. . 9 : 4 7 . 2 1 ‘ 1 . . e l , I 1 7 : . . i f . . . . } v . r 2 . . y . . . . . . . . < A . I ( . m : 4 . . 2 “ . . . 1 ) t a 9 x . . . d . . X . . . c e . 6 i l 0 i fi . e . ‘ M 3 é : u . n o : g i . g . fi . . r 2 . 1 : u . M . A 3 ! 7 5 5 . . . ' . . . . 5 . . . . . . 2 m 3 3 u : u . . 3 k l . . “ 3 . ‘ 9 4 . . 4 . : 1 . . t t } : 3 3 . . a . 5 . 1 . 9 . . 1 . . f w . ; - . t ‘ n ; i A : [ s n . I P a L « L . . . j s 2 J u . h 1 . fi W : 1 . r . ? . . S . a . . . t . i n . i . . . . . . w . . . A l L . a . . . x J n . ! ‘ . ? ‘ . i . : . . . u 0 . t 2 ) g 4 . ' » . ? 5 n I " $ a . . 3 B . % L 1 ? y » . , m L “ , _ ‘ L L . < v . . v a . . g . m . . . . fi u m m . . : . ? I . \ : a . 3 ¢ . w ; 3 g a . 2 L 9 . . . . . 6 . g . 3 . : ) . . 2 . . I . . 2 . : . 3 . 1 . 5 3 2 I . 1 1 é n e . . m L a fl ‘ . . 1 5 . ) . 3 5 1 3 : . l 5 0 L i n . . 1 . t h I I . o . . . h l a . . n . . E u h . < u 4 ~ A L I I . II II I II I I / I I I I M l L c U h n I l l B g v R a e r A n s R l S t I t e I a I Y t y M I C H I I A N G S I T Y L I A R I E 8 M s ” : I I ' . 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 R e c y c l i n g o f I n d u s t r i a l B y - P r o d u c t s i n C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n & F l o w a b l e F i l l : A C o m p r e h e n s i v e A s s e s s m e n t o f M i x D e s i g n V a r i a b l e s a n d P r o p e r t i e s p r e s e n t e d b y A u g u s t i n e O k w u e g b u 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 P h . D . d e g r e e i n C i v i l E n g i n e e r i n g 3 ) _ N ‘ x 0 \ \ 3 o ‘ \ M a j o r p r o f e s s o r D r . P a r v i z S o r o u s h i a n D a t e O C t O b e r 2 7 , 1 9 9 3 M S U i s a n A f fi 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 0 - 1 2 7 7 1 P L A C E I I R E T U R N B O X t o r e m o v o t h b e h o c k M M y o u r n o o d . T O A V O I D F I N E S M u m o n o r b d o n d a t e d u o . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E P M S U I o A n A I ' I I n n n t I v e W W O p p o m n l l y I m a m ! W a n n a - 9 . 1 R E C Y C L I N G O F I N D U S T R I A L B Y - P R O D U C T S I N C O N C R E T E C O N S T R U C T I O N & F L O W A B L E F I L L : A C O M P R E H E N S I V E A S S E S S M E N T O F M I X D E S I G N V A R I A B L E S A N D P R O P E R T I E S B y A u g u s t i n e O k w u e g b u 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 3 \ A B S T R A C T R E C Y C L I N G O F I N D U S T R I A L B Y - P R O D U C T S I N C O N C R E T E C O N S T R U C T I O N B y A u g u s t i n e O k w u e g b u P a i n t S l u d g e p o w d e r , a b y - p r o d u c t o f t h e p a i n t i n g p r o c e s s i n a u t o m o b i l e p l a n t s , w a s e v a l u a t e d a s a n e x p a n s i v e 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 t o c o m p e n s a t e f o r S h r i n k a g e e f f e c t s . T h e p o w d e r d o s a g e n e e d e d t o s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t s o f e x p a n s i v e c e m e n t w a s d e t e r m i n e d , a n d s p e c i fi c p o w d e r t y p e s p r e s e n t i n g t h e m o s t p r o m i s e f o r u s e i n s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w e r e s e l e c t e d . C h e m i c a l a n d m i n e r a l o g 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 w d e r s w e r e c o r r e l a t e d t o ' e x p a n s i v e q u a l i t i e s , a n d i t w a s c o n c l u d e d t h a t c a l c i u m c o m p o u n d s i n t h e p o w d e r m a y b e t h e s o u r c e o f e x p a n s i o n . A c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f t h e a c t i o n o f p a i n t s l u d g e p o w d e r s i n c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i f f e r e n t r a w m a t e r i a l s a n d m i x p r o p o r t i o n s i n d i c a t e d t h a t t h e p o w d e r s a r e c a p a b l e o f p e r f o r m i n g a s e x p a n s i v e a d m i x t u r e i n d i v e r s e c o n c r e t e m i x t u r e s . T h e 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 m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g t h e p o w d e r s u n d e r v a r i o u s 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 o f d e t e r i o r a t i o n w e r e i n v e s t i g a t e d . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e p o w d e r s p r o v i d e c o n c r e t e w i t h S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g q u a l i t i e s w i t h o u t a n y a d v e r s e e f f e c t s o n l o n g - t e r m p r o p e r t i e s u n d e r s e v e r e e x p o s u r e c o n d i t i o n s . C o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g t h e p o w d e r s w e r e a l s o f o u n d t o b e e n v i r o n m e n t a l l y s a f e . T h e r e s e a r c h s u c c e s s f u l l y d e m o n s t r a t e d t h e p o t e n t i a l f o r a h i g h - v a l u e a n d l a r g e - v o l u m e u t i l i z a t i o n o f a n i n d u s t r i a l b y - p r o d u c t i n c o n s t r u c t i o n a p p l i c a t i o n s . C o p y r i g h t b y A u g u s t i n e O k w u e g b u 1 9 9 3 D E D I C A T E D T O T H E M E M O R Y O F M Y M O T H E R : O B A J I C H R I S T I A N A O K W U E G B U A C K N O W L E D G M E N T S T h e w o r k p r e s e n t e d h e r e w a s c o n d u c t e d u n d e r t h e g u i d a n c e o f D r . P a r v i z S o r o u s h i a n . T h e a u t h o r d e e p l y a p p r e c i a t e s t h e c o n t r i b u t i o n s o f D r . S o r o u s h i a n t o t h i s w o r k . H i s g r e a t e f f o r t a n d v e r y h e l p f u l s u p e r v i s i o n a n d a d v i c e w i l l n e v e r b e f o r g o t t e n , a n d t h e a u t h o r h o p e s t h a t D r . S o r o u s h i a n w i l l c o n t i n u e t o b e h i s m e n t o r . T h e a u t h o r a l s o w o u l d l i k e t o t h a n k D r . M a r k S n y d e r , D r . G e r a l d L u d d e n a n d D r . T h o m a s M a l e c k f o r t h e i r h e l p d u r i n g h i s P h . D . p r o g r a m , T h e fi n a n c i a l s u p p o r t f o r t h e p e r f o r m a n c e o f t h i s r e s e a r c h w a s p r o v i d e d b y t h e C h r y s l e r M o t o r C o r p o r a t i o n a n d t h e R e s e a r c h E x c e l l e n c e F u n d o f t h e S t a t e o f M i c h i g a n . T h e t e c h n i c a l s u p p o r t w a s p r o v i d e d b y t h e C o m p o s i t e M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s C e n t e r a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y . T h e s e c o n t r i b u t i o n s 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 i s h t o e x t e n d m y S i n c e r e a p p r e c i a t i o n t o K e n n e t h N w e l e , I r e n e E n i g w e , G o d w i n A f e fi a n d N w a l o N w a n k w a g u f o r t h e i r c o n t i n u o u s e n c o u r a g e m e n t a n d m o r a l s u p p o r t . M y g r e a t e s t a p p r e c i a t i o n g o e s t o D r . A t e f T l i l i f o r h i s h o n e s t a n d S i n c e r e c o n t r i b u t i o n s t h r o u g h o u t t h i s r e s e a r c h . F i n a l l y , m y d e e p e s t a p p r e c i a t i o n t o m y f a t h e r a n d a l l m e m b e r s o f m y f a m i l y f o r t h e i r p r a y e r s , l o v e a n d s u p p o r t . i i T A B L E O F C O N T E N T S C H A P T E R I I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 C H A P T E R I I E X P A N S I V E C E M E N T C O N C R E T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 . 2 H I S T O R Y A N D D E V E L O P M E N T O F E X P A N S I V E C E M E N T C O N C R E T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 3 P R O D U C T I O N A N D C O M P O S I T I O N O F E X P A N S I V E C E M E N T . . . . 1 0 2 . 3 . 1 C O N V E N T I O N A L P O R T L A N D C E M E N T S . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 . 3 . 2 E X P A N S I V E C E M E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 . 3 . 3 F R E N C H C E M E N T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 . 3 . 4 R U S S I A N C E M E N T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2 . 4 M E C H A N I S M S O F E X P A N S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 . 4 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 . 4 . 2 H Y D R A T I O N C H A R A C T E R I S T I C S A S S O C I A T E D W I T H E X P A N S I V E E T T R I N G I T E F O R M A T I O N . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 . 4 . 2 . 1 P R I N C I P A L C O N D I T I O N S F O R E T T R I N G I T E F O R M A T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 . 4 . 2 . 2 G E N E R A L S O U R C E S O F P R I N C I P A L C O M P O N E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 . 4 . 2 . 3 P R I M A R Y F A C T O R S I N V O L V E D I N P R O P O R T I O N I N G O F E X P A N S I V E C O N S T I T U E N T S . . 2 4 2 . 4 . 2 . 4 8 0 3 R E A C T I O N S O T H E R T H A N E T T R I N G I T E F O R M A T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 . 4 . 2 . 5 P R O D U C T S O F R E A C T I O N C A U S I N G E X P A N S I O N . . 2 6 2 . 4 . 2 . 6 A L K A L I - C A R B O N A T E R E A C T I O N . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 . 4 . 2 . 7 H E A T O F H Y D R A T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 i i i i v 2 . 4 . 3 T H E O R I E S O F E X P A N S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 . 4 . 3 . 1 C R Y S T A L G R O W T H T H E O R Y . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 . 4 . 3 . 2 T H E S W E L L I N G T H E O R Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 2 . 4 . 3 . 3 S U M M A R Y O F T H E H Y P O T H E S E S . . . . . . . . . . . . . 4 0 2 . 4 . 3 . 4 S O M E R E S E A R C H E R S D I S A G R E E W I T H B R O W N ’ S T H E O R Y ( 1 9 7 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 2 . 4 . 3 . 5 T H E O R I E S O F " P R O T E C T I V E " A N D " P A R T I A L P R O T E C T I V E " C O A T I N G S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 2 . 5 M I X P R O P O R T I O N I N G A N D M A N U F A C T U R I N G . . . . . . . . . . . . . 4 8 2 . 5 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 2 . 5 . 2 C O N C R E T E P R O P O R T I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 2 . 5 . 3 E F F E C T S O F A D M I X T U R E O N E X P A N S I V E C E M E N T . . . . . . 5 3 2 . 5 . 4 C O N S T R U C T I O N T E C H N I Q U E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 2 . 6 D E S I G N W I T H S H R I N K A G E C O M P E N S A T I N G C O N C R E T E . . . . . . 6 4 2 . 6 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 2 . 7 A P P L I C A T I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1 C H A P T E R I I I D E V E L O P M E N T O F E X P A N S I V E C E M E N T W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R . 8 2 3 . 1 I N T R O D U C T I O N : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 3 . 2 P A I N T S L U D G E P O W D E R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 3 . 3 O V E R A L L A P P R O A C H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6 3 . 3 . 1 S C R E E N I N G O F T H E P O W D E R S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6 3 . 4 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7 3 . 5 R E S T R A I N E D E X P A N S I O N T E S T P R O C E D U R E S . . . . . . . . . . . . . 8 9 3 . 5 . 1 M O R T A R T E S T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 3 . 5 . 2 C O N C R E T E T E S T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 3 . 6 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 3 . 6 . 1 P O W D E R P R O P E R T I E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 3 . 6 . 2 R E S T R A I N E D E X P A N S I O N T E S T R E S U L T S . . . . . . . . . . . . 9 5 3 . 6 . 2 . 1 M O R T A R T E S T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5 3 . 6 . 2 . 2 C O N C R E T E T E S T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 3 . 6 . 3 S E T T I M E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 9 3 . 6 . 4 F L O W A B I L I T Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 3 . 6 . 5 S L U M P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 3 . 6 . 6 A I R C O N T E N T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9 3 . 6 . 7 U N I T W E I G H T A N D Y I E L D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 5 3 . 6 . 8 S T R E N G T H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 9 3 . 6 . 9 M O D U L U S O F E l A S T I C I T Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 6 3 . 6 . 1 0 F L E X U R A L S T R E N G T H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 9 3 . 7 V A R I A T I O N S B E T W E E N S H I P M E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 4 3 . 8 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1 C H A P T E R I V N I E C H A N I S M O F E X P A N S I O N A S S O C I A T E D W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R 1 5 2 4 . 1 I N T R O D U C T I O N : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 4 . 2 C O N T R O L O F E X P A N S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 4 4 . 3 P O W D E R C H E M I S T R Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 7 4 . 4 P O W D E R M I N E R A L O G Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 4 . 5 C O N C R E T E M I N E R A L O G Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 7 4 . 6 A S S E S S M E N T O F C A L C I U M C A R B O N A T E R E A C T I O N W I T H C E M E N T A L K A L I S A S T H E C A U S E O F E X P A N S I O N . . . . . . . . . . 1 7 2 4 . 7 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 L O W A N D H I G H A L K A L I C E M E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 4 . 8 C O N C L U S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 6 v i C H A P T E R V E F F E C T S O F M I X V A R I A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7 5 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7 5 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 8 5 . 3 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D A N A L Y S I S . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 4 5 . 4 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 C H A P T E R V I 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 6 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 6 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 6 . 3 T E S T P R O C E D U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 1 6 . 3 . 1 A B R A S I O N R E S I S T A N C E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 1 6 . 3 . 2 C H L O R I D E P E R M E A B I L I T Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 2 6 . 3 . 4 D E — I C E R S A L T S C A L I N G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 5 6 . 3 . 5 S U L F A T E A T T A C K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 7 6 . 3 . 3 F R E E Z E - T H A W D U R A B I L I T Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 9 6 . 3 . 6 C O R R O S I O N O F E M B E D D E D S T E E L . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3 6 . 3 . 7 H O T W A T E R I M M E R S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 5 6 . 4 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S . . . . . . . . . . . . . 2 2 5 6 . 4 . 1 A B R A S I O N R E S I S T A N C E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 5 6 . 4 . 2 C H L O R I D E P E R M E A B I L I T Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 7 6 . 4 . 3 F R E E Z E - T H A W D U R A B I L I T Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 9 6 . 4 . 4 S C A L I N G R E S I S T A N C E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 6 . 4 . 5 S U L F A T E A T T A C K . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 6 . 4 . 6 C O R R O S I O N O F E M B E D D E D S T E E L . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 6 . 4 . 7 H O T W A T E R I M M E R S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 6 . 5 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 V i i C H A P T E R V I I G E N E R A L S U M I V I A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 7 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 7 . 2 D E V E L O P M E N T O F E X P A N S I V E C E M E N T W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 7 . 3 M E C H A N I S M O F E X P A N S I O N A S S O C I A T E D W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 7 . 4 E F F E C T S O F M I X V A R I A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 9 7 . 5 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 9 A P P E N D I X I P R A C T I C A L G U I D E L I N E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 1 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 1 . 2 C O S T A N A L Y S I S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 1 . 3 T O X I C I T Y C H A R A C T E R I S T I C S A N D L E A C H I N G . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 L I S T O F F I G U R E S F i g u r e 1 ( a ) . D r y i n g S h r i n k a g e o f C o n c r e t e m a d e w i t h T y p e I C e m e n t . . . . . . . . . . . 2 F i g u r e 1 ( b ) . D r y i n g S h r i n k a g e o f C o n c r e t e m a d e w i t h E x p a n s i v e C e m e n t . . . . . . . . . 2 F i g u r e 2 . 1 . I s o t h e r m a l H e a t L i b e r a t i o n o f C z A - C A S O . . . Z H Z O - C a ( O H ) 2 - H 2 ( S c h h w i e t e e t a 1 , 1 9 6 6 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 F i g u r e 2 . 2 . P r e d i c t i o n o f m e m b e r e x p a n s i o n f r o m p r i s m d a t a . . . . . . . . . . . . . . . 6 9 F i g u r e 3 . 1 P a i n t S l u d g e P o w d e r P r o d u c t i o n F l o w C h a r t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5 F i g u r e 3 . 2 . R e s t r a i n i n g M o r t a r C a g e M o l d ( A S T M C - 8 0 6 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 F i g u r e 3 . 3 R e s t r a i n i n g C o n c r e t e C a g e M o l d ( A S T M C - 8 7 8 ) . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 F i g u r e 3 . 4 ( a ) . 7 — D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 6 F i g u r e 3 . 4 ( b ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7 F i g u r e 3 . 4 ( c ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8 F i g u r e 3 . 5 ( a ) . 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 F i g u r e 3 . 5 ( b ) . 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 0 F i g u r e 3 . 5 ( 0 ) . 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 F i g u r e 3 . 6 ( a ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3 F i g u r e 3 . 6 ( b ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 4 F i g u r e 3 . 6 ( c ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 5 v i i i F i g u r e 3 . 7 ( a ) . F i g u r e 3 . 7 ( b ) . F i g u r e 3 . 7 ( c ) . F i g u r e 3 . 8 ( a ) . F i g u r e 3 . 8 ( b ) . F i g u r e 3 . 8 ( c ) . F i g u r e 3 . 9 . F i g u r e 3 . 1 0 ( a ) . F i g u r e 3 . 1 0 ( b ) . F i g u r e 3 . 1 0 ( c ) . F i g u r e 3 . 1 1 . F i g u r e 3 . 1 2 ( a ) . F i g u r e 3 . 1 2 ( b ) . F i g u r e 3 . 1 2 ( c ) . F i g u r e 3 . 1 3 ( a ) . F i g u r e 3 . 1 3 ( b ) . F i g u r e 3 . 1 3 ( c ) . F i g u r e 3 . 1 4 ( a ) . F i g u r e 3 . 1 4 ( b ) . F i g u r e ’ 3 . l 4 ( c ) . F i g u r e 3 . 1 5 ( a ) . i x 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 7 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 F i n a l T i m e o f S e t T e s t R e s u l t s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0 F i n a l T i m e o f S e t T e s t R e s u l t s ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 F i n a l T i m e o f S e t T e s t R e s u l t s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 E f f e c t o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n F r e s h M i x F l o w a b i l i t y . . . . . . . . . 