e c o n d u c t e d t o d e t e r m i n e d i f f e r e n t f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y m e a s u r e s . A c o m p u t e r p r o g r a m d e v e l o p e d a t t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n w a s r u n o n d a t a e x t r a c t e d f r o m l i n e a r t r a v e r s e t e s t s t o d e t e r m i n e v a r i o u s a i r v o i d p a r a m e t e r s f o r t h e h a r d e n e d c o n c r e t e , a n d a s t a t i s t i c a l a n a l y s i s p a c k a g e w a s u s e d t o i d e n t i f y a n d q u a n t i f y r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e d e s i g n a n d p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s . 1 . 4 S c o p e M a n y t y p e s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s a r e a v a i l a b l e i n t o d a y ’ s m a r k e t . I t w o u l d b e a l m o s t i m p o s s i b l e t o t e s t a l l o f t h e s e a d m i x t u r e s h e r e b e c a u s e o f t i m e a n d e c o n o m i c c o n s t r a i n t s . T h u s , t h e v a r i a b l e s s e l e c t e d f o r u s e a r e r e p r e s e n t a t i v e o f t h e a d m i x t u r e s a n d t h e c o n d i t i o n s m o s t c o m m o n l y u s e d a n d e n c o u n t e r e d i n t h e p r o d u c t i o n o f i m p r o v e d P C C . F u r t h e r m o r e , t h e s e v a r i a b l e s w e r e o n l y t e s t e d a t l e v e l s t h a t r e p r e s e n t t h e c u r r e n t r a n g e o f p r a c t i c e . T w o t y p e s o f A B A a n d W R / s u p e r p l a s t i c i z e r s a n d f o u r k i n d s o f p o z z o l a n s ( c l a s s F a n d C fl y a s h , C S F , a n d G G B F s l a g ) w e r e s e l e c t e d f o r t h e r e s e a r c h . C u r i n g p e r i o d s o f 2 8 a n d 5 6 d a y s a n d W / ( C + P ) o f 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 w e r e s e l e c t e d t o b e t e s t e d a s n o n m a t e r i a l f a c t o r s . T h e p r e l i m i n a r y t e s t i n g w a s d o n e o n t h r e e l e v e l s o f a i r c o n t e n t a n d t h r e e l e v e l s o f w a t e r - t o - c e m e n t r a t i o . I n m o s t o f t h e c a s e s , t h e t e s t v a r i a b l e s w e r e k e p t a t t w o l e v e l s f o r t h e r e a s o n s m e n t i o n e d a b o v e ; t h u s , a f u l l f a c t o r i a l m a t r i x d e s i g n w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e m a i n a n d i n t e r a c t i o n e f f e c t s . fi r A , m & . 4 r w ‘ . ~ , ~ ; * 4 ‘ C H A P T E R I I B A C K G R O U N D 2 . 1 F r e e z e - t h a w D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e C u r r e n t d e s i g n e r s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n t e m p e r a t e r e g i o n s a r e c o n s c i o u s o f t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e w h o s e p e r f o r m a n c e i s a f f e c t e d b y t h e d e v e l o p m e n t a n d i n c r e a s e d u s e o f d i f f e r e n t k i n d s o f a d m i x t u r e s . T o d a y , t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e i s d e fi n e d a s i t s a b i l i t y t o r e s i s t w e a t h e r i n g a c t i o n , c h e m i c a l a t t a c k , a b r a s i o n , o r a n y o t h e r p r o c e s s o f d e t e r i o r a t i o n [ 2 4 ] . A d u r a b l e c o n c r e t e i s e x p e c t e d t o b o t h r e t a i n i t s s h a p e a n d q u a l i t y , a n d r e n d e r i t s i n t e n d e d s e r v i c e f o r t h e d e s i g n p e r i o d . T h e r e s e a r c h w o r k o f t h e p a s t f e w d e c a d e s h a s s h o w n t h a t f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y i s a p r o b l e m f o r t e m p e r a t e r e g i o n s w h e r e s t r u c t u r e s a r e e x p o s e d t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g i n t h e p r e s e n c e o f m o i s t u r e . T h e d a m a g e c a u s e d b y f r e e z i n g a n d t h a w i n g i s c o n s i d e r e d s e r i o u s s i n c e i t s u b s t a n t i a l l y r e d u c e s t h e l i f e o f s t r u c t u r e s . T h e d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e i s n o r m a l l y i n d i c a t e d b y s c a l i n g , s p a l l i n g , p o p o u t s , D - c r a c k i n g 6 7 ( d e t e r i o r a t i o n l i n e c r a c k i n g ) , a n d e x t e n s i v e c r a z i n g . T h i s d a m a g e c a n b e i n c r e a s e d b y t h e u s e o f d e i c i n g c h e m i c a l s ( s a l t s ) , w h i c h a r e c o m m o n l y e m p l o y e d f o r t h e r e m o v a l a n d p r e v e n t i o n o f i c e f o r m a t i o n . T h e m a i n t e n a n c e a n d r e c o n s t r u c t i o n o f l o w - d u r a b i l i t y c o n c r e t e s t r u c t u r e s c a n c o n s u m e h u g e a m o u n t s o f e f f o r t , t i m e , a n d m o n e y . H o w e v e r , d u r a b i l i t y p r o b l e m s c a n b e c o n s i d e r a b l y r e d u c e d o r e l i m i n a t e d t h r o u g h t h e u s e o f s o u n d m a t e r i a l s a n d p r o p e r m i x d e s i g n s . E x t e n s i v e r e s e a r c h h a s s h o w n t h a t c o n c r e t e m a d e w i t h g o o d q u a l i t y a g g r e g a t e s , l o w w a t e r ~ c e m e n t r a t i o , a n d a p r o p e r a i r v o i d s y s t e m i s l i k e l y t o b e h i g h l y r e s i s t a n t t o f r o s t a c t i o n i f i t i s a l l o w e d t o r e a c h m a t u r i t y b e f o r e e x p o s u r e t o a g g r e s s i v e e n v i r o n m e n t s [ 2 5 ] . T h e f r o s t r e s i s t a n c e o f p o z z o l a n i c c o n c r e t e d e p e n d s o n t h e a d e q u a c y o f t h e a i r v o i d s y s t e m , t h e s o u n d n e s s o f t h e a g g r e g a t e , a g e , t h e d e g r e e o f h y d r a t i o n ( m a t u r i t y ) , t h e s t r e n g t h o f t h e c e m e n t p a s t e , a n d t h e m o i s t u r e c o n d i t i o n o f t h e c o n c r e t e [ 2 6 ] . F r o s t r e s i s t a n c e w i l l b e f u r t h e r d i s c u s s e d i n t h e n e x t c h a p t e r . A g g r e g a t e i s g e n e r a l l y t r e a t e d a s a fi l l e r i n c o n c r e t e , b u t i t o f t e n p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n c o n c r e t e d u r a b i l i t y . A g g r e g a t e s f r o m d i f f e r e n t s o u r c e s w i t h d i f f e r e n t c h e m i c a l c o m p o s i t i o n s a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s e x h i b i t v a r y i n g p r o p e r t i e s . O n l y a f e w w i t h l o w a b s o r p t i o n , a d e q u a t e p o r e s t r u c t u r e , a n d a g o o d f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y r e c o r d c a n p r o v i d e a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . T h e u s e o f g o o d q u a l i t y , f r o s t - r e s i s t a n t a g g r e g a t e s c o n s t r a i n s p o t e n t i a l f r e e z e - t h a w p r o b l e m s t o t h e p a s t e f r a c t i o n o f t h e c o n c r e t e . 2 . 2 F r e e z i n g a n d T h a w i n g o f P C C 2 . 2 . 1 G e n e r a l T h e d e t e r i o r a t i o n o f h a r d e n e d c e m e n t p a s t e c a n b e r e l a t e d t o t h e c o m b i n e d e f f e c t s o f t h e c o m p l e x m i c r o s t r u c t u r e o f t h e m a t e r i a l s f r o m w h i c h c o n c r e t e i s m a d e a n d t h e s p e c i fi c e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s t o w h i c h c o n c r e t e i s e x p o s e d . T h u s , c o n c r e t e t h a t i s f r o s t - r e s i s t a n t u n d e r o n e s e t o f c o n d i t i o n s m a y n o t b e d u r a b l e u n d e r a n o t h e r s e t o f e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s . F o r e x a m p l e , a w e l l - d e s i g n e d c o n c r e t e s t r u c t u r e c a s t w i t h o u t a i r e n t r a i n m e n t m a y l a s t a l o n g t i m e i n T e x a s ; t h e s a m e m i x w i l l p r o b a b l y s h o w s i g n s o f d e t e r i o r a t i o n m u c h e a r l i e r i n M i c h i g a n , w h e r e i t w o u l d e x p e r i e n c e r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g . T h e o r i g i n a l h y p o t h e s i s e x p l a i n i n g t h e m e c h a n i s m o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g w a s a d v a n c e d b y P o w e r s i n 1 9 4 5 A [ 2 7 ] . H e a n d h i s c o l l e a g u e s f u r t h e r i m p r o v e d u p o n t h i s w o r k i n l a t e r y e a r s [ 2 8 ] . A l t h o u g h o t h e r t h e o r i e s h a v e b e e n p r e s e n t e d , a l l r e s e a r c h e r s b e l i e v e t h a t d a m a g e d u e t o f r o s t a c t i o n t a k e s p l a c e w h e n t h e c o n c r e t e i s f r o z e n a t o r a b o v e s o m e c r i t i c a l l e v e l o f s a t u r a t i o n . T h e r e f o r e , i t i s u s e f u l t o d i s c u s s t h e c o n c e p t o f c r i t i c a l s a t u r a t i o n b e f o r e d i s c u s s i n g t h e o r i e s r e l a t i n g t o t h e m e c h a n i s m s o f f r e e z e - t h a w d a m a g e . l ‘ i 2 . 2 . 2 C r i t i c a l S a t u r a t i o n T h e t h e o r y o f c r i t i c a l s a t u r a t i o n w a s fi r s t p r e s e n t e d b y H i r s c h w a l t i n 1 9 1 0 [ 2 9 ] . S i n c e w a t e r e x p a n d s b y o n e - t e n t h o f i t s v o l u m e i n c h a n g i n g t o i c e , w h e n t h e p o r e s o f r o c k o r s i m i l a r m a t e r i a l a r e u n i f o r m l y fi l l e d w i t h w a t e r t o n i n e - t e n t h s O f t h e i r c a p a c i t y o r l e s s , f r e e z i n g m a y c o m p l e t e t h e fi l l i n g o f t h e p o r e s w i t h o u t c r e a t i n g a d d i t i o n a l p r e s s u r e , a n d t h e r o c k r e m a i n s u n c h a n g e d b y f r o s t a c t i o n . W h e n t h e s a t u r a t i o n i s c a r r i e d b e y o n d n i n e - t e n t h s o f t h e a v a i l a b l e p o r e v o l u m e , t h e i c e h a s i n s u f fi c i e n t r o o m f o r e x p a n s i o n a n d p r o d u c e s c r a c k s . T h i s t h e o r y w a s f u r t h e r c o n fi r m e d b y C a r d o n [ 3 0 ] , w h o e x p l a i n e d t h a t o n e c u b i c c e n t i m e t e r ( c c ) o f w a t e r o c c u p i e s a b o u t 1 . 0 9 c c o f s p a c e a f t e r f r e e z i n g a n d a n y v o i d i n t h e a g g r e g a t e o r c e m e n t p a s t e w h i c h i s m o r e t h a n 9 1 p e r c e n t f u l l o f w a t e r w i l l b e s u b j e c t e d t o p r e s s u r e s w h e n f r e e z i n g w a t e r f o r m s i n t o i c e , u n l e s s t h e e x c e s s w a t e r c a n b e f o r c e d f r o m t h e v o i d d u r i n g f r e e z i n g . T h u s , c o n c r e t e d e t e r i o r a t e s v e r y r a p i d l y w i t h r e p e a t e d f r e e z i n g a n d t h a w i n g , i f i t i s f u l l y s a t u r a t e d [ 3 1 ] . B e f o r e f u r t h e r d i s c u s s i o n o f t h e m e c h a n i s m s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g d a m a g e , i t i s i m p o r t a n t t o u n d e r s t a n d t h e w a t e r p o r e s t r u c t u r e o f t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e , w h i c h p l a y s a k e y r o l e i n d e t e r m i n i n g t h e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e e x p o s e d t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d d r a w i n g . — — — — — — - - , , _ _ - 1 « e n - d e w . . - — . — . . - - - 1 0 2 . 2 . 3 W a t e r P o r e S t r u c t u r e o f H y d r a t e d C e m e n t P a s t e n e r a l A k n o w l e d g e o f t h e m i c r o s t r u c t u r e o f p o r t l a n d c e m e n t p a s t e a n d t h e r o l e s p l a y e d b y v a r i o u s k i n d s o f p o r e s i s e s s e n t i a l t o t h e b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e f r e e z i n g a n d t h a w i n g m e c h a n i s m . T h e d i s c u s s i o n b e l o w i s b a s e d p r i m a r i l y o n t h e e x p l a n a t i o n s o f B r u n e a u e r [ 3 2 ] , C o p e l a n d a n d S c h u l z [ 3 3 ] , B r u n a u e r a n d C o p e l a n d [ 3 4 ] , M e h t a [ 2 ] , a n d C o r d o n [ 3 0 ] . S t r u c t u r e o f t h e H y d r a t e d C e m e n t P a s t e A n h y d r o u s p o r t l a n d c e m e n t i s p r o d u c e d b y p u l v e r i z i n g c l i n k e r ( a p r o d u c t o f h i g h t e m p e r a t u r e r e a c t i o n s b e t w e e n c a l c i u m o x i d e , s i l i c a , a l u m i n a , a n d i r o n o x i d e ) w i t h a s m a l l a m o u n t o f c a l c i u m s u l f a t e . I n o r d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t , t h e a m o u n t s o f t h e p r i n c i p a l c l i n k e r m i n e r a l s a r e t y p i c a l l y 4 0 t o 6 0 p e r c e n t C 3 8 ( t r i c a l c i u m s i l i c a t e ) , 1 5 t o 3 0 p e r c e n t C 2 8 ( d i c a l c i u m s i l i c a t e ) , 6 t o 1 2 p e r c e n t C 3 A ( t r i c a l c i u m a l u m i n a t e , a n d 6 t o 8 p e r c e n t C 4 A F ( t e t r a c a l c i u m a l u m i n o f e r r i t e , w h e r e C = C a O , S = S i O z , A = A 1 2 0 3 , F = F e Z O 3 , S = S O _ , , a n d H = H Z O ) . T h e t w o c a l c i u m s i l i c a t e s c o m p r i s e a b o u t 7 5 p e r c e n t o f t h e p o r t l a n d c e m e n t b y w e i g h t . M e h t a [ 2 ] d e s c r i b e s i n d e t a i l t h e t y p e s , a m o u n t s , a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f o u r p r i n c i p a l s o l i d p h a s e s o f h y d r a t e d p o r t l a n d c e m e n t , a s r e s o l v e d b y t h e e l e c t r o n m i c r o s c o p e : ( 1 ) c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s ( C - S - l - I ) ; ( 2 ) c a l c i u m h y d r o x i d e { C a ( O H ) 2 } ; ( 3 ) 1 1 c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e s ; a n d ( 4 ) u n h y d r a t e d c l i n k e r g r a i n s . I n t h e h y d r a t i o n r e a c t i o n , t h e t w o s i l i c a t e s p r o d u c e s i m i l a r c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s a n d d i f f e r e n t a m o u n t s o f c a l c i u m h y d r o x i d e . B e c a u s e o f t h e r e s e m b l a n c e o f C - S - H t o t h e n a t u r a l m i n e r a l t o b e r m o r i t e ; i t i s s o m e t i m e s c a l l e d " t o b e r m o r i t e g e l . " T h i s g e l i s t h e m o s t i m p o r t a n t c o n s t i t u e n t o f h a r d e n e d p o r t l a n d c e m e n t p a s t e a n d , a s s u c h , o f t h e c o n c r e t e , a s w e l l . T h i s g e l p l a y s a k e y r o l e i n d e t e r m i n i n g t h e r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f t h e f r e s h c o n c r e t e . T o b e r m o r i t e g e l a l s o p l a y s a v i t a l r o l e p a s t e i n s e t t i n g a n d h a r d e n i n g , a n d i s i m p o r t a n t i n d e t e r m i n i n g t h e s t r e n g t h a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y o f t h e h a r d e n e d p a s t e a n d c o n c r e t e . T h e e x a c t s t r u c t u r e o f C - S - H i s n o t y e t k n o w n , b u t s e v e r a l m o d e l s h a v e b e e n p r o p o s e d t o e x p l a i n t h e p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l . A c c o r d i n g t o t h e m o d e l s o f P o w e r s [ 3 5 ] a n d B r u n a u e r [ 3 2 ] , t h e m a t e r i a l h a s a l a y e r e d s t r u c t u r e w i t h a v e r y h i g h s u r f a c e a r e a ( o n t h e o r d e r o f 1 0 0 t o 7 0 0 m 2 / g , d e p e n d i n g o n t h e t e c h n i q u e o f m e a s u r e m e n t ) . T h e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l i s m a i n l y a t t r i b u t e d t o v a n d e r W a a l s f o r c e s , s i n c e t h e s i z e o f t h e g e l p o r e s o r t h e s o l i d t o s o l i d d i s t a n c e i s t y p i c a l l y a b o u t 1 8 A . T h e C - S - H s t r u c t u r e h a s b e e n v i s u a l i z e d b y t h e F e l d m a n — S e r e d a m o d e l [ 3 6 ] a s b e i n g c o m p o s e d o f a n i r r e g u l a r o r k i n k e d a r r a y o f l a y e r s t h a t a r e r a n d o m l y a r r a n g e d t o c r e a t e i n t e r s p a c e s o f d i f f e r e n t s h a p e s a n d s i z e s ( 5 t o 2 5 A ) . I n c o n t r a s t t o C - S — H , c a l c i u m h y d r o x i d e i s a c o m p o u n d w i t h a d i s t i n c t i v e h e x a g o n a l p r i s m m o r p h o l o g y , w h i c h v a r i e s f r o m n o n d e s c r i p t t o s t a c k s o f l a r g e p l a t e s a n d i s a f f e c t e d b y t h e a v a i l a b l e s p a c e , t e m p e r a t u r e o f h y d r o g e n , a n d i m p u r i t i e s p r e s e n t i n t h e s y s t e m . T h e s t r e n g t h c o n t r i b u t i o n p o t e n t i a l o f C a ( O H ) 2 d u e t o v a n d e r W a a l s f o r c e s i s l i m i t e d a s a r e s u l t o f i t s c o n s i d e r a b l y l o w e r s u r f a c e a r e a . F u r t h e r m o r e , t h e p r e s e n c e o f e x c e s s c a l c i u m h y d r o x i d e i n t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e h a s a n a d v e r s e e f f e c t o n c h e m i c a l 1 2 d u r a b i l i t y t o a c i d i c s o l u t i o n s d u e t o i t s h i g h e r s o l u b i l i t y t h a n C - S - H . T y p e s o f P o r e s / V o i d s I n a d d i t i o n t o s o l i d p h a s e s , t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e a l s o c o n t a i n s v a r i o u s k i n d s o f v o i d s t h a t h a v e a n i m p o r t a n t i n fl u e n c e o n t h e p r o p e r t i e s o f t h e c e m e n t p a s t e a n d t h e c o n c r e t e . T h e t y p i c a l s i z e s o f t h e s e s o l i d p h a s e s a n d t h e v o i d s a r e d i a g r a m m a t i c a l l y e x p l a i n e d b y M e h t a [ 2 ] i n a v e r y c o m p r e h e n s i v e m a n n e r ( fi g u r e 2 . 1 ) . P o w e r s a n d h i s c o l l e a g u e s [ 3 7 ] w e r e t h e fi r s t t o s h o w t h e t w o p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c e m e n t p a s t e , s u r f a c e a r e a a n d p o r o s i t y , w h i c h a r e i n s t r u m e n t a l i n d e t e r m i n i n g t h e t w o m o s t i m p o r t a n t e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s , s t r e n g t h a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y . I n e v i t a b l y , t h e r e a r e t i n y p o r e s o f m o l e c u l a r d i m e n s i o n s b e t w e e n p a r t i c l e s o f t o b e r m o r i t e g e l a n d s o m e w h a t l a r g e r p o r e s b e t w e e n a g g r e g a t i o n s o f g e l p a r t i c l e s . T h e f o r m e r a r e k n o w n a s g e l p o r e s , w h i l e t h e l a t t e r a r e c a l l e d c a p i l l a r y p o r e s . T h e v a r i o u s t y p e s o f v o i d s a n d t h e i r s i g n i fi c a n c e a r e d i s c u s s e d b e l o w . ( 1 ) G e l p o r e s . T h e s e a r e t h e i n t e r s t i t i a l c a v i t i e s b e t w e e n t h e p a r t i c l e s o f t o b e r m o r i t e a n d o t h e r c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s . T h e y a r e a l s o k n o w n a s i n t e r l a y e r s p a c e s w i t h i n t h e C - S - H s t r u c t u r e . P o w e r s a s s u m e d g e l p o r e s t o b e 1 8 A , w h e r e a s F e l d m a n a n d S e r e d a s u g g e s t e d t h e y v a r y f r O m 5 t o 2 5 A . T h e s e p o r e s a r e t o o s m a l l t o h a v e a n a d v e r s e e f f e c t o n t h e s t r e n g t h o r p e r m e a b i l i t y o f t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e . H o w e v e r , s i n c e w a t e r i n t h e s e p o r e s i s h e l d b y h y d r o g e n b o n d i n g , i t s r e m o v a l u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s m a y c o n - t r i b u t e t o d r y i n g s h r i n k a g e o r c r e e p [ 2 ] . d i o v r i a d e p p a r t n E s e l b b u b r i a m m n m 0 ' 0 1 1 . ] 2 [ m m n m ' e i 0 t l s a p t n e O m d e ) n E O i o r t n E e t f a o f l u s s m m c e p n O ' O O l l m p d e t a r d y h n i s 0 e 1 r o p . d l s n a t w e a f e s o t y s l r a o l c i n t s c p o r d r o l a , n ) o H i a t p a g H i l o e r - s g S O g a x c ( e a n H G i g - A C s d i o v y r o l l f o e g n a r e m l m O a a m n I o i s n e m i D n . v p m l n 1 . 0 O 2 . l 0 e n e r e s u w t t e e e b h s g n H i - c a S g i F m p p ' & s C m l ) n “ l . 0 l p m 1 0 0 0 n m l O ‘ n m X M a x . s p a c i n g o f e n t r a i n e d a i r f o r d u r a b i l i t y t o f r o s t 1 3 l 4 ( 2 ) C a p i l l a r y p o r e s . T h e s e a r e a l s o k n o w n a s c a p i l l a r y c a v i t i e s / v o i d s . T h e s e a r e t h e u n fi l l e d , i r r e g u l a r l y s h a p e d s p a c e s b e t w e e n t h e a g g r e g a t i o n s o f g e l p a r t i c l e s i n t h e s o l i d c o m p o n e n t o f h y d r a t e d c e m e n t p h a s e . T h e y a r e f o r m e d b y w a t e r i n e x c e s s o f t h a t r e q u i r e d f o r t h e h y d r a t i o n o f t h e p o r t l a n d c e m e n t . I t h a s b e e n s h o w n e x p e r i m e n t a l l y b y P o w e r s [ 3 7 ] t h a t h i g h e r w a t e r - c e m e n t r a t i o s l e a d t o m o r e a n d l a r g e r c a p i l l a r y p o r e s . S i n c e t h e t o t a l a m o u n t o f t h e h y d r a t i o n p r o d u c t r e m a i n s c o n s t a n t f o r a g i v e n a m o u n t O f c e m e n t , t h e i n c r e a s e i n v o l u m e p a s t e c o n t e n t i s d u e t o t h e c a p i l l a r y p o r e s , w h i c h d e t e r m i n e s t h e p o r o s i t y o f t h e c e m e n t p a s t e . T y p i c a l p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n p l o t s f o r d i f - f e r e n t h y d r a t e d c e m e n t p a s t e s f o u n d b y M e h t a a n d M a n m o h a n [ 3 8 ] a r e s h o w n i n fi g u r e 2 . 2 . I t c a n b e s e e n t h a t t h e s i z e o f p o r e s r e d u c e s w i t h d e c r e a s e i n w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d i n c r e a s e i n h y d r a t i o n p e r i o d . T h e s i z e a n d n u m b e r o f c a p i l l a r y p o r e s d e p e n d o n t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d t h e d e g r e e o f h y d r a t i o n . T h e c a p i l l a r y p o r e s v a r y i n s i z e f r o m 0 . 0 1 - 0 . 0 5 p m f o r w e l l - h y d r a t e d c e m e n t p a s t e s w i t h l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o s , a n d a r e g e n e r a l l y 3 - 5 u m a t e a r l y s t a g e s o f t h e h y d r a t i o n r e a c t i o n [ 2 ] . C a p i l l a r y p o r e s s m a l l e r t h a n 5 0 n m a r e i m p o r t a n t w i t h r e s p e c t t o s h r i n k a g e a n d c r e e p w h e r e a s p o r e s l a r g e r t h a n 5 0 n m a r e c o n s i d e r e d h a r m f u l t o s t r e n g t h a n d i m p e r m e a b i l i t y . ( 3 ) A i r v o i d s . T h e r e a r e t w o k i n d s o f a i r v o i d s i n p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e : e n t r a p p e d a n d e n t r a i n e d . O n e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o i s t h a t e n t r a p p e d a i r v o i d s a r e u n i n t e n t i a - l l y i n c l u d e d i n t h e c e m e n t p a s t e d u r i n g t h e m i x i n g p r o c e s s , w h e r e a s e n t r a i n e d a i r v o i d s a r e p u r p o s e l y i n t r o d u c e d i n t h e c e m e n t p a s t e w i t h t h e h e l p o f a n A E A t o p r o t e c t t h e c o n c r e t e f r o m f r o s t a c t i o n . E n t r a p p e d . a i r v o i d s a r e u s u a l l y l a r g e r t h a n 1 m m ( s o m e r e s e a r c h e r s a g r e e t h e y a r e g r e a t e r t h a n 3 m m ) w h i l e e n t r a i n e d a i r v o i d s g e n e r a l l y r a n g e ) q / c Q 3 ) J ( C ) ‘ O C U c ( e m u l o V T ‘ H ) ) T C A ‘ O I ' v O I ' ) ‘ ( - 1 O ‘ H O P ’ r : “ 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 ) 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 : . 6 3 . 3 0 5 O 3 2 O . 0 I 0 0 3 0 ' I ' 1 # ) 9 1 C C ( e m u l o V n o i t a r t e n e P - ~ L b w [ 0 O 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 O 5 0 0 0 0 0 0 0 0 . 4 S 2 0 3 ( 0 0 0 5 ' 0 0 I C O 0 0 0 I 0 . . 0 O 6 0 ‘ 3 2 F i g u r e 2 . 2 . P a r e s r z e d i s t r i b u t i o n i n h y d r a t e d c e m e n t p a s t e [ 3 8 ] . P o m D i a m e t e r A ( D A ) . 0 C ) L u C ) a . C ) L ! 6 0 0 3 0 0 1 V l 1 r O 9 0 D a y s A l Y e a ! O 2 8 D a y s 1 0 . 7 w / c C ) 2 0 0 0 C 0 0 3 0 0 4 0 0 P o r e D i a m e t e r A 3 0 0 8 0 0 ‘ 9 C ) L u ( 3 ( D C ) ‘ 0 l I 0 . 8 . 0 r 1 — 4 v . 0 7 O 0 3 1 / : 5 0 4 ( D U T 1 2 8 D a y s 1 5 ‘ c ‘ — _ F . _ . . . . . - # 7 1 6 f r o m 5 0 t o 2 0 0 p m . T h u s , b o t h t y p e s o f a i r v o i d s a r e m u c h b i g g e r t h a n t h e c a p i l l a r y p o r e s a n d a r e c a p a b l e o f a d v e r s e l y a f f e c t i n g t h e s t r e n g t h a n d i m p e r m e a b i l i t y o f t h e c e m e n t p a s t e O I ' c o n c r e t e . W a t e r i n t h e H y d r a t e d C e m e n t P a s t e W a t e r i n t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e e x i s t s i n m a n y f o r m s a n d i t s c l a s s i fi c a t i o n i s u s u a l l y b a s e d u p o n t h e d e g r e e o f d i f fi c u l t y a s s o c i a t e d w i t h i t s r e m o v a l . A s t h e r e i s a c o n t i n u o u s l o s s o f w a t e r f r o m a s a t u r a t e d c e m e n t p a s t e i n c o n d i t i o n s o f l o w r e l a t i v e h u m i d i t y ( R H ) , t h e d i v i d i n g l i n e b e t w e e n t h e d i f f e r e n t m o i s t u r e c l a s s i fi c a t i o n s i s n o t r i g i d . T h e d i f f e r e n t c l a s s i fi c a t i o n s a r e d e fi n e d a n d d i s c u s s e d b e l o w : ( 1 ) C a p i l l a r y w a t e r . W a t e r i n c a p i l l a r y p o r e s i s c o n s i d e r e d " b u l k w a t e r " a n d i s n o t i n fl u e n c e d b y t h e a t t r a c t i v e f o r c e s e x e r t e d b y t h e s o l i d s u r f a c e . F r o m a b e h a v i o r a l p o i n t o f V i e w , w a t e r i n c a p i l l a r y p o r e s t h a t a r e g r e a t e r t h a n 5 0 n m i n d i a m e t e r i s c o n s i d e r e d " f r e e w a t e r " b e c a u s e i t s r e m o v a l d o e s n o t c a u s e a n y v o l u m e c h a n g e s . T h e r e m o v a l o f w a t e r f r o m s m a l l e r c a p i l l a r i e s ( i . e . , l e s s t h a n 5 0 n m i n d i a m e t e r ) c a n c a u s e s h r i n k a g e . ( 2 ) A d s o r b e d w a t e r . T h i s w a t e r i s c l o s e r t o t h e s o l i d s u r f a c e t h a n c a p i l l a r y w a t e r . U n d e r t h e i n fl u e n c e o f t h e a t t r a c t i v e f o r c e s , t h e w a t e r m o l e c u l e s a r e p h y s i c a l l y a d s o r b e d o n t o t h e s u r f a c e o f t h e s o l i d s . I t i s t h o u g h t t h a t u p t o s i x m o l e c u l a r l a y e r s o f w a t e r ( 1 5 A ) c a n b e p h y s i c a l l y h e l d w i t h h y d r o g e n b o n d i n g . A m a j o r p o r t i o n o f t h e a d s o r b e d w a t e r c a n b e l o s t b y d r y i n g t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e t o 3 0 p e r c e n t r e l a t i v e h u m i d i t y . I t s l o s s i s “ u h - l l " 1 7 m a i n l y r e s p o n s i b l e f o r d r y i n g s h r i n k a g e . ( 3 ) I n t e r l a y e r w a t e r . T h i s i s t h e n o n m o l e c u l a r l a y e r o f w a t e r b e t w e e n t h e C - S - H l a y e r s . T h i s ‘ w a t e r i s h e l d s t r o n g l y b y h y d r o g e n b o n d i n g , a n d t h u s t h e b o n d c a n o n l y b e l o s t u n d e r e x t r e m e d r y i n g c o n d i t i o n s ( b e l o w 1 1 % R H ) . C o n s i d e r a b l e s h r i n k a g e r e s u l t s f r o m t h e r e m o v a l o f i n t e r l a y e r w a t e r . ( 4 ) C h e m i c a l l y c o m b i n e d w a t e r . T h i s w a t e r i s a n i n t e g r a l p a r t o f t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e . T h i s w a t e r i s l o s t o n l y u n d e r e x t r e m e h e a t i n g c o n d i t i o n s w h e n t h e h y d r a t e s d e c o m p o s e . I t i s b a s i c a l l y c o n s i d e r e d p a r t o f t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e s o l i d s . 2 . 2 . 4 F r e e z e - T h a w D a m a g e T h e o r i e s H y d r a u l i c P r e s s u r e T h e o g y P o w e r s fi r s t a d v a n c e d t h e " h y d r a u l i c p r e s s u r e t h e o r y " h y p o t h e s i s i n 1 9 4 5 t o e x p l a i n t h e m e c h a n i s m b y w h i c h d a m a g e d u e t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g w o u l d t a k e p l a c e [ 2 7 ] . H e f u r t h e r a m p l i fi e d t h e h y p o t h e s i s i n 1 9 4 9 [ 2 8 ] . T h e b a s i c p r e m i s e i s t h a t i n w a t e r — s o a k e d p a s t e , t h e c a p i l l a r y p o r e s a n d t h e g e l p o r e s a r e f u l l , o r n e a r l y f u l l , o f w a t e r . W h e n t h e t e m p e r a t u r e f a l l s t o a p o i n t w h e r e i c e c r y s t a l s s h o u l d b e g i n t o f o r m ( p o s s i b l y fi r s t i n l a r g e r c a p i l l a r i e s ) , t h e v o l u m e o f t h e w a t e r a n d i c e w i l l i n c r e a s e . I f s p a c e f o r e x p a n s i o n i s u n a v a i l a b l e , t h e w a t e r a n d t h e s u r r o u n d i n g c e m e n t p a s t e w i l l b e s u b j e c t e d t o i n c r e a s e d p r e s s u r e u n t i l e x c e s s w a t e r i n t h e c a p i l l a r y e s c a p e s 1 8 t o t h e n e a r e s t v o i d . S i n c e c e m e n t p a s t e i s a p o r o u s m a t e r i a l w i t h a n e x t r e m e l y l o w c o e f fi c i e n t o f p e r m e a b i l i t y , " h y d r a u l i c p r e s s u r e " w i l l b e g e n e r a t e d . T h e m a g n i t u d e o f t h i s p r e s s u r e d e p e n d s o n : ( 1 ) t h e c o e f fi c i e n t o f p e r m e a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l t h r o u g h w h i c h t h e w a t e r i s f o r c e d ; ( 2 ) t h e d i s t a n c e t o t h e n e a r e s t v o i d b o u n d a r y ; ( 3 ) t h e r a t e a t w h i c h t h e f r e e z i n g o c c u r s ; a n d ( 4 ) t h e d e g r e e o f s a t u r a t i o n . T h e o r e t i c a l l y , t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e i n c r e a s e s i n a p p r o x i m a t e p r 0 p o r t i o n t o t h e s q u a r e o f t h e d i s t a n c e f r o m t h e a i r v o i d [ 3 7 ] . I f t h i s p r e s s u r e e x c e e d s t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c e m e n t p a s t e a t a n y p o i n t , i t w i l l c a u s e l o c a l c r a c k i n g . A d d i t i o n a l w a t e r w i l l e n t e r t h r o u g h t h i s c r a c k i n w e t e n v i r o n m e n t s o n l y t o f r e e z e a g a i n a n d , w i t h r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g , t h e r e w i l l b e p r o g r e s s i v e d e t e r i o r a t i o n o f t h e c o n c r e t e w i t h e a c h c y c l e . P o w e r s c o n c l u d e s t h a t e v e r y v o i d i n t h e c e m e n t p a s t e i s a s s u m e d t o b e b o r d e r e d b y a z o n e o r s h e l l i n w h i c h t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e c a n n o t b e c o m e h i g h e n o u g h t o c a u s e d a m a g e . P o w e r s a n d H e l m u t h e x p e r i m e n t a l l y v e r i fi e d t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e h y p o t h e s i s , a n d a s d e m o n s t r a t e d i n fi g u r e 2 . 3 , w h i c h s h o w s t h a t s h r i n k a g e t a k e s p l a c e b e f o r e t h e f r e e z i n g s t a r t s , b u t t h a t e x p a n s i o n t a k e s p l a c e a s f r e e z i n g c o n t i n u e s . H y d r a u l i c p r e s s u r e i n t h e c a p i l l a r i e s fi r s t d e v e l o p s a t t h e i n s t a n t f r e e z i n g s t a r t s , w i t h t h e a m o u n t o f t h e p r e s s u r e d e p e n d i n g u p o n t h e r a t e o f f r e e z i n g a n d t h e e a s e w i t h w h i c h w a t e r i s f o r c e d o u t o f t h e c a p i l l a r y . T h u s , t h e s p e c i m e n a s a w h o l e b e g i n s t o e x p a n d , a s s h o w n i n fi g u r e 2 . 4 . N o o t h e r m e c h a n i s m i d e n t i fi e d t o d a t e h a s a c c o u n t e d f o r a l l o f t h e e v e n t s a n d c o n d i t i o n s d e s c r i b e d a b o v e [ 3 0 , 3 7 ] . q — n - ‘ m . _ ‘ » _ ( l 9 / 9 ” ” " ‘ " ‘ J F " ‘ " 2 \ . ‘ - ’ \ o _ - — 4 p — — 4 — — — \ 1 — _ — - o - — — — - - - 0 3 o _ l ; - 4 1 2 T l r m p e r o ' u r e r i l e d u e l o . 3 1 0 ” M i r e l b z ' n : 8 — ‘ L I q ] / | ' \ " ‘ \ \ T l l l I j I I ' 0 2 ' X . ' J 4 0 ‘ fi t < 3 " I 2 0 \ R e l a t i v e l e n g t h ' x x x 0 2 0 4 O - 0 T I M . i n m i n u t e s F i g u r e 2 . 3 . I n i t i a l e x p a n s i o n a t t h e s t a r t o f f r e e z i n g [ 3 7 ] . F i g u r e 2 . 4 . D i m e n s i o n a l c h a n g e s i n c e m e n t p a s t e w i t h o r w i t h o u t a i r v o i d s [ 3 7 ] . 2 0 c ‘ . o F ‘ , I 2 - : I t l 1 . 3 4 2 C g l i n g s t o p p e d ? { J f L 3 I I L 7 1 ' . I \ g l - ! ' ' I I I \ " o ' I 0 4 b l i n q r e s u m e d ! I l - - I 6 T I I 9 . . . ? l I ' I . [ I 4 i L ' N o a i r 3 , l o - - " " “ ' - ‘ o ' r v o i d s ' ’ L . I [ T Y / 7 ’ ‘ I / ’ i g l - ’ ( ’ ’ i q : 4 ~ 1 ' . - - l " W i t o l r l e d t P X _ ' _ r l \ l . L ‘ . I O 2 0 3 0 4 O 5 0 6 0 T i m e i n m i n u t e s 2 1 I c e A c c r e t i o n / D i f f u s i o n o f t h e F r e e z i n g o f G e l W a t e r i n C a p i l l a r i e s W i t h c o n t i n u e d e x p e r i m e n t s , P o w e r s a n d H e l m u t h a d v a n c e d t h e b a s i c a s s u m p t i o n o f t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e h y p o t h e s i s t o t h e s t a t u s o f a n e s t a b l i s h e d f a c t [ 3 7 ] . A t t h e s a m e t i m e , t h e y a l s o r e a l i z e d t h a t h y d r a u l i c p r e s s u r e d o e s n o t a c c o u n t f o r a l l t h e p h e n o m e n a p r o d u c e d b y f r e e z i n g . P a r t o f t h e e f f e c t o f f r e e z i n g i s a p p a r e n t l y d u e t o t h e t e n d e n c y o f m i c r o s c o p i c b o d i e s o f i c e t o g r o w b y d r a w i n g w a t e r f r o m t h e g e l . T h e e x p e r i m e n t s a l s o s h o w e d t h a t o n l y v e r y s m a l l a m o u n t s o f w a t e r i n t h e c o n c r e t e f r e e z e n e a r t h e n o r m a l f r e e z i n g p o i n t ( 0 ° C o r 3 2 ° F ) ; i n d e e d , t h e a m o u n t o f f r o z e n w a t e r i n c r e a s e s a s t h e t e m p e r a t u r e d e c r e a s e s . T h i s b e h a v i o r a n d t h e o t h e r e v i d e n c e s h o w t h a t m o s t o f t h e c a p i l l a r i e s a r e q u i t e s m a l l , r e s u l t i n g i n i n c r e a s e d s u r f a c e t e n s i o n a n d h i g h e r p o r e w a t e r p r e s s u r e a s t h e p o r e s i z e d e c r e a s e s . T h e r e f o r e , a s p o r e s i z e d e c r e a s e s , p o r e p r e s s u r e s w i l l i n c r e a s e a n d t h e f r e e z i n g p o i n t o f w a t e r i s d e p r e s s e d . T h u s , i c e i n t h e c a p i l l a r y p o r e s o f t h e f r o z e n c e m e n t p a s t e i s s u r r o u n d e d b y t h e u n f r o z e n w a t e r o f t h e g e l p o r e s . T h e g e l w a t e r i n a s a t u r a t e d s t a t e h a s t h e s a m e e n e r g y a s t h a t o f t h e n o r m a l w a t e r i n b u l k . T h e r e i s a t h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m b e t w e e n t h e g e l w a t e r a n d t h e i c e i n t h e c a p i l l a r y p o r e a t 0 ° C , a s s u m i n g o n e a t m o s p h e r e p r e s s u r e f o r b o t h a n d a c a p i l l a r y s i z e l a r g e e n o u g h s o t h a t t h e s u r f a c e t e n s i o n i s n e g l i g i b l e . I f t h e t e m p e r a t u r e d r o p s b e l o w t h e f r e e z i n g p o i n t o f w a t e r i n t h e c a p i l l a r y , t h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m i s d e s t r o y e d a n d t h e g e l w a t e r g a i n s a h i g h e r e n e r g y s t a t e t h a n t h e c a p i l l a r y i c e . T h i s h i g h e r e n e r g y s t a t e e n a b l e s t h e g e l w a t e r t o m o v e t o t h e c a p i l l a r y w h e r e i t f r e e z e s a n d c a u s e s t h e i c e c r y s t a l t o e n l a r g e . W i t h t h i s d i f f u s i o n o f w a t e r , t h e g e l h a s a t e n d e n c y t o s h r i n k . O n t h e o t h e r 2 2 h a n d , t h e g r o w t h o f t h e i c e i n t h e c a p i l l a r y p l a c e s t h e i c e a n d t h e fi l m a r o u n d t h e i c e u n d e r p r e s s u r e , w h i c h i s e n o u g h t o p r o d u c e d i l a t i o n a n d e x p a n s i o n o f t h e c e m e n t p a s t e . T h i s e x p l a i n s t h e p h e n o m e n a o f c o n t i n u e d e x p a n s i o n i n a n o n — a i r - e n t r a i n e d p a s t e . I n t h e c a s e o f a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e , w a t e r i n t h e g e l p o r e s c a n a l s o d i f f u s e t o t h e p r e v i o u s l y f o r m e d i c e b y t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e i n t h e a i r v o i d . H o w e v e r , t h e a m o u n t o f i c e i n t h e a i r v o i d i s u s u a l l y l e s s t h a n t h e v o i d c a p a c i t y . W h i l e t h e i c e i n t h e a i r v o i d a l s o g r o w s , i t m a y n o t b e u n d e r s i g n i fi c a n t p r e s s u r e . T h u s , t h e n e t e f f e c t o f t h e w a t e r l o s t b y t h e g e l p o r e t o t h e a i r v o i d i s s h r i n k a g e o f t h e p a s t e . I n t h e c a s e o f n o n - a i r - e n - t r a i n e d c o n c r e t e , a l a r g e a m o u n t o f w a t e r m a y d i f f u s e t o t h e c a p i l l a r y p o r e s . H e r e t h e c a p i l l a r y i c e c a n g r o w u n t i l t h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m i s a c h i e v e d w i t h t h e g e l w a t e r . I f t h e s t r e s s f r o m h y d r a u l i c p r e s s u r e o r f r o m t h e g r o w t h o f c a p i l l a r y i c e r u p t u r e d t h e g e l a n d t h u s r e l e a s e d t h e p r e s s u r e o n t h e i c e , t h e g r o w t h i s l i m i t e d t o t h e f r e e z a b l e w a t e r i n t h e s y s t e m . I f t h e p a s t e i s a i r - e n t r a i n e d , t h e d i f f u s i o n p e r i o d t o t h e c a p i l l a r y c a v i t i e s i s b r i e f . I n fi g u r e 2 . 3 , t h e f a s t r i s i n g p a r t o f t h e c u r v e s h o w s e x p a n s i o n d u e t o h y d r a u l i c p r e s s u r e ; e x p a n s i o n d u e t o d i f f u s i o n i s s h o w n b y t h e d o t t e d l i n e i n fi g u r e 2 . 4 . T h e i n fl u - e n c e o f t h e a i r v o i d s i s s h o w n b y t h e s o l i d ( b o t t o m ) l i n e i n fi g u r e 2 . 4 . T h e r e p l e n i s h m e n t o f t h e g e l w a t e r d u r i n g t h e t h a w i n g p e r i o d ( t h r o u g h t h e c r a c k s ) w i l l t h e o r e t i c a l l y p r o v i d e m o i s t u r e f o r u n l i m i t e d g r o w t h o f t h e i c e c r y s t a l s [ 3 0 , 3 7 ] . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d h e r e t h a t f a i l u r e s b y h y d r a u l i c p r e s s u r e a n d i c e a c c r e t i o n o c c u r d u e t o d i f f e r e n t m e c h a n i s m s a n d u n d e r d i f f e r e n t c i r c u m s t a n c e s . H y d r a u l i c p r e s s u r e w i l l b e t h e g r e a t e s t w h e n t h e r a t e o f f r e e z i n g i s r a p i d , w h e r e a s i c e a c c r e t i o n p r o g r e s s e s w i t h t i m e a n d i s m o s t l i k e l y t o c a u s e d a m a g e i f t h e c o n c r e t e r e m a i n s f r o z e n f o r a n e x t e n d e d p e r i o d [ 3 9 ] . 2 3 W 9 9 1 ) : I n a d d i t i o n t o t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e c a u s e d b y t h e w a t e r f r e e z i n g i n l a r g e c a p i l l a r i e s , t h e o s m o t i c p r e s s u r e r e s u l t i n g f r o m t h e p a r t i a l f r e e z i n g o f s o l u t i o n i n t h e c a p i l l a r i e s c a n b e y e t a n o t h e r s o u r c e o f d e s t r u c t i v e e x p a n s i o n s i n t h e c e m e n t p a s t e [ 2 , 3 0 ] . T h e w a t e r i n t h e c a p i l l a r i e s i s n o t u s u a l l y p u r e , t y p i c a l l y c o n s i s t i n g o f s o l u b l e s u b s t a n c e s s u c h a s a l k a l i e s , c h l o r i d e s , a n d c a l c i u m h y d r o x i d e . S o l u t i o n s o t h e r t h a n p u r e w a t e r f r e e z e a t l o w e r - t h a n - n o r m a l t e m p e r a t u r e s . I n s u c h c a s e s t h e f r e e z i n g p o i n t d e c r e a s e s a s t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s o l u t i o n i n c r e a s e s . I f t w o s o l u t i o n s o f d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n a r e p r e s e n t , t h e s o l v e n t p a r t i c l e s u n d e r s u c h c o n d i t i o n s m o v e t o w a r d s t h e s o l u t i o n o f g r e a t e r c o n c e n t r a t i o n , a n d a d i f f e r e n t i a l h e a d i s e s t a b l i s h e d b e t w e e n t h e t w o s o l u t i o n s . T h i s o s m o t i c a c t i o n i n c r e a s e s t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e i n t h e c e m e n t p a s t e a s t h e f r e e z a b l e w a t e r i s f o r c e d f r o m t h e c a p i l l a r i e s i n t o t h e g e l p o r e s o p p o s i t e t o t h e d i r e c t i o n o f fl o w o f w a t e r [ 3 0 ] . T h e p r e s s u r e r e q u i r e d t o o v e r c o m e o s m o t i c p r e s s u r e i n t h e c a p i l l a r y i s a c o m b i n a t i o n o f t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e r e q u i r e d t o f o r c e c a p i l l a r y w a t e r i n t o t h e g e l p o r e s t r u c t u r e a n d t h e o s m o t i c p r e s s u r e w h i c h r e s i s t s t h i s fl o w . T h i s m e c h a n i s m i s c o n s i d e r e d a p o s s i b l e c a u s e o f s c a l i n g o f c o n c r e t e p a v e m e n t s w h e r e s a l t s a r e u s e d f o r t h e r e m o v a l o f i c e . U s e o f s a l t i n c r e a s e s t h e c o n c e n t r a t i o n o f s a l t i n t h e c a p i l l a r y v o i d s n e a r t h e s u r f a c e a n d , a s t h e s a l t s o l u t i o n f r e e z e s , o s m o t i c p r e s s u r e b u i l d s u p i n t h e c a p i l l a r i e s . T h i s i n c r e a s e i n t h e p r e s s u r e m a y b e s u f fi c i e n t t o c a u s e a r u p t u r e o f t h e c e m e n t g e l n e a r t h e s u r f a c e o f t h e p a v e m e n t , w h i c h c a u s e s s c a l i n g . V e r b e c k a n d K l i e g e r [ 4 0 ] f o u n d t h a t i n c r e a s e s i n t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s a l t i n f r e e z i n g a n d t h a w i n g t e s t s i n c r e a s e s t h e d i s r u p t i v e e f f e c t o f f r o s t a c t i o n . A t w o t o f o u r p e r c e n t 2 4 c o n c e n t r a t i o n o f s a l t a p p e a r s t o c a u s e t h e g r e a t e s t d a m a g e t o c o n c r e t e , d u e t o t h e p r e s e n c e o f a n o p t i m u m c o m b i n a t i o n o f f r e e z a b l e w a t e r a n d o s m o t i c p r e s s u r e . A t g r e a t e r c o n c e n t r a t i o n s ( m o r e t h a n 4 % ) , t h e r e i s a d e c r e a s e i n d e t e r i o r a t i o n , s i n c e l o w e r i n g t h e s o l u t i o n f r e e z i n g p o i n t g i v e s t h e w a t e r i n t h e c a p i l l a r i e s a n a n t i - f r e e z e e f f e c t a n d r e d u c e s t h e f r e e z a b l e w a t e r . T h e u s e o f s a l t m a y a l s o i n c r e a s e t h e a v a i l a b i l i t y o f m o i s t u r e f o r s a t u r a t i o n a t t h e s u r f a c e d u e t o i t s a n t i - f r e e z e e f f e c t . O t h e r T h e o r i e s T h e m e c h a n i s m s j u s t d i s c u s s e d d o n o t a p p e a r t o b e t h e o n l y c a u s e s o f e x p a n s i o n o f c e m e n t p a s t e d u e t o f r e e z i n g . E x p a n s i o n o f t h e c e m e n t p a s t e h a s a l s o b e e n o b s e r v e d w h e n b e n z e n e , w h i c h a c t u a l l y c o n t r a c t s o n f r e e z i n g , w a s u s e d a s a p o r e l i q u i d [ 4 1 ] . L i t v a n [ 4 2 ] e x p l a i n s t h a t t h e r i g i d l y - h e l d w a t e r i n t h e C — S - H ( b o t h i n t e r l a y e r w a t e r a n d a d s o r b e d w a t e r i n g e l p o r e s ) c a n n o t r e a r r a n g e i t s e l f t o f o r m i c e a t t h e n o r m a l f r e e z - i n g p o i n t o f w a t e r b e c a u s e t h e m o b i l i t y o f w a t e r e x i s t i n g i n a n o r d e r e d s t a t e i s r a t h e r l i m i t e d . U s u a l l y , t h e m o r e r i g i d l y w a t e r i s h e l d , t h e l o w e r t h e f r e e z i n g p o i n t . T h e i n c r e a s i n g o r d e r o f r i g i d i t y w i t h w h i c h w a t e r i s h e l d i n t h e c e m e n t p a s t e i s : ( l ) c a p i l l a r y w a t e r i n s m a l l p o r e s o f 0 . 0 1 t o 0 . 0 5 p m ; ( 2 ) t h e a d s o r b e d w a t e r i n g e l p o r e s ; a n d ( 3 ) i n t e r l a y e r w a t e r . T h e g e l p o r e w a t e r d o e s n o t f r e e z e a b o v e - 7 8 ° C a n d i t s t a y s i n a s u p e r c o o l e d s t a t e w h i l e w a t e r i n t h e c a p i l l a r i e s f r e e z e s . D u e t o t h e t h e r m o d y n a m i c i n e q u i l i b r i u m , t h e w a t e r m o v e s t o t h e a r e a s o f l o w e r e n e r g y s t a t e , t h e c a p i l l a r y p o r e s . W h e n t h e r e i s n o r o o m i n t h e c a p i l l a r y p o r e s ( i . e . , t h e y a r e s a t u r a t e d ) , i n t e r n a l p r e s s u r e i n c r e a s e s a n d t h e s y s t e m e x p a n d s . 2 5 L i t v a n a l s o i n d i c a t e d t h a t m o i s t u r e t r a n s p o r t a s s o c i a t e d w i t h t h e c o o l i n g o f s a t u r a t e d p o r o u s b o d i e s m a y n o t n e c e s s a r i l y l e a d t o m e c h a n i c a l d a m a g e . T h e m e c h a n i c a l d a m a g e o c c u r s w h e n t h e r a t e o f m o i s t u r e t r a n s p o r t i s c o n s i d e r a b l y l e s s t h a n d e m a n d e d b y t h e c o n d i t i o n s s u c h a s l a r g e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , l o w p e r m e a b i l i t y , a n d a h i g h d e g r e e o f s a t u r a t i o n . 2 . 2 . 5 F a c t o r s A f f e c t i n g F r o s t R e s i s t a n c e A i r C o n t e n t A s e x p l a i n e d e a r l i e r , t h e t o t a l a m o u n t o f a i r c o n t e n t i n c l u d e s b o t h e n t r a p p e d a i r a n d e n t r a i n e d a i r . T h e p r e s e n c e o f e n t r a i n e d a i r i s d e s i r e d i n c o n c r e t e w h i c h i s r e q u i r e d t o b e p r o t e c t e d f r o m f r o s t a c t i o n . C o o k [ 4 3 ] , w h i l e d i s c u s s i n g t h e d u r a b i l i t y o f a c o n c r e t e s p e c i m e n u n d e r s e v e r e c o n d i t i o n s , s t a t e d t h a t , " W e l l - m a d e c o n c r e t e c o n t a i n i n g g o o d q u a l i t y m a t e r i a l s w i l l n o t o r d i n a r i l y w i t h s t a n d t h e e x p o s u r e f o r m o r e t h a n o n e w i n t e r u n l e s s t h e c o n c r e t e c o n t a i n s p r o p e r a m o u n t o f e n t r a i n e d a i r . " I t h a s b e e n w e l l e s t a b l i s h e d t h a t t h e s e a i r v o i d s r e d u c e h y d r a u l i c p r e s s u r e b y p r o v i d i n g a p l a c e w h e r e w a t e r fl o w i n g o u t o f a c a p i l l a r y c a v i t y c a n s a f e l y f r e e z e . A s a r e s u l t , t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e w i t h i n a c e r t a i n r a d i u s o f t h e v o i d i s l e s s t h a n t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c e m e n t p a s t e ; t h e c e m e n t p a s t e i n t h i s a r e a m a y b e c o n s i d e r e d t o b e i n a z o n e o f p r o t e c t i o n . W h e n t h e a i r v o i d s a r e p r o p e r l y d i s t r i b u t e d t h r o u g h o u t t h e c e m e n t p a s t e , t h e r e w i l l b e n o p l a c e w h e r e t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e e x c e e d s t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e p a s t e , a n d t h e p a s t e w i l l b e p r o - t e c t e d f r o m t h e d a m a g e o f f r o s t a c t i o n . T h e m a x i m u m a c c e p t a b l e s p a c i n g f a c t o r i . e . , a n 2 6 i n d e x r e l a t e d t o t h e m a x i m u m d i s t a n c e o f a n y p o i n t i n t h e c e m e n t p a s t e f r o m t h e p e r i p h e r y o f a n a i r v o i d , i n m i l l i m e t e r s o r i n c h e s ( a s p e r c u r r e n t s p e c i fi c a t i o n s ) i s t y p i c a l l y c o n s i d e r e d a s 0 . 2 0 m m ( 0 . 0 0 8 i n . ) , w h i c h c a n b e a c h i e v e d b y e n t r a i n i n g q u a n t i t i e s o f a i r t h a t v a r y w i t h t h e s i z e o f t h e a g g r e g a t e u s e d . T h i s w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r i n d e t a i l . , P o w e r s [ 4 4 ] w a s t h e fi r s t t o e x p l a i n t h e r o l e p l a y e d b y a i r c o n t e n t i n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . H e o b s e r v e d t h a t a s a t u r a t e d c e m e n t p a s t e w i t h o u t a i r e n t r a i n m e n t e l o n g a t e d b y 1 6 0 0 m i c r o s t r a i n d u r i n g a f r e e z i n g c y c l e ( - 2 4 ° C ) a n d r e t a i n e d a r e s i d u a l p e r m a n e n t e l o n g a t i o n o f 5 0 0 m i c r o s t r a i n a f t e r t h a w i n g t o i t s o r i g i n a l t e m p e r a t u r e , a s s h o w n i n fi g u r e 2 . 5 a . A n o t h e r s p e c i m e n w i t h t w o p e r c e n t e n t r a i n e d a i r s h o w e d a m a x i m u m e l o n g a t i o n o f 9 0 0 m i c r o s t r a i n a n d a r e s i d u a l e l o n g a t i o n o f l e s s t h a n 3 0 0 m i c r o s t r a i n u n d e r s i m i l a r c o n d i t i o n s ( s e e fi g u r e 2 . 5 b ) . T h e s p e c i m e n w i t h 1 0 p e r c e n t e n t r a i n e d a i r s h o w e d n o e l o n g a t i o n o n f r e e z i n g a n d n o r e s i d u a l d i l a t i o n o n t h a w i n g ; r a t h e r , i t e x p e r i e n c e d a s l i g h t c o n t r a c t i o n ( fi g u r e 2 . 5 0 ) , w h i c h i s c o n s i d e r e d a s t h e n e t e f f e c t o f t h e d i f f e r e n t m e c h a n i s m s t a k i n g p l a c e i n t h e c e m e n t p a s t e , a s e x p l a i n e d e a r l i e r . A p a r t f r o m t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f t h e a i r c o n t e n t i n t h e c e m e n t p a s t e , r e d u c t i o n i n s t r e n g t h i s c o n s i d e r e d a n e g a t i v e s i d e e f f e c t . S t r e n g t h l o s s e s v a r y i n g f r o m t w o t o t e n p e r c e n t p e r o n e p e r c e n t i n c r e a s e i n e n t r a i n e d a i r h a v e b e e n r e p o r t e d b y d i f f e r e n t r e s e a r c h e r s [ 8 , 9 , 1 0 , 1 1 ] . T h u s , p r o p e r a i r e n t r a i n m e n t c a n b e u s e d t o p r o d u c e a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e , b u t i t a l s o r e d u c e s t h e s t r e n g t h o f P C C . T h e e f f e c t o f c o m b i n a t i o n s o f v a r i o u s k i n d s o f a d m i x t u r e s o n t h e a i r c o n t e n t a n d o t h e r p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e n e x t c h a p t e r . 6 3 0 I . “ r ‘ Z O C > - C 9 o o c # - ‘ 0 0 3 r - L i . m r 5 0 0 ? - i f A \ ‘ W r ’ ’ Q M } p . J N G s o c > - I - d m y - » 2 m ’ - ‘ z m r $ — 0 l - ~ 1 _ n l l O A m A ; . 1 . 2 0 0 0 - ' 1 0 0 ‘ J . . 1 l _ 1 _ L 4 L 4 . 1 J r 1 1 J . a - A l ' H - 2 ‘ Q C H 6 « 2 ' 0 d O 6 O 2 n 6 2 0 2 ' 2 ‘ ‘ 2 0 - I 6 ” 3 - I “ V 3 0 O * 2 I 6 2 0 l a ) T e m p e r a t u r e . ' C ( b l T e m p e r a t u r e . ' C z 0 0 C . r - - F . m r 1 » . 0 G O C I - I . . o o o l » . F l . J 2 ” I ' 4 » . J < 1 - 2 0 c > - 4 - - ‘ O c I . 1 P . 6 0 c I . - + _ l 1 L l a L l l J L 1 ' 2 0 ' 2 0 ” 6 4 2 4 - ‘ O ‘ 0 I 2 ' 6 2 0 2 4 I t ) T e m p e r a t u r e . ' C F i g u r e 2 . 5 . R e s p o n s e o f s a t u r a t e d c e m e n t p a s t e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g , b o t h w i t h a n d w i t h o u t e n t r a i n e d a i r [ 4 4 ] . ( a ) S p e c i m e n w i t h o u t a i r - e n t r a i n m e n t , ( b ) S p e c i m e n w i t h 2 % a i r - e n t r a i n m e n t , a n d ( c ) S p e c i m e n w i t h 1 0 % a i r - e n t r a i n m e n t . r » 2 8 A g g r e g a t e C o n c r e t e w i t h a p p r o p r i a t e a i r e n t r a i n m e n t c a n s t i l l b e d a m a g e d d u e t o f r o s t a c t i o n i f i t i n c l u d e s n o n - d u r a b l e a g g r e g a t e . T h e m e c h a n i s m f o r t h e d e v e l o p m e n t o f i n t e r n a l p r e s s u r e i n t h e c e m e n t p a s t e u p o n f r e e z i n g i s a l s o g e n e r a l l y a p p l i c a b l e t o a g g r e g a t e s . A g g r e g a t e b e h a v i o r u n d e r f r e e z i n g a n d t h a w i n g b a s i c a l l y d e p e n d s o n t h e q u a n t i t y a n d s i z e d i s t r i b u t i o n o f t h e a g g r e g a t e p o r e s a n d t h e c o n t i n u i t y o f t h e p o r e s t r u c t u r e . V e r b e c k a n d L a n d g r e n [ 4 5 ] c l a s s i fi e d a g g r e g a t e s i n t o t h r e e c a t e g o r i e s . T h e fi r s t c a t e g o r y c o n s i s t s o f a g g r e g a t e s w i t h l o w p e r m e a b i l i t y a n d h i g h s t r e n g t h , i n w h i c h t h e e l a s t i c s t r a i n i n t r o d u c e d b y f r e e z i n g w a t e r i s a c c o m m o d a t e d w i t h o u t c a u s i n g c r a c k s . T h e s e c o n d i n c l u d e s a g g r e g a t e s w i t h i n t e r m e d i a t e p e r m e a b i l i t y ( i . e . , w i t h p o r e s d i a m e t e r s o f l e s s t h a n 5 0 0 n m ) . T h e s e a g g r e g a t e s c a n g e t s a t u r a t e d a n d h o l d w a t e r w h i c h , u p o n f r e e z i n g , r e q u i r e s a n e s c a p e b o u n d a r y o f a n e m p t y p o r e ( l i k e t h e e n t r a i n e d a i r v o i d i n c e m e n t p a s t e ) t o r e l i e v e t h e p r e s s u r e . T h e d i s t a n c e t o t h i s b o u n d r y i n t h e c a s e o f m o s t a g g r e g a t e s , i s m u c h h i g h e r t h a n i n c e m e n t p a s t e d u e t o h i g h e r p e r m e a b i l i t y . I t h a s a l s o b e e n s h o w n b y B l o e n [ 4 6 ] t h a t l a r g e r a g g r e g a t e s i z e s a r e o f t e n l e s s r e s i s t a n t t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g t h a n s m a l l e r s i z e s o f t h e s a m e t y p e o f a g g r e g a t e . T h i s g i v e s r i s e t o t h e c o n c e p t o f c r i t i c a l a g g r e g a t e s i z e , w h i c h d e p e n d s u p o n t h e r a t e o f f r e e z i n g , d e g r e e o f s a t u r a t i o n , a n d p e r m e a b i l i t y o f t h e a g g r e g a t e . T h e t h i r d c a t e g o r y o f a g g r e g a t e s i n c l u d e s t h o s e w i t h h i g h p e r m e a b i l i t y . T h e h i g h p e r m e a b i l i t y p e r m i t s e a s y e n t r y a n d e x i t o f w a t e r u n d e r f r e e z i n g a n d t h a w i n g c o n d i t i o n s , b u t c r e a t e s f r o s t a c t i o n p r o b l e m s b y a l l o w i n g w a t e r t o a c c u m u l a t e i n t h e t r a n s i t i o n z o n e b e t w e e n t h e a g g r e g a t e a n d t h e c e m e n t p a s t e . l a a a a a 2 9 I t i s c o n s i d e r e d a d v i s a b l e t o a v o i d t h e u s e o f h i g h l y a b s o r p t i v e a g g r e g a t e s i n p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e [ 3 9 ] . I t h a s b e e n w e l l - e s t a b l i s h e d t h a t t h e u s e o f g o o d q u a l i t y a g g r e g a t e w i t h l e s s t h a n t h r e e p e r c e n t a b s o r p t i o n w i l l r e s t r i c t f r o s t a c t i o n p r o b l e m s t o t h e c e m e n t p a s t e f r a c t i o n o f t h e c o n c r e t e . C u r i n g a n d S t r e n g t h o f C o n c r e t e I t h a s b e e n e x p e r i m e n t a l l y s e e n b y m a n y r e s e a r c h e r s t h a t i n c r e a s i n g t h e d e g r e e o f h y d r a t i o n d e c r e a s e s t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e p r e s e n t i n t h e p o r e s t r u c t u r e a n d i n c r e a s e s t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e . T h u s , i t i s b e s t t o a l l o w a d e q u a t e t i m e f o r c u r i n g b e f o r e t h e c o n c r e t e i s e x p o s e d t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g . G r e a t e r a m o u n t s o f f r e e z a b l e w a t e r a r e g e n e r a l l y f o u n d i n c o n c r e t e s c u r e d a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e s , w h i c h i s n o t d e s i r a b l e f o r c o n c r e t e s t h a t w i l l b e e x p o s e d t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g . H o w e v e r , c o n c r e t e t h a t i s a l l o w e d t o d r y a n d d e v e l o p h i g h e r t e n s i l e s t r e n g t h b e f o r e b e i n g s u b j e c t e d t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g i s g e n e r - a l l y l e s s s u s c e p t i b l e t o d a m a g e t h a n c o n c r e t e t h a t r e m a i n s s a t u r a t e d a f t e r c u r i n g . G e n e r a l l y , t h e r e i s a d i r e c t r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s t r e n g t h a n d d u r a b i l i t y , b u t t h i s d o e s n o t n e c e s s a r i l y h o l d t r u e w h e n c o m p a r i n g a i r - e n t r a i n e d a n d n o n a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e s . W h i l e c o m p a r i n g t h e s t r e n g t h o f a n o n - a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e w i t h a n a i r — e n t r a i n e d c o n c r e t e , t h e f o r m e r m a y b e h i g h e r i n s t r e n g t h b u t t h e l a t t e r w i l l b e m o r e f r o s t - r e s i s t a n t . T h e i n c o r p o r a t i o n o f e n t r a i n e d a i r p r o d u c e s a r e d u c t i o n i n s t r e n g t h , b u t i n c r e a s e s t h e c o n c r e t e d u r a b i l i t y . I C u r i n g i s a f u n c t i o n o f t i m e , a n d s t r e n g t h i s a f u n c t i o n o f c u r i n g , w a t e r - c e m e n t 3 0 r a t i o a n d s e v e r a l o t h e r f a c t o r s . S t r e n g t h i s e x p e c t e d t o i n c r e a s e w i t h a n i n c r e a s e i n t h e c u r i n g p e r i o d d u e t o a n i n c r e a s e i n h y d r a t i o n p r o d u c t s , w h i c h a l s o r e s u l t s i n a r e d u c t i o n i n f r e e z a b l e w a t e r . T h u s f r o s t r e s i s t a n c e i m p r o v e s w i t h i n c r e a s e d f a v o r a b l e c u r i n g . T h e b e h a v i o r o f m i x e s w i t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s r e l a t e d t o c u r i n g i s d i s c u s s e d i n t h e n e x t c h a p t e r . W a t e r - C e m e n t R a t i o T h e w a t e r - c e m e n t r a t i o i n fl u e n c e s t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e i n s e v e r a l w a y s a n d a i r e n t r a i n m e n t a l o n e c a n n o t e n s u r e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . A l o w r a t i o i m p a r t s g r e a t e r s t r e n g t h t h a t c a n w i t h s t a n d t h e t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p e d b y t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e o r i c e a c c r e t i o n i n a m u c h b e t t e r w a y . T h i s a l s o i n c r e a s e s t h e i m p e r m e a b i l i t y o f t h e c e m e n t m a t r i x a n d r e d u c e s t h e c h a n c e s o f f o r a c c u m u l a t i n g f r e e z a b l e m o i s t u r e b e c a u s e i t t a k e s a l o n g e r t i m e t o r e a c h c r i t i c a l s a t u r a t i o n [ 2 , 3 0 , 3 9 , 4 7 ] . S i n c e t h e f r e e z a b l e w a t e r r e s i d e s i n l a r g e p o r e s , i t i s h y p o t h e s i z e d t h a t , a t a g i v e n f r e e z i n g t e m p e r a t u r e , t h e a m o u n t o f f r e e z a b l e w a t e r w i l l b e l a r g e r w i t h a h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d a t e a r l y s t a g e s o f c u r i n g . T h e e x p e r i m e n t d a t a o f V e r b e c k a n d K l i e g e r [ 4 8 ] s h o w n i n fi g u r e 2 . 6 c o n fi r m e d t h i s h y p o t h e s i s . W o o d [ 4 9 ] e s t i m a t e d t h a t i f a w a t e r — c e m e n t r a t i o b e l o w 0 . 4 2 ( b y w e i g h t ) i s u s e d i n c o n c r e t e , t h e s m a l l n u m b e r o f c a p i l l a r i e s i n t h e p a s t e w o u l d n o t b e v u l n e r a b l e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g . B u t P o w e r s [ 2 8 ] h a s s h o w n t h a t e v e n w h e r e t h e r e a r e f e w e r c a p i l l a r i e s i n t h e p o r t l a n d c e m e n t p a s t e , t h e y m u s t b e p r o t e c t e d b y a i r v o i d s , o t h e r w i s e t h e d e v e l o p m e n t o f h y d r a u l i c p r e s s u r e s i n e x i s t i n g c a p i l l a r i e s , a l t h o u g h n o t a s e x t e n s i v e a s i n t h e p a s t e o f h i g h e r W / C , w o u l d b e s u f fi c i e n t t o c a u s e d i l a t i o n . 3 1 C o n c r e t e m o i s t e n e d f o r 1 6 0 W I C - 0 . 1 2 7 d m b e l o r e f r e e z i n ; i i E W 1 C - 0 . 4 9 “ l S a ? i a . G W I C = - 0 . 4 1 g 4 l m L J . 1 0 o 1 0 2 0 3 0 C o m m T a n p e r a t n r e , ' F ( t ) ( b ) F i g u r e 2 . 6 . I n fl u e n c e o f w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d a i r c o n t e n t o n d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e t o f r o s t a c t i o n [ 2 , 4 8 ] . ( a ) T h e a m o u n t o f f r e e z a b l e w a t e r i n c o n c r e t e , w i t h a g i v e n w a t e r - c e m e n t r a t i o , i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s e i n t e m p e r a t u r e . ( b ) H i g h d u r a b i l i t y s h o w n a s c o m b i n a t i o n o f l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d i n c r e a s e i n a i r - e n t r a i n m e n t . 3 2 T h e U S B u r e a u o f R e c l a m a t i o n [ 5 0 ] s h o w e d t h a t h i g h q u a l i t y c o n c r e t e ( l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o ) p r o d u c e s m o r e d u r a b l e c o n c r e t e w i t h a i r e n t r a i n m e n t t h a n l o w q u a l i t y ( h i g h W / C ) a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e . B u t t h e i m p r o v e m e n t i n d u r a b i l i t y d u e t o a i r e n t r a i n m e n t i s o f f a r g r e a t e r m a g n i t u d e t h a n t h a t e x p e r i e n c e d b y r e d u c i n g t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o . A d e c r e a s e o f W / C f r o m 6 . 5 t o 5 g a l l o n s p e r s a c k m a y i n c r e a s e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e b y 1 0 0 p e r c e n t , w h e r e a s a i r e n t r a i n m e n t o f t h e s a m e c o n c r e t e b y fi v e p e r c e n t , m a y i n c r e a s e t h e f r o s t r e s i s t a n c e b y 1 0 0 0 p e r c e n t [ 5 1 ] . C o n s i d e r i n g t h e a b o v e , t h e t y p i c a l v a l u e s o f t h e c u r i n g p e r i o d a n d w a t e r - c e m e n t o r c e m e n t i t i o u s r a t i o s , w h i c h a r e f u n c t i o n s o f s t r e n g t h , n e e d t o b e e v a l u a t e d w i t h r e s p e c t t o t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f P C C . 