1 1 4 S l u m p T e s t R e s u l t s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6 S l u m p T e s t R e s u l t s ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7 S l u m p T e s t R e s u l t s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 8 P r e s s u r e T y p e A i r M e t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1 A i r C o n t e n t T e s t R e s u l t s , ( 0 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 A i r C o n t e n t T e s t R e s u l t s , ( 1 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 A i r C o n t e n t T e s t R e s u l t s , ( 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 4 U n i t W e i g h t R e s u l t ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 6 U n i t W e i g h t R e s u l t ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 U n i t W e i g h t R e s u l t ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 8 E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 7 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 0 E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 7 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1 E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 7 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 3 F i g u r e 3 . 1 5 ( b ) . E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 1 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 F i g u r e 3 . 1 5 ( c ) . E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 F i g u r e 3 . 1 6 . V a r i o u s p a r a m e t e r s t h a t i n fl u e n c e t h e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7 F i g u r e 3 . 1 7 . M o d u l u s o f E l a s t i c i t y 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 o f P a i n t S l u d g e P o w d e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8 F i g u r e 3 . 1 8 . A r r a n g e m e n t o f t h e M o d u l u s o f R u p t u r e T e s t . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 0 F i g u r e 3 . 1 9 ( a ) . F l e x u r a l S t r e n g t h o f P a i n t S l u d g e P o w d e r C o n c r e t e ( 0 . 5 % P o w d e r ) . . . 1 4 1 F i g u r e 3 . 1 9 ( b ) . F l e x u r a l S t r e n g t h o f P a i n t S l u d g e P o w d e r C o n c r e t e ( 1 % P o w d e r ) . . . . 1 4 2 F i g u r e 3 . 1 9 ( c ) . F l e x u r a l S t r e n g t h o f P a i n t S l u d g e P o w d e r C o n c r e t e ( 1 . 5 % P o w d e r ) . . . 1 4 3 F i g u r e 3 . 2 0 ( a ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 7 - D a y E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . . 1 4 5 F i g u r e 3 . 2 0 ( b ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 2 8 - D a y E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . 1 4 7 F i g u r e 3 . 2 0 ( c ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n F i n a l S e t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 7 F i g u r e 3 . 2 0 ( ( 1 ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n A i r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 F i g u r e 3 . 2 0 ( e ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 7 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . 1 4 9 F i g u r e 3 . 2 0 ( 1 ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . 1 5 0 F i g u r e 4 . 1 . E f f e c t s o f R e i n f o r c e d S t e e l o n E x p a n s i o n o f C o n c r e t e a n d P r e s t r e s s D e v e l o p e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 4 F i g u r e 4 . 2 . E f f e c t o f D i f f e r e n t C u r i n g P r o c e d u r e s o n t h e E x p a n s i o n o f T y p e M E x p a n s i v e C e m e n t C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 6 F i g u r e 4 . 3 ( a ) . C o r r e l a t i o n s B e t w e e n P o w d e r C h e m i s t r y ( C a l c i u m C o n t e n t , C a ) a n d 7 — D a y R e s t r a i n t E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 9 F i g u r e 4 . 3 ( b ) . C o r r e l a t i o n s B e t w e e n P o w d e r C h e m i s t r y ( S u l f u r C o n t e n t , S ) a n d 7 - D a y R e s t r a i n t E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 0 F i g u r e 4 . 3 ( c ) . C o r r e l a t i o n s B e t w e e n P o w d e r C h e m i s t r y ( A l u m i n u m C o n t e n t , A l ) a n d 7 - D a y R e s t r a i n t E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 1 F i g u r e 4 . 4 ( a ) . F i g u r e 4 . 4 ( b ) . F i g u r e 4 . 4 ( c ) . F i g u r e 4 . 4 ( ( 1 ) . F i g u r e 4 . 5 ( a ) . F i g u r e 4 . 5 ( b ) . F i g u r e 4 . 5 ( c ) . F i g u r e 4 . 5 ( ( 1 ) . F i g u r e 4 . 6 ( a ) . F i g u r e 4 . 6 ( b ) . F i g u r e 5 . 1 ( a ) . F i g u r e 5 . 1 ( b ) . F i g u r e 5 . 2 ( a ) . F i g u r e 5 . 2 ( b ) . F i g u r e 5 . 3 ( a ) . F i g u r e 5 . 3 ( b ) . F i g u r e 5 . 3 ( c ) . F i g u r e 5 . 4 ( a ) . F i g u r e 5 . 4 ( b ) . x i P o w d e r X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( P P G - S B ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 3 P o w d e r X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( B A S F ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 4 P o w d e r X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( P P G - W B ) . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 5 P o w d e r X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( P P G - S W B ) . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 6 C o n c r e t e X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( P P G - S B ) . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 8 C o n c r e t e X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( B A S F ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 9 C o n c r e t e X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( P P G - W B ) . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 0 C o n c r e t e X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( P P G - S W B ) . . . . . . . . . . . . . . 1 7 1 E f f e c t s o f C e m e n t W i t h L o w A l k a l i C o n t e n t o n 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 E f f e c t s o f C e m e n t W i t h H i g h A l k a l i C o n t e n t o n 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 4 E f f e c t s a n d I n t e r a c t i o n s o f P o w d e r T y p e a n d c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 0 E f f e c t s a n d I n t e r a c t i o n s o f P o w d e r T y p e a n d c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 1 T h e I n t e r a c t i o n B e t w e e n P o w d e r T y p e a n d A i r c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 T h e I n t e r a c t i o n B e t w e e n P o w d e r T y p e a n d A i r c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 I n t e r a c t i o n o f D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r C o n t e n t & C e m e n t T y p e ) i n D e t e r m i n i n g F i n a l S e t T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5 I n t e r a c t i o n o f D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r C o n t e n t & A g g r e g a t e C o n t e n t ) i n D e t e r m i n i n g F i n a l S e t T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 6 I n t e r a c t i o n o f D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r T y p e & A g g r e g a t e C o n t e n t ) i n D e t e r m i n i n g F i n a l S e t T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 7 I n t e r a c t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r T y p e & c e m e n t T y p e ) i n D e t e r m i n i n g F l e x u r a l S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 9 I n t e r a c t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r T y p e & A g g r e g a t e C o n t e n t ) i n D e t e r m i n i n g F l e x u r a l S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 F i g u r e 5 . 5 . F i g u r e 5 . 6 . F i g u r e 5 . 7 ( a ) . F i g u r e 5 . 7 ( b ) . F i g u r e 6 . 1 F i g u r e 6 . 2 . F i g u r e 6 . 3 . F i g u r e 6 . 4 . F i g u r e 6 . 5 . F i g u r e 6 . 6 F i g u r e 6 . 7 . F i g u r e 6 . 8 . F i g u r e 6 . 9 . F i g u r e 6 . 1 0 . x i i E f f e c t o f P o w d e r C o n t e n t o n S l u m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2 E f f e c t o f t h e 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 o n A i r C o n t e n t . . . . . . . 2 0 3 E f f e c t s a n d I n t e r a c t i o n s o f P o w d e r C o n t e n t a n d C e m e n t T y p e i n D e t e r m i n i n g C o n c r e t e U n i t W e i g h t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 4 E f f e c t s a n d I n t e r a c t i o n s o f t h e D o s a g e o f E n t r a i n i n g A g e n t i n D e t e r m i n i n g C o n c r e t e U n i t W e i g h t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t S e t U p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 4 S p e c i m e n U s e d i n S c a l i n g T e s t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 7 C r e a t i o n o f h y d r a u l i c p r e s s u r e i n f r o z e n c e m e n t p a s t e : ( a ) n o n - a i r - e n t r a i n e d p a s t e ; ( b ) a i r - e n t r a i n e d p a s t e . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 A r r a n g e m e n t o f M o l d s F o r C o r r o s i o n S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 4 A b r a s i o n R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s - 3 r e p l i c a t i o n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 6 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 8 F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 0 S u l f a t e R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s , 3 r e p l i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 C o r r o s i o n P o t e n t i a l s T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l , 3 r e p l i c a t i o n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 H o t W a t e r D u r a b i l i t y T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s , 3 r e p l i c a t i o n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 L I S T O F T A B L E S T a b l e 2 . 1 O x i d e c o m p o s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 T a b l e 2 . 2 A v e r a g e C o m p o s i t i o n o f S t a n d a r d T y p e s o f C e m e n t ( F r o m T . C . H a n s e n 1 9 6 6 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 T a b l e 2 . 3 T r i a l M i x t u r e g u i d e f o r S h r i n k a g e C o m p e n s a t i n g C e m e n t C o n c r e t e . . . . . . . 5 1 T a b l e 2 . 4 R e c o m m e n d e d S l u m p s a t P l a c e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 T a b l e 2 . 5 . T y p i c a l T e n s i l e S t r a i n C r a c k C a p a c i t y f o r N o r m a l W e i g h t C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5 T a b l e 2 . 6 . T y p i c a l C o m p a r a t i v e R e s i d u a l S t r a i n s f o r R e i n f o r c e d N o r m a l W e i g h t C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 T a b l e 2 . 7 . T y p i c a l C o m p a r a t i v e R e s i d u a l S t r a i n s f o r R e i n f o r c e d L i g h t - W e i g h t C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 T a b l e 3 . 1 . M i x D e s i g n s o f E x p e r i m e n t a l P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 T a b l e 3 . 2 . A S T M C - 8 4 5 P h y s i c a l R e q u i r e m e n t s f o r E x p a n s i v e C e m e n t M o r t a r . . . . . . 8 9 T a b l e 3 . 3 . P r o p e r t i e s o f t h e P a i n t S l u d g e P o w d e r s a n d T y p e K C e m e n t . . . . . . . . . . . 9 4 T a b l e 3 . 4 R e c o m m e n d e d a i r c o n t e n t o f c o n c r e t e s c o n t a i n i n g a g g r e g a t e s o f d i f f e r e n t m a x i m u m s i z e , a c c o r d i n g t o A C 1 2 0 1 . 2 R - 7 7 , ( B S 8 1 1 0 : P a r t 1 : 1 9 8 5 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9 T a b l e 4 . 1 . V a r i a b l e s A f f e c t i n g E x p a n s i v e C e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5 T a b l e 4 . 2 . C h e m i c a l A n a l y s i s o f t h e C h r y s l e r P a i n t S l u d g e P o w d e r s . . . . . . . . . . . . 1 5 8 T a b l e 4 . 3 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 l k a l i C e m e n t . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 T a b l e 5 . 1 . F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 9 T a b l e 5 . 2 . P r o p e r t i e s o f C e m e n t U s e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 3 T a b l e 5 . 3 . R e s u l t s o f F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 T a b l e 6 . 1 . I n t e r p r e t a t i o n o f t h e C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y O u t p u t ( A A S H T O T - 2 7 7 - 8 3 1 ) . . 2 1 3 T a b l e 6 . 2 . M i n i m u m M o i s t - C u r i n g T i m e s t o D e v e l o p S a l t S c a l i n g R e s i s t a n c e . . . . . . 2 1 6 T a b l e 6 . 3 . A S T M C - 8 7 6 H a l f - C e l l T e s t C l a s s i fi c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 4 T a b l e 6 . 4 S c a l i n g R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 T a b l e I . 1 . P a i n t S l u d g e P o w d e r T o x i c i t y R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 4 x i i i C H A P T E R I I N T R O D U C T I O N 1 . 1 I N T R O D U C T I O N L i t e r a t u r e r e v i e w o n e x p a n s i v e a n d S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i s p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g h e a d i n g s o f e x p a n s i v e c e m e n t c o n c r e t e ; m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n ; m i x p r o p o r t i o n i n g a n d m a n u f a c t u r i n g ; d e s i g n w i t h s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e ; a n d a p p l i c a t i o n s . O n e o f t h e m a j o r d i s a d v a n t a g e 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 i s i t s s u s c e p t i b i l i t y t o t e n s i l e c r a c k i n g w h e n v o l u m e c o n t r a c t i o n s a s s o c i a t e d w i t h d r y i n g s h r i n k a g e a r e w h o l l y o r p a r t i a l l y r e s t r a i n e d ( F i g u r e 1 a ) . S h r i n k a g e c r a c k i n g i s u n s i g h t l y a n d d e s t r o y s t h e i n t e g r i t y o f c o n c r e t e ; s p e c i a l c o s t l y a l l o w a n c e s m u s t b e m a d e i n 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 p a v e m e n t s a n d s t r u c t u r e s i n o r d e r t o r e d u c e t h e r e s t r a i n t a g a i n s t s h r i n k a g e m o v e m e n t s . [ 1 , 1 0 ] V o l u m e e x p a n s i o n s d u r i n g m o i s t c u r i n g i n o r d i n a r y P o r t l a n d c e m e n t s a r e v e r y s m a l l ; i f g r e a t e r e x p a n s i o n s c o u l d b e r e a c h e d d u r i n g h a r d e n i n g ( e . g . , t h r o u g h t h e u s e o f e x p a n s i v e c e m e n t s ) , t h e e f f e c t s o f c o n t r a c t i o n s t h a t o c c u r u p o n d r y i n g c o u l d b e o f f s e t ( F i g u r e l b ) . 0 — e — g n - a — h — C h t g p h — n - e L — — " _ - - c o r e R u h e l r s d i i n d k b o r . i c n o s u e a c a g o l s e n e a x l c r p m t l o e m - c a c p e 1 " n o s n i t o r n a e n s a t o n c i t n i g O r i g i n a l l e n g t h 8 a ! l l H n o t f r e e t o s h r i n k I t e n s i l e s t r e s s d e v e l o p s - M . ] f ‘ M o i s t D r y i n g I c u r e I t t e n s i l e s t r e s s i s g r e a t e r t h a n t e n s i l e s t r e n g t h , c o n c r e t e ‘ c r a c k s 0 . I S M i n k a g e o n d r y i n g . 4 g 1 * T i m e l d a y s l / 5 0 L 1 1 1 1 1 t + 7 - 5 2 0 3 o 4 0 s o 6 0 4 - ‘ - > a t 4 — - O c 3 F i g u r e l ( a ) . D r y i n g S h r i n k a g e o f C o n c r e t e m a d e w i t h T y p e I C e m e n t . [ 1 0 ] — — O r i g i n a l l e n g t h . O S X I o 1 H - T " - " " " : : ‘ - 1 c t : ' . ' " ‘ l fl 1 . - E x p a n s i o n p u t s s t e e l m I » T i m e ( d a y s ) I 1 1 A l E S 8 ) — 8 t e n s i o n a n d c o n c r e t e i n c o m p r e s s i o n 1 . - . . L : . * ‘ u * i c ‘ c : T 5 : : S t r e s s l o s s d u e t o h r i n k a g e a n d c r e e p - M o i s t U r i / 5 0 9 F i g u r e 1 ( b ) . D r y i n g S h r i n k a g e o f C o n c r e t e m a d e w i t h E x p a n s i v e C e m e n t . [ 1 0 ] E x p a n s i v e c e m e n t s h a v e b e e n u s e d i n a w i d e v a r i e t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s . O n e o f t h e m o r e f r e q u e n t u s e s i n t h e U n i t e d S t a t e s h a s b e e n i n p a r k i n g s t r u c t u r e s , t o p r e v e n t w a t e r l e a k s t h a t c a n c a u s e d a m a g e t o c a r s . T h e l a r g e s t s u c h s t r u c t u r e i s t h e p a r k i n g b u i l d i n g a t O ’ H a r e I n t e r n a t i o n a l A i r p o r t i n C h i c a g o , w h i c h u s e d 1 2 0 , 0 0 0 y d 3 ( 9 0 , 0 0 0 m 3 ) o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . I n c o n c r e t e p a v e m e n t s u s i n g e x p a n s i v e c e m e n t , t h e S h r i n k a g e c o n t r o l j o i n t s c a n b e c o m b i n e d w i t h t h e r m a l e x p a n s i o n c o n t r o l j o i n t s a n d o t h e r c o n s t r u c t i o n j o i n t s ; t h e e l i m i n a t i o n o f S h r i n k a g e c o n t r o l j o i n t s i s a n a t t r a c t i v e a d v a n t a g e i n t h e l a y i n g o f p a v e m e n t s . T h e l a r g e s t p a v i n g j o b t o d a t e u s i n g t h i s m a t e r i a l i s p r o b a b l y a t t h e L o v e F i e l d A i r p o r t a t D a l l a s - F o r t W o r t h , w h e r e m o r e t h a n 1 5 0 , 0 0 0 y d 3 ( 1 1 5 0 , 0 0 0 m 3 ) o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w a s u s e d i n t a x i w a y . U s e o f S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n b r i d g e d e c k o v e r l a y s c a n h e l p m i n i m i z e c r a c k i n g a n d c o n t r o l t h e c o r r o s i o n o f s t e e l i n b r i d g e d e c k s . I n p a t c h 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 h r i n k a g e c a n c a u s e s e p a r a t i o n , s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s f o u n d b r o a d a p p l i c a t i o n s . [ 9 , 1 0 ] E x p a n s i v e c e m e n t c a n a l s o b e u s e d i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s w h e r e w a t e r - t i g h t n e s s i s a n i m p o r t a n t r e q u i r e m e n t , s u c h a s w a t e r s t o r a g e t a n k s , s w i m m i n g p o o l s , a n d i c e r i n k s . S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s a l s o b e e n u s e d i n t i l t - u p c o n s t r u c t i o n , w h e r e r e s i d u a l p r e s t r e s s h e l p s e l e m e n t s w i t h s t a n d t h e s t r e s s e s i m p o s e d d u r i n g l i f t i n g , a n d m i n i m i z e s t h e s e p a r a t i o n s b e t w e e n e l e m e n t s . I t h a s l o n g b e e n r e c o g n i z e d t h a t h y d r a t i o n r e a c t i o n s i n g e n e r a l r e s u l t i n a n i n c r e a s e i n t h e s p e c i fi c v o l u m e o f s o l i d s . H o w e v e r , t h e f a c t t h a t a n i n c r e a s e i n s o l i d v o l u m e o c c u r s d o e s n o t n e c e s s a r i l y m e a n t h a t a n e x p a n s i o n t a k e s p l a c e . A S a m a t t e r o f f a c t , w h e n a l l o f t h e r e a c t a n t s , i n c l u d i n g w a t e r , a r e t a k e n i n t o a c c o u n t , i t c a n b e s h o w n t h a t d u r i n g t h e c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e e x p a n s i v e r e a c t i o n t h e r e a c t a n t s u n d e r g o a n e t r e d u c t i o n i n v o l u m e . C o n s e q u e n t l y , a s M e h t a p o i n t s o u t , t h e e x p l a n a t i o n f o r e x p a n s i o n a s s o c i a t e d w i t h e t t r i n g i t e f o r m a t i o n i s m o r e i n v o l v e d t h a n s i m p l e v o l u m e i n c r e a s e a s t h e r e a c t a n t s c o n v e r t s i n t o t h e r e a c t i o n p r o d u c t s . P e r h a p s t h e m o s t g e n e r a l l y a c c e p t e d v i e w o f t h e c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e e x p a n s i v e p r o c e s s i s o n e b a s e d o n t h e t o p o c h e m i c a l * g r o w t h o f c r y s t a l s o f e t t r i n g i t e o n t h e s u r f a c e o f g r a i n s o f C 3 A a n d o t h e r a l u m i n a b e a r i n g p h a s e s . T h e p r o b a b l e n a t u r e o f t h i s t o p o c h e m i c a l “ g r o w t h i s d i s c u s s e d b y S c h w i e t e e t a 1 : c r y s t a l s o f e t t r i n g i t e g r o w i n g o n t h e s u r f a c e o f t h e g r a i n f o r m s a n e x p a n d i n g l a y e r w h i c h i s c o n s t a n t l y f o r c e d o u t w a r d b y t h e c r y s t a l l i z a t i o n p r e s s u r e o f t h e g r o w i n g c r y s t a l s i n s i d e t h e l a y e r . O t h e r c o n s e q u e n c e s o f t h i s p r o c e s s a p p e a r t o i n c l u d e a r e d u c t i o n i n t h e r a t e o f e t t r i n g i t e f o r m a t i o n c a u s e d b y t h e p r o t e c t i o n o f t h e C 3 A s u r f a c e b y t h e d e n s e e t t r i n g i t e l a y e r ( t h i s m e c h a n i s m i s t h o u g h t t o b e r e s p o n s i b l e f o r t h e r e t a r d i n g e f f e c t o f g y p s u m i n t h e 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 ) , a n d s u b s e q u e n t a n d p e r h a p s r e p e a t e d b u r s t i n g o f t h e l a y e r , a l l o w i n g a t l e a s t t e m p o r a r y i n c r e a s e s i n t h e r e a c t i o n r a t e . [ 3 , 4 , 5 ] C H A P T E R I I E X P A N S I V E C E M E N T C O N C R E T E 2 . 