2 . 3 A i r V o i d P a r a m e t e r s 2 . 3 . 1 G e n e r a l T h e g r e a t e s t s i n g l e f a c t o r a f f e c t i n g t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e i n f r e e z i n g a n d t h a w i n g i s t h e p r e s e n c e o f a w e l l - d i s t r i b u t e d a i r v o i d s y s t e m i n t h e p a s t e [ 3 9 ] . S i n c e t h e d i s c o v e r y o f a i r e n t r a i n m e n t , c o n t i n u o u s e f f o r t s . h a v e b e e n m a d e t o q u a n t i t a t i v e l y c h a r a c t e r i z e t h e a i r v o i d p a r a m e t e r s t h a t a r e i n d i c a t i v e o f a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e [ 5 2 ] . I t w a s d e t e r m i n e d a f t e r e a r l y s t u d i e s t h a t a i r c o n t e n t a l o n e w a s n o t e n o u g h t o b e i n d i c a t i v e o f t h e c o n c r e t e d u r a b i l i t y . I n a d d i t i o n t o t h e a i r v o l u m e , t h e s i z e s o f a i r v o i d s a n d t h e i r d i s t r i b u t i o n s w e r e a l s o s t u d i e d . I t w a s c o n s i d e r e d n e c e s s a r y t o e x p a n d o n t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i z a t i o n s o t h a t a c l e a r , a c c u r a t e p i c t u r e o f t h e i n t e r n a l c o m p o s i t i o n o f 3 3 c o n c r e t e w a s a v a i l a b l e . A l t h o u g h s o m e r e s e a r c h e r s h a v e s t u d i e d a d d i t i o n a l p a r a m e t e r s , t h e m o s t w i d e l y a c c e p t e d a i r v o i d s y s t e m p a r a m e t e r s f o r r e l i a b l e p r e d i c t i o n o f d u r a b i l i t y a r e : a i r c o n t e n t , s p e c i fi c s u r f a c e , s p a c i n g f a c t o r , a n d v o i d f r e q u e n c y . T h e s e p a r a m e t e r s a r e d e t e r m i n e d a f t e r m i c r o s c 0 p i c a n a l y s i s o f a s p e c i a l l y p r e p a r e d s p e c i m e n o f t h e c o n c r e t e a c c o r d i n g t o A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] , w h i c h . w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n g p a r a g r a p h s . 2 . 3 . 2 A i r V o i d C o n t e n t ( A ) A i r v o i d c o n t e n t i s d e fi n e d [ 5 3 ] a s " t h e p r o p o r t i o n a l v o l u m e o f a i r v o i d s i n c o n c r e t e e x p r e s s e d a s v o l u m e p e r c e n t o f t h e h a r d e n e d c o n c r e t e . " T y p i c a l l y , a i r c o n t e n t s b e t w e e n t h r e e a n d s i x p e r c e n t o f t h e v o l u m e o f c o n c r e t e a r e c o n s i d e r e d s a t i s f a c t o r y f o r p r o d u c i n g a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e [ 5 4 ] . T h e p r o d u c t i o n o f t h e d e s i r e d a i r c o n t e n t i s a l s o a f f e c t e d b y o t h e r f a c t o r s , s u c h a s d o s a g e a n d t y p e o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t , d e g r e e o f c o n s o l i d a t i o n , w a t e r - c e m e n t r a t i o , a n d t h e u s e o f c h e m i c a l o r m i n e r a l a d m i x t u r e s . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h e i n c o r p o r a t i o n o f e n t r a i n e d a i r a d v e r s e l y a f f e c t s s t r e n g t h , w h i c h m a y n o t b e d e s i r a b l e . O n t h e w h o l e , i t i s d e s i r a b l e t o u s e t h e m i n i m u m a i r c o n t e n t n e c e s s a r y t o p r o d u c e a d u r a b l e c o n c r e t e [ 5 5 ] . 2 . 3 . 3 S p e c i f i c S u r f a c e ( S S ) T h e s p e c i fi c s u r f a c e i s d e fi n e d [ 5 3 ] a s " t h e s u r f a c e a r e a o f t h e a i r v o i d s d i v i d e d b y t h e i r v o l u m e , e x p r e s s e d i n c o m p a t i b l e u n i t s s o t h a t t h e u n i t o f t h e s p e c i fi c s u r f a c e i s 3 4 r e c i p r o c a l l e n g t h . " W h e n o t h e r c o n d i t i o n s a r e k e p t c o n s t a n t , t h e s p e c i fi c s u r f a c e d e c r e a s e s v e r y q u i c k l y w i t h a n i n c r e a s e i n t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o b e c a u s e t h e a v e r a g e v o i d s i z e i n c r e a s e s . I t i s a l s o o b v i o u s t h a t , a s t h e p r o p o r t i o n o f s m a l l b u b b l e s i n g i v e n v o l u m e o f a i r i n c r e a s e s , t h e s p e c i fi c . s u r f a c e w i l l a l s o i n c r e a s e . B r u e r e [ 5 5 ] i n d i c a t e s t h a t a h i g h s p e c i fi c s u r f a c e a l l o w s t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e w i t h l o w a i r c o n t e n t s , s i n c e t h e s p a c i n g f a c t o r i s i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e a i r c o n t e n t a n d s u r f a c e a r e a o f t h e b u b b l e s . M o r e o v e r , a t e q u a l a i r c o n t e n t s , t h e s a f e t y m a r g i n a g a i n s t r a p i d f r e e z i n g a n d v a r i a t i o n s i n s u r f a c e a r e a d u e t o v a r i a b l e m i x i n g , m i x t u r e s , o r m a t e r i a l s w i l l b e g r e a t e r f o r a c o n c r e t e w i t h h i g h e r s p e c i fi c s u r f a c e . T h e r e h a v e b e e n a n u m b e r o f r e c o m m e n d e d r a n g e s f o r t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . P o w e r s , f o r e x a m p l e , i n i t i a l l y s u g g e s t e d a r a n g e o f 3 0 0 t o 8 0 0 i n Z / i n 3 , w h e r e a s M i e l e n z e t a 1 . s t a t e d t h a t v a l u e s o f s p e c i fi c s u r f a c e m a y b e e x p e c t e d b e t w e e n 6 0 0 t o 1 1 0 0 i n 2 / i n 3 . M o s t a u t h o r i t i e s n o w r e c o m m e n d t h a t s p e c i fi c s u r f a c e s h o u l d n o t b e l e s s t h a n 6 0 0 i n z / i n 3 ( 2 4 m m z l m m 3 ) [ 4 7 , 5 6 ] . 2 . 3 . 4 V o i d F r e q u e n c y ( 1 1 ) V o i d f r e q u e n c y i s d e fi n e d a s " V o i d s p e r u n i t l e n g t h o f t r a v e r s e ; t h e n u m b e r o f a i r v o i d s i n t e r c e p t e d b y a t r a v e r s e l i n e d i v i d e d b y t h e l e n g t h o f t h a t l i n e . " I t i s a c r i t i c a l p a r a m e t e r i n d e t e r m i n i n g t h e s p e c i fi c s u r f a c e a n d t h e s p a c i n g f a c t o r . I f o t h e r c o n d i t i o n s a r e k e p t c o n s t a n t , t h e v o i d f r e q u e n c y d e c r e a s e s r a p i d l y w i t h i n c r e a s e i n w a t e r — c e m e n t r a t i o . A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ( A C 1 ) g u i d e l i n e s r e c o m m e n d t h a t t h e v o i d f r e q u e n c y « - 3 5 ( v o i d s p e r u n i t l e n g t h ) s h o u l d b e c o n s i d e r a b l y g r e a t e r t h a n t h e a i r c o n t e n t . 2 . 3 . 5 S p a c i n g F a c t o r ( S F ) T h e s p a c i n g f a c t o r i s o f t e n b e l i e v e d t o b e t h e m o s t i m p o r t a n t i n d i c a t o r o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y w i t h r e s p e c t t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g . I t i s d e fi n e d [ 5 3 ] a s " a n i n d e x r e l a t e d t o t h e m a x i m u m d i s t a n c e o f a n y p o i n t i n t h e c e m e n t p a s t e f r o m t h e p e r i p h e r y o f a n a i r v o i d , i n m i l l i m e t e r s o r i n c h e s . " T h i s d i s t a n c e m u s t b e s m a l l e n o u g h t o a l l o w t h e u n f r o z e n w a t e r , e x p e l l e d f r o m a c a p i l l a r y u n d e r f r e e z i n g c o n d i t i o n s , t o r e a c h a " p r o t e c t i v e " a i r v o i d . K l i e g e r [ 8 ] a d d e d t h a t " i f t h i s d i s t a n c e i s r e l a t i v e l y l a r g e , w a t e r m o v i n g t h r o u g h t h e p a s t e d u r i n g f r e e z i n g m a y d e v e l o p p r e s s u r e s s u f fi c i e n t t o c a u s e f a i l u r e b e f o r e t h e w a t e r c a n r e a c h a n a i r v o i d . " T h e r e f o r e , t h e s m a l l e r t h e s p a c i n g f a c t o r , t h e m o r e d u r a b l e w i l l b e t h e c o n c r e t e . P o w e r s i n i t i a l l y e s t i m a t e d t h a t a s p a c i n g f a c t o r o f 0 . 0 1 i n . ( 0 . 2 5 4 m m ) o r l e s s w a s r e q u i r e d t o p r o d u c e a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e [ 2 8 ] . M i e l e n z e t a l . r e c o m m e n d e d t h a t s p a c i n g f a c t o r s h o u l d b e l i m i t e d t o 0 . 0 0 6 t o 0 . 0 0 8 i n . ( 0 . 1 5 t o 0 . 2 0 m m ) f o r e x t r e m e e x p o s u r e . M a n y s p e c i fi c a t i o n s t o d a y [ 3 , 5 3 ] r e c o m m e n d a v a l u e o f 0 . 0 0 8 i n . ( 0 . 2 0 m m ) o r l e s s f o r d u r a b l e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o m o d e r a t e e x p o s u r e , a l t h o u g h s o m e w h a t l a r g e r v a l u e s m a y b e a l l o w e d f o r c o n c r e t e s s u b j e c t e d t o m i l d e x p o s u r e s , a n d s m a l l e r v a l u e s m a y b e n e e d e d f o r s e v e r e e x p o s u r e s , e s p e c i a l l y w h e n d e i c i n g c h e m i c a l s a r e u s e d . T h e s p e c i fi c a t i o n o f a s p a c i n g f a c t o r o f 0 . 0 0 8 i n . ( 0 . 2 0 m m ) h a s b e e n a s u b j e c t o f d e b a t e b e t w e e n r e s e a r c h e r s o f c o n c r e t e s m a d e w i t h d i f f e r e n t k i n d s o f a d m i x t u r e s . T y n e s [ 1 5 ] s t u d i e d c o n c r e t e s w i t h ( W / C o f 0 . 4 5 ) a n d w i t h o u t ( W / C o f 0 . 3 4 a n d 0 . 3 7 ) 3 6 H R W R . H e f o u n d s p a c i n g f a c t o r s o f 0 . 0 8 m m f o r c o n c r e t e w i t h o u t a d m i x t u r e s a n d 0 . 2 t o 0 . 3 m m f o r c o n c r e t e s w i t h a d m i x t u r e s , w h i c h p r o d u c e d d u r a b i l i t y f a c t o r s o f 8 4 , a n d 1 5 t o 5 5 , r e s p e c t i v e l y . H e a t t r i b u t e d t h e p o o r p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e w i t h H R W R t o t h e i n a b i l i t y o f t h e A B A t o p r o d u c e a p r o p e r a i r v o i d s y s t e m i n t h e p r e s e n c e o f H R W R . M i e l e n z a n d S p r o u s e [ 5 7 ] a n d P e r e n c h i o [ 5 8 ] d e t e r m i n e d t h a t , a l t h o u g h c o n c r e t e s w i t h H R W R p r o d u c e d h i g h e r s p a c i n g f a c t o r s t h a n t h e c o n v e n t i o n a l v a l u e s , t h e y d i d p r o v i d e d u r a b l e c o n c r e t e . T h e t h e o r y o f s p a c i n g f a c t o r w a s i n i t i a l l y d e v e l o p e d f o r r e l a t i v e l y h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o s ; s o m e r e s e a r c h e r s h a v e n o w b e g a n t o s t u d y t h e f a c t t h a t , f o r h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s , t h e r e q u i r e d s p a c i n g f a c t o r m i g h t b e a f u n c t i o n o f l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o . I n t h i s c o n t e x t , O k a d a e t a 1 . [ 5 9 ] t e s t e d a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e s w i t h W / C r a n g i n g f r o m 0 . 2 5 t o 0 . 5 5 i n a c c o r d a n c e w i t h A S T M C 6 6 6 P r o c e d u r e A [ 5 2 ] . T h e i r r e s u l t s a r e s h o w n i n fi g u r e s 2 . 7 a n d 2 . 8 , w h i c h i n d i c a t e t h a t t h e s p a c i n g f a c t o r r e q u i r e d t o p r o d u c e d u r a b l e c o n c r e t e i n c r e a s e s a s t h e W / C d e c r e a s e s . T h e h o r i z o n t a l p o r t i o n o f t h e c u r v e s f o r W / C a b o v e 0 . 5 0 a t a n o r d i n a t e 0 . 2 m m ( 0 . 0 0 8 i n . ) i n d i c a t e s t h e v a l i d i t y o f t h e c o n s t a n t s p a c i n g f a c t o r f o r h i g h e r W / C . P h i l l e o [ 6 0 ] , r e f e r r i n g t o t h e r e s u l t s o f O k a d a e t a 1 . , d r a w s t h e i n f e r e n c e f r o m t h e s e fi g u r e s t h a t t h e r e a p p e a r s t o b e n o n e e d f o r a m a x i m u m a l l o w a b l e s p a c i n g f a c t o r b e l o w a W / C o f 0 . 5 0 . H o w e v e r , t h e s e a u t h o r s h a d p r e v i o u s l y c o n c l u d e d t h a t s o m e a i r e n t r a i n m e n t i s r e q u i r e d , e v e n “ f o r l o w W / C c o n c r e t e s . T h e y o b t a i n e d d u r a b i l i t y f a c t o r s b e l o w 5 0 f o r c o n c r e t e s w i t h W / C o f 0 . 2 5 a n d 0 . 3 0 , w h i c h w a s i n c o n t r a d i c t i o n t o p r e v i o u s w o r k . T h e r e s u l t s o f K o b a y a s h i e t a 1 . [ 6 1 ] s h o w n i n fi g u r e 2 . 9 a l s o s u g g e s t t h a t h i g h e r s p a c i n g f a c t o r s p r o d u c e d u r a b l e c o n c r e t e f o r l o w e r W / C . T h e s e a u t h o r s a l s o b e l i e v e d t h a t s o m e a i r e n t r a i n m e n t i s n e c e s s a r y f o r l o w W / C , b u t ) m ( F S 3 7 . . a t l o F i g u r e 2 . 8 . R f e r l e a e t z i e o - n t o h f a w d u c r y a c b l i e l s i t [ y 5 , 9 w - ] a t e r - c e m e n t r a t i o , a n d s p a c i n g f a c t o r a t 1 0 0 0 . 3 8 0 O F N < 0 O F N ’ 3 O O A E o E I I l u l 0 e I l o I e ' ° : ‘ o - ' - - - - - - - - ‘ - - - - . - - - - - - O - o - - - - A - - ( A A A O " 0 ' " I O . O “ O . O . . W I C r ) 1 o 0 Q f 6 0 F y l f / i b O r u O A Q j 3 9 / 0 0 " 8 0 " N O r S p e c / fi g F a c t o r p m F i g u r e 2 . 9 . R e l a t i o n s h i p b e t w e e n a i r v o i d s p a c i n g f a c t o r a n d d u r a b i l i t y f a c t o r i n c o n c r e t e c o n t a i n i n g H R W R [ 6 1 ] . 4 O s p e c u l a t e d t h a t n o a i r e n t r a i n m e n t m a y b e n e c e s s a r y b e l o w W / C o f 0 . 2 5 . I n t h e n e x t c h a p t e r , t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e s p a c i n g f a c t o r a n d t h e u s e o f d i f f e r e n t m i n e r a l a d m i x t u r e s i n t h e p r e s e n c e o f c h e m i c a l a d m i x t u r e s i s e x p l o r e d . 2 . 3 . 6 P h i l l e o F a c t o r T h e c a l c u l a t i o n o f P o w e r s s p a c i n g f a c t o r i s b a s e d o n t h e a s s u m p t i o n t h a t a l l o f t h e a i r b u b b l e s i n t h e c o n c r e t e p a s t e a r e o f t h e s a m e s i z e a n d e q u a l l y s p a c e d . I n p r a c t i c a l s i t u a t i o n s t h i s i s n o t t h e c a s e . T h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r i s c a l c u l a t e d f r o m m e a s u r e m e n t s o f t h e p a s t e c o n t e n t , a i r c o n t e n t , a n d s p e c i fi c s u r f a c e . P o w e r s . e q u a t i o n s ( A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] p a r a g r a p h 1 4 ) t a k e i n t o a c c o u n t e q u a l s p h e r e s o f t h e s a m e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a a n d e a c h s p h e r e i s a s s u m e d t o b e a t t h e c e n t e r o f a c u b e o f p a s t e [ 2 8 ] . T h e s u m o f s u c h c u b e s i s c o n s i d e r e d t o b e e q u a l t o t h e t o t a l p a s t e c o n t e n t i n t h e c o n c r e t e . W h i l e c a l c u l a t - i n g t h e e x p r e s s i o n f o r p e r m i s s i b l e b u b b l e s p a c i n g f r o m t h e p a s t e c h a r a c t e r i s t i c s , P o w e r s h i m s e l f r e c o g n i z e d t h e s h o r t c o m i n g i n t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s [ 2 8 ] : " E q s . l 3 , l 4 , a n d 1 7 a p p l y o n l y t o a m a t e r i a l i n w h i c h t h e a i r v o i d s a r e o f t h e s a m e s i z e . T h e r e f o r e , t h e s e t h e o r e t i c a l e q u a t i o n s w o u l d n o t b e e x p e c t e d t o h o l d e x a c t l y f o r a m a t e r i a l i n w h i c h t h e v o i d s i z e s c o v e r a w i d e r a n g e . N e v e r t h e l e s s , w e m a y e x p e c t t h e e q u a t i o n s t o g i v e t h e c o r r e c t o r d e r o f m a g n i t u d e o f p r e s s u r e i n t e n s i t y a n d p e r m i s s i b l e s p a c i n g . " I n a c o n t i n u a t i o n o f t h e d i s c u s s i o n h e w r i t e s , " T h e t h e o r e t i c a l e q u a t i o n s . . . i n d i c a t e t h a t t h e m a x i m u m p e r m i s s i b l e s p a c i n g w i l l d i f f e r a c c o r d i n g t o d i f f e r e n c e s i n p a s t e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t o d i f f e r e n c e s i n r a t e o f c o o l i n g . . . . . T h e e q u a t i o n s f o r h y d r a u l i c p r e s s u r e i n v o l v e s i m p l i f y i n g a s s u m p t i o n s , a n d t h e c o m p u t a t i o n f o r L m a x ( s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n 4 1 m a x i m u m a i r c o n t e n t ) w i l l a p p l y s t r i c t l y o n l y t o p a s t e s i n w h i c h t h e a i r v o i d s a r e e q u a l i n s i z e . " F o r t h i s h e r e c o m m e n d e d a n e m p i r i c a l e s t a b l i s h m e n t o f t h e s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n a n e x t e n s i v e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m o f t e s t s . H i s c a l c u l a t i o n s o f t h e s p a c i n g f a c t o r ( A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] p a r a g r a p h 1 4 ) b a s e d o n l i n e a r t r a v e r s e r e s u l t s a r e b a s e d o n t h e a s s u m p t i o n , " . . . t h a t t h e v o i d s a r e e q u a l - s i z e s p h e r e s , e a c h s p h e r e h a v i n g t h e s a m e s p e c i fi c s u r f a c e a s t h e m e a s u r e d s p e c i fi c s u r f a c e . " P h i l l e o [ 6 2 ] s u g g e s t e d a n e w p a r a m e t e r w h i c h h e t e r m e d " T h e P r o t e c t e d V o l u m e C o n c e p t . " T h i s o f f e r e d p r o m i s e i n o v e r c o m i n g t h e l i m i t a t i o n s o f P o w e r s s p a c i n g f a c t o r , " . . . i t s m e r i t s h a d n e v e r b e e n t e s t e d b e c a u s e o f t h e d i f fi c u l t y i n o b t a i n i n g t h e n e c e s s a r y d a t a a n d p e r h a p s a l s o b e c a u s e o f t h e s o m e w h a t i n v o l v e d m a t h e m a t i c s u s e d " ( L a r s o n e t a l . [ 6 3 ] ) . P h i l l e o ’ s c o n c e p t r e q u i r e d a n a c c u r a t e e s t i m a t e o f t h e n u m b e r o f a i r b u b b l e s p e r u n i t v o l u m e o f p a s t e a s a n i n p u t . " T h i s r e q u i r e m e n t w a s p a r t i a l l y m e t t h r o u g h i m p r o v e d l i n e a r t r a v e r s e e q u i p m e n t . I t a l s o l e d t o a d d i t i o n a l s t u d y o f a i r b u b b l e s i z e d i s t r i b u t i o n . " T o d e t e r m i n e t h e b u b b l e s i z e d i s t r i b u t i o n , i t w a s n e c e s s a r y t o k n o w t w o t h i n g s : ( 1 ) t h e r e l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n o f t h e s p h e r e s ; a n d ( 2 ) t h e t o t a l n u m b e r o f s p h e r e s . L a r s o n e t a 1 . [ 6 3 ] s t u d i e d P h i l l e o ’ s c o n c e p t a n d d e r i v e d a m a t h e m a t i c a l e x p r e s - s i o n , t e r m e d t h e " P h i l l e o F a c t o r " . T h i s f a c t o r m a y b e t h o u g h t o f a s t h e t h i c k n e s s o f t h e s p h e r i c a l s h e l l s w i t h r a n d o m l y d i s t r i b u t e d a i r v o i d s s u c h t h a t t h e v o l u m e c o n t a i n e d i n a u n i t v o l u m e o f p a s t e c o n s t i t u t e s a g i v e n p e r c e n t a g e o f p a s t e . I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e P h i l l e o F a c t o r ( P F ) , o n e n e e d s t o [ 6 4 ] : ( 1 ) O b t a i n a n a i r v o i d c h o r d d i s t r i b u t i o n ; a n d ( 2 ) D e t e r m i n e t h e t o t a l n u m b e r o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e o f p a s t e . L a r s o n e t a 1 . e v a l u a t e d t h e p r o t e c t e d p a s t e v o l u m e c o n c e p t t h r o u g h a l a b o r a t o r y 4 2 p r o g r a m w h i c h i n v o l v e d e v a l u a t i o n o f l i m i t e d d a t a u s i n g a s i n g l e p r o b a b i l i t y f a c t o r , w h i l e t h e r e s u l t s o f t h e p r o g r a m d i d n o t w a r r a n t a n u n q u a l i fi e d a c c e p t a n c e o f t h e P h i l l e o s p a c i n g f a c t o r a s s u p e r i o r i n d i c a t o r o f f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . H o w e v e r , t h e e v i d e n c e w a s c o n s i d e r e d s u f fi c i e n t t o j u s t i f y f u r t h e r s t u d i e s o f t h i s k i n d a n d t o c o n t i n u e i m p r o v i n g t h e t e c h n i q u e s f o r c o l l e c t i n g a n d p r o c e s s i n g t h e n e c e s s a r y d a t a . I n a w r i t t e n d i s c u s s i o n , P h i l l e o h i m s e l f c o n g r a t u l a t e d t h e a u t h o r s f o r t h e d e v e 1 0 p m e n t o f e q u i p m e n t , c o l l e c t i o n o f d a t a , a n d a n a l y s i s o f r e s u l t s . H e a l s o s a i d t h a t t h e a p p r o x i m a t i o n o f t h e c h o r d d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n b y a n e x p o n e n t i a l f u n c t i o n w a s a w o r k a b l e m e t h o d f o r o v e r c o m i n g t h e d i f fi c u l t i e s i n h e r e n t i n t h e L o r d a n d W i l l i s [ 6 5 ] m e t h o d , y e t h e c o n s i d e r e d i t " u n f o r t u n a t e " t h a t t h e y f o u n d i t n e c e s s a r y t o r e s o r t t o t h e e x p o n e n t i a l f u n c t i o n . L a r s o n , e t a l . r e s p o n d e d t o M r . P h i l l e o ’ s c o m m e n t s a n d j u s t i fi e d t h e i r a p p r o a c h . T h e P h i l l e o f a c t o r i s c o n s i d e r e d b y m a n y t o b e a m o r e r e l i a b l e p a r a m e t e r f o r p r e d i c t i n g t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e t h a n t h e s p a c i n g f a c t o r . 2 . 3 . 7 A t t i o g b e M e a n S p a c i n g A t t i o g b e [ 6 6 ] , r e f e r r i n g t o P o w e r s [ 2 8 , 6 7 ] s a i d t h a t h i s e q u a t i o n s d i d n o t g i v e t h e a c t u a l m e a n s p a c i n g o f a i r v o i d s i n h a r d e n e d c o n c r e t e : " T h e e q u a t i o n s i n h e r e n t l y g i v e s p a c i n g f a c t o r s t h a t e x c e e d t h e a c t u a l m e a n s p a c i n g d u e t o t h e a s s u m p t i o n s m a d e i n d e r i v a t i o n s . " H e c o n c l u d e d f r o m h i s d i s c u s s i o n t h a t t h e a c t u a l a i r v o i d s p a c i n g i n t h e h a r d e n e d c o n c r e t e c o u l d b e m u c h l e s s t h a n i n d i c a t e d b y t h e c a l c u l a t e d s p a c i n g f a c t o r , a n d , a s s u c h , t h i s m a y n o t b e a c o n s i s t e n t p r e d i c t o r o f f r e e z e ~ t h a w d u r a b i l i t y . 4 3 R e g a r d i n g t h e P h i l l e o f a c t o r , A t t i o g b e m e n t i o n e d t h a t i t d e p e n d s o n a k n o w l e d g e o f t h e s i z e d i s t r i b u t i o n o f a i r v o i d s i n t h e h a r d e n e d c o n c r e t e . M o r e o v e r , e x i s t i n g m e t h o d s f o r d e t e r m i n i n g t h e v o i d s i z e d i s t r i b u t i o n w e r e n o t c o n s i d e r e d s u i t a b l e f o r r o u t i n e a n a l y s i s . T h u s , " A s s u c h , t h e P h i l l e o s p a c i n g f a c t o r c a n n o t b e e a s i l y a n d / o r a c c u r a t e l y d e t e r m i n e d f o r r o u t i n e c h a r a c t e r i z a t i o n o f a i r v o i d s y s t e m . " U s i n g p r o b a b i l i t y c o n c e p t s a n d s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p l e s , h e d e r i v e d a n e q u a t i o n ( w h i c h w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r ) f o r e s t i m a t i n g t h e m e a n s p a c i n g o f a i r v o i d s i n t h e c o n c r e t e , w h i c h h e c o m p a r e d w i t h P o w e r s s p a c i n g f a c t o r a n d f o u n d t o b e a b e t t e r p r e d i c t o r o f f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y t h a n t h e s t a n d a r d s p a c i n g f a c t o r . 2 . 4 S u m m a r y T h e a b o v e d i s c u s s i o n i n d i c a t e s t h a t u s e o f s o u n d a g g r e g a t e s , p r o p e r a i r e n t r a i n m e n t , l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o , a n d a d e q u a t e c u r i n g a r e t h e k e y f a c t o r s f o r m a k i n g o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . T h e m o s t i m p o r t a n t r e q u i r e m e n t s o f a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a r e t h e d e v e l o p m e n t o f f a v o r a b l e a i r v o i d s y s t e m a n d w a t e r p o r e s y s t e m . T h e r e a r e n u m e r o u s a i r v o i d s y s t e m a n d w a t e r p o r e s y s t e m p a r a m e t e r s w h i c h c a n b e u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f P C C . P o w e r s s p a c i n g f a c t o r i s c o n s i d e r e d t h e s i n g l e m o s t i m p o r t a n t i n d i c a t o r a n d i s w i d e l y i n d u r a b i l i t y s p e c i fi c a t i o n s , b u t t h e r e a r e p r o b l e m s w i t h i t s a p p l i c a b i l i t y f o r a l l c o n c r e t e s d u e t o s o m e i n h e r e n t l i m i t a t i o n s . T h e a p p l i c a b i l i t y o f a u n i v e r s a l s p a c i n g f a c t o r c r i t e r i a h a s a l s o b e e n q u e s t i o n e d . P h i l l e o f a c t o r i s t h o u g h t b y s o m e r e s e a r c h e r s , t o b e a m o r e a c c u r a t e p r e d i c t o r o f d u r a b i l i t y , b u t i s d i f fi c u l t t o c a l c u l a t e . A t t i o g b e ’ s m e a n s p a c i n g o f f e r s a n a l t e r n a t i v e a n d i s b e l i e v e d t o 4 4 o v e r c o m e p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h t h e o t h e r t w o , b u t n e e d s t o b e e v a l u a t e d f o r d i f f e r e n t k i n d s o f m i x d e s i g n s . T h e p r o b l e m b e c o m e s e v e n m o r e c o m p l e x w h e n t h e s e l e c t e d e v a l u a t i o n c r i t e r i o n i s a p p l i e d t o c o n c r e t e s p r e p a r e d w i t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s ( w h i c h w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e n e x t c h a p t e r ) . T h i s n e e d s t o b e r e s o l v e d o r a t l e a s t f u r t h e r c l a r i fi e d f o r t h e g u i d a n c e o f t h e u s e r s a n d r e s e a r c h e r s w o r k i n g i n t h e a r e a . n u n — y ’ - i n s o l u b l e m a t e r i a l s . I m p r o v e m e n t o f w o r k a b i l i t y , a c c e l e r a t i o n o r r e t a r d a t i o n o f s e t t i n g C H A P T E R I I I E F F E C T S O F A D M I X T U R E S O N F R O S T R E S I S T A N C E : P R E V I O U S R E S E A R C H 3 . 1 G e n e r a l A n a d m i x t u r e f o r c o n c r e t e i s d e fi n e d b y A C I 1 1 6 R [ 2 4 ] a n d A S T M C 1 2 5 [ 6 8 ] a s " a m a t e r i a l o t h e r t h a n w a t e r , a g g r e g a t e s , h y d r a u l i c c e m e n t , a n d fi b e r r e i n f o r c e m e n t , u s e d a s a n i n g r e d i e n t o f c o n c r e t e o r m o r t a r a n d a d d e d t o t h e b a t c h i m m e d i a t e l y b e f o r e o r d u r i n g m i x i n g . " T h e d e v e l o p m e n t o f a d m i x t u r e s i n t h e p a s t f o u r a n d a h a l f d e c a d e s h a s b r o u g h t s i g n i fi c a n t c h a n g e s i n t h e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . T r e m e n d o u s a m o u n t s o f r e s e a r c h b y t h e a d v a n c e d u s e r s o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e ( e . g . , U S A , J a p a n , G e r m a n y , U n i t e d K i n g d o m , A u s t r a l i a ) h a s b e e n , a n d i s s t i l l , d i r e c t e d t o w a r d s i m p r o v i n g i t s p r o p e r t i e s t h r o u g h t h e u s e o f d i f f e r e n t k i n d s o f a d m i x t u r e s . A d m i x t u r e s v a r y i n c o m p o s i t i o n f r o m s u r f a c t a n t s a n d s o l u b l e c h e m i c a l s t o 4 5 4 6 t i m e , c o n t r o l o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t , r e d u c e d c o s t , a n d c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y , a s w e l l a s e n h a n c e m e n t o f r e s i s t a n c e t o f r o s t a c t i o n , t h e r m a l c r a c k i n g , a n d t h e a c t i o n s o f a c i d i c a n d s u l f a t e s o l u t i o n , a r e s o m e o f t h e m a j o r p u r p o s e s f o r t h e u s e o f a d m i x t u r e s . T h e u s e o f a d m i x t u r e s i n c o n c r e t e C A N a l s o h a v e a s i g n i fi c a n t a f f e c t o n t h e p r o p e r t i e s o f P C C e x p o s e d t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g . T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s d i s c u s s a d m i x t u r e s t h a t h a v e b e e n u s e d i n t h i s r e s e a r c h w o r k . 3 . 2 C h e m i c a l A d m i x t u r e s 3 . 2 . 1 A i r E n t r a i n i n g A g e n t s T h e r e s e a r c h w o r k o f t h e p a s t f e w d e c a d e s h a s i n d i c a t e d t h a t t h e g r e a t e s t s i n g l e f a c t o r i n p r o d u c i n g a d u r a b l e c o n c r e t e t h a t w i l l b e r e s i s t a n t t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g i s t h e p r e s e n c e o f a w e l l - d i s t r i b u t e d a i r v o i d s y s t e m i n t h e c e m e n t p a s t e . T h i s c a n b e a c h i e v e d w i t h t h e p r 0 p e r u s e o f a g o o d q u a l i t y a i r e n t r a i n i n g a g e n t ( A B A ) . A i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s a r e s u r f a c t a n t s t h a t c o n s i s t o f a n o n - p o l a r h y d r o c a r b o n c h a i n w i t h a n a n i o n i c p o l a r g r o u p . L e a [ 6 9 ] e x p l a i n e d t h a t a t a i r - w a t e r i n t e r f a c e s t h e p o l a r g r o u p s a r e o r i e n t e d t o w a r d s t h e w a t e r p h a s e , t h e r e b y l o w e r i n g s u r f a c e t e n s i o n , p r o m o t i n g b u b b l e f o r m a t i o n , a n d c o u n t e r a c t i n g t h e t e n d e n c y o f t h e d i s p e r s e d b u b b l e s t o c o a l e s c e . A t s o l i d - w a t e r i n t e r f a c e s , w h e r e d i r e c t i v e f o r c e s e x i s t i n t h e c e m e n t s u r f a c e , t h e p o l a r g r o u p s b e c o m e b o u n d t o t h e s o l i d w i t h t h e n o n - p o l a r g r o u p s o r i e n t e d t o w a r d s ‘ t h e w a t e r , m a k i n g t h e c e m e n t s u r f a c e h y d r o p h o b i c ( w a t e r r e p e l l e n t ) . T h e s e p o l a r g r o u p s a r e e l e c t r i c a l l y c h a r g e d s o t h a t a i r c a n d i s p l a c e w a t e r a n d r e m a i n a t t a c h e d t o t h e s o l i d b a s e d v a r i e t i e s , h a v e n o t b e e n e n t i r e l y s a t i s f a c t o r y w i t h r e s p e c t t o s t a b i l i t y o f t h e n u m b e r 4 7 p a r t i c l e s a s b u b b l e s [ 6 9 ] . I n o t h e r w o r d s , t h e n e g a t i v e c h a r g e i s a t t a c h e d t o t h e p o s i t i v e l y c h a r g e d c e m e n t p a r t i c l e , w h i c h h e l p s i n s t a b i l i z i n g t h e b u b b l e s . T h e A E A f o r m s a t o u g h , w a t e r - r e p e l l i n g fi l m w i t h s u f fi c i e n t s t r e n g t h a n d e l a s t i c i t y t o c o n t a i n a n d s t a b i l i z e t h e a i r b u b b l e s a n d p r e v e n t t h e m f r o m c o a l e s c i n g . T h i s fi l m k e e p s t h e p o s i t i v e l y c h a r g e d w a t e r p a r t i c l e s a w a y f r o m t h e b u b b l e s [ 4 7 ] . F o r a d u r a b l e a n d f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e , t h e r e q u i r e d a m o u n t o f t h e a i r e n t r a i n m e n t i s d e p e n d e n t o n t h e a g g r e g a t e s i z e a s w e l l a s t h e s e v e r i t y o f e x p o s u r e . A s ' t h e a g g r e g a t e s i z e d e c r e a s e s , t h e s u r f a c e a r e a i n c r e a s e s . T h i s , i n t u r n , r e q u i r e s g r e a t e r a m o u n t s o f p a s t e t o c o v e r t h e a g g r e g a t e . A s a n e t r e s u l t , a i r c o n t e n t i n c r e a s e s . T h e a i r c o n t e n t s r e c o m m e n d e d b y A C I C o m m i t t e e 2 0 1 [ 3 ] f o r f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a s a f u n c t i o n o f a g g r e g a t e s i z e a r e s h o w n i n t a b l e 3 . 1 . T a b l e 3 . 1 . R e c o m m e n d e d a i r c o n t e n t s f o r f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e [ 3 ] . N o m i n a l m a x i m u m A v e r a g e a i r c o n t e n t , p e r c e n t * a g g r e g a t e S i z e , m . ( m ) S e v e r e e x p o s u r e M o d e r a t e E x p o s u r e 0 . 3 7 5 ( 9 . 5 ) 7 . 5 6 0 . 5 ( 1 2 . 5 ) 7 5 . 5 0 . 7 5 ( 1 9 ) 6 5 1 . 5 ( 3 8 ) 5 . 5 4 . 5 3 ( 7 5 ) 4 . 5 3 . 5 6 ( 1 5 0 ) 4 3 * A r e a s o n a b l e t o l e r a n c e f o r a i r c o n t e n t i n t h e fi e l d c o n d i t i o n s i s 3 F 1 . 5 p e r c e n t . T h e t o l e r a n c e l i m i t s a c c o r d i n g t o r e f e r e n c e [ 4 7 ] a r e - 1 % a n d + 2 % . A c c o r d i n g t o s o m e s t u d i e s , m o s t k n o w n t y p e s o f A E A s , e s p e c i a l l y w o o d r e s i n - 4 8 a n d / o r v o l u m e o f v o i d s t h e y h a v e p r o d u c e d [ 1 1 ] . T h a t i s , t h e y s h o w i n c r e a s e d o r d e c r e a s e d a i r c o n t e n t t e n d e n c y a s t h e m i x i n g t i m e i n c r e a s e s . T h e t y p e a n d t h e q u a n t i t y o f t h e A B A b e i n g u s e d i n a p a r t i c u l a r e n v i r o n m e n t h a s s p e c i fi c e f f e c t s o n t h e d e v e l o p m e n t o f a s t a b l e a i r v o i d s y s t e m . F o r e x a m p l e , W o o d [ 7 ] s h o w e d t h a t t h e i n c o r p o r a t i o n o f fi v e t o s i x p e r c e n t a i r c o n t e n t u s i n g fi v e d i f f e r e n t t y p e s o f A E A s p r o d u c e d 2 4 0 0 0 , 4 9 0 0 0 , 5 5 0 0 0 , 1 7 0 0 0 0 , a n d 8 0 0 0 0 0 a i r v o i d s p e r c u b i c c e n t i m e t e r o f h a r d e n e d c e m e n t p a s t e . T h e c o r r e s p o n d i n g c o n c r e t e s p e c i m e n s s u r v i v e d 2 9 , 3 9 , 8 2 , 1 0 0 a n d 5 5 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s , r e s p e c t i v e l y , b e f o r e e x h i b i t i n g 0 . 1 p e r c e n t e x p a n s i o n . A f t e r a l e n g t h y l i t e r a t u r e r e v i e w , t h e N a t i o n a l C o o p e r a t i v e H i g h w a y R e s e a r c h P r o g r a m R e p o r t 2 5 8 [ 7 0 ] c a t e g o r i z e d d i f f e r e n t v a r i a b l e s i n fl u e n c i n g c o n t r o l o f a i r c o n t e n t . A c c o r d i n g t o t h i s s u r v e y , t h e m o s t p r e v a l e n t p r o b l e m s a f f e c t i n g c o n t r o l o f e n t r a i n e d a i r c o n t e n t i n c o n c r e t e a r e t h e b a t c h i n g p r o c e d u r e a n d t h e c h e m i c a l a d m i x t u r e s . T h i s r e p o r t c o n c l u d e s t h a t u p t o t e n t i m e s t h e n o r m a l d o s e o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t i s s o m e t i m e s n e e d e d t o o b t a i n s p e c i fi e d a i r c o n t e n t s i n l o w s l u m p , d e n s e o v e r l a y m i x t u r e s . W i t h a p a r t i c u l a r A E A , i t m a y n o t b e p o s s i b l e t o a c h i e v e s p e c i fi e d a i r c o n t e n t s e v e n a t h i g h d o s a g e r a t e s . O n c e t h e s p e c i fi e d a i r c o n t e n t h a s b e e n a c h i e v e d , t h e c o n c r e t e i s a s s u m e d t o e x h i b i t a n e x c e l l e n t a i r v o i d s y s t e m a n d i s e x p e c t e d t o o f f e r l o n g t e r m d u r a b i l i t y , p r o v i d e d t h e c o n c r e t e i s a d e q u a t e l y c o n s o l i d a t e d . K l i e g e r [ 7 1 ] f o u n d t h a t t h e s t r e n g t h r e d u c t i o n d u e t o a i r c o n t e n t d e p e n d s o n t h e c e m e n t c o n t e n t , a g g r e g a t e s i z e , a n d a m o u n t o f A B A . H e f o u n d t h a t s i x p e r c e n t o f a i r c o n t e n t r e s u l t e d i n a r e d u c t i o n o f 2 . 7 p e r c e n t o f fl e x u r a l s t r e n g t h a n d a c o m p r e s s i o n s t r e n g t h r e d u c t i o n o f 3 . 9 p e r c e n t p e r p e r c e n t o f a i r . L i t v a n r e p o r t s [ 1 3 ] t h a t s u b s t a n t i a l 4 9 l o s s o f m e c h a n i c a l s t r e n g t h i s u n n e c e s s a r y a n d c a n b e a v o i d e d w i t h o u t l o s s o f f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y . G o o d f r o s t r e s i s t a n c e a p p e a r s t o b e p o s s i b l e b y i n c r e a s i n g t h e v o l u m e o f s m a l l p o r e s , t h u s a v o i d i n g t h e l o s s o f m e c h a n i c a l s t r e n g t h . T h e U S B u r e a u o f R e c l a m a t i o n f o u n d t h a t a i r - e n t r a i n e d p a s t e s w i t h h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o w e r e m o r e d u r a b l e t h a n n o n a i r — e n t r a i n e d p a s t e s w i t h l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o s , w h i c h m e a n s t h e r e l a t i v e i m p r o v e m e n t i n d u r a b i l i t y d u e t o a i r e n t r a i n m e n t i s g r e a t e r t h a n t h e i n c r e a s e d d u r a b i l i t y o b t a i n e d b y d e c r e a s i n g t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o [ 5 0 ] . I n t h e a b o v e d i s c u s s i o n i t w a s n o t e d t h a t f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s a c h i e v e d n o t o n l y w i t h i n c r e a s e d a i r c o n t e n t b u t a l s o t h r o u g h a w e l l - d i s t r i b u t e d a i r v o i d s y s t e m , w h i c h c a n b e o b t a i n e d w i t h t h e u s e o f a n A E A . O n t h e o t h e r h a n d , a l l A E A s d o n o t p r o v i d e t h e w e l l - d i s t r i b u t e d a i r v o i d s y s t e m n e c e s s a r y f o r f r o s t r e s i s t a n c e , a n d t h e a d m i x t u r e d o s a g e s a l s o v a r y . A c c o r d i n g t o K l i e g e r a n d m a n y o t h e r s , t h e i n c o r p o r a t i o n o f a i r e n t r a i n m e n t a l s o r e s u l t s i n a r e d u c t i o n o f s t r e n g t h . L i t v a n , o n t h e o t h e r h a n d s a y s t h a t s t r e n g t h c a n b e m a i n t a i n e d b y i n c r e a s i n g t h e q u a n t i t y o f s m a l l p o r e s . T h i s s u g g e s t s t h e p o s s i b i l i t y o f m a k i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e t h r o u g h t h e u s e o f m i n e r a l a d m i x t u r e s t h a t a f f e c t t h e p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e . T h i s i s d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s . A g r e a t d e a l o f r e s e a r c h h a s b e e n c o n d u c t e d t o s t u d y t h e e f f e c t s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s o n t h e a m o u n t a n d t y p e o f A E A s , a n d t h e r e s u l t i n g a i r v o i d s y s t e m . T h i s r e s e a r c h i s s u m m a r i z e d i n t h e s u c c e e d i n g p a r a g r a p h s . 5 0 3 . 2 . 2 W a t e r R e d u c e r s / S u p e r p l a s t i c i z e r s T y p i c a l w a t e r - r e d u c e r s r e d u c e t h e r e q u i r e m e n t o f w a t e r c o n t e n t b y a p p r o x i m a t e l y fi v e t o t e n p e r c e n t w h e r e a s s u p e r p l a s t i c i z e r s r e d u c e w a t e r c o n t e n t d e m a n d b y t w e l v e t o t h i r t y p e r c e n t [ 4 7 ] . A S T M C 4 9 4 - 9 0 [ 7 2 ] d i v i d e s t h e w a t e r - r e d u c i n g a n d / o r s e t c o n t r o l l i n g c h e m i c a l s i n t o s e v e n t y p e s . T h e w a t e r - r e d u c i n g a n d h i g h - r a n g e w a t e r - r e d u c i n g a d m i x t u r e s , w h i c h a r e o f i n t e r e s t f r o m t h i s r e s e a r c h p o i n t o f v i e w , w i l l b e d i s c u s s e d . T h e r e a r e b a s i c a l l y f o u r w a y s t o u s e W R a n d I - I R W R , b u t n u m e r o u s c o m b i n a t i o n s o f t h e s e a r e a l s o p o s s i b l e [ 2 , 5 ] : ( 1 ) T o p r o d u c e h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e . T h e i n v e n t i o n o f s u p e r p l a s t i c i z e r s h a s o p e n e d n e w a v e n u e s f o r m a k i n g h i g h s t r e n g t h ( 1 5 0 0 0 t o 2 0 0 0 0 p s i ) w o r k a b l e c o n c r e t e s w i t h l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o s . J a p a n i s t h e p r i m e u s e r o f t h i s t e c h n i q u e . ( 2 ) T o p r o d u c e c o n c r e t e w i t h l o w c e m e n t c o n t e n t s . T h e c o s t o f c o n c r e t e c a n b e g r e a t e l y r e d u c e d b y p r o d u c i n g c o n c r e t e s w i t h t h e s a m e w o r k a b i l i t y a n d w a t e r - c e m e n t r a t i o a t l o w c e m e n t c o n t e n t s . ( 3 ) T o p r o d u c e " fl o w i n g c o n c r e t e " . S l u m p c a n b e i n c r e a s e d f r o m t h r e e i n . ( 7 5 m m ) t o m o r e t h a n e i g h t i n . ( 2 0 0 m m ) w i t h o u t c h a n g i n g t h e c e m e n t c o n t e n t a n d w a t e r - c e m e n t r a t i o . W h i l e t h i s t y p e o f c o n c r e t e i s g e n e r a l l y e x p e n s i v e i n p r o d u c t i o n ( d u e t o t h e l a r g e d e m a n d f o r e x p e n s i v e a d m i x t u r e s ) , t h e e c o n o m i c a d v a n t a g e l i e s i n t h e r e d u c t i o n o f p l a c e m e n t c o s t s . C o n c r e t e m a d e u s i n g w i t h t h i s t e c h n i q u e c a n b e p l a c e d w i t h g r e a t e r a s s u r a n c e o f f r e e d o m f r o m h o n e y c o m b i n g i n c o n g e s t e d f o r m s o r a r o u n d s t e e l r e i n f o r c e m e n t , a n d r e q u i r e s l e s s v i b r a t i o n . 5 1 T h i s i s t h e m e t h o d o f c h o i c e i n G e r m a n y . ( 4 ) H R W R s p r o v i d e a n e c n o m i c a l m e a n s o f p r o v i d i n g h i g h e a r l y s t r e n g t h c o n c r e t e . T h i s a p p e a r s t o b e t h e m o s t p o p u l a r a p p l i c a t i o n i n t h e U S A a n d C a n a d a . T h e w a t e r r e d u c e r s a n d h i g h - r a n g e w a t e r r e d u c e r s , a l s o k n o w n a s " s u p e r p l a s t i c i z e r s " o r " s u p e r - w a t e r r e d u c e r s " , g e n e r a l l y b e l o n g t o o n e o f f o u r t y p e s [ 5 ] : S u l f o n a t e d m e l a m i n e - f o r m a l d e h y d e c o n d e n s a t e s ; S u l f o n a t e d n a p h t h a l e n e - f o r m a l d e h y d e c o n d e n s a t e s ; 5 M o d i fi e d l i g n o s u l f o n a t e s ; a n d P o l y c a r b o x y l a t e d e r i v a t i v e s . T h e l a s t t w o a r e s o d i u m s a l t s w i t h h i g h m o l e c u l a r w e i g h t c o n d e n s a t e s a n d m a y b e a u g m e n t e d b y s e t - c o n t r o l l i n g c h e m i c a l s . A l l f o u r t y p e s a r e c o m p o u n d s o f c o m p l e x , h i g h m o l e c u l a r w e i g h t g r o u p s . I n 1 9 5 8 J a p a n w a s t h e fi r s t c o u n t r y t o d e v e l o p t h e n a p h t h a l e n e g r o u p , w h i l e t h e m e l a m i n e g r o u p w a s d i s c o v e r e d i n G e r m a n y i n a b o u t 1 9 7 0 . T h e m o d i fi e d l i g n o s u l f o n a t e s a r e m o s t c l o s e l y a s s o c i a t e d w i t h r e c e n t N o r t h A m e r i c a n p r a c t i c e . T h e r e s e a r c h i n t o a n d u s e o f H R W R i n U n i t e d S t a t e s b e g a n i n a b o u t 1 9 7 4 [ 2 5 ] . T h e e f f e c t o f w a t e r r e d u c e r s / s u p e r p l a s t i c i z e r s w i t h r e s p e c t t o t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e i s s t i l l a c o n t r o v e r s i a l i s s u e . T h e b a s i c c o n c e r n i s t h a t w h e n w a t e r r e d u c e r s / s u p e r p l a s t i c i z e r s a r e u s e d w i t h a n a i r e n t r a i n i n g a g e n t , t h e y o f t e n f a i l t o p r o d u c e a i r v o i d s y s t e m s t h a t a r e c o n s i d e r e d e s s e n t i a l f o r f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . G i a m i e t r o a n d C a n g i a n o [ 1 4 ] f o u n d t h a t t h e p r e s e n c e o f s u p e r p l a s t i c i z e r s r e s u l t e d i n t h e p r o d u c t i o n o f a l e s s s t a b l e a i r v o i d s y s t e m , a s c o m p a r e d t o t h e a i r v o i d s y s t e m 5 2 p r o d u c e d b y t h e a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e a l o n e . M i c r 0 3 0 0 p i c e x a m i n a t i o n o f t h e h a r d e n e d c o n c r e t e s h o w e d t h a t t h e a i r b u b b l e s p r o d u c e d i n t h e p r e s e n c e o f s u p e r p l a s t i c i z e r s a r e a b o u t t w o t o t h r e e t i m e s l a r g e r t h a n t h o s e c a u s e d b y A E A . I t a p p e a r s t h a t s u p e r p l a s t i c i z e r s w o u l d p r o d u c e a s y s t e m o f b u b b l e s n o t " b o u n d " t o t h e c e m e n t p a r t i c l e s , w i t h c o n s e q u e n t p o s s i b l e c o a l e s c e n c e p h e n o m e n a . T h i s i s u n l i k e t h e t h e b u b b l e s p r o d u c e d b y A E A s , w h i c h a r e g e n e r a l l y b o u n d t o t h e c e m e n t a n d a g g r e g a t e p a r t i c l e s . P h i l l e o [ 7 3 ] h y p o t h e s i z e d t h a t H R W R d o n o t s i g n i fi c a n t l y a l t e r t h e p o r e s t r u c t u r e o f t h e l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o p a s t e s . M o r e o v e r , h e i n d i c a t e d t h a t t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e f r e e z a b l e w a t e r . L i t v a n [ 1 3 ] e x p l a i n e d t h a t t h e s u p e r p l a s t i c i z e r s e l i m i n a t e l a r g e a i r v o i d s v i s i b l e u n d e r m i c r o s c o p e b u t d o n o t s i g n i fi c a n t l y i n t e r f e r e w i t h t h e a c t i o n o f t h e a i r e n t r a i n i n g a g e n t s i n f o r m i n g o f s m a l l p o r e s . S u c h c o n c r e t e s h a v e a c o n s i d e r a b l e p e r c e n t a g e o f p o r e s i n t h e r a n g e o f 0 . 3 t o 2 m i c r o n s , w h i c h a r e b e l i e v e d t o i m p r o v e f r o s t r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s d e S p i t e e x h i b i t i n g h i g h e r v a l u e s o f t h e s p a c i n g f a c t o r ( i n t h e r a n g e o f 0 . 0 0 8 t o 0 . 0 1 7 i n c h ( 0 . 2 t o 0 . 4 3 m m ) ) . L a n e [ 7 4 ] c o n c l u d e d t h a t t h e s u p e r p l a s t i c i z e r s a r e c o m p a t i b l e w i t h fl y a s h c o n c r e t e a n d p r o d u c e n o d e t r i m e n t a l e f f e c t . W a t e r r e d u c t i o n s f o r e q u a l s l u m p d i d n o t e x c e e d 1 5 % , w h i c h i m p r o v e d t h i s c h a r a c t e r i s t i c o n l y s l i g h t l y o v e r t h e s t a n d a r d w a t e r r e d u c e r s . L o w w a t e r r e d u c t i o n w a s a t t r i b u t e d t o t h e l o w e r w a t e r r e q u i r e m e n t f o r t h e fl y a s h c o n c r e t e a s c o m p a r e d t o o r d i n a r y c o n c r e t e w i t h e q u a l c o n s i s t e n c y . E a r l y r e s e a r c h i n t h e U S w a s c a r r i e d o u t b y T y n e s a t W E S [ 2 1 ] , M a l h o t r a a t C A N M E T [ 2 2 ] , a n d W h i t i n g a t P o r t l a n d C e m e n t A s s o c i a t i o n [ 2 3 ] . A l l o f t h e s e r e s e a r c h e r s g e n e r a l l y a g r e e d r e g a r d i n g t h e ' e f f e c t s o f t h e a d m i x t u r e s i n t e r m s o f w a t e r r e d u c i n g a b i l i t y , i m p r o v e d w o r k a b i l i t y , i n c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , a n d r e d u c t i o n 5 3 i n b l e e d i n g a n d s h r i n k a g e . H o w e v e r , t h e y r e p o r t e d m a j o r d i f f e r e n c e s o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e m a d e u s i n g t h e s e a d m i x t u r e s . E a r l y u s e r s o f t h e s e a d m i x t u r e s , h a d c o n c e r n s r e g a r d i n g t h e u l t i m a t e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . M o s t o f t h e c o n c e r n s w i t h r e s p e c t t o t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e w e r e b a s e d o n t h e d i s c r e p a n c i e s i n t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s m e a s u r e d a c c o r d i n g t o A S T M C 4 5 7 [ 5 3 ] a n d t h e r e s u l t s o f f r e e z e - t h a w t e s t i n g u s i n g r a p i d p r o c e d u r e s [ 2 5 ] . M o s t o f t h e s t u d i e s r e p o r t e d a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s i n f e r i o r t o t h e s t a n d a r d s p e c i fi c a t i o n s . I t w a s a l s o o b s e r v e d t h a t , i n s p i t e o f t h e s e d i s c r e p a n c i e s i n c o n c r e t e s u s i n g H R W R , t h e f r o s t r e s i s t a n c e w a s , i n g e n e r a l , s a t i s f a c t o r y . W h i t i n g f o u n d t h a t a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e s m a d e w i t h w a t e r - r e d u c e r s p r o d u c e d e x c e l l e n t r e s u l t s w h e n e x p o s e d t o r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g a n d d e i c i n g s a l t s , a l t h o u g h t h e s p a c i n g f a c t o r s w e r e g r e a t e r t h a n r e c o m m e n d e d v a l u e s [ 2 3 ] . I ’ W h e n s u p e r p l a s t i c i z e r s a r e u s e d t o p r o d u c e c o n c r e t e s w i t h l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o , r e d u c e d p e r m e a b i l i t y m a y p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e a s s e s s m e n t o f t h e l o n g t e r m d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . T h i s i s b e c a u s e t h e c o n c r e t e r e q u i r e s g r e a t e r t i m e t o b e c o m e c r i t i c a l l y s a t u r a t e d . O l k a d a e t a l . a r g u e d t h e n e e d f o r a s p a c i n g f a c t o r o f u p t o 0 . 0 1 i n . f o r w a t e r - c e m e n t r a t i o s g r e a t e r t h a n 0 . 4 5 [ 5 9 ] . T h e y a l s o c o n c l u d e d t h a t c o n c r e t e s w i t h l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o c a n b e d u r a b l e e v e n w i t h h i g h e r s p a c i n g f a c t o r s . K o b a y a s h i e t a l . [ 6 1 ] f o u n d a s u d d e n d r o p i n t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s w i t h a w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 5 5 w h e n t h e s p a c i n g f a c t o r i n c r e a s e d t o 0 . 0 1 i n . , w h e r e a s c o n c r e t e w i t h w a t e r - c e m e n t r a t i o s o f 0 . 4 2 a n d 0 . 3 2 s h o w e d s i m i l a r p e r f o r m a n c e u p t o s p a c i n g f a c t o r v a l u e s o f 0 . 0 1 5 a n d 0 . 0 1 8 i n . W h i t i n g [ 2 5 ] , s h o w e d t h a t h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s w i t h w a t e r - c e m e n t r a t i o s o f 0 . 3 1 w i l l b e d u r a b l e u p t o a s p a c i n g f a c t o r o f 0 . 0 1 2 i n . W h i t i n g [ 7 5 ] , w h i l e s t u d y i n g s u p e r p l a s t i c i z e r s f o r h i g h w a y a p p l i c a t i o n s , r e p o r t e d i n t e r a c t i o n o f s u p e r p l a s t i c i z e r s w i t h A B A , a n d i t s f a i l u r e t o p r o d u c e t h e a i r v o i d s y s t e m 5 4 t h a t t h e s p a c i n g f a c t o r w a s c o r r e l a t e d w i t h i n c r e a s i n g c o a r s e n e s s o f a i r v o i d d i s t r i b u t i o n . H e f o u n d t h a t t h e c o a r s e n e s s o f a n a i r v o i d s y s t e m w a s c o m m o n t o a l l s u p e r p l a s t i c i z e r s a n d t h e i r c o m b i n a t i o n s w i t h a i r e n t r a i n i n g a g e n t s . H e a l s o f o u n d t h a t a n i n c r e a s e i n a i r c o n t e n t i n f r e s h c o n c r e t e b e y o n d e i g h t p e r c e n t a l l o w e d s u f fi c i e n t a i r t o b e r e t a i n e d i n h a r d e n e d c o n c r e t e s o a s t o m i t i g a t e t h e d i s t r i b u t i o n s h i f t e f f e c t a n d d e c r e a s e t h e s p a c i n g f a c t o r b e l o w 0 . 0 0 8 i n . [ 2 5 ] . H o w e v e r , e x t e n d e d v i b r a t i o n r e d u c e d a i r c o n t e n t a n d i n c r e a s e d s p a c i n g f a c t o r s . R e d u c t i o n i n a i r c o n t e n t o f h a r d e n e d c o n c r e t e c o n t a i n i n g H R W R b e l o w fi v e p e r c e n t s h o w e d p o o r r e s i s t a n c e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g . W h i t i n g e t a 1 . [ 2 5 ] p r o v i d e fi e l d p e r f o r m a n c e d a t a o f c o n c r e t e s c o n t a i n i n g H R W R i n h i g h w a y p a v e m e n t s a n d b r i d g e d e c k s . T h e o v e r a l l g o a l o f t h i s w o r k w a s t o s t u d y t h e e f f e c t s o f H R W R , i f a n y , o n t h e l o n g t e r m d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e e x p o s e d t o s e v e r e f r e e z e - t h a w e n v i r o n m e n t s . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e . H R W R s i n t h e m s e l v e s h a v e n o s i g n i fi c a n t d e l e t e r i o u s e f f e c t s o n t h e s u r f a c e d u r a b i l i t y o f P C C e x p o s e d t o f r e e z e - t h a w e n v i r o n m e n t s a n d d e i c i n g a g e n t s . T h e c h a r a c t e r i s t i c s w h i c h l e a d t o d u r a b l e c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e ( i . e . , l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d p r o p e r a i r e n t r a i n m e n t ) , a r e a l s o a p p l i c a b l e t o c o n c r e t e c o n t a i n i n g H R W R . I t w a s a l s o n o t e d t h a t , a l t h o u g h t h e s p a c i n g f a c t o r a n d t h e s p e c i fi c s u r f a c e i n m a n y H R W R c o n c r e t e s f a i l t o m e e t m i n i m u m e s t a b l i s h e d g u i d e l i n e s , o t h e r f a c t o r s , n a m e l y w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d a m o u n t o f e n t r a i n e d a i r r e m o v e d f r o m t h e n e a r s u r f a c e z o n e , h a v e g r e a t e r i n fl u e n c e o n d u r a b i l i t y t h a n d o a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s m e a s u r e d i n b u l k o f t h e c o n c r e t e . T h e a b o v e d i s c u s s i o n i l l u s t r a t e s t h e c e n t r o v e r s i e s i n t h e u s e o f H R W R w i t h r e s p e c t t o f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . T h e s e d i f f e r e n c e s a r e b a s i c a l l y a b o u t t h e 5 5 c o n s i d e r e d e s s e n t i a l f o r f r o s t r e s i s t a n c e ( a c c o r d i n g t o t h e e x i s t i n g s p e c i fi c a t i o n ) o r p r o v i d i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e e v e n i f o u t o f s p e c i fi c a t i o n . T h i s l e a d s t o t h e q u e s t i o n s a b o u t t h e v a l i d i t y o f c u r r e n t s p a c i n g f a c t o r c r i t e r i a b e i n g a p p l i e d t o c o n c r e t e s w i t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s , w h i c h m u s t b e a d d r e s s e d . 3 . 3 M n e r a l A d m i x t u r e s 3 . 3 . 1 G e n e r a l M i n e r a l a d m i x t u r e s , a l s o k n o w n a s p o z z o l a n s o r fi l l e r s , a r e c u r r e n t l y b e i n g u s e d v e r y w i d e l y . T h e y a r e e x p e c t e d t o g a i n e v e n m o r e p r o m i n e n c e b e c a u s e o f t h e i r e x t e n s i v e p r o d u c t i o n , c o s t e f f e c t i v e n e s s , a n d t h e i r b e n e fi c i a l e f f e c t s o n p r o p e r t i e s o f P C C w h e n u s e d i n a p p r o p r i a t e p r o p o r t i o n s . T h e m o s t c o m m o n t y p e s o f m i n e r a l a d m i x t u r e s b e i n g u s e d a r e fl y a s h e s , g r o u n d b l a s t f u m a c e s l a g , a n d s i l i c a f u m e . T h e y i m p a r t d i f f e r e n t t y p e o f c h a r a c t e r i s t i c s t o p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . T h e s e a r e b r i e fl y d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n g p a r a g r a p h s . 3 . 3 . 2 F l y A s h G e n e r a l T h e p o s s i b l e u s e o f fl y a s h a s a p o z z o l a n i c i n g r e d i e n t w a s fi r s t r e c o g n i z e d a s e a r l y a s 1 9 1 4 , b u t t h e a n n o t e d b i b l i o g r a p h y p r e p a r e d b y A b d u n - N u r [ 7 6 ] i n d i c a t e s t h a t t h e 5 6 w o r k b y D a v i s i n 1 9 3 7 i s t h e e a r l i e s t s u b s t a n t i a l s t u d y p e r f o r m e d o n t h i s s u b j e c t i n t h e U n i t e d S t a t e s [ 7 7 ] . R o m a n s , a b o u t 2 0 0 0 y e a r s a g o , u s e d v o l c a n i c a s h , c a l l e d " p u l v i s p u t e o l a n u s " ( l a t e r c h a n g e d t o " p o z z o l a n a " ) w i t h l i m e t o p r o d u c e m o r t a r a n d c o n c r e t e [ 1 ] . S i n c e t h e l a t e 1 9 3 0 3 c o n t i n u o u s w o r k h a s b e e n d o n e o n t h e u s e o f fl y a s h a s a c o n c r e t e i n g r e d i e n t . T o d a y i t h a s b e c o m e m o r e s i g n i fi c a n t d u e t o e c o n o m i c a l a n d e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s . A l t h o u g h s t a t i s t i c s a r e n o t a v a i l a b l e f r o m t h e f o r m e r U S S R , t h e U S A , t h e f o r m e r U S S R , C h i n a , I n d i a , t h e U K , a n d S o u t h A f r i c a a r e c o n s i d e r e d t h e l a r g e s t p r o d u c e r s o f fl y a s h , w i t h a t l e a s t 1 0 m i l l o n t o n s p e r a n n u m [ 7 8 ] . T h e u s e o f fl y a s h b y t h e c e m e n t a n d c o n c r e t e i n d u s t r y v a r i e s f r o m a m a x i m u m o f 2 0 % i n C h i n a t o a m i n i m u m o f 1 % i n S o u t h A f r i c a . T h e a n n u a l w o r l d c o n s u m p t i o n o f c o a l i n e l e c t r i c a l p o w e r p l a n t s i s 3 0 0 0 m i l l i o n t o n s ( 2 0 % i n t h e U S ) , w h i c h r e s u l t s i n t h e p r e c i p i t a t i o n o f a b o u t 3 0 0 m i l l i o n t o n s o f fl y a s h [ 7 9 ] . T h e a n n u a l c e m e n t p r o d u c t i o n i n t h e w o r l d i s a b o u t o n e b i l l i o n t o n s , w h i c h i s u s e d i n a b o u t s i x b i l l i o n t o n s o f c o n c r e t e . T h e s e fi g u r e s a r e e x p e c t e d t o d o u b l e b y t h e y e a r 2 0 0 0 [ 7 9 , 8 0 ] . T h e s e d a t a i n d i c a t e s t h a t t h e p o t e n t i a l f o r u s i n g fl y a s h i s s t i l l f a r f r o m b e i n g r e a l i z e d . P r o d u c t i o n o f F l y A s h D u r i n g c o m b u s t i o n i n m o d e r n p o w e r p l a n t s , p o w d e r e d c o a l p a s s e s t h r o u g h h i g h t e m p e r a t u r e f u r n a c e s w h e r e t h e v o l a t i l e m a t t e r a n d c a r b o n a r e b u r n e d o f f . M o s t o f t h e i m p u r i t i e s ( e , g . , q u a r t z , c l a y s , a n d f e l d s p a r ) m e l t a t h i g h t e m p e r a t u r e s . T h e f u s e d m a t t e r i s t h e n i m m e d i a t e l y t a k e n t o t h e l o w e r t e m p e r a t u r e s z o n e s w h e r e i t s o l i d i fi e s a s s p h e r i c a l p a r t i c l e s o f g l a s s . A s m a l l p o r t i o n o f t h e m i n e r a l m a t t e r f o r m s t h e b o t t o m a s h . H o w e v e r , 5 7 m o s t o f i t fl i e s o u t w i t h t h e fl u e g a s a n d , a s s u c h , i s c a l l e d " fl y a s h " . T h i s fl y a s h i s l a t e r r e m o v e d f r o m t h e g a s b y e l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r s [ 8 1 ] . I n t h e U n i t e d K i n g d o m i t i s k n o w n a s " p u l v e r i z e d f u e l a s h " . S i n c e t h e p r o d u c t i o n o f fl y a s h i s m u c h c h e a p e r t h a n t h e p r o d u c t i o n o f c e m e n t , i t h o l d s s i g n i fi c a n t p r o m i s e . A s s u c h , i t i s t h e f o c u s o f c u r r e n t r e s e a r c h i n t h e U n i t e d S t a t e s a n d e l s e w h e r e . M o r e o v e r , w i t h b e t t e r u n d e r s t a n d i n g a n d d e v e l o p m e n t o f p r o p e r s p e c i fi c a t i o n s , t h e u t i l i z a t i o n r a t e o f fl y a s h c o n c r e t e i s l i k e l y t o b e m u c h h i g h e r i n f u t u r e . 1 1 m o f F l y A s h A S T M C 6 1 9 - 9 1 [ 8 2 ] a n d t h e C a n a d i a n S t a n d a r d s A s s o c i a t i o n ( C S A ) [ 8 3 ] r e c o g n i z e t w o c l a s s e s o f fl y a s h : C l a s s C , u s u a l l y p r o d u c e d f r o m l i g n i t e o r s u b - b i t u m i n o u s c o a l s ; a n d c l a s s F , u s u a l l y p r o d u c e d f r o m a n t h r a c i t e o r b i t u m i n o u s c o a l s . T h e m o s t s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o i s t h a t c l a s s C a s h c o n t a i n s h i g h l e v e l s o f c a l c i u m ( > 1 0 p e r c e n t ) a n d i s a l s o k n o w n a s h i g h c a l c i u m a s h , w h e r e a s c l a s s F a s h i s a l s o k n o w n a s l o w c a l c i u m a s h . ' C l a s s C fl y a s h i s l o w i n c a r b o n a n d h i g h i n c a l c i u m w h e n c o m p a r e d t o c l a s s F fl y a s h . C l a s s C fl y a s h , a p a r t f r o m b e i n g p o z z o l a n i c , i s a l s o s e l f - h a r d e n i n g , w h i c h m e a n s t h a t i t h a r d e n s l i k e p o r t l a n d c e m e n t w h e n m i x e d w i t h w a t e r . I t s i n i t i a l h a r d e n i n g i s r e l a t i v e l y f a s t ; i t s c e m e n t i t i o u s d e g r e e v a r i e s w i t h t h e c o n t e n t o f c a l c i u m h y d r o x i d e ( i . e . , h i g h e r t h e v a l u e o f t h e c a l c i u m h y d r o x i d e , t h e h i g h e r t h e c e m e n t i t i o u s p r o p e r t i e s ) . U n l i k e c l a s s C a s h , c l a s s F fl y a s h i s n o t s e l f - h a r d e n i n g . I t h a s p o z z o l a n i c p r o p e r t i e s , w h i c h m e a n s 5 8 t h a t t h e fl y a s h p a r t i c l e s r e a c t w i t h c a l c i u m h y d r o x i d e i n t h e p r e s e n c e o f w a t e r t o f o r m c e m e n t i t i o u s p r o d u c t s t h a t a r e v e r y s i m i l a r t o t h o s e p r e s e n t i n h y d r a t e d p o r t l a n d c e m e n t . A l l t y p e s o f fl y a s h i n t h e U n i t e d S t a t e s b e f o r e 1 9 7 5 w e r e o f t h i s c a t e g o r y . T h e m a i n c o n s t i t u e n t i n l o w c a l c i u m ( fl y a s h d u e t o h i g h p r o p o r t i o n s o f s i l i c a a n d a l u m i n a ) , i s a l u m i n o s i l i c a t e g l a s s . W h e n t h e l a r g e s p h e r e s o f t h e m o l t e n g l a s s d o n o t g e t c o o l e d r a p i d l y a n d u n i f o r m l y , s i l l i m a n i t e o r m u l l i t e m a y c r y s t a l i z e a s s m a l l n e e d l e s i n t h e i n t e r i o r o f t h e g l a s s y s p h e r e s . T h i s b a s i c a l l y a c c o u n t s f o r t h e p r e s e n c e o f c r y s t a l l i n e a l u m i n o s i l i c a t e s . I t h a s b e e n c o n fi r m e d b y X - r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s e s [ 7 8 ] t h a t t h e p r i n c i p a l c r y s t a l l i n e m i n e r a l s i n l o w c a l c i u m fl y a s h e s a r e q u a r t z , h e m a t i t e o r m a g n e t i t e , a n d m u l l i t e . A s t h e s e a r e c r y s t a l l i n e a n d n o n - r e a c t i v e a t o r d i n a r y t e m p e r a t u r e s , t h e i r p r e s e n c e i n l a r g e p r o p o r t i o n s a t t h e c o s t o f t h e n o n c r y s t a l l i n e c o m p o n e n t o r g l a s s i n fl y a s h t e n d s t o r e d u c e t h e r e a c t i v i t y o f t h e fl y a s h . T h e h i g h c a l c i u m fl y a s h e s a r e i n g e n e r a l m o r e r e a c t i v e b e c a u s e m o s t o f t h e c a l c i u m i s i n t h e f o r m o f r e a c t i v e c r y s t a l l i n e c o m p o u n d s , s u c h a s C 3 A , C S , a n d C 4 A 3 S [ 3 ] . T h e r e i s a l s o e v i d e n c e t h a t t h e m a i n c o n s t i t u e n t ( i . e . , t h e n o n c r y s t a l l i n e p h a s e ) c o n t a i n s e n o u g h c a l c i u m i o n s t o e n h a n c e t h e r e a c t i v i t y o f t h e a l u m i n o s i l i c a t e g l a s s . M o s t fl y a s h e s ( l o w a n d h i g h c a l c i u m ) c o n t a i n 6 0 t o 8 5 p e r c e n t g l a s s , 1 0 t o 3 0 p e r c e n t c r y s t a l l i n e c o m p o u n d s , a n d u p t o 1 0 p e r c e n t c a r b o n ( w h i c h i s r e d u c e d t o a m a x i m u m o f t w o p e r c e n t i n m o d e r n f u r n a c e s f o r h i g h c a l c i u m fl y a s h e s ) . L a r g e r a m o u n t s o f c a r b o n a r e c o n s i d e r e d h a r m f u l i n P C C d u e t o t h e i r i n c r e a s e d d e m a n d o f w a t e r f o r a g i v e n c o n s i s t e n c y a n d a h i g h e r a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e r e q u i r e m e n t . I t h a s a l s o b e e n d e t e r m i n e d f r o m m i c r o g r a p h i c e x a m i n a t i o n s o f fl y a s h t h a t m o s t o f t h e p a r t i c l e s a r e s o l i d s p h e r e s o f g l a s s ; b u t s o m e t i m e s a f e w h o l l o w s p h e r e s , w h i c h [ 8 0 , 8 4 , 8 5 ] a s " a s i l i c e o u s o r s i l i c e o u s a n d a l u m i n o u s m a t e r i a l , w h i c h i n i t s e l f p o s s e s s 5 9 a r e c a l l e d c e n o s p h e r e s ( c o m p l e t e l y e m p t y ) a n d p l e r o s p h e r e s ( p a c k e d w i t h m a n y s m a l l s p h e r e s ) , a r e a l s o p r e s e n t . T h e s e s p h e r e s i n t h e l o w c a l c i u m fl y a s h e s a r e c l e a n e r t h a n t h e s p h e r e s o f t h e h i g h c a l c i u m fl y a s h e s . T h e p a r t i c l e s i z e s u s u a l l y v a r y f r o m l e s s t h a n 1 a m t o 1 0 0 p m i n d i a m e t e r w i t h g r e a t e r t h a n 5 0 p e r c e n t s m a l l e r t h a n 2 0 u m . F i g u r e 3 . 1 p r o v i d e s a g o o d c o m p a r i s o n o f t h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f t w o t y p e s o f fl y a s h e s , p o r t l a n d c e m e n t T y p e I , a n d c o n d e n s e d s i l i c a f u m e . T h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n , m o r p h o l o g y , m i n e r a l o g y , a n d s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e fl y a s h e s p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e w a t e r r e q u i r e m e n t , d e v e l o p m e n t o f a r e fi n e d p o r e s t r u c t u r e , a n d t h e s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f t h e P C C . M e t h o g o f I l s e F l y a s h i s c u r r e n t l y u s e d i n c o n c r e t e i n t w o w a y s : ( 1 ) b l e n d i n g a fi x e d q u a n t i t y w i t h a n y t y p e o f t h e c e m e n t d e p e n d i n g o n t h e i n t e n d e d u s e o r , ( 2 ) m i x i n g t h e r e q u i r e d q u a n t i t y b y t h e v o l u m e o r w e i g h t o f c e m e n t a t t h e t i m e o f p r e p a r a t i o n o f t h e c o n c r e t e . B o t h m e t h o d s p r e s e n t t h e i r o w n a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s , b u t g e n e r a l l y g r e a t e r fl e x i b i l i t y i s a v a i l a b l e i n t h e s e c o n d m e t h o d , a n d t h e c o n c r e t e c a n b e c o n v e n i e n t l y p r e p a r e d c o n s i s t e n t w i t h p r o j e c t r e q u i r e m e n t s . T h e C o n c e p t o f s z z o l a n i c A c t i v i t y F l y a s h e s e x h i b i t b o t h c e m e n t i t i o u s a n d p o z z o l a n i c a c t i v i t y . A p o z z o l a n i s d e fi n e d ' 0 C F i g u r e 3 . 1 . C a o m p n d 2 a c 0 r o ' 0 i v a l n n s o e E s d q e o i n n e f d t p s 2 r S p h e a i r l t i i c c a l e D z c e i l f a u l s m i i e a [ m d e i 2 t s ] e . 0 m i r , t r i b u 2 t o n s c r o n i o n o f p o r t l 0 a 0 n 2 d c e c m m e n t , f l y a s h e s , 6 0 t o o i . g \ T y p i c a l i : 8 0 L o v ' C O I C I u m ’ - ' F l y A s h 8 2 . \ ' C o n d e n s e d a S - h c o F u m e 2 6 0 > — o . 2 a 4 0 A S T M T I ' " r - y e e ' = p o r t l a n d \ T Y O ' C O ' g C e m e n t ' H ' Q " ~ C o l c l u m U 2 0 » - O J 1 + h i L J . _ L L n 6 1 l i t t l e o r n o c e m e n t i t i o u s v a l u e b u t w i l l , i n fi n e l y d i v i d e d f o r m a n d i n t h e p r e s e n c e o f m o i s t u r e , c h e m i c a l l y r e a c t w i t h c a l c i u m h y d r o x i d e a t o r d i n a r y t e m p e r a t u r e s t o f o r m c o m p o u n d s p o s s e s s i n g c e m e n t i t i o u s p r o p e r t i e s . " " U s e o f F l y A s h i n C o n c r e t e " [ 2 6 ] g i v e s a v e r y c o m p r e h e n s i v e e x p l a n a t i o n o f t h e t w o a s p e c t s o f t h e c o n c e p t o f t h e p o z z o l a n i c a c t i v i t y , w h i c h a r e b r i e fl y e x p l a i n e d h e r e . M a n y t y p e s o f c a l c i u m s i l i c a t e s a n d c a l c i u m a l u m i n a t e s a r e f o r m e d d u e t o t h e r e a c t i o n o f w a t e r w i t h c e m e n t i t i o u s c o m p o u n d s i n t h e c e m e n t . T h e s e p r o d u c t s f o r m a s t r u c t u r e a r o u n d t h e a g g r e g a t e , w h i c h l e a d s t o t h e s e t t i n g o f t h e c o n c r e t e . C a l c i u m h y d r o x i d e i s o n e o f t h e b y - p r o d u c t s a t t h e i n i t i a l s t a g e s . T h e c a l c i u m h y d r o x i d e i n t h e s o l u t i o n r e a c t s s l o w l y w i t h t h e p o z z o l a n i c m a t e r i a l s , a n d t h e p r o d u c t i s b a s i c a l l y o f t h e s a m e t y p e a n d p r o p e r t i e s a s t h a t o f t h e i n i t i a l c e m e n t i t i o u s r e a c t i o n . I n t h i s w a y , a s t i m e p a s s e s , a n a d d i t i o n a l b o n d i n g p r o d u c t i s a v a i l a b l e . A s a r e s u l t o f t h i s , t h e i n i t i a l s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f fl y a s h c o n c r e t e i s s l o w e r t h a n p l a i n c o n c r e t e , d e p e n d i n g o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e d e g r e e t o w h i c h c e m e n t h a s b e e n r e p l a c e d , b u t u l t i m a t e l y e q u a l o r h i g h e r s t r e n g t h w i l l d e v e l o p . T h e o t h e r a s p e c t o f p o z z o l a n i c a c t i v i t y i s t h a t , i n c o n c r e t e w h e r e t h e w a t e r t o c e m e n t r a t i o e x c e e d s 0 . 2 2 t o 0 . 2 5 b y w e i g h t [ 4 7 ] , t h e r e i s m o r e w a t e r a v a i l a b l e t h a n i s r e q u i r e d f o r t h e h y d r a t i o n r e a c t i o n . G e n e r a l l y , t h e w a t e r i s a d d e d t o i m p r o v e u p o n w o r k a b i l i t y , b u t t h i s u n h y d r a t e d w a t e r s t a y s i n t h e c a p i l l a r y p o r e s . O n c e t h e c o n c r e t e i s p r o p e r l y c u r e d , t h e c a l c i u m h y d r o x i d e d i s s o l v e d i n t h e w a t e r i s a v a i l a b l e t o r e a c t w i t h t h e fl y a s h . N o w t h e s o l i d r e a c t i o n p r o d u c t s t h a t h a v e b e e n f o r m e d w i l l fi l l o r p a r t i a l l y fi l l t h e c a p i l l a r y c h a n n e l s , r e s u l t i n g i n a r e d u c t i o n o f t h e p e r m e a b i l i t y . I n t h i s w a y , a g g r e s s i v e fl u i d s s u c h a s c h l o r i d e s o r s u l f a t e s o l u t i o n s c a n n o t g e t i n t o t h e c o n c r e t e , a n d , i s u s e d [ 6 9 , 7 6 , 9 1 , 9 2 , 9 3 , 9 4 , 9 5 , 9 6 ] - 6 2 t h e r e f o r e , i t s d u r a b i l i t y i n c r e a s e s . M o r e o v e r , i n fl y a s h c o n c r e t e , s i n c e t h e p o z z o l a n i c r e a c t i o n s a r e s l o w , t h e h e a t g e n e r a t e d d u r i n g t h e h y d r a t i o n p r o c e s s c a n e a s i l y d i s s i p a t e . I n t h i s w a y , t h e t h e r m a l s t r e s s e s d e v e l o p e d a r e l o w , a n d t h e c o n c r e t e [ i s p r e v e n t e d f r o m c r a c k i n g . R e s e a r c h o n F l y A s h T r e m e n d o u s a m o u n t s o f r e s e a r c h h a v e b e e n d o n e i n t h e p a s t f e w d e c a d e s o n t h e u s e o f m i n e r a l a d m i x t u r e s t o b e t t e r u n d e r s t a n d t h e v a r i o u s p r o p e r t i e s o f fl y a s h s o t h a t i t c a n b e s t b e u t i l i z e d . T h e e f f e c t s o f p o z z o l a n s o n t h e p r o p e r t i e s o f f r e s h l y m i x e d c o n c r e t e v a r y w i t h t h e t y p e a n d fi n e n e s s , a s w e l l a s t h e c h e m i c a l , m i n e r a l o g i c a l a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p o z z o l a n ; t h e fi n e n e s s , c o m p o s i t i o n a n d c o n s t i t u e n t s o f c e m e n t ; a n d t h e q u a n t i t y o f c e m e n t p l u s p o z z o l a n u s e d p e r v o l u m e o f c o n c r e t e [ 7 6 , 7 7 , 8 6 , 8 7 , 8 8 ] . A r e v i e w [ 8 9 ] o f t h e u s e o f fl y a s h b a s e d o n 2 7 5 p a p e r s s h o w s t h a t a g o o d fl y a s h , u s e d i n O p t i m u m q u a n t i t i e s , d o e s n o t i n c r e a s e t h e u n i t w a t e r r e q u i r e m e n t s o f c o n c r e t e b u t d o e s i m p r o v e w o r k a b i l i t y a n d p l a s t i c i t y , r e d u c e s s e g r e g a t i o n a n d b l e e d i n g , s l o w s s e t t i n g t i m e s l i g h t l y , a n d r e d u c e s h e a t o f h y d r a t i o n . T h e e f f e c t o f fl y a s h o n w a t e r c o n t e n t a n d t h e a m o u n t o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t r e q u i r e d t o m a i n t a i n a c o n s t a n t a i r c o n t e n t a n d w o r k a b i l i t y v a r i e s w i t h t h e t y p e , q u a n t i t y , a n d fi n e n e s s o f fl y a s h u s e d . A s fl y a s h r e d u c e s t h e w a t e r r e q u i r e m e n t f o r w o r k a b i l i t y , s o i t i n c r e a s e s t h e u l t i m a t e s t r e n g t h , r e d u c e s p e r m e a b i l i t y , a n d i m p r o v e s r e s i s t a n c e t o s u l f a t e a t t a c k [ 9 0 ] . I t a p p e a r s t o e n a b l e c o n c r e t e t o b e t t e r r e s i s t a c i d w a t e r s , s u l f a t e - b e a r i n g w a t e r s , a n d s e a w a t e r , e s p e c i a l l y w h e n T y p e I c e m e n t 6 3 T h e r e s i s t a n c e o f fl y a s h c o n c r e t e t o d a m a g e f r o m f r e e z i n g a n d t h a w i n g i s c o n s i d e r e d t o d e p e n d u p o n t h e a d e q u a c y o f t h e a i r v o i d s y s t e m , t h e s o u n d n e s s o f t h e a g g r e g a t e s , a g e , d e g r e e o f h y d r a t i o n , s t r e n g t h o f w a t e r - c e m e n t p a s t e , a n d m o i s t u r e c o n d i t i o n o f t h e c o n c r e t e [ 2 6 ] . S o m e r e p o r t s h a v e i n d i c a t e d t h a t fl y a s h c o n c r e t e s , e v e n i f p r o p e r l y a i r - e n t r a i n e d , h a v e s h o w n c o m p a r a t i v e l y l o w e r r e s i s t a n c e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g t h a n t h e c o n c r e t e w i t h o u t fl y a s h a t e q u a l a g e s . B u t w h e n t h e c o m p a r i s o n s w e r e m a d e w h e n t h e fl y a s h c o n c r e t e h a d d e v e l o p e d a d e q u a t e s t r e n g t h , n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s w e r e o b s e r v e d . I t h a s a l s o b e e n r e c o g n i z e d t h a t t e s t c o n d i t i o n s i n t h e l a b o r a t o r y a r e g e n e r a l l y m o r e s e v e r e t h a n a c t u a l fi e l d c o n d i t i o n s t o w h i c h t h e c o n c r e t e i s e x p o s e d . Q u i t e a f e w fl y a s h c o n c r e t e s h a v e p e r f o r m e d s a t i s f a c t o r i l y f o r s e v e r a l y e a r s w i t h n o e v i d e n c e o f s c a l i n g . A t s o m e e x p e r i m e n t a l s i t e s w h e r e g r e a t e r s c a l i n g h a s b e e n o b s e r v e d , i t h a s b e e n s e e n t h a t t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e a n d i n t e g r i t y o f t h e c o n c r e t e h a s n o t b e e n a f f e c t e d [ 9 7 , 9 8 ] . I n p l a i n c o n c r e t e , w a t e r s o l u b l e c a l c i u m h y d r o x i d e f o r m e d d u r i n g t h e h y d r a t i o n p r o c e s s c a n g e n e r a l l y b e l e a c h e d o u t w i t h t i m e , l e a v i n g a v a i l a b l e c h a n n e l s f o r t h e i n g r e s s o f w a t e r . I n fl y a s h c o n c r e t e , t h e c a l c i u m h y d r o x i d e r e a c t s w i t h t h e fl y a s h a n d f o r m s i n s o l u b l e c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e o f t h e s a m e o r s i m i l a r t y p e a s p r o d u c e d i n n o r m a l h y d r a t i o n p r o d u c t s . T h i s r e d u c e s t h e c h a n c e o f f o r m a t i o n o f c h a n n e l s a s w a s p o s s i b l e d u r i n g t h e l e a c h i n g o f c a l c i u m h y d r o x i d e . M o r e o v e r , t h e r e a c t i o n p r o d u c t s a l s o fi l l u p , o r a t l e a s t r e d u c e t h e s i z e o f , t h e c a p i l l a r i e s , a n d t h e r e b y r e d u c e t h e p e r m e a b i l i t y f o r t h e i n g r e s s o f a g g r e s s i v e s o l u t i o n s . T h i s p r o c e s s c a n s a v e s t e e l f r o m c o r r o s i o n a n d m a y i n c r e a s e r e s i s t a n c e t o f r o s t a c t i o n . I t h a s b e e n s e e n t h a t e v e n i f t h e c a l c i u m h y d r o x i d e s a r e r e d u c e d i n fl y a s h c o n c r e t e , a d e q u a t e a l k a l i n i t y r e m a i n s t o p r e s e r v e t h e p a s s i v i t y o f s u l f o a l u m i n a t e h y d r a t e ) , t h a t l i n k s a n d b i n d s a d j a c e n t s p h e r e s [ 1 0 6 ] . 9 8 a n d C 3 8 a r e 6 4 t h e s t e e l n e c e s s a r y t o p r e v e n t c o r r o s i o n [ 2 6 ] . F l y a s h e s a r e g e n e r a l l y c h a r a c t e r i z e d w i t h r e g a r d t o p a r a m e t e r s t h a t m a y i n fl u e n c e t h e i r b e h a v i o r a n d s u i t a b i l i t y f o r u s e i n c o n c r e t e . T h e s e p a r a m e t e r s i n c l u d e ( 1 ) m e t h o d o l o g i e s o f c h a r a c t e r i z a t i o n ; ( 2 ) m o r p h o l o g y , c o m p o s i t i o n , a n d m i n e r a l o g y ; ( 3 ) c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s ; ( 4 ) c l a s s i fi c a t i o n ; a n d ( 5 ) r e a c t i o n s w i t h c e m e n t a n d c o n c r e t e c o m p o n e n t s [ 9 9 ] . T h e c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s a r e s p e c i fi e d i n A S T M C 6 1 8 - 9 1 [ 8 2 ] a n d C 3 1 1 [ 1 0 0 ] , b u t t h e m e t h o d o l o g i e s a r e n o t l i m i t e d t o t h e s e r e l a t i v e l y s i m p l e p r o c e d u r e s . I t h a s b e e n g e n e r a l l y f o u n d t h a t t h e r e s u l t s o f t h e s t a n d a r d p r o c e d u r e s a r e t h e m s e l v e s i n a d e q u a t e t o e x p l a i n t h e b e h a v i o r . I n v i e w o f t h e c o m p l e x i t y a n d t h e v a r i a b i l i t y o f fl y a s h e s , t h i s i s n o t s u r p r i s i n g . I t i s , t h e r e f o r e , n e c e s s a r y t o c o n s i d e r l o n g l i s t s o f m e t h o d o l o g i e s u n t i l t h e s t a n d a r d p r o c e d u r e s a r e a g r e e d u p o n . T h e n a t u r e o f t h e g l a s s p r e s e n t i n fl y a s h e s , a p r e d o m i n a n t p h a s e c o n s t i t u t i n g a b o u t 6 0 t o 9 0 p e r c e n t o f m o s t fl y a s h e s , i s b e c o m i n g t h e f o c u s o f s t u d i e s . I t h a s n o w b e e n d e t e r m i n e d t h a t d i f f e r e n c e s e x i s t i n t h e s t r u c t u r e o f c l a s s F ( l o w c a l c i u m ) a n d c l a s s , C ( h i g h c a l c i u m ) fl y a s h e s [ 1 0 1 , 1 0 2 , 1 0 3 , 1 0 4 ] . T h e g l a s s s t r u c t u r e o f l o w c a l c i u m fl y a s h e s i s o f a s i l i c e o u s t y p e [ 1 0 2 , 1 0 5 , 1 0 6 , 1 0 7 ] , w h i l e h i g h c a l c i u m a s h e s a r e l i k e l y t o f o r m c a l c i u m a l u m i n a t e t y p e g l a s s o r s o m e t i m e s a m i x t u r e o f g l a s s t y p e s . C a l c i u m a l u m i n a t e g l a s s e s a r e b e l i e v e d t o b e m o r e r e a c t i v e i n c o n c r e t e . C 3 A ( t r i c a l c i u m a l u m i n a t e ) i s a n o t h e r c o m m o n c o m p o n e n t o f h i g h c a l c i u m fl y a s h e s i s f r e q u e n t l y p r e s e n t a n d i n f a i r l y s u b s t a n t i a l a m o u n t s . T h i s c o m p o u n d c a n r a p i d l y r e a c t w i t h a n y a n h y d r i t e p r e s e n t t o m a k e e t t r i n g i t e ( a s t a b l e h y d r a t i o n p r o d u c t o n l y w h i l e t h e r e i s a m p l e s u p p l y o f s u l f a t e a v a i l a b l e a n d o n a b s e n c e , i t t r a n s f o r m s t o c a l c i u m 6 5 s o m e t i m e s p r e s e n t i n h i g h c a l c i u m fl y a s h e s b u t o n l y i n s m a l l a m o u n t s . T h e i r e v e n t u a l h y d r a t i o n m a y c o n t r i b u t e s l i g h t l y t o t h e f o r m a t i o n o f c e m e n t i t i o u s p r o d u c t s . I n s o m e fl y a s h e s , c r y s t a l l i n e M g O ( p e r i c l a s e ) i s p r e s e n t i n s m a l l a m o u n t s . B a s e d o n t h e e x p e r i e n c e w i t h p o r t l a n d c e m e n t w h e r e M g ( O H ) 2 f o r m a t i o n l e a d s t o u n s o u n d n e s s , A S T M C 6 1 8 - 9 1 [ 8 2 ] l i m i t s t h e a n a l y t i c a l M g O c o n t e n t o f fl y a s h t o fi v e p e r c e n t o r l e s s . U n b u m e d c o a l p a r t i c l e s a r e a l s o p r e s e n t i n m a n y fl y a s h e s , a n d a r e c o m m o n i n t h o s e p r e p a r e d u n d e r p o o r b u r n i n g c o n d i t i o n s [ 1 0 8 ] . T h e p a r t i c l e s g e n e r a l l y f o r m t h e m a j o r p o r t i o n o f t h e c o a r s e s t f r a c t i o n o f m a n y fl y a s h e s , a l t h o u g h t h e s e a r e a l s o f o u n d i n fi n e s i z e s . I r r e g u l a r l a r g e s i z e p a r t i c l e s o f v e s i c u l a r g l a s s a r e a l s o c o m m o n a n d a r e d i f fi c u l t t o b e d i s t i n g u i s h e d f r o m u n b u r n e d c o a l p a r t i c l e s . T h e u n b u r n e d c a r b o n p a r t i c l e s a r e r e l a t i v e l y i n e r t i n c e m e n t h y d r a t i o n r e a c t i o n s [ 1 0 1 ] a n d u s u a l l y a c t a s a d i l u e n t t o t h e s y s t e m . I f t h e s e a r e p r e s e n t i n s u b s t a n t i a l q u a n t i t y , t h e y c a n a d v e r s e l y a f f e c t t h e w o r k a b i l i t y a n d l e a d t o l o w e r c o n c r e t e s t r e n g t h [ 1 0 8 ] . G e n e r a l l y , t h e l o w c a l c i u m fl y a s h e s h a v e m o r e v a r i a b i l i t y a n d a g r e a t e r p e r c e n t a g e o f c a r b o n p a r t i c l e s , c o m p a r e d t o t h e h i g h c a l c i u m fl y a s h e s . T h e s e p a r t i c l e s r e p r e s e n t l o s s o f i g n i t i o n ( L O I ) a n d a r e r e s t r i c t e d i n A S T M s p e c i fi c a t i o n s t o 0 . 6 % o r l e s s f o r b o t h t y p e s o f fl y a s h e s . T a b l e 3 . 2 s h o w s t h e v a r i a b i l i t y i n c h e m i c a l c o m p o s i t i o n f o r m o s t o f t h e fl y a s h e s o f t h e U S [ 9 9 ] . T h e r a n g e s g i v e n i n t h i s t a b l e a r e , h o w e v e r , g e n e r a l l y b r o a d e r t h a n t h e o n e s g i v e n b y M e h t a [ 7 8 ] , a n d s h o u l d c a u s e c o n c e r n o v e r t h e p e r f o r m a n c e o f fl y a s h i n c e m e n t a n d c o n c r e t e [ 8 2 , 1 0 0 ] . F o r e x a m p l e , r e a c t i o n o f s u l f a t e s w i t h h y d r a t i n g a l u m i n a t e s c a n r e s u l t i n d e l a y e d s e t t i n g t i m e a n d l o w e r c o n c r e t e s t r e n g t h s . T h u s A S T M C 6 1 8 - 9 1 [ 8 2 ] l i m i t s t h e S O , c o n t e n t s t o fi v e p e r c e n t i n b o t h t y p e o f fl y a s h e s . 6 6 T a b l e 3 . 2 . T y p i c a l U . S . fl y a s h c h e m i c a l c o m p o s i t i o n , p e r c e n t a g e r a n g e s [ 9 9 ] . l l O x i d e I C l a s s F I C l a s s C S i O 2 3 8 - 6 5 3 3 - 6 1 A 1 2 0 3 1 1 - 3 3 8 - 2 6 F e 2 0 3 3 - 3 1 4 - 1 0 C a O 0 . 6 - 1 3 . 3 1 4 - 3 7 M g O 0 - 5 1 - 7 N a 2 0 3 0 - 3 . 1 0 4 - 6 4 K 2 0 0 . 7 - 5 . 6 0 . 3 - 2 . 0 T i O , 0 . 7 - 5 . 6 0 . 9 - 2 . 8 S O , 0 - 4 0 . 5 - 7 . 3 L O I 0 . 1 - 1 . 2 0 . 2 - 1 . 4 T h e s p e c i fi c g r a v i t y o f fl y a s h v a r i e s f r o m 1 . 6 t o 2 . 8 a n d i s r e l a t e d , i n p a r t , t o i t s c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n d m o r p h o l o g y . G e n e r a l l y , fl y a s h e s w i t h h i g h i r o n c o n t e n t h a v e h i g h s p e c i fi c g r a v i t y , a n d t h o s e w i t h l o w c a r b o n c o n t e n t h a v e l o w s p e c i fi c g r a v i t i e s . F l y a s h e s w i t h h i g h c a l c i u m h a v e f e w c e n o s p h e r e s a n d g e n e r a l l y h a v e s p e c i fi c g r a v i t i e s o f 2 . 4 t o 2 . 8 . T h e s e a l s o t e n d t o h a v e fi n e r p a r t i c l e s i z e s t h a n l o w c a l c i u m fl y a s h e s . T y p i c a l r a n g e s o f p a r t i c l e s i z e o f h i g h a n d l o w c a l c i u m fl y a s h e s a s p r e s e n t e d b y R o y e t a l . [ 9 9 ] a r e s h o w n i n fi g u r e 3 . 2 . T h e u s e o f fl y a s h i n d u c e s c h a n g e s i n c e m e n t h y d r a t i o n r a t e s [ 9 9 ] . T h e e a r l y s t r e n g t h s o f t h e c o n c r e t e a r e g e n e r a l l y r e d u c e d , w h e r e a s t h e s t r e n g t h s a t v e r y l a t e s t a g e s a r e i n c r e a s e d . T h e a g e a t w h i c h t h e s t r e n g t h c u r v e s c r o s s e a c h o t h e r v a r i e s a l o t w i t h t h e s y s t e m b e i n g c o n s i d e r e d , a n d t h i s p e r i o d i s r e p o r t e d t o v a r y b e t w e e n 2 8 d a y s a n d s i x 5 O E N I 3 3 5 8 $ A I E R T N E C R E P E V I T A L U M U C F i g u r e 3 . 2 . P a r t i c l e s i z e a n a l y s i s o f h i g h - C a a n d L o w - C a f l y a s h e s [ 9 9 ] . P A R T I C L E s i z e , , m I 0 0 0 1 0 0 $ 0 5 0 0 0 T O 0 l - 9 0 r - I O O , P a r t i c l e R a n g e t o : F u l l p a l l e t e R a n g e 6 0 ‘ I . o f S a m p l e s 6 7 6 8 m o n t h s , d e p e n d i n g p a r t i a l l y o n t h e c u r i n g c o n d i t i o n s [ 8 0 , 1 0 9 , 1 1 0 ] . S o m e s t u d i e s a l s o i n d i c a t e t h a t fl y a s h c o n c r e t e s m a y a l s o i n fl u e n c e t h e i n i t i a l h y d r a t i o n r a t e s [ 1 1 1 ] . I t h a s b e e n s e e n t h a t t h e p r e s e n c e o f fl y a s h r e t a r d e d t h e h y d r a t i o n o f 0 , 8 . I t w a s c o n c l u d e d b y G h o s e a n d P r a t t [ 1 1 2 ] t h a t t h e p r e s e n c e o f fl y a s h i n fl u e n c e s c e m e n t h y d r a t i o n , b u t t h e r e a c t i o n o f fl y a s h i t s e l f i s s l o w a n d v a r i e s b e t w e e n fl y a s h p a r t i c l e s . I n s o m e i n s t a n c e s , r e a c t i o n s o c c u r r e d i n o n e d a y w h i l e i n o t h e r s t h e r e w a s n o r e a c t i o n e v e n a f t e r fi v e m o n t h s . M e h t a [ 1 1 3 ] s h o w e d c o n c e r n w i t h h i s t e s t r e s u l t s o f l o w c a l c i u m fl y a s h s h o w i n g l o w s t r e n g t h . H e o b s e r v e d t h a t w h e n a c c e l e r a t e d c u r i n g w a s d o n e a t 4 3 ° C f o r s e v e n d a y s , t h e s t r e n g t h s f o r l o w c a l c i u m fl y a s h e s w e r e n e a r l y a s h i g h a s f o r h i g h c a l c i u m fl y a s h e s , a n d t h a t t h e a c c e l e r a t e d t e s t r e s u l t s a t s e v e n d a y s w e r e e q u i v a l e n t t o n o r m a l c u r i n g o f 2 8 d a y s . H e a l s o m a d e s i m i l a r c o m p a r i s o n s b e t w e e n 2 8 d a y s a c c e l e r a t e d c u r i n g a n d 9 0 d a y s r o o m t e m p e r a t u r e c u r i n g . M e h t a [ 7 8 ] d e s c r i b e s t h e h y d r a t i o n o f fl y a s h i n t h e p r e s e n c e o f c e m e n t a s a t h r e e s t a g e r e a c t i o n . " I m m e d i a t e l y a f t e r m i x i n g w i t h w a t e r , r e a c t i o n r i m s o f i m p e r m e a b l e c o a t i n g s s u r r o u n d t h e fl y a s h p a r t i c l e s . N 0 f u r t h e r r e a c t i o n s o c c u r u n t i l a l k a l i o r c a l c i u m h y d r o x i d e a n d s u l f a t e s i o n s a r e a v a i l a b l e i n s u f fi c i e n t c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o l u t i o n p h a s e . T h u s d u r i n g t h e s e c o n d s t a g e , i t i s p r i m a r i l y t h e h y d r o x i d e i o n s t h a t a c t i v a t e t h e h y d r a t i o n o f g l a s s e s i n fl y a s h . T h e t h i r d , a n d t h e m a i n r e a c t i o n i n v o l v i n g fl y a s h h y d r a t i o n i s t h e s l o w p o z z o l a n i c r e a c t i o n , w h i c h c o n t i n u e s t o c o n s u m e c a l c i u m h y d r o x i d e a n d c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s a s l o n g a s c a l c i u m a n d h y d r o x y l i o n s a r e a v a i l a b l e " . W a t e r p l a y s a v i t a l r o l e i n t h e d e v e l o p m e n t o f p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f t h e p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . T h e q u a n t i t y t h a t i s n e e d e d f o r t h e h y d r a t i o n p r o c e s s a n d t h e t a r g e t w o r k a b i l i t y i s c o n s i d e r e d d e s i r a b l e a n d a n y a m o u n t i n e x c e s s o f t h a t w i l l I I F l y A s h W / ( C + p ) R e l a t i v e P e r m e a b i l i t y J I 6 9 b e u n d e s i r a b l e d u e t o i t s d e t r i m e n t a l e f f e c t s a n d l o s s o f s t r e n g t h . S i n c e w a t e r i s i n v o l v e d i n c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n , i t i s t h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e t o w a t e r t h a t g e n e r a l l y c o n t r o l s t h e r a t e o f d e t e r i o r a t i o n [ 1 1 4 ] . A f t e r t h e c a p i l l a r y p o r e s , t h e m i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e a r e t h e p r i n c i p a l s o u r c e o f p e r m e a b i l i t y . S o b y r e d u c i n g t h e c a p i l l a r y s i z e s a n d m i c r o c r a c k s f r o m a v a r i e t y o f p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c a u s e s , t h e m i n e r a l a d m i x t u r e s c a n p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n e n h a n c i n g t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . B e r r y a n d M a l h o t r a [ 1 1 5 ] h a v e r e p o r t e d i n t h e i r r e v i e w ( d a t a s h o w n i n t a b l e 3 . 3 r e f e r r i n g t o a s t u d y c o n d u c t e d b y D a v i s [ 1 1 6 ] ) t h a t c o n c r e t e p i p e c o n t a i n i n g 3 0 a n d 5 0 p e r c e n t fl y a s h a s a c e m e n t r e p l a c e m e n t r e d u c e d p e r m e a b i l i t y a b o u t fi v e t i m e s a t s i x m o n t h s c u r i n g , a s c o m p a r e d t o a c o n t r o l c o n c r e t e w i t h o u t fl y a s h . T a b l e 3 . 3 . R e l a t i v e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e s w i t h a n d w i t h o u t fl y a s h [ 1 1 5 ] . B y W t . o f I I T y p e % B y W t C e m e n t 2 8 D a y s 6 M o n t h s I I N o n e - 0 . 7 5 1 0 0 2 6 C h i c a g o F l y A s h 3 0 0 . 7 0 2 2 0 5 5 0 0 . 6 5 1 4 1 0 2 C l e v e l a n d F l y A s h 3 0 0 . 7 0 3 2 0 5 5 0 0 . 6 5 1 8 8 0 7 T h e i m p e r v i o u s n e s s d e v e l o p e d w a s a t t r i b u t e d t o t h e p o z z o l a n i c i n fl u e n c e o f fl y a s h . E l f e r t ’ s d a t a s h o w i n g t h e c o m p a r i s o n o f p e r m e a b i l i t y r a t e s o f 1 0 0 % p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e a n d c o n c r e t e m a d e u s i n g a 3 0 p e r c e n t r e p l a c e m e n t w i t h fl y a s h i s s h o w n i n fi g u r e 3 . 3 [ 1 1 6 ] , w h i c h a l s o s h o w s i m i l a r r e s u l t s . l 0 I I 0 . 0 9 8 7 4 6 2 3 0 0 . . . - 0 0 O 0 0 “ ” ' ; - : 3 5 x I E E \ a t 4 I t : 2 E w1 * l l P ' i t ' - - — - - - I 7 \ \ O O ° / o p o r t l a n d c e m e n t 0 ° / ¢ p o r t l a n d c e m e n t , 3 0 ° / o f l y a s — — . " - l 4 . ‘ 4 1 4 . . — \ h 7 0 4 l i J l . 0 r “ ; - — — - L . _ _ _ _ ’ _ : t 0 . 0 l L L l 2 0 1 5 0 I 8 0 2 1 0 2 4 0 C E M E N T I N G M A T E R I A L S m C O N C R E T E q u ' n ‘ 3 F i g u r e 3 . 3 . P e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e w i t h a n d w i t h o u t p o z z o l a n [ 1 1 6 ] . 7 1 U k i t a e t a l . [ 1 1 7 ] c o n d u c t e d t h e i r t e s t s a t 1 5 a n d 3 0 p e r c e n t r e p l a c e m e n t l e v e l s o f fl y a s h c o n c r e t e s w i t h p a r t i c l e s i z e s u p t o 2 0 m i c r o n s . T h e r e s u l t s o f t h e i r w a t e r p e r m e a b i l i t y t e s t s , a r e s h o w n i n fi g u r e 3 . 4 [ 1 1 7 ] . L o w e r p e r m e a b i l i t y w a s o b s e r v e d f o r c o n c r e t e c o n t a i n i n g fi n e r p a r t i c l e s a n d 1 5 % fl y a s h a t 2 8 a n d 9 1 d a y s o f c u r i n g w h i l e s a m p l e s w i t h 3 0 % fl y a s h s h o w e d h i g h e r p e r m e a b i l i t y t h a n t h e c o n t r o l c o n c r e t e . P o z z o l a n i c a c t i o n w a s e x p e c t e d t o b e r e s p o n s i b l e f o r t h e s e d i f f e r e n t p e r m e a b i l i t y v a l u e s . I t w a s c o n c l u d e d t h a t w a t e r t i g h t n e s s d e p e n d s u p o n t h e p r o p o r t i o n a n d p a r t i c l e s i z e o f t h e fl y a s h . N o d i s t i n c t i v e d i f f e r e n c e s i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s w e r e n o t e d b e t w e e n t h e fl y a s h a n d n o n - fl y a s h c o n c r e t e s a t 7 a n d 2 8 d a y s o f c u r i n g , a l t h o u g h h i g h e r s t r e n g t h s f r o m fl y a s h c o n c r e t e s h a d b e e n e x p e c t e d . A t 9 1 d a y s , s i g n i fi c a n t l y h i g h e r s t r e n g t h o f 3 0 % fl y a s h w a s a c h i e v e d ( a s c o m p a r e d t o t h e c o n t r o l ) . T h e r e a s o n f o r t h i s w a s a t t r i b u t e d t o a " m o r e c o m p a c t e d s t r u c t u r e " a n d " a c c e l e r a t e d h y d r a t i o n o f c e m e n t i n t h e p r e s e n c e o f fi n e c l a s s i fi e d fl y a s h p a r t i c l e s " . R e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g a r e e x t r e m e l y d e s t r u c t i v e t o c o n c r e t e t h a t i s n o t s p e c i fi c a l l y p r o p o r t i o n e d a n d c a r e f u l l y p l a c e d t o w i t h s t a n d s u c h c o n d i t i o n s [ 1 1 6 ] . A s p r o p e r a i r e n t r a i n m e n t i s i m p o r t a n t i n a l l n o r m a l p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s w h e n t h e c o n c r e t e s a r e e x p o s e d t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g e n v i r o n m e n t s , i t i s a l s o c o n s i d e r e d e s s e n t i a l f o r p r o t e c t i n g c o n c r e t e c o n t a i n i n g m i n e r a l a d m i x t u r e s [ 7 8 ] . V i r t a n e n [ 1 1 8 ] , i n h i s s t u d y o n r e l a t i v e t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s w i t h a n d w i t h o u t m i n e r a l a d m i x t u r e s , f o u n d t h a t n o n a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g s l a g , fl y a s h , a n d c o n d e n s e d s i l i c a f u m e s h o w e d p o o r e r d u r a b i l i t y t h a n t h e r e f e r e n c e c o n c r e t e , w h i l e p r o p e r l y a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e w i t h t h e s a m e m i n e r a l a d m i x t u r e s s h o w e d b e t t e r r e s i s t a n c e t h a n t h e c o n t r o l c o n c r e t e . L a r s o n [ 1 1 9 ] , w h i l e p r e s e n t i n g h i s w o r k a n d o l j 1 1 1 J P J — fi a ‘ _ j j ‘ o 1 I o 7 ’ l 0 1 j j g ] ‘ 7 u 5 1 l 1 1 a 0 q 4 2 _ 3 fi A ; n 0 i 2 & 2 0 : a l P F A F 1 : 2 3 C C % ) m m ( d e t a e m r e p h t p e d n a e H I T j ’ j 3 ‘ 3 o r z o o ] a s j 0 3 5 A : ‘ ‘ n c m F c C C o e p . S t r e n g t h ( H P a ) S O I - T y p e o f C o n c r e t e T y p e o f C o n c r e t e 2 8 d i g u r e 3 . 4 b . R e s u l t s o f w a t e r p e r m e a b i l i t y [ 1 1 7 ] . F i g u r e 3 . 4 a . R e s u l t s o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h [ 1 1 7 1 . 9 1 d d 7 2 7 3 r e v i e w i n g t h e w o r k o f o t h e r r e s e a r c h e r s o n t h e u s e o f fl y a s h c o n c r e t e [ 1 2 0 , 1 2 1 , 1 2 2 , 1 2 3 , 1 2 4 , 1 2 5 ] , c o n c l u d e d t h a t t h e p r i m a r y e f f e c t o f fl y a s h w a s o n a i r e n t r a i n i n g a g e n t d e m a n d , r a t h e r t h a n a i r e n t r a i n m e n t a s s u c h . H e o b s e r v e d t h a t fl y a s h h a d n o a p p a r e n t i l l e f f e c t s o n t h e a i r v o i d s i n t h e h a r d e n e d c o n c r e t e . W h e n t h e p r o p e r v o l u m e o f a i r w a s e n t r a i n e d , t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s g e n e r a l l y m e t t h e a c c e p t e d c r i t e r i a . P e r e n c h i o a n d K l i e g e r [ 9 7 ] e x p e r i m e n t e d w i t h s i x t y p e s o f I P c e m e n t s a n d f o u n d t h a t t h e a i r e n t r a i n i n g a g e n t r e q u i r e m e n t s w e r e 1 5 t o 2 1 0 p e r c e n t h i g h e r f o r a l l t h e c a s e s o f T y p e I P c e m e n t t h a n f o t c o m p a r a b l e T y p e I c e m e n t s . B r o w n e t a l . [ 1 2 6 ] f o u n d t h a t w h e n t h e b l e n d e d c e m e n t s a r e t e s t e d a c c o r d i n g t o t h e A S T M C 6 6 6 - 7 3 p r o c e d u r e , i n f e r i o r f r o s t r e s i s t a n c e w a s o b s e r v e d . T h i s w a s a t t r i b u t e d t o t h e i n i t i a t i o n o f a t e s t a f t e r a s h o r t c u r i n g p e r i o d w h i c h d o e s n o t m a k e p r o p e r a l l o w a n c e f o r t h e g e n e r a l l y l o w e r r a t e o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f t h e b l e n d e d c e m e n t s . W h e n f r e e z e - t h a w s t u d i e s w e r e i n i t i a t e d a f t e r l o n g e r c u r i n g p e r i o d s a n d t h e b l e n d e d c e m e n t s h a d d e v e l o p e d e q u i v a l e n t o r s u p e r i o r s t r e n g t h s t o t h a t o f n o r m a l p o r t l a n d c e m e n t s , s u p e r i o r f r o s t r e s i s t a n c e w a s o b s e r v e d f o r b l e n d e d c e m e n t s . S i v a s u n d a r a m e t a l . [ 1 2 7 ] c o n d u c t e d f r e e z i n g a n d t h a w i n g t e s t s o n t w o t y p e s o f l o w c a l c i u m fl y a s h e s , w h i c h w e r e p r o p e r l y a i r - e n t r a i n e d a n d m o i s t c u r e d f o r 1 4 , 2 1 , a n d 2 8 d a y s . T h e s e s h o w e d n o s i g n i fi c a n t d i s t r e s s a n d h a d a d u r a b i l i t y f a c t o r o f 9 9 a f t e r 3 0 0 c y c l e s , a l t h o u g h c o n s i d e r a b l e s c a l i n g w a s o b s e r v e d . I n s u m m a r y , t h e r e a r e t w o m a j o r t y p e s o f fl y a s h e s , c l a s s F ( l o w c a l c i u m , h i g h c a r b o n ) a n d C ( h i g h c a l c i u m , l o w c a r b o n ) , a v a i l a b l e a s w a s t e b y - p r o d u c t s , a r e c o m m o n l y u s e d i n c o n c r e t e . T h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s d e p e n d i n g o n t y p e a n d a m o u n t o f fl y a s h a f f e c t t h e w o r k a b i l i t y , s t r e n g t h d e v e l o p m e n t , a n d p e r m e a b i l i t y o f 7 4 c o n c r e t e d i f f e r e n t l y e s p e c i a l l y w i t h r e s p e c t t o f r o s t r e s i s t a n c e . T h i s b e c o m e s m o r e c o m p l e x i n t h e p r e s e n c e o f w a t e r - r e d u c i n g a d m i x t u r e s . S p a c i n g f a c t o r s a r e o b s e r v e d t h a t a r e h i g h e r t h a n t h e r e c o m m e n d e d v a l u e s a l t h o u g h d u r a b i l i t y m a y s t i l l b e e x c e l l e n t i f s t r e n g t h i s a l l o w e d t o d e v e l o p . H o w e v e r , m a n y fl y a s h c o n c r e t e s e x h i b i t s e v e r e s c a l i n g . 3 . 3 . 3 S l a g . G i n e m l T h e h i s t o r y o f t h e u s e o f g r o u n d , g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g a s a c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l d a t e s b a c k t o 1 7 7 4 w h e n i t w a s u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h s l a k e d l i m e [ 1 7 ] . L a t e r P a s o w i n t r o d u c e d t h e p r o c e s s o f a i r g r a n u l a t i o n , w h i c h p l a y e d a k e y r o l e i n t h e d e v e l o p m e n t o f i r o n b l a s t f u r n a c e s l a g a s a h y d r a u l i c b i n d e r [ 1 2 8 ] . T h e U n i t e d S t a t e s b e g a n t h e p r o d u c t i o n o f g r a n u l a t e d b l a s t - f u r n a c e s l a g i n 1 9 0 5 , w h e r e a s G e r m a n y s t a r t e d t h e c o m m e r c i a l p r o d u c t i o n o f s l a g - l i m e c e m e n t s i n 1 8 9 2 , a n d F r a n c e u s e d i t f o r t h e P a r i s u n d e r g r o u n d M e t r o S y s t e m i n 1 8 8 9 [ 1 2 8 , 1 2 9 ] . T h e s e p a r a t e g r i n d i n g o f b l a s t - f u m a c e s l a g a n d i t s u s e a s a c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s i n c e t h e 1 9 5 0 ’ s h a s b e e n a n a c c e p t e d m e t h o d i n A u s t r a l i a , C a n a d a , J a p a n , U n i t e d K i n g d o m a n d m a n y o t h e r c o u n t r i e s . I t h a s d i s t i n c t a d v a n t a g e s : ( 1 ) e a c h m a t e r i a l ( i . e . , p o r t l a n d c e m e n t a n d s l a g ) , c a n b e g r o u n d t o i t s o w n o p t i m u m fi n e n e s s ; a n d ( 2 ) t h e p r o p o r t i o n s o f t h e t w o c a n b e a d j u s t e d t o p a r t i c u l a r p r o j e c t r e q u i r e m e n t s [ 1 3 0 ] . 7 5 S l a - D e f ‘ m i t i o n B l a s t - f u m a c e s l a g i s d e fi n e d [ 2 4 , 1 3 0 ] a s " T h e n o n m e t a l l i c p r o d u c t , c o n s i s t i n g e s s e n t i a l l y o f s i l i c a t e s a n d a l u m i n o s i l i c a t e s o f c a l c i u m a n d o f o t h e r b a s e s , t h a t i s d e v e l o p e d i n a m o l t e n c o n d i t i o n s i m u l t a n e o u s l y w i t h i r o n i n a b l a s t f u r n a c e . " G r a n u l a t e d b l a s t - f u r n a c e s l a g i s " T h e g l a s s y g r a n u l a r m a t e r i a l f o r m e d w h e n m o l t e n b l a s t - f u r n a c e s l a g i s r a p i d l y c h i l l e d , a s b y i m m e r s i o n i n w a t e r . " A S T M C 9 8 9 [ 1 3 1 ] , t h e " S t a n d a r d S p e c i fi c a t i o n f o r G r o u n d I r o n B l a s t - F u m a c e S l a g " , w a s fi r s t a d o p t e d i n 1 9 8 2 . C a n a d i a n S t a n d a r d s A s s o c i a t i o n A 3 6 3 [ 1 3 2 ] , " C e m e n t i t i o u s H y d r a u l i c S l a g , " a n d C S A A 2 3 . 5 [ 1 3 3 ] , " S u p p l e m e n t a l C e m e n t i n g M a t e r i a l s a n d T h e i r U s e i n C o n c r e t e , " d i f f e r e n t i a t e b e t w e e n G G B F s l a g s t h a t r e a c t h y d r a u l i c a l l y w i t h w a t e r a n d t h o s e t h a t r e q u i r e a n a c t i v a t o r t o d e v e l o p t h e i r c e m e n t i t i o u s p r o p e r t i e s q u i c k l y [ 1 3 0 ] . A S T M C 5 9 5 [ 1 3 4 ] c o v e r s b l e n d e d h y d r a u l i c c e m e n t s , a n d d i v i d e s t h e b l e n d e d c e m e n t s i n t o t h r e e c a t e g o r i e s : ( 1 ) s l a g - m o d i fi e d p o r t l a n d c e m e n t ( T y p e I [ S M ] ) , i n w h i c h G G B F s l a g i s l e s s t h a n 2 5 p e r c e n t o f t h e t o t a l w e i g h t ; ( 2 ) p o r t l a n d b l a s t f u r n a c e s l a g c e m e n t ( T y p e I S ) , i n w h i c h G G B F s l a g i s 2 5 t o 7 0 p e r c e n t o f t h e t o t a l w e i g h t ; a n d ( 3 ) s l a g c e m e n t ( T y p e S ) , i n w h i c h G G B F s l a g c o m p r i s e s 7 0 p e r c e n t o r m o r e o f t h e t o t a l w e i g h t . A S T M C 9 8 9 [ 1 3 1 ] c l a s s i fi e s s l a g i n t h r e e g r a d e s ( 1 2 0 , 1 0 0 , a n d 8 0 ) b a s e d o n t h e s l a g - a c t i v i t y i n d e x ( S A I ) , w h i c h i s i n fl u e n c e d b y t h e t y p e o f t h e c e m e n t u s e d a n d d e fi n e d a s f o l l o w s : S A I = s l a g - a c t i v i t y i n d e x , ( p e r c e n t ) = ( S P / P x 1 0 0 ) S P = a v e r a g e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( p s i ) o f s l a g - r e f e r e n c e c e m e n t m o r t a r 7 6 c u b e s , P = a v e r a g e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f r e f e r e n c e c e m e n t m o r t a r c u b e s , ( p s i ) W G G B F s l a g i s u s u a l l y u s e d i n p r o p o r t i o n s o f 2 5 t o 7 0 p e r c e n t b y m a s s o f t h e t o t a l c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l [ 1 3 0 ] . I n S o u t h , A f r i c a , i t i s g e n e r a l l y u s e d a s a 5 0 p e r c e n t r e p l a c e m e n t o f c e m e n t d u e t o c o n v e n i e n c e [ 1 3 5 ] . T h e r e q u i r e m e n t o f w a t e r f o r a g i v e n s l u m p i s g e n e r a l l y t h r e e t o fi v e p e r c e n t l o w e r t h a n t h a t o f c o n c r e t e m a d e w i t h o u t G G B F s l a g [ 1 3 6 ] b e c a u s e t h e u s e o f g r o u n d b l a s t - f u m a c e s l a g i s r e p o r t e d t o p r o d u c e i n c r e a s e d s l u m p [ 1 3 7 ] , a n d i m p r o v e d w o r k a b i l i t y a n d p l a c a b i l i t y [ 1 3 6 ] . B e t t e r p a r t i c l e d i s t r i b u t i o n a n d h i g h e r fl u i d i t y o f t h e p a s t e s a n d m o r t a r s i s r e p o r t e d b o t h w i t h a n d w i t h o u t w a t e r - r e d u c e r s [ 1 3 6 ] . A n i n c r e a s e i n t h e s e t t i n g t i m e i s o b s e r v e d a t n o r m a l t e m p e r a t u r e s o f p l a c e m e n t a n d c u r i n g [ 2 1 ] ; h o w e v e r , a t l o w e r t e m p e r a t u r e s , s i g n i fi c a n t r e t a r d a t i o n c a n . b e e x p e r i e n c e d , w h i c h m a y w a r r a n t t h e u s e o f a c c e l e r a t o r s . T h e p e r f o r m a n c e o f s l a g i s a f f e c t e d b y w a t e r - c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l r a t i o , p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p o r t l a n d c e m e n t , a n d c u r i n g c o n d i t i o n s . H a g a n a n d M e u s e l [ 1 6 ] f o u n d c o n c r e t e w i t h 5 0 p e r c e n t s l a g a n d p r 0 p e r a i r e n t r a i n m e n t t o b e f r o s t - r e s i s t a n t a l t h o u c g m e a s u r a b l e d i f f e r e n c e s i n w e i g h t w e r e o b s e r v e d . T h e e f f e c t o f c h e m i c a l a d m i x t u r e s o n t h e p r o p e r t i e s o f G G B F s l a g s i s g e n e r a l l y r e p o r t e d t o b e s i m i l a r t o t h a t o f P C C . H o w e v e r , s m a l l i n c r e a s e s o f t h e r e q u i r e d d o s a g e s o f a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s h a v e b e e n o b s e r v e d [ 1 3 0 ] . T h e r e q u i r e d a m o u n t o f t h e w a t e r r e d u c i n g a d m i x t u r e s t o p r o d u c e fl o w i n g c o n c r e t e i s u s u a l l y 2 5 p e r c e n t l e s s t h a n f o r n o r m a l [ 1 3 6 ] . R e d u c t i o n s 7 7 i n s t r e n g t h s h a v e b e e n r e p o r t e d w i t h h i g h e r s l a g c o n t e n t s [ 1 6 , 1 3 8 ] . T h e s t r e n g t h o f G G B F s l a g c o n c r e t e i s d e p e n d e n t o n t h e s l a g a c t i v i t y i n d e x a n d t h e a m o u n t o f s l a g u s e d i n t h e m i x . T h e u s e o f G r a d e 1 2 0 G G B F s l a g i m p a r t s r e d u c e d s t r e n g t h a t e a r l y a g e s ( o n e t o t h r e e d a y s ) a n d i n c r e a s e d s t r e n g t h s a f t e r s e v e n d a y s [ 1 6 ] . R e s u l t s i l l u s t r a t i n g t h i s a r e s h o w n i n fi g u r e 3 . 5 . H i g h e r s t r e n g t h g a i n s f o r G r a d e 1 2 0 G G B F s l a g a n d 5 0 p e r c e n t b l e n d s h a v e b e e n n o t e d ( v e r s u s P C C ) f o r h i g h e r w a t e r - c e m e n t r a t i o s . R e s u l t s r e p o r t e d b y M e u s a l a n d R o s e [ 1 3 7 ] a r e s h o w n i n fi g u r e 3 . 6 . T h e g r e a t e s t 2 8 d a y s t r e n g t h s a r e f o u n d w i t h b l e n d s o f 4 0 t o 5 0 p e r c e n t s l a g w h e n h i g h l y a c t i v e G G B F s l a g s a r e u s e d [ 1 6 , 1 8 , 1 3 7 ] . T h e p e r m e a b i l i t y o f m a t u r e c o n c r e t e c o n t a i n i n g G G B F s l a g i s g r e a t l y r e d u c e d w h e n c o m p a r e d w i t h P C C . A c c o r d i n g t o B a k e r [ 1 3 9 ] , a n d R o y a n d I d o m [ 1 4 0 ] i t w a s f o u n d t h a t t h e p o r e s t r u c t u r e o f t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x c h a n g e d t h r o u g h t h e r e a c t i o n o f G G B F s l a g w i t h c a l c i u m h y d r o x i d e a n d a l k a l i e s r e l e a s e d d u r i n g t h e p o r t l a n d c e m e n t h y d r a t i o n . P o r e s c o n t a i n i n g c a l c i u m h y d r o x i d e a r e n o r m a l l y fi l l e d w i t h c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e [ 1 4 0 , 1 4 1 , 1 4 2 ] . A r e d u c t i o n i n p o r e s i z e s h a s b e e n n o t e d i n c o n c r e t e s w i t h G G B F s l a g s p r i o r t o 2 8 d a y a f t e r m i x i n g . S t u d i e s o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g v a r y i n g l e v e l s o f G G B F s l a g g e n e r a l l y i n d i c a t e t h a t t h e i r r e s i s t a n c e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g i n w a t e r i s e s s e n t i a l l y t h e s a m e a s f o r P C C [ 1 7 , 1 8 , 1 9 ] . A s i n t h e c a s e o f n o r m a l c o n c r e t e s , p r o p e r a i r e n t r a i n m e n t a n d a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s a r e a l s o e s s e n t i a l f o r t h e p r o d u c t i o n o f a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . H o g a n a n d M e u s e l [ 1 6 ] r e p o r t e d t h a t p r o p e r l y a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e s c o n t a i n i n g 5 0 p e r c e n t G G B F s l a g w e r e f o u n d r e s i s t a n t t o f r o s t a c t i o n e v e n t h o u g h a m e a s u r a b l e d i f f e r e n c e i n w e i g h t l o s s w a s o b s e r v e d . M a l h o t r a [ 1 3 8 ] f o u n d s i m i l a r r e s u l t s 7 8 l ‘ _ 7 . G r a d e 1 2 0 s l a g a e a : o 6 ‘ I a c t 5 . o P O I t l a n m m i m ’ é f o / — — - — " 2 ; ; 4 ‘ , / I r " G r a d e 1 0 0 s l a g 2 1 ! G r a d e 8 0 s l a g f ; 3 w ” m o U Q E 2 c u 1 2 8 D a y s F i g u r e 3 . 5 . S t r e n g t h r e l a t i o n s h i p o f m o r t a r c o n t a i n i n g t y p i c a l G G B F s l a g m e e t i n g A S T M C 9 8 9 r e q u i r e m e n t s , c o m p a r e d t o p o r t l a n d c e m e n t m o r t a r [ 1 6 ] . 7 9 : 3 1 4 0 , 2 5 6 d a y . u 2 8 d a y C k \ a ‘ Q £ 2 1 2 0 7 d a y 0 \ \ O " ‘ ‘ 2 3 2 \ ” \ \ c c \ \ 1 " , : 3 2 0 C v I . . . u 1 0 0 v : 3 . . . O 0 > U 1 ; : 3 0 ‘ : 3 G r a d e 1 2 0 s c a r S l a g a t : 8 0 . 7 6 0 . 6 3 0 . 5 5 0 . 4 4 H a t e r / ( c e m e n t + s l a g ) F i g u r e 3 . 6 . E f f e c t o f w a t e r - c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l r a t i o o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f G G B F s l a g l e v e l s , e x p r e s s e d a s a p e r c e n t a g e o f m i x t u r e s m a d e w i t h p o r t l a n d c e m e n t [ 1 3 7 ] . 8 0 w i t h d i f f e r e n t p e r c e n t a g e s o f G G B F s l a g s e x c e p t t h a t h e d i d n o t c h a r a c t e r i z e t h e w e i g h t l o s s t o b e s i g n i fi c a n t , p o s s i b l y d u e t o c o m p a r i n g c o n c r e t e w i t h u n e q u a l s t r e n g t h s . N a g a t a k i e t a l . [ 1 4 1 ] c o n d u c t e d d e t a i l e d s t u d i e s o n 3 1 s a m p l e s o f G G B F s l a g s w i t h v a r y i n g fi n e n e s s a n d g y p s u m ( S 0 3 ) c o n t e n t , z e r o t o t h r e e p e r c e n t t o a c c e s s v a r i o u s p r o p e r t i e s o f f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e . B a s e d o n t h e s e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , t h e J a p a n e s e S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s ( J S C E ) s t a n d a r d f o r " G r o u n d G r a n u l a t e d B l a s t - F u m a c e S l a g f o r C o n c r e t e " a n d t h e J S C E " R e c o m m e n d a t i o n f o r D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n o f C o n c r e t e C o n t a i n i n g G G B F S l a g " w e r e p r e p a r e d a n d p u b l i s h e d i n 1 9 8 6 a n d 1 9 8 8 , r e s p e c t i v e l y . T h e y d e t e r m i n e d t h a t t h e w a t e r r e q u i r e m e n t w a s l o w , w h e r e a s t h e r e q u i r e m e n t f o r d o s a g e s o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t s i n c r e a s e d a s t h e q u a n t i t y o f t h e s l a g i n c r e a s e d a n d / o r fi n e n e s s o f G G B F s l a g i n c r e a s e d ( s e e fi g u r e 3 . 7 ) . I t w a s a l s o c o n c l u d e d t h a t w h e n t h e s l a g c e m e n t c o n c r e t e i s p r o p e r l y a i r - e n t r a i n e d a n d s u f fi c i e n t l y c u r e d , e x c e l l e n t f r e e z e - t h a w r e s i s t a n c e c a n b e e x p e c t e d , ( s e e fi g u r e 3 . 8 ) . 3 . 3 . 4 . S i l i c a F u m e G e n e r a l S i l i c a f u m e i s a b y - p r o d u c t r e s u l t i n g f r o m t h e r e d u c t i o n o f h i g h p u r i t y q u a r t z w i t h c o a l i n e l e c t r o n i c a r c f u r n a c e s i n t h e p r o d u c t i o n o f s i l i c o n a n d f e r r o s i l i c o n a l l o y s . S i l i c a f u m e i s a l s o r e f e r r e d t o i n t h e l i t e r a t u r e a s " c o n d e n s e d s i l i c a f u m e " ( C S F ) , " m i c r o s i l i c a " , " f e r r o s i l i c o n d u s t " , " a r c f u r n a c e s i l i c a " , " s i l i c a fl u e d u s t " , " a m o r p h o u s s i l i c a " o r " v o l a t i l i z e d s i l i c a " , a n d i s a c o m p a r a t i v e l y n e w p o z z o l a n . A t y p i c a l s i l i c a f u m e ) 3 u / 3 ( t n e g A E A f o e g a s o D 8 1 0 + ? - 3 2 0 k g / m l r / ( c + r ) - 5 5 z 1 5 - 1 0 b S l a g A S l a g B o L g L L l A 3 6 2 A 4 0 2 " m e 5 3 0 2 B 4 0 2 3 5 0 2 3 8 0 0 K i n d o f S l a g F i g u r e 3 . 7 . E x a m p l e o f d o s a g e o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t a f f e c t e d b y s l a g r e p l a c e m e n t [ 1 3 8 ] . s l 8 - s / 3 e ] 0 l 0 4 L 0 l 0 ) y a d 8 2 3 e g A . s y a d ’ . ' c ~ I . m e c ( y c w 3 4 1 [ 0 l 0 0 0 a e 0 h 0 t t e 9 0 - 8 6 2 r 2 5 5 s e z c n 3 4 5 7 n e e o r c - — - F — — - l 0 g - 0 a - « - 1 - ° - - _ - L — - - - - - l s f o e ‘ c L . I t 0 0 J 0 4 l n a t s i s e r w a h t - e z 0 e L 0 s e 3 e r l F ’ % c y m c a . 5 8 % w / . 5 g 0 h 5 a 3 4 k : 1 3 e . t 0 l e 4 0 2 - r e u ~ ) 2 z e g 0 1 i 3 F e g F A ’ . + 4 : r F C 0 : " ( l 0 1 1 r H . / ‘ i A L C F ' E - ? l - 0 ‘ 0 0 0 0 0 0 2 1 0 9 8 7 1 1 1 R e l . D y n a m i c M o d . o f E l a s t i c i t y ( 9 5 ) 8 2 8 3 h a s a s p e c i fi c g r a v i t y o f 2 . 2 , a s c o m p a r e d t o 3 . 1 f o r n o r m a l p o r t l a n d c e m e n t . I t h a s a m e a n d i a m e t e r i n t h e r a n g e o f 0 . 1 t o 0 . 2 p m , w h i c h i s a p p r o x i m a t e l y 1 0 0 t i m e s s m a l l e r t h a n t h e a v e r a g e c e m e n t p a r t i c l e [ 1 4 5 ] . T h e e x t r e m e fi n e n e s s a n d h i g h s i l i c a c o n t e n t m a k e i t a h i g h l y p o z z o l a n i c m a t e r i a l . I t h a s a n S i O Z c o n t e n t i n t h e r a n g e o f 8 5 - 9 8 % , a s p h e r i c a l p a r t i c l e s h a p e w i t h a n u m b e r o f p r i m a r y a g g l o m e r a t e s , a n d a m o r p h u s p a r t i c l e s . A l t h o u g h d a t a f r o m R u s s i a a n d E a s t E u r o p e a n c o u n t r i e s a r e n o t a v a i l a b l e , t a b l e 3 . 5 [ 2 0 ] s h o w s t h e e s t i m a t e d p r o d u c t i o n o f C S F i n 1 9 8 4 f r o m s o m e m a j o r p r o d u c e r s . T a b l e 3 . 5 . E s t i m a t e d p r o d u c t i o n a n d u s e o f C S F i n 1 9 8 4 [ 2 0 ] . T o t a l q u a n t i t y U t i l i z e d i n c e m e n t a n d p r o d u c e d : M t . c o n c r e t e p r o d u c t s : M t . N o r w a y 1 4 0 4 0 U n i t e d S t a t e s 1 0 0 2 F r a n c e 6 0 0 A u s t r a l i a 6 0 2 0 S o u t h A f r i c a 4 3 0 J a p a n 2 5 0 W e s t G e r m a n y 2 5 0 C a n a d a 2 3 1 1 S w e d e n 1 4 5 B r a z i l , C h i n a a n d s o m e o t h e r c o u n t r i e s h a v e s i l i c o n m e t a l p r o d u c i n g p l a n t s , b u t m u c h o f t h e f u m e i s n o t fi l t e r e d a n d n o t a v a i l a b l e t o t h e c o n c r e t e i n d u s t r y . M o s t o f t h e i n v e s t i g a t i o n s u s e t h t e r m C S F f r o m t h e p r o d u c t i o n o f s i l i c o n m e t a l , o r f e r r o s i l i c o n a l l o y c o n t a i n i n g m o r e t h a n 7 5 % s i l i c o n . T h e fi r s t t e s t s o f t h e s i l i c a f u m e i n c o n c r e t e w e r e m a d e i n t h e e a r l y 1 9 5 0 3 a t t h e N o r w e g i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y [ 2 0 ] . A t a p p r o x i m a t e l y a t t h e s a m e t i m e , C S F w a s a d d e d t o a l a r g e n u m b e r o f a d d i t i v e s u s e d 8 4 f o r v a r i o u s p u r p o s e s i n a t u n n e l s e g m e n t i n t h e O s l o a l u m s h a l e r e g i o n . T h e fi r s t d o c u m e n t e d u s e o f C S F i n s t r u c t u r a l c o n c r e t e w a s a t t h e F i s k a a ( N o r w a y ) s m e l t i n g p l a n t i n 1 9 7 1 . T h e fi r s t u s e o u t s i d e t h e S c a n d i n a v i a n c o u n t r i e s , w a s n e a r t h e e n d o f t h e 1 9 7 0 5 . I n C a n a d a t h e p r a c t i c a l u s e o f C S F b e g a n i n r e a d y m i x p l a n t s i n 1 9 8 1 . I n t h e U n i t e d S t a t e s o f A m e r i c a , i t s u s e w a s a l s o r e p o r t e d i n e a r l y 1 9 8 0 s . R e c e n t l y C S F h a s r e c e i v e d a t r e m e n d o u s a m o u n t o f a t t e n t i o n e s p e c i a l l y i n t h e p r o d u c t i o n o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e o r f o r c o n c r e t e w i t h s p e c i a l d u r a b i l i t y p r o b l e m s . M e t h o d s o f U s e C S F i s m a i n l y u s e d i n t w o d i f f e r e n t w a y s : a s a c e m e n t r e p l a c e m e n t ( m a i n l y f o r e c o n o m i c a n d e n v i r o n m e n t a l r e a s o n s ) a n d a s a n a d d i t i v e t o i m p r o v e t h e p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e . C S F i s c u r r e n t l y a v a i l a b l e i n u n c o m p a c t e d , p e l l e t i z e d / d e n s i fi e d , a n d w a t e r s l u r r y f o r m s . T h e r e l a t i v e a d v a n t a g e s / d i s a d v a n t a g e s o f e a c h o f t h e s e f o r m s a r e s h o w n i n t a b l e 3 . 4 [ 1 4 4 ] . G e n e r a l fi e l d e x p e r i e n c e a n d l a b o r a t o r y t e s t s h a v e s h o w n v e r y l i t t l e d i f f e r e n c e i n t h e p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d c o n c r e t e c o n t a i n i n g s i l i c a f u m e w i t h d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s a n d o r i n d i f f e r e n t f o r m s . T h i s i s i n s h a r p c o n t r a s t t o e x p e r i e n c e w i t h fl y a s h e s [ 2 0 ] . P o z z o l a n i c R e a c t i v i t y a n d F i l l e r E f f e c t s S i l i c a f u m e i s a h i g h l y p o z z o l a n i c m a t e r i a l a n d a n e f f e c t i v e fi l l e r . T h e s e p r o p e r t i e s h a v e a c o m b i n e d e f f e c t o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e c o n c r e t e . I ; 8 5 T a b l e 3 . 4 . P e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t f o r m s o f s i l i c a f u m e [ 1 4 4 ] . S i l i c a F u m e P o s i t i v e C h a r a c t e r i s t i c s N e g a t i v e C h a r a c t e r i s t i c s F o r m U n c o m p a c t e d - H i g h e s t p o z z o l a n i c - D u s t y a n d m o i s t u r e a c t i v i t y , t e c h n i c a l s e n s i t i v e p e r f o r m a n c e , a n d e f fi c i e n c y . - H i g h t r a n s p o r t a t i o n c o s t - T e m p e r a t u r e p r o t e c t i o n n o t - L i m i t e d p n e u m a t i c r e q u i r e d f o r t r a n s p o r t , t r a n s p o r t l e n g t h . s t o r a g e , o r b a t c h i n g . P e l l e t i z e d / - 1 o w e s t t r a n s p o r t a t i o n c o s t L o w e s t p o z z o l a n i c d e n s i fi e d - l o w e s t s t o r a g e a n d t r a n s p o r t r e a c t i v i t y p e r f o r m a n c e a n d v o l u m e r e q u i r e m e n t . e f fi c i e n c y ~ D e c r e a s e d d u s t - M o i s t u r e s e n s i t i v e W a t e r s l u r r y - N o d u s t — I n a c c u r a c y i n s i l i c a d o s a g e - S i m p l e s t t r a n s p o r t a n d b a t c h i n g s y s t e m d u e t o s e d i m e n t a t i o n - D i f fi c u l t t o c o n t r o l c o n c r e t e w a t e r c o n t e n t - S t o r a g e a n d d i s p e n s i n g t a n k s m u s t b e c o n s t a n t l y a g i t a t e d t o k e e p s i l i c a f u m e i n s u s p e n s i o n - M u s t c o n t r o l p H t o p r e v e n t p r e m a t u r e g e l f o r m a t i o n - T e m p e r a t u r e c o n t r o l o f t r a n s p o r t , s t o r a g e , a n d b a t c h i n g t o p r e v e n t f r e e z i n g 8 6 I t s p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y i n c e m e n t p a s t e i s d e m o n s t r a t e d b y m e a s u r i n g t h e a m o u n t o f c a l c i u m h y d r o x i d e a t d i f f e r e n t t i m e s i n t h e p a s t e s w i t h v a r y i n g a m o u n t o f C S F . T h e r e s u l t s o f t h e r m a l g r a v i m e t r i c a n a l y s i s ( T G A ) a n d X - r a y d i f f r a c t i o n m e t h o d s g e n e r a l l y i n d i c a t e h i g h p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y [ 1 4 6 , 1 4 7 , 1 4 8 , l 4 9 , 1 5 0 ] . H o w e v e r , s o m e s t u d i e s a l s o i n d i c a t e m e d i u m [ 1 5 1 ] a n d s l o w [ 1 5 2 , 1 5 3 ] r e a c t i v i t y . F i g u r e 3 . 9 [ 1 4 8 ] s h o w s t h e c a l c i u m h y d r o x i d e c o n t e n t s ( a s m e a s u r e d b y T G A ) o f m a t u r e p a s t e s w i t h v a r y i n g a m o u n t s o f C S F . T e l f o r d [ 2 0 ] s t a t e s t h a t i f t h i s c u r v e c a n b e e x t r a p o l a t e d , t h e n c a l c i u m h y d r o x i d e c a n b e e l i m i n a t e d , t h e o r e t i c a l l y a t a 2 4 % r e p l a c e m e n t l e v e l . T h i s t h e o r e t i c a l r e p l a c e m e n t p e r c e n t a g e v a r i e s i n t h e l i t e r a t u r e , d e p e n d i n g o n t h e c o m p o s i t i o n o f t h e c e m e n t a n d t h e m e t h o d u s e d i n d e t e r m i n i n g t h e c o n t e n t o f t h e c a l c i u m h y d r o x i d e . I t h a s b e e n g e n e r a l l y o b s e r v e d t h a t t h e p r e s e n c e o f C S F i n c e m e n t p a s t e s h a s a n a c c e l e r a t i n g e f f e c t o n t h e h y d r a t i o n p r o c e s s . D i a m o n d [ 1 5 4 ] s h o w e d t h a t , a f t e r t w o d a y s a t a 1 2 % r e p l a c e m e n t l e v e l o f C S F , t h e c a l c i u m h y d r o x i d e c o n t e n t i n t h e m i x w a s h i g h e r t h a n t h e c o n t r o l , b u t l a t e r d e c r e a s e d . T h i s m a y h a v e b e e n d u e t o t h e c a l c i u m h y d r o x i d e b e i n g c o n s u m e d f a s t e r b y t h e p o z z o l a n i c r e a c t i o n t h a n i t w a s p r o d u c e d b y c e m e n t h y d r a t i o n . W u a n d Y o u n g [ 1 5 4 ] s t u d i e d t h e r e a c t i o n o f . C S F w i t h t r i c a l c i u m s i l i c a t e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e a n d f o u n d a n a c c e l e r a t i n g e f f e c t o f C S F o n t h e h y d r a t i o n o f C S . H a l s e e t a l . [ 1 5 6 ] c o n c l u d e d f r o m s i m i l a r w o r k t h a t C 3 S h y d r a t i o n w a s " e n h a n c e d " r a t h e r t h a n a c c e l e r a t e d . C h e n g - y i a n d F e l d m a n [ 1 4 9 ] f o u n d t h a t C S F a n d g r o u n d q u a r t z , w h e n u s e d a s a d d i t i v e s i n v a r y i n g a m o u n t s , a c c e l e r a t e d t h e c e m e n t h y d r a t i o n i n t h e fi r s t 1 4 d a y s , b u t l a t e r o n , a 3 0 % C S F r e p l a c e m e n t e l i m i n a t e d t h e c a l c i u m h y d r o x i d e c o n t e n t . G r u t z e c k e t a l . [ 1 5 7 , 1 5 8 ] f o u n d t h e f o r m a t i o n o f s i l i c a - g e l o n t h e s u r f a c e o f s i l i c a f u m e m i x e s s h o r t l y a f t e r m i x i n g t h e s i l i c a f u m e i n a c a l c i u m F i g u r e 3 . 9 . C T c a o G l n A c s i ) t u m o a n f t h y m ( d a 0 . t r 6 S i o u 0 l i c a c x r ) d i e a o e c s o t v n e a t s r e i m n o t a u s s d ( e a e w m m p n a d n t e n t 9 ’ 0 0 t c e m e n t a i w t s o u n e u h i t g r h e t d w s h i o b t f e y C t p S o h F e r t r a l m d a a n d l d e g c r e a [ d v i m e t r m 1 e 4 n 8 t ] . . i T c h e a n a W y l / s C i s , l S 8 7 A C u r e d t o r S Z d a y s 0 0 0 - e D C u r e d l o r t t O d a y s O C u r e d t o r G S d a y s E Q ) E d ) U B 0 . 2 0 - E 9 ’ C l B : a E X o E > 2 § § 0 . 1 0 - ( U Q L l L l L n — 0 4 8 1 2 1 6 2 0 8 8 h y d r o x i d e s o l u t i o n . T h e g e l c o m b i n e d w i t h c a l c i u m h y d r o x i d e t o f o r m C - S - H . W u a n d Y o u n g [ 1 5 5 ] s t a t e d t h a t t h r e e f o r m s o f C - S - H a r e f o r m e d i n Q S - C S F s y s t e m s : ( 1 ) C - S - H f o r m e d f r o m d i r e c t h y d r a t i o n o f 0 , 8 ; ( 2 ) C - S - H f o r m e d f r o m t h e r e a c t i o n o f c a l c i u m h y d r o x i d e a n d s i l i c a f u m e ; a n d ( 3 ) C - S - H f o r m e d f r o m t h e r e a c t i o n o f C - S - H a n d C S F ( w i t h l o w C l S a n d h i g h d e g r e e o f p o l y m e r i z a t i o n ) . T h e l a t t e r i s p r e s e n t i n m i x e s c o n t a i n i n g m o r e C S F t h a n i s r e q u i r e d t o c o n s u m e a l l t h e c a l c i u m h y d r o x i d e . P o r e t r u c t u r e C o n c r e t e s c o n t a i n i n g C S F h a v e s h o w n a m o r e d e n s e m i c r o s t r u c t u r e t h a n p l a i n p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . R e g o u r d [ 1 5 9 ] s a y s t h a t C S F c o n c r e t e a p p e a r s " v e r y d e n s e a n d a m o r p h o u s " . D i a m o n d [ 1 6 0 ] f o u n d t h a t , i n c o n t r a s t t o P C C , t h e C - S - H g e l p a r t i c l e s i n C S F c o n c r e t e c a n n o t b e s e e n a s i n d i v i d u a l p a r t i c l e s b u t a s a m a s s i v e d e n s e s t r u c t u r e , w h e r e a s c a l c i u m h y d r o x i d e a p p e a r s a s a s m a l l l o c a l c r y s t a l . I t h a s a l s o b e e n o b s e r v e d t h a t t h e d e n s e p a s t e s t r u c t u r e i s e s s e n t i a l l y r e l a t e d t o t h e b o u n d a r y o f a g g r e g a t e i n d e n s e C S F ( h i g h e r d o s a g e ) c o n c r e t e . I n t h i s w a y , t h e n o r m a l p o r o u s s t r u c t u r e o f 4 0 t o 5 0 p m , r i c h i n c a l c i u m h y d r o x i d e a r o u n d t h e a g g r e g a t e a s i n n o r m a l c o n c r e t e , i s e l i m i n a t e d . F o r n o r m a l d o s a g e s o f C S F , t h e c h a n g e s i n m i c r o s t r u c t u r e a r e l e s s p r o n o u n c e d . V a r i o u s r e s e a r c h e r s [ 1 4 8 , 1 4 9 , 1 5 4 , 1 6 1 ] r e c o r d e d d i f f e r e n c e s , h o w e v e r , i n t h e a m o u n t o f b o u n d w a t e r i n C - S - H a n d t h e a m o u n t c o n t a i n e d i n t h e c a l c i u m h y d r o x i d e . T h u s , t h e r e l a t i o n s h i p i s n o t y e t C l e a r . H o w e v e r , i t h a s b e e n o b s e r v e d , b y c a l o r i m e t r y a n d t h e d e v e l o p m e n t o f n o n - e v a p o r a b l e w a t e r c o n t e n t o r c a l c i u m h y d r o x i d e o v e r t i m e , t h a t C S F a c c e l e r a t e s t h e h y d r a t i o n r e a c t i o n . 