1 I N T R O D U C T I O N A C I C o m m i t t e e 2 2 3 , i n i t s r e p o r t ( A C I , 1 9 7 0 ) o n e x p a n s i v e c e m e n t c o n c r e t e s , d e fi n e s t h e n o m e n c l a t u r e p e r t a i n i n g t o e x p a n s i v e c e m e n t c o n c r e t e a s f o l l o w s : E x p a n s i v e c e m e n t i s a c e m e n t w h i c h w h e n m i x e d w i t h w a t e r f o r m s a p a s t e t h a t , d u r i n g a n d a f t e r s e t t i n g a n d h a r d e n i n g , i n c r e a s e s s i g n i fi c a n t l y i n v o l u m e . [ 2 , 6 , 9 ] E x p a n s i v e c o n c r e t e s a r e d i v i d e d i n t o t w o c a t e g o r i e s , s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g a n d s e l f - s t r e s s i n g . T h e A C I d e fi n i t i o n s a r e : S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i s a n e x p a n s i v e c e m e n t c o n c r e t e i n w h i c h e x p a n s i o n , i f r e s t r a i n e d , i n d u c e s c o m p r e s s i v e s t r e s s e s w h i c h a p p r o x i m a t e l y o f f s e t t e n s i l e S t r e s s e s i n t h e c o n c r e t e i n d u c e d b y d r y i n g S h r i n k a g e . S e l f — s t r e s s i n g c o n c r e t e i s a n e x p a n s i v e c e m e n t c o n c r e t e i n w h i c h e x p a n s i o n , i f r e s t r a i n e d , i n d u c e s c o m p r e s s i v e s t r e s s e s o f a h i g h e n o u g h m a g n i t u d e t o r e s u l t i n s i g n i fi c a n t c o m p r e s s i o n i n t h e c o n c r e t e a f t e r d r y i n g S h r i n k a g e a n d c r e e p s t r a i n s h a v e o c c u r r e d . [ 7 , 8 ] S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i s g e n e r a l l y m a d e w i t h o n e o f t h e t h r e e m a i n c a t e g o r i e s o f e x p a n s i v e c e m e n t : E x p a n s i v e c o m p o n e n t i s t h e m a t e r i a l i n t e r g r o u n d w i t h P o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r t o o b t a i n e x p a n s i v e c e m e n t . I t i s m a d e u p o f t h e a n h y d r o u s c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e ( C a O . 3 A 1 2 0 3 . S O 3 ) , c a l c i u m s u l f a t e ( C a S O 4 ) , a n d f r e e l i m e ( C a O ) a s w e l l a s o t h e r k n o w n p o r t l a n d c e m e n t c o m p o u n d s . E x p a n s i v e c e m e n t T y p e K i s a m i x t u r e o f p o r t l a n d c e m e n t c o m p o u n d s , a n h y d r o u s c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e ( 4 C a O . 3 A 1 2 0 3 . S O 3 ) , c a l c i u m s u l f a t e ( C a S O 4 ) , a n d l i m e ( C a O ) . T h e a n h y d r o u s c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e i s a c o m p o n e n t o f a s e p a r a t e l y b u r n e d c l i n k e r b l e n d e d w i t h p o r t l a n d c e m e n t o r , a l t e r n a t i v e l y , i t m a y b e f o r m e d S i m u l t a n e o u s l y w i t h t h e P o r t l a n d c l i n k e r c o m p o u n d s d u r i n g t h e b u r n i n g p r o c e s s . E x p a n s i v e c e m e n t , T y p e M , i s e i t h e r a m i x t u r e o f p o r t l a n d c e m e n t , c a l c i u m a l u m i n a t e c e m e n t , a n d c a l c i u m s u l f a t e o r a n i n t e r g r o u n d p r o d u c t m a d e w i t h p o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r , c a l c i u m a l u m i n a t e c l i n k e r , a n d c a l c i u m s u l f a t e . E x p a n s i v e c e m e n t T y p e S i s a P o r t l a n d c e m e n t c o n t a i n i n g a l a r g e C 3 A c o n t e n t a n d m o d i fi e d b y a n e x c e s s o f c a l c i u m s u l f a t e a b o v e t h e u s u a l a m o u n t f o u n d i n o t h e r P o r t l a n d c e m e n t s . [ 1 3 , 2 7 ] R e c e n t l y e x p a n s i v e a d m i x t u r e s h a v e a l s o b e e n d e v e l o p e d w h i c h c o n v e r t a c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e m i x t u r e s i n t o s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . E t t r i n g i t e ( 3 C a O . A 1 2 0 3 . 3 C a S O 4 . 3 2 H 2 0 ) i s t h e p h a s 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 o f e x p a n s i v e c e m e n t s w h i c h i s t h e s o u r c e o f t h e e x p a n s i v e f o r c e ; i t i s c o m p a r a b l e t o t h e n a t u r a l m i n e r a l o f t h e s a m e n a m e . T h i s h i g h c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e i s a l s o f o r m e d b y s u l f a t e a t t a c k o n m o r t a r a n d c o n c r e t e , a n d w a s d e s i g n a t e d a s ‘ c e m e n t b a c i l l u s ’ i n o l d e r l i t e r a t u r e . " A l l e x p a n s i v e c e m e n t s c o n s i s t p r e d o m i n a n t l y o f P o r t l a n d c e m e n t s , a b o u t 9 4 t o 7 0 p e r c e n t . T h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n s a r e s i m i l a r t o t h o s e o f p o r t l a n d c e m e n t e x c e p t f o r h i g h e r s u l f a t e c o n t e n t s ( a b o u t 4 . 5 t o 6 . 5 p e r c e n t S ) , g e n e r a l l y h i g h e r a l u m i n a c o n t e n t s ( a b o u t 5 t o 9 p e r c e n t ) a n d g e n e r a l l y l o w e r S i l i c a c o n t e n t s . T h e l o w e r t h e a m o u n t o f t h e e x p a n s i v e a g e n t t h e g r e a t e r i s t h e S i m i l a r i t y i n c o m p o s i t i o n s . R e p r e s e n t a t i v e o x i d e c o m p o s i t i o n s o f t h e t h r e e t y p e s o f S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c e m e n t s c u r r e n t l y b e i n g p r o d u c e d i n t h e U n i t e d S t a t e s a r e g i v e n i n t h e f o l l o w i n g T a b l e . T _ _ T a b l e 2 . 1 O x i d e c o m p o s i t i o n [ 3 ] I T y p e o f C e m e n t ! ” p e t t y K s M - X S i O z , % 2 1 . 6 1 8 . 3 1 8 . 4 A 1 2 0 3 4 . 8 8 . 8 7 . 7 F e Z O 3 2 . 8 1 . 9 2 . 1 C a O 6 2 . 4 6 3 . 7 6 1 . 1 M g O 0 . 7 1 . 1 3 . 0 8 0 , 6 . 2 5 . 3 4 . 7 N a z O 0 . 1 8 0 . 0 4 0 . 0 4 K 2 0 0 . 1 8 0 . 3 0 . 0 4 L O I 1 . 0 6 - - T h r e e t y p e s o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c e m e n t s a r e c h a r a c t e r i z e d b y d i f f e r e n t a l u m i n a - b e a r i n g a g e n t s , C 4 A 3 S i n T y p e K , C A = C 1 2 A 7 ( c a l c i u m a l u m i n a t e c e m e n t ) i n T y p e M — X , a n d C A i n T y p e S . T h e s u l f a t e i s p r e s e n t a s g y p s u m , h e m i h y d r a t e , a n h y d r i d e a n d , i n p a r t i n T y p e K c e m e n t , a s C 4 A 3 S . T h e r e r e m a i n s l i t t l e d o u b t t h a t e t t r i n g i t e f o r m a t i o n i s t h e s o u r c e o f e x p a n s i v e e n e r g y a c c o r d i n g t o t h e r e a c t i o n , 6 C + A + 3 S + 3 2 H - C 3 A ' H 3 2 , N o o n e o f t h e o x i d e s a c t u a l l y o c c u r s a s a r e a c t a n t e x c e p t w a t e r f o r i n p a r t . P h a s e r u l e d i c t a t e s e x p r e s s i o n o f t h e r e a c t a n t s a s o x i d e s i n a g e n e r a l r e a c t i o n . [ 2 1 , 2 8 , 3 0 ] 2 . 2 H I S T O R Y A N D D E V E L O P M E N T O F E X P A N S I V E C E M E N T C O N C R E T E T h e t r a n s i t i o n f r o m s c i e n c e t o e n g i n e e r i n g w a s m a d e w h e n i t w a s fi r s t s u g g e s t e d t o u s e t h e d i s r u p t i v e e x p a n s i v e c o m p o n e n t a n d p u t i t s f o r c e s t o w o r k t o w a r d s c h e m i c a l p r e s t r e s s i n g . C a n d l o t , i n 1 8 9 0 , d i s c o v e r e d e t t r i n g i t e i n t h e f o r m o f t h e r e a c t i o n p r o d u c t o f t r i c a l c i u m a l u m i n a t e a n d c a l c i u m s u l f a t e i n a n a q u e o u s s o l u t i o n . H e r e p o r t e d i t a s 5 . 5 C a O . A l e 3 . 2 . 5 S 0 , . 5 9 H 2 0 . T h i s h a s b e e n r e f e r r e d t o a s " C a n d l o t ’ s S a l t . ” T w o y e a r s l a t e r , i n 1 8 9 2 , M i c h a e l i s s u g g e s t e d t h a t e t t r i n g i t e w a s r e s p o n s i b l e f o r 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 P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s i n t h e p r e s e n c e o f e n v i r o n m e n t s c o n t a i n i n g s u l f a t e s ( A C I . 1 9 7 0 ) . H e r e p o r t e d t h e c o m p o u n d d i s c o v e r e d b y C a n d l o t t o b e 6 C a O . A 1 2 0 3 . 3 S O 3 . 3 0 H 2 0 , w h i c h h a s t h e s a m e c o m p o s i t i o n a n d s t r u c t u r e a s t h e n a t u r a l l y o c c u r r i n g m i n e r a l e t t r i n g i t e a s r e p o r t e d b y L e h m a n i n 1 8 4 7 . T h e f i r s t r e a l i z a t i o n o f p o t e n t i a l u s e s f o r e t t r i n g i t e i n o f f s e t t i n g t h e d r y i n g s h r i n k a g e i s c r e d i t e d t o F r e n c h r e s e a r c h e r s i n L a f a r g e C e m e n t C o m p a n y i n F r a n c e i n t h e 1 9 2 0 ’ s . B u t t h e i r t e s t s p r o v e d t o b e u n s u c c e s s f u l . [ 1 , 2 0 ] L o s s i e r , i n 1 9 2 5 , i n t r o d u c e d e x p a n s i v e c e m e n t s . H i s o b j e c t i v e w a s c h e m i c a l p r e s t r e s s i n g o f c o n c r e t e s . T h e fi n d i n g s w e r e n o t i n t r o d u c e d t o t h e m a r k e t s i n c e e x p a n s i o n w a s u n c o n t r o l l a b l e . I n 1 9 5 8 , A l e x a n d e r K l e i n ( K l e i n a n d T r o x e l l , 1 9 5 8 ) , a t t h e U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a i n B e r k e l e y , i n t r o d u c e d a n h y d r o u s c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e - b e a r i n g c e m e n t » C 4 A 3 S , a s r e p o r t e d b y F u k u d a ( 1 9 6 8 ) . I t s t h r e e m a j o r c h a r a c t e r i s t i c X R D p e a k s w e r e r e p o r t e d t o b e 2 3 . 7 2 ° 2 0 , 3 3 . 8 2 ° 2 0 , a n d 4 1 . 6 2 ° 2 0 , w i t h r e l a t i v e i n t e n s i t i e s o f 1 0 0 , 3 0 , a n d 2 5 p e r c e n t r e s p e c t i v e l y . K l e i n s u g g e s t e d t h a t u p o n h y d r a t i o n , C 4 A 3 S i s b e t t e r f o r c o n t r o l l i n g t h e f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e . I t s s u c c e s s f u l fi e l d t r i a l s , c o n d u c t e d i n 1 9 6 3 , l a i d t h e f o u n d a t i o n t o f u l fi l l t h e p r o m i s i n g a d v a n t a g e s o f e x p a n s i v e c e m e n t s . [ 4 2 ] T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t i s n a m e d a f t e r A l e x a n d e r K l e i n w h o p a t e n t e d i t i n 1 9 6 1 . S e v e n y e a r s l a t e r , i n 1 9 6 8 , T y p e S e x p a n s i v e c e m e n t w a s i n t r o d u c e d b y G r e e n i n g f r o m 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 . I n 1 9 7 0 , U n i v e r s a l - A t l a s D i v i s i o n m a r k e t e d T y p e M e x p a n s i v e c e m e n t w h i c h w a s p r o d u c e d b y M o n f o r e a d e c a d e e a r l i e r . T h e S o v i e t s w e r e a l s o i n v o l v e d i n e x t e n s i v e r e s e a r c h o n e x p a n s i v e c e m e n t s . T h e y d e v e l o p e d a w a t e r - p r o o f e x p a n s i v e c e m e n t ( W E C ) i n 1 9 4 2 . T h i s w a s d o n e b y d r y - g r i n d i n g o f h i g h a l u m i n a c e m e n t ( H A C ) , g y p s u m a r t i fi c i a l l y m a d e h y d r o c a l c u m i n a t e w h i c h i s a d r y m i x t u r e o f H A C a n d l i m e g r o u n d t o g e t h e r . T h i s w a s u s e d f o r r e p a i r p u r p o s e s b e c a u s e o f i t s w a t e r - t i g h t n e s s a n d q u i c k - h a r d e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s . T h e y a l s o d e v e l o p e d a s e l f - s t r e s s i n g c e m e n t b y u s i n g fi n e l y g r o u n d p o r t l a n d c e m e n t , H A C , a n d g y p s u m . H o w e v e r , t h i s w a s u n e c o n o m i c a l b e c a u s e i t h a d t o b e c u r e d b y a h y d r o t h e r m a l p r o c e s s ( K e r d e g a r i , 1 9 7 8 ) . E x p a n s i v e c e m e n t s w e r e i n t r o d u c e d i n J a p a n i n 1 9 6 5 , a n d t h e a m o u n t o f u s a g e h a s b e e n g r a d u a l l y i n c r e a s i n g e v e r S i n c e . T h e d e v e l o p m e n t o f e x p a n s i v e c e m e n t i n J a p a n h a s b e e n v e r y s i m i l a r t o t h a t o f T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t w h i c h e x p a n d s b y f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e . H o w e v e r , t h e r e i s a l s o a d i f f e r e n t t y p e o f e x p a n s i v e c o m p o n e n t w h i c h e x p a n d s b y t h e a c t i o n o f a s p e c i a l l y p r o c e s s e d c a l c i u m o x i d e ( K o k u b u , 1 9 7 3 ) - - a f o r m o f f r e e - l i m e e x p a n s i o n . [ 2 2 , 2 3 , 4 8 ] 1 0 2 . 3 P R O D U C T I O N A N D C O M P O S I T I O N O F E X P A N S I V E C E M E N T B e f o r e p r o c e e d i n g t o a d e s c r i p t i o n o f v a r i o u s t y p e s o f e x p a n s i v e c e m e n t , t h i s s e c t i o n p r e s e n t s a n o v e r v i e w o f p o r t l a n d c e m e n t p r o d u c t i o n . 2 . 3 . 1 C O N V E N T I O N A L P O R T L A N D C E M E N T S P o r t l a n d C e m e n t i s m a d e f r o m r a w m a t e r i a l s c o n t a i n i n g L i m e , s i l i c a , a n d a l u m i n a . N a t u r a l c a l c a r e o u s d e p o s i t s , s u c h a s l i m e s t o n e a n d S h e l l b e d s , p r o v i d e t h e l i m e w h i l e n a t u r a l a r g i l l a c e o u s d e p o s i t s , s u c h a s c l a y , s h a l e a n d S l a t e , p r o v i d e t h e S i l i c a a n d a l u m i n a . T h e s e n a t u r a l d e p o s i t s a l s o c o n t a i n i r o n , w h i c h g i v e s t h e g r a y i s h c o l o r o f t h e c e m e n t . T h e y a l s o c o n t a i n m a g n e s i a , a l k a l i e s , p h o s p h a t e s , a n d o t h e r i m p u r i t i e s . S o m e o f t h e s e h a v e d e l e t e r i o u s e f f e c t s i f t h e y a p p e a r i n l a r g e q u a n t i t i e s ( T r o x e l l e t a 1 , 1 9 6 8 ) . T h e n a t u r a l r a w m a t e r i a l s , b a s e d o n c h e m i c a l a n a l y s e s , a r e p r o p o r t i o n e d t o a d e s i r e d c o m p o s i t i o n a n d g r o u n d i n e i t h e r d r y o r s l u r r y f o r m ( d r y o r w e t , r e s p e c t i v e l y ) . T h e p r e p a r e d m i x t u r e i s f e d i n t o a k i l n a n d h e a t e d t o t e m p e r a t u r e s r a n g i n g f r o m 1 6 0 0 ° C t o 1 9 0 0 ° C ( 2 9 1 2 ° F t o 3 4 5 2 ° F ) . T h e h i g h t e m p e r a t u r e i n t h e k i l n p r o d u c e s r e a c t i o n s a m o n g t h e l i m e - s i l i c a - a l u m i n a - i r o n - i m p u r i t i e s u n d e r o x i d i z i n g c o n d i t i o n s . T h e p r o d u c t , c a l l e d c l i n k e r , c o n t a i n s m a i n p h a s e s s u c h a s t r i c a l c i u m S i l i c a t e ( 3 C a O . S i O z ) , d i c a l c i u m S i l i c a t e ( 2 C a O . S i O z ) , t r i c a l c i u m a l u m i n a t e ( 3 C a O . A 1 2 0 3 ) , a n d 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 ( 4 C a O . A 1 2 0 3 . F e z O 3 ) . S o m e m i n o r c o n s t i t u e n t s , s u c h a s f r e e l i m e ( C a O ) , p e r i c l a s e ( M g O ) , a n d a l k a l i e s a r e a l s o i n c l u d e d . [ 9 , 1 9 , 5 1 ] 1 1 A f t e r b u r n i n g , t h e c l i n k e r i s c o o l e d , s t o r e d , a n d t h e n g r o u n d 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 m i n e r a l , f o r e x a m p l e , g y p s u m , t o g i v e c e m e n t c o n t r o l l e d s e t t i n g c h a r a c t e r i s t i c s . U s u a l l y t h e fi n e n e s s r a n g e s f r o m 2 , 0 0 0 t o 4 , 0 0 0 c m Z / g s p e c i fi c s u r f a c e . C h e m i c a l c o n s t i t u e n t s o f c e m e n t c a n b e r e p r e s e n t e d a s f o l l o w s : C = C a O H = H Z O f = F e A = A 1 2 0 3 N = N a 2 0 T = T i O 2 S = S i O 2 K = K 2 0 S = S O 3 F = F e 2 0 3 L = L i 2 0 C = C O 2 M = M g O ) P = P 2 0 5 U s i n g t h e s e a b b r e v i a t i o n s , t h e f o u r m a i n c o m p o n e n t s o f p o r t l a n d c e m e n t s a r e : T r i c a l c i u m s i l i c a t e ( 3 C a O . S i 0 2 = C 3 S ) D i c a l c i u m s i l i c a t e ( 2 C a O . S i O z = C 2 8 ) T r i c a l c i u m a l u m i n a t e ( 3 C a O . A 1 2 0 3 = C 3 A ) 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 ( 4 C a O . A 1 2 0 3 . F e Z O 3 = C 4 A F ) T h e B o g u e e q u a t i o n s a r e w e l l k n o w n t o c e m e n t c h e m i s t s , a n d t h e y a r e u s e d t o c a l c u l a t e w i t h r e a s o n a b l e a c c u r a c y t h e a m o u n t o f e a c h o f t h e m a j o r p h a s e s i n P o r t l a n d c e m e n t b y k n o w i n g t h e o x i d e s f r o m c h e m i c a l a n a l y s e s . T h e y a r e a s f o l l o w s : C 3 8 = 4 . 0 7 1 0 C - 7 . 6 0 2 4 8 - 1 . 4 2 9 7 F - 6 . 7 1 8 7 A C 2 8 = 8 . 6 0 2 4 8 + 5 . 0 6 8 3 A - 3 . 0 7 1 0 C C 3 A = 2 . 6 5 0 4 A - 1 . 6 9 2 0 F C A F = 1 M £ F 1 2 I f t h e c h e m i c a l a n a l y s i s d a t a i n c l u d e s t h e c o n t r i b u t i o n s f r o m g y p s u m , t h e n t h e B o g u e e q u a t i o n s f o r C 3 8 a n d ( > 2 8 c a n b e m o d i fi e d b y s u b t r a c t i n g 2 . 8 5 1 6 8 f r o m C 3 8 a n d a d d i n g 2 . 1 5 1 2 8 t o Q 8 ( K e r d e g a r i , 1 9 7 8 ) . I f t h e f e r r i t e p h a s e c o m p o s i t i o n d o e s n o t o c c u r a s C 4 A F , t h e n t h e m a i n e r r o r w o u l d b e i n C 3 A v a l u e a n d a m o d i fi e d B o g u e e q u a t i o n i s i n t r o d u c e d , a s s u m i n g t h e c o m p o s i t i o n t o b e C . , A . m F , , 2 8 ( M i d g l e y , 1 9 6 4 ) . C o p e l a n d a n d K a n t r o ( 1 9 6 4 ) r e p o r t e d t h a t t h e f e r r i t e p h a s e g e n e r a l l y c a n v a r y i n c o m p o s i t i o n f r o m C 6 A F 2 t o C 6 A 2 F . K a n t r o e t a l ( 1 9 6 4 ) d e t e r m i n e d q u a n t i t a t i v e l y t h e a m o u n t s o f t h e m a j o r p h a s e s i n P o r t l a n d c e m e n t s b y u s i n g t h e x — r a y d i f f r a c t i o n m e t h o d s . A m a j o r a d v a n t a g e o v e r t h e B o g u e e q u a t i o n s i s t h a t u s i n g t h e x - r a y s g i v e s i n f o r m a t i o n o n t h e i n d i v i d u a l p h a s e s a c t u a l l y e x i s t i n g i n t h e c e m e n t . F o r e x a m p l e , t h e B o g u e e q u a t i o n 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 c l i n k e r h a s r e a c h e d e q u i l i b r i u m i n t h e k i l n a n d a l s o t h a t t h e N F m o l e r a t i o o f t h e f e r r i t e p h a s e i s u n i t y ( C 4 A F ) . I t i s a l s o a s s u m e d t h a t t h e s i l i c a t e p h a s e s a r e f r e e f r o m o t h e r c o n s t i t u e n t s s u c h a s a l u m i n a . T h e u s e o f X R D d o e s n o t r e q u i r e t h e s e a s s u m p t i o n s a n d c a n g i v e m o r e a c c u r a t e v a l u e s o f t h e e x i s t i n g a m o u n t s o f t h e p h a s e s . I t w a s f o u n d t h a t t h e p o t e n t i a l C 3 A c o n t e n t s , a s i n d i c a t e d b y t h e B o g u e e q u a t i o n s , a r e h i g h e r t h a n t h e x - r a y v a l u e s i n m o s t c a s e s S i m p l y b e c a u s e s o m e o f t h e a l u m i n a i s e m b e d d e d i n t h e s i l i c a t e p h a s e s a n d t h e B o g u e e q u a t i o n s a r e a s s i g n i n g t h e s e a l u m i n a t o t h e C 3 A p h a s e . N e v e r t h e l e s s , e x c e p t f o r C A , t h e c o m p o s i t i o n s o b t a i n e d f r o m x - r a y a n a l y s i s d i d n o t d i f f e r s i g n i fi c a n t l y f r o m t h o s e o b t a i n e d f r o m B o g u e ’ s p o t e n t i a l c o m p o u n d c o m p o s i t i o n . [ 4 , 9 , 1 4 , 2 0 , 2 2 ] 1 3 I n r e c e n t t i m e s , t h e c o n t e n t o f l i m e h a s b e e n i n c r e a s i n g a n d S i l i c a h a s b e e n d e c r e a s i n g i n t h e c o m p o s i t i o n o f P o r t l a n d c e m e n t . T h i s i s a r e s u l t o f i m p r o v e m e n t s i n t h e m e t h o d s o f m a n u f a c t u r e b y w h i c h c e m e n t s o f h i g h e r l i m e c o n t e n t s c a n b e p r o d u c e d w i t h o u t r e d u c i n g t h e s o u n d n e s s . T h e p u r p o s e i s t h a t h i g h e r l i m e c o n t e n t i n t h e k i l n d u r i n g t h e h e a t i n g p r o c e s s w i l l i n c r e a s e t h e t r i c a l c i u m s i l i c a t e c o n t e n t o f c e m e n t s . T h i s w i l l r e s u l t i n a m o r e r a p i d d e v e l o p m e n t o f s t r e n g t h 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 ( L e e , 1 9 5 6 ) . T h e c a l c u l a t e d p o t e n t i a l c o m p o u n d c o m p o s i t i o n s a r e a v a l u a b l e i n f o r m a t i o n f o r d e t e r m i n i n g a n d c o m p a r i n g t h e g e n e r 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 s , a n d t h e y a r e e x t r e m e l y i m p o r t a n t t o c e m e n t c h e m i s t s a n d m a n u f a c t u r e r s . S i n c e C 3 A , C 3 8 , C 2 8 , a n d C 4 A F h a v e d i f f e r e n t c r y s t a l l i n e s t r u c t u r e s , t h e y c o m b i n e a t d i f f e r e n t r a t e s w i t h w a t e r t o p r o d u c e d i f f e r e n t p r o d u c t s s e r v i n g d i f f e r e n t p u r p o s e s . S t u d i e s o n p u r e c o m p o u n d s i n d i c a t e t h a t t h e r a t e o f h y d r a t i o n o f C A P i s t h e l a r g e s t , f o l l o w e d b y C 3 A , C 3 8 , a n d C 2 8 , r e s p e c t i v e l y ( B r u n a u e r , 1 9 5 7 ) . H y d r a t i o n o f C S u s u a l l y t a k e s a f e w m o n t h s w h i l e C 2 s o m e t i m e s t a k e s y e a r s t o c o m p l e t e i t s r e a c t i o n ( C o p e l a n d e t a 1 , 1 9 6 0 ) . T h u s , c e m e n t s c o n t a i n i n g d i f f e r e n t p r o p o r t i o n s o f t h e s e c o m p o u n d s w o u l d b e h a v e d i f f e r e n t l y . T h e r e a r e fi v e m a j o r c o m m e r c i a l l y - a v a i l a b l e p o r t l a n d c e m e n t s , a l l c l a s s i fi e d a c c o r d i n g t o t h e r e l a t i v e p r o p o r t i o n s o f t h e m a j o r c o m p o u n d s C 3 8 , C 2 8 , C 3 A , a n d C 4 A F . T a b l e 2 . 