8 9 M e h t a [ 7 8 ] a n d M a n m o h a n a n d M e h t a [ 1 6 2 , 1 6 3 ] h a v e s h o w n a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o r e s t r u c t u r e , p e r m e a b i l i t y , a n d t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . S e l l e v o l d a n d N i l s o n [ 1 6 4 ] a n d F e l d m a n [ 1 6 5 ] s t u d i e d t h e p o r e s t r u c t u r e o f c e m e n t - s i l i c a f u m e u s i n g w a t e r a d s o r p t i o n , m e r c u r y p e n e t r a t i o n , a n d f r e e z e c a l o r i m e t r y a n d f o u n d t h a t i n c r e a s i n g t h e d o s a g e o f C S F w h i l e h o l d i n g w a t e r - c e m e n t r a t i o c o n s t a n t l e a d t o t h e r e fi n e m e n t o f p o r e s t r u c t u r e w h i l e t h e t o t a l p o r o s i t y , m e a s u r e d b y w a t e r , r e m a i n e d u n c h a n g e d . T h i s m e a n s t h a t l e s s p o r e s p a c e c o n s i s t e d o f c a p i l l a r y p o r e s w h e r e w a t e r c o u l d f r e e z e a n d m e r c u r y c o u l d p e n e t r a t e . T h e y c o n c l u d e d f r o m t h e i r w o r k t h a t s i l i c a f u m e w a s a b o u t t h r e e t i m e s m o r e e f fi c i e n t t h a n c e m e n t p a s t e i n r e d u c i n g c a p i l l a r y p o r o s i t y . T h e y a l s o u s e d a n i n e r t fi l l e r o f t h e s a m e fi n e n e s s a n d d i d n o t o b s e r v e t h e s a m e d e g r e e o f p o r e r e fi n e m e n t . T h e y d e t e r m i n e d t h a t m u c h o f t h e p o r e r e fi n e m e n t o b s e r v e d i n t h e C S F c o n c r e t e w a s c a u s e d b y t h e p o z z o l a n i c a c t i v i t y o f t h e C S F . T h e i r r e s u l t s f o r m e r c u r y p e n e t r a t i o n a r e s h o w n i n fi g u r e 3 . 1 0 [ 1 4 8 ] . F e l d m a n [ 1 6 5 ] a l s o o b s e r v e d t h a t a r e l a t i v e l y d i s c o n t i n u o u s s y s t e m o f fi n e p o r e s e x i s t s i n t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e m a d e w i t h C S F . T r z e t t e b e r g [ 1 6 6 ] c o n c l u d e d t h a t C S F w a s v e r y e f fi c i e n t i n s u b d i v i d i n g t h e p o r e s . P e r m e a b i l i t y a n d P o r o s i t y M e h t a [ 7 8 ] a s s u m e s t h a t c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y d e c r e a s e s r a p i d l y w i t h i n c r e a s i n g d o s a g e s o f C S F b e c a u s e t h e c o n d e n s e d s i l i c a f u m e i s h i g h l y p o z z o l a n i c w h e n c o m p a r e d t o fl y a s h o r s l a g . H e r e f e r s t o t h e r e s u l t s o f G j o r v [ 1 6 7 ] a n d M a r k e s t a d [ 1 6 8 ] o n t h e w a t e r p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e i n w h i c h t h e c e m e n t w a s v a r i e d f r o m 1 0 0 t o 5 0 0 k g / m 3 . T h e y s h o w e d t h a t a l e a n c o n c r e t e m i x t u r e i n c o r p o r a t i n g 1 0 0 k g / m 3 c e m e n t a n d 1 0 % 9 O C S F I N C O N C R E T E B O I 6 0 0 7 0 ’ 6 0 4 . \ 0 0 - 0 0 0 6 1 2 m e r t t i l l e r 6 0 8 - - - - C - S p a s t e ( a t t e r t t O d a y s l a 6 0 0 1 2 \ a 6 1 6 8 3 5 0 - E e . 0 . 2 O > < 2 3 0 — O 0 . 2 0 - 1 0 ” ~ ~ \ \ \ O _ _ J l 1 0 1 0 0 1 0 0 0 P o r e r a d i u s : n m F i g u r e 3 . 1 0 . M e r c u r y i n t r u s i o n i n m a t u r e ( 6 5 - d a y - o l d ) w h i t e c e m e n t p a s t e s ( W / C = 0 . 6 0 ) [ 1 4 8 ] . N o t e : T h e l a s t t w o d i g i t s o f t h e i d e n t i fi c a t i o n n u m b e r s i n d i c a t e t h e p e r c e n t a g e o f C S F a d d e d . T h e i n e r t f i l l e r i s a f i n e p r e c i p i t a t e d c a l c i u m c a r b o n a t e . T h e C - S p a s t e i s a c a l c i u m h y d r o x i d e - C S F m i x w i t h C / S = 1 . 0 . I . 3 " 9 1 s i l i c a f u m e h a d i t s p e r m e a b i l i t y d e c r e a s e d t o a b o u t 4 x 1 0 ' l o m / s , c o m p a r e d t o 1 . 6 x 1 0 ‘ 7 m / s w i t h o u t s i l i c a f u m e . T h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e w i t h 2 0 % C S F a n d 1 0 0 k g / m 3 c e m e n t w a s s i m i l a r t o t h a t o f c o n c r e t e w i t h o u t s i l i c a f u m e a n d 2 5 0 k g / m 3 c e m e n t . H o w e v e r , a t h i g h e r c e m e n t c o n t e n t s , t h e e f f e c t i v e n e s s o f C S F i n r e d u c i n g p e r m e a b i l i t y d i m i n i s h e d . C h r i s t e n s e n [ 1 6 9 ] , u s i n g a m e t h o d d e v e 1 0 p e d b y T h e T e c h n o l o g i c a l I n s t i t u t e i n D e n m a r k i n w h i c h t h e c a p i l l a r y p o r o s i t y o f c o n c r e t e i s e s t i m a t e d b y m i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n o f t h i n s e c t i o n s o f s a m p l e s f r o m t h e l a b o r a t o r y a n d fi e l d i m p r e g n a t e d w i t h fl u o r e s c e n t e p o x y a n d c o n c l u d e d t h a t C S F i s t h r e e t i m e s a s e f fi c i e n t a s c o n c r e t e i n r e d u c i n g c a p i l l a r y p o r o s i t y . J o h a n s s o n s t u d i e d t h e w a t e r p e r m e a b i l i t y o f m i x e s m a d e w i t h o u t w a t e r r e d u c e r s u s i n g 0 , 1 0 , a n d 2 0 % s i l i c a f u m e r e p l a c e m e n t o f c e m e n t . H e f o u n d h i g h e r s t r e n g t h s f o r C S F m i x e s a n d o n e - h a l f o f t h e w a t e r p e n e t r a t i o n i n 1 0 % s i l i c a f u m e , a s c o m p a r e d t o p l a i n c o n c r e t e m i x . T w e n t y p e r c e n t s i l i c a f u m e c o n c r e t e s h o w e d p e r m e a b i l i t y t h a n 1 0 % C S F c o n c r e t e , b u t t h e e f f e c t w a s n o t n e a r l y p r o n o u n c e d . S a n d v i k [ 1 7 0 ] , t e s t e d m i x e s w i t h 0 , 5 , 1 0 , a n d 2 0 % r e p l a c e m e n t o f c e m e n t b y C S F ( b y w e i g h t ) f o r h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y . T h e m i x w i t h 5 % C S F p r o d u c e d a r e d u c t i o n i n p e r m e a b i l i t y c o e f fi c i e n t f r o m 3 x 1 0 ‘ 1 1 t o 6 x 1 0 ’ 1 4 m / s , w h e r e a s a t h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s t h e c o e f fi c i e n t w a s b e l o w 1 0 “ m / s . T h e r e s u l t s a r e s h o w n i n fi g u r e 3 . 1 1 . T e l f o r d [ 2 0 ] c o n c l u d e s f r o m a r e v i e w o f h i s o w n w o r k a n d t h e w o r k o f m a n y o t h e r r e s e a r c h e r s t h a t t h e c o m b i n e d e f f e c t o f t w o f a c t o r s , t h e v e r y h i g h p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y a n d t h e fi l l e r e f f e c t , a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e r e fi n e m e n t o f p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g C S F . T h i s r e fi n e m e n t o f p o r e s t r u c t u r e l e a d s t o r e d u c e d p e r m e a b i l i t y , w h i c h i s c o n s i d e r e d t o b e t h e m a i n f a c t o r r e s p o n s i b l e f o r t h e i n fl u e n c e o f s i l i c a f u m e o n t h e m e c h a n i c a l a n d d u r a b i l i t y p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e . C o m p a r i n g 9 2 C S F I N C O N C R E T E 1 0 - l ‘ r - — - - S t o r e d i n w a t e r D r i e d f o r 1 4 d a y s a t 4 0 ° C p r i o r t o t e s h n g 1 0 " 2 l - \ ( D E c \ % D 1 0 ‘ ” - X i f E ( U Q ) E 3 1 0 ‘ 1 4 ' - \ \ 0 ‘ \ \ \ \ L L L A ! 3 0 0 1 0 2 8 5 . 1 5 2 7 0 - 3 0 2 4 0 6 0 M I X p r o p o r t i o n s . c e m e n t C S F k g . r n 3 F i g u r e 3 . 1 1 . H y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y ( p e r m e a b i l i t y ) o f d i f f e r e n t c o n c r e t e c o m p o s i t i o n s g i v e n d i f f e r e n t s t o r a g e c o n d i t i o n [ 1 7 0 ] . 9 3 p e r m e a b i l i t y w i t h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , T e l f o r d o p i n e s t h a t a v a i l a b l e d a t a i n d i c a t e t h a t s i l i c a f u m e r e d u c e s t h e p e r m e a b i l i t y m o r e t h a n i t i m p r o v e s t h e s t r e n g t h , i . e . , t h e e f fi c i e n c y f a c t o r f o r p e r m e a b i l i t y i s g r e a t e r t h a n t h a t o f t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . T h i s i s m o r e e v i d e n t a t l o w e r d o s a g e s o f C S F a n d l e s s e r s t r e n g t h l e v e l s . H e a l s o c o n c l u d e s f r o m t h e c o m p a r i s o n o f c e m e n t p a s t e a n d c o n c r e t e t h a t i t i s t h e a g g r e g a t e - p a s t e i n t e r f a c e i n p a r t i c u l a r t h a t p r o d u c e s t h e i m p r o v e d r e s u l t s f o r c o n c r e t e w i t h C S F . A i r C o n t e n t a n d F r o s t R e s i s t a n c e T h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e m a d e w i t h s i l i c a f u m e h a s b e c o m e t h e f o c u s o f m a n y i n v e s t i g a t o r s d u e t o i t s p r o m i s i n g p e r f o r m a n c e . T h e f o c i o f t h e s e s t u d i e s i n c l u d e t h e s t u d y v o i d s y s t e m , i c e f o r m a t i o n , p o r e s t r u c t u r e , e f f e c t o f a d m i x t u r e s , a n d s o f o r t h . T e l f o r d [ 2 0 ] r e f e r s t o t h e w o r k o f O k k e n h a u g a n d G j o r v [ 1 7 1 ] a n d O k k e n h a u g [ 1 7 2 ] , w h o s t u d i e d t h e i n fl u e n c e o f C S F o n t h e a i r v o i d s y s t e m , a i r c o n t e n t , a n d s t a b i l i t y o f t h e a i r v o i d s y s t e m a s w e l l a s r e q u i r e m e n t s f o r m i x i n g t i m e a n d a g g r e g a t e g r a d i n g . T h e y d e t e r m i n e d t h a t t h e d e s i r e d t o t a l a i r c o n t e n t c a n b e o b t a i n e d i n c o n c r e t e w i t h a n d w i t h o u t C S F b y a d j u s t i n g t h e d o s a g e o f t h e a i r e n t r a i n i n g a g e n t . H i g h e r d o s a g e s a r e n e e d e d i n C S F c o n c r e t e , a s c o m p a r e d t o p l a i n c o n c r e t e w i t h o u t w a t e r r e d u c e r s , b u t t h i s d i f f e r e n c e i s d e c r e a s e d i n c o n c r e t e w i t h w a t e r - r e d u c e r s . A i r p o r e c h a r a c t e r i s t i c s i n C S F w e r e f o u n d t o b e m o r e f a v o r a b l e a n d t h e a i r c o n t e n t m o r e s t a b l e w i t h r e s p e c t t o v i b r a t i o n o f t h e c o n c r e t e , e s p e c i a l l y i n m i x e s w i t h w a t e r r e d u c e r s . C a r e t t e a n d M a l h o t r a [ 1 7 3 ] m e a s u r e d t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s o f h a r d e n e d C S F c o n c r e t e w i t h s u p e r p l a s t i c i z e r s . I n c o n t r a s t t o O k k e n h a u g a n d G j o r v [ 1 7 1 ] w h o u s e d 8 % 9 4 C S F , t h e r e s u l t s d i d n o t s h o w a n y c o n s i s t e n t i m p r o v e m e n t . W h i l e a d o s e o f 5 % C S F i m p r o v e d t h e s p a c i n g f a c t o r a n d s p e c i fi c s u r f a c e , b u t t h e h i g h e r d o s a g e s l e d t o l e s s f a v o r a b l e r e s u l t s t h a n t h e r e f e r e n c e m i x . V i r t a n e n [ 1 7 4 ] c o n fi r m e d h i g h e r d o s a g e s o f t h e a i r e n t r a i n i n g a g e n t f o r C S F c o n c r e t e f o r a g i v e n a i r c o n t e n t , a l s o p o i n t e d o u t t h a t t h e s e d o s a g e s w e r e l e s s t h a n f o r c o n c r e t e w i t h s i m i l a r a m o u n t s o f s l a g a n d fl y a s h . I n a n o t h e r e x p e r i m e n t o n h i g h q u a l i t y c o n c r e t e , V i r t a n e n [ 1 7 5 ] o b s e r v e d t h a t , f o r a g i v e n d o s a g e o f a n A E A , C S F c o n c r e t e ( 1 6 % ) r e s u l t e d i n l o w e r a i r c o n t e n t s i n t h e f r e s h m i x . L e h t o n e n [ 1 7 6 , 1 7 7 ] c o n fi r m e d t h a t h i g h e r d o s a g e s o f A B A w e r e r e q u i r e d t o p r o d u c e e q u a l a m o u n t s o f a i r f o r c o n c r e t e s w i t h 5 , 1 0 a n d 1 5 % C S F t h a n t h e c o n t r o l f o r a W / ( C + S ) = 0 . 4 5 . H e a l s o c o n fi r m e d a s t a b l e a i r c o n t e n t i n C S F c o n c r e t e w i t h r e s p e c t t o v i b r a t i o n . T h i s c o n t r a s t e d w i t h p r e v i o u s w o r k b y A i t c i n a n d V e z i n a [ 1 7 8 ] a n d R a s m u s s e n [ 1 7 9 ] , w h o r e p o r t e d s o m e w h a t g r e a t e r l o s s o f a i r f o r c o n c r e t e c o n t a i n i n g C S F d u r i n g h a n d l i n g a n d p l a c e m e n t . C h r i s t e n s e n a n d J e n s e n [ 1 8 0 ] f o u n d f r o m t h e i r w o r k t h a t w h i l e 2 8 % o f t h e c o n c r e t e s p e c i m e n s d i d n o t f u l fi l t h e t a r g e t a i r r e q u i r e m e n t ( 3 . 5 % ) , 1 0 % fi l l e d t h e r e q u i r e m e n t f o r s p e c i fi c s u r f a c e , a n d a l l t e s t s g a v e s a t i s f a c t o r y a s p a c i n g f a c t o r . T h e y c o n c l u d e d t h a t t h e r e q u i r e m e n t o f a n a i r p o r e s y s t e m i n h a r d e n e d c o n c r e t e s h o u l d b e i n t e r m s o f t h e m o s t d i r e c t l y m e a s u r e d v a l u e s : a i r c o n t e n t r e l a t i v e t o p a s t e v o l u m e a n d t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f t h e p o r e s y s t e m . T h e y c r i t i c i z e d t h e m a t h e m a t i c a l l y c a l c u l a t e d v a l u e s o f t h e s p a c i n g f a c t o r , w h i c h a r e b a s e d o n a s s u m p t i o n s w h i c h , i n t h e i r o p i n i o n , a r e u s u a l l y n o t j u s t i fi e d . F a g e r l a n d [ 1 8 1 ] e s t a b l i s h e d t h a t a g i v e n c o n c r e t e p o s s e s s e s a " c r i t i c a l d e g r e e o f s a t u r a t i o n " ( C D S ) a b o v e w h i c h i t i s s u s c e p t i b l e t o r a p i d d e t e r i o r a t i o n u n d e r f r e e z e - t h a w c o n d i t i o n s a n d b e l o w w h i c h d e t e r m i n a t i o n r a t e s a r e v e r y l o w . L e h t o n e n [ 1 7 7 ] s h o w e d 9 5 t h a t i n c o n c r e t e s w i t h W / ( C + S ) o f 0 . 4 5 a n d 0 a n d 1 0 % C S F c o n t e n t , t h e c r i t i c a l d e g r e e w a s n o t v e r y d i f f e r e n t ( 8 3 % ) i n s p i t e o f v a r i a t i o n s i n a i r c o n t e n t . T h e w a t e r s u c t i o n b e h a v i o r w a s o b s e r v e d t o b e q u i t e d i f f e r e n t ; t h e r e f e r e n c e c o n c r e t e q u i c k l y r e a c h e d a p l a t e a u , w h e r e a s t h e C S F c o n c r e t e s h o w e d m u c h m o r e g r a d u a l w a t e r a b s o r p t i o n . I n S w e d i s h s t a n d a r d s C D S i s d e t e r m i n e d b y a c a p i l l a r y s u c t i o n e x p e r i m e n t , w h i c h a l l o w s t h e p r e d i c t i o n o f s e r v i c e l i f e e q u i v a l e n t t o t h e t i m e n e e d e d t o r e a c h t h e c r i t i c a l d e g r e e o f s a t u r a t i o n . " F i n n i s h N a t i o n a l S t a n d a r d s " [ 1 8 2 ] p r o v i d e a c r i t e r i o n f o r a p o r e p r o t e c t i o n f a c t o r w h i c h i s d e fi n e d a s t h e r a t i o b e t w e e n t h e u n fi l l e d p o r e s p a c e a f t e r c a p i l l a r y s u c t i o n a n d t h e t o t a l p o r e s p a c e a v a i l a b l e t o w a t e r , d e t e r m i n e d b y p r e s s u r e s a t u r a t i o n o f 1 5 0 a t m o s p h e r e s . A p o r e p r o t e c t i o n f a c t o r o f a t l e a s t 0 . 2 5 i s s u g g e s t e d f o r c o n c r e t e e x p o s e d t o s e v e r e c o n d i t i o n s . S e l l e v o l d e t a l . a n d P r e e c e e t a l . h a v e s h o w n t h a t i t i s p o s s i b l e t o p r o d u c e C S F c o n c r e t e w h i c h i s f r o s t - r e s i s t a n t w i t h o u t a i r e n t r a i n m e n t , p r o v i d e d t h e w a t e r - c e m e n t i s l o w a n d C S F c o n t e n t i s h i g h e n o u g h [ 2 0 ] . C o n c r e t e w i t h a w a t e r - c e m e n t r a t i o o f a p p r o x i m a t e l y 0 . 3 0 a n d C S F o f 1 0 % o r m o r e b y w e i g h t w a s e x p e c t e d t o m e e t t h i s r e q u i r e m e n t . T h e i n i t i a l s t u d y o n s i l i c a f u m e c o n c r e t e ( 1 0 t o 3 0 % r e p l a c e m e n t ) w a s c o n d u c t e d w i t h o u t a d m i x t u r e s t h a t r e q u i r e d h i g h c e m e n t c o n t e n t ( 7 3 0 k g / m 3 ) . F r o s t r e s i s t a n c e t e s t s w e r e c o n d u c t e d b y f r e e z i n g t h e c o n c r e t e i n a i r a n d t h a w i n g i t i n s e a w a t e r w i t h w e i g h t l o s s a s a f u n c t i o n o f f r o s t c y c l e s t a k e n a s t h e m e a s u r e o f e f f e c t i v e n e s s . C o n c r e t e w i t h C S F p e r f o r m e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r t h a n t h e c o n t r o l , w h i c h i s i n a g r e e m e n t w i t h l a t e r r e s e a r c h w o r k . C h e n g - Y i a n d F e l d m a n [ 1 8 3 ] c o n d u c t e d t e s t s o n n o n a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e s a c c o r d i n g t o A S T M C 6 6 6 p r o c e d u r e B [ 5 2 ] o n m o r t a r s w i t h W / ( C + S ) o f 0 . 4 5 a n d 0 . 6 0 9 6 c o n t a i n i n g C S F 0 , 1 0 , a n d 3 0 % . A 1 0 % r e p l a c e m e n t l e v e l l e a d t o i m p r o v e d f r o s t r e s i s t a n c e , w h e r e a s m i x e s w i t h 3 0 % C S F s h o w e d p o o r f r o s t r e s i s t a n c e i n s p i t e o f g r e a t e r s t r e n g t h . T h e g o o d r e s u l t s o f t h e C S F c o n c r e t e w e r e t h o u g h t t o b e d u e t o t h e i n c r e a s e i n t h e p o r e v o l u m e i n t h e r a n g e o f 0 . 3 5 t o 2 0 m i c r o n s , w h i c h t h e y b e l i e v e d t o a c t a s a i r p o r e s b e c a u s e o f t h e i r i n k - b o t t l e s h a p e . C h e n g - Y i a n d F e l d m a n b e l i e v e d t h a t t h e p o s s i b l e r e a s o n f o r t h e l o w f r o s t r e s i s t a n c e o f t h e s t r o n g e s t m i x w a s d u e t o a c o m b i n a t i o n o f l o w p e r m e a b i l i t y a n d a h i g h e r C S F d o s a g e t h a n r e q u i r e d f o r c o m p l e t e p o z z o l a n i c r e a c t i o n . C a r a t t e a n d M a l h o t r a u s e d 0 a n d 3 0 % C S F c o n t e n t i n s u p e r p l a s t i c i z e d a n d a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e w i t h W / ( C + S ) = 0 . 4 0 . T h e y a l s o o b s e r v e d d e c r e a s e d f r o s t r e s i s t a n c e w i t h h i g h d o s a g e s o f C S F . T h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s d i d n o t e x p l a i n t h e a p p a r e n t l y a n o m a l o u s r e s u l t s . T h e y a l s o f o u n d i d e n t i c a l s t r e n g t h s f o r 5 t o 2 0 % C S F a t 2 8 d a y s f o r n o o b v i o u s e x p l a n a t i o n . T h i s w a s c o n t r a r y t o p r e v i o u s w o r k , w h i c h s h o w e d t h a t t h e i n c r e a s e d c o n t e n t o f C S F s h o u l d p r o v i d e g r e a t e r s t r e n g t h s . T h e a b o v e d i s c u s s i o n c l e a r l y i n d i c a t e s t h e i m p r o v e d p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e w i t h C S F . A r e p l a c e m e n t o f a p p r o x i m a t e l y 5 % t o 1 5 % i s g e n e r a l l y r e p o r t e d t o b r i n g a n i m p r o v e m e n t i n s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y , b u t h i g h e r a m o u n t s a d v e r s e l y a f f e c t b o t h p e r m e a b i l i t y a n d f r o s t r e s i s t a n c e . A p o s s i b i l i t y o f p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e w i t h o u t a i r e n t r a i n m e n t a t l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o ( 0 . 3 0 ) h a s a l s o b e e n r e p o r t e d . T h e i m p r o v e m e n t i n p o r e s t r u c t u r e , i m p e r m e a b i l i t y , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , a n d a s t a b l e a i r v o i d s y s t e m p r o v i d e a p r o m i s e f o r p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t w i t h t y p i c a l w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o s , w h i c h i s t h e a i m o f t h i s r e s e a r c h w o r k . 9 7 3 . 4 S u m m a r y T h e a d m i x t u r e s i n v e s t i g a t e d i n t h i s c h a p t e r a r e a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s , w a t e r - r e d u c i n g a d m i x t u r e s , fl y a s h e s , s l a g , a n d s i l i c a f u m e . A l l o f t h e s e a d m i x t u r e s h a v e a d i r e c t o r i n d i r e c t b e a r i n g o n t h e d e v e l o p m e n t o f c o n c r e t e a i r v o i d a n d w a t e r p o r e s y s t e m s . T h e i r e f f e c t s m a y o r m a y n o t b e f a v o r a b l e f o r t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a t d i f f e r e n t r e p l a c e m e n t l e v e l s . T h e t y p e a n d t h e q u a n t i t y o f t h e A B A b e i n g u s e d i n a p a r t i c u l a r e n v i r o n m e n t h a s s p e c i fi c e f f e c t s o n t h e d e v e l o p m e n t o f a s t a b l e a i r v o i d s y s t e m . I t h a s a l s o b e e n i n d i c a t e d t h a t i n c r e a s e s i n a i r c o n t e n t a d v e r s e l y a f f e c t s o m e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e , a n d r e d u c t i o n s i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h f r o m 2 - 1 0 % h a v e b e e n r e p o r t e d . S o m e r e s e a r c h e r s a r e o f t h e v i e w t h a t t h i s s u b s t a n t i a l l o s s o f m e c h a n i c a l s t r e n g t h i s u n n e c e s s a r y a n d c a n b e a v o i d e d w i t h o u t l o s s o f f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y . T h e e f f e c t o f w a t e r r e d u c e r s / s u p e r p l a s t i c i z e r s w i t h r e s p e c t t o t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e i s s t i l l a c o n t r o v e r s i a l i s s u e . D i f f e r e n c e s o f o p i n i o n a r e b a s i c a l l y a b o u t t h e i n t e r a c t i o n o f s u p e r p l a s t i c i z e r s w i t h A B A a n d i t s f a i l u r e t o p r o d u c e t h e a i r v o i d s y s t e m c o n s i d e r e d e s s e n t i a l f o r f r o s t r e s i s t a n c e . T w o t y p e s o f fl y a s h e s , c l a s s F ( l o w c a l c i u m , h i g h c a r b o n ) a n d C ( h i g h c a l c i u m , l o w c a r b o n ) , a n d s l a g a r e a v a i l a b l e a s w a s t e b y - p r o d u c t s , a n d a r e c o m m o n l y u s e d i n c o n c r e t e . T h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e p o z z o l a n s a f f e c t t h e w o r k a b i l i t y , s t r e n g t h d e v e 1 0 p m e n t , a n d p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e d i f f e r e n t l y , e s p e c i a l l y w i t h r e s p e c t t o f r o s t r e s i s t a n c e . T h i s b e c o m e s m o r e c o m p l e x i n t h e p r e s e n c e o f w a t e r - r e d u c i n g a d m i x t u r e s , a n d s p a c i n g f a c t o r s o b s e r v e d a r e s o m e t i m e s h i g h e r t h a n t h e 9 8 r e c o m m e n d e d v a l u e s ( 0 . 0 0 8 i n . o r 0 . 2 0 m m ) w h i l e s t i l l p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . T h i s p r o b l e m n e e d s t o b e r e s o l v e d . G o o d f r o s t r e s i s t a n c e a p p e a r s t o b e p o s s i b l e b y i n c r e a s i n g t h e v o l u m e o f s m a l l p o r e s , t h u s a v o i d i n g t h e a d v e r s e s t r e n g t h l o s s e f f e c t s . T h i s h a s a l s o b e e n s h o w n t h a t t h e c o n c r e t e s w h i c h h a v e a c o n s i d e r a b l e p e r c e n t a g e o f p o r e s i n t h e r a n g e o f 0 . 3 t o 2 m i c r o n s , a r e b e l i e v e d t o i m p r o v e f r o s t r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s d e s p i t e h i g h e r v a l u e s o f t h e s p a c i n g f a c t o r , i n t h e r a n g e o f 0 . 0 0 8 t o 0 . 0 1 7 i n . ( 0 . 2 t o 0 . 4 3 m m ) . T h u s u s i n g t h e p r o p e r t i e s o f p o z z o l a n s , t h e p o r e w a t e r s y s t e m c a n p o s s i b l y b e f a v o r a b l y a l t e r e d . T h e u s e o f s i l i c a f u m e i s g a i n i n g i n c r e a s e d p o p u l a r i t y d u e t o i t s p o z z o l a n i c a n d fi l l e r p r o p e r t i e s . T h e l i t e r a t u r e h a s i n d i c a t e d i m p r o v e d p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e w i t h C S F . A r e p l a c e m e n t o f a p p r o x i m a t e l y 5 % t o 1 5 % i s g e n e r a l l y r e p o r t e d t o b r i n g a n i m p r o v e m e n t i n s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y , b u t h i g h e r a m o u n t s m a y a d v e r s e l y a f f e c t p e r m e a b i l i t y a n d f r o s t r e s i s t a n c e . T h e p o s s i b i l i t y o f p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e w i t h o u t a i r e n t r a i n m e n t a t l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o s ( 0 . 3 0 ) h a s a l s o b e e n r e p o r t e d . T h e i m p r o v e m e n t i n p o r e s t r u c t u r e , i m p e r m e a b i l i t y , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , a n d a s t a b l e a i r v o i d s y s t e m t h a t o f t e n a c c o m p a n y C S F c o n c r e t e p r o v i d e a p r o m i s e f o r p r o d u c i n g f r o s t r e s i s t a n t c o n c r e t e a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t w i t h t y p i c a l w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o s , a n d c u r i n g p e r i o d s , w h i c h i s t h e a i m o f t h i s r e s e a r c h w o r k . C H A P T E R I V E X P E R I M E N T A L P R O G R A M 4 . 1 N e e d f o r P r o p o s e d S t u d i e s S i n c e t h e d e v e l o p m e n t a n d u s e o f d i f f e r e n t l a n d s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s , e x t e n s i v e r e s e a r c h w o r k h a s b e e n d i r e c t e d t o w a r d s t h e p r e p a r a t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a c c o r d i n g t o t h e s p e c i fi c a t i o n s i n i t i a l l y r e c o m m e n d e d f o r p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . I t h a s b e e n s h o w n f r o m a n e x t e n s i v e l i t e r a t u r e r e v i e w t h a t m i x d e s i g n s w i t h c h e m i c a l a d m i x t u r e s , p a r t i c u l a r l y w h e n H R W R s a r e u s e d , o f t e n f a i l t o m e e t t h e r e c o m m e n d e d a i r v o i d s y s t e m r e q u i r e m e n t s w h i c h a r e e x p e c t e d t o p r o d u c e f r o s t r e s i s t a n c e i n o r d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . M o r e o v e r , i t h a s a l s o b e e n o b s e r v e d t h a t t h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n , c h e m i c a l a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p o r t l a n d c e m e n t , a n d i t s w i d e l y - u s e d r e p l a c e m e n t w i t h m i n e r a l p r o d u c t s p l a y a v i t a l r o l e i n t h e d e v e l o p - m e n t o f w a t e r p o r e s t r u c t u r e , w h i c h i n t u r n a f f e c t s t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f P C C . A 9 9 1 0 0 p r o p e r l y d e v e l o p e d a i r v o i d s y s t e m i n t h e h a r d e n e d c o n c r e t e i s c o n s i d e r e d a k e y t o t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . T h i s s y s t e m i s a l t e r e d b y t h e u s e o f v a r i o u s k i n d s o f a d m i x t u r e s b e c a u s e o f t h e i r c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s . P r e v i o u s w o r k i n t h i s a r e a h a s i n d i c a t e d t h e p o s s i b i l i t y o f p r o d u c i n g a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e w i t h o u t a i r — e n t r a i n m e n t , u s i n g s i l i c a f u m e i n p a r t i a l r e p l a c e m e n t o f c e m e n t b u t t h i s w a s f o r v e r y l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o s a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s o n l y . W h i l e t h e u s e o f v a r i o u s k i n d s o f a d m i x t u r e s a r e i n c r e a s i n g i n t h e p r o d u c t i o n o f n o r m a l s t r e n g t h c o n c r e t e s i n f r e e z e - t h a w e n v i r o n m e n t s , t h e r e a r e i n c o n s i s t e n c i e s t h a t r e s u l t i n t h e f a i l u r e o f s u c h s t r u c t u r e s . E n o r m o u s a m o u n t s o f b u d g e t , t i m e , a n d e f f o r t a r e b e i n g c o n s u m e d , w h i c h c o n c e r n s m a n y u s e r s . I n t h i s c o n t e x t , t h e r e s e a r c h h e r e h a s b e e n d i r e c t e d t o w a r d s a s y s t e m a t i c l a b o r a t o r y s t u d y o f c o n c r e t e s p r e p a r e d w i t h d i f f e r e n t k i n d s o f m i n e r a l a d m i x t u r e s a t d i f f e r e n t r e p l a c e m e n t l e v e l s i n t h e p r e s e n c e o f c h e m i c a l a d m i x t u r e s a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t f o r f r e e z e - t h a w e n v i r o n m e n t s . F u r t h e r , i t i s e s s e n t i a l t o s t u d y a n d c h a r a c t e r i z e t h e e f f e c t s o f t h e s e w i d e l y - u s e d a d m i x t u r e s o n a i r v o i d s y s t e m p a r a m e t e r s t h a t c a n b e u s e d a s i n d i c a t o r s o f a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e , a n d t e s t t h e v a l i d i t y o f e x i s t i n g c r i t e r i a u n d e r t h e s e s p e c i fi c c o n d i t i o n s . 4 . 2 R e s e a r c h V a r i a b l e s K e e p i n g i n m i n d t h e a b o v e r e s e a r c h n e e d s , a c o m p r e h e n s i v e l a b o r a t o r y r e s e a r c h p r o g r a m w a s d e s i g n e d t o s t u d y t h e e f f e c t s o f c o m m o n l y - u s e d c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a n d t h e r e s u l t i n g a i r v o i d a n d w a t e r p o r e 1 0 1 s y s t e m s a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t s . T h i s p r o j e c t w a s u n d e r t a k e n i n t h r e e p h a s e s . I n P h a s e I , t h r e e l e v e l s o f a i r c o n t e n t a n d t h r e e l e v e l s o f w a t e r - c e m e n t r a t i o w e r e t e s t e d i n a l l c o m b i n a t i o n s ( s h o w n i n fi g u r e 4 . 1 ) e x c e p t f o r c e l l A 1 , w h i c h c o u l d b e e x p e c t e d t o p r o d u c e s a t i s f a c t o r y r e s u l t s b e c a u s e o f i t s h i g h e r a i r c o n t e n t a n d l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o . A t l e a s t n i n e r e p l i c a t e s w e r e c a s t f o r e a C h c e l l t o m e a s u r e t h e v a r i a b i l i t y o f t e s t r e s u l t s a n d d e t e r m i n e t h e n u m b e r o f r e p l i c a t e s r e q u i r e d f o r s u b s e q u e n t t e s t s . C o m p a n i o n s p e c i m e n s w e r e a l s o c a s t f o r e a c h c e l l t o d e t e r m i n e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( a s p e r A S T M C 3 9 - 8 6 [ 1 8 4 ] ) , a i r v o i d p a r a m e t e r s ( a s p e r A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] ) , a n d w a t e r p o r e s y s t e m p a r a m e t e r s . B a s e d o n t h e r e s u l t s o f P h a s e I , f u t u r e t e s t s w e r e p l a n n e d f o r P h a s e I I o f t h e s t u d y . S i n c e m a n y t y p e s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s a r e a v a i l a b l e i n t o d a y ’ s m a r k e t , i t w a s n o t p o s s i b l e t o t e s t a l l o f t h e s e a d m i x t u r e s h e r e b e c a u s e o f t i m e a n d e c o n o m i c c o n s t r a i n t s . I t w a s , t h e r e f o r e , d e c i d e d t o s e l e c t t h e v a r i a b l e s t h a t w e r e r e p r e - s e n t a t i v e o f t h e a d m i x t u r e s a n d t h e c o n d i t i o n s m o s t c o m m o n l y u s e d a n d e n c o u n t e r e d i n t h e p r o d u c t i o n o f i m p r o v e d P C C . F u r t h e r m o r e , t h e s e v a r i a b l e s w e r e o n l y t e s t e d a t l e v e l s t h a t r e p r e s e n t t h e c u r r e n t r a n g e o f p r a c t i c e . T w o t y p e s o f A B A , t w o t y p e s o f W R / s u p e r p l a s t i c i z e r s , a n d f o u r k i n d s o f p o z z o l a n s ( c l a s s F a n d C fl y a s h , G G B F s l a g , a n d C S F ) w e r e s e l e c t e d f o r t e s t s i n P h a s e H . C u r i n g p e r i o d s o f 2 8 a n d 5 6 d a y s a n d W / ( C + P ) o f 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 w e r e s e l e c t e d t o b e t e s t e d a s n o n m a t e r i a l f a c t o r s . T h e s i l i c a f u m e w a s u s e d i n s l u r r y f o r m ( s u s p e n d e d i n s u p e r p l a s t i c i z e r a n d w a t e r ) . T h e fl y a s h e s w e r e t e s t e d a t 1 5 % a n d 3 0 % , s i l i c a f u m e a t 8 % a n d 1 5 % , a n d G G B F s l a g a t 4 0 % r e p l a c e m e n t l e v e l s b y w e i g h t o f c e m e n t f o r w a t e r - c e m e n t r a t i o s o f 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 , b o t h w i t h a n d w i t h o u t w a t e r - r e d u c e r . T h e c o n t r o l m i x e s 1 0 2 7 . 5 A C 5 . 0 2 . 5 F i g u r e 4 . 1 : E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x A . N o t e : ( 1 ) W i t h i n c e l l a l p h a b e t i n d i c a t e s m a t r i x n u m b e r a n d t h e fi g u r e s h o w s c e l l n u m b e r ( 2 ) W / C - w a t e r - c e m e n t r a t i o A C - t a r g e t a i r c o n t e n t ( p e r c e n t ) 1 0 3 w i t h o u t a n y m i n e r a l a d m i x t u r e s w e r e u s e d a s t h e t h i r d l e v e l o f p o z z o l a n d o s a g e ( 0 % ) f o r c o m p a r i s o n s . T h e t a r g e t a i r c o n t e n t f o r a l l P h a s e 1 1 m i x d e s i g n s w a s k e p t a t a m a r g i n a l l e v e l ( 2 . 5 % ) s o t h a t t h e e f f e c t s o f t h e t e s t v a r i a b l e s o n d u r a b i l i t y w o u l d b e d i s c e m a b l e . T h e t e s t m a t r i c e s t h a t w e r e d e s i g n e d a n d u s e d f o r P h a s e I I a r e p r e s e n t e d i n fi g u r e s 4 . 2 t h r o u g h 4 . 5 . A t o t a l o f s i x b e a m s w e r e c a s t f o r e a c h c e l l : fi v e w e r e u s e d f o r t h e f r e e z e - t h a w t e s t s , a n d t h e s i x t h , s e l e c t e d a t r a n d o m , w a s u s e d f o r m i c r o s c o p i c a n a l y s i s t o d e t e r m i n e t h e a i r v o i d p a r a m e t e r s . T h e r e s u l t s o f t h e s e t e s t s a r e s u m m a r i z e d i n A p p e n d i x B . P h a s e I I I w a s c o m p r i s e d o f a d e t a i l e d a n a l y s e s o f a l l o f t h e t e s t r e s u l t s . T h e r e s u l t s o f t h e s e a n a l y s e s a r e s u m m a r i z e d i n C h a p t e r V I . T h e d e t a i l s o f m a t e r i a l s u s e d , a n d p r o c e d u r e s f o r s p e c i m e n p r e p a r a t i o n a n d t e s t i n g a r e b e d i s c u s s e d i n c h a p t e r 5 . I 3 B 3 3 R B B 4 8 1 1 2 2 2 6 0 4 D A R A V A I R M I C R O A 1 1 1 2 2 2 n c m i M e a e c t n a l i g a r l t t . i a e r t t n o d r . i u e . s 1 u m - e d n n i c c e t n w B 3 B 1 5 9 1 1 2 B y a e r t b m b x 3 3 3 x ( m s i r e d 7 3 1 . a u B B 2 6 3 3 B 3 1 1 1 2 0 4 8 2 B 3 3 7 3 3 3 3 1 1 1 2 1 5 9 3 g x w r t t u e i r r i i o e c e r . h t n . e m e n t . ) u o b f e m c r . 2 C C 0 P z Z L A T Y P 0 N E F N i o g t u e r : e 4 . 2 ( ( ( 1 2 3 ) ) ) : a P W W o i n / H N O N E F C E t z L L c d R A F A F s x h z C o p i W t + S S r A A l e n h S S R _ i m n c s fi e l r a e P 1 n u e - - l g - - t r w 5 a w a h I : 1 R ’ ; 7 a % l d e s i g r a n r r - e b t - h - r p e r r o c a l t e w e a n a d s m i g i e n e u h s e e l p e r a t g a i i e h t A E A ( A C = 2 . 5 % ) W / ( C + P ) 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 4 0 0 . 4 5 A B A W R F A C S F - fl y a s h - c o n d e n s e d s i l i c a f u m e 1 0 5 W / ( C + P ) 0 . 4 0 0 . 4 5 G G N O N E C 1 C 2 B 5 W R 0 3 0 4 s l a g F i g u r e 4 . 3 . E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x C . N o t e : ( 1 ) G G B F s l a g 4 0 % r e p l a c e m e n t ( b y w e i g h t ) o f c e m e n t . ( 2 ) W i t h i n c e l l a l p h a b e t i n d i c a t e s m a t r i x n u m b e r a n d t h e fi g u r e s h o w s c e l l n u m b e r ( 3 ) W / C + P - w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o W R - w a t e r - r e d u c e r F N i o g t u e r : e 4 . 4 : ( ( ( 1 2 3 ) ) ) l i n F W W a E y t d / x h C p i a t s h + e n h e r P i fi c p e m e g l e - c l u l n e t n a t a r w l e a p t r h s e a h r d e e p s l i a b o - e w c t s e m n e c g c i e M a m d l t n n e e i l i n c t t a n t i r t u o i e s ( m u x b s b D . y m a e r w r a t e t r i i g h x i o m e n t . ) t n u o m f b c e e r 1 0 6 W / ( C + P ) 0 . 4 0 0 . 4 5 C U R E T I M E ( D A Y S ) 2 8 5 6 ' 2 8 5 6 1 " : N O N E N O N E D 1 D 2 D 3 D 4 Y 1 5 % D 5 D 6 D 7 D 8 A C L A S S 3 F F A F A 3 0 % D 9 D 1 0 D 1 1 D 1 2 H A M O U N T T 1 5 % D 1 3 D 1 4 D 1 5 D 1 6 C L A S S Y P C F A 3 0 % D 1 7 D 1 8 D 1 9 D 2 0 E F A - fl y a s h 1 0 7 W / ( C + P ) 0 . 4 0 0 . 4 5 C U R E T I M E ( D A Y S ) 2 8 5 6 2 8 5 6 N O N E E 1 E 2 E 3 E 4 8 % E 5 E 6 E 7 E 8 U ) 1 5 % E 9 E 1 0 E 1 1 E 1 2 F i g u r e 4 . 5 : E x p e r i m e n t a l d e s i g n M a t r i x E . N o t e : ( 1 ) S i l i c a F u m e p e r c e n t r e p l a c e m e n t ( b y w e i g h t ) o f c e m e n t . ( 2 ) W i t h i n c e l l a l p h a b e t i n d i c a t e s m a t r i x n u m b e r a n d t h e fi g u r e s h o w s c e l l n u m b e r ( 3 ) W / C + P - w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o C S F - c o n d e n s e d s i l i c a f u m e C H A P T E R V T E S T M A T E R I A L S A N D P R O C E D U R E S 5 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e m a t e r i a l p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r s u m m a r i e s t h e s p e c i fi c p r o c e d u r e s a d o p t e d c o n c e r n i n g t h e c a s t i n g , c u r i n g , p r e p a r a t i o n a n d t e s t i n g o f s a m p l e s i n t h i s e x p e r i m e n t a l p r o g r a m . T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v a r i o u s m a t e r i a l s u s e d a r e a l s o d i s c u s s e d . 5 . 2 P r e p a r a t i o n o f T e s t M i x e s 5 . 2 . 1 M a t e r i a l s U s e d A s m e n t i o n e d e a r l i e r , a h i g h q u a l i t y a g g r e g a t e w a s u s e d t o r e s t r i c t t h e d u r a b i l i t y s t u d y t o t h e p a s t e f r a c t i o n o f t h e c o n c r e t e . D o l o m i t e c r u s h e d l i m e s t o n e , w h i c h h a d a t e s t e d d u r a b i l i t y f a c t o r o f 9 2 ( A S T M C 6 6 6 p r o c e d u r e B ) a n d a n o m i n a l t o p s i z e o f 1 . 2 5 1 0 8 1 0 9 i n . , w a s u s e d . O t h e r c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a g g r e g a t e a r e s h o w n i n t a b l e A . 1 ( a p p e n d i x A ) . T h e fi n e a g g r e g a t e w a s g l a c i a l s a n d ( b r o u g h t f r o m W a s h i n g t o n ) h a v i n g a fi n e n e s s m o d u l u s o f 2 . 7 . T h e b u l k s p e c i fi c g r a v i t y ( S S D ) w a s 2 . 6 4 , a n d t h e a b s o r p t i o n c a p a c i t y w a s 2 . 1 % . T y p e I p o r t l a n d c e m e n t p r o d u c e d b y S t . M a r y ’ s P e e r l e s s C e m e n t i n D e t r o i t , M i c h i g a n w a s u s e d f o r a l l t h e m i x d e s i g n s . T h e w a t e r r e d u c e r w a s P l a s t o c r e t e p r o v i d e d b y S i k a C o r p o r a t i o n ; t h e h i g h - r a n g e w a t e r - r e d u c e r w a s p r o v i d e d b y E l k e m M a t e r i a l s , I n c . , a n d i s t h e s a m e t y p e u s e d i n t h e p r o d u c t i o n o f t h e i r s l u r r y f o r m s i l i c a f u m e . T h e t w o t y p e s o f a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s u s e d i n t h i s p r o g r a m w e r e D a r a v a i r , a W R G r a c e v i n s o l r e s i n ( A E A l ) , a n d M i c r o a i r , f r o m M a s t e r B u i l d e r s ( A B A 2 ) . T h e fl y a s h ( F A ) u s e d i n t h i s w o r k w a s C l a s s C ( C l C ) f r o m L a r a m i e R i v e r , W y o m i n g a n d C l a s s F ( C 1 F ) f r o m C e n t r a l i a , W a s h i n g t o n . T h e p h y s i c a l a n d t h e c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f t h e fl y a s h e s a r e s h o w n i n t a b l e A . 2 a n d A . 3 ( a p p e n d i x A ) . G G B F s l a g w i t h w a t e r - r e d u c e r a n d s i l i c a f u m e i n s l u r r y f o r m ( m i x e d w i t h s u p e r p l a s t i c i z e r a n d w a t e r ) w e r e u s e d . 5 . 2 . 2 M i x P r o p o r t i o n i n g M i x d e s i g n s w e r e d e v e l o p e d u s i n g t h e a b s o l u t e v o l u m e m e t h o d [ 4 7 ] . A f t e r s e t t i n g t h e w a t e r - c e m e n t o r c e m e n t i t i o u s r a t i o a n d t h e a m o u n t o f p o z z o l a n r e p l a c e m e n t l e v e l t o b e s t u d i e d , a n a i r c o n t e n t a t 2 . 5 % a n d s l u m p o f 1 - 3 i n . w e r e t a r g e t e d . T h e a m o u n t o f t h e c o a r s e a g g r e g a t e w a s k e p t c o n s t a n t , a n d t h e a m o u n t s o f fi n e a g g r e g a t e a n d c e m e n t p a s t e w e r e a d j u s t e d t o a t t a i n t h e d e s i r e d w o r k a b i l i t y . A B A d o s a g e w a s v a r i e d t o p r o d u c e t h e d e s i r e d t a r g e t A C ( : 1 ; 0 . 5 % ) . M a n y t r i a l s w e r e s o m e t i m e s n e e d e d t o d e v e l o p t h e fi n a l 1 1 0 m i x d e s i g n s . 5 . 2 . 3 C a s t i n g o f t e s t s p e c i m e n s T h e b a t c h q u a n t i t y o f w a t e r w a s c o n t r o l l e d b y o v e n d r y i n g t h e fi n e a g g r e g a t e b e f o r e i t w a s u s e d f o r m i x i n g , a n d t h e q u a n t i t y o f w a t e r w a s a d j u s t e d a c c o r d i n g t o t h e a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d q u a n t i t y o f t h e s a n d . T h e c o a r s e a g g r e g a t e w a s b r o u g h t t o s a t u r a t e d , s u r f a c e - d r y c o n d i t i o n b y fl o o r d r y i n g b e f o r e b a t c h i n g . T h e w a t e r - r e d u c i n g a n d a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s w e r e a d d e d s e p a r a t e l y t o t h e m i x i n g w a t e r ( w h i c h w a s m e a s u r e d i n t w o h a l v e s ) s o t h a t t h e s e w e r e t h o r o u g h l y d i s p e r s e d . A f o u r a n d o n e - h a l f c u b i c - f o o t c a p a c i t y d r u m m i x e r w a s " b u t t e r e d " w i t h a s m a l l b a t c h o f t e s t c o n c r e t e p r i o r t o i t s fi r s t u s e e a c h d a y . W h e n e v e r p o s s i b l e , m a t e r i a l s w e r e i n t r o d u c e d w h i l e t h e m i x e r w a s r u n n i n g . M a t e r i a l s w e r e a d d e d i n t h e f o l l o w i n g s e q u e n c e : ( 1 ) a l l o f t h e c o a r s e a g g r e g a t e a n d a l l o f t h e fi n e a g g r e g a t e ; ( 2 ) h a l f o f t h e w a t e r ( m i x e d w i t h W R / H R W R , w h e n u s e d ) ; ( 3 ) c e m e n t a n d p o z z o l a n s i f u s e d ; a n d ( 4 ) t h e r e m a i n i n g h a l f o f t h e w a t e r w i t h t h e a i r e n t r a i n i n g a g e n t . A f t e r c h a r g i n g t h e m i x e r , m a t e r i a l s w e r e m i x e d f o r t h r e e m i n u t e s , f o l l o w e d b y t h r e e m i n u t e s o f r e s t a n d , fi n a l l y , t w o m i n u t e s o f m i x i n g , i n a c c o r d a n c e w i t h A S T M C 1 9 2 [ 1 8 5 ] . T h e e n t i r e m i x w a s t h e n e m p t i e d i n t o a d a m p w h e e l b a r r o w f o r t e s t i n g ( a i r c o n t e n t a n d s l u m p ) a n d c a s t i n g . T h e t e s t s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d a n d c u r e d a c c o r d i n g t o A S T M C 1 9 2 - 9 0 a [ 1 8 5 ] a n d A S T M C 4 9 0 - 8 9 [ 1 8 6 ] . T r i a l b a t c h e s w e r e m a d e u n t i l t h e t a r g e t a i r c o n t e n t o f 2 . 5 % w a s a c h i e v e d w i t h i n a n a l l o w a b l e l i m i t o f T 1 / 2 % ( a s m e a s u r e d b y t h e p r e s s u r e m e t h o d , a c c o r d i n g t o A S T M C 2 3 1 - 9 1 [ 1 8 7 ] ) a n d a d e s i g n s l u m p o f o n e t o 1 1 1 t h r e e i n . w a s a c h i e v e d , a s d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o A S T M C 1 4 3 — 9 0 a [ 1 8 8 ] . S i x 3 " x 4 " x 1 6 " b e a m s , t h r e e 4 " x 8 " c y l i n d e r s , a n d o n e 6 " x 1 2 " c y l i n d e r w e r e c a s t f r o m t h e fi n a l m i x d e s i g n f o r e a c h c e l l , i n a c c o r d a n c e w i t h A S T M C 1 9 2 [ 1 8 5 ] . T h e s p e c i m e n s w e r e d e m o l d e d 2 4 h o u r s a f t e r c a s t i n g , a n d t h e b e a m s w e r e p l a c e d i n a l i m e w a t e r b a t h ; t h e c y l i n d e r s w e r e k e p t i n 1 0 0 % h u m i d i t y a t 7 3 ° F f o r t h e d e s i r e d c u r i n g p e r i o d . 5 . 3 T e s t P r o c e d u r e s 5 . 3 . 1 R a p i d F r e e z i n g a n d T h a w i n g T e s t P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e i n t e m p e r a t e r e g i o n s u n d e r g o e s p e r i o d i c c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g . I n t h e l a b o r a t o r y , t h e s e c o n d i t i o n s a r e c r e a t e d b y v a r y i n g t h e t e m p e r a t u r e a n d m o i s t u r e u n d e r c o n t r o l l e d c o n d i t i o n s u s i n g a u t o m a t i c e q u i p m e n t c a p a b l e o f p r o d u c i n g c o n t i n u o u s a n d r e p r o d u c i b l e c y c l e s . T h e f r e e z e - t h a w m a c h i n e u s e d f o r t h e s e t e s t s w a s c a p a b l e o f t e s t i n g e i g h t y s p e c i m e n s a t a t i m e , a n d f e a t u r e d p r o g r a m m a b l e t e m p e r a t u r e c o n t r o l . F i g u r e 5 . l i s a s a m p l e o f t h e a c t u a l t e m p e r a t u r e r e c o r d f o r a w e e k ’ s t i m e . I n t h i s fi g u r e , t h e s c a l e r e a d i n g o f 2 0 r e p r e s e n t s a n a c t u a l r e a d i n g o f 0 ° F , a n d t h e h i g h e r l i m i t o f 4 0 ° F i s s h o w n a s s c a l e r e a d i n g o f 6 0 . T h e s e c h a r t s e t t i n g s w e r e s e l e c t e d f o r e a s y a n d c l e a r e r r e a d i n g s . A f t e r c u r i n g , t h e b e a m s w e r e r e m o v e d f r o m t h e l i m e w a t e r a n d p l a c e d i n a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e b a t h a t 4 0 ° F f o r a t l e a s t f o r o n e h o u r b e f o r e c o n d u c t i n g t h e i n i t i a l d u r a b i l i t y t e s t s . W h e n t h e s a m p l e s h a d a t t a i n e d a u n i f o r m t e m p e r a t u r e o f 4 0 ° F , t h e y 1 1 2 ‘ M O N D ' A ' Y 3 H i l l F i g u r e 5 . 1 . S a m p l e r e c o r d s h e e t , s h o w i n g a c t u a l t e m p e r a t u r e p r o f i l e f o r o n e w e e k d u r a t i o n o f f r e e z e - t h a w c y c l e s . 1 1 3 w e r e t e s t e d f o r r e s o n a n t f r e q u e n c y a c c o r d i n g t o A S T M C 2 1 5 - 8 5 [ 1 8 9 ] . B e a m l e n g t h s w e r e m e a s u r e d u s i n g a c o m p a r a t o r , a s p e r A S T M C 4 9 0 - 8 9 [ 1 8 6 ] , c a p a b l e o f m e a s u r i n g l e n g t h s t o t h e n e a r e s t 0 . 0 0 0 1 i n . T h e w e i g h t w a s m e a s u r e d w i t h s c a l e s a c c u r a t e t o w i t h i n o n e g r a m ( t h e s p e c i fi c a t i o n r e q u i r e s a c c u r a c y w i t h i n 4 . 5 g r a m s ) . T h e s a m p l e s w e r e t h e n p l a c e d i n t h e f r e e z e - t h a w m a c h i n e d u r i n g a t h a w c y c l e . S t a n d a r d t e s t s o f c o n c r e t e r e s i s t a n c e t o r a p i d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g w e r e c o n d u c t e d a c c o r d i n g t o A S T M C 6 6 6 - 9 0 [ 5 2 ] p r o c e d u r e B , w i t h s o m e s l i g h t m o d i fi c a t i o n s . I n o u r v e r s i o n o f t h i s t e s t , t h e s p e c i m e n s w e r e w r a p p e d i n s p e c i a l l y d e s i g n e d c l o t h w r a p s . T h e p u r p o s e o f t h e w r a p s w a s t o k e e p t h e s p e c i m e n s m o i s t d u r i n g f r e e z i n g , a s i n A S T M C 6 6 6 s t a n d a r d p r o c e d u r e A ( f r e e z i n g a n d d r a w i n g i n w a t e r ) , a n d a t t h e s a m e t i m e a v o i d t h e p o t e n t i a l f o r s p e c i m e n d a m a g e t h a t h a s b e e n o b s e r v e d w i t h t h e u s e o f n o r m a l p r o c e d u r e A c o n t a i n e r s . T h e u s e o f t h e s e w r a p s o f f e r e d t h e a d d e d a d v a n t a g e o f a c o m p a r a t i v e l y b e t t e r v i s u a l a s s e s s m e n t o f s c a l i n g b e c a u s e o n e c o u l d s e e t h e s c a l e d m a t e r i a l i n t h e w r a p e a c h t i m e t h e s p e c i m e n w a s t a k e n o u t o f t h e f r e e z e - t h a w m a c h i n e f o r m e a s u r e m e n t s / t e s t s . T h i s a l s o r e d u c e d t h e c l e a n i n g a n d m a i n t e n a n c e e f f o r t o f t h e f r e e z e - t h a w m a c h i n e b y p r e v e n t i n g m u c h o f t h e s c a l e d m a t e r i a l f r o m s i n k i n g t o t h e b o t t o m o f t h e m a c h i n e , w h i c h c o u l d n o t b e a v o i d e d i n t h e c a s e o f p r o c e d u r e B ; t h u s , t h e u s e o f t h e s e w r a p s m a y p r o l o n g t h e l i f e o f t h e e x p e n s i v e t e s t e q u i p m e n t . T h e s e l e c t e d p r o c e d u r e d o e s i n v o l v e w r a p p i n g a n d u n w r a p p i n g e a c h s p e c i m e n , w h i c h , o f c o u r s e , c o n s u m e s m o r e t i m e a n d e f f o r t i n t h e t e s t i n g o f t h e s p e c i m e n s . T h e f r e e z i n g a n d t h a w i n g c y c l e c o n s i s t e d o f a l t e r n a t e l y l o w e r i n g t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s p e c i m e n s f r o m 4 0 t o 0 ° F ( 4 . 4 t o - 1 7 . 8 ° C ) a n d r a i s i n g i t f r o m 0 t o 4 0 ° F ( - 1 7 . 8 t o 4 . 4 ° C ) . A t t h e e n d o f t h e c o o l i n g p e r i o d t h e t e m p e r a t u r e a t t h e c e n t e r o f t h e 1 1 4 s p e c i m e n s i s r e q u i r e d t o r e m a i n 0 _ - j - _ 3 ° F ( - l 7 . 8 _ - l _ - 1 . 7 ° C ) , a n d a t t h e e n d o f t h e h e a t i n g p e r i o d t h e t e m p e r a t u r e s h a l l b e 4 0 j ; 3 ° F ( 4 . 4 i 1 . 7 ° C ) . T h e t e m p e r a t u r e o f t h e h e a t - e x c h a n g i n g m e d i u m ( w a t e r a n d a i r ) i s k e p t u n i f o r m w i t h i n 6 ° F ( 3 . 3 ° C ) t h r o u g h o u t t h e S p e c i m e n c a b i n e t w h e n m e a s u r e d a t a n y g i v e n t i m e o n t h e s u r f a c e o f a n y s p e c i m e n e x c e p t d u r i n g t h e t r a n s i t i o n b e t w e e n f r e e z i n g a n d t h a w i n g o r v i c e v e r s a . T h e s u p p o r t s o n w h i c h t h e s p e c i m e n s r e s t a r e s u c h t h a t t h e y a r e n o t i n c o n t a c t w i t h t h e f u l l a r e a o f t h e s u p p o r t e d s i d e o r e n d , a n d t h e y d o n o t s u b j e c t t h i s a r e a t o c o n d i t i o n s s u b s t a n t i a l l y d i f f e r e n t f r o m t h o s e i m p o s e d o n t h e r e m a i n d e r o f t h e s p e c i m e n . T h e s p e c i m e n s w e r e t e s t e d f o r r e s o n a n t f r e q u e n c y ( f o r d e t e r m i n i n g R D M ) , a n d c h a n g e i n l e n g t h a n d w e i g h t e v e r y 3 0 c y c l e s o r l e s s u n l e s s f a i l u r e a p p e a r e d i m m i n e n t , i n w h i c h c a s e t h e y w e r e t e s t e d a t m o r e f r e q u e n t i n t e r v a l s . T e s t s w e r e d i s c o n t i n u e d w h e n a s p e c i m e n e i t h e r s u r v i v e d 3 0 0 c y c l e s o r t h e R D M r e a c h e d 6 0 % o f t h e i n i t i a l m o d u l u s v a l u e . A n y c h a n g e s i n t h e v i s u a l c o n d i t i o n o f t h e s p e c i m e n s w e r e r e c o r d e d a t e a c h t e s t i n g . 5 . 3 . 2 D y n a m i c M o d u l u s T e s t i n g A J a m e s I n s t r u m e n t s E - m e t e r w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e f u n d a m e n t a l t r a n s v e r s e f r e q u e n c y o f e a c h f r e e z e - t h a w t e s t s p e c i m e n . T h i s a p p a r a t u s c o n s i s t s o f t h e f r e q u e n c y c o n t r o l c a b i n e t , a t e s t b e n c h , t h e f r e q u e n c y d r i v e r o r v i b r a t o r , a n d a p i c k — u p d e v i c e . T h e e q u i p m e n t p r o d u c e s a h i g h l y s t a b l e , v a r i a b l e f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n c o v e r i n g f r e q u e n c y b a n d s o f 1 0 H z t o 1 0 0 k H z i n f o u r s w i t c h r a n g e s , w i t h a p p r o x i m a t e l y 1 0 % o v e r l a p a t t h e e n d o f e a c h r a n g e . A p o w e r a m p l i fi e r ( 0 1 4 v o l t p e a k t o p e a k ) c a p a b l e o f d e l i v e r i n g 1 1 5 u p t o 8 . 3 w a t t s i n t o a 3 o h m v i b r a t i o n g e n e r a t o r i s a l s o u s e d . O u t p u t v o l t a g e i s s h o w n o n a m i n i a t u r e i n d i c a t o r . A f r e q u e n c y m e t e r i s p r o v i d e d w i t h a 6 - d i g i t L E D d i s p l a y a n d s w i t c h - s e l e c t e d g a t e t i m e s o f 1 o r 1 0 s e c o n d . T h e m e t e r c a n b e s w i t c h e d t o m o n i t o r e i t h e r t h e o u t p u t d r i v i n g f r e q u e n c y f r o m t h e o s c i l l a t o r , o r t h e r e c e i v e d i n p u t f r e q u e n c y f r o m t h e v i b r a t i o n d e t e c t o r . F o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y , a s p e c i m e n i s p l a c e d o n t h e s u p p o r t i n s u c h a m a n n e r t h a t i t m a y v i b r a t e w i t h o u t s i g n i fi c a n t r e s t r i c t i o n i n a f r e e - f r e e t r a n s v e r s e m o d e . T h e s p e c i m e n i s p o s i t i o n e d i n a w a y t h a t t h e d r i v i n g f o r c e i s n o r m a l t o t h e s u r f a c e a n d i s a p p l i e d a t a p o i n t d i s t a n t f r o m t h e n o d a l p o i n t s , m i d w a y b e t w e e n t h e e n d s o r n e a r t h e e n d o f t h e s p e c i m e n f o r t r a n s v e r s e o s c i l l a t i o n s . T h e p i c k - u p u n i t i s t h e n p l a c e d a g a i n s t t h e s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n s o t h a t i t w i l l b e a c t u a t e d i n t h e d i r e c t i o n o f v i b r a t i o n . T o a v o i d d i s t o r t i o n , t h e v i b r a t i n g f o r c e i s m a i n t a i n e d a s l o w a s p o s s i b l e f o r g o o d r e s p o n s e a t r e s o n a n c e . 5 . 3 . 3 D i l a t i o n T e s t i n g T h i s i s a n i m p o r t a n t i n d i c a t o r o f f r o s t r e s i s t a n c e a n d i s u s e d i n B r i t i s h S t a n d a r d s . W i t h r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g , t h e c o n c r e t e d e v e l o p s m i c r o c r a c k s t h r o u g h w h i c h t h e w a t e r e n t e r s a n d c a u s e s f u r t h e r d e t e r i o r a t i o n . T h e d i l a t i o n i s c o n s i d e r e d t o b e o n i n d i c a t o r o f c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n a n d a 0 . 1 % o f i n c r e a s e i n o r i g i n a l l e n g t h i s o f t e n u s e d a s a f a i l u r e c r i t e r i a . T h e c o m p a r a t o r u s e d f o r d e t e r m i n i n g c h a n g e i n l e n g t h o f t h e s p e c i m e n w a s c a p a b l e o f m e a s u r e m e n t s a c c u r a t e t o w i t h i n 0 . 0 0 0 1 i n . A r e f e r e n c e b a r w a s u s e d t o 1 1 6 c a l i b r a t e t h e c o m p a r a t o r p r i o r t o e a c h u s e a n d w h e n e v e r i t w a s f e l t n e c e s s a r y . T h e s a m p l e w a s c a r e f u l l y p l a c e d i n t h e c o m p a r a t o r a n d s l o w l y r o t a t e d ; t h e m a x i m u m r e a d i n g w a s r e c o r d e d . T h e c o m p a r a t o r a n v i l s w e r e c l e a n e d b e f o r e t a k i n g e a c h m e a s u r e m e n t . T h e s a m e t a r g e t s p e c i m e n t e m p e r a t u r e ( 4 0 ° F ) w a s i s u s e d t h r o u g h o u t , t h e t e s t i n g , s i n c e c h a n g e s i n s p e c i m e n t e m p e r a t u r e a t t h e t i m e o f l e n g t h m e a s u r e m e n t c a n a f f e c t t h e l e n g t h o f t h e s p e c i m e n s i g n i fi c a n t l y . 5 . 3 . 4 W e i g h t C h a n g e M e a s u r e m e n t s C h a n g e i n w e i g h t h a s . a l s o b e e n u s e d a s a m e a s u r e o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e . T h e d e v e 1 0 p m e n t o f m i c r o c r a c k s a l l o w s a d d i t i o n a l w a t e r t o e n t e r t h e c o n c r e t e , w h i c h , w i t h r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g , c a u s e s f u r t h e r d e t e r i o r a t i o n . T h e i n g r e s s o f t h i s w a t e r i s o b s e r v e d b y r e c o r d i n g t h e c h a n g e i n w e i g h t o f t h e s p e c i m e n d u r i n g t h e t e s t s . T h e i n c r e a s e i n w e i g h t o f t h e s p e c i m e n s d u r i n g t e s t i n g i n d i c a t e s t h e d e t e r i o r a t i o n . B u t t h i s i n c r e a s e i n w e i g h t c a n b e o f f s e t b y l o s s o f m a s s d u e t o s c a l i n g , w h i c h n e e d s t o b e o b s e r v e d a n d i n t e r p r e t e d a c c o r d i n g l y . 5 . 3 . 5 M i c r o s c o p i c E x a m i n a t i o n T h e a i r c o n t e n t , s p e c i fi c s u r f a c e , s p a c i n g f a c t o r , a n d o t h e r a i r v o i d p a r a m e t e r s w e r e d e t e r m i n e d b y u s i n g d a t a o b t a i n e d b y m i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o n ( l i n e a r t r a v e r s e , a s p e r A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] ) . S p e c i m e n s o f 3 " x 4 " a n d a p p r o x i m a t e l y t h r e e q u a r t e r s o f a n i n c h i n t h i c k n e s s w e r e s l i c e d f r o m t h e c e n t e r o f o n e o f t h e s i x b e a m s c a s t a f t e r t h e 1 1 7 s p e c i fi e d c u r i n g p e r i o d . T h e s e w e r e t h e n w a s h e d a n d s c r u b b e d w i t h a b r u s h u s i n g a fi n e , h i g h - v e l o c i t y s p r a y o f w a t e r a f t e r t h e s a w i n g o p e r a t i o n t o r e m o v e t h e g r i t a n d l o o s e \ p a r t i c l e s o f c o n c r e t e . A f t e r a v i s u a l i n s p e c t i o n , t h e c o m p a r a t i v e l y s m o o t h s i d e w a s t h e n p r e p a r e d f o r m i c r o s c o p i c a n a l y s i s u s i n g t h e f o l l o w i n g p r o c e d u r e : ( 1 ) U s e a b r a s i v e p a p e r o f 7 5 , u m a n d / o r 3 5 p m f o r 8 m i n u t e s ; ( 2 ) W a s h s p e c i m e n c a r e f u l l y w i t h w a t e r ; ( 3 ) U s e a b r a s i v e p a p e r o f 1 4 . 5 n m f o r 8 m i n u t e s ; ( 4 ) A g a i n w a s h s p e c i m e n w i t h w a t e r ; ( 5 ) A p p l y " c u t e x " o n t h e s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n s m o o t h l y w i t h a fi n e b r u s h o r c o t t o n s w a b a n d l e t i t d r y i n t h e a i r f o r 5 m i n u t e s ; I ( 6 ) R e p e a t t h e a p p l i c a t i o n o f c u t e x f o r 5 t i m e s i n s i m i l a r m a n n e r s o t h a t i t s a t u r a t e s i n t h e s u r f a c e ; ( 7 ) U s e a b r a s i v e p a p e r o f 1 2 . 5 a m f o r t e n m i n u t e s ; a n d ( 8 ) W a s h t h e s p e c i m e n w i t h w a t e r . T h e p r e p a r e d s p e c i m e n s w e r e t h e n e x a m i n e d u n d e r t h e m i c r o s c o p e a n d a i r V t l i d m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e u s i n g A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] p r o c e d u r e s . T h e l i n e a r t r a v e r s e a p p a r a t u s c o n s i s t s m a i n l y o f : a d e v i c e t o p r o v i d e a p l a t f o r m w i t h l e v e l i n g a r r a n g e m e n t o n w h i c h t h e s p e c i m e n c a n b e m o u n t e d ; a s t e r e o s c o p i c m i c r o s c o p e a n d s u p p o r t ; a m i c r o s c o p e l a m p ; a n d a c o m p u t e r i z e d a p p a r a t u s f o r r e c o r d i n g a n d a n a l y z i n g t h e m e a s u r e m e n t s . A p r e p a r e d s a m p l e o f c o n c r e t e i s p l a c e d o n t h e s t a g e o f t h e l i n e a r t r a v e r s e d e v i c e , a n d i s l e v e l e d s o t h a t t h e s u r f a c e m a y b e t r a v e r s e d a n d m i c r o s c o p i c a l l y e x a m i n e d w i t h a m i n i m u m o f r e f o c u s i n g . A f t e r a d j u s t i n g t h e l i g h t a n d 1 1 8 m a g n i fi c a t i o n , t h e s p e c i m e n i s t r a v e r s e d f o r a s p e c i fi c l e n g t h , d e p e n d i n g o n t h e t o p s i z e o f t h e a g g r e g a t e . M e a s u r e m e n t s a r e c o l l e c t e d a n d r e c o r d e d u s i n g t h e c d m p u t e r d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m . T h e s k i l l , e x p e r i e n c e a n d c o n t i n u i t y o f t h e p e r f o r m a n c e o f t h e t e s t b y t h e s a m e o p e r a t o r a r e i m p o r t a n t f a c t o r s t h a t c o n t r i b u t e t o t h e a c c u r a c y o f t h e r e s u l t s . A p r o g r a m i s t h e n r u n o n t h e c o m p u t e r t o a n a l y z e t h e t e s t d a t a . 5 . 3 . 6 S t r e n g t h T e s t i n g A f t e r t h e s p e c i fi e d p e r i o d o f c u r i n g , 4 " x 8 " c y l i n d e r s w e r e s u b j e c t e d t o a c o m p r e s s i o n t e s t a s p e r A S T M C 3 9 - 8 9 [ 1 8 4 ] . A n a v e r a g e o f t h r e e c y l i n d e r s w e r e t e s t e d f o r e a c h c e l l . 5 . 3 . 7 P e r m e a b i l i t y a n d F r e e z a b l e M o i s t u r e T e s t i n g P e r m e a b i l i t y a n d f r e e z a b l e m o i s t u r e t e s t i n g w a s c a r r i e d o u t o n s p e c i m e n s s l i c e d f r o m t h e 6 " x 1 2 " c y l i n d e r s a n d t h e r e m a i n i n g p o r t i o n s o f t h e b e a m s u s e d f o r a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s . T h e s e w e r e s h i p p e d t o t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n i n a s e a l e d c o n t a i n e r o f l i m e w a t e r f o r p e r m e a b i l i t y a n d f r e e z a b l e m o i s t u r e t e s t i n g . T h r e e - i n c h t h i c k s a m p l e s w e r e c u t f o r p e r m e a b i l i t y t e s t i n g w i t h a d i a m o n d s a w u s i n g w a t e r a s a c o o l a n t . T h e d e t a i l s o f s a m p l e p r e p a r a t i o n a n d t e s t i n g a r e g i v e n i n r e f e r e n c e [ 1 9 0 ] . T h e c o e f fi c i e n t o f p e r m e a b i l i t y c a l c u l a t i o n s w e r e m a d e b y e m p l o y i n g a f a l l i n g h e a d a n a l y s i s , a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 5 . 4 . 6 . T h e s a m p l e s f o r t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e t e s t i n g w e r e c u t f r o m t h e 6 " x 1 2 " c y l i n d e r s n u s e d f o d e t e r m i n n g t h e a m o u l e m o i s t u r e i n w t h e s a m p l e , a s d e s c r i b e d i t h A S T M s p e c i fi c a t i o n s n m t o f f r e e z a e e r r o f e i E c l m a a l a s t v d i e a i l u c i t b y n e s a : ( i c o i a f c v a M i a d t o i u o s u l n u o f R s n w u s D r o e r i c v a l u M w a s c a l c u l a t c c o r d a n c e R e D d M a ) s f o l l o w s : r f o u t h o . f 5 R e r D 4 . t M l l o w i l c u l T d h e e t h e e r m i n a t i n y g n o n a a 0 m l 0 1 R e l a t i v T h e n e m D e = ( n I Z / n 2 ) X 1 1 1 9 a n d p o r t i o n s o f t h e 3 " x 4 " x 1 6 " b e a m s . T h e s e s p e c i m e n s w e r e d r i e d t o v a r i o u s m o i s t u r e c o n t e n t s i n c a b i n e t s w i t h v a r y i n g r e l a t i v e h u m i d i t i e s . T h e y w e r e w e i g h e d a n d t h e n o v e n d r i e d a n d r e - w e i g h e d . T h e a d j u s t e d e q u i l i b r i u m m o i s t u r e c o n t e n t f o r a n i n d i v i d u a l m i x w a s b a s e d o n w e i g h t e d a v e r a g e o f t h e s a m p l e s [ 1 9 0 ] u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : w % w , - = S x w % S S D w h e r e : S = a v e r a g e d e g r e e o f s a t u r a t i o n ; a n d w % S S D = p e r c e n t o f s a t u r a t e d s u r f a c e - d r y m o i s t u r e c o n t e n t . T h e e q u i l i b r i u m m o i s t u r e c o n t e n t a n d t h e c o r r e s p o n d i n g e q u i l i b r i u m r e l a t i v e h u m i d i t y i n s e c t i o n 5 . 4 . 7 . 5 . 4 C a l c u l a t i o n s w h e r e D M i c o f t i c c y c e s o f t i b d d v e e r m d y n o f e e n n t t a a a c l l t ) , n d a w t a n i h d n a g w t , i h n a ( w g p e r c e , i n a g n . R C 1 1 1 1 1 F D w D P N ' h e r F = e = = = M p I v o n a s l t s u = h i e l e b s = T n e p i b = = = h N r D e o u u h f g r t : P d R n T i t s l e a r e n f f e / r a b m e m e M b t i h n c o v r i s a e l u u u i e M fi s t t a n l c u m n e r r 9 d e a a a a t o e l e e d e s , m b y N f n s i u a i t a r r t t 0 d e m y f s l r r c a c t t a o , e r o s a e s e r h p e i e e t e a v v m e t a s l r r D s n e a u c fi s l e y m s s i p s n s F h e t f l b a e e ) d e j s ; a ( i c t i i c t t o e a a t s n n o s s r t f r v s b f r e s c r h y i o r t w e e c r o l d p i e p e f n i r r o a s r u o o t i l i t y f c u r f t y a o c w m o t a h e c y r r e c h b n t c r r r e h r u o l t d e c e e l i c e e f t s , a e i r n g C a , a t f t 0 e t e e , y f q q t u u a e e e f n s n t t c c c a l c u l y y a e f f i t e d c i P s c a c e ; t t s e n c g ; h e d a m e e w r i a v m a n n c b n h i v d e o d e r s t h o f e c c z r o r i h e a r e r t t s o e i h n x e f r g c e e y r s e p l l C c e e y c o i f c s r p s l a c x p o s o r l o m e e f 0 e - n t t h , s n h d s u r n p b o f e s h . h r m i r f s : i e a s a e e f o z f r i n g e e f z r i e a n e n g z d i a n t n g i n i c T b b t w h h o o l i o l o i e i o m t b e r i s t e h e u y 1 t m 0 t p f v e 6 0 v a x r s c e e 0 o , a p m r s t c l c l fi a u e t e y l t e r 1 0 s ( s c o l w d e d 2 w 0 t u ) u e a r l , t e e r i o n s i s c o n f o e r i d s t n i n b e s e c D - t . u P t o o b e t r h m e a ( 1 ) d e e e s ( p d . n . e e t r g r s f . e , d 1 2 0 5 . 4 . 2 D u r a b i l i t y F a c t o r ( D E ) d u r a b l e , e t c . ) a n d t h e c r i t e r i a f o r a c c e p t a n c e v a r i e s b e t w e e n u s e r t o u s e r . F o r t h i s w o r k , . t h e f o l l o w i n g a r b i t r a r y s u b j e c t i v e r a t i n g s c a l e w a s u s e d : 1 2 1 E x c e l l e n t G r e a t e r t h a n 8 0 G o o d 6 0 t o 8 0 M a r g i n a l - - - - - - - - - - - - 4 0 t o 6 0 B a d 2 0 t o 4 0 P o o r L e s s t h a n 2 0 5 . 4 . 3 C h a n g e i n L e n g t h ( D i l a t i o n ) C h a n g e i n l e n g t h i s c a l c u l a t e d a s f o l l o w s : L , = [ { ( 1 2 - 1 1 ) / L , } x 1 0 0 ] w h e r e : L c = l e n g t h c h a n g e o f t e s t s p e c i m e n a f t e r C c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g , ( p e r c e n t ) ; 1 1 = l e n g t h c o m p a r a t o r r e a d i n g a f t e r 0 c y c l e s ; 1 2 = l e n g t h c o m p a r a t o r r e a d i n g a f t e r C c y c l e s ; a n d L , = t h e e f f e c t i v e g a g e l e n g t h b e t w e e n t h e i n n e r m o s t e n d s o f t h e g a g e s t u d s . 5 . 4 . 4 M a s s C h a n g e T h e c h a n g e i n w e i g h t d u e t o t h e r e p e a t e d c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g i s c a l c u l a t e d a s f o l l o w s : W = [ { ( w i ‘ W Q / W 1 } X 1 0 0 ] w h e r e : 1 2 2 W = w e i g h t c h a n g e o f s p e c i m e n a t C c y c l e s o f f r e e z i n g a n d t h a w i n g , ( p e r c e n t ) ; W l = w e i g h t o f t h e s p e c i m e n a t t h e b e g i n n i n g o f t h e t e s t , ( l b s ) ; a n d W 2 = w e i g h t o f t h e s p e c i m e n a f t e r C c y c l e s ( l b s ) . 5 . 4 . 5 A i r V o i d P a r a m e t e r s T h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r w a s c a l c u l a t e d i n a c c o r d a n c e w i t h t h e p r o c e d u r e g i v e n i n p a r a g r a p h 1 4 o f A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] . T h e P h i l l e o f a c t o r s ( P H 9 0 a n d P H 9 9 ) w e r e c a l c u l a t e d u s i n g t h e H y d r a i r p r o g r a m d e v e l o p e d b y t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n . T h i s p r o g r a m i s b a s e d o n t h e e q u a t i o n s d e v e l o p e d b y P h i l l e o [ 6 2 ] a n d u s e s l o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n . A t t i o g b e m e a n s p a c i n g w a s c a l c u l a t e d u s i n g t h e e q u a t i o n d e v e l o p e d b y A t t i o g b e [ 6 6 ] . 5 . 4 . 6 C o e f f i c i e n t o f P e r m e a b i l i t y T h e f o l l o w i n g e q u a t i o n w a s u s e d t o c o m p u t e t h e c o e f fi c i e n t o f p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e : k = [ { a L / A ’ ( t r t ° ) } { m a r / h . » w h e r e : k = c o e f fi c i e n t o f p e r m e a b i l i t y ; a = c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h e p i p e t ; L = s a m p l e t h i c k n e s s ; A ’ = e f f e c t i v e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f s a m p l e ; 1 2 3 ( t r t ° ) = t i m e b e t w e e n r e a d i n g s ; h o = w a t e r l e v e l a t t i m e t o ; a n d h f = w a t e r l e v e l a t t i m e t , . - 5 . 4 . 7 F r e e z a b l e M o i s t u r e C a l c u l a t i o n s P o w e r s [ 1 9 4 ] r e f e r r e d t o f r e e z a b l e m o i s t u r e a s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m o i s t u r e c o n t e n t a t a g i v e n d e g r e e o f s a t u r a t i o n a n d t h e e q u i l i b r i u m m o i s t u r e c o n t e n t a t a S p e c i fi c r e l a t i v e h u m i d i t y c o r r e s p o n d i n g t o t h e c o n c r e t e f r e e z i n g p o i n t . T h e m a x i m u m a m o u n t o f f r e e z a b l e m o i s t u r e i s f o u n d b y c o n s i d e r i n g a s a m p l e a s i n i t i a l l y s a t u r a t e d . E a c h o f t h e i n d i v i d u a l m i x e s t e s t e d s h o w e d t h a t t h e a m o u n t o f t h e m o i s t u r e r e m o v e d f r o m c o n c r e t e v a r i e d l i n e a r l y b e t w e e n 9 7 % t o 5 3 % r e l a t i v e h u m i d i t y , a n d t h e e x t r a p - o l a t e d v a l u e t o 1 0 0 % w a s u s e d f o r c a l c u l a t i o n s ( fi g u r e 5 . 2 ) . T h e u p p e r p o r t i o n o f t h e c u r v e i s i m p o r t a n t b e c a u s e t h e a m o u n t o f m o i s t u r e t h a t w i l l f r e e z e i n c o n c r e t e p o r e s a t - 1 7 ° C ( 0 ° F ) c a n b e f o u n d f r o m t h e a m o u n t o f m o i s t u r e t h a t i s r e m o v e d f r o m c o n c r e t e a t 8 5 % r e l a t i v e h u m i d i t y [ 1 9 4 ] , fi g u r e 5 . 3 . I t m a y b e n o t e d t h a t a l l t h e m i x e s i n t h i s s t u d y c o n t a i n e d t h e s a m e v o l u m e o f c o a r s e a g g r e g a t e a n d h a d s l u m p s b e t w e e n o n e a n d t h r e e i n c h e s . T h e p a s t e c o n t e n t w a s v a r i e d , d e p e n d i n g o n W / C + P u s e d , w h i c h a c c o u n t s f o r t h e s i m i l a r t o t a l p o r o s i t y o f a l l m i x e s [ 1 9 0 ] . T h u s i t w a s a s s u m e d t h a t t h e t o t a l p o r o s i t y o f v a r y i n g W / C + P m i x e s r e m a i n e d r e l a t i v e l y c o n s t a n t , w h i l e t h e p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n c h a n g e d w i t h c h a n g e s i n w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o a n d p a s t e m i x d e s i g n . I t w a s a l s o s h o w n i n t h i s s t u d y t h a t t h e a m o u n t o f f r e e z a b l e m o i s t u r e i n a s a m p l e w a s d e p e n d e n t o n t h e s l o p e o f t h e r e l a t i v e 1 2 4 5 . 5 g F r e e z a b l e : 4 . 5 fl M o i s t u r e l : 3 — — — — — — — — — — — — — ‘ i I ° _ U l 9 l 5 I . 2 3 . 5 . t - I c l E I ’ l l 2 . 5 + 4 I a i 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 R e l a t i v e H u m i d i t y ( % ) F i g u r e 5 . 2 . F r e e z a b l e m o i s t u r e d e t e r m i n a t i o n [ 1 9 0 ] . 1 0 0 y t i d i m u H e v i t a l e R — — - — - — — — — - — — I . — — 1 2 5 1 0 0 % 9 0 % 8 5 % I " " " " " " " " " " 8 0 % / 7 0 % 7 _ — - - — — — - - - — - I \ 6 0 % / - 1 7 ° C ( 0 o r ) 5 0 % . 1 - 7 0 - 6 0 - 5 0 ' - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 T e m p e r a t u r e , ° C F i g u r e 5 . 3 . R e l a t i o n s h i p b e t w e e n r e l a t i v e h u m i d i t y a n d f r e e z i n g p o i n t [ 1 9 2 ] . s c u T h i s c h a p d d e r i e s t p c e a u r r s m a s i t i n i o e o n n t e c a a i n r d w u e p v h t o n e i i r q d a n a l y s a a e s s n s d w e i d o f v t w o h a t t e t e d e s r t o l e p h e r e s u c o : l t r t h d t e e s e a i i s d m s r y e x p t e m r e s e n s d s e s i s o i n g n ; o s d d i n n e t h a e e n r d f t h e p n v a o r n r t i e m s o a e x u n t t s p c c e h m r a o t c c e h e a p t e i r r a d r u . a a l s u s e r c e t s e r i a s d d ; o p t i c s s t . a e m d p l t e o T h e a t 1 2 6 h u m i d i t y v e r s u s m o i s t u r e c o n t e n t c u r v e r a t h e r t h a n t o t a l p o r o s i t y . A s t e e p s l o p e ( fi g u r e 5 . 2 ) w o u l d m e a n t h a t l e s s e n e r g y i s r e q u i r e d t o r e m o v e m o i s t u r e ; w h e r e a s i n t h e c a s e o f a s h a l l o w e r s l o p e , t h e r e v e r s e w o u l d b e t r u e . S i n c e m o r e e n e r g y i s r e q u i r e d t o r e m o v e m o i s t u r e f r o m s m a l l e r p o r e s t h a n f r o m l a r g e r p o r e s , t h e s l o p e o f t h i s l i n e i n d i c a t e s e f f e c t i v e p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e s h a l l o w e r t h e s l o p e , t h e fi n e r t h e e f f e c t i v e p o r e s y s t e m , a n d t h e s t e e p e r t h e s l o p e , t h e c o a r s e r t h e e f f e c t i v e p o r e s y s t e m . T h e s l o p e o f t h i s l i n e c o u l d t h e n b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e a m o u n t o f f r e e z a b l e m o i s t u r e i n c o n c r e t e a t - 1 7 ° C ( 0 ° F ) . 5 . 5 S u m m a r y . . 3 . . . . . 4 > t ) { . : 7 1 . 5 7 . 1 1 . 1 5 r 4 . » . . ) I v 1 7 2 5 . 1 1 i : . } . ; . . . t f ; . . l . t . - a i : o . y t . . . . r ) : 3 » 2 . r 2 t . 1 : J 2 . ' . i . . . i . } . r : . . a € » ( . . . . . £ : . i f a v o i c l r : l . 1 . . . . . . . t . . ; , . . : : . I : a s c a b 4 . 4 : 8 . . . ( 5 C ( f 4 i . . 1 a 7 . . 3 1 . . 1 . n r . 1 : . 1 : . 3 . . 5 u : 3 2 , ) I b f . i . } . ) ; e a 3 . X 1 . . I . . 1 . . 3 . : y i . . e r : u 1 . r . . i 5 . . 1 . ( 7 . ? . P l 1 : 5 ¢ . . I . . t « . o 5 ) . . . . . . , . 9 . 2 5 C i r : . 4 v . . 1 2 . ! 1 . . 7 . ( V i . v . ( 1 . . \ . . . ) . < § . 2 ! . f 3 . . 5 S v 1 3 1 . . . “ ; . 3 3 v fl fl - i l r . . t o . 4 : 5 . I 3 1 : 1 ; 1 . . _ _ _ v 2 r i 7 M : { f i N A 1 ’ 1 3 " A “ ? 5 : 3 8 “ s t " P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d a t e d u e . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E k l t “ M S U i s A n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n c : \ c i r c \ d a t e d u e . p m 3 - p . 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g F R O S T R E S I S T A N C E O F P O R T L A N D C E N I E N T C O N C R E T E P R E P A R E D W I T H C H E N I I C A L A N D N I I N E R A L A D M I X T U R E S A T M A R G I N A L A I R C O N T E N T B y S h a m s h a d A h m a d K h a n V o l u m e I I A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y 1 9 9 2 P a e e d p t n n h n e o t e c t a d r z s e z n i c e d s o n t o e i l t t m s e i y i p e l g h n I c o v a l . o l s s d e f e u e s a o i a n t n a n S t a , t e a e n q r t h i s r e s r s w t r r M a g e W a d i s ( t r d o i s n u e r d I o e e t l e d p r i e e x p a e R a c e t a a n b e a r c a W t e t s d t i e r t c l o r s i d R a t c n h t ) e r i o d f m t a h r o a y r w e i s , r s o f n a l n c l e M t o u f m a r k c r b d h t d ( a t m ) u e o r s , a m s P n p i e u o u a . i w n s e r x d e fi e s e y . n r A i , i t e e s o n t h H D t ( d i l e a a o e r d r a e g t fi c o t g b g a u t w e v s r a r e W i o s a t e i e n s f p i g n g / o r a e 4 , c c n t d o . s e C a e n 1 e a l r l i ) s f d n ) a o u n d . n r o e c d u f n w g n r t g t t m t c i b o h h o r r a T t e e a c n n i e e e i s h B ( e w u e a f x t l a p a s c u s e t y a m p h s a e p s c o d r u e t o t f e b I u t h l l g b i d e d r o h u n o ) a i n s t a n e e y e c r a a . p r c c c d e r l d e a o m T l i i n e l e e l z s t x i l n u s i r e ( t a m o o t a r r i . b s t h n c l p u T f e t o n a e c c , a t a T w t r h s i a fi e h c y e t t n d i h . s g e 1 r e a e u s v e s w b t e l t w o o l r e s t i c e s s t m g d u h n e i n A e o x o t i t r f t i u s s e h a s t c e l l . C H A P T E R V I R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N 6 . 1 P r e l i m i n a r y S t u d i o s 6 . 1 . 1 M i x D e s i g n s , G e n e r a l P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e 1 2 7 1 2 8 p r o p o r t i o n s a n d c o n c r e t e c h a r a c t e r i s t i c s a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 1 . N o t e t h a t a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e d e m a n d i n c r e a s e s w i t h h i g h e r a i r r e q u i r e m e n t a s w e l l a s w i t h d e c r e a s e i n w a t e r - c e m e n t r a t i o ( s e e t a b l e 6 . 1 ) . T h e P h a s e I s a m p l e s e n d u r e d b e t w e e n 4 2 a n d 3 0 0 f r e e z e - t h a w t e s t c y c l e s , a f t e r w h i c h t h e t e s t w a s d i s c o n t i n u e d p e r A S T M C 6 6 6 - 9 0 [ 5 2 ] s p e c i fi c a t i o n s . T h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y t e s t r e s u l t s a r e s u m m a r i z e d i n t a b l e 6 . 2 . T h e p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s o f t h e t w o c o n t r o l c e l l s , A 7 a n d A 8 ( t a r g e t F A C 2 . 5 % a n d , W / C 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 , r e s p e c t i v e l y ) , s h o w i n g t h e d r o p i n r e l a t i v e d y n a m i c m o d u l u s a n d c h a n g e i n l e n g t h a n d w e i g h t w i t h i n c r e a s i n g n u m b e r s o f f r e e z e - t h a w c y c l e s a r e g i v e n i n fi g u r e s 6 . 1 a n d 6 . 2 , r e s p e c t i v e l y . 6 . 1 . 2 S a m p l e S i z e S e l e c t i o n T h e s a m p l e s i z e w a s c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g s t a t i s t i c a l e q u a t i o n : i t = { ( Z Z M 2 * 0 2 ) / d 2 } w h e r e : n i s s a m p l e s i z e ; Z , ” = 1 . 9 6 ( d z = 0 . 0 2 5 , c o r r e s p o n d i n g t o 9 5 % r e l i a b i l i t y ) ; a n d p r e c i s i o n l i m i t , d = 4 : 1 0 . A s a m p l e s i z e o f fi v e b e a m s w a s s e l e c t e d f o r P h a s e I I t e s t i n g b a s e d u p o n t h e r e s u l t s o f M a t r i x A ( t a b l e 6 . 1 ) . T h i s p r o v i d e s a 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l f o r a d u r a b i l i t y f a c t o r p r e c i s i o n o f 3 F 1 0 , e x c e p t f o r t h e r a n g e o f D F 4 5 t o 5 5 , w h e r e t h e r e q u i r e d s a m p l e s i z e w o u l d b e s i x . A s i x t h b e a m w a s c a s t t o p r o v i d e s p e c i m e n s f o r l i n e a r t r a v e r s e t e s t i n g . l l i s / n I ( ” ' 0 0 0 9 6 . 3 . . . 8 . 2 1 1 4 2 1 1 3 k t n e m a l fi “ s ) a % P 0 5 5 0 4 5 4 2 . . . . . . . . 7 7 4 5 5 2 2 2 ) 4 1 d . 7 . 1 5 0 y I c 7 . 6 . . . 0 A / l 3 6 1 2 0 7 . E m A ( 8 1 1 6 4 2 4 t ) n d e 4 3 4 y 2 0 9 2 3 m c l 0 1 2 5 2 3 5 6 e # , A x i r t a M n g i C ( 5 4 6 5 4 6 5 4 s e d r o f ) d y c l # ( s r e i t r e t a w — 6 5 9 9 8 3 1 8 2 1 4 4 1 5 5 3 e 2 2 2 2 2 H 2 2 2 p o r p e t e D 8 3 6 2 9 6 2 3 S ) d S y 5 6 4 5 7 6 5 9 - c / A l F ( 2 2 2 2 2 2 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 r c n o c d n a s n D 8 6 9 9 0 9 4 4 o i t r o p o S ) d S 8 6 y 4 7 3 9 9 6 - c I A # C ( 8 9 8 8 0 8 8 0 1 1 1 1 2 1 1 2 r ) a P K 7 0 2 2 4 9 4 3 ( 8 6 1 8 2 8 6 2 r 2 8 6 8 6 8 8 4 t s 5 5 2 1 4 1 8 5 - C 3 2 4 4 3 4 3 3 p x i M . 1 . 6 e . l b . 2 3 4 5 9 A A A A A a a T " l l F A C 1 % ) 1 5 6 . 6 1 5 . 0 1 2 9 s s m m s s s s s m a a m m e e a a B B e e m m a a a e e e B B B B B 2 1 1 1 5 9 9 5 0 1 5 . 9 0 2 3 2 . . . . . 7 2 7 2 2 3 s k r a m e R m u t ) c 5 e 2 R 0 [ ( l a u e . . 3 g 4 0 2 1 1 1 1 / / 1 1 2 5 3 9 1 1 1 1 1 4 / 0 t n c a A R / 1 / 1 / 0 1 9 2 . v e D . 6 4 d ) 2 9 t 8 . . . 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C t = n A o n d a e h d s r c u n u s a , r d n M D e 0 v e 4 R s t . 0 . h r — 0 1 — 1 . g 0 e l = c C — — — — — - — — I — — 6 i y / e c W e w ° r — 5 w h _ _ _ _ _ _ _ _ _ i . . ° u g d a t i n h i F a t w ' 2 ' . 0 A " 1 0 0 o 8 2 0 5 # C Y C I G S E n d u r e d # C y c l e s E n d u r e d 1 3 1 9 % 3 H % ¥ * * * * * E H ¥ . — — — % F — — o g 4 “ A m w v C u O n H Q i n a h a Q O C U H u n V T o . \ A w w v W D ~ D U O E U H E H . V H N L H . . A H 0 . > - U . ~ . m v - \ 2 . 0 5 0 5 3 3 0 1 0 3 0 L 5 2 d e r u 0 i d 0 2 n 0 I 0 3 0 5 j 2 d e r u 0 r d 0 2 n E ) « E : L 5 l t fi + s e 0 6 9 ( f i 1 c L y { + C 0 # h g i e W ‘ s s a a fi a a s e 0 l 5 l 1 c y i i C — § 0 # I 0 1 0 : l 1 $ : 0 n — i A 3 — e g — V g ¥ f I 0 5 5 — 4 4 ‘ n V — a — h — < L P . _ L 1 a - 1 . 1 D 4 o 2 2 4 4 3 . 2 0 , ' . . . . 0 0 0 0 0 0 0 0 - - . C 0 0 5 3 0 0 3 u 0 T 5 2 d e r u . h t g n - e z e e l e C r C . n % f i P 5 1 . r e 0 2 o = g t . C n o a n A d - a ‘ ‘ s 0 h I d 0 e r d 2 n E c n u u s a - r s . d n M e 5 ' l 5 l e 0 . , 1 v e c D 4 ' C y R . t s e 0 . h ‘ 0 # = l 0 2 l 1 . g 6 c C i y / e c W e w 0 r l 5 w h u g i d a t n h i F a t W - ‘ * 0 n 0 0 0 o 4 2 1 3 2 4 4 1 3 3 6 . 1 . 3 A i r V o i d S y s t e m M e a s u r e m e n t s S t a n d e h a r d e n e d a i r v o i d p a r a m e t e r s , a s d e t e r m i n e d b y A S T M C 4 5 7 - 9 0 [ 5 3 ] , a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 3 . T h e l i n e a r t r a v e r s e s p e c i m e n s w e r e s e l e c t e d a n d p r e p a r e d a s f o l l o w s t o e n s u r e t h e u s e o f u n b i a s e d s a m m e s . A n u n b i a s e d f r e e z e - t h a w b e a m w a s s e l e c t e d a t r a n d o m . T w o s l i c e s , e a c h a p p r o x i m a t e l y 0 . 5 0 i n . t h i c k , w e r e o u t n e a r m i d d l e o f t h e b e a m . O n e s i d e o f o n e s l i c e w a s r a n d o m l y s e l e c t e d f o r p r e p a r a t i o n u n l e s s a v i s i b l e d e f e c t w a s o b s e r v e d . F i n a l l y , t h e s t a r t i n g p o i n t a n d t h e l i n e o f t r a v e r s e w e r e a l s o s e l e c t e d a t r a n d o m . _ A s c a n b e s e e n f r o m t h e r e s u l t s , t h e h a r d e n e d a i r c o n t e n t s w e r e c o n s i s t e n t l y o b s e r v e d t o b e l e s s t h a n t h e F A C v a l u e s p r e s e n t e d i n t a b l e 6 . 1 , w i t h t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o i n c r e a s i n g a s t h e A C i n c r e a s e d . T h i s m a y b e b e c a u s e t h e v i b r a t i o n o f t h e m i x e s c a u s e d s o m e o f t h e l a r g e r s i z e b u b b l e s t o b e l o s t , w i t h g r e a t e r l o s s e s f o r t h e h i g h e r a i r c o n t e n t m i x e s . T h i s o b s e r v a t i o n w a s i n a g r e e m e n t w i t h t h e fi n d i n g s o f p r e v i o u s r e s e a r c h [ 7 0 ] . A p l o t o f t h e h a r d e n e d a i r c o n t e n t a n d t h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r f o r a l l t h e c e l l s o f M a t r i x A i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 3 . I t c a n b e s e e n t h a t t h e A C d e c r e a s e s a s t h e s p a c i n g f a c t o r i n c r e a s e s , w h i c h s h o w s t h e c o n s i s t e n c y o f t h e o b s e r v e d r e s u l t s w i t h t h e o r y . 6 . 1 . 4 E f f e c t o f W / C a n d A C o n F r o s t R e s i s t a n c e T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y s h o w e d t h a t t h e e f f e c t s o f W / C a n d A C o n f r o s t e s i s t a n c e a r e i n t e r r e l a t e d , a s s h o w n i n t a b l e s 6 . 1 a n d 6 . 2 . C o n s i d e r fi r s t t h e c h a n g e s 3 3 4 3 1 9 9 0 2 6 1 2 2 3 5 . . . . . 0 0 0 0 0 9 ° m v m : 0 m v — d v — i fi o q A 8 7 9 2 1 6 . . . . / 1 3 2 . 0 P 6 2 1 1 1 2 0 9 7 3 m m l z m m 1 9 4 3 5 9 9 . . . . . . . S 9 0 4 4 7 3 0 S 2 2 2 2 2 2 1 . A x i ) r t a M r m m ( o M — f s c i t s i r e t c a r 1 4 0 4 4 3 0 6 M 3 0 7 9 2 9 9 7 P 2 3 2 2 2 0 0 0 . . . . . . . . V 0 0 0 0 0 0 0 0 _ — _ ) a m h C d i m ( 1 6 6 5 5 1 1 2 0 6 4 8 9 0 6 9 4 1 1 1 1 1 2 1 2 o C . . . . . . . . A 0 0 0 0 0 0 0 0 V r i A . 3 . i e l 6 # l b a T l e C V _ — _ F : 1 S F ( m m ) 0 . 2 2 1 5 . 4 0 7 . 5 2 1 3 4 7 . 9 5 0 . 2 7 9 0 . 3 3 1 1 6 . 6 . 1 L 3 v _ . i 2 H 0 a r a t r l . M S j d l e t fi . e L ' ' . - - 0 C — 5 - _ . ’ r r ' — . - F L » ~ t L ~ r 3 0 . 6 0 0 . 4 4 4 3 3 3 - 4 2 0 8 6 4 0 0 0 0 0 0 . 0 0 0 0 0 0 4 2 O 1 . 0 0 0 0 0 0 0 . _ l i o g m u p l v r r e e s 1 . 6 s . 1 L ” ' a _ 1 1 J 1 1 . i i . a ‘ 1 . . ' i l . n 0 t J e v s l 1 5 . 0 ( r ‘ 5 s ) u s S F . 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T h e m e a s u r e d F A C o f t h e t h r e e m i x e s w e r e 2 . 5 , 2 . 2 a n d 2 . 4 p e r c e n t , r e s p e c t i v e l y , a n d t h e m e a s u r e d H A C o f t h e m i x e s w e r e 1 . 8 1 , 1 . 7 8 , a n d 1 . 8 3 % , r e s p e c t i v e l y ( s e e t a b l e 6 . 3 ) . H o w e v e r , t h e n u m b e r o f a i r v o i d s p e r m m ( V P M M ) o f t r a v e r s e w e r e 0 . 0 9 0 , 0 . 0 9 3 , a n d 0 . 0 7 6 , r e s p e c t i v e l y , a n d s p a c i n g f a c t o r s o f 0 . 3 6 1 , 0 . 3 3 1 , a n d 0 . 5 2 3 m m , r e s p e c t i v e l y , w e r e o b s e r v e d . T h u s , t h e d i s p e r s i o n o f t h e a i r b u b b l e s i s g r e a t e r ( a n d t h e b u b b l e s a r e l a r g e r , a s i n d i c a t e d b y t h e g e n e r a l d e c r e a s e i n t h e s p e c i fi c s u r f a c e ) w h e n W / C i n c r e a s e s a b o v e a c r i t i c a l l e v e l . T h e r e s u l t o f t h e s e c h a n g e s i n t h e a i r v o i d s y s t e m w a s a l o s s o f d u r a b i l i t y o f a b o u t 7 0 % w h e n W / C w a s i n c r e a s e d f r o m 0 . 4 0 t o 0 . 5 2 ( d u r a b i l i t y f a c t o r d e c r e a s e d f r o m 2 6 t o 8 ) . T h e o b s e r v e d t r e n d s a r e i n a g r e e m e n t w i t h t h e l i t e r a t u r e . T h e s e c o n d p o i n t o f i n t e r e s t a t t h i s m a r g i n a l a i r c o n t e n t i s t h e e f f e c t o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . A g a i n c o m p a r i n g c e l l s A 7 , A 8 , a n d A 9 , a r e d u c t i o n i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h c a n b e s e e n a s W / C i n c r e a s e s , a s s h o w n i n fi g u r e 6 . 4 . N o t e t h a t t h e d e c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s v e r y s m a l l ( 2 . 4 % ) w h e n W / C i n c r e a s e s f r o m 0 . 4 0 t o 0 . 4 5 , a n d d u r a b i l i t y r e m a i n s a b o u t c o n s t a n t ( a n i n c r e a s e o f a b o u t 7 % ) . H o w e v e r , t h e r e d u c t i o n i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w h e n W / C i s i n c r e a s e d f r o m 0 . 4 0 t o 0 . 5 2 i s 1 5 . 5 % , a n d t h e r e s u l t i n g l o s s o f d u r a b i l i t y i s a b o u t 7 0 % , w h i c h i s h i g h l y s i g n i fi c a n t a t t h e 9 9 % c o n fi d e n c e l e v e l ( s e e t a b l e D 2 ) . T h e r e d u c t i o n o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d d u r a b i l i t y w i t h i n c r e a s i n g W / C i n d i c a t e s t h e e f f e c t o f t h e w a t e r r e s y s t e m a n d i s i n a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s o f p r e v i o u s s t u d i e s . T h u s , i t a p p e a r s t h a t t h e e f f e c t o f W / C o n d u r a b i l i t y i s q u i t e s i g n i fi c a n t a t 6 X h i : q u e t c m i 3 1 1 ‘ : i l l : 1 3 7 c o n c r e t e a n d a d v e r s e l y a f f e c t s t h e a i r v o i d a n d w a t e r p o r e s y s t e m s . N o w c o n s i d e r t h e e f f e c t s o f W / C a n d A C o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d f r o s t r e s i s t a n c e u s i n g t h e r e s u l t s o f t e s t s o n c e l l s A 4 , A 5 , a n d A 6 ( v a r y i n g W / C f o r t a r g e t A C = 5 . 0 % ) , w h i c h a r e p r e s e n t e d i n fi g u r e s 6 . 5 a n d 6 . 6 . T h e r e d u c t i o n i n s t r e n g t h a s W / C i n c r e a s e s f r o m 0 . 4 0 t o 0 . 5 2 i s 1 8 . 8 % ( c o m p a r e d t o 1 5 . 5 % f o r t a r g e t A C = 2 . 5 % ) , a n d t h e q u a l i t y o f t h e a i r v o i d s y s t e m i s g e n e r a l l y d e c r e a s e d ( s p e c i fi c s u r f a c e d e c r e a s e s a n d s p a c i n g f a c t o r i n c r e a s e s ) , b u t t h e d u r a b i l i t y f a c t o r a c t u a l l y i m p r o v e s b y 3 0 % ( f r o m 6 8 t o 8 8 ) . T h e o n l y a p p a r e n t e x p l a n a t i o n f o r t h i s p h e n o m e n a i s t h a t t h e e f f e c t o f t o t a l a i r c o n t e n t q u a n t i t y o v e r s h a d o w s t h e e f f e c t s o f r e d u c e d s t r e n g t h a n d d e c r e a s e d a i r v o i d s y s t e m q u a l i t y ( n o t e t h a t f r e s h a i r a n d h a r d e n e d a i r c o n t e n t s g e n e r a l l y i n c r e a s e w i t h W / C f o r t h e s e s p e c i m e n s ) . I t i s a l s o w o r t h n o t i n g t h a t t h e a v e r a g e d u r a b i l i t y o f t h e s p e c i m e n s i n a l l t h r e e o f t h e s e c e l l s w a s m u c h h i g h e r t h a n t h e d u r a b i l i t y o f t h e s p e c i m e n s t h a t w e r e c a s t w i t h a t a r g e t o f 2 . 5 % a i r c o n t e n t . T h e s p e c i m e n s c a s t w i t h 7 . 5 % t a r g e t a i r c o n t e n t ( c e l l s A 2 a n d A 3 ) w e r e m o s t d u r a b l e o f a l l a n d e x h i b i t e d t r e n d s s i m i l a r t o t h o s e c a s t w i t h 5 . 0 % t a r g e t a i r c o n t e n t , e x c e p t t h a t t h e l a r g e d e c r e a s e i n s t r e n g t h a s s o c i a t e d w i t h t h e h i g h e r a i r c o n t e n t a n d ' g h e r W / C o f c e l l A 3 p r o d u c e d a s l i g h t l o s s o f d u r a b i l i t y f a c t o r , i n s p i t e o f a b e t t e r u a l i t y a i r v o i d s y s t e m ( s l i g h t l y s m a l l e r s p a c i n g f a c t o r , s o m e w h a t l a r g e r s p e c i fi c s u r f a c e , t c . ) . I n s u m m a r y , W / C h a s a l a r g e i n fl u e n c e o n t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e p l a c e d a t a r g i n a l a i r c o n t e n t s ( i . e . , 2 . 5 % o r l e s s ) , p r e s u m a b l y d u e t o r e d u c t i o n s i n c o n c r e t e e n g t h a n d a i r v o i d s y s t e m q u a l i t y . T h i s i n fl u e n c e a p p e a r s t o d e c r e a s e a s l a r g e r t i t i e s o f e n t r a i n e d a i r a r e i n c l u d e d i n t h e c o n c r e t e ( a t s o m e p o i n t , t h e h i g h e r W / C C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K P a ) 3 4 m L 1 4 L _ 1 1 l A a A l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 0 . 5 5 F i g u r e 6 . 6 . W / C v e r s u s D F w i t h A C = 5 . 0 % . 1 3 8 T T Y ‘ r r I — ‘ r — fi v ‘ I Y 4 4 0 0 0 4 2 0 0 0 * - V 4 0 0 0 0 3 8 0 0 0 > 3 6 0 0 0 * W a t e r - C e m e n t R a t i o F i g u r e 6 . 5 . W / C v e r s u s C - s t r w i t h A C = 5 . 0 % . D u r a b i l i t y F a c t o r 1 m 1 fi 1 ' “ ! fi l — fi fi — j T — j ' V 5 0 - 4 0 - 3 0 * 2 0 L 1 0 - A L A l . A . A l A . A L 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 0 . 5 5 W a t e r - C e m e n t R a t i o 0 m a k e a d i s t i n c t i o n i n p e r m e a b i l i t y t e s t i n g . T h e o t h e r p o s s i b l e c a u s e w a s t h o u g h t t o b e 1 3 9 p r o d u c e s i m p r o v e d w o r k a b i l i t y , w h i c h m a y a c t u a l l y a i d i n t h e p r o d u c t i o n o f a f r o s t - r e s i s t a n t a i r v o i d s y s t e m ) . A t h i g h a i r c o n t e n t s ( 7 % o r m o r e ) , i n c r e a s e s i n W / C n o l o n g e r p r o d u c e i m p r o v e m e n t s i n t h e a i r v o i d s y s t e m a n d o n l y w e a k e n t h e c o n c r e t e , r e s u l t i n g i n d u r a b i l i t y l o s s e s . 6 . 1 . 5 P e r m e a b i l i t y T e s t i n g T h e r e s u l t s o f p e r m e a b i l i t y t e s t i n g c o n d u c t e d o n c o m p a n i o n s p e c i m e n s a t t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n d o n o t i n d i c a t e a s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n t h e p e r m e a b i l i t y c o e f fi c i e n t o f c o n c r e t e , k , f o r W / C = 0 . 4 0 , W / C = O . 4 5 , a n d W / C = 0 . 5 2 a t m a r g i n a l A C ( fi g u r e 6 . 7 ) [ 1 9 0 ] . T h i s fi g u r e s h o w s t h e m e a n p e r m e a b i l i t y a t e a c h W / C w i t h $ 1 s t a n d a r d d e v i a t i o n . T r a d i t i o n a l l y , a d e c r e a s e i n W / C i s e x p e c t e d t o d e c r e a s e t h e p e r m e a b i l i t y , b u t t h e r e s u l t s d i d n o t s u p p o r t t h i s p o i n t f o r t h e m i x d e s i g n s s t u d i e d . A r a n g e o f p e r m e a b i l i t y o f ( w i t h i n o n e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a n ) 5 . 5 - 6 . 1 x 1 0 1 2 m / s w a s o b s e r v e d f o r a l l t h r e e w a t e r - c e m e n t r a t i o s . T h e s e r e s u l t s l e a d t o t h e c o n c l u s i o n t h a t c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y i s n o t w e l l c o r r e l a t e d w i t h w a t e r - c e m e n t r a t i o . A t o t a l o f 1 0 9 s a m p l e s w e r e e v e n t u a l l y t e s t e d , i n c l u d i n g t h e u s e o f b o t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s . T h e s e a l s o s h o w e d t h a t e s s e n t i a l l y n o d i s t i n c t i o n c o u l d b e m a d e i n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y f o r v a r i o u s W / C , W / C + P , w a t e r - r e d u c i n g a d m i x t u r e s , a n d z z o l a n i c a d m i x t u r e s . T h e r e f o r e , c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y a p p e a r s t o b e a p o o r p r e d i c t o r f c o n c r e t e d u r a b i l i t y . T h i s c o u l d b e b e c a u s e t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o s t e s t e d w e r e t o o c l o s e t o e a c h o t h e r ) k ( y t i l i s b / a m e m 2 r 1 e - P " 0 f 1 o x t n e i c i f f e o C 1 4 0 . ‘ i E a s . , _ \ . \ w / c 0 . 4 0 n = 1 0 w k 0 . 5 2 n = 3 n = 1 8 F i g u r e 6 . 7 . E f f e c t o f W / C o n p e r m e a b i l i t y [ 1 9 0 ] . 1 4 1 i n t h e p r i m a r y a s s u m p t i o n t h a t t h e fl o w o f w a t e r t h r o u g h c o n c r e t e i s l a m i n a r a n d u n i f o r m ; h o w e v e r , i t s e e m s t h a t t h e fl o w o f w a t e r t h r o u g h c o n c r e t e i s c o n t r o l l e d b y a r e l a t i v e l y f e w l a r g e r c o n t i n u o u s c h a n n e l s t h a t a r e m i n i m a l l y a f f e c t e d b y r e d u c t i o n s i n W / C o r c h a n g e s i n c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s . T h e s e c h a n n e l s m a y b e t h e r e s u l t o f ( 1 ) a g g r e g a t e i n t e r f a c e p r o b l e m s t h a t d e v e l o p f r o m p o o r b o n d i n g b e t w e e n p a s t e a n d a g g r e g a t e , ( 2 ) s e v e r a l l a r g e p a r t i c l e s , w h i c h m a y o c c u r c l o s e t o e a c h o t h e r , o r ( 3 ) h y d r a t i o n — r e l a t e d m i c r o c r a c k i n g i n t h e c e m e n t p a s t e i t s e l f , w h i c h f o r m s a l m o s t c o n t i n u o u s c h a n n e l s f o r m o i s t u r e p a s s a g e . 6 . 1 . 6 F r e e z a b l e M o i s t u r e F r e e z a b l e m o i s t u r e ( F M ) t e s t i n g w a s c o n d u c t e d a t t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n o n s a m p l e s t a k e n f r o m t h e s a m e s p e c i m e n s f r o m w h i c h s a m p l e s w e r e c u t f o r p e r m e a b i l i t y t e s t i n g . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d a s i g n i fi c a n t r e d u c t i o n i n F M b e t w e e n W / C o f 0 . 5 2 a n d 0 . 4 5 , a n d 0 . 4 5 a n d 0 . 4 0 f o r m i x e s w i t h o u t p o z z o l a n s ( s e e t a b l e 6 . 4 ) . T h i s w a s a t t r i b u t e d t o i m p r o v e m e n t s i n p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n . T h e s e r e s u l t s a r e i n o v e r a l l a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s o f f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y t e s t i n g f o r t h e s e m i x e s ( t a b l e D . l ) . F r e e z a b l e m o i s t u r e i s d i s c u s s e d f u r t h e r i n t h e n e x t s e c t i o n . s i s t a n c e a n d a l m o s t a l l t h e s e b e a m s d i d c o m p l e t e t h e 3 0 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s ( t a b l e 6 . 2 ) . 1 4 2 T a b l e 6 . 4 . F r e e z a b l e m o i s t u r e f o r n o n - p o z z o l a n i c P h a s e I m i x e s [ 1 9 0 ] . W / C 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 2 F M 0 . 6 6 0 . 7 7 0 . 8 6 ( n = 4 , s = 0 . 0 7 ) ( n = 5 , s = 0 . 0 7 ) ( n = 3 , s = 0 . 0 1 ) F r e e z a b l e M o i s t u r e ( % ) ( n = n u m b e r o f s a m p l e s , 3 = S t d . D e v . ) 6 . 1 . 7 F r o s t R e s i s t a n c e P e r f o r m a n c e T h e p i c t u r e b e c o m e s c l e a r e r w h e n w e c o m p a r e t h e p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s o f t h e t w o c e l l s A 7 a n d A 9 ( s e e fi g u r e s 6 . 1 a n d 6 . 8 ) . R D M o f 6 0 % w a s r e a c h e d i n o n e c a s e ( W / C = 0 . 4 0 ) i n 1 3 3 f r e e z e - t h a w c y c l e s ( a v e r a g e d o v e r 9 b e a m s ) , w h i l e i n t h e o t h e r c a s e ( W / C = 0 . 5 2 ) i t w a s r e a c h e d i n o n l y 4 2 f r e e z e - t h a w c y c l e s ( a v e r a g e d o v e r 9 b e a m s ) . t h o u g h t h e p e r f o r m a n c e o f b o t h c e l l s i s p o o r d u e t o l o w a i r c o n t e n t ( 2 . 5 % o r l e s s ) , i t s c e r t a i n l y w o r s e i n t h e c a s e w i t h h i g h e r t h e W / C ( i . e . , 7 0 % d e c r e a s e i n d u r a b i l i t y a c t o r f r o m t h e c e l l w i t h W / C o f 0 . 4 0 ) . T h e s a m p l e w i t h h i g h e r W / C a l s o s h o w s a m u c h ' g h e r r a t e o f m a s s g a i n a n d i n c r e a s e i n l e n g t h ( fi g u r e s 6 . 1 a n d 6 . 8 ) , a n d i t r e a c h e s t h e ' t i c a l t e s t v a l u e s m u c h e a r l i e r t h a n t h e s a m l e w i t h l o w e r W / C . T h i s i n d i c a t e s t h a t ' g h e r w a t e r c o n t e n t s p r o d u c e g r e a t e r i n t e r n a l d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e . H o w e v e r , m i x e s ' t h h i g h e r a i r c o n t e n t s ( 5 % a n d m o r e ) d i d s h o w a s i g n i fi c a n t i m p r o v e m e n t i n f r o s t A m e v g u m g g C u 0 . 0 8 5 0 5 0 a . . . r A 0 0 0 0 0 : 9 0 . 0 2 U u E a n n a n 0 5 3 . 0 7 0 2 \ 2 . 0 5 3 0 T 0 3 0 r 5 2 d e r u 0 d T 0 2 n E s % e ( ) 0 I 5 l 1 c t y C 0 # 0 h g i e 0 5 3 0 0 3 0 5 2 d e r u 0 d 0 2 n E s e l c Y C # 1 W f i n i g g m e t fi a 4 ‘ , 0 5 e 4 . 4 g . . . . 0 - 1 4 3 , 0 o n a h C 5 0 < 4 4 . + 3 “ - . 2 w 4 1 . 0 0 0 0 0 0 5 3 0 l 0 3 h t g - n e e z e l e C r C . n f % i P 5 f . r e o 2 0 o l 5 2 d e r u g t = . C n o a n d A 0 h e l d 0 2 n s r d c u n E u s . s a d r e — 0 1 5 l 1 M e n c D v e 2 5 y C 0 # I 0 1 I 0 5 R . t s e 0 . h 8 l = . g 6 c C i y / e c W w w h d a t e r u g i n h i F a t w * 0 8 1 1 ‘ ‘ - 0 0 0 0 6 4 2 0 I V i a l s “ * 5 0 4 ’ ° 5 ° 1 0 0 1 5 0 1 4 3 w a d u e 0 0 1 i 1 0 1 S t r o 6 . 2 1 6 3 p , P e r h C l a s s 1 4 4 6 . 1 . 8 S u m m a r y o f P r e l i m i n a r y S t u d y C o n c l u s i o n s I n s u m m a r y , a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t , t h e f r o s t r e s i s t a n c e a p p e a r s t o b e s t r o n g l y i n fl u e n c e d b y w a t e r - c e m e n t r a t i o . T h i s i s p r o b a b l y d u e t o i m p r o v e m e n t s i n t h e a i r v o i d a n d w a t e r p o r e s y s t e m s a t l o w e r r a t i o s . W i t h a n i n c r e a s e i n a i r c o n t e n t ( 5 % o r m o r e ) , w a t e r - c e m e n t r a t i o a p p e a r s t o b e l e s s i n fl u e n t i a l a s b e t t e r a i r v o i d s y s t e m s a r e p r o d u c e d d u e t o a i r e n t r a i n m e n t . T h e i n c r e a s e i n w a t e r - c e m e n t r a t i o r e s u l t s i n a d e c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , w h i c h b e c o m e s m o r e e v i d e n t a t h i g h e r a i r c o n t e n t s ( g r e a t e r t h a n 7 % ) . T h i s c o u l d b e a s i g n i fi c a n t f a c t o r w h e r e b o t h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d f r o s t r e s i s t a n c e a r e d e s i r e d . W a t e r p e r m e a b i l i t y p r o v e d t o b e i n d i s t i n g u i s h a b l e b e t w e e n t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o s t e s t e d , p o s s i b l y d u e t o t h e n a r r o w r a n g e o f W / C t e s t e d o r v i o l a t i o n o f t h e a s s u m p t i o n t h a t fl o w w i t h i n t h e h a r d e n e d c o n c r e t e i s l a m i n a r a n d u n i f o r m . T h e f r e e z a b l e m o i s t u r e v a r i e d s t r o n g l y w i t h t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o s , a n d a p p e a r s t o b e a g o o d i n d i c a t o r o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . 6 . 2 E f f e c t s o f A i r E n t r a i n i n g A g e n t s T w o c o m m o n l y u s e d A E A s , D a r a v a i r a n d M i c r o a i r ( A E A l a n d A E A 2 , r e s p e c t i v e l y ) w e r e u s e d i n t h i s s t u d y . D a r a v a i r i s b a s e d o n v i n s o l r e s i n s , w h i c h i s p e r h a p s t h e s i m p l e s t o f a d m i x t u r e s t h a t h a v e c o m p l e x f o r m a t i o n s , w h e r e a s M i c r o a i r i s c l a s s i fi e d a s a s y n t h e t i c d e t e r g e n t a n d h a s t h e i n d u s t r i a l s o u r c e o f p e t r o l e u m d i s t i l l a t e s . E x c e p t f o r t h e p r e l i m i n a r y t e s t i n g w h e r e A C w a s t e s t e d a t t h r e e l e v e l s , t h e A C o f 1 1 1 1 e f f e c t a d m i i m i x e s t e s t W P 0 8 1 ? a i r v 0 e n t r a i r 1 . 3 a n . m i x e s ) 0 f t h e ( p u s h a n d s i l j C h a r a c t 3 ) ; f r e t t a b l e s 1 3 fi s t i c a l ; t e s t s a “ 3 S i g H j fi W i l d i n g . s h o w e d . o w e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e w i t h h i g h e r W / C ( 0 . 4 5 ) . T h e f r e e z e — t h a w t e s t 1 4 5 o f t h e m i x e s w a s k e p t a t a m a r g i n a l l e v e l ( 2 . 5 % . - _ t - _ 0 . 5 % ) t o d e t e r m i n e t h e r e l a t i v e e f f e c t i v e n e s s o f t h e v a r i o u s t r e a t m e n t s . A t h i g h e r A C , t h e e f f e c t s o f t h e d i f f e r e n t a d m i x t u r e s o n t h e A V S a n d t h e w a t e r p o r e s t r u c t u r e c o u l d b e m a s k e d b y t h e f a c t t h a t a l l m i x e s g e n e r a l l y p e r f o r m w e l l . L a t e r o n , t h e h a r d e n e d A C m e a s u r e d b y t h e l i n e a r t r a v e r s e t e s t w a s f u r t h e r s e p a r a t e d i n t o e n t r a i n e d a i r v o i d s a n d t o t a l a i r v o i d s u s i n g t h e H y d r a i r p r o g r a m ( a n a i r v o i d a n a l y s i s p r o g r a m d e v e l o p e d a t t h e U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n ) . A n a i r v o i d c h o r d s i z e o f 1 0 0 0 m i c r o n s ( 1 m m ) w a s s e l e c t e d a s t h e m a x i m u m s i z e f o r e n t r a i n e d a i r v o i d s . T h e h a r d e n e d t o t a l a i r c o n t e n t ( H T A ) o b s e r v e d r e m a i n e d b e t w e e n 1 . 3 a n d 3 . 8 p e r c e n t , w i t h a m e a n o f 2 . 5 4 7 4 % a n d a s t a n d a r d d e v i a t i o n o f 0 . 5 5 1 5 % ( 4 9 m i x e s ) . I t w a s r e a l l y v e r y h a r d t o a t t a i n t h e t a r g e t A C i n s o m e o f t h e m i x e s , i r r e s p e c t i v e o f t h e t y p e o f t h e A B A u s e d , e s p e c i a l l y w h e n s i l i c a f u m e a n d H R W R w e r e u s e d ( p o s s i b l y d u e t o i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e A B A a n d t h e H R W R i n t h e s i l i c a f u m e s l u r r y ) . T h e t w o t y p e s o f A B A w e r e t e s t e d i n c o m b i n a t i o n w i t h C 1 F a n d C fl y a s h e s , a n d s i l i c a f u m e , a s s h o w n i n M a t r i x B , fi g u r e 4 . 2 . T h e m i x p r 0 p o r t i o n s a n d c o n c r e t e c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e m i x e s i n M a t r i c e s B t h r o u g h E a r e s h o w n i n t a b l e B . l ( A p p e n d i x B ) ; f r e e z e - t h a w t e s t r e s u l t s a n d a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e s e m a t r i c e s a r e s h o w n i n t a b l e s B . 2 ( f r e e z e - t h a w t e s t r e s u l t s ) , a n d B . 3 a n d B . 4 ( a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s ) . T h e s t a - ' s t i c a l a n a l y s e s a r e s h o w n i n t a b l e s D . 3 t h r o u g h D 7 i n A p p e n d i x D . A l l o f t h e s t a t i s t i c a l e s t s a r e c o n d u c t e d a t a 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l u s i n g t h e ’ t t e s t ’ , u n l e s s o t h e r w i s e n o t e d . T h e n o n - p o z z o l a n i c c o n c r e t e m i x e s m a d e w i t h W R c e l l s ( B l - B 4 ) f a i l e d t o s h o w s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n d u r a b i l i t y b e t w e e n t h e t w o t y p e s o f a i r e n t r a i n e r s u s e d . A E A l r o d u c e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e a t t h e l o w e r W / C ( 0 . 4 0 ) , w h i l e A E A 2 1 0 m e h a s 1 7 7 t a b ] I C S I l i m i T h a t a c t o f o 1 4 6 p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s f o r c e l l s B l - B 4 a r e s h o w n i n fi g u r e s C . l t h r o u g h C . 4 . A l l f o u r c e l l s s h o w e d l o s s i n m a s s i n i t i a l l y , b u t g a i n e d w e i g h t g r a d u a l l y a s t h e R D M c o n t i n u e d t o d e c r e a s e . T h e i n i t i a l m a s s l o s s w a s d u e t o s l i g h t s c a l i n g , w h i l e t h e s u b s e q u e n t g a i n i n m a s s w a s p r o b a b l y d u e t o t h e i n c r e a s e d w a t e r c o n t e n t t h a t a c c o m p a n i e d t h e d i l a t i o n o f t h e c a p i l l a r y s y s t e m u n d e r f r e e z i n g a n d t h a w i n g . T h u s , t h i s w e i g h t g a i n d u e t o i n c r e a s e d m o i s t u r e c o n t e n t w a s b a s i c a l l y c o n s i d e r e d i n d i c a t i v e o f t h e d e s t r u c t i v e e x p a n s i o n o f t h e c o n c r e t e i n t h e a b s e n c e o f t h e e s c a p e b o u n d a r i e s p r o v i d e d b y a n a d e q u a t e q u a n t i t y o f e n — t r a i n e d a i r v o i d s . I t s h o u l d b e n o t e d h e r e t h a t a l l p r e c i s i o n a n d b i a s s t a t e m e n t s i n t h i s w o r k a r e b a s e d o n t h e ’ l S ’ a n d ’ D Z S ’ l i m i t s d e s c r i b e d i n A S T M C 6 7 0 - 9 l a [ 1 9 2 ] a n d A S T M E l 7 7 - 9 0 a [ 1 9 3 ] . T h e d u r a b i l i t y f a c t o r s c o m p u t e d i n t h i s w o r k h a v e b e e n c o m p a r e d w i t h t a b l e 3 , A S T M C 6 6 6 — 9 0 [ 5 2 ] , w h i c h t a k e s i n t o a c c o u n t ’ I S ’ a n d ’ D Z S ’ l i m i t s . T h e r e s u l t s o b t a i n e d w e r e g e n e r a l l y w i t h i n t h e a c c e p t e d r a n g e s , b u t d i d s o m e t i m e s e x c e e d t h e l i m i t s . T h e r e c o m m e n d e d a n d t h e a c t u a l d u r a b i l i t y f a c t o r r a n g e s a r e s h o w n i n t h e F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y ( F T D ) t a b l e s ( t a b l e s 6 . 2 a n d B . 2 ) . C a s e s s h o w i n g g r e a t e r d i f f e r e n c e s ( t h o u g h v e r y f e w ) w e r e i n v e s t i g a t e d , a n d t h e r e a s o n s f o r t h e i r v a r i a n c e a r e d i s c u s s e d a s e a c h m i x a p p e a r s i n t h e d i s c u s s i o n . S o m e o f t h e p o s s i b l e r e a s o n s f o r t h e h i g h e r v a r i a n c e o f o u r t e s t r e s u l t s i n c l u d e : ( 1 ) T h e p r e c i s i o n s t a t e m e n t s a r e p r o b a b l y b a s e d o n p r o p e r l y a i r — e n t r a i n e d c o n c r e t e ( a l t h o u g h t h e b a s i s o f t h e p r e c i s i o n s t a t e m e n t s i s n o t s p e c i fi c a l l y m e n t i o n e d ) , a l l o f t h e w o r k i n t h i s e x p e r i m e n t w a s c o n d u c t e d a t a m a r g i n a l A C . I t w a s s e e n i n M a t r i x A ( t a b l e 6 . 1 ) t h a t m o s t o f t h e t e s t r e s u l t s f o r t h e m i x e s w i t h h i g h e r A C w e r e w i t h i n t h e s p e c i fi e d l i m i t s , w h i l e m i x e s w i t h m a r g i n a l A C s h o w e d h i g h e r r e ; f o r t h e 1 4 7 v a r i a n c e . ( 2 ) T h e r e c o m m e n d e d p r e c i s i o n s t a t e m e n t s w e r e p r o b a b l y b a s e d o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f n o n - p o z z o l a n i c c o n c r e t e , w h i l e t h i s r e s e a r c h i n c l u d e d a l a r g e n u m b e r o f p o z z o l a n i c m i x e s . T h i s i n d i c a t e s t h e n e e d t o e s t a b l i s h n e w p r e c i s i o n s t a t e m e n t s f o r p o z z o l a n i c c o n c r e t e s . ( 3 ) T h e e s t a b l i s h e d c r i t e r i a a r e b a s e d o n A S T M C 6 6 6 - 9 0 [ 5 2 ] s t a n d a r d p r o c e d u r e B . F o r o u r w o r k , t h i s p r o c e d u r e w a s m o d i fi e d s l i g h t l y t o a d d r e s s s o m e s h o r t c o m i n g s i n h e r e n t i n t h e s t a n d a r d p r o c e d u r e . T h e s e m o d i fi c a t i o n s m a y b e a n o t h e r s o u r c e o f i n c r e a s e d v a r i a n c e , a l t h o u g h t h e y a r e n o t b e l i e v e d t o b e . T h e ' e f f e c t s o f t h e A B A o n c o n c r e t e s p r e p a r e d w i t h w a t e r - r e d u c e r a n d a 1 5 % r e p l a c e m e n t o f c e m e n t w i t h C l F a n d C fl y a s h e s a r e s h o w n i n fi g u r e s C . 5 t h r o u g h C . 1 2 f o r c e l l s B 5 — B 8 a n d B 1 3 - B 1 6 . A t t h i s p o i n t , w e w i l l f o c u s o n t h e e f f e c t s o f t h e t w o A E A s a n d w i l l n o t c o n s i d e r t h e e f f e c t s o f W R / H R W R o r p o z z o l a n t y p e . T a b l e 6 . 5 s h o w s t h e r e s u l t s o f s o m e o f t h e t e s t s f o r C 1 F fl y a s h c o n c r e t e m a d e w i t h W R . S t r o n g i n t e r a c t i o n s w e r e o b s e r v e d b e t w e e n A B A , W R / H R W R , W / C , a n d t y p e o f p o z z o l a n ( s e e t a b l e D . 3 ) . A E A l w i t h W R p r o d u c e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e t h a n A E A 2 f o r C 1 F fl y a s h c o n c r e t e s , e s p e c i a l l y a t l o w W / C + P . A n e x a m i n a t i o n o f t h e ' v o i d d a t a i n t a b l e 6 . 5 p r o v i d e s p o s s i b l e e x p l a n a t i o n s f o r t h i s p e r f o r m a n c e . T h e t o t a l h a r d e n e d a i r c o n t e n t o f t h e A E A 2 m i x e s w a s 1 6 % a n d 8 % g r e a t e r t h a n c H T A s f o r v i n s o l r e s i n s ( a t W / C + P = 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 , r e s p e c t i v e l y ) . H o w e v e r , t h e i n t h e p a s t e w a s o b s e r v e d t o b e 3 0 % a n d 1 0 % l o w e r f o r t h e A E A 2 m i x e s f o r t h e e W / C + P . C o n s i d e r a t i o n o f o t h e r a i r v o i d p a r a m e t e r s p r e s e n t e d i n t a b l e 6 . 5 c o n fi r m e p r e s e n c e o f a b e t t e r e n t r a i n e d a i r v o i d s y s t e m w i t h t h e u s e o f t h e v i n s o l r e s i n - b a s e d F T a ? 1 1 I fi / / 1 4 8 T a b l e 6 . 5 . C o m p a r i s o n o f A B A f o r C 1 F fl y a s h w i t h W R . W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 , _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 3 5 B 6 2 . 5 / 2 . 5 / 2 . 0 2 . 8 / 2 . 4 / 2 . 0 1 0 . 1 8 6 / 0 1 6 7 0 2 4 5 / 0 2 2 4 2 2 9 / 2 2 5 1 8 7 / 1 8 5 9 4 / 0 . 0 8 8 / 0 . 1 1 4 0 8 9 / 0 . 2 0 6 / 0 . 0 2 6 7 T y p e 4 2 3 3 5 3 8 8 4 6 o f B 7 B 8 ‘ A E A ‘ 2 . 6 / 2 . 9 / 1 . 4 2 . 8 / 2 . 6 / l . 8 0 2 7 2 / 0 1 9 2 0 2 4 6 / 0 2 0 2 2 1 7 9 / 1 7 0 1 8 3 / 1 7 9 3 6 / 0 . 1 2 8 / 0 . 0 7 5 4 7 8 / 0 . 2 0 3 / 0 . 0 6 1 0 3 9 4 8 8 3 2 1 4 4 K E Y C e l l # F A C % / H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t — C h g % / L - C h g % C - s t r ( K p a ) A E A I w i t h i t A E A I . 5 0 , w h w e r e o r f a c t o r 1 s e c o n d u t i l i z e d o r c a s t i i o f h o t t h e t w o c o n c r e t e b e t W e e n 4 0 ) W h e l 1 4 9 A B A l . T h i s c o u l d b e d u e t o a b e t t e r c h e m i c a l i n t e r a c t i o n o f t h e v i n s o l r e s i n - b a s e d A B A l w i t h t h e m i x c o n s t i t u e n t s a n d / o r t h e p r o d u c t i o n o f a m o r e s t a b l e a i r v o i d s y s t e m w i t h A E A l . I t i s i m p o r t a n t t o p o i n t o u t t h a t t h e r a n g e o f B F o b t a i n e d f o r B 7 ( fi v e b e a m s ) w a s 5 0 , w h i c h i s s i g n i fi c a n t l y g r e a t e r t h a n t h e D 2 8 l i m i t ( 1 9 . 5 ) . T h e fi v e b e a m s i n t h i s c e l l w e r e c a s t i n t w o b a t c h e s . T h e fi r s t b a t c h p r o d u c e d t w o b e a m s w i t h a n a v e r a g e d u r a b i l i t y f a c t o r o f 5 5 a n d a r a n g e o f 1 0 , w h i c h w a s w e l l w i t h i n t h e p r e c i s i o n l i m i t ( 4 0 . 2 ) . T h e s e c o n d b a t c h p r o d u c e d t h r e e b e a m s w i t h m u c h l o w e r d u r a b i l i t y . A l t h o u g h b o t h b a t c h e s u t i l i z e d t h e s a m e m i x d e s i g n , t h e s e c o n d b a t c h m a y h a v e l o s t m o r e a i r d u r i n g v i b r a t i o n o r c a s t i n g , p r o d u c i n g a l e s s f r o s t — r e s i s t a n t a i r v o i d s y s t e m . T h i s i l l u s t r a t e s t h e s e n s i t i v i t y o f t h e t e s t r e s u l t s t o a p p a r e n t l y r a n d o m f a c t o r s . T h e r e s u l t s o f t e s t s p e r f o r m e d o n C 1 F fl y a s h c o n c r e t e s m a d e w i t h I - I R W R f o r t h e t w o t y p e s o f A B A a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 6 . T h e f r e e z e ~ t h a w p e r f o r m a n c e o f t h e s e c o n c r e t e s a r e s h o w n i n fi g u r e s C . 1 3 t h r o u g h C . 1 6 . S t r o n g i n t e r a c t i o n s w e r e o b s e r v e d b e t w e e n t h e A B A a n d W / C + P . A E A 2 s h o w e d s u p e r i o r p e r f o r m a n c e w i t h W / C + P = 0 . - 4 0 , w h e r e a s A B A l p r o d u c e d b e t t e r p e r f o r m a n c e f o r W / C + P = 0 . 4 5 . T h e a i r v o i d s y s t e m m e a s u r e m e n t s h e l p t o e x p l a i n t h e s e p e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n t s . A t W / C + P = 0 . 4 0 , t h e H E A f o r b o t h A B A m i x e s ( B 9 a n d B 1 1 ) w a s 1 . 5 % , b u t t h e n u m b e r o f e n t r a i n e d a i r b u b b l e s p r o d u c e d b y t h e A E A 2 m i x w a s m u c h h i g h e r ( 1 9 0 v s . 1 1 0 ) . A t W / C - t - P = 0 . 4 5 , e A E A l m i x s h o w e d a g r e a t e r n u m b e r o f e n t r a i n e d a i r b u b b l e s ( 2 2 7 v s . 1 8 1 ) a n d h a d h i g h e r H E A c o n t e n t i n s p i t e o f a l o w e r H T A c o n t e n t . A l t h o u g h t h e p e r f o r m a n c e o f 0 t h A E A s w a s v a r i a b l e , A E A l g e n e r a l l y s h o w e d m u c h s m a l l e r d i f f e r e n c e s b e t w e e n A a n d H E A ( i . e . , b e t t e r a i r r e t a i n m e n t ) t h a n A B A 2 . F i g u r e 6 . 9 s h o w s t h e c o m p a r i s o n l I l 1 5 0 T a b l e 6 . 6 . C o m p a r i s o n o f A B A f o r C 1 F fl y a s h w i t h H R W R . — — _ — — — — — — — — — _ — i W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 1 % B 9 B 1 0 2 . 2 / 1 . 8 / l . 5 2 . 8 / 2 . 3 / 1 . 9 1 0 . 3 9 9 / O . 3 6 7 0 . 2 2 1 / 0 . 1 9 8 ' 1 1 3 / 1 1 0 2 2 9 / 2 2 7 1 4 / 0 . 2 9 5 / 0 . 0 9 9 3 9 / - 0 . 0 2 / 0 . 0 5 1 4 4 1 5 4 9 3 4 1 2 3 B 1 1 B 1 2 2 . 8 / 3 . 0 / 1 . 5 2 . 5 / 3 . 5 / l . 5 0 2 9 7 / 0 2 1 3 0 2 5 9 / 0 2 3 5 1 9 9 / 1 9 0 1 9 0 / 1 8 1 4 3 / 0 . 1 8 8 / 0 . 0 9 6 4 2 3 / 0 . 0 6 5 / 0 . 0 6 3 4 3 2 8 6 2 4 1 6 0 4 C e l l # F A C % / H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F B A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K p a ) 1 5 1 S p a c i n g F a c t o r ( m m ) 0 . 7 - 0 . 6 - 0 . 5 4 0 . 4 - 0 . 3 — 7 V 0 . 2 J ' 0 . 1 4 i \ \ \ \ § \ \ A E A 2 A E A T y p e T A ( 0 . 4 0 ) W R E A ( O . 4 0 ) W R 1 : 1 T A ( 0 . 4 5 ) W R t : E A ( O . 4 5 ) W R m ( o . 4 0 ) r r 1 2 E A ( 0 . 4 0 ) H R T A ( 0 . 4 5 ) H R € 8 4 E A ( 0 . 4 5 ) H R F i g u r e 6 . 9 . A E A v e r s u s S F T A , a n d S F E A f o r C 1 F F A w i t h W R / H R W R . 8 h r h o w a g r e a t e r a m o u n t o f i n i t i a l l o s s o f m a s s d u e t o s c a l i n g w i t h A E A 2 m i x e s a s 1 5 2 o f A B A s p a c i n g f a c t o r s ( S F T A a n d S F E A ) f o r W R / H R W R . T h i s i n d i c a t e s t h e b e t t e r e n t r a i n e d a i r d i s p e r s i o n o b t a i n e d w i t h A E A l f o r b o t h w a t e r — r e d u c e r s i n t h e p r e s e n c e o f C l F fl y a s h e s . T h e r e s u l t s o f t e s t s p e r f o r m e d C l C fl y a s h w i t h W R a n d t w o A B A a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 7 . T h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e c a s t u s i n g A B A 2 w a s s i g n i fi c a n t l y b e t t e r t h a n t h a t o f c o n c r e t e c a s t u s i n g A B A l f o r C l C fl y a s h w i t h W R . H o w e v e r , t h e a i r v o i d d i s p e r s i o n s o b t a i n e d w i t h e i t h e r A B A w e r e n o t a s g o o d a s s e e n i n c o n c r e t e c a s t u s i n g C l F fl y a s h . T h e F T D t e s t s h i s t o r i e s f o r t h e s e c e l l s a r e s h o w n i n fi g u r e s C . 9 t h r o u g h C . l 2 . T h e s e c l e a r l y s h o w a q u i c k e r d r o p i n R D M , d i l a t i o n t o c r i t i c a l v a l u e s , a n d g a i n i n w e i g h t f o r m i x e s w i t h A E A l , w h i c h i s r e fl e c t i v e o f t h e p o o r p e r f o r m a n c e o f c e l l s B 1 3 a n d B 1 4 . A l l o f t h e m i x e s e x h i b i t e d v a r i a n c e s t h a t w e r e m a r g i n a l l y o u t s i d e o f t h e D 2 8 r a n g e s ( e x c e p t 3 1 6 , w h i c h w a s w i t h i n t h e a c c e p t a b l e r a n g e ) , p o s s i b l y f o r t h e r e a s o n s e x p l a i n e d e a r l i e r . T h e t e s t r e s u l t s f o r c o n c r e t e s c a s t u s i n g C l C fl y a s h w i t h H R W R a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 8 . T h e s e r e s u l t s s h o w s i g n i fi c a n t l y b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e f o r c o n c r e t e c a s t u s i n g A B A 2 w i t h W / C + P = 0 . 4 0 t h a n f o r a n y o t h e r m i x , b u t e s p e c i a l l y w h e n c o m p a r e d t o t h e s i m i l a r c e l l u s i n g A E A l . T h e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e s c a s t u s i n g t h e t w o A B A s w a s i n d i s t i n g u i s h a b l e a t W / C + P = 0 . 4 5 . I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t t h e s e o f A E A 2 p r o d u c e d g e n e r a l l y i m p r o v e d d u r a b i l i t y i n s p i t e o f p r o d u c i n g h i g h e r s p a c i n g a c t o r s . T h i s m a y b e b e c a u s e t h e A E A 2 c o n c r e t e s a l s o h a d s i g n i fi c a n t l y h i g h e r s t r e n g t h s . T h e F I ‘ D h i s t o r i e s f o r B 1 7 — B 2 0 a r e s h o w n i n fi g u r e s C . l 7 t h r o u g h C . 2 0 . T h e s e I I T I I 1 5 3 T a b l e 6 . 7 . C o m p a r i s o n o f A B A f o r C l C fl y a s h w i t h W R . l — — — — — — — f W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 3 1 3 3 1 4 2 . 0 / 2 . 2 / 1 . 6 2 . 5 / 2 . 2 / 1 2 0 2 2 2 / 0 1 9 0 0 3 8 3 / 0 2 8 4 1 1 4 0 / 1 3 5 1 1 3 / 1 0 8 2 9 / 0 . 2 3 0 / 0 . 0 8 8 8 1 5 / 0 2 2 7 / 0 0 7 1 7 T 3 1 3 9 3 8 2 0 1 3 7 3 2 3 A ‘ g A 3 1 5 B 1 6 2 . 0 / 1 . 3 / o . 9 2 . 0 / 2 . 5 / 1 . 4 2 0 4 2 1 / 0 3 4 9 0 3 3 6 / 0 2 5 4 7 6 / 7 4 1 4 8 / 1 4 4 5 0 / 0 . 2 1 0 / 0 . 0 7 6 6 7 0 / 0 . 2 1 8 / 0 . 0 7 7 4 3 8 5 0 2 - m C e l l # F A C % / H T A % / I - I E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K P a ) ! T a 1 1 I T I I T a b l e 6 . 8 . C o m p a r i s o n o f A B A f o r C l C fl y a s h w i t h I — I R W R . 1 5 4 C e l l # F A C % I H T A % l H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % l L — C h g % C - s t r ( K P a ) 0 . 4 0 0 4 5 3 1 7 3 1 8 2 . 3 / l . 6 / l . 0 2 9 / 3 7 / 2 2 0 5 1 2 / 0 4 0 0 0 4 3 0 / 0 3 3 8 1 8 9 / 8 5 1 6 3 / 1 5 5 1 2 / 0 . 1 0 6 / 0 . 0 9 2 7 3 5 / 0 . 2 7 5 / 0 . 0 8 0 4 T y p e 2 5 6 4 3 2 4 9 2 5 A g “ 3 1 9 3 2 0 3 0 / 3 4 / 1 5 2 . 3 / 2 . 8 / 1 . 1 2 0 5 9 8 / 0 4 0 4 0 6 3 0 / 0 4 0 5 ’ 1 1 8 / l . 7 9 4 / 8 6 5 6 / 0 . 0 7 7 / 0 . 0 7 6 l 3 7 / 0 . 0 8 3 / 0 . 0 8 4 2 3 1 0 6 9 : 4 2 5 0 1 K E Y I a t : c h a a t ] 1 1 0 o f ( E t t a W a i t I a t e r p o r e s t h a t w e r e o b s e r v e d . A n o t h e r i n t e r e s t i n g t h i n g o b s e r v e d w a s t h a t d i l a t i o n i n 1 5 5 c o m p a r e d t o A E A l , i n s p i t e o f c o m p a r a t i v e l y b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e . F i g u r e 6 . 1 0 s h o w s a c o m p a r i s o n o f s p a c i n g f a c t o r s ( S F T A a n d S F E A ) f o r b o t h a i r e n t r a i n e r s w i t h W R / I - I R W R . A l t h o u g h n e a r l y a l l o f t h e s p a c i n g f a c t o r s g e n e r a l l y e x c e e d t h e r e c o m m e n d e d m a x i m u m o f 0 . 2 0 m m , t h i s fi g u r e c l e a r l y i n d i c a t e s t h e h i g h e r s p a c i n g f a c t o r v a l u e s p r o d u c e d w i t h A B A 2 a n d t h e o v e r a l l b e t t e r a i r e n t r a i n m e n t o b t a i n e d w i t h A B A l . T a b l e 6 . 9 s h o w s t h e t e s t r e s u l t s f o r s o m e c o n c r e t e s c a s t u s i n g v a r i o u s A B A f o r s i l i c a f u m e m i x e s . T h e s i l i c a f u m e c o n c r e t e p r o d u c e d e x c e l l e n t t o g o o d f r o s t r e s i s t a n c e a t a m a r g i n a l A C f o r b o t h A E A s . T h e c r e d i t f o r t h i s p e r f o r m a n c e g o e s p r i m a r i l y t o t h e t y p e o f t h e p o z z o l a n t h a t w a s u s e d , a n d p o z z o l a n i c e f f e c t s a r e d i s c u s s e d l a t e r i n t h i s c h a p t e r . A t t h i s p o i n t t h e d i s c u s s i o n i s f o c u s e d o n t h e e f f e c t s o f t h e A E A s . F i g u r e s 6 . 1 1 a n d 6 . 1 2 s h o w t h e e f f e c t s o f A B A o n D F a n d s p a c i n g f a c t o r , r e - s p e c t i v e l y . T h e f r e e z e - t h a w t e s t h i s t o r i e s f o r t h e s e f o u r c e l l s a r e s h o w n i n fi g u r e s C . 2 1 t h r o u g h C . 2 4 . A E A l p r o d u c e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r p e r f o r m a n c e ( 3 2 % b e t t e r ) t h a n A E A 2 a t W / C + P = O . 4 5 . A n i n s i g n i fi c a n t b u t s i m i l a r t r e n d w a s o b s e r v e d f o r W / C + P = 0 . 4 0 . I n c r e a s i n g W / C + P r e d u c e d t h e q u a l i t y o f t h e A V S a n d t h e c o n c r e t e s t r e n g t h f o r e i t h e r . H o w e v e r , t h e A E A 2 c o n c r e t e s a w t h e b i g g e s t i n c r e a s e i n s p a c i n g f a c t o r s a n d a a r g e d e c r e a s e i n t h e t o t a l a i r v o i d c o u n t , w h i c h r e s u l t e d i n a l a r g e l o s s o f d u r a b i l i t y . ' 8 a g a i n p o i n t s o u t a r e l a t i v e l y u n s t a b l e A V S t h a t m a y b e p r o d u c e d w i t h A B A 2 . T h e A E A 2 m i x e s s h o w e d g r e a t e r l o s s o f w e i g h t t h a n t h e A E A l m i x e s ( a s i n c a s e f C l C fl y a s h w i t h H R W R ) , w h i c h v a r i e d b e t w e e n 0 . 1 t o 0 . 3 % . T h i s i n d i c a t e s t h e : r e a t e r s c a l i n g t h a t w a s o b s e r v e d w i t h t h e A B A 2 m i x e s , p o s s i b l y b e c a u s e o f t h e l a r g e r ” m " 4 9 “ 0 . 3 4 4 0 . 4 4 $ ” 4 v ” / e n fi 0 O 0 O 0 O 0 O 0 O 0 O 0 O O . n . u . n . u . . . . n . n . n . u . n . . 4 n . H . n . “ . . . . 3 . N . i i " . m fi n n e v e n u . . . . . . . . F i g u r e 6 . 1 0 . A E A v e r s u s S F I ‘ A , a n d S F E A f o r C l C F A w i t h W R / H R W R . v 2 0 H m m 1 3 3 N S p a c i n g F a c t o r ( m m ) u . fi x . 