2 ( f r o m T . C . H a n s e n , 1 9 6 6 ) d e s c r i b e s t h e fi v e t y p e s w i t h a p p r o x i m a t e p e r c e n t o f p o t e n t i a l c o m p o u n d c o m p o s i t i o n s . [ 1 3 , 4 3 ] 1 4 P o r t l a n d c e m e n t T y p e s I a n d I I a r e u s u a l l y u s e d f o r r e g u l a r c o n c r e t e s t r u c t u r e s . I f t h e c o n t e n t o f Q A a n d C 3 8 i n c r e a s e s , t h e c e m e n t b e c o m e s T y p e I I I . I n t h e p r e s e n c e o f l a r g e a m o u n t s o f C A a n d C 3 8 t h e c e m e n t h a r d e n s a t e a r l y a g e s a n d f o r t h i s r e a s o n P o r t l a n d c e m e n t s t h a t a r e l o w i n C 3 A a n d C 3 8 a r e u s e d f o r m a s s c o n c r e t e w h e r e t h e a m o u n t o f h e a t l i b e r a t e d b y p h a s e s s u c h a s C 3 A a n d C 3 8 ( d u e t o t h e i r h i g h h e a t l i b e r a t i o n u p o n h y d r a t i o n w i t h w a t e r ) b e c o m e o f i m p o r t a n c e w h e n t h e r m a l s t r e s s e s a r e d e v e l o p e d i n p i p e s a n d r e i n f o r c e m e n t s e m b e d d e d i n t h e m a s s c o n c r e t e . T h i s t y p e o f c e m e n t i s c a l l e d P o r t l a n d c e m e n t T y p e I V o r l o w - h e a t P o r t l a n d c e m e n t . P o r t l a n d c e m e n t T y p e V o r s u l f a t e r e s i s t i n g p o r t l a n d c e m e n t c o n t a i n s l o w a m o u n t s o f G A , C A P , a n d M g O a n d i s u s e d w h e r e t h e r e i s a d a n g e r o f s u l f a t e a t t a c k b y w a t e r c a r r y i n g s u l f a t e s , f o r e x a m p l e , s e a w a t e r . [ 5 , 4 7 ] 1 5 T a b l e 2 . 2 A v e r a g e C o m p o s i t i o n o f S t a n d a r d T y p e s o f C e m e n t ( F r o m T . C . H a n s e n 1 9 6 6 ) A S T M T y p e I I I I I I I V V S t a n d a r d M o d e r a t e R a p i d L o w H e a t S u l p h a t e H e a t H a r d e n i n g , R e s i s t a n t H i g h E a r l y S t r e n g t h A p p l i c a t i o n s R e g u l a r M a s s W i n t e r M a s s S u l p h a t e C o n c r e t e C o n c r e t e C o n c r e t e C o n c r e t e W a t e r S t r u c t u r e s S e a W a t e r R e m P e r c e n t P e r c e n t P e r c e n t 1 1 m m C 3 8 5 3 4 7 , m a x 5 0 5 8 2 6 , m a x 3 5 m a x 5 0 C 2 8 2 4 3 2 1 6 5 4 , m i n 4 0 C 3 A 8 3 , m a x 8 8 , m a x 1 5 2 , m a x 7 m a x 5 C A P 8 1 2 8 1 2 2 . 3 . 2 E X P A N S I V E C E M E N T S E x p a n s i v e c e m e n t s a r e a l s o a v a i l a b l e i n a d d i t i o n t o P o r t l a n d c e m e n t t y p e s I t h r o u g h V . T h e t h r e e t y p e s o f e x p a n s i v e c e m e n t s u s e d i n t h e U n i t e d S t a t e s a r e d i f f e r e n t i a t e d b y t h e i r a l u m i n a - b e a r i n g p h a s e s . F o r e x a m p l e , T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t w h i c h c o n t a i n s t h e e x p a n s i v e c l i n k e r i s c h a r a c t e r i z e d b y C 4 A 3 8 . c h a r a c t e r i z e d b y C A + C 1 2 A 7 a n d a h i g h p e r c e n t a g e o f C A , r e s p e c t i v e l y . S i m i l a r l y , T y p e s M a n d 8 a r e T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t w h i c h i s u s u a l l y p r o d u c e d b y i n t e r g r i n d i n g o r d i n a r y P o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r , e x p a n s i v e c l i n k e r ( c o n t a i n i n g C 4 A 3 S ) , a n d a s u l f a t e s o u r c e ( l i k e a n h y d r i t e o r g y p s u m ) i s t h e o n e m o s t l y u t i l i z e d i n t h e U S . T h e e x p a n s i v e c l i n k e r 1 6 i s b u r n t s e p a r a t e l y f r o m r a w m a t e r i a l s c o n t a i n i n g l i m e , a l u m i n a , a n d s u l f a t e s i n r o t a r y k i l n s i n t h e s a m e m a n n e r a s o r d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r , a t a t e m p e r a t u r e o f a p p r o x i m a t e l y 1 3 0 0 ° C ( 2 3 7 2 ° F ) , w h i c h i s 3 0 0 t o 6 0 0 ° C ( 5 7 2 t o 1 1 1 2 ° F ) l e s s t h a n o r d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r s . [ 9 , l l , 1 2 ] T h e s u l f a t e a c t s a s a fl u x i n g a g e n t a n d a t t h i s t e m p e r a t u r e , t h e f o r m a t i o n o f C , A w i l l f o r m a t t h e e x p e n s e o f C 4 A 3 8 a n d f r e e l i m e , a c c o r d i n g t o t h e c h e m i c a l e q u a t i o n b e l o w ( M e h t a a n d P o l i v k a , 1 9 7 4 ) : C 4 A 3 8 + 6 C - - - > 3 C 3 A + C 8 T h e c l i n k e r i s c o o l e d a n d t h e n c r u s h e d t o a fi n e n e s s e q u i v a l e n t t o t h e P o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r . T h e c r u s h i n g e n e r g y i t r e q u i r e s t o o b t a i n t h e s i m i l a r fi n e n e s s i s l e s s t h a n t h a t r e q u i r e d f o r p o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r ( B u r c i a g a , 1 9 7 7 ) . O n t h e a s s u m p t i o n o f c h e m i c a l e q u i l i b r i u m i n s i d e t h e k i l n , a n d o n t h e f u r t h e r a s s u m p t i o n t h a t n o C 3 A i s p r e s e n t , M e h t a ( 1 9 7 4 ) c o m p u t e d t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s t o d e t e r m i n e t h e c o m p o u n d f r o m o x i d e a n a l y s i s : C 3 8 = 4 . 0 7 0 C - 7 . 6 8 - 2 . 2 3 9 A - 4 . 2 8 7 F - 2 . 8 5 1 8 C 2 8 = 8 . 6 0 0 8 + 1 . 6 8 9 A + 3 . 2 3 5 F + 2 . 1 5 0 8 - 3 . 0 7 0 C C 4 A 3 S = 1 . 9 9 5 A - 1 . 2 7 3 F C 8 = 1 . 7 0 0 8 + 0 . 2 8 4 F - 0 . 4 4 5 A C 4 A F = 3 . 0 4 3 F T h e C a O ( C ) w h i c h i s t o b e u s e d i n t h e e q u a t i o n s i s t h e t o t a l C a O m i n u s f r e e C a O ( u n c o m b i n e d ) a s d e t e r m i n e d b y t h e c h e m i c a l a n a l y s i s . 1 7 A l e x a n d e r K l e i n ( 1 9 5 8 ) d e v e l o p e d s i m i l a r e q u a t i o n s e a r l i e r b u t h e a s s u m e d C é A z F t o o c c u r i n s t e a d o f C A P . H o w e v e r , o n t h e b a s i s o f x - r a y d i f f r a c t i o n , M e h t a s h o w e d t h a t t h e c o m p o s i t i o n o f t h e f e r r i t e p h a s e i s c l o s e r t o C 4 A F . T h e e x p a n s i v e c l i n k e r s i n t h e U n i t e d S t a t e s a r e d e v e l o p e d t o c o n t a i n e i g h t p e r c e n t t o 5 0 p e r c e n t Q A 3 8 ( M e h t a a n d P o l i v k a , 1 9 7 4 ) . T h e y a l s o c o n t a i n C S w h i c h h e l p s t o k e e p t h e C 4 A 3 S s t a b l e d u r i n g t h e b u r n i n g p r o c e s s . P e r c e n t a g e s o f o x i d e s a n d c a l c u l a t e d c o m p o u n d c o m p o s i t i o n s t y p i c a l o f c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e T y p e K e x p a n s i v e c l i n k e r s w e r e g i v e n e a r l i e r i n T a b l e 2 . 2 , b a s e d o n M e h t a ’ s e q u a t i o n s . [ 5 , 4 5 , 5 2 ] 2 - 3 - 3 F R E N C H C E M E N T I n i t i a l l y , t h e e x p a n s i v e c e m e n t p r o d u c e d i n F r a n c e b y t h e L a f a r g e C o m p a n y w a s a m i x t u r e o f P o r t l a n d c e m e n t , g y p s u m a n d a l u m i n o u s c e m e n t . I t w a s n o t s u c c e s s f u l S i n c e t h e r e a c t i o n w a s e r r a t i c a n d d i f fi c u l t t o c o n t r o l . L a t e r d e v e l o p m e n t s b y L o s s i e r u s e d a m i x t u r e o f P o r t l a n d c e m e n t , a g r o u n d C l i n k e r , a n d a s t a b i l i z e r . T h e c l i n k e r w a s o b t a i n e d b y b u r n i n g a m i x t u r e o f g y p s u m , b a U X i t e , a n d c h a l k . T h e s t a b i l i z e r w a s b l a s t f u r n a c e s l a g a n d w a s u s e d t o c o n t r o l t h e r e V l l c r t i o n b y c o m b i n i n g w i t h t h e C H , r e d u c i n g i t s c o n c e n t r a t i o n i n t h e l i q u i d p h a s e a n d t “ 1 1 0 8 a f f e c t i n g t h e f o r m a t i o n o f t h e t r i s u l f a t e h y d r a t e . T h e c e m e n t w a s n o t s u c c e s s f u l d u e t o d i f fi c u l t i e s i n c o n t r o l l i n g a n d r e p r o d u c i n g t h e e x p a n s i o n . O r i g i n a l l y , t h e g r o u n d e n n k e r w a s t h o u g h t t o b e a n a n h y d r o u s c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e . H o w e v e r , i n 1 9 5 2 , I ‘ a f u m a ( 2 9 ) r e p o r t e d r e s u l t s o f X - r a y a n a l y s i s o f t h e c l i n k e r a n d f o u n d n o a n h y d r o u s 1 8 c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e ( t e r n a r y C - A - S c o m p o u n d ) b u t o n l y a m i x t u r e o f f r e e a n h y d r o u s C S , c a l c i u m ' a l u m i n a t e d ( m a i n l y C - 5 A 3 a n d 0 , 8 ( d i c a l c i u m S i l i c a t e ) . B a s e d o n l a t e r i n f o r m a t i o n , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c l i n k e r b u r n i n g m u s t h a v e b e e n b e l o w t h a t r e q u i r e d f o r t h e f o r m a t i o n o f t h e t e r n a r y c o m p o u n d . H o w e v e r , L a f u m a c o n c l u d e d w r o n g l y t h a t n o b e n e fi t i s a c h i e v e d b y s e p a r a t e c l i n k e r b u r n i n g a n d t h a t t h e s a m e t r i s u l f a t e h y d r a t e e x p a n s i o n c h a r a c t e r i s t i c s c o u l d b e o b t a i n e d b y u s i n g a m i x t u r e o f h i g h - a l u m i n a c e m e n t a n d c a l c i u m s u l f a t e . [ 3 , 5 ] 2 - 3 - 4 R U S S I A N C E M E N T A n u m b e r o f e x p a n s i v e c e m e n t s h a v e b e e n u s e d i n R u s s i a . C e m e n t s w i t h l o w e x p a n s i o n h a d a n e x p a n s i v e c o m p o n e n t m a d e o f a m i x t u r e o f c a l c i u m a l u m i n a t e h y d r a t e , O b t a i n e d b y t h e i n t e r a c t i o n o f l i m e o n a l u m i n o u s c e m e n t s o r o n c a l c i n e d c l a y , a n d g y p s u m . I n 1 9 5 7 , M i k h a i l o v r e p o r t e d c e m e n t s w i t h h i g h e x p a n s i o n u s e d f o r c h e m i c a l l y P r e s t r e s s e d c o n c r e t e . T h e s e w e r e m a d e b y i n t e r g r i n d i n g a l u m i n o u s c e m e n t , P o r t l a n d c e m e n t a n d e i t h e r g y p s u m o r p l a s t e r o f P a r i s . B e c a u s e o f t h e l a r g e a m o u n t o f A i o n s a v a i l a b l e , i m m e d i a t e l y o n h y d r a t i o n , t h e m o n o s u l f a t e ( C 4 A S H 1 2 ) i s f o r m e d r a t h e r t h a n t h e t r i s u l f a t e ( C 6 A 8 3 H 3 2 ) . T h u s t h e i n i t i a l e x p a n s i o n i s l o w a n d t h e d a n g e r o f d i s r u p t i o n e X i S t S o n r e c r y s t a l l i z a t i o n t o t h e t r i c u l f a t e h y d r a t e . M i k h a i l o v a c h i e v e d p r o p e r c o n t r o l b y u s i n g a v e r y l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o ( e . g . , 0 . 1 6 ) , p e r m i t t i n g t h e m a t e r i a l t o h a r d e n a t a n l b i e n t t e m p e r a t u r e f o r u p t o 2 4 h o u r s a n d t h e n s u b j e c t i n g t h e h a r d e n e d s t r u c t u r e t o h y d l ‘ O t h e r m a l t r e a t m e n t f o r s o m e 6 h o u r s a t a b o u t 7 0 - 1 0 0 ° C . T h i s t r e a t m e n t i s 1 9 e f f e c t i v e b e c a u s e w i t h t h e d i s r u p t i v e f o r m a t i o n o f t h e t r i s u l f a t e h y d r a t e , 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 s a c c e l e r a t e d , d u e t o t h e h i g h t e m p e r a t u r e , a n d a b a l a n c e d s t r e n g t h - e x p a n s i o n r e l a t i o n i s a c h i e v e d . H o w e v e r , t h e t y p e o f h y d r o t h e r m a l t r e a t m e n t r e q u i r e d l i m i t s t h e s t r u c t u r a l u s e o f t h i s e x p a n s i v e c e m e n t . [ 3 , 4 , 5 , 7 ] 2 . 4 M E C H A N I S M S O F E X P A N S I O N 2 . 4 . 1 I N T R O D U C T I O N T h e s a m e r e a c t i o n s t h a t c a u s e d a m a g e t o t h e c o n c r e t e , w h e n a l l o w e d t o p r o g r e s s u n c o n t r o l l e d , a l s o a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e e x p a n s i o n a s s o c i a t e d w i t h e x p a n s i v e c e m e n t s . F u r t h e r , a l t h o u g h t h e s e r e a c t i o n s a r e a c c o m p a n i e d b y a c h e m i c a l s h r i n k a g e , t h a t i s , a d e c r e a s e i n t h e o v e r a l l v o l u m e o f t h e r e a c t i n g s y s t e m ( s o l i d s + w a t e r ) , t h e r e i s a v e r y s i g n i fi c a n t i n c r e a s e i n t h e o r i g i n a l s o l i d v o l u m e . T h e r e i s s u f fi c i e n t e v i d e n c e t h a t a t o p o c h e m i c a l “ r e a c t i o n m e c h a n i s m i s t h e m a i n r e a s o n f o r t h e o b s e r v e d e x p a n s i o n . T o p r o d u c e e x p a n s i o n w i t h o u t c r a c k i n g , t h e t i m e a t w h i c h t h e e x p a n s i v e r e a c t i o n t a k e s p l a c e d u r i n g t h e h a r d e n i n g p r o c e s s i S c r i t i c a l . I t m u s t o c c u r a t a t i m e w h e n t h e c o n c r e t e h a s l o s t i t s p l a s t i c i t y a n d a c h i e v e d a c e r t a i n r i g i d i t y a n d s t r e n g t h . I f i t o c c u r s b e f o r e t h i s t i m e , a p l a s t i c d e f o r m a t i o n , r a t h e r t h a n a n e x p a n s i o n , o f t h e m a t e r i a l w i l l r e s u l t . O n t h e o t h e r h a n d , t h e c o n c r e t e m a t r i x m u s t n o t b e t o o S t i f f t o a c c o m m o d a t e s o m e l i m i t e d e x p a n s i o n , a s o t h e r w i s e t h e e x p a n s i o n w o u l d l e a d t o c r a c k i n g . W h e n t h e c o n c r e t e l o s e s t h i s fl e x i b i l i t y , t h e e x p a n s i v e r e a c t i o n s a l s o m u s t c e a s e . [ 1 , 5 ] 2 0 T h e f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e i s t h e p r o c e s s e m p l o y e d m o s t c o m m o n l y t o p r o d u c e e x p a n s i o n i n e x p a n s i v e c e m e n t s . F o r r e a s o n s d i s c u s s e d a b o v e , i t i s i m p o r t a n t t o c o n t r o l t h i s p r o c e s s s o t h a t t h e b u l k o f e t t r i n g i t e i s f o r m e d a f t e r t h e s e t t i n g o f t h e c o n c r e t e , a n d y e t w h i l e t h e c o n c r e t e m a t r i x i s s t i l l fl e x i b l e e n o u g h t o a c c o m m o d a t e t h e e x p a n s i o n . T o p r o d u c e e t t r i n g i t e i n e x p a n s i v e c e m e n t s , c a l c i u m s u l f a t e i s u s e d a s t h e s o u r c e o f s u l f a t e i o n s , w h e r e a s d i f f e r e n t c a l c i u m a l u m i n a t e p h a s e s m a y b e u s e d f o r s u p p l y i n g t h e a l u m i n u m i o n s . H o w e v e r , d u e t o t h e d i f f e r e n c e s i n t h e i r r e a c t i v i t i e s , n o t a l l c a l c i u m a l u m i n a t e s p e r f o r m e q u a l l y t o p r o d u c e e x p a n s i o n w i t h o u t c r a c k i n g . C a l c i u m h y d r o x i d e , p r o d u c e d b y t h e h y d r a t i o n o f t h e c a l c i u m s i l i c a t e p h a s e s o f c e m e n t , o r a d d e d t o t h e s y s t e m e x t e r n a l l y , a l s o p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e b y f a c i l i t a t i n g t h e t o p o c h e m i c a l " m e c h a n i s m o f t h e e x p a n s i v e r e a c t i o n a s w e l l a s b y c o n t r o l l i n g ( r e t a r d i n g ) i t s k i n e t i c s . F r o m a m o n g t h e v a r i o u s a l u m i n a t e p h a s e s , t e r a c a l c i u m t r i a l u m i n o s u l f a t e , C 4 A 3 8 , a p p e a r s t o b e t h e m o s t s u i t a b l e s o u r c e o f a l u m i n u m i o n s f o r t h e e x p a n s i v e r e a c t i o n . M o s t o f t h i s p h a s e h y d r a t e s i n t h e d e s i r a b l e t i m e r a n g e o f s e v e r a l h o u r s t o s e v e r a l d a y s , a f t e r m i x i n g w i t h w a t e r . M o n o c a l c i u m a l u m i n a t e , C A , h y d r a t e s r a t h e r r a p i d l y i n i t i a l l y i n t h e p r e s e n c e o f g y p s u m o r l i m e , b u t a s i g n i fi c a n t f r a c t i o n o f i t r e a c t s S h o r t l y a f t e r s e t t i n g , t h a t i s , a t a t i m e w h i c h i s s u i t a b l e f o r t h e e x p a n s i o n p r o c e s s . T h i s r e a c t i o n c e a s e s w i t h i n a f e w d a y s . C o n t r a r y t o t h e r e a c t i o n s o f t h e s e a l u m i n a t e s , t r i c a l c i u m a l u m i n a t e , C 3 A , p r o d u c e s e t t r i n g i t e i n v e r y e a r l y s t a g e s o f h y d r a t i o n , t h a t i s , a t a t i m e w h e n t h i s r e a c t i o n d o e s n o t c a u s e a n e x p a n s i o n . L a t e r , a l t h o u g h t h e r e a c t i o n m a y c o n t i n u e f o r a n e x t e n d e d p e r i o d o f t i m e e v e n a f t e r t h e c o n c r e t e h a s l o s t i t s a b i l i t y t o 2 1 e x p a n d w i t h o u t c r a c k i n g , i t p r o g r e s s e s a t a v e r y S l o w r a t e . F i n a l l y , t h e r e a c t i o n o f t h e C . 2 A 7 p h a s e i s m u c h t o o r a p i d t o b e u s e d i n e x p a n s i v e c e m e n t s . T h e h y d r a t i o n r e a c t i o n s o f C a O a n d M g O t o p r o d u c e C a ( O H ) ; a n d M g ( O H ) 2 , r e s p e c t i v e l y , a l s o a r e e x p a n s i v e i n n a t u r e , a n d m a y b e e m p l o y e d i n e x p a n s i v e c e m e n t s . H o w e v e r , i t i s r a t h e r d i f fi c u l t t o c o n t r o l t h e k i n e t i c s o f t h e s e r e a c t i o n s i n s u c h a m a n n e r t h a t t h e e x p a n s i o n i s n o t a c c o m p a n i e d b y a c r a c k i n g . [ 1 3 , 2 0 ] I t i s a w e l l k n o w n f a c t t h a t e x p a n s i o n i n s u l f o a l u m i n a t e - t y p e e x p a n s i v e c e m e n t s ( t y p e s K , M a n d S ) i s a s s o c i a t e d w i t h t h e f o r m a t i o n o f a c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e h y d r a t e , e t t r i n g i t e . C 4 A 3 S i n T y p e K , C A a n d C , 2 A 7 i n T y p e M a n d C 3 A i n t y p e S a r e t h e m a j o r p h a s e s r e s p o n s i b l e f o r t h e f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e . A n o t h e r t y p e o f e x p a n s i o n i s i n t h e f o r m o f f r e e - l i m e e x p a n s i o n . T h i s C a O - t y p e e x p a n s i v e c e m e n t w a s i n t r o d u c e d b y K a w a n o , H i t o t s u y a a n d M o r i . W i t h a d e q u a t e c o n t r o l o f h y d r a t i o n r a t e , i t s h o w s s u p e r i o r p r o p e r t y w h e n c o m p a r e d t o t h e s u l f o a l u m i n a t e - t y p e e x p a n s i v e c e m e n t s . A r e v i e w o f l i t e r a t u r e o n s u l f o a l u m i n a t e - t y p e e x p a n s i v e c e m e n t s , S p e c i fi c a l l y T y p e K , s h o w s t h a t u n d e r s t a n d i n g s o f t h e m o r p h o l o g y o f e t t r i n g i t e f o r m a t i o n a n d t h e m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n r e m a i n c o n t r o v e r s i a l i s s u e s . T h e n u m e r o u s t h e o r i e s a n d m o d e l s a i m e d a t 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 o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e a n d e x p a n s i o n d u e t o e t t r i n g i t e c a n b e d i v i d e d i n t o t w o m a j o r h y p o t h e s e s : t h e C r y s t a l G r o w t h T h e o r y a n d t h e S w e l l i n g T h e o r y . 2 2 A c c o r d i n g t o t h e fi r s t h y p o t h e s i s , e x p a n s i o n i s c a u s e d b y t h e g r o w t h o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s w h i c h f o r m o n t h e s u r f a c e s o f t h e e x p a n s i v e p a r t i c l e s o r i n t h e s o l u t i o n . T h e g r o w t h o f t h e s e c r y s t a l s , c o m m o n l y r e f e r r e d t o a s c r y s t a l g r o w t h , i s r e s p o n s i b l e f o r t h e c r y s t a l l i z a t i o n p r e s s u r e a n d , h e n c e , e x p a n s i v e f o r c e . A c c o r d i n g t o t h e s e c o n d h y p o t h e s i s , e x p a n s i o n i s c a u s e d b y t h e s w e l l i n g o f t h e e t t r i n g i t e p a r t i c l e s t h a t a r e o f c o l l o i d a l s i z e . T h e s e p a r t i c l e s a r e c o m m o n l y r e f e r r e d t o a s g e l . T h i s g e l h a s a l a r g e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a a n d , s i m i l a r t o C - S - H g e l , t a k e s u p w a t e r t o p r o d u c e o v e r a l l e x p a n s i o n b y s w e l l i n g . T h e f o r m a t i o n o f t h i s g e l o c c u r s b y a t h r o u g h - s o l u t i o n m e c h a n i s m d u e t o r e a c t i o n b e t w e e n t h e e x p a n s i v e p a r t i c l e s a n d t h e s u r r o u n d i n g s o l u t i o n . M o r e o v e r , i f C a ( O H ) 2 e x i s t s i n t h e s o l u t i o n , t h e n e t t r i n g i t e p a r t i c l e s w i l l b e c o l l o i d a l i n S i z e . B u t i f C a ( O H ) 2 i s a b s e n t , t h e n e t t r i n g i t e p a r t i c l e s w i l l b e l a r g e r i n s i z e . I t i s o n l y i n t h e f o r m e r c a s e t h a t e x p a n s i o n c a n o c c u r . [ 4 6 ] 2 . 4 . 2 H Y D R A T I O N C H A R A C T E R I S T I C S A S S O C I A T E D W I T H E X P A N S I V E E T T R I N G I T E F O R M A T I O N T h e h y d r a t i o n c h e m i s t r y o f e x p a n s i v e c e m e n t s i s n o t y e t f u l l y u n d e r s t o o d . I t i s g e n e r a l l y r e c o g n i z e d , h o w e v e r , t h a t f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e , ( 3 C a O - A 1 2 0 3 . 3 C a S O 4 ' 3 2 H 2 0 ) i s t h e s o u r c e o f t h e e x p a n s i v e f o r c e a n d i s a f a c t o r c o m m o n t o m o s t c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e e x p a n s i v e c e m e n t s . 2 3 2 . 4 . 2 . 1 P R I N C I P A L C O N D I T I O N S F O R E T T R I N G I T E F O R M A T I O N A S s h o w n b y t h e f o r m u l a , f o u r c o m p o n e n t s , C a O , A 1 2 0 , , 8 0 3 , a n d H 2 0 , c o n s t i t u t e e t t r i n g i t e . T h e r e a c t i o n i n v o l v e d i n t h e f o r m a t i o n o f t h i s p h a s e , r e d u c e d t o i t s S i m p l e s t f o r m , i s : 6 C a O + A 1 2 0 3 + 3 2 H Z O - - - > 3 C a O . A 1 2 0 3 . 3 C a S O , . 3 2 H 2 0 . T h e t h r e e c o m p o n e n t s o t h e r t h a n w a t e r m a y o r i g i n a t e f r o m a l a r g e v a r i e t y o f r e a c t a n t s . T h e m a t e r i a l s m u s t b e e i t h e r s o l u b l e o r a t l e a s t s l i g h t l y s o l u b l e , o r f o r m s o l u b l e t o S l i g h t l y s o l u b l e h y d r a t i o n p r o d u c t s . A s e c o n d r e q u i r e m e n t i s t h a t t h e a q u e o u s p h a s e ( t h e s o l u t i o n f o r m e d w h e n t h e m i x i n g w a t e r r e a c t s i n i t i a l l y w i t h t h e m a t e r i a l s ) c o n t a i n c o n c e n t r a t i o n s o f C a O , 8 0 3 , a n d A 1 2 0 3 i n s u f fi c i e n t a m o u n t f o r s t a b i l i z a t i o n o f e t t r i n g i t e . T h i s s e c o n d c o n d i t i o n i s p r o v i d e d i n t h e e x p a n s i v e c e m e n t s u n d e r c o n s i d e r a t i o n a s l o n g a s 8 0 3 i s a v a i l a b l e t o t h e s o l u t i o n i n a m o u n t s e q u a l t o , o r e x c e e d i n g , t h e s o l u b i l i t y o f e t t r i n g i t e . [ 4 2 , 4 6 , 4 9 ] 2 . 4 . 2 . 2 G E N E R A L S O U R C E S O F P R I N C I P A L C O M P O N E N T S L i m e , a s C a ( O H ) 2 , r e q u i r e d f o r c h e m i c a l c o m b i n a t i o n o r i g i n a t e s b y h y d r o l y s i s o f a l i t e ( 3 C a 0 - S i O z ) , b e l i t e ( 2 C a O - 8 i 0 2 ) a n d h y d r a t i o n o f f r e e C a O i n b o t h t h e e x p a n s i v e c o m p o n e n t a n d p o r t l a n d c e m e n t . C a l c i u m s u l f a t e , w h e n p r e s e n t , s u p p l i e s t h e C a O a s s o c i a t e d w i t h t h e 8 0 3 . T h e A 1 2 0 3 i s o b t a i n e d f r o m C A a n d C 1 2 A 7 o f t h e c a l c i u m a l u m i n a t e c e m e n t , a n d C , A a n d C 4 A 3 8 o f t h e T y p e K c e m e n t . S t i l l o t h e r A 1 2 0 3 - b e a r i n g m a t e r i a l s ( b a u x i t e , b u r n e d k a o l i n , s l a g , e t c . ) h a v e b e e n u s e d i n e x p e r i m e n t s a s s o u r c e o f 2 4 A 1 2 0 3 b u t a r e n o t c o n s i d e r e d i n t h i s r e p o r t . T h e 8 0 , i n p r a c t i c e i s s u p p l i e d e i t h e r a s g y p s u m o r a n h y d r i t e , o r p a r t i a l l y b y C 4 A 3 S w h e n t h e l a t t e r i s p r e s e n t . I t f o l l o w s o n t h e b a s i s o f t h e p r i m a r y c h e m i c a l r e q u i r e m e n t s t h a t m a n y c o m b i n a t i o n s o f t h e a b o v e m a t e r i a l s w o u l d s e r v e f o r f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e . T h e c h o i c e i n p r a c t i c e i s l i m i t e d t o c o m b i n a t i o n s o f a v a i l a b l e m a t e r i a l s t h a t a r e p r o d u c t i v e o f t h e d e s i r e d d e g r e e o f e x p a n s i o n a t t h e r i g h t t i m e . [ 1 , 2 , 3 ] 2 . 4 . 2 . 3 P R I M A R Y F A C T O R S I N V O L V E D I N P R O P O R T I O N I N G O F E X P A N S I V E C O N S T I T U E N T S T h e p r o p o r t i o n i n g o f t h e e x p a n s i v e c o n s t i t u e n t s i n d i f f e r e n t c e m e n t s i s n o t b a s e d o n t h e a m o u n t s r e p r e s e n t e d b y t h e t h e o r e t i c a l r a t i o o f C 6 A 8 3 . T h e i m p o r t a n t r e q u i r e m e n t t o b e f u l fi l l e d i n t h e c h o i c e o f p r o p o r t i o n i n g t h e m a t e r i a l s i s t h a t t h e C a O , 8 0 , , a n d e s p e c i a l l y t h e A 1 2 0 3 , b e c o m e a v a i l a b l e f o r e t t r i n g i t e f o r m a t i o n a t t h e r i g h t t i m e . E t t r i n g i t e s t a r t s t o f o r m d u r i n g m i x i n g a n d c o n t i n u e s t o f o r m d u r i n g s u b s e q u e n t w a t e r c u r i n g u n t i l t h e 8 0 , o r A 1 2 0 3 i s e x h a u s t e d . A m a j o r p a r t o f e t t r i n g i t e m u s t f o r m a f t e r a t t a i n m e n t o f a c e r t a i n d e g r e e o f s t r e n g t h , o t h e r w i s e t h e e x p a n s i v e f o r c e w i l l d i s s i p a t e i n d e f o r m a t i o n o f a s t i l l p l a s t i c o r s e m i p l a s t i c c o n c r e t e a n d p l a c e n o s t r e s s o n t h e r e s t r a i n t p r o v i d e d . I f , o n t h e o t h e r h a n d , t h e e t t r i n g i t e c o n t i n u e s t o f o r m r a p i d l y f o r t o o l o n g a p e r i o d a f t e r t h e m a j o r p a r t o f s t r e n g t h h a s d e v e l o p e d t h r o u g h c e m e n t h y d r a t i o n , d i s r u p t i v e e x p a n s i o n o f t h e h a r d e n e d c o n c r e t e m a y o c c u r . M o s t o f t h e e x p a n s i v e r e a c t i o n o f f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e m u s t t h e r e f o r e c e a s e b e f o r e d e v e l o p m e n t o f h i g h S t r e n g t h t h r o u g h h y d r a t i o n h a s o c c u r r e d . E x p e r i e n c e h a s 2 5 s h o w n t h a t s o m e e x p a n s i v e f o r c e s m a y c o n t i n u e t o d e v e l o p o v e r t h e " e t t r i n g i t e f o r m a t i o n p e r i o d ” w i t h o u t m a j o r d e l e t e r i o u s e f f e c t o n s t r e n g t h . T h i s p e r i o d i n c l u d e s t h e t i m e o f c o n t i n u i n g h y d r a t i o n o f t h e c e m e n t w i t h s u b s t a n t i a l s t r e n g t h d e v e l o p m e n t . C o n t i n u i n g . e x p a n s i o n m a y c a u s e m i c r o c r a c k i n g i n t h e p a s t e , b u t s u c h m i c r o c r a c k s a r e b e i n g c o n t i n u a l l y s e a l e d w i t h n e w h y d r a t i o n p r o d u c t s , p r o v i d e d s u f fi c i e n t m o i s t u r e i s a v a i l a b l e . A r o n i p r o p o s e d a m u l t i s t a g e e x p a n s i o n t h e o r y w h i c h d e s c r i b e s a n u m b e r o f c y c l e s o f e x p a n s i o n , i n t e r n a l r e s t r a i n t , l o c a l d i s r u p t i o n , a n d r e v i t a l i z e d e x p a n s i o n . [ 5 1 , 5 4 ] 2 . 4 . 2 . 4 S O , R E A C T I O N S O T H E R T H A N E T T R I N G I T E F O R M A T I O N I f t h e r e a c t i o n : 6 C a O + A 1 2 0 3 + 3 8 0 + 3 2 H Z O - - - > E t t r i n g i t e r e p r e s e n t e d t h e c o n s u m p t i o n o f a l l A 1 2 0 3 a n d 8 0 3 , a n d t h e s e h a v i n g b e e n p r e s e n t i n t h e t h e o r e t i c a l r a t i o i n t h e h y d r a t i n g c e m e n t , t h e p r o b l e m s o f c o n t r o l w o u l d b e r e l a t i v e l y s i m p l e . S o m e o f t h e 8 0 3 , h o w e v e r , c o m b i n e s w i t h t h e h y d r a t i n g s i l i c a t e s . T h e d i s t r i b u t i o n o f S O , a n d A 1 2 0 , b e t w e e n e t t r i n g i t e a n d t h e h y d r a t e d c a l c i u m S i l i c a t e r e q u i r e s s p e c i a l c a r e i n p r o p o r t i o n i n g . A t t h e p r e s e n t t i m e , c o n t r o l i s b a s e d o n s e c u r i n g e x p a n s i o n o f d e s i r e d a m o u n t s a n d a t p r e d e t e r m i n e d t i m e b y c a r e f u l c o n t r o l o f t h e p r o p o r t i o n s o f t h e c e m e n t m i x t u r e e s t a b l i s h e d i n l a b o r a t o r y t e s t s . [ 2 , l 3 ] 2 6 2 . 4 . 2 . 5 P R O D U C T S O F R E A C T I O N C A U S I N G E X P A N S I O N T h e m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n o f c e m e n t p a s t e s c o n t a i n i n g C 4 A 3 S , C A , o r a h i g h e r t h a n u s u a l C 3 A c o n t e n t i s o f t e n a t t r i b u t e d t o e t t r i n g i t e f o r m a t i o n a n d a l s o i n f r e q u e n t l y t o t h e f o r m a t i o n o f c a l c i u m a l u m i n a t e m o n o s u l f a t e . H a n s e n e t a l “ p r o p o s e d t h a t t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s f o r m d i r e c t l y o n t h e s u r f a c e s o f t h e Q A g r a i n s w i t h o u t t h e l a t t e r e n t e r i n g t h e s o l u t i o n . I n t h e n o r m a l p r o c e s s o f h y d r a t i o n , t h e r e s i d u a l C 3 A g r a i n s w o u l d b e c o m p l e t e l y s u r r o u n d e d b y h y d r a t i o n p r o d u c t s a n d g r o w t h o f t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s f o r m e d i n s u c h s i t e s w o u l d d e v e l o p e x p a n s i o n s t r e s s e s . S i m i l a r r e a c t i o n m e c h a n i s m s c o u l d a p p l y t o C 4 A 3 S a n d C A a s w e l l . T h e r e a c t i o n s i n v o l v i n g C 4 A 3 S i n e t t r i n g i t e f o r m a t i o n h a v e b e e n d i s c u s s e d i n d e t a i l b y M e h t a a n d K l e i n . M e h t a c o n c l u d e d t h a t e t t r i n g i t e , n o t m o n o s u l f a t e , w a s t h e e x p a n s i v e p h a s e . U n e q u i v o c a l p r o o f h a s n o t y e t b e e n e s t a b l i s h e d o n t h e m e c h a n i s m o f f o r m a t i o n o f t h e e x p a n s i v e p h a s e s r e s u l t i n g i n e x p a n s i v e f o r c e s . I t i s , h o w e v e r , p r o b a b l e t h a t e t t r i n g i t e c r y s t a l s w h e n s u r r o u n d e d a n d r e s t r a i n e d b y r e a c t i o n p r o d u c t s g r o w i n s i z e a n d t h e r e b y a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f S t r e s s e s . [ 2 1 , 3 5 ] 2 . 4 . 2 . 6 A L K A L I - C A R B O N A T E R E A C T I O N S o m e r e a c t i v e a g g r e g a t e s t e n d t o p r o d u c e e x p a n s i v e p r o d u c t s a s a r e s u l t s o f r e a c t i o n s w i t h c e m e n t a l k a l i S . A l k a l i - c a r b o n a t e r e a c t i o n s i s o n e o f t h e f o r m s o f a l k a l i - c a r b o n a t e r e a c t i o n s . 2 7 A c c o r d i n g t o T a u g e t e t a l , t h e m i c r o s t r u c t u r e o f t h e r e a c t i v e c a r b o n a t e r o c k i s c h a r a c t e r i z e d b y a d i s t r i b u t i o n o f r h o m b i c c r y s t a l s o f d o l o m i t e i n a m a t r i x c o m p o s e d o f c l a y a n d fi n e g r a i n e d c a l c i t e ( c a l c i u m c a r b o n a t e ) ; t h e c l a y e y p a r t e x i s t s a s a n e t w o r k . T h e a l k a l i s o l u t i o n p e n e t r a t e s t h r o u g h t h e c h a n n e l s o f t h e c l a y n e t w o r k a n d r e a c t s w i t h t h e d o l o m i t e c r y s t a l s . T h e e x p a n s i o n i s c a u s e d b y t h e a l k a l i i o n s a n d w a t e r m o l e c u l e s m i g r a t i n g i n t o t h e r e s t r i c t e d s p a c e a n d b y t h e g r o w i n g a n d r e a r r a n g i n g o f t h e p r o d u c t s f r o m d e d o l o m o t i z a t i o n . [ 2 3 , 3 7 , 3 8 , 4 0 , 5 5 , 5 6 ] 2 . 4 . 2 . 7 H E A T O F H Y D R A T I O N A v a i l a b l e i n f o r m a t i o n o n t h e n a t u r e o f h y d r a t i n g c o m p o u n d s a n d A S T M C - l 8 6 , i n d i c a t e s t h a t a l l t y p e s o f e x p a n s i v e c e m e n t m a y b e e x p e c t e d t o h a v e s i g n i fi e a n t l y h i g h e r h e a t s o f h y d r a t i o n a t e a r l y a g e s , a n d s l i g h t l y h i g h e r h e a t s o f h y d r a t i o n a t l a t e r a g e 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 s . 2 . 4 . 3 T H E O R I E S O F E X P A N S I O N 2 . 4 . 3 . 1 C R Y S T A L G R O W T H T H E O R Y S i n c e , i n c h e m i c a l l y p r e s t r e s s e d e x p a n d i n g c o n c r e t e , r e s t r a i n t i s a v i t a l i n g r e d i e n t , w e a r e d e a l i n g w i t h a p h e n o m e n o n o f c r y s t a l g r o w t h u n d e r p r e s s u r e . B a s i c p h y s i c a - c h e m i c a l k n o w l e d g e o f t h i s p h e n o m e n o n c o u l d h e l p u s u n d e r s t a n d , c o n t r o l a n d p r e d i c t r e l a t e d b e h a v i o r o f e x p a n d i n g c o n c r e t e . 2 8 B e c k e r a n d D a y a p p e a r t o h a v e b e e n t h e fi r s t t o d e m o n s t r a t e c o n c l u s i v e l y t h a t a c r y s t a l c a n g r o w a n d l i f t a n o b j e c t w h e n l o a d e d w i t h a w e i g h t . A c c o r d i n g t o t h e R i e c k e p r i n c i p l e , a c r y s t a l u n d e r l i n e a r p r e s s u r e h a s a g r e a t e r s o l u b i l i t y o r l o w e r m e l t i n g p o i n t t h a n a n u n s t r e s s e d o n e . A c c o r d i n g t o C o r r e n s , t h e p r e s s u r e w h i c h a g r o w i n g c r y s t a l c a n e x e r c i s e d e p e n d s u p o n t h e s u p e r s a t u r a t i o n o f t h e s u r r o u n d i n g m e d i u m . T h u s w e w o u l d e x p e c t t h e e x p a n s i o n u n d e r s t r e s s , i n e x p a n d i n g c o n c r e t e , t o d e p e n d o n t h e s t a t e o f s u p e r s a t u r a t i o n . A l s o , r e s t r a i n t a n d p r e s s u r e w i l l c a u s e n o t o n l y v i s c o — e l a s t i c d e f o r m a t i o n s b u t w i l l i n t e r a c t w i t h a n d i n fl u e n c e t h e v e r y c a u s e o f e x p a n s i o n , t h e c r y s t a l g r o w t h . H a n s e n d i s c u s s e d c r y s t a l g r o w t h a s a s o u r c e o f e x p a n s i o n 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 d d e s c r i b e d t h e w o r k o f T a b e r , w h o u n d e r t o o k a n e x t e n s i v e e a r l y i n v e s t i g a t i o n o f t h e b e h a v i o r o f c r y s t a l s u n d e r d i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s . S o m e o f T a b e r ’ s c o n c l u s i o n s w e r e : [ 1 , 2 , 3 ] ( a ) A c r y s t a l w i l l g r o w i n a d i r e c t i o n i n w h i c h e x t e r n a l f o r c e s o p p o s e g r o w t h i f t h e s u r f a c e o n w h i c h t h e f o r c e s a r e a c t i n g i s i n c o n t a c t w i t h a s o l u t i o n t h a t i s s u p e r s a t u r a t e d w i t h r e s p e c t t o i t . A s t h e s o l u b i l i t y i n c r e a s e s w i t h p r e s s u r e , f o r a n y i n c r e a s e i n t h e f o r c e s o p p o s i n g g r o w t h a c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n 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 s n e c e s s a r y f o r t h e g r o w t h t o c o n fi n u e . ( b ) I f a c r y s t a l i s s u b j e c t e d t o a g r e a t e r p r e s s u r e i n o n e d i r e c t i o n t h a n i n o t h e r s , t h e s u r f a c e s t h a t a r e u n d e r t h e l e s s e r p r e s s u r e w i l l t e n d t o l i m i t t h e 2 9 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 a n d p r e v e n t i t f r o m b e c o m i n g s u p e r s a t u r a t e d w i t h r e s p e c t t o t h e s u r f a c e s t h a t a r e r e n d e r e d m o r e s o l u b l e b e c a u s e o f t h e g r e a t e r p r e s s u r e . I n o r d e r t h a t g r o w t h m a y a l s o t a k e p l a c e o n t h e s u r f a c e s u b j e c t e d t o t h e g r e a t e r p r e s s u r e , s o m e m e a n s m u s t b e p r o v i d e d f o r m a i n t a i n i n g t h e s u p e r s a t u r a t i o n o f t h e s o l u t i o n i n c o n t a c t w i t h t h e m . ( c ) I n p o r o u s m a t e r i a l s t h e s o l u t i o n s i n s u b c a p i l l a r y p o r e s a r e n o t r e a d i l y n u c l e a t e d . T h e r e f o r e , t h e s o l u t i o n i n s u c h p o r e s w i l l b e s u p e r s a t u r a t e d w i t h r e s p e c t t o c r y s t a l s g r o w i n g i n l a r g e r p o r e s . H e n c e , t h e c r y s t a l s i n t h e l a r g e r p o r e s c a n r e c e i v e m a t e r i a l f r o m t h e s m a l l e r p o r e s , c a n g r o w a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e l i q u i d a n d t h e c r y s t a l , a n d c a n e x e r t p r e s s u r e d u r i n g t h i s g r o w t h . R i c h a r d s a n d H e l m u t h ( 1 9 7 4 ) h a v e a p p l i e d t h i s t h e o r y t o s t u d y t h e m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n i n e x p a n s i v e c e m e n t s . I n t h e i r s t u d i e s t h e y a s s u m e d t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s C , A a n d C 4 A 3 S t o b e s p h e r i c a l a n d o f a v e r a g e c o m p o s i t i o n . T h e s e p a r t i c l e s a r e s u r r o u n d e d b y a s o l u t i o n o f u n i f o r m t h i c k n e s s c o n t a i n i n g d i s s o l v e d s u l f a t e s , c a l c i u m h y d r o x i d e s , a n d w a t e r . H y d r a t i o n i s a s s u m e d t o p r o c e e d a t e q u a l f r a c t i o n r a t e a c c o r d i n g t o t h e e q u a t i o n b e l l o w : C 4 A 3 S + 8 C S + 6 C + 9 6 H - - - > 3 C , , A S 3 H 3 2 ( e t t r i n g i t e ) C 3 A + 3 C S + 3 2 H - - - > C 6 A 8 3 H 3 2 ( e t t r i n g i t e ) M o r e o v e r , t h e y a s s u m e d t h a t a s s o o n a s r e a c t i o n s t a r t s , i m m e d i a t e l y t h e s u r f a c e s o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s b e c o m e c o v e r e d b y a d e n s e c o a t i n g p r o d u c t - e t t r i n g i t e . 