1 5 6 ! l j ] I I 1 5 7 T a b l e 6 . 9 . C o m p a r i s o n o f A B A f o r C S F w i t h I - I R W R . W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 3 2 1 3 2 2 3 0 / 3 4 / 2 5 3 0 / 2 9 / 2 3 0 1 9 9 / 0 1 7 3 0 . 2 2 2 / 0 1 9 9 1 2 1 4 / 2 0 7 2 1 6 / 2 1 2 8 8 / 0 . 0 7 1 / o . 0 4 3 9 3 / 0 0 0 4 / 0 0 1 8 4 T y p e 6 1 3 0 3 5 2 4 4 3 A 3 3 . 3 2 3 3 2 4 2 9 / 3 4 / 3 0 2 8 / 3 3 / 2 7 2 0 2 1 5 / 0 2 0 0 0 2 6 1 / 0 2 3 5 2 9 0 / 2 8 8 2 1 7 / 2 1 3 8 3 / - 0 1 1 4 / 0 0 1 1 8 7 0 / - 0 . 1 6 9 / 0 . 0 2 8 7 5 9 4 5 6 5 3 0 9 2 I K E Y I C e l l # F A C % / H T A % I H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K P a ) 1 0 1 0 . 7 0 . 6 0 . 5 0 . 4 0 . 3 0 . 2 0 . 1 A A A A A A 1 5 8 D u r a b i l i t y F a c t o r 1 ° ° ‘ - ' . . V I . . I n o c a w a t e r . d i s t i m d u e t o n o t e x p o i n t 1 s i z e d i q u a n t i l 3 . 0 , 3 . l ' C S p e C ‘ s u p e r i o r f r o s t r e s i s t a n c e t o o t h e r s i n a l l a p p l i c a t i o n s , a n d t h i s fi n d i n g i s a l s o s u p p o r t e d 1 5 9 n o c a s e r e a c h e d t h e l i m i t o f 0 . 1 % , w h i c h i n d i c a t e s t h e a c c u m u l a t i o n o f l e s s f r e e z a b l e w a t e r . A l t h o u g h t h e p e r f o r m a n c e o f A E A 2 m i x e s w a s g o o d , A B A l m i x e s p r o d u c e d d i s t i n c t l y s u p e r i o r r e s u l t s t h a t w e r e o f a s t a t i s t i c a l l y h i g h s i g n i fi c a n c e . T h i s w a s p o s s i b l y d u e t o b e t t e r i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e p o z z o l a n , A B A , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r s . A l t h o u g h c o n s i d e r a b l y r e d u c e d p e r m e a b i l i t y v a l u e s w e r e o b s e r v e d w i t h W / C + P = 0 . 4 0 f o r s i l i c a f u m e c o n c r e t e a t 1 5 % r e p l a c e m e n t l e v e l , a c l e a r d i s t i n c t i o n d i d n o t e x i s t b e c a u s e o f t h e l a r g e v a r i a n c e i n t e s t r e s u l t s [ 1 9 0 ] . B e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e a t t h i s p o i n t c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e p o z z o l a n i c r e a c t i o n a n d t h e d e v e l o p m e n t o f a b e t t e r p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n , w h i c h w i l l b e d i s c u s s e d u n d e r t h e e f f e c t o f p o z z o l a n s . I t w a s d i f fi c u l t t o a t t a i n t h e t a r g e t A C w i t h t h e s i l i c a f u m e m i x e s a n d v e r y s m a l l q u a n t i t i e s o f A B A w e r e u s e d i n m o s t m i x e s . T h e F A C , a s s e e n f r o m t h e a b o v e t a b l e , w a s 3 . 0 , 3 . 0 , 2 . 9 , a n d 2 . 8 , w h e r e a s t h e H T A w a s 3 . 4 , 2 . 9 , 3 . 4 , a n d 3 . 3 f o r c e l l s B 2 1 - B 2 4 , r e s p e c t i v e l y . I n s u m m a r y , i t a p p e a r s t h a t n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e e x i s t s b e t w e e n t h e e f f e c t s o f t h e t w o A E A s f o r n o n - p o z z o l a n i c c o n c r e t e . T h e v i n s o l r e s i n - b a s e d A B A g e n e r a l l y p r o d u c e d a s u p e r i o r A V S i n c o n c r e t e s c a s t w i t h C l F fl y a s h a n d W R . T h e s y n t h e t i c A E A 2 p r o d u c e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r p e r f o r m a n c e i n c o n c r e t e w i t h C l C fl y a s h a n d e i t h e r W R o r H R W R . G o o d f r o s t r e s i s t a n c e w a s o b s e r v e d i n m i x e s c a s t w i t h s i l i c a f u m e a n d e i t h e r A B A , b u t A B A l p r o d u c e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r d u r a b i l i t y . T h i s w a s a t t r i b u t e d t o t h e b e t t e r A V S d e v e l o p e d b y t h e v i n s o l r e s i n - b a s e d A E A w i t h t h e p o z z o l a n . N e i t h e r t e s t e d l e v e l o f W / C + P c a n b e c o n s i d e r e d s u p e r i o r t o t h e o t h e r i n t e r m s o f p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . T h i s i m p l i e s t h a t n e i t h e r t y p e o f a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e h a s r e n d e r e d b y m l 6 . 3 E m a d e f u m e . s i l i c a 1 w i t h t i 0 0 1 1 0 8 1 o f A E W R / H W R t h P e r f o r r A V S ( 1 0 5 1 1 h a t w o c e j r e s i s t a n C - S , C d r 0 p i n 1 6 0 b y t h e l i t e r a t u r e [ 7 0 ] . 6 . 3 E f f e c t s o f W a t e r R e d u c i n g A d m i x t u r o s T h e e f f e c t s o f w a t e r - r e d u c e r / s u p e r p l a s t i c i z e r a d m i x t u r e s w e r e s t u d i e d o n c o n c r e t e s m a d e u s i n g a 1 5 % r e p l a c e m e n t o f c e m e n t ( b y w e i g h t ) w i t h C l F o r C fl y a s h e s o r s i l i c a f u m e . I n t h e c a s e o f t h e fl y a s h e s , b o t h w a t e r r e d u c i n g a d m i x t u r e s w e r e u s e d ; f o r t h e s i l i c a f u m e , o n l y H R W R w a s u s e d , b e c a u s e t h e s l i c a f u m e w a s d e l i v e r e d i n s l u r r y f o r m w i t h t h e H R W R a l r e a d y a d d e d . G G B F s l a g w a s t e s t e d w i t h a n d w i t h o u t W R . M u c h o f t h e i n f o r m a t i o n p r e s e n t e d h e r e i s r e p r e s e n t e d f r o m t h e p r e v i o u s s e c t i o n c o n c e r n i n g A B A , b u t t h e d i s c u s s i o n n o w f o c u s e s o n t h e e f f e c t s o f W R / H R W R i n s t e a d o f A B A . T a b l e 6 . 1 0 s h o w t h e r e s u l t s o f c o n c r e t e s c a s t u s i n g A B A l , C l F fl y a s h , a n d W R / H R W R . I n t h i s c a s e , t h e f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e w a s s i g n i fi c a n t l y b e t t e r w i t h W R t h a n H R W R . A t W / C + P = 0 . 4 0 , t h e W R s p e c i m e n s c l e a r l y h a d s u p e r i o r A V S a n d p e r f o r m e d w e l l ( D F = 9 4 ) . A t W / C + P = O . 4 5 , t h e W R a n d H R W R c e l l s h a v e c o m p a r a b l e A V S ( t h e H R W R c e l l a c t u a l l y l o o k s s l i g h t l y b e t t e r t h a n t h e W R c e l l ) , a n d y e t t h e W R c e l l h a d m u c h g r e a t e r d u r a b i l i t y ( D F = 8 9 v s . 3 9 ) . T h e o n l y m a j o r d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o c e l l s w a s t h e g r e a t e r s t r e n g t h a n d l o w e r d i l a t i o n o f t h e W R c e l l , i n d i c a t i n g m o r e e s i s t a n c e t o s t r e s s a n d a m o r e f a v o r a b l e c a p i l l a r y s y s t e m . L o o k i n g a t t h e F T D p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s f o r B 5 , B 6 , B 9 , a n d B 1 0 i n fi g u r e s . 5 , C . 6 , C . l 3 a n d C M , r e s p e c t i v e l y , w e n o t i c e t h a t t h e W R c e l l s s h o w e d v e r y l i t t l e r o p i n t h e r e l a t i v e d y n a m i c m o d u l u s . N o n e o f t h e b e a m s f a i l e d b e f o r e 3 0 0 c y c l e s ( s = 0 , l I l 1 6 1 T a b l e 6 . 1 0 . C o m p a r i s o n o f W R / H R W R f o r C 1 F fl y a s h w i t h A B A l . { W i n — H g W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 B 5 B 6 2 . 5 / 2 . 5 / 2 . 0 2 . 8 / 2 . 4 / 2 . 0 O . 1 8 6 / 0 . 1 6 7 0 2 4 5 / 0 2 2 4 1 2 2 9 / 2 2 5 1 8 7 / 1 8 5 9 4 / 0 . 0 8 8 / 0 . 0 l l 4 8 9 / 0 . 2 0 6 / 0 . 0 2 6 7 T y p e 4 2 3 3 5 3 8 8 4 6 o f W R / H R W R 1 3 9 1 3 1 0 2 . 2 / 1 . 8 / 1 . 5 2 . 8 / 2 . 3 / 1 . 9 2 0 3 9 9 / 0 3 6 7 0 2 2 1 / 0 1 9 8 1 1 3 / 1 1 0 2 2 9 / 2 2 7 1 4 / 0 . 2 9 5 / 0 . 0 9 9 3 9 / - 0 . 0 2 / 0 . 0 5 1 4 4 1 5 4 9 3 4 1 2 3 K E Y C e l l # F A C % l H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % I L - C h g % C - s t r ( K P a ) f o r b o 0 3 0 0 0 0 m u n f o r W 1 i n t a b l l s e c t i o n d u r a b i l w i t h n i n w r 1 1 1 2 ) T h e f r o 0 1 t h e V C fl l a w w . 0 3 0 0 C fl y a s h a n d A E A l g e n e r a l l y p r o d u c e d s l i g h t l y b e t t e r a i r v o i d s y s t e m s ( i . e . , l o w e r 1 6 2 f o r b o t h c e l l s ) . O n t h e o t h e r h a n d , m i x e s w i t h H R W R s h o w e d a q u i c k e r d r o p i n R D M ( 7 3 a n d 2 0 3 c y c l e s t o f a i l u r e f o r c e l l s B 9 a n d B 1 0 , r e s p e c t i v e l y ) , w h i c h i n d i c a t e s f a i l u r e i n t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e o f c o n c r e t e a t a l e s s e r n u m b e r o f f r e e z e - t h a w c y c l e s . S i m i l a r l y , m i x e s w i t h H R W R a l s o s h o w e d g r e a t e r d i l a t i o n ( a b o u t 8 t i m e s t h a t o f m i x e s w i t h W R f o r W / C + P = O . 4 0 a n d d o u b l e t h a t o f m i x e s w i t h W / C + P = 0 . 4 5 ) . T h e t e s t r e s u l t s f o r t h e C l F fl y a s h c o n c r e t e m i x e s c a s t u s i n g A E A 2 a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 1 1 . T h e r e l a t i v e l y l o w d u r a b i l i t y f a c t o r i n c e l l B 7 w a s d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n . T h e u s e o f a m e a n d u r a b i l i t y f a c t o r o f 5 5 ( c o r r e s p o n d i n g t o t h e a v e r a g e d u r a b i l i t y o f o n e o f t h e b a t c h e s ) m a y b e j u s t i fi e d a n d p r o v i d e s r e a s o n a b l e r e s u l t s . U s i n g D F = 5 5 f o r c e l l B 7 , w e a g a i n s e e b e t t e r s p a c i n g f a c t o r s a n d d u r a b i l i t i e s w i t h t h e u s e o f W R r a t h e r t h a n H R W R . H o w e v e r , t h e p e r f o r m a n c e o f t h e e i t h e r W R o r H R W R w a s g r e a t l y i m p r o v e d w h e n W R w a s u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h A B A l ( r a t h e r t h a n A E A 2 ) f o r C 1 F fl y a s h . F r e e z e - t h a w h i s t o r i e s f o r B 7 , B 8 , B 1 1 , a n d B 1 2 a r e s h o w n i n fi g u r e s C . 7 , C . 8 , C . 1 5 a n d C . 1 6 . W e s e e t h a t t h e R D M o f m o s t o f t h e W R b e a m s d i d n o t r e a c h 6 0 % o f t h e o r i g i n a l d y n a m i c m o d u l u s , w h e r e a s a l l t h e H R W R b e a m s d r o p t o 6 0 % o f o r i g i n a l d y n a m i c m o d u l u s b e f o r e u n d e r g o i n g 3 0 0 c y c l e s . I n a d d i t i o n , t h e d i l a t i o n o f t h e H R W R b e a m s e x c e e d e d t h e f a i l u r e c r i t e r i a m u c h e a r l i e r t h a n t h e m i x e s w i t h W R . T h i s i n d i c a t e s t h e d e v e l o p m e n t o f a b e t t e r w a t e r p o r e s t r u c t u r e i n t h e m i x e s w i t h W R f o r C 1 F fl y a s h . R e s u l t s f o r c o n c r e t e c a s t u s i n g C l C fl y a s h a n d A E A l a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 1 2 . T h e f r o s t r e s i s t a n c e o f C l C fl y a s h c o n c r e t e s f o r t h e v i n s o l r e s i n - b a s e d A B A a n d e i t h e r o f t h e w a t e r - r e d u c i n g a d m i x t u r e s w a s r e l a t i v e l y p o o r . H o w e v e r , t h e u s e o f W R w i t h C l T : " I 1 6 3 T a b l e 6 . 1 1 . C o m p a r i s o n o f W R / H R W R f o r C 1 F fl y a s h w i t h A E A 2 . [ W W — é K E Y C e l l # F A C % l H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K P a ) I 0 . 4 0 0 . 4 5 3 7 3 8 2 . 6 / 2 . 9 / 1 . 4 2 8 / 2 6 / 1 8 1 0 . 2 7 2 / 0 1 9 2 0 . 2 4 6 / 0 . 2 0 2 1 7 9 / 1 7 0 1 8 3 / 1 7 9 3 6 / 0 . 1 2 8 / 0 . 0 7 5 4 7 8 / 0 . 2 0 3 / 0 . 0 6 1 0 T y p e 3 9 4 8 8 3 2 1 4 4 W R / I Z R W R 1 3 1 1 B 1 2 2 . 8 / 3 . 0 / 1 . 5 2 . 5 / 3 . 5 / 1 . 5 2 0 2 9 7 / 0 2 1 3 0 2 5 9 / 0 2 3 5 1 9 9 / 1 9 1 1 9 0 / 1 8 1 4 3 / O . 1 8 8 / 0 . 0 9 6 4 2 3 / o . 0 6 5 / 0 0 6 3 4 3 2 8 6 2 4 1 6 0 4 m I I 1 6 4 T a b l e 6 . 1 2 . C o m p a r i s o n o f W R / H R W R f o r C l C fl y a s h w i t h A E A l . [ M T — — I I 0 . 4 0 0 . 4 5 3 1 3 3 1 4 2 . 0 / 2 . 2 / 1 . 6 2 . 5 / 2 . 2 / 1 . 2 0 . 2 2 2 / 0 1 9 0 0 3 8 3 / 0 2 8 4 1 1 4 0 / 1 3 5 1 1 3 / 1 0 8 2 9 / 0 2 3 0 / 0 0 8 8 8 1 5 / 0 2 2 7 / 0 0 7 1 7 T 3 1 3 6 3 8 2 0 1 3 7 3 2 3 W R / I V I R W R B 1 7 3 1 8 2 . 3 / l . 6 / 1 . 0 2 9 / 3 7 / 2 2 2 0 5 1 2 / 0 4 0 0 0 4 3 0 / 0 3 3 8 8 9 / 8 5 1 6 3 / 1 5 5 1 2 / 0 . 1 0 6 / 0 0 9 2 7 3 5 / 0 2 7 5 / 0 0 8 0 4 2 5 6 4 3 2 4 9 2 5 K E Y C e l l # F A C % / H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K P a ) T h t fi g l g u r e s C . l l , C . 1 2 , C . 1 9 , a n d C . 2 0 . G r e a t e r g a i n i n m a s s i s o b s e r v e d f o r C . l l a n d 1 6 5 s p a c i n g f a c t o r s ) . P e r f o r m a n c e w a s c l o s e l y r e l a t e d t o A V E A a n d A V T A , i n c r e a s i n g w i t h h i g h e r n u m b e r s o f a i r v o i d s . P e r f o r m a n c e a l s o g e n e r a l l y i m p r o v e d w i t h d e c r e a s i n g s p a c i n g f a c t o r , e x c e p t f o r c e l l B 1 8 , w h i c h h a d t h e b e s t d u r a b i l i t y i n s p i t e o f a h i g h e r s p a c i n g f a c t o r a n d l o w e r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s . T h e r e a s o n s f o r t h e p e r f o r m a n c e o f B 1 8 a r e n o t c l e a r . F r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s f o r c e l l s B 1 3 , B 1 4 , B 1 7 a n d B 1 8 a r e s h o w n i n fi g u r e s C . 9 , C 1 0 , C 1 7 , a n d C . 1 8 , r e s p e c t i v e l y . A l l o f t h e s e c e l l s i n d i c a t e a q u i c k d r o p i n R D M a n d a l a r g e a m o u n t s o f d i l a t i o n , i n d i c a t i n g a g r e a t i n g r e s s o f w a t e r . T h e p o o r r e s u l t s c o u l d p o s s i b l y b e a t t r i b u t e d t o t h e u n f a v o r a b l e i n t e r a c t i o n o f A E A l w i t h W R , H R W R , a n d t h e t y p e a n d q u a n t i t y o f p o z z o l a n . T a b l e 6 . 1 3 s h o w s t h e r e s u l t s o f t e s t s p e r f o r m e d o n C l C fl y a s h c o n c r e t e m a d e w i t h A E A 2 a n d W R o r H R W R . T h e W R / H R W R , C l C fl y a s h c o n c r e t e m a d e w i t h A E A 2 e x h i b i t e d m u c h b e t t e r p e r f o r m a n c e t h a n c o m p a r a b l e m i x e s m a d e w i t h A E A l . T h e u s e o f w a t e r - r e d u c e r g e n e r a l l y p r o d u c e d l o w e r s p a c i n g f a c t o r s t h a n d i d t h e u s e o f H R W R , a l t h o u g h t h i s d i d n o t a l w a y s g u a r a n t e e b e t t e r p e r f o r m a n c e ( s e e c e l l B 1 5 a n d B 1 9 ) . T h e b e s t o v e r a l l i n d i c a t o r s o f p e r f o r m a n c e w e r e a g a i n A V T A a n d A V E A . I t i s w o r t h n o t i n g t h a t A V E A a n d A V T A d i d n o t a l w a y s c o r r e l a t e d i r e c t l y w i t h s p a c i n g f a c t o r . I t i s a l s o w o r t h n o t i n g t h a t a l l o f t h e s e m i x e s h a d s p a c i n g f a c t o r s t h a t g r e a t l y e x c e e d r e c o m m e n d e d m a x i m u m s f o r d u r a b i l i t y , a n d y e t m o s t o f t h e s p e c i m e n s e x h i b i t e d f a i r l y g o o d d u r a b i l i t y . T h i s w a s e s p e c i a l l y t r u e f o r t h e c e l l s c a s t u s i n g H R W R . e f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s o f B 1 5 , B 1 6 , B 1 9 a n d B 2 0 a r e p r e s e n t e d i n I " 1 6 6 T a b l e 6 . 1 3 . C o m p a r i s o n o f W R / H R W R f o r C l C fl y a s h w i t h A B A 2 . I I W / C + P I I 0 . 4 0 0 . 4 5 3 1 5 3 1 6 2 . 0 / 1 . 3 / o . 9 2 . 0 / 2 . 5 / 1 . 4 0 4 2 1 / 0 3 4 9 0 3 3 6 / 0 2 5 4 1 7 6 / 7 4 1 4 8 / 1 4 4 5 0 / 0 2 1 0 / 0 0 7 6 6 7 0 / 0 2 1 8 / 0 0 7 7 4 T y p e 3 8 5 0 2 - o f W H R W R 3 1 9 3 2 0 3 0 / 3 4 / 1 5 2 . 3 / 2 . 8 / r . 1 2 0 5 9 8 / 0 4 0 4 0 6 3 0 / 0 4 0 5 1 1 8 / 1 0 7 9 4 / 8 6 5 6 / 0 . 0 7 7 / 0 . 0 7 6 1 3 7 / 0 . 0 8 3 / 0 . 0 8 4 2 3 1 0 6 9 4 2 5 0 1 W — j C e l l # F A C % I H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % l L - C h g % C - s t r ( K P a ) 1 6 7 C . 1 2 , w h i l e m u c h s m a l l e r w e i g h t g a i n s w e r e o b s e r v e d f o r C . 1 9 a n d C . 2 0 , w h i c h e x h i b i t e d g r e a t e r a m o u n t s o f i n i t i a l s c a l i n g . T h i s i n d i c a t e s t h e g r e a t e r e v i d e n c e o f s c a l i n g i n m i x e s m a d e w i t h s u p e r p l a s t i c i z e r t h a n f o r m i x e s m a d e w i t h W R . M o s t o f t h e b e a m s s h o w e d a s i m i l a r d r o p i n R D M u p t o a b o u t 1 5 0 C y c l e s , b u t l a t e r s h o w e d g r e a t e r v a r i a t i o n s . T h i s m a y i n d i c a t e t h e d e v e l o p m e n t a n d r a p i d d e t e r i o r a t i o n o f d u r a b i l i t y c r a c k i n g . T h e t e s t r e s u l t s f o r c o n c r e t e m i x e s m a d e w i t h G G B F s l a g , A E A l a n d W R a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 1 4 . G r a n u l a t e d g r o u n d b l a s t f u r n a c e s l a g w a s u s e d a t a 4 0 % r e p l a c e m e n t l e v e l f o r c e m e n t , b o t h w i t h a n d w i t h o u t W R . T h e s e m i x e s s h o w e d s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e f o r b o t h w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o s ( a l t h o u g h t h e s e w e r e i n t h e r a n g e o f b a d t o p o o r f o r a l l m i x e s ) , a s s h o w n i n t a b l e D . 4 . D u r a b i l i t y f a c t o r c o r r e l a t e d f a i r l y w e l l w i t h A V T A a n d A V E A , b u t n o t v e r y w e l l w i t h s p a c i n g f a c t o r ( n o t e t h a t t h e h i g h e s t s p a c i n g f a c t o r h a d t h e b e s t d u r a b i l i t y ) . T h e u s e o f W R d i d g e n e r a l l y r e d u c e s p a c i n g f a c t o r s a n d d i l a t i o n ; h o w e v e r i t a l s o s e e m e d t o h a v e l i t t l e e f f e c t ( o r a s l i g h t l y n e g a t i v e e f f e c t ) o n d u r a b i l i t y f o r t h e s e c e l l s . M i x e s w i t h o u t W R s h o w e d a r e d u c t i o n f r o m t o t a l A C t o e n t r a i n e d A C o f 4 3 . 8 % a n d 5 1 . 4 % f o r W / C + P = O . 4 0 a n d 0 . 4 5 , r e s p e c t i v e l y . M i x e s w i t h W R s h o w e d a r e d u c t i o n o f 3 3 . 3 % a n d 2 3 . 5 % f o r t h e s a m e W / C + P v a l u e s . T h i s m e a n s t h a t W R d i d p r o d u c e s o m e i m p r o v e m e n t i n t h e s t a b i l i t y o f t h e A V S . T h e c o m p a r a t i v e l y b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o f c e l l C 2 c a n b e a t t r i b u t e d t o h i g h e r t o t a l A C a n d n o t t o t h e p e r f o r m a n c e o f W R . T h e f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s f o r t h e s e c e l l s a r e p r e s e n t e d i n fi g u r e s . 2 5 t h r o u g h C . 2 8 . A s i g n i fi c a n t l y q u i c k d r o p i n r e l a t i v e d y n a m i c v a l u e s , a n d h i g h g a i n w e i g h t a n d l e n g t h i s e v i d e n t w i t h o u t e x c e p t i o n f o r a l l G G B F s l a g b e a m s . I T a t I I 1 6 8 T a b l e 6 . 1 4 . C o m p a r i s o n o f m i x e s w i t h a n d w i t h o u t W R f o r G G B F s l a g a n d A E A l . L — T i l C e l l # F A C % l H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K P a ) W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 C 1 C 2 2 . 2 / 1 . 6 / 0 . 9 2 . 8 / 3 . 7 / 1 . 8 N o n e 0 3 4 4 / 0 2 4 5 0 3 8 5 / 0 2 6 8 1 2 2 / 1 1 9 1 7 8 / 1 6 9 1 9 / 0 . 2 4 7 / 0 . 0 8 4 3 3 0 / 0 . 0 3 9 / 0 . 0 8 7 1 G G B F 5 3 3 1 2 4 3 3 0 1 s l a g C 3 C 4 2 . 4 / 2 . 1 / 1 . 4 2 . 4 / 1 . 7 / 1 . 3 W R 0 2 4 9 / 0 2 0 5 0 3 2 3 / 0 2 8 7 1 5 5 / 1 5 0 1 2 9 / 1 2 6 1 5 / 0 . 1 8 5 / 0 . 0 7 0 2 1 3 / O . 2 5 8 / 0 . 0 7 3 8 4 3 7 4 2 4 3 0 7 3 A E A ‘ r e p l m e f f e c 1 h e l p o f c o n c r e t e , b u t t e s t i n g o n t h e c o m p a n i o n S p e c i m e n s d i d n o t s u p p o r t t h i s [ 1 9 0 ] . 1 6 9 W h e n c o m p a r e d t o C l F fl y a s h w i t h W R a n d A E A l , C l C fl y a s h w i t h W R a n d A E A 2 , o r s i l i c a f u m e , G G B F s l a g f a i l e d t o p r o d u c e f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a t a 4 0 % r e p l a c e m e n t o f c e m e n t a n d m a r g i n a l A C , i n s p i t e o f g e n e r a l l y i n c r e a s e d s t r e n g t h s . T h e e f f e c t s o f i n t e r a c t i o n s o f G G B F s l a g a n d c h e m i c a l a d m i x t u r e s m a y b e a r f u r t h e r s t u d y t o h e l p e x p l a i n t h e o b s e r v e d p e r f o r m a n c e . ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) F r o m t h e a b o v e d i s c u s s i o n , t h e f o l l o w i n g o v e r a l l c o n c l u s i o n s c a n b e m a d e : T h e u s e o f W R g e n e r a l l y p r o d u c e d l o w e r s p a c i n g f a c t o r s t h a n t h e u s e o f H R W R f o r m o s t m i x d e s i g n s . W R a l s o p r o d u c e d l o w e r s p a c i n g f a c t o r s i n G G B F s l a g m i x e s t h a n i n m i x e s w i t h o u t W R . T h e u s e o f A E A l ( a v i n s o l r e s i n - b a s e d p r o d u c t ) g e n e r a l l y p r o d u c e d l o w e r s p a c i n g f a c t o r s t h a n t h e u s e o f A E A 2 ( a s y n t h e t i c , p e t r o l e u m - b a s e d p r o d u c t ) f o r m o s t m i x d e s i g n s . A V T A a n d A V E A w e r e g e n e r a l l y b e t t e r p r e d i c t o r s o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y t h a n s p a c i n g f a c t o r o r a i r c o n t e n t . V i n s o l r e s i n — b a s e d a i r e n t r a i n e r s h o w e d c o m p a r a t i v e l y m u c h b e t t e r a i r r e t a i n m e n t p r o p e r t y w i t h b o t h o f t h e fl y a s h e s t h a n t h e A E A 2 . C 1 F fl y a s h c o n c r e t e m i x e s m a d e w i t h A E A l e x h i b i t e d g r e a t e r s t r e n g t h s t h a n w h e n m a d e w i t h A E A 2 ; t h e r e v e r s e w a s t r u e f o r C l C fl y a s h . T h e i n c r e a s e d s t r e n g t h w a s p r o b a b l y a n i m p o r t a n t c o n t r i b u t i n g f a c t o r f o r t h e i r b e t t e r p e r f o r m a n c e a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t . W a t e r - r e d u c i n g a n d p o z z o l a n i c a d m i x t u r e s a r e r e p o r t e d t o r e d u c e t h e p e r m e a b i l i t y P C ] I 8 8 T a fl o f f r e e z a b l e m o i s t u r e w a s a l s o s i g n i fi c a n t l y r e d u c e d f o r p o z z o l a n i c m i x e s c o m p a r e d t o 1 7 0 P e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s f o r W / C + P = = 0 4 0 a n d 0 . 4 5 a r e s h o w n i n fi g u r e s 6 . 1 3 a n d 6 . 1 4 , r e s P e c t i v e l y . T h e s e fi g u r e s p r e s e n t a r a n g e o f p e r m e a b i l i t y v a l u e s ( 4 . 9 - 6 . 1 x 1 0 1 2 m / s , a n d 3 . 9 - 5 . 1 x 1 0 ’ 1 2 m / s , r e s p e c t i v e I Y ) , t h a t f a l l w i t h i n o n e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a n . A s u m m a r y o f t h e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s f o r 1 0 9 s a m p l e s a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 1 5 . T a b l e 6 . 1 5 . P e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s [ 1 9 0 ] . P o z z o l a n W a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 2 N o n e 5 . 5 4 . 8 6 . 6 ( n = 2 8 , s = 2 . 1 ) ( n = 3 8 , s = l . 8 ) ( n = 3 , s = 3 . 5 ) F l y A s h 6 . 3 5 . 5 ( n = 1 2 , s = 2 . 0 ) ( n = l 7 , s = 2 . 2 ) S i l i c a F u m e 2 . 8 4 . 7 ( n = 4 , s = 2 . l ) ( n = 7 , s = l . 8 ) P e r m e a b i l i t y x 1 0 ‘ 1 2 m / s , ( n = n u m b e r o f s a m p l e s , 3 = S t d . D e v . ) T a b l e 6 . 4 s h o w s t h e r e s u l t s o f t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e t e s t i n g f o r m i x e s w i t h a n d w i t h o u t W R / H R W R . I t w a s c o n c l u d e d t h a t a t r e n d o f l o w e r f r e e z a b l e m o i s t u r e d i d e x i s t b e t w e e n s a m p l e s w i t h a n d w i t h o u t W R / I - I R W R . H o w e v e r , d u e t o t h e s m a l l s a m p l e s i z e a n d l a r g e v a r i a n c e o f t h e t e s t r e s u l t s , t h e r e s u l t s c a n n o t b e c o n s i d e r e d s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t . H o w e v e r , t h e d e c r e a s e i n f r e e z a b l e w a t e r w i t h a d e c r e a s e i n W / C b e t w e e n 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 , a n d 0 . 4 5 a n d 0 . 5 2 w a s f o u n d t o b e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t . T h e a m o u n t ) k ( v ’ t i l i b a e - t n e P f f i c i e n [ o f P n “ ‘ : l ‘ : n n ‘ A : n - _ _ _ _ A . . ; 2 1 ! . ) k ( y t i l i b a s e / m m r e 2 P 1 - f " o 0 t 1 n x e r c i f f e o C , F i g u r e 6 . 1 3 3 E f [ f 1 9 e 0 c ] t . o f a d m i x t u r e s o n p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e f o r W / C + P = 0 . 4 0 ) k ( y t i l i b a s e / m m r e 2 P 1 - 0 " 0 1 x n e g u r e 6 . 1 4 . E [ f 1 f 9 e 0 c ] t . o f a d m i x t u r e s o n p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e f o r W / C + P = 0 . 4 5 1 7 1 1 0 O 1 0 n o o f r e h e n u m b e r o f c a p i l l a r i e s , w h i c h i n t u r n r e s u l t e d i n c o m p a r a t i v e l y f e w e r e s c a p e b o u n d a r i e s 1 7 2 n o n - p o z z o l a n i c m i x e s . T h i s m a y b e d u e t o t h e e f f e c t o f t h e w a t e r - r e d u c e r , o r t o t h e e f f e c t o f p o z z o l a n , o r b o t h . T h e s e w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e n e x t s e c t i o n . 6 . 4 E f f e c t o f P o z z o l a n s 6 . 4 . 1 E f f e c t o f F l y A s h C l F a n d C fl y a s h e s w e r e t e s t e d a t 0 % , 1 5 % , a n d 3 0 % r e p l a c e m e n t o f c e m e n t ( b y w e i g h t ) w i t h t w o l e v e l s o f c u r i n g p e r i o d ( 2 8 a n d 5 6 d a y s ) a n d t w o l e v e l s o f w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o ( 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 ) . W R a n d A E A l w e r e u s e d f o r a l l o f t h e s e m i x e s . T h e t e s t r e s u l t s a r e s h o w n i n t a b l e s B . 1 t h r o u g h B . 4 . S o m e o f t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s a n d f r e e z e - t h a w t e s t r e s u l t s f o r t h e C l F fl y a s h m i x e s a r e s u m m a r i z e d i n t a b l e 6 . 1 6 . T h e f r e e z e - t h a w t e s t r e s u l t s f o r c e l l s D 1 t h r o u g h D 1 2 a r e p r e s e n t e d i n fi g u r e s C . 1 , C . 2 9 , C 2 , C 3 0 , C . 5 , C . 3 1 , C . 6 , C . 3 2 t h r o u g h C . 3 6 , r e s p e c t i v e l y . I t w a s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t f o r C 1 F fl y a s h w i t h W R , c o n c r e t e m a d e a s i g n i fi c a n t r e d u c t i o n i n f r o s t r e s i s t a n c e w a s o b s e r v e d w i t h l o n g e r c u r i n g p e r i o d s a t a l l r e p l a c e m e n t l e v e l s , ( s e e t a b l e D . 5 ) . C l F fl y a s h h a d 2 4 . 8 4 % o f i t s p a r t i c l e s r e t a i n e d o n # 3 2 5 s i e v e a s c o m p a r e d t o C l C fl y a s h w h i c h h a d 1 2 . 7 2 % ( s e e t a b l e A . 2 ) . T h i s c o u l d h a v e a l l o w e d t h e C l F fl y a s h t o f o r m m o r e c a p i l l a r i e s , w h i c h c o u l d a l s o a c t a s e s c a p e b o u n d a r i e s a n d a c c o u n t f o r i t s b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e . S i n c e i t i s h a s l o w e r p o z z o l a n i c a c t i v i t y ( C a 0 = 8 . 8 2 % ) , a n i n c r e a s e d c u r i n g p e r i o d m i g h t h a v e r e d u c e d t h e I T a t I I l l 1 7 3 T a b l e 6 . 1 6 . A V C , F I ' D a n d o t h e r c h a r a c t e r i s t i c s o f C l F fl y a s h . H W / C + P D 1 D 3 2 . 8 / 2 . 7 / 1 . 7 2 . 7 / 3 . 8 / 2 . 1 0 3 2 2 / 0 2 5 7 0 3 1 5 / 0 2 3 8 0 % 1 5 4 / 1 4 7 1 9 2 / 1 8 2 L 5 6 / - 0 1 1 5 / 0 . 0 6 7 0 1 6 / 0 1 0 8 / 0 . 0 9 0 2 1 4 3 3 7 6 3 8 7 8 4 D 5 D 7 A m o u n t 2 . 5 / 2 . 5 / 2 . 0 2 . 8 / 2 . 4 / 2 . 0 o f 1 5 % 0 1 8 6 / 0 1 6 7 0 2 4 5 / 0 2 2 4 c 1 F 2 2 9 / 2 2 5 1 8 7 / 1 8 5 F l y A s h 9 4 / 0 0 8 8 / 0 0 1 1 4 8 9 / 0 2 0 6 / 0 0 2 6 7 4 2 3 3 5 3 8 8 4 6 D 9 D l l 2 . 8 / 2 . 6 / 2 . 5 2 . 5 / 2 . 7 / 2 . 4 3 0 % 0 1 3 4 / 0 1 3 2 0 1 4 8 / 0 1 3 9 2 8 3 / 2 8 2 3 0 3 / 3 0 0 6 5 / 0 1 3 7 / 0 . 0 7 3 3 6 7 / 0 2 1 0 / 0 . 0 5 8 0 3 0 9 7 2 4 2 6 4 6 K E Y C e l l # F A C % I H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K P a ) ( w h i c h 1 a r g u m e x C . 6 w i fl a t t h e t i 1 t o d e c r e fi g u r e s I a t t h e h e l o n g a t i 0 . 5 % ) t a n d 3 1 ‘ r e p l a c e : c u I i n g l a n d C 3 0 . 4 5 , H m m l e l e v e l s . c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s n o t e d i n t h e l i t e r a t u r e [ 1 0 6 , 1 1 3 ] b e t w e e n 2 8 a n d 9 0 d a y s o f 1 7 4 ( w h i c h m i g h t b e s i g n i fi c a n t a t m a r g i n a l A C ) , a d v e r s e l y a f f e c t i n g f r o s t r e s i s t a n c e . T h i s a r g u m e n t c a n b e s u p p o r t e d b y c o m p a r i n g fi g u r e s C . 5 w i t h C 3 1 ( D 5 v s . D 6 ) , a n d fi g u r e s C . 6 w i t h C . 3 2 ( D 7 V s . D 8 ) , w h i c h i n d i c a t e g r e a t e r t o t a l e l o n g a t i o n a n d g a i n i n w e i g h t a t t h e t i m e o f f a i l u r e f o r s a m p l e s w i t h a g r e a t e r c u r i n g p e r i o d . A t a h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l , t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f C 1 F fl y a s h w a s o b s e r v e d t o d e c r e a s e s i g n i fi c a n t l y . L o o k i n g a t t h e d u r a b i l i t y p e r f o r m a n c e h i s t o r i e s o f t h e m i x e s i n fi g u r e s C . 5 , C . 6 , C . 3 3 , a n d C 3 5 ( f o r c e l l s D 5 , D 7 a n d D 9 , D 1 1 ) , i t w a s o b s e r v e d t h a t , a t t h e h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l o f C l F fl y a s h , a m u c h q u i c k e r d r o p i n R D M , e a r l i e r e l o n g a t i o n t o c r i t i c a l v a l u e , a n d m u c h l a r g e r g a i n i n w e i g h t ( r a n g i n g b e t w e e n 0 . 1 % t o 0 . 5 % ) t o o k p l a c e . T h e a v e r a g e d r 0 p i n D F f o r W / C + P = 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 w a s a b o u t 2 5 % a n d 3 1 % , r e s p e c t i v e l y . T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o g r e a t e r i n g r e s s o f w a t e r a t h i g h e r r e p l a c e m e n t v a l u e s . S i m i l a r l y , s i g n i fi c a n t r e d u c t i o n s i n f r o s t r e s i s t a n c e w e r e o b s e r v e d f o r l o n g e r c u r i n g p e r i o d s ( s e e t a b l e D . 5 ) a t t h e h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l ( s e e fi g u r e s C . 3 3 v s . C 3 4 a n d C . 3 5 v s . C . 3 6 ) , r e s u l t i n g i n 3 0 . 8 % a n d 4 3 . 3 % d r o p s i n D F f o r W / C + P = O . 4 0 a n d 0 . 4 5 , r e s p e c t i v e l y . T h e r e a s o n f o r t h i s f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e f o r t h e h i g h e r r e p l a c e - m e n t l e v e l w i t h i n c r e a s e d c u r i n g c o u l d b e t h e s a m e a s t h a t o f f e r e d f o r l o w r e p l a c e m e n t l e v e l s . L o o k i n g a t c o m p r e s s i v e s t r e n g t h r e s u l t s ( s e e fi g u r e 6 . 1 5 ) , a s i g n i fi c a n t d r o p i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w a s o b s e r v e d w i t h i n c r e a s e d c u r i n g a t h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s f o r b o t h W / C + P t e s t e d . T h e d r o p i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h f o r W / C + P = O . 4 O a n d W / C + P = 0 . 4 5 w a s o b s e r v e d t o b e 1 4 . 6 % a n d 1 9 . 4 % , r e s p e c t i v e l y “ . A s i m i l a r d r o p i n 5 0 . 0 4 _ 0 3 e 0 2 . 1 0 l . a 0 c u r i n g 1 i n c r e a s e r e a s o n i w e r e a c 1 5 % r e ] a s e x p l z p h y s i c a l M o r e o v a i r v o i d C fl y a s C o n c r e t e f r e e z e - h p l a c e m e g e n e r a l ] l e v e l . E c o n c r e t e b e t t e r a t 1 7 6 c u r i n g f o r fl y a s h c o n c r e t e ; t h i s p h e n o m e n o n w a s a t t r i b u t e d t o t h e n e g a t i v e e f f e c t s o f t h e i n c r e a s e i n fl y a s h p a r t i c l e s g r e a t e r t h a n 4 5 a m ( N o . 3 2 5 ) . T h i s c a n a l s o b e a p o s s i b l e r e a s o n o f r e d u c e d f r o s t r e s i s t a n c e a t h i g h e r c u r i n g p e r i o d s . I t c a n b e s e e n t h a t , a l t h o u g h t h e n u m b e r o f a i r v o i d s i n b o t h A V T A a n d A V E A w e r e a c t u a l l y h i g h e r a t t h e 3 0 % r e p l a c e m e n t l e v e l , t h e f r o s t r e s i s t a n c e w a s b e t t e r a t t h e 1 5 % r e p l a c e m e n t l e v e l . T h i s m a y b e c a u s e d b y t h e e f f e c t s o f p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n , a s e x p l a i n e d e a r l i e r . A p a r t f r o m t h i s , i t c o u l d a l s o b e d u e t o t h e b e t t e r c h e m i c a l a n d p h y s i c a l i n t e r a c t i o n o f C l F fl y a s h i n t h e p r e s e n c e o f a w a t e r r e d u c e r a n d A E A . M o r e o v e r , i t a p p e a r s t h a t 1 5 % i s t h e b e s t r e p l a c e m e n t l e v e l t h a t p r o d u c e s t h e c o m b i n e d a i r v o i d a n d p o r e w a t e r s y s t e m s a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t s . S o m e o f t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s , a n d t e s t r e s u l t s f o r t h e m i x e s c a s t u s i n g C l C fl y a s h , W R , a n d A E A l a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 1 7 . T h e p e r f o r m a n c e o f C l C fl y a s h c o n c r e t e s w a s s t r o n g l y a f f e c t e d b y fl y a s h q u a n t i t i e s ( s e e t a b l e D . 6 ) , w i t h t h e p o o r e s t f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e o c c u r r i n g l o w e r r e p l a c e m e n t l e v e l s . H o w e v e r , a t a h i g h e r r e - p l a c e m e n t l e v e l , s i g n i fi c a n t i m p r o v e m e n t s w e r e o b s e r v e d . I n a d d i t i o n , l o w e r W / C + P g e n e r a l l y p r o d u c e d l o w e r s p a c i n g f a c t o r s a n d i m p r o v e d d u r a b i l i t y a t e i t h e r r e p l a c e m e n t l e v e l . B y i t s e l f , c u r e t i m e h a d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t o n t h e d u r a b i l i t y o f C l C fl y a s h c o n c r e t e ( s e e t a b l e D . 6 ) . H o w e v e r , m i x e s w i t h l o w e r W / C + P p e r f o r m e d s i g n i fi c a n t l y b e t t e r a t a l l r e p l a c e m e n t l e v e l s f o r a s h o r t e r c u r i n g p e r i o d a n d t h e p e r f o r m a n c e o f l o w e r W / C + P w a s o b s e r v e d t o b e s i g n i fi c a n t l y b e t t e r a t h i g h e r c u r i n g p e r i o d a n d a h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l . S t r o n g 3 - w a y a n d 2 - w a y i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e s e v a r i a b l e s w e r e o b s e r v e d , w h i c h a r e b e s t e x p l a i n e d t h r o u g h d i s c u s s i o n s o f c e l l t o c e l l p e r f o r m a n c e . C o m p a r i n g t h e t e s t r e s u l t s o f c e l l s D 1 3 a n d D 1 4 w i t h D 1 7 a n d D 1 8 , i t i s a p p a r e n t ‘ 9 ' e u . . - u - ~ - ~ ~ - - - - , ] . l l T a b l e I 7 / / 1 7 7 T a b l e 6 . 1 7 . A V C , F T D a n d o t h e r c h a r a c t e r i s t i c s o f C l C fl y a s h . l l W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 D 1 D 3 2 . 8 / 2 . 7 / 1 . 7 2 . 7 / 3 . 8 / 2 . 1 0 7 0 3 2 2 / 0 2 5 7 0 3 1 5 / 0 2 3 8 ° 1 5 4 / 1 4 7 1 9 2 / 1 8 2 5 6 / - 0 1 1 5 / 0 0 6 7 o 1 6 / 0 1 0 8 / 0 0 9 0 2 4 3 3 7 6 3 8 7 8 4 D 1 3 D 1 5 A m o u n t 2 . 0 / 2 . 2 / 1 . 6 2 . 5 / 2 . 2 / 1 . 2 0 2 2 2 / 0 1 9 0 0 . 3 8 3 / 0 2 8 4 ° f 1 5 % 1 4 0 / 1 3 5 1 1 3 / 1 0 8 m a i n 2 9 / 0 2 3 0 / 0 0 8 8 8 1 5 / 0 2 2 7 / 0 0 7 1 7 Y S 3 8 2 4 0 3 7 3 2 3 D 1 7 D 1 9 2 . 4 / 2 . 7 / 1 . 6 2 . 0 / 1 . 3 / 0 . 6 3 0 % 0 3 0 2 / 0 2 3 6 0 4 3 3 / 0 3 0 2 1 5 4 / 1 4 9 8 2 / 7 7 6 2 / 0 1 2 1 / 0 0 6 5 6 2 9 / 0 0 6 5 9 / 0 0 6 6 2 5 5 8 0 3 2 4 5 5 K E Y C e l l # F A C % I H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % / L - C h g % C - s t r ( K P a ) t h a t s p a c i n g C l C fl y a s ] f a c t o r V l l l l l t W R / H R W l v a l u e s w e n b y t h e l i t e r s p a c i n g f a c F A C w a s 1 s u g g e s t s t h T h e C 1 0 , a n d 1 B 1 3 t h r o u g 0 3 8 , a q u t o 0 . 3 % ) ; P e r i o d s . W f r o s t r e s i s t fl y a s h . A n t h i E l l e r r e p ] O b s e r v e d y W e i g h t , b u a r e s u l t , t l l a t t e r V a l e 1 7 8 t h a t s p a c i n g f a c t o r a n d d u r a b i l i t y f a c t o r b o t h i n c r e a s e d f o r h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s o f C l C fl y a s h , r e g a r d l e s s o f W / C + P . A s d i s c u s s e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , h i g h e r s p a c i n g f a c t o r v a l u e s a n d d u r a b i l i t y f a c t o r v a l u e s w e r e a l s o o b s e r v e d t b r s o m e c o m b i n a t i o n s o f W R / H R W R a n d A E A a t l o w e r r e p l a c e m e n t l e v e l s . H e r e , t o o , h i g h e r s p a c i n g f a c t o r v a l u e s w e r e o b s e r v e d a t a h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l . T h i s o b s e r v a t i o n i s a l s o s u p p o r t e d b y t h e l i t e r a t u r e [ 5 7 , 5 8 , 5 9 ] , w h i c h s u g g e s t s t h e r e v i s i o n o f t h e s p a c i n g f a c t o r c r i t e r i a s p a c i n g f a c t o r f o r c o n c r e t e p r e p a r e d w i t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s . A l t h o u g h t h e F A C w a s k e p t w i t h i n t h e t a r g e t l i m i t s , g r e a t e r v a r i a t i o n w a s o b s e r v e d i n H T A , w h i c h s u g g e s t s t h e p o s s i b l e l o s s o f a i r a t t h e t i m e o f c a s t i n g ( d u e t o v i b r a t i o n , e t c . ) . T h e f r o s t r e s i s t a n c e h i s t o r i e s o f C l C fl y a s h a r e p r e s e n t e d i n fi g u r e s C . 9 , C . 3 7 , C . 1 0 , a n d Q 3 8 t h r o u g h C . 4 2 f o r 1 5 % a n d 3 0 % r e p l a c e m e n t l e v e l s , r e s p e c t i v e l y f o r c e l l s B 1 3 t h r o u g h B 2 0 . B y l o o k i n g a t t h e f r e e z e - t h a w h i s t o r i e s i n fi g u r e s C . 9 , C . 3 7 , C . 1 0 , a n d C . 3 8 , a q u i c k e r d r o p i n R D M , a n i n c r e a s e i n l e n g t h , a n d a g a i n i n w e i g h t ( f r o m 0 . 1 % t o 0 . 3 % ) a r e o b s e r v e d f o r l o w e r r e p l a c e m e n t l e v e l s o f C l C fl y a s h a t b o t h c u r i n g p e r i o d s . W i t h a n i n c r e a s e i n t h e a m o u n t o f fl y a s h ( s e e fi g u r e s C . 3 9 t h r o u g h C . 4 2 ) , t h e f r o s t r e s i s t a n c e s i g n i fi c a n t l y i m p r o v e d . T h i s i s c o n t r a r y t o t h e r e s u l t s o b t a i n e d f o r C 1 F fl y a s h . A n o t h e r i m p o r t a n t o b s e r v a t i o n w a s t h e i n c r e a s e d s c a l i n g t h a t w a s o b s e r v e d f o r h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s o f C l C fl y a s h , a n d i s i n d i c a t e d b y t h e i n i t i a l d r o p i n w e i g h t o b s e r v e d i n fi g u r e s C . 3 9 t o C . 4 2 . C o n t i n u e d s c a l i n g w o u l d p r o d u c e a c o n t i n u e d d r o p i n w e i g h t , b u t t h e i n c r e a s e i n w e i g h t d u e t o t h e i n g r e s s o f w a t e r i s p r o b a b l y f a r g r e a t e r . A s a r e s u l t , t h e n e t l o n g t e r m e f f e c t i s a g a i n i n w e i g h t . T h i s i n d i c a t e s h i g h e r d u r a b i l i t y f a c t o r v a l u e s w i t h a m o d e r a t e a m o u n t o f s c a l i n g . L e a h i g h e r 1 b e c o m e a F fl y a s h w i t h p o z z r e s i s t a n c e T a b l e 6 . ] i l l S c e p e S t r u c t u r e fl y a s h e s i s fl n t s u r c c o t y a s p e d u e u h r e e s o a f t t h i o e t h t e t e c i o r m n e c r r e a e p n d t l e a . c o e A t m l h e e n t r h t c o o u l t n g s h e v e l r n , a i n t o C s l s i ) g F , n i d fi o c a fl y c n a o n v d t s h i s e f y f e s r h o w e e o m n c a e s e m o x e w i l s s e t s r a s g b e e q u a a b o u t t C h l e f i n t e F r e a e n z n r d l a C a b l e e n t n w t e i t y o f 1 7 9 L o o k i n g a t t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e p o z z o l a n ( t a b l e A . 3 ) , w e n o t i c e t h a t a t a h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l , t h e a m o u n t o f C l C fl y a s h fi n e s r e t a i n e d o n # 3 2 5 s i e v e b e c o m e a l m o s t e q u a l t o t h e a m o u n t o f fi n e s r e t a i n e d a t l o w e r r e p l a c e m e n t l e v e l s o f C l F fl y a s h ( i . e . , 1 2 . 7 2 x 2 = 2 5 . 4 4 % ~ 2 4 . 8 4 % ) . T h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n c o m b i n e d w i t h p o z z o l a n i c a c t i v i t y , c o u l d p o s s i b l y b e r e s p o n s i b l e f o r t h e c o m p a r a b l e a n d b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o f t h e s e t w o t y p e s o f fl y a s h a t d i f f e r e n t r e p l a c e m e n t l e v e l s . T a b l e 6 . 1 8 . F r e e z a b l e m o i s t u r e f o r p o z z o l a n i c a n d n o n - p o z z o l a n i c a d m i x t u r e s [ 1 9 0 ] . r — — — — — — P o z z o l a n W a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o 0 . 4 0 0 . 4 5 N o n e 0 . 6 6 0 . 7 7 f ( n = 4 , s = 0 . 0 0 7 ) ( n = L s = 0 . 0 7 ) 1 5 % C l F F A 0 . 5 5 0 . 6 0 ( n = 1 ) ( n = 3 , s = 0 . 0 _ 4 ) 1 5 % C l C F A 0 . 5 7 0 . 6 6 ( n = 1 ) ( n = 2 , s = 0 . 0 2 ) 3 0 % C l C F A 0 . 5 3 0 . 6 4 ( n = 2 , s = 0 . 1 1 ) ( n = 2 , s = 0 . 0 6 ) 1 5 % S i l i c a F u m e 0 . 3 3 ( n = 2 , s = 0 . 0 3 ) F r e e z a b l e M o i s t u r e ( % n = n u m b e r o f s a r n l e s , 8 = t d . D e v . ) T h e r e s u l t s o f t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e t e s t s s h o w n i n t a b l e 6 . 1 8 ( a l t h o u g h l i m i t e d m o i s t u r e . A s t h e m o i s t u r e i s o b s r f r e e z a b l e m o i s t u s i g n i fi c a n t d r o p g i v e s a n i n d i c a t a p p e a r s t o b e a n T h e a b o r ( 1 ) I f t h e q r p r o d u c t i l ( 2 ) T h e p a r r e s i s t a n t ( 3 ) I n c r e a s e r a n g e 0 1 c u r i n g p ( 4 ) F l y a s h e m a x i m u r s u g g e s t s ( 5 ) F l y a s h a l n o u n t s 1 8 0 m o i s t u r e . A s t h e a m o u n t o f C l C fl y a s h i n c r e a s e s , a t r e n d i n t h e r e d u c t i o n o f f r e e z a b l e m o i s t u r e i s o b s e r v e d . S i m i l a r l y , t h o u g h n o t s i g n i fi c a n t l y , a c l e a r t r e n d i n i n c r e a s e d f r e e z a b l e m o i s t u r e i s a l s o e v i d e n t w i t h t h e i n c r e a s e i n t h e w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o . T h e s i g n i fi c a n t d r 0 p i n f r e e z a b l e m o i s t u r e w a s o b s e r v e d a s t h e p o z z o l a n s a r e a d d e d . T h i s g i v e s a n i n d i c a t i o n o f r e fi n e m e n t o f t h e W P S w i t h t h e a d d i t i o n o f p o z z o l a n s , w h i c h a p p e a r s t o b e a n i m p o r t a n t c o n t r i b u t i n g f a c t o r t o w a r d s t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) T h e a b o v e d i s c u s s i o n l e a d s t o t h e f o l l o w i n g p o s s i b l e c o n c l u s i o n s : I f t h e q u a n t i t y a n d t y p e o f fl y a s h i s a d j u s t e d s u i t a b l y , i t c a n r e s u l t i n t h e p r o d u c t i o n o f f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e , e v e n a t m a r g i n a l A C . T h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f fl y a s h p l a y s a v i t a l r o l e i n m a k i n g f r o s t — r e s i s t a n t c o n c r e t e . I n c r e a s e d c u r i n g o f C l F fl y a s h a d v e r s e l y a f f e c t e d f r o s t r e s i s t a n c e f o r t h e r a n g e o f c u r i n g p e r i o d s e x a m i n e d . T h i s t r e n d s h o u l d b e v a l i d a t e d f o r l o n g e r c u r i n g p e r i o d s . F l y a s h e s , e v e n w i t h s p a c i n g f a c t o r s t h a t a r e h i g h e r t h a n t h e r e c o m m e n d e d m a x i m u m v a l u e o f 0 . 2 0 m m , c a n s t i l l p r o d u c e f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e , w h i c h s u g g e s t s t h e n e e d t o m o d i f y e x i s t i n g a i r v o i d c r i t e r i a . F l y a s h c o n c r e t e s c a n e x h i b i t h i g h d u r a b i l i t y f a c t o r v a l u e s e v e n w i t h m o d e r a t e a m o u n t s o f s c a l i n g . 6 . 4 . 2 E f f e c t o f S i l i c a f u W I C + P o f 0 . 4 ( i n t h e s l u r r y f o t h e s e m i x e s , e s ] s m a l l f o r m a n } r e s i s t a n c e o f s i i S o m e o r t h e C S F c o n c r r f r o s t r e s i s t a n c e f a c t o r s , h i g h e r P o z z o l a n a m o u ” W a y i n t e r a t “ “ 1 1 1 8 p e r i o d t T h e m i ) V a r y i n g W / C s d u r a b i l i t y w i t h T h e m e 5 3 7 % , w h i c h 5 i s [ m m t h e ‘ d u r a b i l i t y f a c t c r e s u l t s ) W h i 1 e t e s u l t s ) w h i l e t w o b e a m s f r o m t h e o t h e r s e t s h o w e d a m e a n d u r a b i l i t y f a c t o r o f 2 7 , w h i c h 1 8 1 6 . 4 . 2 E f f e c t o f S i l i c a F u m e S i l i c a f u m e w a s t e s t e d a t 0 % , 8 % , a n d 1 5 % r e p l a c e m e n t l e v e l s , w i t h A E A l , W / C + P o f 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 , a n d t w o l e v e l s o f c u r i n g i n t h i s s t u d y . T h e p o z z o l a n w a s u s e d i n t h e s l u r r y f o r m w i t h w a t e r a n d H R W R . I t w a s d i f fi c u l t t o o b t a i n a m a r g i n a l A C i n t h e s e m i x e s , e s p e c i a l l y a t h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s . A s r e s u l t , A E A d o s a g e s w e r e q u i t e s m a l l f o r m a n y o f t h e m i x e s . T a b l e D 7 s h o w s t h e s t a t i s t i c a l c a l c u l a t i o n s f o r f r o s t r e s i s t a n c e o f s i l i c a f u m e m i x e s . S o m e o f t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s a n d f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e m e a s u r e s f o r t h e C S F c o n c r e t e m i x e s a r e s h o w n i n t a b l e 6 . 1 9 . T h e e f f e c t o f s i l i c a f u m e d o s a g e o n f r o s t r e s i s t a n c e w a s s i g n i fi c a n t , w i t h h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s p r o d u c i n g l o w e r s p a c i n g f a c t o r s , h i g h e r A V E A a n d b e t t e r f r o s t r e s i s t a n c e . T h r e e — w a y i n t e r a c t i o n s b e t w e e n p o z z o l a n a m o u n t , W / C + P , a n d p o z z o l a n c u r i n g p e r i o d w e r e n o t s i g n i fi c a n t , w h e r e a s t w o - w a y i n t e r a c t i o n s b e t w e e n p o z z o l a n a m o u n t a n d W / C + P , a n d p o z z o l a n a m o u n t a n d c u r i n g p e r i o d w e r e s i g n i fi c a n t ( s e e t a b l e D 7 ) . T h e m i x e s c a s t w i t h o u t C S F d i d n o t s h o w a s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n d u r a b i l i t y f o r v a r y i n g W / C + P ; h o w e v e r , t h e a d d i t i o n o f 8 % o r 1 5 % C S F p r o d u c e d i n c r e a s e d d u r a b i l i t y w i t h i n c r e a s i n g W / C + P . T h e m e a n d u r a b i l i t y f a c t o r f o r c e l l E 5 ( D F = 4 7 ) h a d a c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n o f 5 3 . 7 % , w h i c h i s o u t o f t h e r a n g e f o r t h e p r e c i s i o n s t a t e m e n t s g i v e n i n r e f e r e n c e 5 2 . T h i s i s b e c a u s e t h e c e l l w a s c a s t i n t w o b a t c h e s , a n d t w o b e a m s f r o m o n e s e t s h o w e d a m e a n d u r a b i l i t y f a c t o r . v a l u e o f 6 8 ( w e l l w i t h i n t h e s p e c i fi e d r a n g e a n d c o n s i s t e n t w i t h s i m i l a r T a b l e 6 . 1 9 . A V A m o u n t o f S i l i c a F u m e C e F a c e s / H T S F F A ( m m ) D F / W l — C h g C ~ s t r \ 1 8 2 T a b l e 6 . 1 9 . A V C , F T D a n d o t h e r c h a r a c t e r i s t i c s o f C S F m i x e s . m — = — W / C + P 0 . 4 0 0 . 4 5 g E l E 3 2 . 5 / 1 . 8 / l . 1 2 . 2 / 1 . 8 / 1 . 1 0 % 0 . 3 6 1 / 0 . 2 9 2 0 . 3 3 1 / 0 . 2 6 9 1 0 3 / 9 7 1 0 6 / 1 0 1 2 6 / 0 . 1 3 1 / 0 0 8 1 2 8 / 0 . 1 0 3 / 0 . 0 8 8 8 4 1 9 0 1 4 0 8 8 7 E 5 E 7 A m o u n t 2 . 6 / 2 . 4 / 1 . 4 2 . 7 / 3 . 5 / 2 . 2 o f 8 % 0 3 0 6 / 0 2 3 7 0 3 3 9 / 0 2 7 4 S i l i c a 1 4 5 / 1 3 7 1 6 1 / 1 5 3 F u m e 4 7 / 0 0 7 6 / 0 . 1 0 0 3 6 7 / 0 . 1 6 4 / 0 . 1 0 5 2 4 6 3 3 4 4 2 7 2 8 E 9 E 1 1 3 . 0 / 3 . 4 / 2 . 5 3 . 0 / 2 . 9 / 2 . 3 1 5 % 0 . 1 9 9 / 0 . 1 7 3 0 . 2 2 2 / 0 . 1 9 9 2 1 4 / 2 0 7 2 1 6 / 2 1 2 8 8 / - 0 . 0 7 1 / 0 . 0 4 3 9 3 / 0 . 0 0 4 / 0 . 0 1 8 4 6 1 3 0 3 5 2 4 4 3 F — — - — — — . - — — — — — — — — — — - — — K E Y C e l l # F A C % I H T A % / H E A % S F T A ( m m ) / S F E A ( m m ) A V T A / A V E A D F / W t - C h g % l L - C h g % C - s t r ( K P a ) _ _ _ _ _ _ _ _ . L — _ _ _ _ _ _ w a s p r o b a b l y d u t a b l e 6 . 1 9 i s t h e b a s e d o n t h e m ( d i f f e r e n c e b e t w e A t h i g h e : b e t w e e n t h e t w c o b s e r v e d f o r t h A l t h o u g h n o t c c W I C + P . N o s i f u m e m i x e s . T 1 m o s t o f t h e p 0 2 T h e m e d u r a b i l i t y p e r f o ( 0 6 1 1 8 E 9 a n d E S l i g h t l y h i g h e r S i l i c a f u m e ( E 5 a n d 0 . 4 5 , m p . a i r m e a s u r e s i s S t a b l e A V S a t V a l u e s a n d b e t t I t m a y t h e t a r s e t A c . c o n t r o l w i t h l l c o n t r o l w i t h i n c r e a s e s i n t h e q u a n t i t y o f t h e C S F b e c a u s e F A C i s t h e o n l y i n d i c a t o r o f 1 8 3 w a s p r o b a b l y d u e t o p o o r c a s t i n g p r a c t i c e . T h e v a l u e o f D F g i v e n f o r t h i s c e l l i n t h e t a b l e 6 . 1 9 i s t h e m e a n v a l u e o f t h e w h o l e s e t o f b e a m s . H o w e v e r , i f t h e c a l c u l a t i o n s a r e b a s e d o n t h e m o s t p r o b a b l e a n d r e a l i s t i c v a l u e o f D F = 6 8 , t h e n t h e r e i s n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e d u r a b i l i t y f a c t o r s o b s e r v e d f o r t h e t w o W / C + P . A t h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s , n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n d u r a b i l i t y w a s o b s e r v e d b e t w e e n t h e t w o W / C + P f o r t h e s h o r t e r c u r i n g p e r i o d , b u t a s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e w a s o b s e r v e d f o r t h e l o n g e r c u r i n g p e r i o d , w i t h h i g h e r W / C + P y i e l d i n g b e t t e r r e s u l t s . A l t h o u g h n o t c o n c l u s i v e , t h i s i n d i c a t e s a t r e n d o f b e t t e r p o z z o l a n i c i n t e r a c t i o n a t h i g h e r W / C + P . N 0 s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e w a s o b s e r v e d b e t w e e n t h e c u r i n g p e r i o d s f o r s i l i c a f u m e m i x e s . T h i s s u p p o r t s t h e t h e o r y o f h i g h p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y a n d i n d i c a t e s t h a t m o s t o f t h e p o z z o l a n i c r e a c t i o n s t a k e p l a c e w i t h i n t h e fi r s t 2 8 d a y s o f c u r i n g . T h e m e a n d u r a b i l i t y f a c t o r s p r e s e n t e d i n t a b l e 6 . 1 9 c l e a r l y i n d i c a t e b e t t e r d u r a b i l i t y p e r f o r m a n c e w i t h h i g h e r C S F r e p l a c e m e n t l e v e l s . A t h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s ( c e l l s E 9 a n d E 1 1 ) , t h e d u r a b i l i t y f a c t o r s a r e e x c e l l e n t , w i t h s p a c i n g f a c t o r s c l o s e t o o r s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h e r e c o m m e n d e d c r i t e r i a o f 0 . 2 0 m m . F u r t h e r m o r e , i n c a s e s o f 8 % s i l i c a f u m e ( E 5 a n d E 7 ) t h e H E A i s 4 1 . 7 % a n d 3 7 . 1 % l e s s t h a n H T A f o r W / C + P = 0 . 4 0 a n d 0 . 4 5 , r e s p e c t i v e l y ; a t 1 5 % r e p l a c e m e n t ( E 9 a n d E 1 1 ) t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o a i r m e a s u r e s i s o n l y 2 8 . 5 % a n d 2 0 . 7 % . T h i s i n d i c a t e s a c o m p a r a t i v e l y b e t t e r a n d m o r e s t a b l e A V S a t t h e h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l , w h i c h a l s o r e s u l t s i n l o w e r s p a c i n g f a c t o r v a l u e s a n d b e t t e r f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e . I t m a y a l s o b e n o t e d f r o m t h e F A C v a l u e s t h a t i t w a s m o r e d i f fi c u l t t o m a i n t a i n t h e t a r g e t A C a s t h e a m o u n t o f s i l i c a f u m e i n c r e a s e d . T h i s w a r r a n t s m o r e s t r i n g e n t m i x t h e A V S a n d c o m T h e f r e e r : E 1 2 ) a r e p r e s e n t e r e s p e c t i v e l y . C o r ( W / C + P = 0 . 4 5 ) a m o u n t o f s i l i c a f i v e d y n a m i c m t p o z z o l a n i c m i x e f r e e z e - t h a w c y c l c y c l e s = l 4 3 , a m o f t h e s e m i x e s . : r e d u c t i o n t o 6 0 t h a w c y c l e s , a r b e a m s t e s t e d . C 0 f t l l e s e r e s u l t s 0 1 1 t h e o t h e r h a 0 . 2 2 ) S h o w e d d u r a b i u t y f a c t c C e l l s l a S t e d a n 0 . 0 4 3 0 7 . a n d g a i n ) . T h i s l e a t h i s S t u ( l l ’ ) p r o F I O m t 1 8 4 t h e A V S a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( i n d i r e c t l y ) a t t h e t i m e o f c a s t i n g . T h e f r e e z e - t h a w t e s t p e r f o r m a n c e h i s t o r y g r a p h s f o r c e l l s E 1 , E 3 , a n d E 5 t h r o u g h E 1 2 ) a r e p r e s e n t e d i n fi g u r e s 6 . 1 , 6 . 2 , C . 4 3 t h r o u g h C . 4 6 , C 2 1 , C 4 7 , C 2 2 , a n d C 4 8 , r e s p e c t i v e l y . C o m p a r i n g c e l l s E l , E 5 , a n d E 9 ( W / C + P = O . 4 0 ) o r c e l l s E 3 , E 7 , a n d E 1 1 ( W / C + P = 0 . 4 5 ) , w e c a n c l e a r l y s e e h o w t h e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e i m p r o v e s w i t h t h e a m o u n t o f s i l i c a f u m e a t e i t h e r o f t h e w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o s . T h e q u i c k d r o p i n r e l a - t i v e d y n a m i c m o d u l u s v a l u e s , t h e i n c r e a s e i n d i l a t i o n , a n d t h e g a i n i n w e i g h t o f n o n - p o z z o l a n i c m i x e s w i t h o u t W R / H R W R ( fi g u r e s 6 . 1 a n d 6 . 2 ) a t a m e a n o f l e s s t h a n 1 5 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s ( f o r c e l l E 1 , m e a n c y c l e s = 1 3 3 a n d s = 4 . 2 2 ; a n d f o r c e l l E 3 , m e a n c y c l e s = 1 4 3 , a n d 8 = 6 . 8 3 ) s h o w t h e g o o d q u a l i t y c o n t r o l b u t r e l a t i v e l y p o o r p e r f o r m a n c e o f t h e s e m i x e s . S i l i c a f u m e m i x e s w i t h 8 % C S F a m o u n t ( fi g u r e s Q 4 3 a n d Q 4 5 ) s h o w e d r e d u c t i o n t o 6 0 % R D M w i t h a m e a n o f 2 1 6 ( c o r r e c t e d v a l u e = 2 9 9 . 5 ) a n d 3 0 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s , a n d w e i g h t g a i n / l o s s v a r i e d b e t w e e n + 0 . 2 % a n d - 0 . 1 % f o r a l l o f t h e b e a m s t e s t e d . C r i t i c a l d i l a t i o n w a s n o t o b s e r v e d u n t i l f a i l u r e / r e m o v a l f r o m t h e t e s t . A l l o f t h e s e r e s u l t s i n d i c a t e g o o d p e r f o r m a n c e ( a l t h o u g h s o m e i n i t i a l s c a l i n g w a s o b s e r v e d ) . O n t h e o t h e r h a n d , c e l l s E 9 a n d E 1 1 , w h i c h w e r e c a s t w i t h 1 5 % C S F , ( fi g u r e s C 2 1 a n d C 2 2 ) s h o w e d e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e i n r a p i d f r e e z e - t h a w t e s t i n g b y a t t a i n i n g m e a n d u r a b i l i t y f a c t o r s o f 8 8 a n d 9 3 ( n o t s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t ) f o r t h e t w o W / C + P . T h e s e c e l l s l a s t e d a n a v e r a g e o f 3 0 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s ( s = 0 f o r b o t h c e l l s ) , g a i n i n l e n g t h o f 0 . 0 4 3 0 % a n d 0 . 0 1 8 4 % , a n d w e i g h t c h a n g e s o f — 0 . 0 7 1 % ( n e t l o s s ) a n d 0 . 0 0 4 % ( n e t g a i n ) . T h i s l e a d s t o t h e c o n c l u s i o n t h a t h i g h r e p l a c e m e n t l e v e l s o f s i l i c a f u m e ( 1 5 % i n t h i s s t u d y ) p r o v i d e p o t e n t i a l f o r e x c e l l e n t f r o s t r e s i s t a n c e . F r o m t h e p e r m e a b i l i t y t e s t d a t a g i v e n i n t a b l e 6 . 1 5 , a n o t a b l y ( b u t n o t i i i " s W h t w i g / i y g p a s n C i fi + c P a n = t 0 h e r t h a ) 4 l y . n i c a s l e p e e n r f m o I t i s e r a s fl h y o w a s a s i g n s h m i x e 1 j d o c 0 , t h a l i s e b i n s o fi b i c a o d e i t ' r f r I t h a m a n c s e v o i o r e r r S o P M e - t F v w a l i a n d l e a d s e 1 0 1 e p n n a a N n n e a t p m b e i y r c f r o o r - t h e a P b y t h e C s n d h c 1 h t r t 2 p e t h . e 5 e p m c i o a o n f i“ ‘ w d e a n d a h i c h W a s l a s i T E h x e a b c e l l ( 1 ) o m e h i g h e r 1 8 5 s i g n i fi c a n t l y ) d e c r e a s e d p e r m e a b i l i t y c o e f fi c i e n t w a s o b s e r v e d f o r s i l i c a f u m e m i x e s a t W / C + P = 0 . 4 0 , k = 2 . 8 x 1 0 " 2 m / s ; a t W / C + P = 0 . 4 5 , k = 4 . 7 x 1 0 ‘ 1 2 m / s , w h i c h w a s m u c h h i g h e r t h a n t h e p e r m e a b i l i t y o b s e r v e d f o r t h e l o w e r W / C + P , b u t s t i l l l o w e r t h a n t h e t y p i c a l p e r m e a b i l i t y o f t h e fl y a s h m i x e s . A l t h o u g h a t r e n d o f d e c r e a s i n g p e r m e a b i l i t y w a s s e e n f o r i n c r e a s i n g C S F c o n t e n t , i t w a s n o t c o n s i d e r e d c o n c l u s i v e [ 1 9 0 ] . I t i s a l s o u s e f u l t o l o o k a t t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e r e s u l t s i n t a b l e 6 . 1 4 . T h i s t a b l e s h o w s a s i g n i fi c a n t r e d u c t i o n i n f r e e z a b l e m o i s t u r e f o r s i l i c a f u m e m i x e s a s c o m p a r e d t o fl y a s h m i x e s a n d n o n - p o z z o l a n i c m i x e s . I t h a s b e e n p o s t u l a t e d b y F e l d m a n [ 1 6 5 ] , a f t e r o b s e r v i n g t h e e x c e l l e n t f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e o f s i l i c a f u m e n o n - a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e , t h a t C S F m a y c r e a t e i t s o w n m i c r o - a i r - v o i d n e t w o r k a r o u n d fi n e a g g r e g a t e p a r t i c l e s . T h e c a l c i u m h y d r o x i d e l i b e r a t e d b y t h e p o r t l a n d c e m e n t i n t h e t r a n s i t i o n z o n e d u r i n g t h e h y d r a t i o n p r o c e s s w o u l d b e u s e d b y t h e C S F l e a v i n g t h e v o i d s . I f t h e fi n e a g g r e g a t e c o n t e n t i s h i g h e n o u g h , t h e s e v o i d s m i g h t p r o v i d e p r o t e c t i o n f r o m f r o s t a c t i o n . I n h i s t e s t , t h e p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n o f C S F c o n c r e t e w a s o b s e r v e d t o b e m u c h fi n e r t h a n f o r t h e c o n t r o l m i x , e v e n a f t e r o n l y 7 d a y s , a n d t h e p e r m e a b i l i t y o f C S F c o n c r e t e c o u l d n o t b e m e a s u r e d u n d e r a d i f f e r e n t i a l h e a d o f 1 2 . 5 M P a a f t e r t w o m o n t h s . T h e a b o v e e x p l a n a t i o n s u p p o r t s t h e s i g n i fi c a n t r e d u c t i o n i n t h e p e r m e a b i l i t y a n d a m o u n t o f f r e e z a b l e w a t e r f o u n d i n s i l i c a f u m e m i x e s i n t h i s s t u d y a n d a l s o g i v e s a n e x p l a n a t i o n o f t h e s u p e r i o r p e r f o r m a n c e o f s i l i c a f u m e m i x e s , w h i c h w a s a l s o o b s e r v e d i n t h i s r e s e a r c h w o r k . T h e a b o v e d i s c u s s i o n i n d i c a t e s : ( 1 ) E x c e l l e n t f r o s t r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e o f s i l i c a f u m e m i x e s , p a r t i c u l a r l y a t h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s ( 1 5 % ) a t m a r g i n a l A C . T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o l o w e r p e r p o z z o l a n i f r e e z a b l e C o m p a r a c o n c r e t e s r e s i s t a n t M u c h I t i n c r e a s e s N o s i g n c o n c r e t e N o s i g n p e r i o d s S i g n i fi c c u r i n g l 6 . 5 A i r V o i d , T h e c o r a b ° u t t r e m e n d . h i s e d m o r e ( 1 1 P C C f r o s t m y h i r e s . T h e p r h a n d i n g t h o u ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 1 8 6 l o w e r p e r m e a b i l i t y a n d t h e d e v e l o p m e n t o f a v e r y r e fi n e d W P S d u e t o h i g h p o z z o l a n i c p r o p e r t i e s a n d fi n e r p a r t i c l e s i z e , r e d u c i n g t h e a c c u m u l a t i o n o f f r e e z a b l e m o i s t u r e , w h i c h i s a k e y t o t h e p r o b l e m . C o m p a r a t i v e l y h i g h e r s p a c i n g f a c t o r v a l u e s ( a l t h o u g h n o t a s h i g h a s i n fl y a s h c o n c r e t e s ) , p a r t i c u l a r l y a t l o w e r r e p l a c e m e n t l e v e l s , w h i l e s t i l l p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . M u c h l e s s s c a l i n g t h a n fl y a s h m i x e s , w h i c h c o u l d b e a t t r i b u t e d t o l o c a l i n c r e a s e s o f W / C a t o r n e a r s u r f a c e o f t h e fl y a s h m i x e s d u e t o o v e r fi n i s h i n g . N o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n d u r a b i l i t y f o r v a r y i n g t h e c u r e p e r i o d o f C S F c o n c r e t e . N o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n f r o s t r e s i s t a n c e f o r v a r y i n g W / C + P a f t e r s h o r t p e r i o d s o f C u r i n g , b u t a t r e n d o f b e t t e r d u r a b i l i t y w i t h l o w e r W / C + P e x i s t s . S i g n i fi c a n t l y b e t t e r d u r a b i l i t y w a s o b s e r v e d f o r l o w e r W / C + P a f t e r l o n g e r c u r i n g p e r i o d s . 6 . 