3 0 F u r t h e r h y d r a t i o n , w h i c h o c c u r s t o p o c h e m i c a l l y , * i n c r e a s e s t h e t h i c k n e s s o f t h i s c o a t o r l a y e r . W h e n t h e l a y e r e x c e e d s t h e s u r r o u n d i n g s o l u t i o n t h i c k n e s s , i t w i l l p u s h o t h e r p a r t i c l e s a p a r t , r e s u l t i n g i n o v e r a l l e x p a n s i o n . T h i s i s t h e c r y s t a l g r o w t h t h e o r y . E x p a n s i o n w i l l c o n t i n u e u n t i l e i t h e r t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s o r t h e d i s s o l v e d s u l f a t e s w i l l d e p l e t e . F o l l o w i n g t h e s e a s s u m p t i o n s , t h e M i c r o m e c h a n i c a l M o d e l w a s d e v e l o p e d t o c a l c u l a t e g e o m e t r i c a l l y t h e fi n a l m a g n i t u d e o f e x p a n s i o n . T h i s m a g n i t u d e d e p e n d s o n t h e fi n a l t h i c k n e s s o f t h e e t t r i n g i t e c o a t i n g a n d o n t h e n u m b e r o f e x p a n s i v e s i t e s . T h e s e t w o f a c t o r s a r e i n fl u e n c e d b y : ( 1 ) c h e m i c a l c o m p o s i t i o n ( 2 ) w a t e r - c e m e n t r a t i o ( 3 ) 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 h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s ( P S D ) T h i s m o d e l p r e d i c t e d t h a t t h e r e i s a n o p t i m u m P S D r e s u l t i n g i n t h e h i g h e s t m a g n i t u d e o f e x p a n s i o n . T h e m o d e l a l s o p r e d i c t e d t h a t i n c r e a s i n g t h e a m o u n t o f s u l f a t e ( e . g . , g y p s u m ) a t t h e e x p e n s e o f P o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r w h i l e k e e p i n g t h e a m o u n t o f e x p a n s i v e c l i n k e r c o n s t a n t i n c r e a s e s t h e m a g n i t u d e o f e x p a n s i o n . [ 2 , 3 ] O n e d i s a d v a n t a g e o f t h e m o d e l i s t h a t i t d o e s n o t h a v e a t i m e f a c t o r . F o r e x a m p l e , i t d o e s n o t s a y a n y t h i n g a b o u t t h e k i n e t i c s o f e t t r i n g i t e f o r m a t i o n a n d h o w t h e y w o u l d a f f e c t t h e t i m e o f e x p a n s i o n . S c h w i e t e e t a 1 ( 1 9 6 6 ) a l s o s t a t e d t h a t e t t r i n g i t e c r y s t a l s a r e f o r m e d o n t h e s u r f a c e s o f t h e C , A p a r t i c l e s w i t h o u t t h e C 3 A b e i n g d i s s o l v e d b e f o r e h a n d . T h e y s h o w e d t h a t t h e s e c r y s t a l s f o r m i n t h e fi r s t f e w s e c o n d s o n t h e S i t e s a n d w h i c h e x e r t e x p a n s i v e f o r c e s a g a i n s t t h e s u r r o u n d i n g w a l l s . U n l i k e t h e 3 1 s u r f a c e s o f t h e C A p a r t i c l e s . S i n c e t h e v o l u m e o f t h e e t t r i n g i t e f o r m e d i s g r e a t e r t h a n t h a t o f t h e p o r t i o n o f t h e C , A u s e d , t h e e t t r i n g i t e l a y e r w i l l n o t r e m a i n o n t h e s u r f a c e o f t h e C 3 A p a r t i c l e . I t w i l l e v e n t u a l l y p e e l o f f . T h i s i s t h e c r y s t a l l i z a t i o n p r e s s u r e a s s o c i a t e d w i t h t h e f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e . B e n t u r a n d I s h - S h a l o m ( 1 9 7 4 . 1 . , I I . ) a l s o a p p l i e d t h e c r y s t a l g r o w t h t h e o r y t o S t u d y t h e e x p a n s i o n m e c h a n i s m o f p u r e C 4 A 3 S p a r t i c l e s . S i m i l a r t o R i c h a r d s a n d H e l m u t h , t h e y a s s u m e d t h e e t t r i n g i t e t o f o r m t o p o c h e m i c a l l y “ o n t h e s u r f a c e s o f C 4 A 3 8 p a r t i c l e s w h i c h t h e y a l s o t o o k t o b e s p h e r i c a l . U n l i k e t h e m i c r o m e c h a n i c a l m o d e l , t h e s e p a r t i c l e s w e r e c o n s i d e r e d t o b e o f e q u a l d i a m e t e r s . I n a d d i t i o n , t h e y a s s u m e d t h e e t t r i n g i t e l a y e r t o b e m a d e o f fi n e i n t e r m e s h e d c r y s t a l l i t e s e n c l o s i n g p o r e s b e t w e e n t h e m . T h i s w a s a g a i n d i f f e r e n t f o r m t h e m i c r o m e c h a n i c a l m o d e l w h i c h a s s u m e d t h e e t t r i n g i t e l a y e r t o b e d e n s e a n d w i t h o u t a n y p o r e s . [ 1 , 5 ] B e n t u r a n d I s h - S h a l o m s h o w e d t h a t e x p a n s i o n d o e s n o t s t a r t i n s t a n t a n e o u s l y b u t a t a c r i t i c a l d e g r e e o f h y d r a t i o n , a , “ w h e n t h e fi r s t c o n t a c t i s f o r m e d b e t w e e n t h e e x p a n d i n g s p h e r e s . F u r t h e r h y d r a t i o n p r o d u c e s m o r e e t t r i n g i t e w h i c h w i l l p u s h a g a i n s t o t h e r p a r t i c l e s , t h u s p r o d u c i n g e x p a n s i o n . P r o b a b l y t h e t i m e a t w h i c h t h e c r i t i c a l h y d r a t i o n o c c u r s c o r r e s p o n d s t o t h e t i m e i t t a k e s f o r t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s , a c c o r d i n g t o t h e m i c r o m e c h a n i c a l m o d e l , t o s u r p a s s t h e s o l u t i o n o f t h i c k n e s s . K a l o u s e k a n d B e n t o n ( 1 9 7 0 ) i n t h e i r s t u d y o f t h e m e c h a n i s m o f s e a w a t e r a t t a c k o n c e m e n t p a s t e s h a v e a t t r i b u t e d e x p a n s i o n t o t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s t h a t g r o w i n c o n fi n e d 3 2 m i c r o m e c h a n i c a l m o d e l , t h e y s t a t e d t h a t t h e r e i s n o c o r r e l a t i o n e x i s t i n g b e t w e e n t h e a m o u n t s o f e t t r i n g i t e p r e c i p i t a t e d a n d e x p a n s i o n . I t i s o n l y a p a r t o f t h e i n c r e a s e o f e t t r i n g i t e w h i c h i s e f f e c t i v e i n c a u s i n g e x p a n s i o n , t h e r e m a i n d e r d e p o s i t i n g i n v o i d s . K a l o u s e k a n d B e n t o n d i v i d e d t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s i n t o t w o c a t e g o r i e s - t h e i r o n - e t t r i n g i t e a n d t h e a l u m i u m - e t t r i n g i t e . T h e i r o n - e t t r i n g i t e , w h i c h t h e y c a l l e d t h e F — r i c h e t t r i n g i t e , i s a p r o d u c t o f t h e f e r r i t e p h a s e . T h e s e c r y s t a l s d i d n o t g r o w i n s i z e , a n d i f t h e y d i d , t h e a m o u n t w a s s m a l l . W i t h o u t c r y s t a l g r o w t h , e x p a n s i v e f o r c e s w e r e n o t d e v e l o p e d a n d t h e p a s t e d i d n o t e x p a n d . T h e a l u m i n u m - e t t r i n g i t e , w h i c h t h e y c a l l e d t h e F — p o o r e t t r i n g i t e , i s a p r o d u c t o f t h e a l u m i n a t e p h a s e . T h e s e c r y s t a l s g r e w i n s i z e b y d e p o s i t i o n o f t h e p a r t i c i p a t i n g i o n s f r o m t h e s u r r o u n d i n g s u p e r s a t u r a t e d s o l u t i o n . T h e i r g r o w t h , w h e n c o n fi n e d b y h y d r a t i o n p r o d u c t s , w a s t h e s o u r c e o f e n e r g y c a u s i n g e x p a n s i o n . B u d n i k o v a n d D r a v c h e n k o ( 1 9 6 8 ) , i n t h e i r s t u d i e s o n e x p a n s i v e c e m e n t s , h a v e a l s o a t t r i b u t e d i n c r e a s e i n v o l u m e o f h a r d e n e d c e m e n t p a s t e t o t h e f o r m a t i o n o f c r y s t a l s . T h e y a l s o i n d i c a t e t h a t e x p a n s i o n o c c u r s w h e n t h e g r o w t h o f c r y s t a l s , w h i c h o c c u r s a t a " l i n e a r p e r i o d , ” m o v e s t h e o b s t a c l e s a p a r t . [ 1 4 ] E x p a n s i o n d e p e n d s , i n t h e i r o p i n i o n , o n t h e n u m b e r o f c r y s t a l l i z a t i o n n u c l e i i n a u n i t o f v o l u m e a n d a l s o o n t h e g r o w t h s p e e d o f t h e c r y s t a l s . I f t h e n u m b e r o f c r y s t a l l i z a t i o n n u c l e i i s l a r g e p e r u n i t v o l u m e , d e s p i t e a g r e a t n u m b e r o f t h e s e e x p a n s i v e s i t e s , e x p a n s i o n w i l l b e s m a l l . H o w e v e r , i f t h e n u m b e r i s s m a l l p e r u n i t v o l u m e , e x P a n s i o n w i l l b e l a r g e , d e s p i t e a l e s s e r n u m b e r o f t h e s e e x p a n s i v e s i t e s . I n a d d i t i o n , e x p a n s i o n w i l l a l s o b e l a r g e i f t h e g r o w t h o f c r y s t a l s i s m o r e p r o l o n g e d . 3 3 T h e r e e x i s t s a s i m i l a r i t y b e t w e e n B u d n i k o v - K r a v c h e n k o ’ s a n d R i c h a r d s - H e l m u t h ’ s i d e a s . T h e n u m b e r o f c r y s t a l l i z a t i o n n u c l e i ( e x p a n s i v e S i t e s ) p r o b a b l y c o r r e s p o n d s t o t h e n u m b e r o f e x p a n d i n g p a r t i c l e s i n t h e m i c r o m e c h a n i c a l m o d e l . F o r e x a m p l e , a l a r g e n u m b e r o f n u c l e i r e l a t e s t o a l a r g e n u m b e r o f e x p a n d i n g p a r t i c l e s p e r u n i t v o l u m e ( fi n e c e m e n t s ) . T h e m i c r o m e c h a n i c a l m o d e l a l s o p r e d i c t s t h a t f o r t h i s c a s e , e x p a n s i o n w i l l b e s m a l l . S i m i l a r t o A r o n i e t a 1 , B u d n i k o v a n d K r a v c h e n k o ( 1 9 6 8 ) s t r e s s t h e i m p o r t a n c e o f t h e k i n e t i c s o f e t t r i n g i t e f o r m a t i o n . F o r e x a m p l e , i f t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s f o r m t o o q u i c k l y , a s i n t h e c a s e o f fi n e e x p a n s i v e c e m e n t s , t h e n t h e m a g n i t u d e o f e x p a n s i o n i s n o t v e r y l a r g e . T h i s i s b e c a u s e t h e c e m e n t h a s n o t h a r d e n e d s u f fi c i e n t l y t o p r o v i d e f o r e x p a n s i o n . B u t i f t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s f o r m l a t e r , t h e n e x p a n s i o n w i l l b e r e l a t i v e l y l a r g e r , p r o v i d e d t h a t t h e c e m e n t h a s g a i n e d c o n s i d e r a b l e h a r d n e s s . [ 6 , 1 3 ] T h e f a c t o r s w h i c h i n fl u e n c e e x p a n s i o n , a s t h e y r e p o r t , a r e t h e c o m p o s i t i o n o f t h e e x p a n s i v e c e m e n t , t h e fi n e n e s s a n d c o m p o n e n t s o f c e m e n t , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e e n v i r o n m e n t , t h e a d m i x t u r e s m o d i f y i n g t h e S t r u c t u r e s o f t h e n e w l y - f o r m e d h y d r a t e s , e t c . H o w e v e r , t h e y s t a t e t h a t t h e n u c l e i f o r m b o t h i n t h e s o l u t i o n a n d o n t h e s u r f a c e s o f t h e c e m e n t g r a i n s S i n c e 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 o n t h e s u r f a c e o f t h e p a r t i c l e i s l a r g e s t . S o , t o i n t e r p r e t t h e i r s a y i n g , t h e y p r o b a b l y b e l i e v e i n b o t h t o p o c h e m i c a l “ a n d t h r o u g h - s o l u t i o n m o d e s o f f o r m a t i o n o f t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s , b u t d o n o t s a y i n p a r t i c u l a r w h i c h m o d e o f f o r m a t i o n p r o d u c e s e x p a n s i o n . 3 4 T h e m o d e o f f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e w a s s t u d i e d e x t e n s i v e l y b y N a k a m u r a e t a 1 ( 1 9 6 8 ) . I n t h e i r s t u d i e s o n t h e e x p a n s i b i l i t y o f p u r e m i x t u r e s o f C 4 A 3 S - C a ( O H ) 2 - C a S O , s y s t e m , t h e y r e p o r t e d t h a t t h e c o n d i t i o n o f f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e s e e m s t o b e d e p e n d e n t u p o n t h e c o n c e n t r a t i o n o f 8 0 4 2 ' i o n s a r o u n d t h e C 4 A 3 S p a r t i c l e s , r e g a r d l e s s o f t h e p r e s e n c e o r a b s e n c e o f C a ( O H ) 2 . T h e y s u g g e s t e d t h a t t w o t y p e s o f s t o i c h i o m e t r i c r e a c t i o n s o c c u r : [ 1 3 , 1 4 , 2 0 ] C 4 A 3 S + 6 C H + 8 C S M L - - > 3 C A . 3 C a S O 4 3 2 H 2 0 ( e t t r i n g i t e ) C 4 A 3 S + 2 C S " L - - > C 3 A . 3 C a S O . , . 3 2 H Z O + 2 A H 3 ( e t t r i n g i t e ) B o t h r e a c t i o n s p r o d u c e e t t r i n g i t e , b u t o w i n g t o t h e p r e s e n c e o f C a ( O H ) 2 , t h e fi r s t r e a c t i o n o c c u r s e a r l i e r . I n t h e p r e s e n c e o f C a ( O H ) 2 , w h e n C a 2 + i o n s w e r e r e l a t i v e l y i n a b u n d a n c e , e t t r i n g i t e , a s t h e y r e p o r t , c r y s t a l l i z e d a s fi n e g r a i n s c o a t i n g t h e s u r f a c e o f C 4 A 3 S p a r t i c l e s . I n a g r e e m e n t w i t h R i c h a r d s - H e l m u t h a n d B e n t u r - I s h - S h a l o m , t h i s c o a t d e v e l o p e d d u r i n g t h e p r o c e s s o f h y d r a t i o n a n d b e g a n t o a c t o n t h e a d j a c e n t p a r t i c l e s t o p r o d u c e e x p a n s i o n . T h e m a g n i t u d e o f e x p a n s i o n i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s i n g a m o u n t o f C a ( O H ) 2 . S i m i l a r t o K a l o u s e k a n d B e n t o n ( 1 9 7 0 ) , t h e y r e p o r t e d t h a t e x p a n s i o n w a s n o t n e c e s s a r i l y d e p e n d e n t u p o n t h e a m o u n t o f e t t r i n g i t e t h a t w a s f o r m e d . I n t h e a b s e n c e o f C a ( O H ) 2 ( t h e s e c o n d r e a c t i o n ) n o e x p a n s i o n w a s p r o d u c e d e v e n t h o u g h e t t r i n g i t e w a s f o r m e d . I n t h i s r e a c t i o n , w h e n C a 2 + i o n s w e r e r e l a t i v e l y s c a r c e , e t t r i n g i t e f o r m e d a s l a r g e c r y s t a l s i n t h e s o l u t i o n . 3 5 N a k a m u r a e t a l a l s o o b s e r v e d t h a t i n p u r e m i x t u r e s o f C 4 A 3 S - C a ( O H ) 2 - C a 8 0 2 , e x p a n s i o n a l s o w a s a t t a i n e d e v e n w h e n C a ( O I - I ) 2 w a s a b s e n t f r o m t h e p u r e m i x t u r e . T h i s w a s p r o b a b l y b e c a u s e C a ( O H ) 2 w a s s u p p l i e d b y t h e C 3 8 a n d C 2 8 p a r t i c l e s e x i s t i n g i n t h e P o r t l a n d c e m e n t . H e n c e , C a ( O H ) 2 i s n e e d e d t o p r o d u c e e x p a n s i o n . F i n a l l y , N a k a m u r a e t a 1 ( 1 9 6 8 ) r e p o r t e d t h a t e x p a n s i o n b e g i n s o n l y w h e n t h e c e m e n t o b t a i n s c o n s i d e r a b l e h a r d n e s s t o a c c o m m o d a t e e x p a n s i o n . T h i s i s i n a g r e e m e n t w i t h A r o n i e t a l a n d B u d n i k o v a n d K r a v c h e n k o . A l o n g t h i s l i n e , t h e e f f e c t s o f l i m e c o n c e n t r a t i o n o n t h e m o d e o f f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e a n d o n t h e r e s u l t i n g e x p a n s i o n w a s s t u d i e d b y O k u s h i m a e t a 1 ( 1 9 6 8 ) . I n t h e i r s t u d i e s , t h e y c a r r i e d o u t p h y s i c o c h e m i c a l i n v e s t i g a t i o n s b y m e a n s o f o p t i c s , e l e c t r o n m i c r o s c o p y , x - r a y d i f f r a c t i o n , a n d p o r e - s i z e d i s t r i b u t i o n t o s t u d y t h e m e c h a n i s m o f h y d r a t i o n , h a r d e n i n g , e x p a n s i o n , a n d s h r i n k a g e o f e x p a n s i v e c e m e n t s . S i m i l a r t o t h e p r e v i o u s i n v e s t i g a t o r s , t h e y a s s o c i a t e d e x p a n s i o n w i t h f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e . O k u s h i m a e t a 1 ( 1 9 6 8 ) a l s o o b s e r v e d v e r y l i t t l e e x p a n s i o n w h e n t h e r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n o f l i m e ( C a 2 + ) w a s l o w . T h i s o b s e r v a t i o n w a s s i m i l a r t o t h e f i n d i n g s o f N a k a m u r a e t a 1 ( 1 9 6 8 ) . I n a d d i t i o n , t h e y r e p o r t t h a t e t t r i n g i t e c a n f o r m e i t h e r o n t h e s u r f a c e o f G A p a r t i c l e s o r i n t h e s o l u t i o n . I n t h e c a s e o f C 4 A 3 S a l o n e , C 3 A . C S . H l 2 ( m o n o s u l f a t e ) a n d A 1 ( O H ) 3 a r e p r o d u c e d a n d t h i s c a u s e s e t t r i n g i t e t o c r y s t a l l i z e o u t i n t h e s o l u t i o n . B u t i n t h e p r e s e n c e o f l i m e , C 4 A 3 S h y d r a t e s q u i c k l y a n d b e c o m e s c o v e r e d w i t h a fi n e c o a t i n g o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s w i t h o u t c h a n g i n g t h e o u t e r s h a p e o f t h e g r a i n . T h e c o a t i n g t h e n b e g i n s t o e x p a n d . T h i s o n c e m o r e i s a p r o p e r t y o f t o p o c h e m i c a l " r e a c t i o n a n d c r y s t a l g r o w t h . 3 6 I n t h e i r X R D a n a l y s i s , t h e y s h o w t h a t e t t r i n g i t e i s p r o d u c e d a s l o n g a s g y p s u m i s a v a i l a b l e . H o w e v e r , a t a c e r t a i n p o i n t o f h y d r a t i o n , m o n o s u l f a t e c o m e s i n t o e x i s t e n c e j u s t w h e n t h e c o n c e n t r a t i o n o f e t t r i n g i t e s t a r t s t o d r o p . T h i s p r o b a b l y i n d i c a t e s t h a t m o n o s u l f a t e s f o r m a t t h e e x p e n s e o f e t t r i n g i t e . F u r t h e r m o r e , e x p a n s i o n , a s r e p o r t e d , s e e m e d t o b e m a i n l y a c c o m p a n i e d b y a n i n c r e a s e i n t h e v o l u m e o f p o r e s . O k u s h i m a e t a 1 a t t r i b u t e t h e i r r e v e r s i b l e e x p a n s i o n o f e x p a n s i v e c e m e n t s t o p h y s i c o c h e m i c a l f a c t o r s a s f o l l o w s : ” I n t h e h y d r a t i o n o f C S A - c e m e n t ( c a l c i u m - s u l f a t e - a l u m i n a t e c e m e n t ) , C a O a n d C a S O 4 a r e c o n s i d e r e d t h e o u t e r r e a c t a n t s b e c a u s e t h e i r r a t e o f d i s s o l u t i o n i s l a r g e r t h a n t h a t o f a l u m i n a t e s s u c h a s C 3 A a n d C 4 A 3 S , a n d t h e s u r f a c e o f a l u m i n a t e g r a i n i s c o v e r e d w i t h a l e s s p e r m e a b l e l a y e r o f c o a t i n g . T h e o u t e r r e a c t a n t p e r m e a t e s t h r o u g h t h i s l a y e r t o t h e i n t e r f a c e o f t h e i n n e r r e a c t a n t . T h e i n n e r p r o d u c t i s r a p i d l y f o r m e d b y i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e d i f f u s e d m a t e r i a l s a n d t h e i n n e r r e a c t a n t , w h i c h a l s o h a s a l a r g e r a t e o f d i s - s o l u t i o n . T h e a c c u m u l a t i o n o f h y d r a t e s b e g i n s i n s i d e o f t h e g r a i n b e c a u s e o f t h e l o w s o l u b i l i t y o f t h e a l u m i n a t e s u l f a t e h y d r a t e s f o r m e d . ” 3 7 T h i s i s a p r o p e r t y o f t o p o c h e m i c a l * r e a c t i o n . N o t e t h a t t h e ” l e s s i m p e r a b l e l a y e r o f c o a t i n g , ” p r o b a b l y e t t r i n g i t e , p e r m i t s C a O a n d C a S O 4 t o d i f f u s e a n d r e a c h t h e s u r f a c e s o f t h e C 3 A a n d C 4 A 3 S p a r t i c l e s . I n o t h e r w o r d s , e t t r i n g i t e d o e s n o t a c t a s a n i m p e r m e a b l e m e m b r a n e . A l o n g t h i s l i n e , O k u s h i m a e t a l s t a t e t h a t t h e d r i v i n g f o r c e o f e x p a n s i o n i s d u e t o t h e p r e s s u r e c r e a t e d b y g r o w t h o f c r y s t a l s ( p r o b a b l y e t t r i n g i t e ) o f p r o d u c t s u n d e r c o m p r e s s i v e s t r e s s e s . T h e s e c r y s t a l s d o n o t f o r m a s e m i - p e r m e a b l e m e m b r a n e . F o r t h i s r e a s o n , t h e s o l u t i o n w i l l n o t p r o d u c e o s m o t i c p r e s s u r e w h i c h c a n b e a s o u r c e o f e x p a n s i o n . F i n a l l y , i n d i s c u s s i n g J o r g e n s e n ’ s ( 1 9 6 1 ) w o r k , t h e y c o n c l u d e t h a t t h e d e g r e e o f e x p a n s i o n d e p e n d s o n t h e s i z e o f t h e c r y s t a l s p r o d u c e d . F o r e x a m p l e , e x p a n s i o n i s b i g g e r w h e n s m a l l c r y s t a l s a r e f o r m e d . [ 1 , 2 , 3 , 2 1 ] 2 . 4 . 3 . 2 T H E S W E L L I N G T H E O R Y T h e s e c o n d h y p o t h e s i s e x p a n s i o n p r o d u c e d b y s w e l l i n g o r w a t e r - a d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f e t t r i n g i t e — w a s p r o p o s e d b y P . K . M e h t a . A d d i t i o n a l l y , t h e r e a r e r e s e a r c h e r s w h o d i s a g r e e w i t h t h e fi r s t h y p o t h e s i s . L e v i B r o w n ( 1 9 7 0 ) , i n d i s c u s s i n g K a l o u s e k a n d B e n t o n ’ s p a p e r ( 1 9 7 0 ) , c h a l l e n g e s t h e h y p o t h e s i s t h a t c r y s t a l g r o w t h c r e a t e s p r e s s u r e a n d b e l i e v e s t h a t i t i s n o n - e x i s t e n t i n t h e s e n s e t h a t K a l o u s e k a n d B e n t o n d e s c r i b e . B r o w n s t a t e s t h a t c r y s t a l g r o w t h f r o m s o l u t i o n i s n o t a s o u r c e o f s i g n i fi c a n t e n e r g y r e l e a s e a n d t h e t h e r m o d y n a m i c p r o p e r t y a s s o c i a t e d w i t h p r e s s u r e o f c r y s t a l 3 8 g r o w t h i s o n l y t h e h e a t o f s o l u t i o n . H e , t h e r e f o r e , r e j e c t s t h e t h e o r y t h a t g r o w t h o f c r y s t a l s f r o m s o l u t i o n c a n c a u s e p h y s i c a l d a m a g e . B r o w n f u r t h e r s t a t e s t h a t c r y s t a l s c a n g r o w i n s o l u t i o n s a s l o n g a s t h e n e c e s s a r y i n g r e d i e n t s a r e a v a i l a b l e , b u t w h e n t h e c r y s t a l s b e c o m e c o n fi n e d , t h e r e w i l l b e n o m o r e " f e e d i n g s o l u t i o n ” a n d g r o w t h i n t h a t d i r e c t i o n w i l l s t o p . T o s u p p o r t h i s a r g u m e n t , h e c o n t i n u e s : " I f t h e r e w a s s u c h a m e c h a n i s m a s P r e s s u r e o f C r y s t a l G r o w t h , t h e r e w o u l d b e n o s u c h t h i n g a s P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . A s i g n i fi c a n t l y l a r g e p r o p o r t i o n o f t h e n o r m a l h y d r a t i o n p r o d u c t i s c o a r s e l y c r y s t a l l i n e ( e . g . c a l c i u m h y d r o x i d e ) . T h e m i x w a t e r a l m o s t i n s t a n t l y b e c o m e s s a t u r a t e d w i t h c a l c i u m h y d r o x i d e . T h o u g h s a t u r a t e d , c o n t i n u i n g h y d r o l y s i s o f t h e l i m e s i l i c a t e s p u s h e s l i m e i n t o t h e s o l u t i o n , w h i c h l i k e w i s e f o r c e s p r e c i p i t a t i o n a n d c r y s t a l g r o w t h o u t o f t h e s o l u t i o n . I f e v e r t h e r e w a s a s i t u a t i o n o f c r y s t a l g r o w t h f r o m s o l u t i o n i n a c o n fi n e d s p a c e , t h a t w o u l d b e i t . Y e t , i n P o r t l a n d c e m e n t s y s t e m s s u c h g r o w t h h a s n e v e r b e e n s e e n a s d a m a g i n g t o t h o s e c o n fi n i n g w a l l s . I n f a c t , a u t o g e n o u s v o l u m e c h a n g e i n l i m e s i l i c a t e h y d r o l y s i s i s a l w a y s s h r i n k a g e . " 3 9 O n t h i s b a s i s , t h e s e c o n d s c h o o l o f t h o u g h t - - e x p a n s i o n c a u s e d b y s w e l l i n g o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s - - w a s p r o p o s e d b y P . K . M e h t a . O n t h e b a s i s o f e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e , M e h t a ( 1 9 7 3 ) i n t r o d u c e d a h y p o t h e s i s o n t h e m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n c a u s e d b y f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s . F i r s t , h e s u g g e s t e d t h a t t h e m o d e o f f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e f o l l o w s a t h r o u g h - s o l u t i o n " m e c h a n i s m . S e c o n d , i n t h e p r e s e n c e o f s a t u r a t e d C a ( O I - I ) 2 , t h e r a t e o f h y d r a t i o n o f t h e a l u m i n a t e s d e c r e a s e s s i g n i fi c a n t l y ( s e e S t e i n o u r , 1 9 5 8 , a n d K e r d e g a r i , 1 9 7 8 ) . T h i s c a u s e s t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s t o b e c o l l o i d a l i n s i z e . [ 2 0 , 2 1 ] S i n c e c o l l o i d a l p a r t i c l e s h a v e a l a r g e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w a t e r m o l e c u l e s w i l l b e a d s o r b e d o n t h e s u r f a c e s o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s . T h i s w i l l g e n e r a t e s t r o n g s w e l l i n g p r e s s u r e o f t h e c o l l o i d a l e t t r i n g i t e c r y s t a l s a n d l e a d s t o a n o v e r a l l e x p a n s i o n o f t h e s y s t e m w i t h o u t a n y c h a n g e i n t h e c r y s t a l l a t t i c e o f e t t r i n g i t e ( M e h t a , 1 9 7 3 ) . I n t h e a b s e n c e o f l i m e , t h e a l u m i n a t e p h a s e w i l l h y d r a t e r a p i d l y . T h i s w i l l f o r m l a r g e , l i n g - l a t h e d e t t r i n g i t e c r y s t a l s . T h e s e c r y s t a l s w i l l n o t p r o d u c e e x p a n s i o n b e c a u s e t h e y h a v e a l o w s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , a t t r a c t i n g l e s s e r a m o u n t s o f w a t e r m o l e c u l e s t o t h e i r s u r f a c e . I n t h i s e x p e r i m e n t s , M e h t a s t u d i e d t h e h y d r a t i o n o f C 4 A 3 S - C S H 2 s y s t e m s w i t h a n d w i t h o u t q u i c k l i m e . T h e e x a m i n a t i o n o f t h e m i c r o s t r u c t u r e l e d h i m t o t h e s a m e c o n c l u s i o n s a s t h o s e d r a w n b y O k u s h i m a e t a 1 ( 1 9 6 8 ) c o n c e r n i n g t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s i z e s . S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h s i n d i c a t e d t h a t i n t h e p r e s e n c e o f l i m e , e t t r i n g i t e c r y s t a l s w e r e a b o u t o n e m i c r o n i n l e n g t h a n d 1 / 4 m i c r o n i n w i d t h . I n t h e a b s e n c e o f l i m e , t h e y w e r e a b o u t s i x t o e i g h t m i c r o n s i n l e n g t h a n d 1 / 2 t o o n e m i c r o n i n w i d t h . 4 0 M e h t a a l s o o b t a i n e d s i m i l a r r e s u l t s w h e n C A w a s u s e d i n s t e a d o f C 4 A 3 S . I n a n o t h e r e x p e r i m e n t , M e h t a a n d H u ( 1 9 7 8 ) o b s e r v e d t h a t a n i n c r e a s e i n t h e a m o u n t o f a d s o r b e d w a t e r c o r r e s p o n d s t o a n i n c r e a s e i n v o l u m e t r i c e x p a n s i o n . 2 . 4 . 3 . 3 S U M M A R Y O F T H E H Y P O T H E S E S T h e r e a r e t w o m a j o r h y p o t h e s i s c o n c e r n i n g t h e m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n i n e x p a n s i v e c e m e n t s . A c c o r d i n g t o t h e fi r s t t h e o r y , e x p a n s i o n o c c u r s b e c a u s e o f c r y s t a l l i z a t i o n p r e s s u r e e x e r t e d b y t h e g r o w t h o f t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s c o a t i n g t h e s u r f a c e s o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s . T h i s t h e o r y t e n d s t o s t r e s s t h e i m p o r t a n c e o f t h e s i z e s o f e x p a n d i n g p a r t i c l e s i n c o n t r o l l i n g t h e m a g n i t u d e a n d r a t e o f e x p a n s i o n . E x p a n s i o n , f u r t h e r m o r e , i s c o n t r o l l e d b y t h e n u m b e r o f c r y s t a l l i z a t i o n n u c l e i a n d t h e W o f c r y s t a l g r o w t h . A c c o r d i n g t o t h e s e c o n d t h e o r y , e x p a n s i o n o c c u r s b e c a u s e o f s w e l l i n g o f c o l l o i d a l e t t r i n g i t e c r y s t a l s w h i c h f o r m i n a t h r o u g h - s o l u t i o n m e c h a n i s m . T h i s t h e o r y u n l i k e t h e fi r s t o n e , d o e s n o t c o n s i d e r t h e s i z e o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s t o b e i m p o r t a n t . I n s t e a d , i t s t r e s s e s t h a t i t i s t h e e x i s t e n c e o f l i m e w h i c h a f f e c t s t h e s i z e o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s a n d , t h e r e f o r e , t h e r a t e a n d m a g n i t u d e o f e x p a n s i o n . H e n c e , b o t h t h e o r i e s a g r e e t h a t t h e s i z e o f t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s a f f e c t s t h e e x p a n s i o n . I t i s f u r t h e r s h o w n 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 a n d fi n e n e s s o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s c o n t r o l t h e n u m b e r o f n u c l e i a n d c r y s t a l s i z e s a n d , t h e r e f o r e , t h e e x p a n s i o n b e h a v i o r o f ( s a y s T y p e K ) e x p a n s i v e c e m e n t s . 4 1 I t s e e m s t h a t b o t h t h e o r i e s a g r e e t h a t l i m e i n fl u e n c e s e x p a n s i o n . I n n u m e r o u s i n v e s t i g a t i o n s t h e f o l l o w i n g h a v e b e e n d e m o n s t r a t e d b y t h e t w o t h e o r i e s : ( 1 ) I n t h e p r e s e n c e o f l i m e , s u l f a t e s , w a t e r , a n d e x p a n d i n g p a r t i c l e s , e t t r i n g i t e i s f o r m e d a s s m a l l c r y s t a l s a n d a n d t h e i r f o r m a t i o n c o n t r i b u t e s t o e x p a n s i o n . ( 2 ) I n t h e a b s e n c e o f l i m e , t h e s u l f a t e s a n d w a t e r h y d r a t e w i t h e x p a n d i n g p a r t i c l e s t o g i v e l a r g e e t t r i n g i t e c r y s t a l s w h i c h d o n o t c o n t r i b u t e t o e x p a n s i o n . H o w e v e r , a m a j o r d i s a g r e e m e n t e x i s t s b e t w e e n t h e t w o t h e o r i e s . A c c o r d i n g t o t h e fi r s t t h e o r y , h y d r a t i o n i s m o r e f a v o r a b l e a n d q u i c k e r i n t h e p r e s e n c e o f l i m e a n d t h e m o d e o f f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e i s t o p o c h e m i c a l ’ “ . T y p e K c e m e n t s s h o u l d , t h e r e f o r e , f o l l o w t h i s m e c h a n i s m s i n c e l i m e i s n e v e r a b s e n t d u r i n g t h e i r h y d r a t i o n . O n l y i n t h e a b s e n c e o f l i m e w o u l d t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s g r o w i n l o c a t i o n s a w a y f r o m t h e s u r f a c e o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s , f o r e x a m p l e , t h r o u g h - s o l u t i o n m e c h a n i s m . A c c o r d i n g t o t h e s e c o n d t h e o r y , e t t r i n g i t e a l w a y s f o r m s i n a t h r o u g h - s o l u t i o n m e c h a n i s m , r e g a r d l e s s o f t h e p r e s e n c e o r a b s e n c e o f l i m e . F u r t h e r m o r e , u n l i k e t h e fi r s t t h e o r y , t h e r a t e o f h y d r a t i o n o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s i s b e l i e v e d t o b e s m a l l e r i n t h e p r e s e n c e o f l i m e . 4 2 2 . 4 . 3 . 4 S O M E R E S E A R C H E R S D I S A G R E E W I T H B R O W N ’ S T H E O R Y ( 1 9 7 0 ) I t w o u l d b e a p p r o p r i a t e t o i n c l u d e K a l o u s e k a n d B e n t o n ’ s r e b u t t a l t o L e v i B r o w n i n r e f e r e n c e t o h i s r e j e c t i o n o f t h e i r h y p o t h e s i s c o n c e r n i n g p r e s s u r e c r e a t e d b y g r o w t h o f c r y s t a l s . K a l o u s e k a n d B e n t o n , i n t h e i r p a p e r , a t t r i b u t e e x p a n s i v e s t r e s s t o t h e c o n v e r s i o n o f f r e e e n e r g y o f r e a c t i o n t o w o r k . T h e y s t a t e t h a t i n a n y c h e m i c a l e q u i l i b r i a , t h e r m o d y n a m i c s i s n o t c o n c e r n e d w i t h t h e p a t h o f t h e r e a c t i o n s g o i n g f r o m i n i t i a l t o fi n a l p r o d u c t . A r e a c t i o n , i n t h e i r o p i n i o n , m a y e i t h e r o c c u r t o p o c h e m i c a l l y , * i n a t h r o u g h - s o l u t i o n " m a n n e r , a s o l i d - s t a t e d i f f u s i o n m e c h a n i s m , o r a c o m b i n a t i o n o f t w o o r t h r e e o f t h e p r o c e s s e s . H o w e v e r , t h e f r e e e n e r g y c h a n g e s , i n g o i n g f r o m i n i t i a l t o fi n a l p r o d u c t s f o r e a c h r e a c t i o n , a r e i n d e p e n d e n t o f t h e p a t h o f t h e r e a c t i o n . [ 2 , 3 ] T h e y c o n s i d e r e d t h e f r e e e n e r g i e s ( A F ) a n d p o t e n t i a l v o l u m e c h a n g e s ( A V ) f o r t h e h y d r a t i o n s o f C a O , M g O , a n d C 3 A + B l C S H 2 a c c o r d i n g t o t h e f o l l o w i n g s t o i c h i o m e t r y : C a O + H 2 0 - - - > C a ( O H ) 2 A V = 9 8 % ; A F = - 1 3 . 2 1 K c a l / m o l e M g O + H 2 0 — - - > M g ( O H ) 2 A V = 1 1 8 % ; A F = — 6 . 4 5 K c a l / m o l e C 3 A + 3 C S H 2 + 2 6 H - - - > C , , A S 3 H 3 2 A V = 7 0 5 % ; A F = - 5 5 K c a l / m o l e T h e y s t a t e d t h a t t h e s e p r o d u c t s c a n c a u s e e x p a n s i o n s i m p l y b e c a u s e t h e A V v a l u e s , w h i c h a r e t h e r a t i o s o f t h e v o l u m e o f t h e h y d r a t e l e s s t h e v o l u m e o f t h e a n h y d r o u s p h a s e t o t h e v o l u m e o f t h e a n h y d r o u s p h a s e , b e i n g p o s i t i v e , w h i c h m e a n s a n i n c r e a s e i n v o l u m e , r e s u l t i n a n e x p a n s i v e S t r e s s a g a i n s t t h e s u r r o u n d i n g w a l l s o f t h e 4 3 h y d r a t i o n p r o d u c t s . T h e s o u r c e o f t h e e x p a n s i v e s t r e s s i s t h e c o n v e r s i o n o f f r e e e n e r g y o f t h e r e a c t i o n t o w o r k . I n t h e c a s e o f t h e c r y s t a l l i z a t i o n o f e t t r i n g i t e , w h e r e C a “ , 8 0 3 ' , a n d O H d i f f u s e t o t h e o r i g i n a l s i t e s o f C 3 A , K a l o u s e k a n d B e n t o n b e l i e v e t h a t t h e e t t r i n g i t e , b e c a u s e i t o c c u p i e s v o l u m e l a r g e r t h a n t h a t w h i c h w a s o c c u p i e d b y C 3 A , d e v e l o p s e x p a n s i v e s t r e s s e s a g a i n s t t h e s u r r o u n d i n g w a l l s o f t h e c e m e n t g e l a n d , t h e r e f o r e , p r o d u c e s e x p a n s i o n b y c r y s t a l l i z a t i o n p r e s s u r e . T h e C a ( O H ) 2 p r o d u c e d b y t h e h y d r o l y s i s o f C S a n d B - Q S , a s t h e y b e l i e v e , i s d i f f e r e n t f r o m t h a t p r o d u c e d b y t h e h y d r a t i o n o f l i m e b e c a u s e c r y s t a l s o f t h e f o r m e r g r o w o n l y i n e i t h e r t h e v o i d s o f t h e p a s t e i n w h i c h t h e y c a n g r o w w i t h n o r e s t r a i n t o r i n n u c l e i s u r r o u n d e d b y t h e c e m e n t g e l , w h e r e a s c r y s t a l s o f t h e l a t e r , b e c a u s e t h e y a r e p e r v i o u s t o w a t e r a n d b e c a u s e t h e y c l o s e l y s u r r o u n d t h e C a O p a r t i c l e s , c a n e x e r t e x p a n s i v e s t r e s s e s s i m i l a r i n n a t u r e t o t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s . [ 2 ] F i n a l l y , t h e y s t a t e t h a t t h e f r e e e n e r g y o f t h e r e a c t i o n s , w h i c h p r o v i d e s a n a p p r o x i m a t e e s t i m a t e o f t h e a m o u n t o f w o r k e x p e c t e d , f a r e x c e e d s t h e w o r k o f e x p a n s i v e d i s r u p t i o n e v e n f o r a s l i t t l e a s 0 . 0 2 m o l e o f e t t r i n g i t e i n 1 " x 1 " x 1 2 " c o n c r e t e . T h e r e f o r e , g r o w t h o f t h e s e c r y s t a l s i n c o n fi n e d s i t e s , r e g a r d l e s s o f t h e m e c h a n i s m o f f o r m a t i o n , w i l l p r o d u c e e x p a n s i o n . 4 4 2 . 4 . 3 . 5 T H E O R I E S O F " P R O T E C T I V E " A N D " P A R T I A L P R O T E C T I V E " C O A T I N G S T h i s l a s t s e c t i o n o n t h e t h e o r i e s o f e x p a n s i o n d i s c u s s e s t h e t h e o r i e s o f ” p r o t e c t i v e " a n d " p a r t i a l p r o t e c t i v e " c o a t i n g s w h i c h a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l b y K e r d a g a r i ( 1 9 7 8 ) . T h e s e t h e o r i e s a r e a s s o c i a t e d w i t h t h e h y d r a t i o n o f c o n v e n t i o n a l c e m e n t , w h i c h i n v o l v e s e t t r i n g i t e f o r m a t i o n w i t h o u t a n y s i g n i fi c a n t e x p a n s i o n t e n d e n c i e s . W h e n w a t e r i s a d d e d t o c e m e n t , a c o m p l e x r e a c t i o n t a k e s p l a c e . T h e r e s u l t i s a p a s t e w h i c h r e m a i n s i n p l a s t i c s t a t e f o r a c e r t a i n p e r i o d o f t i m e c a l l e d t h e d o r m a n t p e r i o d . T h i s i s f o l l o w e d b y a s t i f f e n i n g p e r i o d w h e n t h e p a s t e g r a d u a l l y l o s e s i t s p l a s t i c i t y . T h e c e m e n t t h e n b e c o m e s b r i t t l e e v e n w i t h o u t a n i n c r e a s e i n s t r e n g t h . A f t e r t h e s e t t i n g o f c e m e n t , a h a r d e n i n g p r o c e s s t a k e s p l a c e w h e n t h e c e m e n t w i l l g r a d u a l l y g a i n s t r e n g t h ( P o p o v i c s , 1 9 7 9 ) . T h e s e t t i n g p e r i o d , w h i c h f o l l o w s t h e d o r m a n t p e r i o d , h a s t w o s t a g e s - - i n i t i a l s e t t i n g a n d fi n a l s e t t i n g . T h e i n i t i a l s e t t i n g c o r r e s p o n d s t o t h e b e g i n n i n g o f s t i f f e n i n g w h i l e fi n a l s e t t i n g c o r r e s p o n d s t o t h e d i s a p p e a r a n c e o f p l a s t i c i t y . T h e s e t t i n g p r o c e s s s h o u l d n o t s t a r t t o o e a r l y b e c a u s e t h e f r e s h l y m i x e d c o n c r e t e m u s t r e m a i n i n a p l a s t i c s t a t e i n o r d e r t o b e t r a n s p o r t e d , p l a c e d , c o m p a c t e d , a n d fi n i s h e d . A l s o , i f t h e s e t t i n g t i m e i s t o o l o n g , i t i s u n d e s i r a b l e b e c a u s e t h i s w i l l c a u s e a u s e l e s s d e l a y i n s t r e n g t h d e v e l o p m e n t a f t e r fi n i s h i n g ( P o p o v i c s , 1 9 7 9 ) . W h e n P o r t l a n d c e m e n t a n d w a t e r a r e fi r s t b r o u g h t i n c o n t a c t , a r a p i d r e a c t i o n t a k e s p l a c e . T h e v e l o c i t y o f t h i s r e a c t i o n w a s o f i n t e r e s t t o L e r c h ( 1 9 4 6 ) . ( L e r c h ’ s w o r k 4 5 i s d i s c u s s e d i n d e t a i l b y K e r d e g a r i , 1 9 7 8 . ) L e r c h s t u d i e d t h e r a t e o f h e a t l i b e r a t i o n o f c e m e n t v e r s u s t i m e . T h i s i s a m e a s u r e o f t h e s p e e d o f r e a c t i o n . F o r e x a m p l e , t h e h i g h e r t h e r a t e , t h e m o r e v i o l e n t t h e r e a c t i o n . I n h i s s t u d i e s h e s h o w e d t h a t i n t h e a b s e n c e o f s u l f a t e s , C 3 A r e a c t s v i o l e n t l y w i t h t h e w a t e r ( t o p r o d u c e h y d r a t e d c a l c i u m a l u m i n a t e s ) . T h e r e f o r e , t h e t i m e o f i n i t i a l s e t t i n g w i l l b e v e r y s h o r t , u s u a l l y l e s s t h a n o n e h o u r ( P o p o v i c s , 1 9 7 9 ) . T h i s u n d e s i r a b l e p h e n o m e n o n i s c a l l e d fl a s h s e t . I t i n v o l v e s t h e e v o l u t i o n o f a l a r g e a m o u n t o f h e a t a n d t h e s e t c a n n o t b e o v e r c o m e b y r e m i x i n g t h e p a s t e ( P o p o v i c s , 1 9 7 9 ) . [ 1 , 2 , 3 ] I n t h e p r e s e n c e o f s u l f a t e s , L e r c h f o u n d t h a t t h e r a t e o f h e a t l i b e r a t i o n o f C , A i s s i g n i fi c a n t l y l o w e r e d . I n s t e a d o f t h e v i o l e n t f o r m a t i o n o f h y d r a t e d c a l c i u m a l u m i n a t e s , e t t r i n g i t e w i l l f o r m w i t h l e s s v i o l e n c e . T h i s i n c r e a s e s t h e t i m e o f i n i t i a l s e t a n d p r e v e n t s fl a s h s e t . T h e m e c h a n i s m b y w h i c h s u l f a t e s o p e r a t e c a n o c c u r i n o n e o f t w o w a y s : ( 1 ) E t t r i n g i t e f o r m i n g u n i f o r m l y o n t h e s u r f a c e s o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s i n t e r f e r e s w i t h t h e e a s e o f a c c e s s o f t h e r e a c t a n t s a n d , t h u s , o f f e r s i m p e d a n c e o r r e t a r d a t i o n t o f u r t h e r r e a c t i o n . T h i s i s t h e i d e a o f " p r o t e c t i v e ” o r " p a r t i a l p r o t e c t i v e " c o a t i n g s . ( 2 ) T h e n a t u r e o f f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s , r e g a r d l e s s o f w h e r e o r h o w t h e y f o r m , i s n o t v i o l e n t . D u r i n g t h i s c a l m p e r i o d , e t t r i n g i t e w i l l c o n t i n u e t o 4 6 f o r m u n t i l t h e s u l f a t e s a r e c o n s u m e d b y t h e C , A p a r t i c l e s . T h e n , w h e n t h e s o l u t i o n n o l o n g e r c o n t a i n s s u l f a t e , t h e r a t e o n c e a g a i n i n c r e a s e s s h a r p l y a s h y d r a t e d c a l c i u m a l u m i n a t e s b e g i n t o b e f o r m e d . I t i s d i f fi c u l t t o s e e h o w e x p a n s i o n c a n b e p r o d u c e d b y e t t r i n g i t e c r y s t a l s i f t h e t h e o r i e s o f ' p r o t e c t i v e " a n d “ p a r t i a l p r o t e c t i v e ” c o a t i n g s a r e t r u e . I f t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s s t O p f u r t h e r h y d r a t i o n o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s , n o m o r e e t t r i n g i t e w i l l b e p r o d u c e d t o c a u s e e x p a n s i o n . F u r t h e r m o r e , S c h w i e t e e t a 1 ( 1 9 6 6 ) d e s c r i b e d t h e w o r k o f S t e i n ( 1 9 6 3 ) , ( F i g u r e 2 . 