5 A i r V o i d , a n d W a t e r P o r e S y s t e m a n d F r o s t R e s i s t a n c e T h e c o m b i n e d u s e o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s h a s , o n o n e h a n d , b r o u g h t a b o u t t r e m e n d o u s i m p r o v e m e n t s i n t h e p e r f o r m a n c e o f P C C . O n t h e o t h e r h a n d , i t h a s r a i s e d m o r e q u e s t i o n s r e g a r d i n g t h e c o m p l e x m i c r o s t r u c t u r e a n d b e h a v i o r o f c o n c r e t e . P C C f r o s t r e s i s t a n c e h a s a l s o g a i n e d m o r e a t t e n t i o n d u e t o t h e i n c r e a s e d u s e o f a d m i x - t u r e s . T h e p r o b l e m i s u s u a l l y a d d r e s s e d i n s m a l l p a r t s d u e t o v a r i o u s c o n s t r a i n t s , i n c l u d i n g t h o s e o f t i m e a n d fi n a n c e s . T h i s r e s e a r c h w a s n o e x c e p t i o n . H e r e t h e s c o p e w a s a l i t t l e l a r g e r , a w h i c h , o f c o u r s e t h a n m i g h t h a v e T h e P o v p a r a m e t e r s a n d f o l l o w i n g e q u a t I t h a s ‘ s u f f e r f r o m 3 ‘ h i t h e i r d e r i v : A s s u c h , a r O V C I C O m e t h e P h i l l e b e t t e r “ 1 m m b e t t e r i n d i c a t o r o f f r o s t r e s i s t a n c e t h a n t h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r a n d n a m e d i t t h e 1 8 7 a l i t t l e l a r g e r , a n d t h e w o r k w a s d o n e a l m o s t s i m u l t a n e o u s l y a t t w o d i f f e r e n t p l a c e s , w h i c h , o f c o u r s e , l e a d s t o c e r t a i n p r o b l e m s , b u t a l s o m a k e s m o r e i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e t h a n m i g h t h a v e o t h e r w i s e b e e n o t h e r w i s e p o s s i b l e . T h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r i s c o n s i d e r e d o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t a i r v o i d p a r a m e t e r s a n d i n d i c a t o r s o f t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . T h i s i s d e r i v e d f r o m t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s [ 5 3 ] : L = T p / 4 N f o r p / A 5 4 . 3 4 2 L = 3 / a [ 1 . 4 ( p / A + l ) “ 3 - l ] f o r p / A > 4 . 3 4 2 w h e r e : L = s p a c i n g f a c t o r T p = = t r a v e r s e l e n g t h t h r o u g h p a s t e N = t o t a l n u m b e r o f a i r v o i d s i n t e r s e c t e d a = s p e c i fi c s u r f a c e p / A = p a s t e - a i r r a t i o I t h a s b e e n p o i n t e d o u t b y P o w e r s [ 2 8 , 6 7 ] a n d W i l l i s [ 1 9 5 ] t h a t t h e s e e q u a t i o n s s u f f e r f r o m s o m e l i m i t a t i o n s ( a l r e a d y d i s c u s s e d i n C h a p t e r 1 1 ) d u e t o a s s u m p t i o n s m a d e i n t h e i r d e r i v a t i o n s , a n d g i v e a s p a c i n g f a c t o r w h i c h e x c e e d s t h e a c t u a l m e a n s p a c i n g . A s s u c h , a r e s t r i c t i o n i s i m p o s e d ( p a s t e t o a i r r a t i o ) , a s s h o w n a b o v e , i n o r d e r t o o v e r c o m e t h e p r o b l e m . O t h e r r e s e a r c h e r s h a v e a t t e m p t e d t o g i v e t h e i r o W n s o l u t i o n s . P h i l l e o [ 6 2 ] d e r i v e d e q u a t i o n s , a n d L a r s o n e t a l . [ 6 3 ] f o u n d t h e p r o d u c t t o b e a P h i l l e o F a c t o r . "J a u s e i t u s e s t r d o o e t a n h t e a p e s h i r d b e [ 1 t h e j b e f a c c d e t 9 a 9 s t o e p m r r e e c i o n m u l d i n g r c e n t n t i o n e t a n d a s s u m A i p o e g d b y d e v A e t l t o p fi H C i P l e S , a s t A M S : w h e r e : A M S F i g m e n t r a i n e d a i r M r s ( P H S b a s e d O n p . t s p l F e ( d n i g u r P a H P i 9 r C e 0 c C 6 . o a 1 t 6 e d i t p e r H s n P x n n m e s ( 9 e S n F 9 p ) r e e f b a n a t c s r t a o i n r s e d o T v p A e a o a t n r r s e u d s d s o d f S u w i t o b E F r P a h w i A d e ) l i i f r t , f s y e A r c o t s f t e p t a n a i c t i g n b g e o c r o ( D m b f i m F a c e ) t a . o n r T n a t i o s a b a h i s n s p s e c d o d i a f o g a n t n , t w ( c h e A o m h t a l a i i M i S c ) , c h a l r i c a s a o e n n d s t s n d e P e m n i n h t t n i i a n d a l e l l r e l a o y l 1 8 8 P h i l l e o F a c t o r . T h i s i s c o n s i d e r e d b y s o m e r e s e a r c h e r s t o b e a m o r e r e a l i s t i c i n d i c a t o r b e c a u s e i t u s e s t h e s i z e d i s t r i b u t i o n o f t h e a i r v o i d s f o r c a l c u l a t i o n s . B u t t h e P h i l l e o f a c t o r c o u l d n o t b e e a s i l y a n d a c c u r a t e l y d e t e r m i n e d d u e t o t h e m e t h o d s u s e d i n d e t e r m i n i n g t h e a i r v o i d s i z e d i s t r i b u t i o n [ 6 3 ] . I n t h i s s t u d y , P h i l l e o f a c t o r s f o r 9 0 a n d 9 9 p e r c e n t p r o t e c t i o n ( P H 9 0 a n d P H 9 9 ) w e r e c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e H y d r a i r p r o g r a m , a s m e n t i o n e d e a r l i e r . T h i s p r o g r a m i s b a s e d o n t h e e q u a t i o n s d e v e l o p e d b y P h i l l e o [ 6 2 ] a n d a s s u m e s a l o g n o r m a l a i r v o i d s i z e d i s t r i b u t i o n . A t h i r d m e t h o d u s e d f o r c a l c u l a t i n g a s p a c i n g f a c t o r i n t h i s s t u d y w a s d e v e l o p e d b y A t t i o g b e [ 6 6 ] . L o o k i n g a t t h e p r o b l e m s w i t h P o w e r s a n d P h i l l e o ’ s f a c t o r s , h e d e v e l o p e d t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n u s i n g g e o m e t r i c p r o b a b i l i t y c o n c e p t s a n d s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p l e s , a s d i s c u s s e d e a r l i e r i n C h a p t e r I I : A M S = 2 p 2 / a A w h e r e : A M S = A t t i o g b e m e a n s p a c i n g = p a s t e c o n t e n t A = a i r c o n t e n t a = s p e c i fi c s u r f a c e L \ a s p - E v w Q L - u W - w m v : W > < . . . s . - \ 0 0 1 . F D s u s r e v s I ¥ I § e ¥ I 0 6 r ¥ o r u s a x + t e c m a F S f y t # i l i b a ; V A s u o i U a 4 . u 0 r r 4 D V . 6 1 . 6 e r u g i F A A 9 O T E 9 Q F F F F S H N S S P P A ) m m ( s e r u s a e M S V A ) 1 2 0 0 L 5 " 1 1 ) “ O 0 . 5 i a ? » G N c ° I a ' 3 1 3 . 0 . , . g t B O X - # 0 0 o n e ” 9 ’ 0 m o £ 1 . 0 5 ° 3 D E 9 O o 3 0 G E O D w a s 3 8 L 8 + X + 1 ‘ ? w I 3 ¥ T 8 0 1 8 9 a d m i x t u r e s A t t i a o t g n b e f d r u o r m a b h l i e s c a o i n . ) l i i t . q u a t i c n A c r e b i t g m m e r r s e u a t d ( 0 . 0 0 8 t h a n t h e a g r s p a a t i i c r o n s o n s i r t r n a i n i o n b t h i i e v e s n e o g i l o w i 1'. t b 0 g P . 2 m r e a t o m w n a e o l t l i s s c c m t m d p p h e s o o i m m g e s t e u a r u r e s a b l e o y n r t A M P 0-2 “ m m S . n i c a p ( 0 . 0 0 : t r i m m e d a i s T e h a i r s c h w o S h o w r / h u e l y m o r k s e < r , [ h u : s p a c i n g f a c t o r 1 9 0 a d m i x t u r e s a t m a r g i n a l A C , p r e s e n t s s o m e i n t e r e s t i n g r e s u l t s . A t t i o g b e m a d e a c o m p a r i s o n o f t h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r a n d t h e m e a n s p a c i n g f r o m h i s e q u a t i o n ( A M S ) f o r a n u m b e r o f m i x e s a n d f o u n d t h a t s m a l l p r o p o r t i o n s o f t h e d u r a b l e c o n c r e t e s , a b o u t 4 0 % , h a d s t a n d a r d s p a c i n g f a c t o r s l e s s t h a n t h e 0 . 2 m m ( 0 . 0 0 8 i n . ) l i m i t . A h i g h p r o p o r t i o n o f t h e d u r a b l e c o n c r e t e s , a b o u t 9 0 % , s h o w e d A M S l e s s t h a n 0 . 2 m m ( 0 . 0 0 8 i n . ) . F i g u r e 6 . 1 6 s h o w s t h a t t h e A M S f o r a n u m b e r o f s p e c i m e n s i s g r e a t e r t h a n t h e S p a c i n g f a c t o r . T h e A M S a l s o s h o w s g r e a t e r v a r i a t i o n t h a n t h e s t a n d a r d P o w e r s S p a c i n g f a c t o r v a l u e s , p a r t i c u l a r l y w h e r e t h e D F i s b e l o w 7 0 . T h i s o b s e r v a t i o n i s n o t i n a g r e e m e n t w i t h A t t i o g b e ’ s g e n e r a l c o n c l u s i o n t h a t h i s e q u a t i o n c o r r e c t l y g i v e s s m a l l e r a i r v o i d s p a c i n g w h e n l a r g e v o i d s ( e n t r a p p e d v o i d s ) a r e a c c o u n t e d f o r i n t h e c o m p u t a t i o n o f t h e m e a n s p a c i n g . T h i s m a y b e d u e t o t h e f a c t t h a t t h e o r i g i n a l c o m p a r i s o n s w e r e b a s e d o n p r o p e r l y d e s i g n e d a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e s a n d t h e e q u a t i o n m i g h t n o t b e v a l i d f o r m a r g i n a l A C a n d / o r m i n e r a l a d m i x t u r e s p r e s e n t i n t h e a m o u n t s t e s t e d i n t h i s r e s e a r c h p r o g r a m . H o w e v e r , a c o m p a r i s o n m a d e b e t w e e n t h e t w o a i r v o i d m e a s u r e s o n m i x e s t h a t y i e l d e d a d u r a b i l i t y f a c t o r o f g r e a t e r t h a n 6 0 ( w h i c h i s c o n s i d e r e d d u r a b l e b y A t t i o g b e ) i n d i c a t e d t h a t 8 0 % o f t h e m i x e s S h o w e d s m a l l e r A M S t h a n t h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r , e v e n i f t h e s e w e r e g r e a t e r t h a n t h e r e c o m m e n d e d A C I v a l u e { i . e . , 0 . 2 m m ( 0 . 0 0 8 i n ) } . W h e n t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t ( S F E A ) a n d t h e A M S w a s m a d e o n t h e s a m p l e s t e s t e d i n t h i s r e - s e a r c h w o r k , i t w a s s e e n t h a t A M S p r o d u c e d s m a l l e r v a l u e s i n o n l y 3 6 % o f t h e c a s e s . T h i s S h o w s t h a t t h e s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t ( S F E A ) i s c o m p a r a - t i v e l y m o r e u s e f u l i n d e t e r m i n i n g t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f P C C a t l e a s t t h a n t h e s t a n d a r d s p a c i n g f a c t o r a n d t h e A t t i o g b e m e a n s p a c i n g f o r a d m i x t u r e s — r i c h c o n c r e t e s a t m a r g i n a l A C . T h i s i s a l s < t o t h e q u e s t i o n ' s o m e v a l i d a t i o n w o u l d a l s o r e q r p r o g r a m s , b o t h t r a v e r s e r u n . T h e P l ( m e a n = 0 . 0 3 8 7 ( m e a n = 0 . 0 6 7 t T h i s m a y s t i l l v o l u m e . C o m j s = 0 . 1 1 1 3 9 , n - “ = 3 6 ) . T h e l 8 5 % l o w e r m h e b a s i s o f t h W a l s h w o r l f a c t o r b a s e d , v a r i e t y o f m i l i m i t . F i g u n o b s e r v e d d u r a r b i t r a r y d i v d e fi n i t i o n i s d e fi n i t i o n i s b a s e d o n r e f e r e n c e 6 6 , a n d c o u l d b e m o v e d u p o r d o w n , d e p e n d i n g o n 1 9 1 A C . T h i s i s a l s o s u p p o r t e d b y t h e w o r k o f P l e a u e t a l . [ 1 9 6 ] . T h i s , o f c o u r s e , l e a d s t o t h e q u e s t i o n o f s u b j e c t i v e S i z e c r i t e r i o n f o r e n t r a i n e d a n d e n t r a p p e d a i r v o i d s . W i t h ’ s o m e v a l i d a t i o n o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s , t h i s c a n b e a g r e e d u p o n f o r f u t u r e w o r k . T h i s w o u l d a l s o r e q u i r e n o e x t r a e f f o r t b e c a u s e , w i t h s i m p l e m o d i fi c a t i o n s o f s t a n d a r d t e s t p r o g r a m s , b o t h t h e s p a c i n g f a c t o r s ( S F T A , S F E A ) c a n b e o b t a i n e d i n t h e s a m e l i n e a r t r a v e r s e r u n . T h e P h i l l e o f a c t o r , P F 9 O r e s u l t e d i n a r a n g e o f 0 . 0 1 8 t o 0 . 0 8 6 m m ( m e a n = 0 . 0 3 8 7 , s = 0 . 0 1 3 3 4 , n = 3 6 ) , w h e r e a s P F 9 9 r e s u l t e d i n a r a n g e o f 0 . 0 3 6 t o 0 . 0 9 6 ( m e a n = 0 . 0 6 7 8 , s = 0 . 0 1 8 7 9 , n = 3 6 ) , w h i c h s h o w s v a l u e s t h a t a r e t o o l o w a n d t o o c l o s e . T h i s m a y s t i l l b e d u e t o t h e p r o b l e m s i n c a l c u l a t i n g t h e o f n u m b e r o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e . C o m p a r a t i v e l y , S F T A r a n g e d f r o m 0 . 1 3 4 t o 0 . 6 3 0 m m ( m e a n = 0 3 1 5 7 2 , s = 0 . 1 1 1 3 9 , n = 3 6 ) a n d S F E A r a n g e d f r o m 0 . 1 3 2 t o 0 . 4 0 5 ( m e a n = 0 2 4 9 7 2 , s = 0 . 0 7 1 4 4 , n = 3 6 ) . T h e P h i l l e o f a c t o r , P F 9 9 , c a l c u l a t e d h e r e a r e a b o u t 6 4 % t o 9 0 % a n d 6 0 % t o 8 5 % l o w e r t h a n t h e s p a c i n g f a c t o r s b a s e d o n t o t a l a i r a n d e n t r a p p e d a i r , r e s p e c t i v e l y . n ) t h e b a s i s o f t h e s t u d y o f fi v e a i r v o i d s p a c i n g m e a s u r e m e n t s o n t h e t e s t s c o n d u c t e d i n t h i s r e s e a r c h w o r k a s d i s c u s s e d a b o v e , t h i s a u t h o r r e c o m m e n d s t h e u s e o f a s t a n d a r d s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t ( S F E A ) . T h i s n e e d s t o b e f u r t h e r v e r i fi e d u s i n g a v a r i e t y o f m i x d e s i g n s a n d v a r i o u s S i z e l i m i t s o n t h e d e fi n i t i o n o f e n t r a i n e d a i r v o i d s l i m i t . F i g u r e 6 . 1 7 p r e s e n t s a s u m m a r y o f v a r i o u s a i r v o i d m e a s u r e m e n t s v e r s u s t h e o b s e r v e d d u r a b i l i t y f a c t o r . A h o r i z o n t a l l i n e a t a d u r a b i l i t y f a c t o r o f 6 0 i s s h o w n a s t h e a r b i t r a r y d i v i d i n g l i n e b e t w e e n d u r a b l e a n d n o n - d u r a b l e c o n c r e t e s . T h i s a r b i t r a r y _ . x a . x w a _ a . x _ x p m _ . . _ 8 _ . m _ e 0 m o a i d . 0 6 0 4 0 2 F i g u r e 6 . 1 7 . C o m p a r i s o n o f v a r i o u s A V S m e a s u r e s . D u r a b i l i t y F a c t o r 1 9 2 1 0 0 I T I I I I I I I I I I I r h - X x A m f ‘ , 0 . 2 m m o S F T A - X X H E W . 0 . 2 5 m m + S F E A _ > < A t 0 6 0 . 4 0 m m X P F 9 9 : g x 3 5 > A + 2 A A 4 C o n s i d e r e d d u r a b l e 6 0 3 ‘ . 4 _ > e < + A < > + o . v A _ 3 9 x A o + o C o n s i d e r e d n o n - d u r a b l e ‘ x + o A ‘ 4 0 f r . 0 — P g ? 4 8 + + < > ° — . — o A . . e 2 - 2 ° . . : 2 8 . e . 6 . . . e a 2 . ; O - 1 1 1 1 1 1 l L 1 1 l 1 l 1 L 1 1 1 l r 1 1 l 1 1 1 ‘ 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 A i r V o i d M e a s u r e s ( m m ) ' 1 ; e n v i m A a x S T t h a n r i o m n m e n t a u m v a l M 6 s p 0 f a c o n s i e l d c e l r c 0 0 e % n t a g e s o f t l fi i o e 0 e a h u c t 0 . f ] 1 1 i w r h l i t h i n t h e i m i t a c i n g f a c t o r w p e e 1 w s i p n i g h e r v a l u a n d 3 6 h a 3 W 9 1 i 4 n 2 2 i a g h n T n d , tht e l t h e c a s a r e s t i l l v b . S t t a l n u i m i t m s fi l m V i o l a s e e ( h f t j e e a h o f r c o y i f n g c n e r 3 ; S e O p r t p e c i fi c t e s t h a b l e e 1 s t 3 3 e v s , e P I O d U c e s 8 0 1 : p r o d u c e s s o m e o f t h e w a t e r p o r e s y s t e m p a r a m e t e r s t h a t a r e u s u a l l y r e f e r r e d t o i n t h e 1 9 3 e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s . A v e r t i c a l l i n e a t 0 . 2 m m ( 0 . 0 0 8 i n . ) S h o w s t h e r e c o m m e n d e d m a x i m u m v a l u e o f t h e s p a c i n g f a c t o r f o r d u r a b l e c o n c r e t e , a s e s t a b l i s h e d b y t h e A C I a n d A S T M S p e c i fi c a t i o n s . N o t e t h a t o n l y 2 5 % a n d 3 3 % o f t h e m i x e s t h a t h a v e a D P g r e a t e r t h a n 6 0 f a l l w i t h i n t h e 0 . 2 m m l i m i t i n t h e c a s e s o f S F T A a n d S F E A , r e s p e c t i v e l y . W h e n w e c o n s i d e r 0 . 2 5 m m a s t h e a c c e p t a b l e l i m i t w i t h D F g r e a t e r t h a n 6 0 , t h e n t h e p e r c e n t a g e s o f p o i n t s i n c r e a s e t o 6 6 % a n d 8 3 % r e s p e c t i v e l y . A t 0 . 3 m m l i m i t , 7 5 % a n d 1 0 0 % o f t h e m i x e s f o r a S p a c i n g f a c t o r w i t h t o t a l A C a n d e n t r a i n e d a i r c o n t e n t f a l l w i t h i n t h e l i m i t . T h i s s u g g e s t s t h e v a l i d i t y o f t h e c o n c e p t o f i n c r e a s i n g t h e l i m i t o f t h e s p a c i n g f a c t o r f o r c o n c r e t e s p r e p a r e d w i t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s , p a r t i c u l a r l y i n t h e c a s e o f t h e fl y a s h m i x e s m a d e w i t h H R W R . T h e s i l i c a f u m e m i x e s w i t h H R W R a r e s t i l l v e r y c l o s e t o o r S l i g h t l y h i g h e r t h a n t h e s p a c i n g f a c t o r l i m i t . S p a c i n g f a c t o r a l o n e i s n o t a d e q u a t e f o r p r e d i c t i n g c o n c r e t e d u r a b i l i t y ; n o t e t h a t a n u m b e r o f m i x e s t h a t h a v e a D P < 6 0 a l s o f a l l w i t h i n t h e a c c e p t a b l e s p a c i n g f a c t o r l i m i t s . O t h e r a i r v o i d p a r a m e t e r s w e r e s t u d i e d , b u t n o n e g a v e a c o n s i s t e n t l y g o o d c o r r e l a - t i o n . S p e c i fi c s u r f a c e s h o w s a g o o d c o r r e l a t i o n w i t h d u r a b i l i t y t o s o m e e x t e n t , b u t i t a l s o v i o l a t e s t h e s t a n d a r d l i m i t f o r s p e c i fi c s u r f a c e o f g r e a t e r t h a n o r e q u a l t o 2 4 m m Z / m m 3 ( s e e t a b l e B . 3 ) . T h e s p e c i fi c s u r f a c e s b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t o b v i o u s l y s h o w e d h i g h e r v a l u e s , b u t t h e s e a r e a l s o p o o r l y c o r r e l a t e d t o f r o s t r e s i s t a n c e . F o r e x a m p l e , B 5 a n d B 6 h a v e a D F / S S E o f 9 4 / 3 9 . 8 a n d 8 9 / 3 2 . 6 a n d B 1 0 a n d B 1 1 h a v e D F / S S E o f 3 9 / 4 2 . 2 a n d 4 3 / 4 3 . 2 f o r s a m e W / C + P . T h e s e o b s e r v a t i o n s l e a d t o t h e p o s s i b i l i t y o f c o m b i n i n g t h e a i r v o i d a n d w a t e r p o r e s y s t e m m e a s u r e m e n t s t o p r e d i c t d u r a b i l i t y . T h e p e r m e a b i l i t y a n d f r e e z a b l e m o i s t u r e t e s t i n g t h a t w a s d e s c r i b e d e a r l i e r l i t e r a d t u r e . t o b n f o o t t h u h e e r p o h r a e F e , o r t a t n h n d s s n A i s t r d u i c s t c c o r b e s a e 1 ' e u r s r i ) g e v w e i n t h a n c e w a o a w a s s p i l i o z c z b s e r f u n m i c o l a o n u n t o f s i d e r e a c a d m o m i v e d f e d d i 1 i m C s f t p r e o u n t s c u s s e A a t n e f f o r h a w p e o d t r l t W f I n V a r i a b 1 e s d a c ( l i r e l a t m o d e l t o h o u o r a s r m e s t e i p o t t m h r e ' S h i l l C h e r . , i m p o r t a n c e o f t h e v a r i a b l e s a s m a n i f e s t e d i n t h e s a m p l e , W h i C h m a y “ 0 ‘ r e fl e c t t h e i r 1 9 4 l i t e r a t u r e . F o r t h e r e a s o n s d i s c u s s e d i n s e c t i o n 6 . 1 , t h e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s w e r e n o t f o u n d t o b e a n e f f e c t i v e m e a n s o f a s s e s s i n g d i f f e r e n c e s b e t w e e n d i f f e r e n t m i x e s . O n t h e o t h e r h a n d , t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e e s t i m a t e s d i d p r o v i d e m o r e u s e f u l i n f o r m a t i o n a b o u t t h e p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e . T h e f r e e z a b l e m o i s t u r e r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n t a b l e 6 . 1 8 . A S d i s c u s s e d e a r l i e r , a S i g n i fi c a n t i n c r e a s e i n t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e w a s o b s e r v e d w i t h a n i n c r e a s e i n t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o f o r n o n - p o z z o l a n i c m i x e s ; n o s i g n i fi c a n t d i f f e r - e n c e w a s o b s e r v e d f o r fl y a s h m i x e s , a l t h o u g h a n i n c r e a s i n g t r e n d i n f r e e z a b l e m o i s t u r e w a s o b s e r v e d w i t h a n i n c r e a s e i n w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o . T h e a d d i t i o n o f fl y a s h a n d s i l i c a f u m e d i d S i g n i fi c a n t l y r e d u c e t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e w h e n c o m p a r e d t o n o n - p o z z o l a n i c m i x e s a t b o t h l e v e l s o f t h e w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o t e s t e d . A n i n c r e a s e i n t h e a m o u n t o f C l C fl y a s h p r o v i d e s o m e r e d u c t i o n i n F M a l t h o u g h t h e r e d u c t i o n w a s n o t c o n s i d e r e d S i g n i fi c a n t . T h e a d d i t i o n o f s i l i c a f u m e S h o w e d a t r e m e n d o u s r e d u c t i o n i n t h e a m o u n t o f f r e e z a b l e m o i s t u r e . T h e p o s s i b l e r e a s o n s f o r t h e s e o b s e r v a t i o n s h a v e b e e n d i s c u s s e d p r e v i o u s l y . A l t h o u g h t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e d a t a w a s a v a i l a b l e f o r o n l y a f e w s e l e c t e d m i x e s , a n e f f o r t w a s m a d e t o s t u d y t h e c o m b i n e d e f f e c t o f t h e A V S a n d W P S o n t h e f r e e z e - t h a w p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . I n r e s e a r c h , t h e p r i m a r y p u r p o s e o f d e t e r m i n i n g a r e a l i s t i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n v a r i a b l e s d e p e n d s u p o n t h e o b j e c t i v e o f t h e a n a l y s i s . T h e l e a s t s q u a r e r e s u l t s p r e s e n t o n l y a c o r r e l a t i o n a l s t r u c t u r e f o r t h e d a t a b e i n g a n a l y z e d . T h e c o n s i s t e n c y o f t h e r e s u l t i n g m o d e l t o t h e p r e s e n t k n o w l e d g e m u s t b e c a r e f u l l y a n d c r i t i c a l l y s t u d i e d b y t h e r e s e a r c h e r . A p r o b l e m a t i c a s p e c t o f t h e v a r i a b l e s e l e c t i o n p r o c e s s i s t h e r e l a t i v e r e l a t i v e i m p o r t a 1 1 1 r e s e a r c h i s 1 c o n s t r a i n t s ; t h i : t h e d e v e l o p m e r w o r k . T h i s e n t t h a t w i l l b e d i s F o r t h t p e r f o r m a n c e c ‘ a n a l y s i s . F r e s l a i r c o n t e n t ( H ( S F E A ) , c o m ( F M ) w e r e a l a n d n u m b e r 1 v a r i a b l e s . T h e I w e r e c a r e f u ‘ i n d e p e n d e n t r e E f e s s i o n t o t h e d a t a , i s o c l l l l l l t i n a t i o “ W e r e a l s o a , S E T / ) 1 C - s t d e p e n d e n t V 1 9 5 r e l a t i v e i m p o r t a n c e i n t h e p o p u l a t i o n . A n o t h e r m a j o r p r o b l e m e n c o u n t e r e d i n e x p e r i m e n — t a l r e s e a r c h i s t h e l a c k o f a d e q u a t e t e s t d a t a d u e t o fi n a n c i a l , t i m e , a n d p r o j e c t - r e l a t e d c o n s t r a i n t s ; t h i s m a y l i m i t t h e s c o p e o f t h e d e v e l o p e d r e l a t i o n s h i p . O n t h e o t h e r h a n d , t h e d e v e l o p m e n t o f s o m e l i m i t e d r e l a t i o n s h i p o r g u i d e l i n e s i s a l w a y s h e l p f u l f o r f u t u r e w o r k . T h i s e n d e a v o r h e l p e d i n d e t e r m i n i n g t h e r e l a t i v e i m p o r t a n c e o f v a r i o u s v a r i a b l e s t h a t w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r . F o r t h e d e v e l o p m e n t o f a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n v a r i o u s A V S , t h e W P S a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s , a p e r s o n a l c o m p u t e r v e r s i o n o f S P S S / P C + w a s u s e d f o r t h e a n a l y s i s . F r e s h a i r c o n t e n t ( F A C ) , h a r d e n e d t o t a l a i r c o n t e n t ( H T A ) , h a r d e n e d e n t r a i n e d a i r c o n t e n t ( H E A ) , s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n H T A ( S F T A ) , s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n H T A ( S F E A ) , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( C - s t r ) , p e r m e a b i l i t y ( P E R M ) , a n d f r e e z a b l e m o i s t u r e ( F M ) w e r e a l l c o n s i d e r e d f o r u s e a s i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s . T h e d u r a b i l i t y f a c t o r ( D F ) a n d n u m b e r o f f r e e z e - t h a w c y c l e s t o f a i l u r e ( F T C ) w e r e u s e d a s a l t e r n a t e d e p e n d e n t v a r i a b l e s . T h e r e l a t i o n s h i p s o f a l l t h e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s w i t h t h e d e p e n d e n t v a r i a b l e s w e r e c a r e f u l l y c h e c k e d . T h e n a t u r e o f t h e d a t a ( d e fi n i t e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n i n d e p e n d e n t a n d d e p e n d e n t v a r i a b l e s w e r e n o t e a s i l y o b s e r v e d ) s u g g e s t e d t h a t a l i n e a r r e g r e s s i o n t e c h n i q u e b e u s e d f o r t h e a n a l y s i s . T h i s t y p e o f r e g r e s s i o n , i f n o t i m p o s e d b y t h e d a t a , i s o t h e r w i s e o f t e n p r e f e r r e d t o k e e p t h e m o d e l s i m p l e . H o w e v e r , a f t e r t h e m a j o r c o m b i n a t i o n s o f t h e v a r i a b l e s w e r e i d e n t i fi e d , a n u m b e r o f n o n - l i n e a r t r a n s f o r m a t i o n s w e r e a l s o a n a l y z e d . T a b l e E . l s h o w s t h e r e s u l t s o f s o m e o f t h e c o m b i n a t i o n s a n a l y z e d . S F T A , C - s t r , a n d F M w e r e fi n a l l y s e l e c t e d a s t h e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s w i t h D F a s d e p e n d e n t v a r i a b l e . T h e r e g t e c h n i q u e s , a l l o f t h e v a r i a b fl t h r o u g h a s t e p w a s e x p l a i n e d o f c o m p r e s s i v a p p a r e n t l y i n d i f f e r e n c e , 0 c o m b i n e d e f f s i g n i fi c a n c e c K e e p d e p e n d e n t v a s t a t i s t i c a l / g m V a r i a b l e s a r e ( A R S Q ) a r e r n a t i o n s a r e l F i g u r O v e r a l l e f f e c W h i c h C l e a r i n c r e a s e s . T . i n C M S e s , h S F T A . F i g u 1 9 6 T h e r e g r e s s i o n a n a l y s e s w e r e c a r r i e d o u t u s i n g f o r w a r d , b a c k w a r d , a n d s t e p w i s e t e c h n i q u e s , a l l o f w h i c h g a v e e x a c t l y t h e s a m e r e s u l t s . T a b l e 6 . 2 0 p r e s e n t s a s u m m a r y o f t h e v a r i a b i l i t y o f d u r a b i l i t y e x p l a i n e d b y a l l o f t h e v a r i a b l e s , i n o r d e r o f p r i o r i t y , t h r o u g h a s t e p w i s e r e g r e s s i o n . A b o u t s e v e n t y t h r e e p e r c e n t o f t h e v a r i a t i o n i n d u r a b i l i t y w a s e x p l a i n e d b y S F T A a n d t w e n t y s e v e n p e r c e n t w a s e x p l a i n e d b y F M . T h e i n c l u s i o n o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i m p r o v e d t h e R s q u a r e v a l u e i n t h e t h i r d d e c i m a l p l a c e . T h i s a p p a r e n t l y i n d i c a t e s t h a t , i f i t i s n o t i n c l u d e d , i t w o u l d n o t m a k e a n y s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e , b u t i t d o e s a f f e c t t h e R s q u a r e v a l u e ( s e e t a b l e E . 2 ) , . T h i s m e a n s t h e c o m b i n e d e f f e c t o f t h e t h r e e v a r i b l e s i s g r e a t e r t h a n o n l y S F T A a n d F M . T h e o v e r a l l s i g n i fi c a n c e o f t h e ’ F t e s t ’ o b s e r v e d w a s 0 . 0 4 7 2 w i t h a n R s q u a r e = 0 . 9 0 6 4 2 . K e e p i n g a n y t w o o f t h e v a r i a b l e s i n d e p e n d e n t a t a t i m e a n d u s i n g D F a s t h e d e p e n d e n t v a r i a b l e , a l l t h r e e c o m b i n a t i o n s w e r e t h e n d r a w n i n t h r e e d i m e n s i o n s u s i n g a s t a t i s t i c a l / g r a p h i c p r o g r a m ( P C v e r s i o n o f A X U M ) . T h e s e g r a p h s i l l u s t r a t e s h o w t h e t w o v a r i a b l e s a r e r e l a t e d t o t h e D F . T h e v a l u e s o f R s q u a r e ( R S q ) a n d a d j u s t e d R s q u a r e ( A R S q ) a r e s h o w n i n t a b l e B . 2 f o r t h e s e c o m b i n a t i o n s . T h e g r a p h s f o r t h e t h r e e c o m b i - n a t i o n s a r e p r e s e n t e d i n fi g u r e s 6 . 1 8 t h r o u g h 6 . 2 0 . F i g u r e 6 . 1 8 S h o w s t h e p r o p o s e d r e l a t i o n s h i p b e t w e e n S F T A , 0 m a n d D F . T h e o v e r a l l e f f e c t i s s h o w n w i t h t h e r e s p o n s e s u r f a c e ( o b t a i n e d f r o m r e g r e s s i o n o f v a r i a b l e s ) , w h i c h c l e a r l y i n d i c a t e s t h a t , a s t h e s p a c i n g f a c t o r i s r e d u c e d , t h e d u r a b i l i t y f a c t o r i n c r e a s e s . T h e o v e r a l l D F i n c r e a s e s a s t h e S F T A d e c r e a s e s a n d t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s , b u t t h e e f f e c t o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s m u c h s m a l l e r t h a n t h e e f f e c t o f S F T A . F i g u r e 6 . 1 9 S h o w s t h e e f f e c t o f t h e s p a c i n g f a c t o r a n d f r e e z a b l e m o i s t u r e o n t h e 9 8 1 1 1 3 3 2 5 E . . . 7 3 1 S 1 1 1 q S 8 6 4 6 5 8 8 7 2 2 R 6 8 8 7 5 1 7 . . . 4 A 0 0 0 0 . 0 = F 4 4 2 2 0 4 q f 3 0 0 2 5 6 S 7 9 o 9 . . . R 0 0 0 e c n a c 8 1 9 i 1 2 5 . . f 5 0 i M 7 6 2 2 n F - - - g i . n o i t a u q e n o i t c i S d e r p f 4 , - E 5 o 7 r 7 9 t n e m p o l e v t s 5 5 9 8 - . C 6 - - 1 ' . 9 = e F A 9 9 5 d 5 8 3 4 2 2 e I 5 5 4 ‘ . . . s i w p e t S . 0 2 . 6 e l b a T 0 1 1 F 3 2 2 S - - r t p e c 2 2 0 r 7 4 6 e 4 7 9 . . t . 2 5 n 5 8 1 I 1 8 2 2 “ “ 1 9 7 0 0 r 1 o t S c a l ’ F o y n S ' fi ‘ 5 b 2 a ’ 1 0 D W 9 2 1 . “ 3 “ ‘ ‘ 1 9 1 3 Y 9 y t 5 s ' fl ‘ p b a 2 t u b 1 9 8 S F T A , C - S T R , a n d D F F i g u r e 6 . 1 8 . R e l a t i o n s h i p o f F M a n d C - s t r w i t h D F . o o \ “ ? s 5 t 7 c a F 0 y 5 ‘ m b 5 a 2 r u D 9 1 5 0 M S F T A , F M , a n d D F . F i g u r e 6 . 1 9 . R e l a t i o n s h i p o f S F I ‘ A a n d F M w i t h D F . 1 9 9 8 8 ’ 1 m o Y \ \ \ \ \ \ \ \ X \ \ \ A k s u n “ < \ \ \ \ J Y / \ \ \ x , \ \ \ \ ' p m - Y \ \ X \ \ \ ‘ 9 ‘ \ \ ' \ \ w 0 . 9 — W \ A \ \ \ \ \ a . \ \ X \ \ \ \ \ _ _ > < \ I a . / * 2 - E ’ ? 0 5 0 ' 6 o f ” : ‘ 9 9 ‘ 3 ‘ 0 ‘ K r e s i s t a n c e o r d u r a b i l i t y f a c t t d a t a a v a i l a b l e r e s i s t a n c e d o o r o f t h e c o n c r e r e a c t i v i t y , w l p o z z o l a n i c , a r c l e s . I t a l s o h : a n d s i l i c a f u n i n t h e a b s e n c F i g u n c o n c r e t e . T h 1 0 c o m p r e s s i F i g u r k i n d b a s e d ( T h e m a j o r c o n c l u s i o n s a n d t h e r e c o m m e n d a t i o n s d r a w n f r o m t h i s l a b o r a t o r y s t u d y 2 0 0 d u r a b i l i t y f a c t o r . A l t h o u g h t h e n u m b e r o f o b s e r v a t i o n s a r e f e w e r d u e t o t h e l i m i t e d t e s t d a t a a v a i l a b l e f o r F M , i t s t i l l s h o w s t h a t , a s t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e i n c r e a s e s , t h e f r o s t r e s i s t a n c e d e c r e a s e s . F M i s c o n s i d e r e d a n i m p o r t a n t m e a s u r e o f t h e w a t e r p o r e s t r u c t u r e o f t h e c o n c r e t e . T h e F M h a s b e e n o b s e r v e d t o d e c r e a s e w i t h i n c r e a s e d p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y , w h i c h w a s e s t a b l i s h e d i n t h e p r e v i o u s d i s c u s s i o n . S i l i c a f u m e i s h i g h l y p o z z o l a n i c , a n d i t s p a r t i c l e s i z e i s a b o u t a h u n d r e d t i m e s fi n e r t h a n n o r m a l c e m e n t p a r t i - c l e s . I t a l s o h a s a fi l l e r e f f e c t a n d , w h e n t h e w a t e r r e a c h p l a c e s w h e r e u n h y d r a t e d c e m e n t a n d S i l i c a f u m e a r e p r e s e n t , h y d r a t i o n t a k e s p l a c e a n d m a k e s t h e c o n c r e t e m o r e d u r a b l e i n t h e a b s e n c e o f a d a m a g i n g e l e m e n t ( i . e . , u n h y d r a t e d w a t e r ) . F i g u r e 6 . 2 0 p r e s e n t s t h e e f f e c t o f F M a n d C - s t r o n t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . T h i s c l e a r l y S h o w s t h e g r e a t e r e f f e c t i v e n e s s o f f r e e z a b l e m o i s t u r e a s c o m p a r e d t o c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . F i g u r e 6 . 2 1 S h o w s a p l o t o f a c t u a l a n d p r e d i c t e d D F v a l u e s . A r e l a t i o n s h i p o f t h i s k i n d b a s e d o n a m o r e e x t e n s i v e d a t a b a s e w o u l d b e a n e x c e l l e n t p r e d i c t o r o f t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . T h i s r e s e a r c h h a s i d e n t i fi e d c e r t a i n k e y v a r i a b l e s a n d t h e i r r e l a t i v e i m p o r t a n c e w i t h r e s p e c t t o e a c h o t h e r . T h e s e r e s u l t s c a n b e f u r t h e r e v a l u a t e d o r b r o a d e n e d w i t h f u r t h e r t e s t i n g . a r e s u m m a r i z e d i n t h e n e x t c h a p t e r . 0 0 x “ “ 5 3 ‘ 1 1 9 o l s § t i \ 5 i b 1 a “ \ D ” W 9 3 1 5 r o . t 1 c “ a F 9 y 5 t i l 5 i . b 2 a r u t D s 6 . F i g u r e 6 . 2 0 . R e l a t i o n s h i p o f S F T A a n d C - s t r w i t h D F . F M , C - S T R , a n d D F 1 1 0 1 0 0 - 9 0 - 8 0 - 7 0 - 6 0 - 5 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - P r e d i c ‘ _ fl ' F i g u r e 6 . 2 1 . P l o t s h o w i n g a c t u a l v e r s u s p r e d i c t e d D F . 1 1 0 1 0 0 9 0 8 0 7 O 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 l o 2 0 2 P r e d i c t e d D F _ o , _ I O l - , I 6 — - ’ I I I . _ o I ’ _ ; ’ ’ 7 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 A c t u a l D F 1 1 0 7 . 1 G e n e r a l T h i s n a b o u t t h r e e y r w i t h m a r g i n a l m i n e r a l a d m l s h o u l d b e fi e c o m m a r e a s 0 0 0 0 1 6 1 6 f r o g 7 . 2 . 1 m m , ( 1 ) T h e ? e l i t e l l ’ c l f o r t c r i t e r i a f o r t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f P C C , w a s c o m p a r e d w i t h P h i l l e o f a c t o r s a n d A t t i o g b e ’ s C H A P T E R V I I C O N C L U S I O N S A N D R E C O M M E N D A T I O N S 7 . 1 G e n e r a l T h i s r e s e a r c h w o r k , w h i c h w a s b a s e d o n a l a b o r a t o r y s t u d y t h a t c o n t i n u e d f o r a b o u t t h r e e y e a r s , i n v o l v e d a n e x t e n s i v e p r o g r a m o f c a s t i n g a n d t e s t i n g c o n c r e t e m i x e s w i t h m a r g i n a l a i r c o n t e n t t h a t i n c l u d e d v a r i o u s t y p e s a n d a m o u n t s o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s . T h e r e s u l t i n g c o n c l u s i o n s a n d o b s e r v a t i o n s a r e d e s c r i b e d h e r e i n a n d S h o u l d b e fi e l d t e s t e d f o r v a l i d a t i o n a n d v e r i fi c a t i o n . F u r t h e r s t u d i e s a r e w a r r a n t e d i n c e r t a i n a r e a s , a s i n d i c a t e d , t o c o n t i n u e t o a d v a n c e t h e s t a t e o f t h e a r t o n t h e s u b j e c t o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e . - 7 . 2 . 1 P r i m a r y C o n c l u s i o n s ( 1 ) T h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r , w h i c h i s c o n s i d e r e d t o b e o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t 2 0 3 m e a n s p a c i n g f l b a s e d o n p a s t e l i n e a r t r a v e r s e t t h a n t h e s t a n d a s e v e n t y . T h e r c a l c u l a t i n g t h e P o w e r s s p a c i n g T h e s t a r h i g h v a l u e s , e s f a c t o r a r e b a s e m m m m d e x i s t i n g s p a c i g ( 0 . 0 1 2 i n . ) b a ( 2 ) T h e c . 0 1 1 6 8 o f m i n t C o n c r e t e a t m a t t e r m e d m e c h a n i c a l p o f a i r m m w h i c h m a y 1 m a r t i d a l a i r a n d 1 5 % t i l l W W r e s i 2 0 4 m e a n s p a c i n g f o r a v a r i e t y o f c o n c r e t e m i x e s . T h e A t t i o g b e m e a n s p a c i n g , w h i c h i s t a s e d o n p a s t e c o n t e n t , a i r c o n t e n t , a n d s p e c i fi c s u r f a c e m e a s u r e m e n t s o b t a i n e d f r o m i n e a r t r a v e r s e t e s t s , s h o w e d g r e a t e r v a r i a t i o n f o r m i x e s p r e p a r e d a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t h a n t h e s t a n d a r d P o w e r ’ s s p a c i n g f a c t o r , p a r t i c u l a r l y a t d u r a b i l i t y f a c t o r s l o w e r t h a n e v e n t y . T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t , u n l e s s a m o r e a c c u r a t e m e t h o d i s d e t e r m i n e d f o r a l c u l a t i n g t h e n u m b e r o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e , a s r e q u i r e d b y P h i l l e o f a c t o r , t h e P o w e r s s p a c i n g f a c t o r r e m a i n s t h e b e t t e r i n d i c a t o r o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e . T h e s t a n d a r d S p a c i n g f a c t o r , w h i c h i s b a s e d o n t o t a l h a r d e n e d a i r c o n t e n t , y i e l d s t i g h v a l u e s , e s p e c i a l l y f o r m i x e s t h a t i n c l u d e H R W R ; b u t , w h e n c a l c u l a t i o n s o f s p a c i n g ' a c t o r a r e b a s e d o n l y o n e n t r a i n e d a i r v o i d s , a s s h o w n i n t h i s s t u d y , t h e r e s u l t i n g v a l u e s r e c l o s e r t o t h e r e c o m m e n d e d c r i t e r i a . H o w e v e r , f o r m i x e s w i t h s u p e r p l a s t i c i z e r s , t h e : x i s t i n g s p a c i n g f a c t o r c r i t e r i a o f 0 . 2 m m ( 0 . 0 0 8 i n . ) n e e d s t o b e i n c r e a s e d t o 0 . 3 0 m m 0 . 0 1 2 i n . ) b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t , e s p e c i a l l y f o r fl y a s h c o n c r e t e s . 2 ) T h e c o m b i n e d e f f e c t s o f t h e p o z z o l a n i c a n d c e m e n t i t i o u s p r o p e r t i e s o f c e r t a i n y p e s o f m i n e r a l a n d c h e m i c a l a d m i x t u r e s m a k e i t p o s s i b l e t o p r o d u c e f r o s t - r e s i s t a n t o n c r e t e a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t s . T h i s w i l l a l l o w a r e d u c t i o n i n t h e a m o u n t o f e n t r a i n e d i r r e q u i r e d t o p r o d u c e f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e , r e s u l t i n g i n t h e i m p r o v e m e n t o f t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . A s s e e n f r o m t h e l i t e r a t u r e , e a c h a d d i t i o n a l p e r c e n t 1 f a i r e n t r a i n m e n t r e d u c e s t h e c o n c r e t e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h f r o m t w o t o t e n p e r c e n t , v h i c h m a y b e i m p o r t a n t u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s . T h i s r e s e a r c h d e t e r m i n e d t h a t a t a a a r g i n a l a i r c o n t e n t o f 2 . 5 % _ - _ l — _ 0 . 5 % , f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e c a n b e p r o d u c e d w i t h 8 % n d 1 5 % s i l i c a f u m e a n d s u p e r p l a s t i c i z e r , o r 1 5 % c l a s s F fl y a s h w i t h w a t e r - r e d u c e r a n d v i n s o l r e s i n - b a s e d a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e . T h e u s e I f a i l e d t o p r o d u c d u e t o i n f e r i o r a d m i x t u r e s . T h e u s e r e s u l t s . T h i s c a c o n t e n t s t o 1 0 0 ( 3 ) F r e e z a l u s e f u l i n d i c a t e f r o s t r e s i s t a n c a s a n i n d i c a t e 0 f t e s t s a n d a ( 4 ) A r e l : c o m p r e s s i v e i t c a n S e r v e a d l u s t m e n t s q u a l i t y , a n d 7 ' “ S e c o r ( l l I t h : a d “ l ' l l l t u r e s d m i x t u r e s u s e d i n t h i s s t u d y w i t h fl y a s h c a n b e c o n s i d e r e d u n i v e r s a l l y b e t t e r t h a n t h e 2 0 5 T h e u s e o f e i t h e r 1 5 % c l a s s C fl y a s h W R / H R W R o r 4 0 % G G B F s l a g w i t h W R r i l e d t o p r o d u c e f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e s a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t s . T h i s m a y h a v e b e e n u e t o i n f e r i o r p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n s a n d / o r i n t e r a c t i o n o f c h e m i c a l a n d m i n e r a l d m i x t u r e s . T h e u s e o f 3 0 % c l a s s C fl y a s h w i t h W R a n d a i r e n t r a i n m e n t p r o v i d e d b e t t e r e s u l t s . T h i s c a n b e f u r t h e r i n v e s t i g a t e d a t v a r y i n g fl y a s h r e p l a c e m e n t l e v e l s a n d / o r a i r o n t e n t s t o l o o k f o r i m p r o v e d f r o s t r e s i s t a n c e . 3 ) F r e e z a b l e m o i s t u r e ( a s d e t e r m i n e d b y r e f e r e n c e 1 9 0 ) , i s a v e r y e f f e c t i v e a n d . S e f u l i n d i c a t o r o f t h e i n t e r n a l a i r v o i d / w a t e r p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e a n d , h e n c e , i t s r o s t r e s i s t a n c e . I t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h i s b e a d d e d t o c o n c r e t e d e s i g n s p e c i fi c a t i o n s 8 a n i n d i c a t o r o f f r o s t r e s i s t a n c e a f t e r v e r i fi c a t i o n o n a s t a t i s t i c a l l y r e a s o n a b l e n u m b e r t f t e s t s a n d a v a r i e t y o f m i x d e s i g n s . 4 ) A r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o n c r e t e d u r a b i l i t y a n d S p a c i n g f a c t o r , f r e e z a b l e m o i s t u r e , o m p r e s s i v e s t r e n g t h h a s b e e n e s t a b l i s h e d . T h i s m o d e l n e e d s t o b e f u r t h e r v e r i fi e d s o t h a t : c a n s e r v e a s a u s e f u l i n d i c a t o r o f f r o s t r e s i s t a n c e a l l o w i n g e n g i n e e r s t o m a k e d j u s t m e n t s b e t w e e n t h e s e f a c t o r s t o d e s i g n d u r a b l e c o n c r e t e w i t h o u t s a c r i fi c i n g s t r e n g t h , u a l i t y , a n d w o r k a b i l i t y . ‘ . 3 . 2 S e c o n d a r y c o n c l u s i o n s 1 ) I t h a s b e e n o b s e r v e d t h a t n o n e o f t h e a i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s o r w a t e r — r e d u c i n g o t h e r s f o r a l l 8 ] H o w e v e r , t h e v f u m e i n s l u r r y 1 t h e s e a d m i x t u r t ( 2 ) F l y a s h f a c t o r s , d i d S b ( 4 ) A d h e r e c o n s o l i d a t i n g , i 8 p a r fi c u l a r l y a t m a r g i n a l a i n s l u r r y f o n 7 . 3 R e c o n m ( 1 ) T h e S p a P a r t i c u l a r l y T h i s w i l l a b o u n d a r y b , b e m u c h e a m i n o r m o d 0 1 1 t h p a r 2 0 6 t h e n f o r a l l a p p l i c a t i o n s . E a c h p r o v i d e d g o o d p e r f o r m a n c e u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s . I o w e v e r , t h e v i n s o l r e s i n - b a s e d a i r e n t r a i n e r d i d S h o w e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e w i t h S i l i c a u m e i n S l u r r y f o r m . T h e e x i s t i n g p r a c t i c e o f p r e p a r i n g a n d t e s t i n g t r i a l b a t c h e s u t i l i z i n g h e s e a d m i x t u r e s m u s t b e e m p h a s i z e d . 2 ) F l y a s h a n d S i l i c a f u m e m i x e s , e v e n t h o s e w i t h e x c e l l e n t a n d g o o d d u r a b i l i t y a c t o r s , d i d S h o w s o m e s c a l i n g . D u r a b i l i t y f a c t o r s w e r e g e n e r a l l y u n r e l a t e d t o s c a l i n g . 4 ) A d h e r e n c e t o s t a n d a r d p r a c t i c e s i s e s s e n t i a l a t t h e t i m e o f p r e p a r a t i o n , c a s t i n g , : o n s o l i d a t i n g , a n d t e s t i n g o f p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e t o a c h i e v e t h e r e l i a b l e r e s u l t s . I t s p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t t o m a i n t a i n s t r i c t c o n t r o l o f t h e a i r c o n t e n t o f c o n c r e t e p l a c e d . t m a r g i n a l a i r c o n t e n t s , w h i c h i s m o r e d i f fi c u l t f o r c o n c r e t e s p r e p a r e d w i t h s i l i c a f u m e n s l u r r y f o r m ( w i t h H R W R a n d w a t e r ) a t h i g h e r r e p l a c e m e n t l e v e l s . ’ . 3 R e c o m m e n d a t i o n s 1 ) T h e s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t S h o u l d b e p u t t o m o r e t e s t s , t a r t i c u l a r l y u s i n g m i x e s w i t h c h e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s a t m a r g i n a l a i r c o n t e n t . T h i s w i l l a l s o r e q u i r e t h e c o n s e n s u s o f r e s e a r c h e r s c o n c e r n i n g t h e s e l e c t i o n o f t h e r o u n d a r y b e t w e e n e n t r a i n e d a n d e n t r a p p e d a i r v o i d s , w h i c h i s a s u b j e c t i v e l i m i t . I t w o u l d 1 e m u c h e a s i e r a n d e c o n o m i c a l t o u s e s p a c i n g f a c t o r b a s e d o n t o t a l a i r c o n t e n t , a s o n l y m i n o r m o d i fi c a t i o n s t o m o s t l i n e a r t r a v e r s e a n a l y s i s p r o g r a m s w i l l a l l o w t h e c o m p u t a t i o n i f t h i s p a r a m e t e r . ( 2 ) M o r e w o r k c h e m i c a l a n d 1 1 c o n t e n t s . T h e p t T h i s c a n b e a v p r o p e r t i e s o f 1 0 0 1 1 0 1 8 1 6 . ( 3 ) M o r e t e s t i c r i t e r i a f o r t h e ( 4 ) A q u a n t i t a v o i d a n d w a r d e m o n s t r a t e d t o a d v a n c e [ h 2 0 7 1 ) M o r e w o r k s h o u l d b e d i r e c t e d t o w a r d s i d e n t i f y i n g a n d u s i n g t h e p r o p e r t i e s o f i e m i c a l a n d m i n e r a l a d m i x t u r e s f o r p r o d u c i n g f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e a t l o w e r a i r ) n t e n t s . T h e p a s t t w o d e c a d e s h a v e s e e n a c o n t i n u o u s t r e n d i n i n c r e a s i n g t h e a i r c o n t e n t . h i s c a n b e a v o i d e d a s S h o w n i n t h i s w o r k , a n d a n i m p r o v e m e n t i n t h e m e c h a n i c a l r o p e r t i e s o f c o n c r e t e c a n b e a c h i e v e d w i t h o u t s a c r a fi c i n g t h e f r o s t r e s i s t a n c e o f o n c r e t e . i ) M o r e t e s t i n g s h o u l d b e d i r e c t e d t o w a r d s e s t a b l i s h i n g t h e f r e e z a b l e m o i s t u r e a s a r i t e r i a f o r t h e p r o d u c t i o n o f a f r o s t - r e s i s t a n t c o n c r e t e . 1 ) A q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o n c r e t e d u r a b i l i t y a n d m e a s u r e m e n t s o f t h e a i r o l d a n d w a t e r p o r e s y s t e m s , a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s , a s d e v e l o p e d a n d e m o n s t r a t e d i n t h i s r e s e a r c h w o r k w o u l d b e v e r y u s e f u l a n d n e e d s t o b e f u r t h e r p u r s u e d t a d v a n c e t h e s t a t e o f t h e a r t . 1 . V i t r u v i u s , l t h e L a t i n 0 2 . M e h t a , P . 1 1 1 0 . , E n g l t 3 . A C 1 2 0 1 . : C o n c r e t e 3 4 . A C I 2 1 1 . H e a v y w e i 5 . A C 1 2 1 2 P r a c t i c e , 6 . A C I 3 1 8 - 3 1 8 - 8 9 ) 2 7 ' W o o d s , 8 ' K h e g e r , D u r a b i fi y R e s e a r c h 9 - K h e g e r , D u r a b fl j B u l l e t i n 1 0 ' W h i t i n g C ° ° P e r i W a g h i n l l . G u i l n a S t r e n g L I S T O F R E F E R E N C E S V i t r u v i u s , P . , 1 9 6 0 ( T r a n s l a t i o n ) , " T h e T e n B o o k s o f A r c h i t e c t u r e , " T r a n s l a t e d f r o m t h e L a t i n b y M . J . M o r g a n , D o v e r P u b l i c a t i o n s , I n c . , N e w Y o r k . M e h t a , P . K . , 1 9 8 6 , " C o n c r e t e S t r u c t u r e , P r o p e r t i e s a n d M a t e r i a l s , " P r e n t i c e H a l l , I n c . , E n g l e w o o d C l i f f s , N e w J e r s e y , p p 2 4 9 . A C I 2 0 1 . 2 R 7 7 , ( R e a p p r o v e d 1 9 8 2 ) , " G u i d e t o D u r a b l e C o n c r e t e , " A C I M a n u a l o f C o n c r e t e P r a c t i c e , P a r t 1 - 1 9 9 0 . A C I 2 1 1 . 1 - 8 9 , 1 9 9 0 , " S t a n d a r d P r a c t i c e f o r S e l e c t i n g P r o p o r t i o n s f o r N o r m a l , H e a v y w e i g h t , a n d M a s s C o n c r e t e , " A C I M a n u a l o f C o n c r e t e P r a c t i c e , P a r t - 1 . A C I 2 1 2 . 3 R - 8 9 , " C h e m i c a l A d m i x t u r e s f o r C o n c r e t e , " A C I M a n u a l o f C o n c r e t e P r a c t i c e , P a r t 1 - 1 9 9 0 . A C I 3 1 8 - 8 9 / 3 1 8 R - 8 9 , ” B u i l d i n g C o d e R e q u i r e m e n t s f o r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ( A C I 3 1 8 - 8 9 ) a n d C o m m e n t a r y , " A C I 3 1 8 R - 8 9 , P a r t 3 . W o o d s , H . , 1 9 6 8 , ” D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e , " A C I M o n o g r a p h 4 , p p 2 0 . K l i e g e r , P . , 1 9 5 2 , " S t u d i e s o f t h e E f f e c t o f E n t r a i n e d A i r o n t h e S t r e n g t h a n d D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e s M a d e w i t h V a r i o u s M a x i m u m S i z e s o f A g g r e g a t e s , " R e s e a r c h D e p a r t m e n t B u l l e t i n R X 0 4 0 , p p 2 5 , P C A . K l i e g e r , P . , 1 9 5 6 , " F u r t h e r S t u d i e s o n t h e E f f e c t o f E n t r a i n e d A i r o n S t r e n g t h a n d D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e w i t h V a r i o u s S i z e s o f A g g r e g a t e , " R e s e a r c h D e p a r t m e n t B u l l e t i n R X 0 7 7 , P C A . . W h i t i n g , D . , a n d S t a r k , D . , 1 9 8 3 , " C o n t r o l o f A i r C o n t e n t i n C o n c r e t e , " N a t i o n a l C o o p e r a t i v e R e s e a r c h P r o g r a m R e p o r t N o 2 5 8 a n d N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l , W a s h i n g t o n , D . C . , M a y . ' . G u t m a n , P . F . , 1 9 8 8 , " B u b b l e C h a r a c t e r i s t i c s a s T h e y P e r t a i n t o C o m p r e s s i v e S t r e n g t h a n d F r e e z e — T h a w D u r a b i l i t y , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , S e p t e m b e r - O c t o b e r . 2 0 8 1 2 . S p fi n k e l r I O v e r l a y s , " T R B , N a t i 1 3 . L i t v a n , G . l o u m a l , T 1 4 . G i a m e i e t m C o n c r e t e s 1 5 . G e b l e r , S C o n c r e t e , 1 6 . H o g a n , 1 D e v e l o p r A g g r e g a t 1 7 . M a r t h o r , A C I t o u r 1 8 . F u l t o n , i G r a n u l a r J o h a n n e 1 9 . K l i e g e r , C e m e n t D e v e l o g 2 0 . T e l f o r d P u b l i s h E 1 4 9 ) ! 2 1 ' T y n e s : W a t c h d L S d i . t i , c T a h F o u m m a e s i T t 1 a t H e e o r f t h Q e u A a r y t , d e p o t e T P E M F M D 8 W A e u 1 h a 5 r e C b e l l , v I R i f o 4 l s h P t e i A i h o r n 9 1 / l s t C d X h , e F S a n r M a g o 1 , p 6 I T D d . , d m R - M , b 1 9 T y 8 h 8 o L e V H n . 8 a . 7 , a t 5 n , u 7 r 1 9 d M - B a . e 7 l 1 9 2 u 1 l " a 1 J d , t m , , l 3 9 n ( e , e 9 o 0 f s ) " i C 9 C o 7 C " o , E n e A f n T f o n 7 C R n l u , d e e c n o " S e f g e u e s 0 t c r c D m r t e r s s u t n l t a g P T e . s f r , 6 e 1 . t a r P p H 0 ’ n a l i 1 d c i W e s t i h C o . i - o r c t e i c c R l n , z e r a a n n g d r P e a t r s e C e t T 1 e . n e m n a l t C f o o n r C o e r e r n m n t i S i C s d c R c n r A o r e t e H e l e s o o t d s u g e u o , s " e , , " c c e i r a t y , ” N . n A o o S n P o E n ( M S o e R m s T e e a R P r e r c p o r p o h e a r n t d - l 9 8 5 ) / A C I R L t e o i 1 o s p n e 1 r d t o , n o f 6 R - 2 0 9 S p r i n k e l , M . M . , " S u p e r W a t e r R e d u c e d C o n c r e t e P a v e m e n t s a n d B r i d g e D e c k O v e r l a y s , " T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d 7 2 0 , S u p e r p l a s t i c i z e r s i n C o n c r e t e , T R B , N a t i o n a l A c a d e m y o f S c i e n c e s . L i t v a n , G . G . , 1 9 8 3 , " A i r E n t r a i n m e n t i n t h e P r e s e n c e o f S u p e r p l a s t i c i z e r s , " A C I J o u r n a l , T e c h n i c a l P a p e r , J u l y - A u g u s t . G i a m e i e t r o , T . , a n d C a n g i a n o , S . , 1 9 8 2 , " A i r C o n t a i n e d i n S u p e r p l a s t i c i z e d C o n c r e t e s , " A C I J o u r n a l , T e c h n i c a l P a p e r , S e p t e m b e r - O c t o b e r . G e b l e r , S . H . , a n d K l i e g e r , P . , 1 9 8 6 , ” E f f e c t o f F l y A s h o n P h y s i c a l P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e , " A C I S p e c i a l P u b l i c a t i o n N o . 9 1 , V o l . I , p p 1 . H o g a n , F . J . , M e u s e l , J . W . , 1 9 8 1 , " E v a l u a t i o n f o r S t r e n g t h a n d D u r a b i l i t y D e v e 1 0 p m e n t o f a G r o u n d G r a n u l a t e s B l a s t - F u r n a c e S l a g , " C e m e n t C o n c r e t e a n d A g g r e g a t e , V o l . 3 , N o . 1 , S u m m e r . p p 4 0 . M a r t h o r , B r y a n t , 1 9 5 7 , " L a b o r a t o r y T e s t s o f P o r t l a n d B l a s t - F u r n a c e S l a g C e m e n t s , " A C I J o u r n a l , P r o c e e d i n g s , V o l . 5 4 , n o . 3 , S e p t e m b e r , p p 2 0 5 . F u l t o n , F . S . , 1 9 7 4 , " T h e P r o p e r t i e s o f P o r t l a n d C e m e n t C o n t a i n i n g M i l l e d G r a n u l a t e d B l a s t - F u r n a c e S l a g , " M o n o g r a p h , P o r t l a n d C e m e n t I n s t i t u t e , J o h a n n e s b u r g , p p 4 — 4 6 . ' K l i e g e r , P . , a n d I b e r n e r , A l b e r t , W . , 1 9 6 7 , " L a b o r a t o r y S t u d i e s o f B l e n d e d C e m e n t - P o r t l a n d B l a s t F u r n a c e S l a g C e m e n t s , " J o u r n a l , P C A R e s e a r c h a n d D e v e 1 0 p m e n t D e p a r t m e n t L a b o r a t o r i e s . V o l . 9 , N o . 3 , S e p t e m b e r , 2 - 2 2 . T y n e s , W . 0 . , 1 9 7 7 , " I n v e s t i g a t i o n o f P r o p r i e t a r y A d m i x t u r e s , " U S A r m y W a t e r w a y s E x p e r i m e n t S t a t i o n , T e c h n i c a l R e p o r t C - 7 7 - 1 , A p r i l . 2 5 . W h i t i n g , E H i g h - R a n g S e p t e m b e r 2 6 . H a l s t e a d , ' H i g h w a y l 2 7 . P o w e r s , ' l R e s i s t a n c e 2 8 . P o w e r s , ' . P r o c w d i r 2 9 . 1 9 2 8 , " R e 3 3 , p p 6 1 3 0 . C a r d o n , C o n t r o l , U n i v e r s i 3 1 . T r o x e l l , p p 2 0 4 . 3 2 . B r u n a u e S c i e n n ' s 3 3 . C o p e l a i t h e H y ( R e s e a r c 3 4 - B r u n a u . A m e r i o 3 5 - P o w e r : C o m e r 3 6 . F e l d m C e m e i 8 / 9 , p 3 7 . p o w H a r d : P D 2 8 2 1 0 W h i t i n g , D . , a n d S t a r k , D . , 1 9 8 7 , ” D u r a b i l i t y o f I n - p l a c e C o n c r e t e C o n t a i n i n g H i g h - R a n g e W a t e r - R e d u c i n g A d m i x t u r e s , ” N C H R P R e p o r t 2 9 6 , T R B , N R C , S e p t e m b e r . H a l s t e a d , W . J . , 1 9 8 6 , " U s e o f F l y A s h i n C o n c r e t e , ” N C H R P S y n t h e s i s o f H i g h w a y P r a c t i c e N o . 1 2 7 , T R B , N R C , O c t o b e r . P o w e r s , T . C . , 1 9 4 5 , " A W o r k i n g H y p o t h e s i s f o r F u r t h e r S t u d i e s o f F r o s t R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , P r o c e e d i n g s , V o l . 4 1 , N o . 3 , F e b . , p p 2 4 5 . P o w e r s , T . C . , 1 9 4 9 , " T h e A i r - R e q u i r e m e n t f o r F r o s t R e s i s t a n t C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , H R B , V o l . 2 9 , p p 1 8 4 . 1 9 2 8 , ” R e s i s t a n c e o f M a t e r i a l s t o F r o s t A c t i o n , " T o n i n d u s t r i e - Z e i t u n g , V o l . 5 2 , N o . 3 3 , p p 6 5 8 . C a r d o n , W . A . , 1 9 6 7 , " F r e e z i n g a n d T h a w i n g o f C o n c r e t e - M e c h a n i s m s a n d C o n t r o l , " A C I M o n o g r a p h N o . 3 , A C I , D e t r o i t , M i c h i g a n a n d T h e I o w a S t a t e U n i v e r s i t y P r e s s , A m e s , I o w a . T r o x e l l , E . G . , a n d D a v i s , H . E . , 1 9 5 6 , " C o n c r e t e , " M a c G r a w - H a l l , N e w Y o r k , p p 2 0 4 . B r u n a u e r , S t e p h e n , 1 9 6 2 , " T o b e r m o r i t e G e l - T h e H e a r t o f C o n c r e t e , " a m e r i c a n S c i e n t i s t , M a r c h . C o p e l a n d , L E , a n d S c h u l t z , E d i t h , G . , 1 9 6 2 , ” E l e c t r o n O p t i c a l I n v e s t i g a t i o n o f t h e H y d r a t i o n P r o d u c t s o f C a l c i u m S i l i c a t e s a n d P o r t l a n d C e m e n t , " J o u r n a l , P C A R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t L a b o r a t o r i e s , J a n u a r y . B r u n a u e r , S . , a n d C o p e l a n d , L E , 1 9 6 4 , " T h e C h e m i s t r y o f C o n c r e t e , " S c i e n t i fi c - A m e r i c a n . P o w e r s , T . C . , 1 9 5 8 , " S t r u c t u r e a n d P h y s i c a l P r o p e r t i e s o f H y d r a t e d P o r t l a n d C e m e n t P a s t e , " J o u r n a l o f A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y , V o l . 4 1 , N o . 1 , p p 1 . F e l d m a n , R R , a n d S e r e d a , P L , 1 9 7 0 , " A N e w M o d e l f o r H y d r a t e d P o r t l a n d C e m e n t a n d i t s P r a c t i c a l I m p l i c a t i o n s , " E n g i n e e r i n g J o u r n a l ( C a n a d a ) , V o l . 5 3 , N o . 8 / 9 , p p 5 3 . P o w e r s , T . C . , a n d H e l m o u t h , R . A . , 1 9 5 3 , " T h e o r y o f V o l u m e C h a n g e s i n H a r d e n e d P o r t l a n d - C e m e n t p a s t e D u r i n g F r e e z i n g , " P r o c e e d i n g s , H R B , V o l . 3 2 , p p 2 8 5 . 3 8 . M e h t a , C e m e n t P , . l P 3 9 . D e t w i l e r , D u r a b i l i t y N o . 1 , 1 3 1 4 0 . V e r b e c k , B u l l e t i n 1 4 1 . M e i e r , U . V e r d u n S 4 2 . L i t v a n , G C o n c r e t e 4 3 . C o o k , H M a r i n e l 4 4 . P o w e r s , C o n c r e t 4 5 . V e r b e c l A g g r e g : p p 1 0 6 2 4 6 . B o i e m , 4 7 . K o s m a ‘ M i x t u r 4 8 . V e r b e c F r e e z i i D P 9 . 4 9 ' W 0 0 d : T h a w i 5 0 . 1 9 5 6 , O f fi C t 5 1 . C o r d t D u r a l 2 1 1 M e h t a , P . K . , a n d M a n m o h a n , 1 9 8 0 , P r o c e e d i n g s , 7 t h I n t . C o n g r . o n C h e m i s t r y o f C e m e n t , P a r i s . D e t w i l e r , J . R . , D a l g l e i s h , B . J . , a n d W i l l i a m s o n , R B , 1 9 8 9 , ” A s s e s s i n g t h e D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e i n F r e e z i n g a n d T h a w i n g , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 6 , N o . 1 , J a n u a r y - F e b r u a r y , p p 2 9 . V e r b e c k , G . J . , a n d K l i e g e r , P . , 1 9 5 7 , " S t u d i e s o f S a l t S c a l i n g o n C o n c r e t e , " B u l l e t i n 1 5 0 , H R B . M e i e r , U . a n d H a m i k , A . B . , 1 9 7 8 , " D a s G e f r i e r e n V a n W a s s e r i n Z e m e n t s t e i n b e i V e r d u n S t u n g , " C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 8 , N o . 5 , p p 5 4 5 . L i t v a n , G . G . , 1 9 7 6 , " F r o s t A c t i o n i n C e m e n t i n t h e P r e s e n c e o f D e — i c e r s , " C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 6 , p p 3 5 1 . C o o k , H . K . , 1 9 5 2 , " E x p e r i m e n t a l E x p o s u r e o f C o n c r e t e t o N a t u r a l W e a t h e r i n g i n M a r i n e L o c a t i o n s , ” P r o c e e d i n g s , A S T M , V o l . 5 2 , p p 1 1 6 9 . P o w e r s , T . C . , 1 9 5 8 , " T h e P h y s i c a l S t r u c t u r e o f a n d E n g i n e e r i n g P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e , " B u l l e t i n 9 0 , P C A , S k o k i e , I l l . V e r b e c k , G . J . , a n d L a n d g r e n , R . , 1 9 6 0 , " I n fl u e n c e o f P h y s i c a l C h a r a c t e r i s t i c s o f ' A g g r e g a t e s o n F r o s t R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , A S T M N o . 6 0 , p p 1 0 6 3 . B o i e m , D . L . , 1 9 6 3 , H i g h w a y R e s e a r c h R e c o r d , N o . 1 8 , p p 4 8 . K o s m a t k a , S . H . a n d P a n a r e s e , W . C . , 1 9 9 0 , " D e s i g n a n d C o n t r o l o f C o n c r e t e M i x t u r e s , " P o r t l a n d C e m e n t A s s o c i a t i o n , T h i r t e e n t h E d i t i o n . V e r b e c k , G . J . , a n d K l i e g e r , P . , 1 9 5 8 , " C a l o r i m e t e r - S t r a i n A p p a r a t u s f o r S t u d y o f F r e e z i n g a n d T h a w i n g C o n c r e t e , " B u l l e t i n 1 7 6 , T R B , N R C , W a s h i n g t o n D C , p p 9 . W o o d s , H , 1 9 5 4 , ” O b s e r v a t i o n s o n t h e R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e t o F r e e z i n g a n d T h a w i n g , " P r o c w d i n g s , A C I V o l . 5 1 , D e c e m b e r , p p 3 4 5 . 1 9 5 6 , C o n c r e t e M a n u a l , U S B u r e a u o f R e c l a m a t i o n , U . S . G o v e r n m e n t P r i n t i n g O f fi c e , W a s h i n g t o n D C . C o r d o n , W . A . , a n d M e r r i l l , D . , 1 9 6 3 , " R e q u i r e m e n t s f o r F r e e z i n g a n d T h a w i n g D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , A S T M , V o l . 6 3 , p p 1 0 2 7 . 5 2 . A F S r 5 3 . f A o A " A T e M z T T a m u F o n e S S C n i M M p a C n g t a C S r : t i 1 9 r m a l 5 9 . O R k e a s d a i s t , a 5 5 . B r u e r e , ( F a c t o r a t J o u r n a l c 5 6 . A C 1 3 4 5 C o n s t r u c S e p t e m b 5 7 . M e i l e n z , E f f e c t o n S P - 6 2 , p 5 8 . P e r e n c h S l u m p l A C I , S ] 9 0 . P h i l l e o V o l . 1 1 6 1 . K o b a y : R e s i s t : 6 2 - P h i l l e c C o n C r b e v e l : 6 3 . L a n e ] C o n e : 0 f M ; . F f A l o n u r n d e , V u a a r l S i . o M u e T s e . t , i C a n g o n n c , d r e W J t a a e s n s s , h i s e " n n g p , t a . r D e n p o J p . r D C , e . 1 9 9 p a r 0 e , d ” o f C r o m T p r a a n r s i p s o o r n t a o t f i o A n i r R - e V o i d C h s e a r c h a B r o a a c r t d e , r i s s 6 t 9 i t c h 2 1 2 A S T M C 6 6 6 - 9 0 , 1 9 9 1 ” S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e t o R a p i d F r e e z i n g a n d T h a w i n g , " A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . A S T M C 4 5 7 - 9 0 , 1 9 9 0 , " S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r M i c r o s c o p i c a l D e t e r m i n a t i o n o f P a r a m e t e r s o f t h e A i r V o i d S y s t e m i n t h e H a r d e n e d C o n c r e t e , " A n n u a l B o o k 6 A S T M S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . ‘ 5 4 . F l u d e , S . T . , a n d J a n s s e n , D . J . , " C o m p a r i s o n o f A i r - V o i d C h a r a c t e r i z a t i o n f o r V a r i o u s C o n c r e t e s , " T R B , 6 9 t h A n n u a l M e e t i n g , W a s h i n g t o n D C . B r u e r e , G . M . , 1 9 6 0 , " T h e E f f e c t o f T y p e o f S u r f a c e - A c t i v e A g e n t o n S p a c i n g F a c t o r a n d S u r f a c e A r e a s o f E n t r a i n e d B u b b l e s i n C e m e n t P a s t e s , " A u s t r a l i a n J o u r n a l o f A p p l i e d S c i e n c e , V o l . 1 1 , N o . 2 , J u n e , p p 2 8 9 . A C I 3 4 5 - 7 4 , 1 9 8 1 , " S t a n d a r d P r a c t i c e f o r C o n c r e t e H i g h w a y B r i d g e D e c k C o n s t r u c t i o n , ’ C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , D e s i g n a n d C o n s t r u c t i o n , V o l , 3 , N o . 9 , S e p t e m b e r , p p 1 9 . . M e i l e n z , R C , a n d S p r o u s e , J . H . , 1 9 7 9 , " H i g h - R a n g e W a t e r R e d u c i n g A d m i x t u r e s : E f f e c t o n A i r - V o i d S y s t e m i n A i r E n t r a i n e d a n d N o n - A i r E n t r a i n e d C o n c r e t e , A C I , S P - 6 2 , p p 1 3 7 . . P e r e n c h i o , W . F . , W h i t i n g , D . A . , a n d K a n t r o , D . L . , 1 9 7 9 , " W a t e r R e d u c t i o n , S l u m p L o s s , a n d E n t r a i n e d A i r - V o i d S y s t e m a s I n fl u e n c e d b y S u p e r p l a s t i c i z e r s , " A C I , S P - 6 2 . . O k a d a , E . , H i s a k a , M . , K a z a m a , Y . , a n d H a t t o r i , K , 1 9 8 1 , " F r e e z e - T h a w R e s i s t a n c e o f S u p e r p l a s t i c i z e d C o n c r e t e s , " A C I S P — 6 8 , p p 2 1 5 . . P h i l l e o , R . , 1 9 8 7 , “ F r o s t S u s c e p t i b i l i t y o f H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e , " A C I , S P - l O O , V o l . 1 , p p 8 1 9 . . K o b a y a s h i , M . , N a k a k u r o , E . , K o d a m a , Y . , a n d N e g a m i , S , 1 9 8 1 , " F r o s t - R e s i s t a n c e o f S u p e r p l a s t i c i z e d C o n c r e t e , " A C I , S P - 6 8 , p p 2 6 9 . . P h i l l e o , R . E . , 1 9 5 5 , " A M e t h o d o f A n a l y z i n g V o i d D i s t r i b u t i o n i n A i r E n t r a i n e d C o n c r e t e , " u n p u b l i s h e d p a p e r , P o r t l a n d C e m e n t A s s o c i a t i o n , R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t D i v i s i o n . . L a r s o n , T . D . , C a d y , P . D . , M a l l o y , J . J . , 1 9 6 7 , ” T h e P r o t e c t e d P a s t e V o l u m e C o n c e p t U s i n g N e w A i r - V o i d M e a s u r e m e n t a n d D i s t r i b u t i o n T e c h n i q u e , " J o u r n a l o f M a t e r i a l s , 2 . 6 5 . L o r d , G . V f r o m R e s u p p 5 6 . 6 0 . 9 1 1 1 0 n g B u i l d e r s , 1 6 7 . P o w e r s , ' 1 C o n c r e t e , 6 8 . A S T M C A g g r e g a t 6 9 . L e a , F . I t C o m p a n y 7 0 . N C H R P M a y . 7 1 . K l i e g e r , o f C o n c n B u l l e t i n , 7 2 . A S T M t . A S T M 7 4 . L a n e , 1 S u p e r p l S u p e r p ] 2 1 3 . L o r d , G . W . , a n d W i l l i s , T . P . , 1 9 5 1 , " C a l c u l a t i o n o f A i r B u b b l e S i z e D i s t r i b u t i o n f r o m R e s u l t s o f a R o s i w a l T r a v e r s e o f A e r a t e d C o n c r e t e , " B u l l e t i n , 1 7 7 , A S T M , p p 5 6 . . A t t i o g b e , E . K . , " M e a n S p a c i n g o f A i r V o i d s i n H a r d e n e d C o n c r e t e , " M a s t e r B u i l d e r s , I n c . , C l e v e l a n d , O h i o . . P o w e r s , T . C . , 1 9 5 4 , " V o i d S p a c i n g a s a B a s i s f o r P r o d u c i n g A i r - E n t r a i n e d C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , V o l . 5 0 , p p 7 4 1 - 7 6 0 . . A S T M C 1 2 5 - 8 8 , 1 9 9 1 , " T e r m i n o l o g y R e l a t i n g t o C o n c r e t e a n d C o n c r e t e A g g r e g a t e s , " A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . . L e a , F . M . , 1 9 7 1 , " T h e C h e m i s t r y o f C e m e n t a n d C o n c r e t e , " C h e m i c a l P u b l i s h i n g C o m p a n y , I n c . , N e w Y o r k , p p 5 9 6 . . N C H R P R e p o r t 2 5 8 , 1 9 8 3 , ” C o n t r o l o f A i r C o n t e n t i n C o n c r e t e , " T R B , N R C , M a y . . K l i e g e r , P . , 1 9 5 2 , " S t u d i e s o f t h e E f f e c t o f E n t r a i n e d A i r o n t h e S t a n d a r d D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e s M a d e w i t h V a r i o u s M a x i m u m S i z e s o f A g g r e g a t e s , " P r o c e e d i n g s , H R B B u l l e t i n , 1 9 6 ( 1 9 5 8 ) , p p 1 7 . . A S T M C 4 9 4 - 9 0 , 1 9 9 1 , " S p e c i fi c a t i o n f o r C h e m i c a l A d m i x t u r e s , " A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . . L a n e , R . O . , a n d B e s t , J . F . , 1 9 7 9 , ” L a b o r a t o r y S t u d i e s o n t h e E f f e c t s o f S u p e r p l a s t i c i z e r s o n t h e E n g i n e e r i n g P r o p e r t i e s o f P l a i n a n d F l y A s h C o n c r e t e , " S u p e r p l a s t i c i z e r s i n C o n c r e t e , S P - 6 2 , A C I , D e t r o i t , p p 1 9 3 . . W h i t i n g , D . , 1 9 8 1 , " E v a l u a t i o n o f S u p e r - W a t e r R e d u c e r s f o r H i g h w a y A p p l i c a t i o n s , " F H W A / r d - S O , M a r c h , p p 1 8 1 . ' . A b d u n - N u r , E . A . , 1 9 6 1 , " F l y A s h i n C o n c r e t e - A n E v a l u a t i o n , " H i g h w a y R e s e a r c h B u l l e t i n 2 8 4 , H i g h w a y R e s e a r c h B o a r d , N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l , W a s h i n g t o n , D . C . . D a v i s , R . E . , 1 9 5 0 , " A R e v i e w o f P o z z o l a n i c M a t e r i a l s a n d T h e i r U s e i n C o n c r e t e s , " S y m p o s i u m o n U s e o f P o z z o l a n i c M a t e r i a l s i n M o r t a r a n d C o n c r e t e s , A S T M S T P 9 9 , p p 3 - 1 5 . . M e h t a , P . K . , 1 9 8 9 , " P o z z o l a n i c a n d C e m e n t i t i o u s B y - P r o d u c t s i n C o n c r e t e - A n o t h e r L o o k , " P r o c e e d i n g s , F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g , a n d N a t u r a l P o z z o l a n s i n C o n c r e t e , E d . , M a l h o t r a , V . M . , S p e c i a l P u b l i c a t i o n N o . 1 1 4 , V o l . I , A C I , D e t r o i t , p p 1 . 7 9 . S C o o r n o c u r s e h t i e a , 8 0 . ' 1 8 . I C d o M e I n o n h c , r a e , m c t . , " ? n “ i G t . , . e P E n g l 8 2 . A S T M 6 1 P o z z o l a n B o o k o f 1 8 3 . C a n a d i a n C o m m e n 8 4 . A C I C o r r N o . 5 , S e 8 5 . M a n z , 0 E P / S E M 8 9 . S p e c i a l l 8 6 . S m i t h , c i n A l a b : 8 7 . B l a n k s , C o n c r e l 8 8 . P a r i s s i , R e s e a r t V i c k s b ' Z u s a t z : 2 9 , J u l 9 0 . S o r o u s S t a t e 1 9 1 , D a v i s 1 0 f C e ] 9 2 . D i k e o U . S , ' . . D o U D a i f . s e o v k i C e S . , m u B R e , u . J n r t e . , a . , E T s a . u n o a d f n d C o C n a c r r l e s t o e n s 1 9 R 6 e 7 c , l " m F a l t y i a , o A . n o h R , C s n W a n S t I U . i c n , r B K n a e g s l e l P s R e p W a . a n t l . i y o , z R o z e r J o s t s C , n , 1 " c 2 D a A 4 e 2 i e R v S i T f o . s C , M o H P c . r r n E c t . e e o e , e 1 i 9 n 3 g d t o S u 7 s l , , f V ” t o P e a i e s r l p o . e 3 r 3 t . A t t a c k , " 2 1 4 S o r o u s h i a n , P . , O k w u e g b u , A . , O p h a u g , R . , 1 9 8 9 , " Q u a l i t y C o n t r o l o f F l y A s h C o n c r e t e , " M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y S y m p o s i u m P r o c e e d i n g s , F e b r u a r y , p p 3 . 3 . I d o m , G . M . , 1 9 8 2 , " R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t f o r U s e o f F l y A s h i n C e m e n t C o n c r e t e , " E P R I P u b l i c a t i o n N o . C S - 2 6 1 6 — S R , S e p t e m b e r , p p 2 - 1 . M e h t a , P . K . , 1 9 8 6 , " C o n c r e t e S t r u c t u r e , P r o p e r t i e s a n d M a t e r i a l s , " P r e n t i c e H a l l , I n c . , E n g l e w o o d C l i f f s , N e w J e r s e y , p p 2 4 9 . A S T M 6 1 8 - 9 1 , 1 9 9 1 , " S p e c i fi c a t i o n f o r F l y A s h a n d R a w o r C a l c i n e d N a t u r a l P o z z o l a n f o r U s e a s a M i n e r a l A d m i x t u r e i n P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e . " A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . C a n a d i a n S t a n d a r d A s s o c i a t i o n , 1 9 8 2 , C A N 3 - A 2 3 - 5 - M 8 2 , " S u p p l e m e n t a r y C o m m e n t i n g M a t e r i a l s a n d T h e i r U s e i n C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n . " A C I C o m m i t t e e 2 2 6 , 1 9 8 7 , ” F l y A s h i n C o n c r e t e , " A C I M a t e r i a l J o u r n a l , V o l . 8 4 , N o . 5 , S e p — O c t . . M a n z , O . E . , 1 9 8 0 , ” U n i t e d N a t i o n s E c o n o m i c C o m m i s s i o n g o r E u r o p e , " R e p o r t E P / S E M , 7 1 R . 5 1 . . S p e c i a l R e p o r t 1 1 9 , 1 9 7 1 , " A d m i x t u r e s i n C o n c r e t e , " H i g h w a y R e s e a r c h B o a r d . . S m i t h , 0 . F . , 1 9 6 1 , " E x p e r i e n c e i n G e n e r a l U s e o f F l y A s h A d d i t i o n f o r C o n c r e t e i n A l a b a m a , " A m e r i c a n A s s o c i a t i o n o f S t a t e H i g h w a y O f fi c i a l s . . B l a n k s , R . F . , a n d K e n n e d y , H . L . , 1 9 5 5 , " T h e T e c h n o l o g y o f C e m e n t ’ a n d C o n c r e t e , " V o l 1 , C o n c r e t e M a t e r i a l s . J o h n W i l l e y a n d S o n s , N e w Y o r k . . P a r i s s i , F . , a n d S t r a u b , H . , 1 9 5 4 , " P o z z o l a n s a s C e m e n t s a n d A d m i x t u r e s , N e w R e s e a r c h R e s u l t s , " U . S . A r m y E n g i n e e r W a t e r w a y s E x p e r i m e n t S t a t i o n , V i c k s b u r g , M i s s . , T r a n s l a t i o n 5 4 - 1 0 . S e p . ( F r o m P o z z o l a n a l s B i n d e m i t t e l u n d Z u s a t z s t o f f : N e u e F o r s c h u n g s e r g e b n i s s e . S c h w e i z e r i s c h e B a u z e i t u n g , V o l . 7 1 , N o . 2 9 , J u l y 1 8 , 1 9 5 3 . . S o r o u s h i a n , P . , 1 9 9 0 , " D u r a b i l i t y C h a r a c t e r i s t i c s o f F l y A s h C o n c r e t e , " M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y C o n c r e t e T e c h n o l o g y S e m i n a r s - 4 , F e b r u a r y . 9 . 4 ' W C a o s n h t a a . i G i m n 9 3 . 3 1 0 6 1 1 1 , D ' C o n c r e t e ' 1 9 5 . M a t h e r , B U . S . A m 9 6 . H a l v o r s e r A d m i x t u i o f T e c h n 9 7 . P e r e n c h i t P o z z o l a n S k o k i e , i 9 8 . O z y i l d i r i i n l o u i s C o u n c i l 9 9 . R o y , D . i t s R e a r B y - P r o a n d 1 . 3 . 1 1 0 0 . A S T M P o z z o l . B o o k r 1 0 1 . D i a m r S y m p t 1 3 1 1 . , S ( 1 9 8 2 : 1 0 2 . S c h e e B e h a t R e s e 1 0 3 . D i a n C h e n P r o o C 0 1 1 4 P a r k 2 1 5 B l o e m , D . L . , 1 9 5 4 , " E f f e c t o f C u r i n g C o n d i t i o n s o n C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f C o n c r e t e T e s t S p e c i m e n s , " N S G A C i r c u l a r 5 9 , N R M V A P u b l i c a t i o n 5 3 , D e c e m b e r . . W a s h a . G . W . , W i t h e y , N . H . , 1 9 5 3 , " S t r e n g t h a n d D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e C o n t a i n i n g C h i c a g o F l y A s h , " A C I J o u r n a l P r o c e e d i n g s , V o l . 4 9 , A p r i l , p p 7 0 1 . . M a t h e r , B . , 1 9 5 7 , " F a c t o r s A f f e c t i n g D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e i n C o a s t a l S t r u c t u r e s , " U . S . A r m y C o r p s o f E n g i n e e r s , B e a c h E r o s i o n B o a r d , T M 9 6 , J u n e . . H a l v o r s e n , V . A . , 1 9 6 3 , " U s e o f P o z z o l a n s i n C o n c r e t e , " A p p l i e d s t u d i e s N o . 6 , A d m i x t u r e s o f C o n c r e t e . S w e d i s h c e m e n t a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e , T h e R o y a l I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , S t o c k h o l m , p p 5 6 . . P e r e n c h i o , W . F . , a n d K l i e g e r , P . , 1 9 7 6 , " F u r t h e r L a b o r a t o r y S t u d i e s o f P o r t l a n d - P o z z o l a n C e m e n t s , " R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t B u l l e t i n R D - 0 4 1 . 0 1 T , P C A , S k o k i e , I l l . . O z y i l d i r i m , C . , 1 9 7 9 , " E v a l u a t i o n o f E x p e r i m e n t a l I n s t a l l a t i o n s o f F l y A s h C o n c r e t e i n L o u i s a , " V H T R C 7 9 — R 5 2 , V i r g i n i a H i g h w a y a n d T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h C o u n c i l , C h a r l o t t e s v i l l e , V i r g i n i a . . R o y , D . M . , L u k e , K . , a n d D i a m o n d , S . , 1 9 8 5 , ” C h a r a c t e r i z a t i o n o f F l y A s h a n d i t s R e a c t i o n s i n C o n c r e t e , " S y m p o s i a P r o c e e d i n g s , F l y A s h a n d C o a l C o n s e r v a t i o n B y - P r o d u c t s : C h a r a c t e r i z a t i o n , U t i l i z a t i o n , a n d D i s p o s a l I , E d . M c C a r t h y , G . J . , a n d L a u f , R . J . , M a t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y , p p 3 . . A S T M C 3 1 1 - 9 0 , 1 9 9 1 , " T e s t M e t h o d s f o r S a m p l i n g a n d T e s t i n g F l y A s h o r N a t u r a l P o z z o l a n s f o r U s e a s a M i n e r a l A d m i x t u r e i n P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e , " A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . . D i a m o n d , S . , 1 9 8 1 , " T h e C h a r a c t e r i z a t i o n o f F l y A s h e s , " i n P r o c e e d i n g s , ’ S y m p o s i u m N , E f f e c t s o f F l y A s h I n c o r p o r a t i o n i n C e m e n t a n d C o n c r e t e , B o s t o n . E d . , S . D i a m o n d , p p 1 2 ; M a t e r i a l R e s e a r c h S o c i e t y , U n i v e r s i t y P a r k , P A 1 6 8 0 2 ( 1 9 8 2 ) . . S c h e e t z , B . E . , S t r i c k l e r , D . W . , a n d R o y , D . M . , 1 9 8 2 , " P h y s i c a l a n d C h e m i c a l B e h a v i o r o f S e l e c t i v e l y E t c h e d F l y A s h e s , " E d . , S . D i a m o n d , p p 2 4 ; M a t e r i a l R e s e a r c h S o c i e t y , U n i v e r s i t y P a r k , P A 1 6 8 0 2 . . D i a m o n d , S . a n d L o p e z - F l o r e s , F . , 1 9 8 1 , " O n t h e D i s t i n c t i o n i n P h y s i c a l a n d C h e m i c a l C h a r a c t e r i s t i c s B e t w e e n L i g n i t i c a n d B i t u m i n o u s F l y A s h e s , " i n P r o c e e d i n g s S y m p o s i u m , N , E f f e c t s o f F l y A s h I n c o r p o r a t i o n i n C e m e n t a n d C o n c r e t e , B o s t o n . E d . , S . D i a m o n d , p p 3 4 ; M a t e r i a l R e s e a r c h S o c i e t y , U n i v e r s i t y P a r k , P A 1 6 8 0 2 . 1 1 1 . l A C P 1 1 2 . a s o w h n e , c d " r 1 A h i l a G M F M o c y t s r e A 1 , r 6 e o r 114. M c C " M i n 4‘ P D 1 0 4 . D i a m o n d ) F l y A s h e s 1 0 5 . D i a m o n d : C e r t a i n 8 1 C o n c r e t e , C o n c r e t e 1 0 6 . D i a m o n d F H W A / I l a f a y e t t e 1 0 7 . S c h l o r h c A s h e s . " : a n d C o n P a r k , P 1 1 0 8 . D i a m o n i n F l y A 1 0 9 . 1 d o m , 1 C o n c r e t 1 1 0 . 1 d o r n , 1 P r o c e e t 1 1 3 . M e h t 1 0 P 0 : I n s t i n 4 . 2 1 6 D i a m o n d , S . , 1 9 8 3 , " O n t h e G l a s s P r e s e n t i n L o w - C a l c i u m a n d i n H i g h - C a l c i u m F l y A s h e s , " C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h 1 3 ( 4 ) , p p 4 5 9 . - . D i a m o n d , S . 1 9 8 2 , " C h a r a c t e r i z a t i o n a n d C l a s s i fi c a t i o n o f F l y A s h e s i n T e r m s o f C e r t a i n S p e c i fi c C h e m i c a l a n d P h y s i c a l P a r a m e t e r s , " I n t h e U s e o f P F A i n C o n c r e t e , E d . C a b r e r a , J . , a n d C u s e n s , A . , D e p t . o f C i v i l E n g i n e e r i n g , L e e d s , C o n c r e t e S o c i e t y a n d C e n t r a l E l e c t r i c i t y G e n e r a t i n g B o a r d , U K . . D i a m o n d , S . , 1 9 8 5 , " S e l e c t i o n a n d U s e o f F l y A s h f o r H i g h w a y C o n c r e t e , " F H W A / I N / J H H R P - 8 5 / 8 , J o i n t H i g h w a y R e s e a r c h P r o j e c t , P u r d u e U n i v e r s i t y , W e s t L a f a y e t t e , S e p t e m b e r . . S c h l o r h o l t z , S . , a n d D e m i r e l , T . , ” D e t e r m i n a t i o n o f F r e e L i m e ( C a O ) i n F l y A s h e s . " i n P r o c e e d i n g s S y m p o s i u m , N , E f f e c t s o f F l y A s h I n c o r p o r a t i o n i n C e m e n t a n d C o n c r e t e , B o s t o n . E d . , S . D i a m o n d ; M a t e r i a l R e s e a r c h S o c i e t y , U n i v e r s i t y P a r k , P A 1 6 8 0 2 . . D i a m o n d , S . 1 9 8 2 , " I n t i m a t e A s s o c i a t i o n o f C o a l P a r t i c l e s a n d I n o r g a n i c S p h e r e s i n F l y A s h , " C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h , 1 2 p p 4 0 5 . . I d o m , G . M . , 1 9 8 3 , " S t a t e o f T h e A r t f o r F l y A s h U s e s i n C o n c r e t e , " C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h , 1 4 , p p 4 6 3 . . I d o r n , G . M . , 1 9 8 3 , " T h i r t y Y e a r s o f A l k a l i s i n C o n c r e t e , " i n A l k a l i s i n C o n c r e t e , P r o c e e d i n g s , D a n i s h C o n c r e t e A s s o c i a t i o n , p p 2 1 . . J a w e d , I . , a n d S k a l n y , J . , " H y d r a t i o n o f T r i c a l c i u m S i l i c a t e 1 n t h e P r e s e n c e o f F l y A s h , P r o c e e d i n g s S y m p o s i u m , N , E f f e c t s o f F l y A s h I n c o r p o r a t i o n i n C e m e n t a n d C o n c r e t e , B o s t o n . E d , S . D i a m o n d ; M a t e r i a l R e s e a r c h S o c i e t y , U n i v e r s i t y P a r k , P A 1 6 8 0 2 . . G h o s e , A . , a n d P r a t t , P . L . , 1 9 8 1 , " S t u d i e s o f t h e H y d r a t i o n R e a c t i o n s a n d M i c r o s t r u c t u r e o f C e m e n t - F l y A s h P a s t e s , " P r o c e e d i n g s S y m p o s i u m , N , E f f e c t s o f F l y A s h I n c o r p o r a t i o n i n C e m e n t a n d C o n c r e t e , B o s t o n . E d . , 8 . D i a m o n d , p . 8 2 ; M a t e r i a l R e s e a r c h S o c i e t y , U n i v e r s i t y P a r k , P A 1 6 8 0 2 . . M e h t a , P . K . , 1 9 8 4 , " T e s t i n g a n d C o r r e l a t i o n o f F l y A s h P r o p e r t i e s w i t h R e s p e c t t o P o z z o l a n i c B e h a v i o r , " E P R I l , C S ~ 3 3 1 4 , p r e p a r e d f o r E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e , P a l o A l t o , C a l i f o r n i a . . M c C a r t h y , G . J . , S w a n s o n , K . D . , K e l l e r , L . P . , a n d B l a t t e r , W . C . , 1 9 8 4 , " M i n e r a l o g y o f W e s t e r n F l y A s h M i x t u r e s , " C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 1 4 , p p 4 7 1 . 1 2 4 . i F r i i s , a n d t h C o n g r R e o r p 1 1 5 . B e r r y . E - l o u m a l a b 1 1 6 . D a v i s , R - C o n c r e t e A r l i n g t o n 1 1 7 . U k i t a , K o f G e n o a N a t u r a l l V o l . 1 , A 1 1 8 . V i r t a n e n S l a g , F 1 : 1 1 9 . l a r s o n , C o n c r e t 1 1 2 0 . G r e i e b , R e p l a c e N o . 1 0 , 1 2 1 . 1 1 0 0 P r o c e e 1 2 2 . B l o e m , R e a d y V o l . 1 1 2 5 . A m i n P 0 1 1 2 6 . B r o w n L i m I n t e n 7 6 / 4 , 2 1 7 5 . B e r r y , E . E . , a n d M a l h o t r a , 1 9 8 0 , " F l y A s h i n C o n c r e t e - A C r i t i c a l R e v i e w , " A C I J o u r n a l , M a r c h - A p r i l . 5 . D a v i s , R . E . , 1 9 5 4 , " P o z z o l a n i c M a t e r i a l s - W i t h S p e c i a l R e f e r e n c e t o T h e i r U s e i n C o n c r e t e P i p e , " T e c h n i c a l M e m o r a n d u m , A m e r i c a n C o n c r e t e P i p e A s s o c i a t i o n , A r l i n g t o n , p p 3 0 . 7 . U k i t a , K . , S h i g e m a t s u , S . , a n d I s h i i , M . , 1 9 8 9 , " I m p r o v e m e n t s i n t h e P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e U t i l i z i n g C l a s s i fi e d A s h , " P r o c e e d i n g s , F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g , a n d N a t u r a l P o z z o l a n s i n C o n c r e t e , E d . , M a l h o t r a , V . M . , S p e c i a l P u b l i c a t i o n N o . 1 1 4 , V o l . I , A C I , D e t r o i t , p p 2 1 9 . 8 . V i r t a n e n , J . , 1 9 8 8 , " F r e e z e - T h a w R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e C o n t a i n i n g B l a s t - F u r n a c e S l a g , F l y A s h , o r C o n d e n s e d S i l i c a F u m e , " A C I S P - 7 9 , p p 9 2 3 . 9 . L a r s o n , T . D . , 1 9 6 4 , " A i r E n t r a i n m e n t a n d D u r a b i l i t y A s p e c t s o f F l y A s h C o n c r e t e , ” P r o c e e d i n g s , A S T M , V o l . 6 4 . p p 8 6 6 . 0 . G r e i e b , W . E . , a n d W o o l f , D . O . , 1 9 6 1 , ” C o n c r e t e C o n t a i n i n g F l y A s h a s a R e p l a c e m e n t f o r P o r t l a n d B l a s t - F u r n a c e S l a g C e m e n t , " P u b l i c R o a d s V o l . 3 1 , N o . 1 0 , O c t o b e r , p . 2 0 5 . 1 . A C I C o m m i t t e e , 1 9 6 2 , " D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e i n S e r v i c e , " A C I J o u r n a l , P r o c e e d i n g s , V o l . 5 9 , N o . 1 2 , p p 7 7 1 . 2 . B l o e m , D . L . , 1 9 5 4 , ” E f f e c t o f F l y A s h i n C o n c r e t e , " P u b l i c a t i o n N o . 4 8 , N a t i o n a l R e a d y M i x e d C o n c r e t e A s s o c i a t i o n , S i l v e r S p r i n g , p p 3 6 . 3 . C a m p b e l l , L . J r . , 1 9 6 1 , " A g g r e g a t e s a n d F l y A s h f o r B a r l e y L o c k , ” P r o c e e d i n g s V o l . 8 7 , p p 1 . 4 . F r i i s , K , 1 9 5 8 , " U s e o f A d m i x t u r e s a n d P o z z o l a n i c M a t e r i a l s i n C o n c r e t e f o r D a m s a n d t h e I n fl u e n c e o f t h e F i n e r S a n d P a r t i c l e s , " T r a n s a c t i o n s , S i x t h I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o n L a r g e D a m s , N e w Y o r k 1 9 5 8 , a n d P a r i s 1 9 5 9 , V o l . 1 1 1 , Q u e s t i o n 2 3 . R e p o r t 8 . S . A S T M C o m m i t t e e I l l - H , 1 9 6 2 , " C o o p e r a t i v e T e s t s o f F l y A s h a s a n A d m i x t u r e s i n P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e , ” P r o c e e d i n g s , V o l . 1 1 9 6 2 , p p 3 1 4 . 5 . B r o w n , P . W . , C l i f t o n , J . R . , F r o h n d r o f f , G . , a n d B e r g e r , R . L . , 1 9 7 6 , " L i m i t a t i o n s o f F l y A s h U s e i n B l e n d e d C e m e n t s , P r o c e e d i n g s , F o u r t h I n t e r n a t i o n a l A s h U t i l i z a t i o n S y m p o s i u m , S t . L u i s M a r c h 1 9 7 6 , E R D A M E R C / S P - 7 6 / 4 , U . S . B u r e a u o f M i n e s , W a s h i n g t o n D C . p , p 5 1 8 . 1 2 7 . S i l v C F C D o l o e n y n t d e , e a c c r s r r A o u e e s n t h t i t , 1 3 7 . M e u s S l a g 111001 i n C 1 1 2 8 . T h o m a s , S a v e r s , “ p p 1 0 8 . 1 2 9 . 1 e w i s , I U n i v e r s 1 3 0 . A C I C o C e m e n t 1 3 1 . A S T M 1 U s e i n 1 3 2 . C a n a d i : 1 3 3 . C a n a d i C e m e r 1 3 4 . A S T M A n n u a 1 3 5 . W o o d , S l a g 1 1 3 6 . W u , ) S l a g 1 2 1 8 7 . S i l v a s u n d a r a r n , V . , C a r e t t e , G . G . , a n d M a l h o t r a , V . M . , 1 9 8 9 , ” P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e , I n c o r p o r a t i n g L o w Q u a l i t y o f C e m e n t a n d H i g h V o l u m e s o f L o w - c a l c i u m F l y A s h , " P r o c e e d i n g s , F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g , a n d N a t u r a l P o z z o l a n s i n C o n c r e t e , E d . , M a l h o t r a , V . M . , S p e c i a l P u b l i c a t i o n N o . 1 1 4 , V o l . I , A C I , D e t r o i t , p p 4 5 . ’ 8 . T h o m a s , A n w a r , 1 9 7 9 , " M e t a l l u r g i c a l a n d S l a g c e m e n t s , t h e I n d i s p e n s a b l e E n e r g y S a v e r s , " G e n e r a l P r a c t i c e s , I E E E C e m e n t I n d u s t r y 2 1 T e c h n i c a l C o n f e r e n c e , p p 1 0 8 . . L e w i s , D . W . , 1 9 8 1 , " H i s t o r y o f S l a g C e m e n t s , " S y m p o s i u m o n S l a g C e m e n t , U n i v e r s i t y o f A l a b a m a , B i r m i n g h a m . . A C I C o m m i t t e e 2 2 6 , 1 9 8 7 , " G r o u n d G r a n u l a t e d B l a s t F u r n a c e S l a g a s a C e m e n t i t i o u s C o n s t i t u e n t i n C o n c r e t e , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , J u l y - A u g u s t . . A S T M C 9 8 9 - 8 5 a , " S t a n d a r d S p e c i fi c a t i o n f o r G r o u n d I r o n B l a s t - F u r n a c e S l a g f o r U s e i n C o n c r e t e a n d M o r t a r s , ” A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . . C a n a d i a n S t a n d a r d s A s s o c i a t i o n , C A N A 3 6 3 , " C e m e n t i t i o u s H y d r a u l i c S l a g . " . C a n a d i a n S t a n d a r d s A s s o c i a t i o n , C A N 3 - A 2 3 - 5 - M 8 2 , 1 9 8 2 , " S u p p l e m e n t a r y C e m e n t i n g M a t e r i a l s a n d T h e i r U s e i n C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n . " . A S T M C 5 9 5 - 8 6 , 1 9 9 0 , " S t a n d a r d S p e c i fi c a t i o n f o r B l e n d e d H y d r a u l i c C e m e n t s , " A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . . W o o d , K . , 1 9 8 1 , " T w e n t y Y e a r s o f E x p e r i e n c e w i t h S l a g C e m e n t , " S y m p o s i u m o n S l a g C e m e n t , U n i v e r s i t y o f A l a b a m a , B i r m i n g h a m . . W u , X . , a n d R o y , D . M . , 1 9 8 2 , " Z e t a P o t e n t i a l I n v e s t i g a t i o n D u r i n g H y d r a t i o n o f S l a g C e m e n t , " P r o c e e d i n g s , M . R . S . S y m p o s i u m , B o s t o n , R e s . S o c i e t y . . M e u s a l , J . W . , a n d R o s e , J . H . , 1 9 8 3 , ” P r o d u c t i o n o f G r a n u l a t e d B l a s t - F u r n a c e S l a g a t S p a r r o w s P o i n t , a n d t h e W o r k a b i l i t y a n d S t r e n g t h P o t e n t i a l o f C o n c r e t e I n c o r p o r a t i n g t h e S l a g , " F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g a n d O t h e r m i n e r a l B y - P r o d u c t s i n C o n c r e t e , S p - 7 9 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , D e t r o i t , p p 8 6 7 . . M a l h o t r a , V . M . , 1 9 8 0 , ” S t r e n g t h a n d D u r a b i l i t y C h a r a c t e r i s t i c s o f C o n c r e t e I n c o r p o r a t i n g a P e l l e t i z e d B l a s t F u r n a c e S l a g , ” F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g a n d O t h e r m i n e r a l B y - P r o d u c t s i n C o n c r e t e , S p - 7 9 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , D e t r o i t , p p 8 9 1 . . B a k e r , R o b e r t F . M . , 1 9 8 3 , " P e r m e a b i l i t y o f B l e n d e d C e m e n t i n C o n c r e t e , " F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g a n d O t h e r m i n e r a l B y - P r o d u c t s i n C o n c r e t e , S P - 7 9 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , D e t r o i t , p p 5 8 9 . 1 4 6 . R e P i g e o c u e 1 4 8 . S e s P l r e u l t P r c 1‘ 1 4 o . R o y , D - ? B l a s t F m V o l . 7 9 , 1 4 1 . B a k e t , R f r o m B 1 2 A a c h e n . 1 4 2 . M e h t a , l P e r f o r n 1 4 3 . N a g a t a k R e c o m r a s a n A i n C o n D e t r o i t 1 4 4 . A C I C 1 M a r c h 1 4 5 . H e l l n a ( I n N 1 1 4 7 . R e g o u F u m e M a r e 1 4 9 . H u g ; C e m 1 5 0 . H 0 3 1 M i c 1 4 0 . 1 4 1 . 1 4 2 . 1 4 3 . 1 4 4 . 1 4 5 . 1 4 6 . 1 4 7 . 1 4 8 . 1 4 9 . 1 5 0 . 1 5 1 . 2 1 9 R o y , D . M . , a n d I d o r n , G . M . , 1 9 8 2 , " H y d r a t i o n , S t r u c t u r e , a n d P r o p e r t i e s o f B l a s t F u r n a c e S l a g C e m e n t , M o r t a r s , a n d C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , P r o c e e d i n g s , V o l . 7 9 , N o . 6 , N o v e m b e r - D e c e m b e r , p p 4 4 5 . B a k e t , R . F . M . , 1 9 8 0 , " O n t h e C a u s e o f I n c r e a s e d R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e M a d e f r o m B l a s t F u r n a c e C e m e n t t o A l k a l i R e a c t i o n a n d S u l f a t e C o r r o s i o n , " T h e s i s , T H - A a c h e n . M e h t a , P . K . , 1 9 8 0 , ” D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e i n M a r i n e E n v i r o n m e n t - A R e v i e w , " P e r f o r m a n c e o f C o n c r e t e i n M a r i n e E n v i r o n m e n t , S p - 6 5 , A C I D e t r o i t , p p 1 2 0 . N a g a t a k i , S . , M a c h i d a , A . , Y a m a m o t o , Y . , a n d U o m o t o , T . , 1 9 8 9 , ” J a p a n e s e R e c o m m e n d a t i o n f o r t h e U s e o f G r o u n d G r a n u l a t e d B l a s t F u r n a c e S l a g i n C o n c r e t e a s a n A d m i x t u r e , " P r o c e e d i n g s , F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g , a n d N a t u r a l P o z z o l a n s i n C o n c r e t e , E d . , M a l h o t r a , V . M . , S p e c i a l P u b l i c a t i o n N o . 1 1 4 , V o l . I I , A C I , D e t r o i t , p p 1 6 5 7 . A C I C o m m i t t e e 2 2 6 , 1 9 8 7 , " S i l i c a F u m e i n C o n c r e t e , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , M a r c h - A p r i l . H e l l n a r d , S . , 1 9 8 6 , ” S i ] i c a - t i l s e t n n i n g s s t o f f t i l b e t o n g , " N o r d i s k B e t o n g , N o . 3 - 4 , ( I n N o r w e g i a n ) . R e g o u r d , M . , e t a 1 . 1 9 8 1 , " H y d r a u l i c R e a c t i v i t y o f V a r i o u s P o z z o l a n s , " P r o c e e d i n g s , 5 t h I n t . S y m p . o n C o n c r e t e T e c h n o l o g y , M o n t e r r e y , M a r c h . R e g o u r d , M . , e t a l . 1 9 8 3 , " M i c r o s t r u c t u r e o f F i e l d C o n c r e t e s C o n t a i n i n g S i l i c a F u m e , " P r o c e e d i n g s , 4 t h I n t . C o n f e r e n c e o n C e m e n t M i c r o s c o p y , L a s V e r g a s , M a r c h . ' S e l l e v o l d , E . J . , e t a l . 1 9 8 2 , ” S i l i c a F u m e - C e m e n t P a s t e s : H y d r a t i o n a n d P o r e s t r u c t u r e , " N o r w e g i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , T r o n d h e i m , R e p o r t B M L 8 2 . 6 1 0 , p p 1 9 . H u a n g C h e n g - y i a n d F e l d m a n , R . F . , 1 9 8 5 , " H y d r a t i o n R e a c t i o n s i n P o r t l a n d C e m e n t t - S i l i c a F u m e B l e n d s , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s . , 1 5 , p . 5 8 5 . H u a n g C h e n g - y i a n d F e l d m a n , R . F . , 1 9 8 5 , " I n fl u e n c e o f S i l i c a F u m e o n t h e M i c r o s t r u c t u r a l D e v e l o p m e n t i n C e m e n t M o r t a r s , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s . , 1 5 , p p 2 8 5 . T r a t t e b e r g , A . , 1 9 7 8 , " S i l i c a F u m e a s a P o z z o l a n i c M a t e r i a l , " I l l . C e m e n t o , 7 5 , N o . 3 , p p 3 6 9 . 1 5 3 . C h a t F e r t r e o r s j i i l 1 6 1 . 1 6 2 . M e l a l F C B . A 8 3 1 M e h t P o z a o ( n 1 5 2 . 8 0 8 1 5 3 8 1 , 1 M i c r o s t n o n C e m e 1 5 4 . D i a m o n d o f C e m 1 1 5 5 . W u , Z . , P r e s e n c 1 5 6 . H a 1 s e , ‘ C e m e n 1 1 5 7 . G r u t z e c i n C a l c i 1 5 8 . G r u t z e 1 C o m p 1 c h e r p p 1 9 2 1 5 9 . R e g o u U n i v e 1 6 0 . D i a m c S e m i i S e p t e 2 2 0 1 5 2 . S c h e e t z , B . E . , e t a l . 1 9 8 1 , " E f f e c t o f C o m p o s i t i o n o f A d d i t i v e s u p o n M i c r o s t r u c t u r e o f H y d r a t e d C e m e n t C o m p o s i t e s , " P r o c e e d i n g s , 3 r d I n t . C o n f e r e n c e o n C e m e n t M i c r o s c o p y , H o u s t o n , M a r c h , p p 3 0 7 . 1 5 3 . C h a t t e r j i , N . , e t a l . 1 9 8 2 , " P o z z o l a n i c A c t i v i t y o f B y p r o d u c t S i l i c a F u m e f r o m F e r r o - s i l i c o n P r o d u c t i o n , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s . , 1 2 , p p 7 8 1 . 1 5 4 . D i a m o n d , S . , 1 9 8 3 , " E f f e c t o f M i c r o s i l i c a ( s i l i c a f u m e ) o n P o r e S o l u t i o n C h e m i s t r y o f C e m e n t P a s t e s , " J o u r n a l o f A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y , 6 6 , M a y , N o . 5 . 1 5 5 . W u , Z . , a n d Y o u n g , J . F . , 1 9 8 4 , " T h e H y d r a t i o n o f T r i c a l c i u m S i l i c a t e i n t h e P r e s e n c e o f C o l l o i d a l S i l i c a , " J o u r n a l o f M a t e r i a l S c i e n c e , 1 9 , p p 3 4 7 7 . 1 5 6 . H a l s e , Y . e t a l . 1 9 8 4 , " C a l o r i m e t r y a n d M i c r o s c o p y o f F l y A s h a n d S i l i c a F u m e C e m e n t B l e n d s , " B r i t i s h C e r a m i c P r o c e e d i n g s , 3 5 , p p 4 0 3 . 1 5 7 . G r u t z e c k , M . W . , e t a l . 1 9 8 3 , " M e c h a n i s m o f H y d r a t i o n o f C o n d e n s e d S i l i c a F u m e i n C a l c i u m H y d r o x i d e S o l u t i o n s , " A C I P u b l i c a t i o n , S P - 7 9 , V o l . I I , p p 6 4 3 . 1 5 8 . G r u t z e c k , M . W . , e t a l . 1 9 8 2 , " M e c h a n i s m o f H y d r a t i o n o f P o r t l a n d C e m e n t C o m p o s i t e s C o n t a i n i n g F e r r o s i l i c o n D u s t , " P r o c e e d i n g s , 4 t h I n t . C o n f e r e n c e o n C e m e n t M i c r o s c o p y , L a s V e g a s , M a r c h , p p 1 9 3 . 1 5 9 . R e g o u r d , M . e t a l . 1 9 8 3 , " C o n d e n s e d S i l i c a F u m e , " E d i t e d b y A i t c i n , P . C . , ‘ U n i v e r s i t e d e S h e r b r o o k e , Q u e b e c , p p 2 0 . 1 6 0 . D i a m o n d , S . , 1 9 8 4 , " S c i e n t i fi c B a s i s f o r t h e U s e o f M i c r o S i l i c a i n C o n c r e t e , " 1 3 1 S e m i n a r o n E l k u m M i c s o s i l i c a T e c h n o l o g y , E l k u m C h e m i c a l s , S a o P a l o , S e p t e m b e r . 1 6 1 . M e l a n d , I . , 1 9 8 3 , " H y d r a t a s j o n s v a r m e , H y d r a t a s j o n s f o r l o p o g S i l i k a s t o v , " F C B / S I N T E F , N o r w e g i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , T r o n d h e i m , R e p o r t S T F 6 5 A 8 3 0 2 2 , ( I n N o r w e g i a n ) . 1 6 2 . M e h t a , P . K . , 1 9 8 1 , " S u l f a t e R e s i s t a n c e o f B l e n d e d P o r t l a n d C e m e n t s C o n t a i n i n g P o z z o l a n s a n d G r a n u l a t e d B l a s t F u r n a c e S l a g , " P r o c e e d i n g s , 5 t h I n t . S y m p o s i u m o n C o n c r e t e T e c h n o l o g y , M o n t e r r e y , M a r c h . 1 6 3 . M a n m o h a n D . , a n d M e h t a , P . K . , " I n fl u e n c e o f P o z z o l a n i c , S l a g , a n d C h e m i c a l A d m i x t u r e s o n P o r e D i s t r i b u t i o n a n d P e r m e a b i l i t y o f H a r d e n e d C e m e n t P a s t e s , " C e m e n t C o n c r e t e a n d A g g r e g a t e s , 3 , N o . 1 , S u m m e r , p p 6 3 . 1 6 4 . S e l l v o l d , E . , a n d N i l s o n , T . , 1 9 8 7 , " C o n d e n s e d S i l i c a F u m e i n C o n c r e t e - A W o r l d R e v i e w , " C h a p t e r 3 . C A N M E T P u b l i c a t i o n S P 6 8 - 8 E , p p 1 6 7 . 176. L e h l C e r 1 6 5 . F e l d m a n M e r c u r y 1 6 6 . T r a e t t e b 1 D u s t , " 1 1 6 7 . G j o r v , 1 A C I S P 1 6 8 . M a r k e s t P r o b l e i R e s e a r 1 1 6 9 . C h r i s t e : T e k n o l 1 7 0 . S a n d v i l N o r w e : N o r w e ; 1 7 1 . O k k e n t h e A T e c h r 1 7 2 . O k k e r L - s t o ' R e s e z P P 1 1 1 7 3 . C a r e t a n d l C e m 1 7 4 . V i n a S l a g P P 9 1 7 5 . V i m C o n 2 2 1 1 6 5 . F e l d m a n , R . F . , 1 9 8 4 , " P o r e S t r u c t u r e D a m a g e i n B l e n d e d C e m e n t s C a u s e d b y M e r c u r y I n t r u s i o n , " J o u r n a l o f A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y , V o l . 6 2 , N o . 1 , p . 3 0 . 1 6 6 . T r a e t t e b e r g , A . , 1 9 8 0 , " F r o s t A c t i o n i n M o r t a r o f B l e n d e d C e m e n t s w i t h S i l i c a D u s t , " A S T M S T P 6 9 1 , p p 5 3 6 . 1 6 7 . G j o r v , O . E . , 1 9 8 3 , " D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e C o n t a i n i n g C o n d e n s e d S i l i c a f u m e , " A C I S P - 7 9 , p p 6 9 5 . 1 6 8 . M a r k e s t a d , A . , 1 9 7 7 , " A n I n v e s t i g a t i o n o f C o n c r e t e I n R e g a r d t o P e r m e a b i l i t y P r o b l e m s a n d F a c t o r s I n fl u e n c i n g t h e R e s u l t s o f P e r m e a b i l i t y T e s t s , " S I N T E F . R e s e a r c h R e p o r t 6 5 A 7 7 0 7 7 , N T H T r o n d h e i m , N o r w a y . 1 6 9 . C h r i s t e n s e n P . , 1 9 8 2 , " A f p r o v n i n g a f k v a l i t e t a r a k t e r i s e r i i n g a f b e t o n t i l s a t S i l i c a , " T e k n o l o g i s k I n s t i t u t , B y g g e t e k n i k , C o p e n h a g e n , ( I n D a n i s h ) . 1 7 0 . S a n d v i k , M . , 1 9 8 3 , " S i l i c a b e t o n g , " h e r d e v a r m e , e g e n s k a p s u t v i k l i n g , P C B / S I N T E F , N o r w e g i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , T r o n d h e i m , R e p o r t S T F 6 5 A 8 3 0 6 3 , ( I n N o r w e g i a n ) . 1 7 1 . O k k e n h a u g , K . , a n d G j o r v , O . E . , 1 9 8 2 , " I n fl u e n c e o f C o n d e n s e d S i l i c a F u m e o n t h e A i r - V o i d S y s t e m i n C o n c r e t e , " P C B / S I N T E F , N o r w e g i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , T r o n d h e i m , R e p o r t S T F 6 5 A 8 2 0 4 4 . 1 7 2 . O k k e n h a u h , K . , 1 9 8 3 , " S i l i k a s t o v e t s i n n v i r k n i n g p a l u f t e n s s t a b i l i t e t i b e t o n g m e d L — s t o f f o g m e d L - s t o f f i k o m b i n a s j o n m e d P - s t o f f , " S w e d i s h C e m e n t a n d C o n t r e t e R e s e a r c h I n s t i t u t e a t t h e I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , S t o c k h o l m , C B I R e p o r t 2 : 8 3 , p p 1 0 1 , ( I n N o r w e g i a n ) . 1 7 3 . C a r e t t e , G . G . , a n d M a l h o t r a , V . M . , 1 9 8 3 , " M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s , D u r a b i l i t y , a n d D r y i n g S h r i n k a g e o f P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e I n c o r p o r a t i n g S i l i c a f u m e , " C e m e n t C o n c r e t e a n d A g g r e g a t e s , 5 , N o . 1 , S u m m e r , p p 3 . 1 7 4 . V i r t a n e n , J . , 1 9 8 3 , " F r e e z e - T h a w R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e C o n t a i n i n g B l a s t F u r n a c e S l a g , F l y A s h , a n d C o n d e n s e d S i l i c a F u m e , " A C I P u b l i c a t i o n S P - 7 9 , V o l . I I , p p 9 2 3 . 1 7 5 . V i t r a t n e n , J . , 1 9 8 5 , " M i n e r a l B y - p r o d u c t s a n d F r e e z e - T h a w R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e , " P u b l i k a t i o n n r . 2 2 : 8 5 , D a n s k B e t o n f o r e n i n g , C o p e n h a g e n , p p 2 3 1 . 1 7 6 . L e h t o n e n , V . , 1 9 8 3 , " F r o s t b e s t a n d i g h e t h o s b e t o n g m a d fl y g a s k a e l l e r k i s e l s t o f t , " C e m e n t - o c h B e t o n g - i n s t i t u t t e t , I n f o r m a t i o n s d a g e n , S t o c k h o l m , ( I n S w e d i s h ) . 1 7 7 . L e R C e s h o t i p o s e n t n e a n n h . t a 1 8 7 . A 8 1 1 C o m 1 7 8 . A i t c i n , P F u m e C 1 1 7 9 . R a s m u s s F e d e r a t i 1 8 0 . C h r i s t e n ~ k a n t e l e i ( l n D a n 1 8 1 . F a g e r l a B e t o n f 1 1 8 2 . V u o r i n r D a n s k 1 8 3 . C h e n g - S t r u c t u p p 7 4 0 1 8 4 . A S T M C o n c r 1 8 5 . A S T N S p e c i 1 8 6 . A 8 7 ] D e l a C o r n 1 8 8 . A s p C o n 1 8 9 . A 3 1 I o n B o o 2 2 2 1 7 7 . L e h t o n e n , V . , 1 9 8 5 , " T h e I n fl u e n c e o f P o z z o l a n i c A d m i x t u r e s o n t h e F r o s t R e s i s t a n c e o f H a r d e n e d C o n c r e t e , " P u b l i k a t i o n n r . 2 2 : 8 5 , D a n s k B e t o n f o r e n i n g , C 0 p e n h a g e n , p p 2 1 7 . 1 7 8 . A i t c i n , P . C . , a n d V e z i n a , D , 1 9 8 4 , " R e s i s t a n c e t o F r e e z i n g a n d T h a w i n g o f S i l i c a F u m e C o n c r e t e , " C e m e n t C o n c r e t e a n d A g g r e g a t e s , 6 , N o . 1 , p p 3 8 . 1 7 9 . R a s m u s s e n , T . H . , 1 9 8 5 , " L o n g T e r m D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e , " N o r d i c C o n c r e t e F e d e r a t i o n , O s l o , P u b l i c a t i o n N o . 4 . 1 8 0 . C h r i s t e n s e n , P . , a n d J a n s e n , J . H . , 1 9 8 5 , " L u f t i b l a n d i n g i s i l i c a b e t o n t i l F a r o b r o e n s k a n t e l e m e n t e r , " P u b l i k a t i o n n r . 2 2 : 8 5 , D a n s k B e t o n f o r e n i n g , C 0 p e n h a g e n , p p 1 8 1 , ( I n D a n i s h ) . 1 8 1 . F a g e r l a n d , G , 1 9 8 5 , " K r i s t i s k v a t t e n m e t t n a d , " P u b l i k a t i o n n r . 2 2 : 8 5 , D a n s k B e t o n f o r e n i n g , C O p e n h a g e n , p p 7 9 , ( I n S w e d i s h ) . 1 8 2 . V u o r i n e n , J . , 1 9 8 5 , " O m s k y d d p o r f o r h a l l a n d e t h o s b e t o n g , " P u b l i k a t i o n n r . 2 2 : 8 5 , D a n s k B e t o n f o r e n i n g , C o p e n h a g e n , p p 2 8 3 , ( I n S w e d i s h ) . 1 8 3 . C h e n g - Y i , H . , F e l d m a n , R . F . , 1 9 8 5 , " D e p e n d e n c e o f F r o s t R e s i s t a n c e o n t h e P o r e S t r u c t u r e o f M o r t a r C o n t a i n i n g S i l i c a F u m e , " A C I J o u r n a l , S e p t e m b e r - O c t o b e r , p p 7 4 0 . 1 8 4 . A S T M C 3 9 - 8 6 , 1 9 9 1 , " S t a n d a r d M e t h o d f o r C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f C y l i n d r i c a l C o n c r e t e S p e c i m e n s , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . 1 8 5 . A S T M C 1 9 2 - 9 0 a , 1 9 9 1 , " S t a n d a r d P r a c t i c e f o r M a k i n g a n d C u r i n g C o n c r e t e T e s t S p e é i m e n s i n t h e L a b o r a t o r y , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . 1 8 6 . A S T M C 4 9 0 — 8 9 , 1 9 9 1 , " S t a n d a r d P r a c t i c e f o r U s e o f A p p a r a t u s f o r t h e D e t e r m i n a t i o n o f L e n g t h C h a n g e o f H a r d e n e d C e m e n t P a s t e , M o r t a r , a n d C o n c r e t e , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . 1 8 7 . A S T M C 2 3 1 - 9 1 , 1 9 9 1 , " S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r A i r C o n t e n t o f F r e s h l y M i x e d C o n c r e t e b y t h e P r e s s u r e M e t h o d , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . 1 8 8 . A S T M C l 4 3 - 9 0 a , 1 9 9 1 , ’ S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r S l u m p o f H y d r a u l i c C e m e n t C o n c r e t e , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . 1 8 9 . A S T M C 2 1 5 - 8 5 , 1 9 9 1 , " S t a n d a r d T e s t M e t h o d f o r F u n d a m e n t a l T r a n s v e r s e , L o n g i t u d i n a l , a n d T o r s i o n a l F r e q u e n c i e s o f C o n c r e t e S p e c i m e n s , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . 1 9 0 3 1 1 6 1 1 1 1 1 1 8 , P e r m e a b i 1 9 1 . N o r r i s , C 1 9 2 . A S T M E B i a s i n 1 1 9 3 . A S T M ( S t a t e m e S t a n d a r d 1 9 4 . P o w e r s , H a r d e n 1 9 5 . W i l l i s , C o n c r e p p 2 0 3 1 9 6 . P l e a u , l P e r t a i r H a r d e 1 N o . 2 , 2 2 3 1 9 0 . B u e n t i n g , M a r k A . , M a s t e r s T h e s i s , 1 9 9 2 , " A n A n a l y s i s o f T h e F a c t o r s A f f e c t i n g 1 9 1 . 1 9 2 . 1 9 3 . 1 9 4 . 1 9 5 . 1 9 6 . P e r m e a b i l i t y a n d P o r e S t r u c t u r e o f C o n c r e t e , " U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n . N o r r i s , G . M . , 1 9 8 3 , " A S o i l M e c h a n i c s P r i m e r ( d r a f t c o p y ) . " A S T M E 1 7 7 - 9 0 a , 1 9 9 1 , " S t a n d a r d P r a c t i c e f o r U s e o f t h e T e r m s P r e c i s i o n a n d B i a s i n A S T M T e s t M e t h o d s , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . A S T M C 6 7 0 - 9 l a , 1 9 9 1 , " S t a n d a r d P r a c t i c e f o r P r e p a r i n g P r e c i s i o n a n d B i a s S t a t e m e n t s f o r T e s t M e t h o d s f o r C o n s t r u c t i o n M a t e r i a l s , " A S T M A n n u a l B o o k o f S t a n d a r d s , V o l . 0 4 . 0 2 . P o w e r s , T . C . , a n d B r o w n y a r d , T . L . , 1 9 4 7 , " S t u d i e s o f t h e P h y s i c a l P r o p e r t i e s o f H a r d e n e d C e m e n t P a s t e , " J o u r n a l o f A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , 1 8 . 8 , p p 9 3 3 . W i l l i s , T . F . , 1 9 4 9 , D i s c u s s i o n o f , " T h e A i r R e q u i r e m e n t o f F r o s t R e s i s t a n t C o n c r e t e , " b y T . C . P o w e r s , P r o c e e d i n g s , H i g h w a y R e s e a r c h B o a r d , V o l . 2 9 , p p 2 0 3 . P l e a u , R . , P l a n t e , P . , G a g n e , R . , a n d P i g e o n , M . , 1 9 9 0 , " P r a c t i c a l C o n s i d e r a t i o n s P e r t a i n i n g t o t h e M i c r o s c o p i c a l D e t e r m i n a t i o n o f A i r V o i d C h a r a c t e r i s t i c s o f H a r d e n e d C o n c r e t e ( A S T M C 4 5 7 ) , " C e m e n t C o n c r e t e , a n d A g g r e g a t e s , V o l . 1 2 , N o . 2 , S u m m e r , p p 3 . A P P E N D I X A ( P r o p e r t i e s o f M a t e r i a l s ) 1 T a b l e A l : F 1 . C o a r s e 4 8 3 1 1 1 . T 1 9 1 b . N o n c . B u l l ( 1 . A b : e . D u : i . G r : g 6 M 9 1 3 0 % p a s s i n g 1 / 2 D 0 5 0 . % 1 6 O - n — - 0 0 i T G r a d a t i o n 6 A S p e c i f i c a t i o n 0 0 0 . . 0 % % s 8 i % e v e ) z . S i . . n n . . i d n a n n 5 4 i i a e 0 3 0 3 ' 0 0 3 3 e i i r d 2 v 5 5 2 0 7 5 7 3 . G 2 2 i 0 C C S i e . . . . o . * x 1 a g 1 e 1 1 0 0 0 N ( O C M 3 A F S e T o t a l % P a s s i n t i o n t e s t r u n i n t h e l 9 1 8 3 1 2 a P 9 2 0 0 0 0 4 8 8 0 ’ 0 b . e 5 . . r 1 . 5 8 . . 1 0 1 s h o w o n l y 1 c 7 9 5 0 0 2 e n t a g e % 0 % % % % % 2 2 4 T a b l e A . 1 : P r 0 p e r t i e s o f a g g r e g a t e s u s e d . 1 . C o a r s e A g g r e g a t e a . T y p e : D o l o m i t e , c r u s h e d l i m e s t o n e b . N o m i n a l s i z e : 1 . 2 5 i n c h c . B u l k S p e c i fi c G r a v i t y ( S S D ) : 2 . 6 4 ( 1 . A b s o r p t i o n : 0 . 9 % e . D u r a b i l i t y f a c t o r : 9 2 ( d e t e r m i n e d u s i n g M D O T m o d i fi c a t i o n o f A S T M C 6 6 6 p r o c e d u r e B ) 1 ' . G r a d a t i o n o f 6 A c r u s h e d l i m e s t o n e : g . C h e m i c a l a n a l y s i s : T a b l e 1 1 . 1 ( c 2 . F i n e A g g r e l a . B u l l 0 . P i n c . A b : 1 1 . G r S 3 4 8 3 5 1 2 1 i / e 8 6 0 0 0 0 0 0 v e S i z e T ( o A t v a e l r % a g e P a o s f s i n 1 5 g s a m p l e s ) 9 0 1 5 0 0 . 9 9 7 1 4 2 5 1 0 . . . . . 4 6 7 9 1 5 8 6 1 0 4 9 . 5 7 2 2 5 T a b l e A . l ( c o n t ’ d ) 2 . F i n e A g g r e g a t e a . B u l k S p e c i fi c G r a v i t y ( S S D ) : 2 . 6 4 b . F i n e n e s s m o d u l u s : 2 . 7 0 c . A b s o r p t i o n : 2 . 1 % d . G r a d a t i o n A n a l y s i s : A S T M C 3 3 S p e c i f i c a t i o n 1 0 0 9 5 - 1 0 0 8 0 — 1 0 0 5 0 — 8 5 2 5 — 6 0 1 0 — 3 0 2 - 1 0 0 . 3 T a b l e A 2 . ( P o z z o l a n T y p e & S 1 C l a s s F F C e n t r a l i a C l a s s C ; n a o s a m l a & F l i i C e S o u r F l y A F R l i y v A e e s h s h c r P T C C y o l e z a n z e p s t s r C L l a a r s a l l i i r : 1 : C s S A I S C M L * S A I S C M L n i o i t t O i i r o O : i r * u c m t a u h u o i o r l a l a u o o e i i u t l o l i s * l l o : l l i s u 1 m o c m n f i : c s s n f c s s c a D i u e t r D i o m u e r n n x T u o u n x T u u o o m T T r f n r f l i d I t i d a m O i g m a O i I g C o o e C l o o e C x n o l n x x o O i x x o i O i x i i n i t i n x d x d i t m d d t i d d t i i e i e e e o e e e e o - p d o e t n n d e t n n A S S p T e M i c 7 0 0 0 5 0 0 0 0 5 3 6 0 5 3 6 C i 6 c a 0 0 0 0 0 0 0 0 M M M M M M M M t i a a a i a a a . . . f . . . . . 9 1 i 8 o - n 8 s A r c c t e n P e n x x x n x x x t a 8 3 u 4 2 7 3 1 5 2 6 8 1 8 0 0 3 8 6 8 2 7 0 0 l . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 1 2 8 1 0 1 6 3 4 4 5 2 0 3 7 3 4 4 2 6 4 3 8 7 7 2 8 3 6 0 2 2 6 T a b l e A . 2 . C h e m i c a l p r o p e r t i e s o f fl y a s h . T a b l e A . 3 . 1 P o z z o l a n T } 8 1 S o m e C l a s s F F l y A s h C e n t r a l i a C l a s s C 1 1 7 1 1 1 A s h h m m i e l % ) 2 i C n r 7 t o e 5 t S I e @ y o i n n 9 s n e v d t 6 2 e ( ( y l d s m , a i e o x 8 p s f ( ) d i ) C m P F & C C o l l e z a y n S s t z o l s A o r u s a - C F L l l a a y r s s A s a m r C F l i T y p e e a i h c n a ‘ h e R i v e r P F P W S S F P W S S r i o a o p i o o n z R W W A R W W A a o p p e z R i i u i i u e e t u e t e n o a t t i a n o t t t t e n c e z R e n c t t u e n z t s a i c i r e l h t h a r d o i n fi e l h t h a r d i o n fi c d s s c r t v d m r c r t v q s e e s e i o a e s e i s n o P L l n n e R c s a i e R c s n o P L l i G i o i a q G o A l t o e a e i o A l e i t o u e a u m r C v n v # n c a r E o @ t n e x i t n C c a r E o @ e t n x 3 v t y e a 3 v t e a d p i m # n i d m p i t y n n n 2 i C r 7 r o l a % o a y ) n y s t s o n t r o l % x 8 p t o e 5 t y l d s m , a i S I e @ y o i n n 9 s n e v d t 6 e o e 2 ( ( ( ) d i ) C s f % A S T S p M e C c i fi c 3 7 0 0 . 1 8 0 1 8 4 a 5 t i M M M M M M M M 4 5 8 4 5 0 5 8 5 L 3 o 7 0 - N 1 0 o - a a a i i a 8 n 9 s x x x n n x M i i m i n t x x a a , 8 P ‘ 1 A c t e - 2 9 0 8 r c 4 0 2 8 . . 0 . 0 2 . . 1 8 1 8 * 2 9 0 2 6 2 4 0 - u . . - a l e n t 8 7 . 0 4 0 0 0 0 7 0 2 3 9 2 0 0 0 3 3 0 1 7 4 5 . . 0 2 2 7 T a b l e A . 3 . P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f fl y a s h . A P P E N D I X B ( M i x D e s i g n s , F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y , a n d A i r V o i d C h a r a c t e r i s t i c s ) = " 0 1 X ) S N ( : I | ) i ( C A F I . E h g u o r h t B x i t a M r o f s c i t s i r e t c a r a h c e t e r c n o c d n a n g i s e d x i M - 1 . B e l b a T 1 1 2 1 ‘ 0 1 t a ) ) X s l l ( 5 9 5 7 8 5 5 6 5 6 . . . . . 0 0 0 0 0 0 0 / / 0 / / / ( 4 " 8 3 2 . 2 . 6 . 5 0 9 5 F . . . 3 . . 8 . 0 . . . . k I 2 4 1 1 1 2 5 9 1 7 1 2 2 8 0 8 8 8 8 0 o 5 0 5 . . . . . . . . . . . 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 _ ¥ ) x ( c a s H ) e p 2 2 2 2 2 2 2 l 1 1 l 1 l T l y T ( R U ) R e H p / y R T H ( ) d y z c z l o i P ( ) t d n v e c m l . 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S t a t i s t i c s , C - s t r w i t h A C a n d W / C f o r M a t r i x A . C S T R B Y A C N C T O T A L P O P U L A T I O N * * ' C E L L C O H P R E S S I V E S T R E N G T H A I R C O N T E N T H A T E R - C E M E N T R A T I O 3 7 1 9 4 . 7 0 ( 3 0 ) A C 1 2 3 3 9 4 0 3 . 8 3 3 9 8 6 0 . 0 0 3 0 5 4 9 . 3 8 ( 1 2 ) ( 1 0 ) ( 8 ) N C 1 2 3 4 2 1 5 2 . 6 7 3 9 5 4 7 . 1 5 3 1 7 1 0 . 1 8 ( 6 ) ( 1 3 ) ( 1 1 ) N C 1 2 3 A C 1 4 1 8 9 9 . 2 5 4 0 8 8 9 . 2 5 3 5 4 2 3 . 0 0 ( 4 ) ( 4 ) ( 4 ) 2 4 2 6 5 9 . 5 0 4 1 8 8 1 . 6 0 3 4 6 2 4 . 3 3 ( 2 ) ( 5 ) ( 3 ) 3 . 0 0 3 5 2 8 7 . 0 0 2 5 8 1 1 . 7 5 ( 0 ) ( 4 ) ( 4 ) N E A N S * * * C S T R B Y A C H C S o u r c e o f V a r i a t i o n M a i n E f f e c t s A C H C Z - u a y I n t e r a c t i o n s A C N C E x p l a i n e d R e s i d u a l T o t a l C o r r e l a t i o n s : A C A C 1 . 0 0 0 0 H C . 2 6 3 1 C S T R - . 5 6 4 3 * * S u m o f S q u a r e s 8 6 1 3 1 9 1 3 8 . 5 0 2 3 1 1 0 0 8 6 9 2 . 8 6 4 3 7 8 4 3 4 9 0 1 . 7 4 4 1 6 5 9 3 5 7 7 . 1 8 1 1 6 5 9 3 5 7 7 . 1 8 1 8 7 7 9 1 2 7 1 5 . 6 8 3 1 4 6 2 6 0 6 3 6 . 6 1 7 1 0 2 4 1 7 3 3 5 2 . 3 0 H C C S T R . 2 6 3 1 - . 5 6 4 3 * * 1 . 0 0 0 0 - . 7 0 0 0 * * - . 7 0 0 0 * * 1 . 0 0 0 0 M e a n D F S q u a r e 4 2 1 5 3 2 9 7 8 4 . 6 3 2 1 5 5 5 0 4 3 4 6 . 4 3 2 1 8 9 2 1 7 4 5 0 . 8 7 3 5 5 3 1 1 9 2 . 3 9 4 3 5 5 3 1 1 9 2 . 3 9 4 7 1 2 5 4 1 6 1 0 2 . 2 4 2 2 6 6 4 8 2 1 0 . 7 5 5 2 9 3 5 3 1 6 3 2 2 . 4 9 3 F 3 2 . 3 8 9 2 3 . 3 9 0 2 8 . 4 6 1 . 8 3 2 . 8 3 2 1 8 . 8 6 5 S i g n i f o f F . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 4 9 1 . 4 9 1 . 0 0 0 2 8 2 T a b l e B . 3 . E f f e c t o f fl y a s h , W R / H R W R , A B A a n d W / C o n f r o s t r e s i s t a n c e . A E A H C F L Y A S H A E A U C F L Y A S H A E A U C F L Y A S H A E A H C F L Y A S H H R * * * C E L L m e a n s * 1 ” O F B Y F L Y A S H U R A E A H C 1 1 9 4 . 0 0 ( 6 ) 2 9 . 3 3 ( 6 ) 3 6 . 4 0 ( 5 ) 5 0 . 4 0 ( 5 ) 8 8 . 6 0 ( 5 ) 1 5 . 0 0 ( 5 ) 7 7 . 6 0 ( 5 ) 6 9 . 5 0 ( 2 ) D U R A B I L I T Y F A C T O R T Y P E O F F L Y A S H ; C L F A N D C H A T E R R E D U C E R , A N D H I G H R A N G E H A T E R R E D U C E R T Y P E O F A E A H A T E R - T O - C E M E N T I T O U S R A T I O 1 4 . 4 0 ( 5 ) 1 2 . 4 0 ( 5 ) 4 2 . 8 0 5 5 . 8 0 ( 5 ) 3 9 . 0 0 ( 5 ) 3 5 . 4 0 ( 5 ) 2 3 . 0 0 ( 5 ) 3 6 . 8 0 ( 5 ) 2 8 3 T a b l e D . 3 . ( C o n t ’ d ) . * * * A N A L Y S I S O F D F B Y F L Y A S H H R A E A H C S o u r c e o f V a r i a t i o n M a i n E f f e c t s F L Y A S H H R A E A H C Z - u a y I n t e r a c t i o n s F L Y A S H H R F L Y A S H A E A F L Y A S H H C H R A E A H R H C A E A H C 3 - u a y I n t e r a c t i o n s F L Y A S H H R A E A F L Y A S H H R H C F L Y A S H A E A H C H R A E A H C 4 - u a y I n t e r a c t i o n s F L Y A S H H R A E A H C ‘ E x p l a i n e d R e s i d u a l T o t a l V A R I A N C E * * * D U R A B I L I T Y F A C T O R T Y P E O F F L Y A S H ; C L F A N D C H A T E R R E D U C E R , A N D H I G H R A N G E H A T E R R E D U T Y P E O F A E A H A T E R - T O - C E M E N T I T O U S R A T I O S u m o f M e a n S q u a r e s D F S q u a r e F 1 8 4 7 2 . 5 6 0 4 4 6 1 8 . 1 4 0 6 2 . 0 2 6 5 1 7 8 . 1 3 4 1 5 1 7 8 . 1 3 4 6 9 . 5 4 8 1 1 7 5 0 . 9 8 3 1 1 1 7 5 0 . 9 8 3 1 5 7 . 8 2 8 7 9 3 . 8 3 5 1 7 9 3 . 8 3 5 1 0 . 6 6 2 3 9 9 . 8 6 6 1 3 9 9 . 8 6 6 5 . 3 7 1 2 0 2 0 8 . 1 7 5 6 3 3 6 8 . 0 2 9 4 5 . 2 3 6 8 7 1 3 . 3 8 0 1 8 7 1 3 . 3 8 0 1 1 7 . 0 3 0 8 1 3 9 . 4 3 7 1 8 1 3 9 . 4 3 7 1 0 9 . 3 2 1 5 7 4 . 1 8 8 1 5 7 4 . 1 8 8 7 . 7 1 2 1 3 8 2 . 4 6 4 1 1 3 8 2 . 4 6 4 1 8 . 5 6 8 6 0 . 4 1 0 1 6 0 . 4 1 0 . 8 1 1 9 1 . 3 9 9 1 9 1 . 3 9 9 1 . 2 2 8 1 2 1 4 3 . 7 7 5 4 3 0 3 5 . 9 4 4 4 0 . 7 7 6 3 7 9 0 . 6 6 1 1 3 7 9 0 . 6 6 1 5 0 . 9 1 2 2 4 0 . 4 9 9 1 2 4 0 . 4 9 9 3 . 2 3 0 2 7 . 5 8 2 1 2 7 . 5 8 2 . 3 7 0 8 2 6 3 . 4 8 1 1 8 2 6 3 . 4 8 1 1 1 0 . 9 8 7 7 0 . 5 7 9 1 7 0 . 5 7 9 . 9 4 8 7 0 . 5 7 9 1 7 0 . 5 7 9 . 9 4 8 5 0 8 9 5 . 0 8 8 1 5 3 3 9 3 . 0 0 6 4 5 . 5 7 2 4 6 9 0 . 6 3 3 6 3 7 4 . 4 5 4 5 5 5 8 5 . 7 2 2 7 8 7 1 2 . 6 3 7 S i g n i f o f F . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 2 . 0 2 4 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 7 . 0 0 0 . 3 7 1 . 2 7 2 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 7 7 . 5 4 5 . 0 0 0 . 3 3 4 . 3 3 4 . 0 0 0 u m T a b l e D . 4 . E f f e c t o f G G B F s l a g ( w i t h a n d w i t h o u t W R ) o n f r o s t r e s i s t a n c e . “ H C E L L n e x u s * * * 0 F D U R A B I L I T Y F A C T O R B Y H R H A T E R R E D U C E R H C H A T E R - T O - C E M E N T I T C U S R A T I O T O T A L P O P U L A T I O N 1 9 . 4 5 ( 2 0 ) H R 1 2 2 4 . 9 0 1 4 . 0 0 ( 1 0 ) ( 1 0 ) H C 1 2 1 7 . 1 0 2 1 . 8 0 ( 1 0 ) ( 1 0 ) H 0 1 2 H R 1 1 9 . 4 0 3 0 . 4 0 ( 5 ) ( 5 ) 2 1 4 . 8 0 1 3 . 2 0 ( 5 ) ( 5 ) * * * A I A L Y S I S O F V A R I A N C E * * * 0 F D U R A B I L I T Y F A C T O R B Y H R H A T E R R E D U C E R H C H A T E R - T O - C E M E N T I T O U S R A T I O S u n o f M e a n S i g n i f S o u r c e o f V a r i a t i o n S q u a r e s D F S q u a r e F o f F M a i n E f f e c t s 7 0 4 . 5 0 0 2 3 5 2 . 2 5 0 3 4 . 3 6 6 . 0 0 0 H R 5 9 4 . 0 5 0 1 5 9 4 . 0 5 0 5 7 . 9 5 6 . 0 0 0 H O 1 1 0 . 4 5 0 1 1 1 0 . 4 5 0 1 0 . 7 7 6 . 0 0 5 Z - H a y I n t e r a c t i o n s 1 9 8 . 4 5 0 1 1 9 8 . 4 5 0 1 9 . 3 6 1 . 0 0 0 H R u c ' 1 9 8 . 4 5 0 1 1 9 8 . 4 5 0 1 9 . 3 6 1 . 0 0 0 E x p l a i n e d 9 0 2 . 9 5 0 3 3 0 0 . 9 8 3 2 9 . 3 6 4 . 0 0 0 R e s i d u a l 1 6 4 . 0 0 0 1 6 1 0 . 2 5 0 T o t a l 1 0 6 6 . 9 5 0 1 9 5 6 . 1 5 5 T a b l e D . 5 . E f f e c t o f a m o u n t o f c l a s s F fl y a s h , W C a n d C T o n f r o s t r e s i s t a n c e . T O T A L P O P U L A T I O N 5 6 . 2 9 ( 5 8 ) A M O U N T 1 3 0 . 0 5 ( 2 0 ) H C 1 5 9 . 2 7 ( 2 6 ) C T 1 6 7 . 7 3 ( 3 0 ) H 0 A M O U N T A M O U N T H C C T = A M O U N T C T = A M O U N T 2 8 6 . 3 7 ( 1 9 ) 5 3 . 8 8 ( 3 2 ) 4 4 . 0 4 ( 2 8 ) 3 6 . 0 0 ( 1 0 ) 9 0 . 0 0 ( 8 ) 5 7 . 6 3 ( 8 ) 4 5 . 8 0 ( 1 0 ) 9 1 . 5 0 ( 1 0 ) 6 5 . 9 0 ( 1 0 ) 7 2 . 0 0 ( 1 5 ) 6 3 . 4 7 ( 1 5 ) 5 6 . 4 0 ( 5 ) 9 4 . 4 0 ( 5 ) 6 5 . 2 0 ( 5 ) 1 5 . 6 0 ( 5 ) 8 2 . 6 7 4 5 . 0 0 ( 3 ) * * * C E L L D U R A B I L I T Y F A C T O R A M O U N T O F C L A S S F F L Y A S H H A T E R - T O - C E M E N T I T O U S R A T I O C U R I N G T I M E 3 5 3 . 8 4 ( 1 9 ) 2 4 . 1 0 ( 1 0 ) 8 3 . 7 3 ( 1 1 ) 5 1 . 0 9 ( 1 1 ) 1 4 . 3 0 ( 1 0 ) 8 0 . 6 7 ( 9 ) 4 0 . 4 4 ( 9 ) 4 1 . 9 1 ( 1 1 ) 4 5 . 4 1 ( 1 7 ) 3 5 . 2 0 ( 5 ) 8 8 . 6 0 ( 5 ) 6 6 . 6 0 ( 5 ) 1 3 . 0 0 ( 5 ) 7 9 . 6 7 ( 6 ) 3 8 . 1 7 ( 6 ) N E A N S * * * T a b l e D . 5 . ( c o n t ’ d ) * ' * A N A L Y S I S D F A M O U N T H C C T B Y S o u r c e o f V a r i a t i o n M a i n E f f e c t s A M O U N T u c C T Z - H a y I n t e r a c t i o n s A M O U N T H C A M O U N T C T H C C T 3 - H a y I n t e r a c t i o n s A M O U N T H C E x p l a i n e d R e s i d u a l T o t a l C T 2 9 2 O F V A R I A N C E * * * D U R A B I L I T Y F A C T O R A M O U N T O F C L A S S F F L Y A S H H A T E R ' T O - C E M E N T I T O U S R A T I O F 8 . 2 4 9 1 8 . 3 5 2 5 . 1 1 8 2 . 1 8 5 9 . 3 1 4 1 . 4 4 4 3 . 6 4 8 3 . 6 4 8 6 3 . 0 7 4 C U R I N G T I M E S u m o f M e a n S q u a r e s D F S q u a r e 3 9 0 5 8 . 0 5 1 4 9 7 6 4 . 5 1 3 1 6 5 . 2 3 0 3 0 8 0 8 . 5 6 6 2 1 5 4 0 4 . 2 8 3 2 6 0 . 6 6 4 4 8 7 . 5 0 6 1 4 8 7 . 5 0 6 6 9 9 4 . 1 6 5 1 6 9 9 4 . 1 6 5 1 1 5 1 2 . 3 8 3 5 3 0 2 . 4 7 7 2 5 8 . 2 6 7 2 1 2 9 . 1 3 4 1 1 0 0 . 8 1 9 2 5 5 0 . 4 0 9 8 5 . 3 3 0 1 8 5 . 3 3 0 4 3 1 . 1 5 0 2 2 1 5 . 5 7 5 4 3 1 . 1 5 0 2 2 1 5 . 5 7 5 4 1 0 0 1 . 5 8 4 1 1 3 7 2 7 . 4 1 7 2 7 1 8 . 4 3 3 4 6 5 9 . 0 9 6 4 3 7 2 0 . 0 1 7 5 7 7 6 7 . 0 1 8 S i g n i f o f F . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 6 . 0 0 0 . 0 0 1 . 1 2 4 . 0 0 0 . 2 3 6 . 0 3 4 . 0 3 4 . 0 0 0 % B T a b l e D . 6 . E f f e c t o f a m o u n t o f C l C fl y a s h , W C a n d C T o n f r o s t r e s i s t a n c e . “ H C E L L m e n u s . . . 0 F D U R A B I L I T Y F A C T O R B Y A M O U N T A M O U N T O F C L A S S C F L Y A S H H C H A T E R - T O - C E M E N T I T W S R A T I O C T C U R I N G T I M E T O T A L P O P U L A T I O N 3 4 . 8 5 ‘ ( 6 2 ) A M O U N T . 1 2 3 3 0 . 0 5 2 0 . 5 9 5 5 . 3 5 ( 2 0 ) ( 2 2 ) ( 2 0 ) H C 1 2 4 3 . 3 8 2 5 . 7 7 ( 3 2 ) ( 3 0 ) C T 1 2 3 4 . 1 0 3 5 . 6 1 ( 3 1 ) ( 3 1 ) H C 1 2 A M Q J N T 1 4 5 . 8 0 1 4 . 3 0 ( 1 0 ) ( 1 0 ) 2 2 6 . 1 7 1 3 . 9 0 ( 1 2 ) ( 1 0 ) 3 6 1 . 6 0 4 9 . 1 0 ( 1 0 ) ( 1 0 ) C T 1 2 A M O U N T 3 6 . 0 0 2 4 . 1 0 ( 1 0 ) ( 1 0 ) 2 2 2 . 3 6 1 8 . 8 2 ( 1 1 ) ( 1 1 ) 3 4 5 . 1 0 6 5 . 6 0 ( 1 0 ) ( 1 0 ) C T 1 2 H C 1 4 7 . 7 5 3 9 . 0 0 ( 1 6 ) ( 1 6 ) 2 1 9 . 5 3 3 2 . 0 0 ( 1 5 ) ( 1 5 ) C T = 1 H C 1 2 A M O U N T 1 5 6 . 4 0 1 5 . 6 0 ( 5 ) ( 5 ) 2 2 8 . 5 0 1 5 . 0 0 ( 6 ) ( 5 ) 3 6 2 . 2 0 2 8 . 0 0 ( 5 ) ( 5 ) C T = 2 H C 1 2 A M O U N T 1 3 5 . 2 0 1 3 . 0 0 ( 5 ) ( 5 ) 2 2 3 . 8 3 1 2 . 8 0 ( 6 ) ( 5 ) 6 1 . 0 0 7 0 . 2 0 ( 5 ) ( 5 ) T a b l e D . 6 . ( c o n t ’ d ) * * * A N A L Y S I S O F 2 9 4 V A R I A N C E ' ‘ * 0 F D U R A B I L I T Y F A C T O R B Y A M O U N T A M O U N T O F C L A S S C F L Y A S H H C H A T E R - T O - C E M E N T I T O U S R A T I O C T C U R I N G T I M E S u m o f M e a n S o u r c e o f V a r i a t i o n S q u a r e s D F S q u a r e F M a i n E f f e c t s 1 8 7 0 0 . 8 8 7 4 4 6 7 5 . 2 2 2 1 5 7 . 9 5 4 A M O U N T 1 3 8 6 4 . 4 3 1 2 6 9 3 2 . 2 1 6 2 3 4 . 2 0 7 H C 5 3 2 6 . 3 8 3 1 5 3 2 6 . 3 8 3 1 7 9 . 9 5 3 C T 3 5 . 6 2 9 1 3 5 . 6 2 9 1 . 2 0 4 Z - H a y I n t e r a c t i o n s 5 7 7 2 . 1 0 4 5 1 1 5 4 . 4 2 1 3 9 . 0 0 2 A M O U N T H C 1 2 3 6 . 8 6 9 2 6 1 8 . 4 3 4 2 0 . 8 9 4 A M O U N T C T 2 7 9 2 . 7 3 1 2 1 3 9 6 . 3 6 6 4 7 . 1 7 7 H C C T 1 6 9 2 . 4 2 8 1 1 6 9 2 . 4 2 8 5 7 . 1 7 9 3 - u a y I n t e r a c t i o n s 1 1 0 2 . 7 6 9 2 5 5 1 . 3 8 4 1 8 . 6 2 9 A M O U N T H c C T 1 1 0 2 . 7 6 9 2 5 5 1 . 3 8 4 1 8 . 6 2 9 E x p l a i n e d 2 5 5 7 5 . 7 6 0 1 1 2 3 2 5 . 0 6 9 7 8 . 5 5 3 R e s i d u a l 1 4 7 9 . 9 3 3 5 0 2 9 . 5 9 9 6 1 4 4 3 . 5 3 6 T o t a l 2 7 0 5 5 . 6 9 4 S i g n i f o f F . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 2 7 8 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 * * * U M A U D A H C R O T R A U E I B N R N I T C - G E I O O P L T F - E Y C R L T L S E I C I N T C T F I M O A L E D N E M O A I E A F O U U M S R T S A R 1 T I O * * * B Y N T 0 A H C F M C U O R U E % 5 T a b l e D . 7 . E f f e c t o f C S F w i t h H R W R o n f r o s t r e s i s t a n c e . T O T A L P O P U L A T I O N 5 8 . 8 3 ( 6 9 ) A M O U N T 1 4 0 . 8 3 ( 2 9 ) H C 1 5 2 . 0 9 ( 3 3 ) C U R E 1 5 4 . 7 1 ( 3 4 ) A M O U N T A M O U N T 2 3 H C C U R E A M O U N T C U R E A M O U N T 2 5 7 . 7 5 ( 2 0 ) 6 5 . 0 0 ( 3 6 ) 6 2 . 8 3 ( 3 5 ) H 0 3 4 . 0 0 ( 1 3 ) 4 8 . 1 0 ( 1 0 ) 7 9 . 6 0 ( 1 0 ) C U R E 2 6 . 9 3 ( 1 4 ) 5 8 . 2 0 ( 1 0 ) 9 0 . 1 0 ( 1 0 ) C U R E 4 8 . 4 2 ( 1 9 ) 6 2 . 6 7 ( 1 5 ) 2 6 . 4 4 ( 9 ) 4 9 . 0 0 ( 5 ) 8 7 . 4 0 ( 5 ) 5 1 . 0 0 ( 4 ) 4 7 . 2 0 ( 5 ) 7 1 . 8 0 ( 5 ) 3 8 6 . 0 0 ( 2 0 ) 4 6 . 3 8 ( 1 6 ) ~ 6 7 . 4 0 ( 1 0 ) 9 2 . 4 0 ( 1 0 ) 5 3 . 8 0 ( 1 5 ) 5 7 . 3 0 ( 1 0 ) 8 1 . 9 0 ( 1 0 ) 5 7 . 0 7 ( 1 4 ) 6 6 . 6 7 ( 2 1 ) 2 7 . 8 0 ( 5 ) 6 7 . 4 0 ( 5 ) 9 2 . 8 0 ( 5 ) 5 4 . 8 2 ( 1 1 ) 6 7 . 4 0 ( 5 ) 9 2 . 0 0 ( 5 ) ~ c : n - — - I ‘ U N N A N N T a b l e D . 7 . ( c o n t ’ d ) * * * A N A L Y S I S D F B Y A M O U N T H C C U R E S o u r c e o f V a r i a t i o n M a i n E f f e c t s A M O U N T H C C U R E Z - u a y I n t e r a c t i o n s A M O U N T H C A M O U N T C U R E H C C U R E 3 - u a y I n t e r a c t i o n s A M O U N T H C C U R E E x p l a i n e d R e s i d u a l T o t a l 2 9 6 O F D U R A B I L I T Y F A C T O R A M O U N T O F S I L I C A F U M E H A T E R - T O ° C E M E N T I T O U S R A T I O C U R I N G P E R I O D S u m o f S q u a r e s 0 F 2 8 5 1 7 . 9 3 1 2 4 9 9 6 . 3 1 2 3 0 4 2 . 7 5 7 7 1 3 . 9 0 2 4 1 0 7 . 3 0 9 7 8 6 . 9 0 7 3 6 0 3 . 1 5 9 1 4 9 . 1 3 6 1 3 8 . 0 1 5 1 3 8 . 0 1 5 3 2 7 6 3 . 2 5 4 1 1 5 5 9 4 . 6 5 9 5 7 3 8 3 5 7 . 9 1 3 6 8 M e a n S q u a r e 7 1 2 9 . 4 8 3 1 2 4 9 8 . 1 5 6 3 0 4 2 . 7 5 7 7 1 3 . 9 0 2 8 2 1 . 4 6 2 3 9 3 . 4 5 3 1 8 0 1 . 5 8 0 1 4 9 . 1 3 6 6 9 . 0 0 7 6 9 . 0 0 7 2 9 7 8 . 4 7 8 9 8 . 1 5 2 5 6 4 . 0 8 7 V A R I A N C E * * * 7 2 . 6 3 7 1 2 7 . 3 3 5 3 1 . 0 0 0 7 . 2 7 3 8 . 3 6 9 4 . 0 0 9 1 8 . 3 5 5 1 . 5 1 9 . 7 0 3 . 7 0 3 3 0 . 3 4 6 S i g n i f o f F . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 9 . 0 0 0 . 0 2 4 . 0 0 0 . 2 2 3 . 4 9 9 . 4 9 9 . 0 0 0 A P P E N D I X E ( D e v e l o p m e n t o f R e l a t i o n s h i p b e t w e e n A V S , W P S , a n d P e r f o r m a n c e C h a r a c t e r i s t i c s ) 9 0 2 9 5 3 0 0 1 0 7 1 4 1 . 7 0 8 6 . 0 . . . . 0 - 0 0 0 0 / / / / / / 2 2 5 6 6 3 9 3 9 0 0 4 1 0 1 9 9 7 . . . . . . 0 0 0 0 0 0 . s c i t s i r e t c a r a h c e c n a m r o f r e p d n a , S P W , S A E F V S A f o s i s y l a n A T F S a A n o i s s e r g e R . 1 . 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