1 ) , w h o a l s o s t u d i e d t h e r a t e o f r e l e a s e o f h e a t ( c a l / s e c g C , A ) v e r s u s t i m e ( h o u r s ) f o r t h r e e g r a m s o f C , A , 0 . 4 g r a m s g y p s u m , a n d t w o c c 0 . 0 1 9 6 M C a ( O H ) 2 s o l u t i o n . 5 ' § l 2 , 7 0 ” , 5 E 4 ’ ” Z P P C k 3 ' . . . e . C . " C 5 : H 3 2 C J A C ‘ S H 1 2 ' 3 u 3 l P e o k l " / 3 ' ; V \ C a s e : 0 \ \ 1 6 2 0 3 ' 0 4 0 5 0 T i m . a t ) - - 0 F i g u r e 2 . 1 . I s o t h e r m a l H e a t L i b e r a t i o n o f Q A - C A S O . . 2 H 2 0 - C a ( O H ) , - H 2 0 ( S c h h w i e t e e t a 1 , 1 9 6 6 ) . 4 7 T h e i r fi n d i n g s a r e a s s t a t e d b e l l o w : ” A f t e r t h e fi r s t l a r g e p e a k , t h e r a t e o f r e l e a s e o f h e a t d e c r e a s e s c o n t i n u o u s l y u n t i l t h e g y p s u m h a s r e a c t e d c o m p l e t e l y , t h e n i t b e c o m e s v e r y l a r g e a g a i n a n d d e c r e a s e s i n t h e f u r t h e r c o u r s e o f r e a c t i o n . E t t r i n g i t e i s f o r m e d u n t i l t h e a d d e d g y p s u m i s c o m p l e t e l y u s e d u p . A f t e r t h e s e c o n d l a r g e p e a k i n t h e r a t e o f r e l e a s e o f h e a t , S t e i n r a d i o g r a p h i c a l l y o b s e r v e d t r i c a l c i u m a l u m i n a t e m o n o s u l f a t e h y d r a t e . S t e i n c o n c l u d e s t h a t , i n t h e p e r i o d i n w h i c h t h e g y p s u m i s e f f e c t i v e i n r e t a r d i n g t h e h y d r a t i o n o f C A , e t t r i n g i t e i s f o r m e d o n t h e s u r f a c e o f t h e C A g r a i n . . . " I t h a s , h o w e v e r , b e e n s u g g e s t e d t h a t i f t h e e t t r i n g i t e i s f o r m i n g a p r o t e c t i v e c o a t i n g o n t h e s u r f a c e o f Q A , t h e n i t m u s t n o t a l l o w s u c h a s u d d e n o r r a p i d i n c r e a s e i n t h e r a t e o f h e a t l i b e r a t i o n w h e n C a S O , c o n c e n t r a t i o n b e c o m e s z e r o . T h i s o c c u r s a r o u n d 2 8 h o u r s a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 . I f t h i s c o a t i n g p r e v e n t s t h e w a t e r a n d s u l f a t e f r o m r e a c h i n g t h e s u r f a c e o f G A , t h e n i t S h o u l d a l s o p r e v e n t t h e w a t e r o n l y f r o m r e a c h i n g t h e s u r f a c e o n c e s u l f a t e i s e x h a u s t e d . H e n c e , " p r o t e c t i v e " a n d " p a r t i a l p r o t e c t i v e " c o a t i n g t h e o r i e s a r e q u e s t i o n a b l e . [ 1 , 2 , 3 ] " ( " A t o p o c h e m i c a l r e a c t i o n , " i s a r e a c t i o n b e t w e e n a s o l i d p a r t i c l e a n d a s u r r o u n d i n g s o l u t i o n i n w h i c h t h e h y d r a t i o n p r o d u c t i s f o r m e d o n t h e s u r f a c e o f t h e p a r t i c l e ) . * * ( " A t h r o u g h - s o l u t i o n m e c h a n i s m , " i s a p r o c e s s o f r e a c t i o n b e t w e e n a s o l i d p a r t i c l e a n d a s u r r o u n d i n g s o l u t i o n i n w h i c h i o n s o f t h e s o l i d p a r t i c l e d i fi i t s e a w a y fi ' o m t h e s u r f a c e i n t o t h e s o l u t i o n , w h e r e t h e y n u c l e a t e p a r t i c l e s o f t h e p r o d u c t ) . 4 8 H e n c e , t o p o c h e m i c a l * r e a c t i o n o f t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s w i t h t h e s u r r o u n d i n g s o l u t i o n s w i l l b e a s s o c i a t e d o n l y w i t h t h e g r o w t h o f e t t r i n g i t e c r y s t a l s w h i c h d o c o a t t h e e x p a n d i n g p a r t i c l e s b u t d o n o t p r e v e n t t h e u n h y d r a t e d s u r f a c e f r o m f u r t h e r h y d r a t i o n . T h i s i s i n a g r e e m e n t w i t h O k u s h i m a e t a 1 ( 1 9 6 8 ) . 2 . 5 M I X P R O P O R T I O N I N G A N D M A N U F A C T U R I N G 2 . 5 . 1 I N T R O D U C T I O N T h e m a x i m u m e x p a n s i o n t h a t c a n d e v e l o p i n T y p e - K e x p a n s i v e 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 i s a f u n c t i o n o f s e v e r a l p a r a m e t e r s s u c h a s c o m p o s i t i o n a n d r e l a t i v e p r o p o r t i o n s o f e x p a n s i v e c e m e n t i n g r e d i e n t s , t y p e a n d d u r a t i o n o f c u r i n g , a n d t h e d e g r e e a n d d i r e c t i o n o f r e s t r a i n t . T h e a b i l i t y t o p r e d i c t t h e m a g n i t u d e o f e x p a n s i o n i s o f i m p o r t a n c e w h e n p l a n n i n g t h e c o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s o f e x p a n s i v e c e m e n t . S u c h p r e d i c t i o n s , i f s u c c e s s f u l , c a n f a c i l i t a t e o p t i m i z a t i o n o f m i x t u r e p r o p o r t i o n i n g b a s e d o n e c o n o m i c , e n g i n e e r i n g , a n d p e r f o r m a n c e c o n s i d e r a t i o n s . E x p a n s i o n i n T y p e — K e x p a n s i v e c e m e n t m i x t u r e s d e v e l o p s a s a r e s u l t o f p h y s i c o c h e m i c a l p r o c e s s e s o c c u r r i n g d u r i n g h y d r a t i o n , s e t t i n g , a n d h a r d e n i n g . E x p a n s i o n s u b s i d e s w h e n t h e e x p a n s i v e c o m p o n e n t s o f t h e m i x t u r e d e p l e t e . B y k n o w i n g t h e 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 m p o s i t i o n a n d r e l a t i v e p r o p o r t i o n s o f t h e e x p a n s i v e c e m e n t i n g r e d i e n t s o n o n e s i d e , a n d t h e a t t a i n a b l e a m o u n t o f e x p a n s i o n o n t h e o t h e r , o n e c a n t a i l o r t h e m i x t u r e p r o p o r t i o n t o a c h i e v e a n y p r a c t i c a l l e v e l o f e x p a n s i o n . T h i s c a n b e e s p e c i a l l y i m p o r t a n t i n s y s t e m s t h a t b e n e fi t f r o m e x p a n s i o n 4 9 f o r c e s t o a c h i e v e t h e s o - c a l l e d c h e m i c a l p r e s t r e s s i n g e f f e c t . A s w i t h P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e , S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c e m e n t c o n c r e t e c a n n o t b e e x p e c t e d t o p r o p e r l y p e r f o r m i t s d e s i g n f u n c t i o n w i t h o u t p r o p e r m i x t u r e p r o p o r t i o n s . C o r r e c t m i x t u r e p r o p o r t i o n i n g i s n e c e s s a r y t o i n s u r e ( 1 ) p r a c t i c a l i t y o f c o n s t r u c t i o n o r fi e l d p l a c a b i l i t y , a n d ( 2 ) a d e q u a t e e x p a n s i o n , s t r e n g t h , a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s a t m i n i m a l c o s t . T h e e f f e c t s o f m i x t u r e p r o p o r t i o n s o n e x p a n s i o n , d r y i n g s h r i n k a g e , i n t e r n a l t h e r m a l s t r e s s e s f o r m a s s i v e p l a c e m e n t s , r a t e o f s t r e n g t h g a i n , a n d o t h e r p r o p e r t i e s n o t n e c e s s a r i l y i n d i c a t e d b y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h S h o u l d b e t a k e n i n t o a c c o u n t i n s e l e c t i n g m i x t u r e p r o p o r t i o n s . I n g e n e r a l , c o n c r e t e m i x t u r e p r o p o r t i o n s w h i c h w o r k w e l l w i t h n o r m a l P o r t l a n d c e m e n t s w i l l a l s o p r o d u c e g o o d e x p a n s i v e c o n c r e t e o f s i m i l a r q u a l i t y , a l t h o u g h a m i n o r i n c r e a s e i n m i x t u r e w a t e r m a y b e n e c e s s a r y a n d a n i n c r e a s e i n c e m e n t c o n t e n t f o r l e a n m i x t u r e s m a y b e n e e d e d t o o b t a i n t h e f u l l e x p a n s i v e m o v e m e n t d e s i r e d . [ 4 0 , 4 8 ] 2 . 5 . 2 C O N C R E T E P R O P O R T I O N S A g g r e g a t e s : S e l e c t i o n o f fi n e a n d c o a r s e a g g r e g a t e w i t h r e g a r d t o q u a l i t y a n d p r o p o r t i o n s f o r u s e i n s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s h o u l d f o l l o w a c c e p t e d p r o c e d u r e s u s e d w i t h P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . F i n e a n d c o a r s e a g g r e g a t e s f r o m a k n o w n s o u r c e w h i c h 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 i n c o n c r e t e m a y b e u s e d i n t h e s a m e p r o p o r t i o n s p r e v i o u s l y e s t a b l i s h e d . 5 0 C e m e n t c o n t e n t : A s w i t h c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , t h e s e l e c t i o n o f a n a p p r o p r i a t e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c e m e n t c o n t e n t t o m e e t s p e c i fi e d c o n c r e t e s t r e n g t h r e q u i r e m e n t s s h o u l d b e b a s e d o n t e s t o f c o n c r e t e m i x t u r e s c o n t a i n i n g t h e m a t e r i a l s t o b e u s e d i n t h e c o n s t r u c t i o n . T h e r e q u i r e d s t r e n g t h m a y t h e n b e i n t e r p o l a t e d f r o m t h e c o m b i n e d u s e o f a w a t e r - c e m e n t r a t i o 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 c u r v e a n d a c e m e n t f a c t o r 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 c u r v e . W a t e r r e q u i r e m e n t : T h e w a t e r r e q u i r e m e n t o f s o m e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s m a y b e a s m u c h a s 1 0 t o 1 5 p e r c e n t m o r e t h a n c o n v e n t i o n a l T y p e I a n d T y p e H p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s . I n c r e a s e d w a t e r r e q u i r e m e n t s c a n b e a t t r i b u t e d t o v a r i a t i o n s i n t h e h y d r a t i o n r a t e s w h i c h a r e i n fl u e n c e d b y t h e c h e m i c a l 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 s u c h p h y s i c a l p r o p e r t i e s a s c e m e n t fi n e n e s s , c o n c r e t e t e m p e r a t u r e s , a n d m i x i n g p r o c e d u r e . T h e a d d i t i o n a l w a t e r c o m b i n e s w i t h t h e e x p a n s i v e c o m p o n e n t a t a v e r y e a r l y a g e s o t h e f r e e w a t e r a v a i l a b l e a t t i m e o f p l a c e m e n t i s a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e a s 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 . T r i a l v a l u e s o f w a t e r c e m e n t r a t i o f o r a c h i e v i n g d i f f e r e n t s t r e n g t h l e v e l s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 2 . 3 . [ 9 , 3 2 ] 5 1 T a b l e 2 . 3 T r i a l M i x t u r e g u i d e f o r S h r i n k a g e C o m p e n s a t i n g C e m e n t C o n c r e t e [ 9 ] C o m p r e s s i v e S t r e n g t h a t A b s o l u t e W a t e r - C e m e n t R a t i o , b y W e i g h t 2 8 d a y s p s 1 , ( M P a ) N o n - a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e A i r - e n t r a i n e d C o n c r e t e 6 0 0 0 ( 4 1 . 4 ) 0 . 4 2 - 0 . 4 5 - 5 0 0 0 ( 3 4 . 5 ) 0 . 5 1 - 0 . 5 3 0 . 4 2 - 0 . 4 4 4 0 0 0 ( 2 7 . 6 ) 0 . 6 0 - 0 . 6 3 0 . 5 0 - 0 . 5 3 3 0 0 0 ( 2 0 . 7 ) 0 . 7 1 - 0 . 7 5 0 . 6 2 - 0 . 6 5 T h e e v i d e n c e i s t h a t i n g e n e r a l t h e l o w e r t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o o f t h e m i x , t h e g r e a t e r t h e e x p a n s i o n o f e x p a n d i n g c o n c r e t e , b u t i n s o m e c a s e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d e x p a n s i o n i s n o t c l e a r l y d e fi n e d . W a t e r - c e m e n t r a t i o s a s l o w a s 0 . 1 6 a r e r e p o r t e d t o b e u s e d i n R u s s i a i n p n e u m a t i c a l l y a p p l i e d e x p a n d i n g m o r t a r s . A n u m b e r o f r e a s o n s h a v e b e e n s u g g e s t e d f o r t h e o b s e r v e d b e h a v i o r : ( 1 ) L o w w a t e r - c e m e n t r a t i o w i l l i n c r e a s e t h e c o n c e n t r a t i o n o f c a l c i u m i o n s w h i c h i s c o n d u c i v e t o t r i s u l f a t e h y d r a t e f o r m a t i o n a n d c o n s e q u e n t e x p a n s i o n . ( 2 ) L o w w a t e r o c e m e n t r a t i o w i l l r e s u l t i n l o w p e r m e a b i l i t y w h i c h i m p e d e s e n t r a n c e o f w a t e r p a r t i c u l a r l y a f t e r 2 4 t o 4 8 h o u r s . T h i s w i l l r e d u c e e x p a n s i o n a n d , i f t h i s f a c t o r i s o p e r a t i v e , i t i s a p p a r e n t l y n o t a s s t r o n g a s t h e f a c t o r s l e a d i n g t o i n c r e a s e d e x p a n s i o n . 5 2 ( 3 ) H i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o w i l l i n c r e a s e t h e i n t e r n a l w a t e r - fi l l e d v o l u m e . T h i s w i l l p r o v i d e m o r e r o o m f o r i n t e r n a l e x p a n s i o n a n d w i l l r e d u c e t h e o b s e r v e d e x t e r n a l e x p a n s i o n . ( 4 ) H i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o m i g h t b e e x p e c t e d t o i n c r e a s e t h e a m o u n t o f t r i s u l f a t e h y d r a t e f o r m e d d u r i n g s t o r a g e i n t h e m o l d s , a n d c o n s e q u e n t l y t o d e c r e a s e t h e a m o u n t f o r m e d d u r i n g s u b s e q u e n t c u r i n g i n w a t e r a n d t h e r e f o r e t h e e x p a n s i o n . [ 3 2 ] L o w w a t e r - c e m e n t r a t i o l e a d s t o h i g h e x p a n s i o n a n d t h i s w i l l t e n d t o d e c r e a s e t h e s t r e n g t h . H o w e v e r , a p p a r e n t l y , t h e d e c r e a s e i s m o r e t h a n c o m p e n s a t e d b y t h e h i g h e r s t r e n g t h o f t h e t o b e r m o r i t e g e l . T h u s s t r e n g t h o f e x p a n d i n g c o n c r e t e a l s o i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s e o f w a t e r - c e m e n t r a t i o . C e m e n t C o n t e n t : T e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a n i n c r e a s e i n c e m e n t c o n t e n t i n c r e a s e s t h e e x p a n s i o n a n d s e l f - s t r e s s o f u n i a x i a l l y a n d b i a x i a l l y r e s t r a i n t s p e c i m e n s . I n c r e a s e i n c e m e n t c o n t e n t h a s a l s o b e e n s h o w n t o i n c r e a s e b o t h t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d m o d u l u s o f r u p t u r e o f s p e c i m e n s w i t h u n i a x i a l r e s t r a i n t . T y p e o f A g g r e g a t e : I n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , t h e e f f e c t o f a g g r e g a t e i s w e l l k n o w n . I n e x p a n d i n g c o n c r e t e , t w o i m p o r t a n t a d d i t i o n a l e f f e c t s a r e p r e s e n t : ( 1 ) T h e s t i f f n e s s , s i z e , s h a p e a n d s u r f a c e t e x t u r e o f t h e a g g r e g a t e i n fl u e n c e t h e i n t e r n a l r e s t r a i n t a g a i n s t e x p a n s i o n . ( 2 ) T h e p o r o s i t y a n d w a t e r r e t e n t i o n c a p a c i t y o f t h e a g g r e g a t e ( s u c h a s l i g h t w e i g h t e x p a n d s h a l e a g g r e g a t e ) c o u l d s i g n i fi c a n t l y a f f e c t t h e i n t e r n a l c u r i n g a n d t h e r e f o r e t h e e x p a n s i o n a n d s h r i n k a g e c h a r a c t e r i s t i c s . 5 3 T h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e e f f e c t o f a g g r e g a t e t y p e o n t h e p r o p e r t i e s o f e x p a n d i n g c o n c r e t e w a s t h e p r i n c i p a l a i m o f A r o n i ’ s t e s t s . H e u s e d t h r e e t y p e s o f a g g r e g a t e s : l i g h t w e i g h t e x p a n d e d S h a l e ( m a x i m u m S i z e 5 / 8 i n . ) , c r u s h e d g r a n i t e , a n d r i v e r g r a v e l ( b o t h w i t h m a x i m u m s i z e 3 / 4 i n . ) . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s d e m o n s t r a t e d t h e a d v a n t a g e o u s u s e o f h i g h p o r o s i t y a g g r e g a t e . T h e i n t e r n a l d i s t r i b u t i o n o f w a t e r c a u s e d t h e e a r l y - a g e e x p a n s i o n t o b e a h i g h e r p e r c e n t a g e o f t h e e v e n t u a l t o t a l e x p a n s i o n t h a n w i t h r e g u l a r t y p e s o f a g g r e g a t e . T h i s , t o g e t h e r w i t h a p r o b a b l e r e d u c t i o n o f m o i s t u r e a n d e x p a n s i o n g r a d i e n t s i n t h e s p e c i m e n s a n d b e t t e r i n t e r n a l c u r i n g , i n c r e a s e d 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 m a t e r i a l . A l s o , b e t t e r b e h a v i o r o n d r y i n g w a s o b s e r v e d w i t h t h e i n t e r n a l w a t e r r e s e r v o i r c a u s i n g c o n t i n u e d e x p a n s i o n a n d c o m p e n s a t i n g f o r m o r e o f t h e s h r i n k a g e . [ 5 2 , 5 3 ] 2 . 5 . 3 E F F E C T S O F A D M I X T U R E O N E X P A N S I V E C E M E N T T h e e f f e c t s o f a d m i x t u r e s o n e x p a n s i o n h a v e b e e n s t u d i e d t o a l i m i t e d e x t e n t . I n o n e s t u d y a d m i x t u r e s r e d u c e d t h e a m o u n t o f e x p a n s i o n w h i l e i n a n o t h e r a d m i x t u r e s h a d l i t t l e o r n o e f f e c t . A d i s c u s s i o n o f t h e fi e l d e x p e r i e n c e w i t h a d m i x t u r e s i s p r e s e n t e d b e l o w . M a n y t y p e s o f c o m m e r c i a l a d m i x t u r e s h a v e b e e n i n c l u d e d i n v a r i o u s c o n c r e t e m i x e s . T h e m a j o r i t y o f t h e s e a d m i x t u r e s h a v e b e e n o f t h e w a t e r — r e d u c i n g r e t a r d e r t y p e . L i g n i n a n d s o d i u m g l u c o n a t e - b a s e d a d m i x t u r e s h a v e g e n e r a l l y b e e n u s e d i n n o r m a l r e c o m m e n d e d d o s a g e s . D u r i n g w a r m w e a t h e r , r e l a t i v e l y l a r g e d o s a g e s h a v e b e e n a d d e d 5 4 t o t h e m i x t o d e l a y i n i t i a l c o n c r e t e s e t t i n g t i m e s , a n d u s e i n w i n t e r h a s n o t c r e a t e d a n y d i f fi c u l t i e s w i t h c o n c r e t e . W h e r e 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 a d u r a b i l i t y p r o b l e m , a l l e x p o s e d s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n s t a l l e d t o d a t e h a v e c o n t a i n e d e n t r a i n e d a i r . S e v e r a l s t r u c t u r e s a n d h i g h w a y i n s t a l l a t i o n s a f t e r 3 y e a r s o f e x p o s u r e s h o w e d n o d a m a g e d u e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g e x c e p t i n a f e w i s o l a t e d c a s e s w h e r e l a b o r a t o r y t e s t i n g c o n fi r m e d l o w a i r c o n t e n t o r w h e r e d e i c i n g s a l t s w e r e a p p l i e d b e f o r e t h e c o n c r e t e h a d c u r e d a n d a g e d f o r 1 m o n t h . W a t e r - r e d u c i n g , r e t a r d i n g , a n d w a t e r - r e d u c i n g r e t a r d i n g m i x t u r e s : S o m e A S T M C - 4 9 4 T y p e s A , B , a n d D a d m i x t u r e s a r e n o t c o m p a t i b l e w i t h c e r t a i n s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c e m e n t s . T h e e f f e c t s o f h i g h - r a n g e w a t e r r e d u c e r s o n s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a v e n o t b e e n t h o r o u g h l y i n v e s t i g a t e d . C h e m i c a l f o r m u l a t i o n s o f t h e s e n e w e r a d m i x t u r e s a r e b e i n g r e v i s e d , m o d i fi e d , a n d i m p r o v e d b y s o m e o f t h e s u p p l i e r s , s o t h e b e h a v i o r e x p e r i e n c e d w i t h a n o u t d a t e d f o r m u l a t i o n m a y n o t b e t h e s a m e a s f o r a c u r r e n t f o r m u l a t i o n f r o m t h e s a m e s u p p l i e r . I t i s r e c o m m e n d e d t h a t s u c h a d m i x t u r e s a s w e l l a s t h e T y p e A , B , a n d D a d m i x t u r e s b e t e s t e d b e f o r e a c c e p t a n c e , u s i n g t h e p a r t i c u l a r c e m e n t a n d o t h e r m a t e r i a l s s e l e c t e d f o r t h e j o b . S p e c i a l a t t e n t i o n S h o u l d b e g i v e n t o t h e i r e f f e c t o n S l u m p , r e s t r a i n e d e x p a n s i o n , a n d d r y i n g s h r i n k a g e . T h e u s e o f c e r t a i n r e t a r d i n g , w a t e r - r e d u c i n g , o r w a t e r - r e d u c i n g a n d r e t a r d i n g a d m i x t u r e s w i t h s o m e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c e m e n t s h a s r e s u l t e d i n e x c e s s i v e d r y i n g s h r i n k a g e . T h e s a m e e f f e c t s m a y b e e x p e r i e n c e d f o r c e r t a i n 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 . 5 5 G e n e r a l l y , a d m i x t u r e s w h i c h a r e a c c e p t a b l e m a y b e u s e d i n t h e n o r m a l d o s a g e r e c o m m e n d e d f o r T y p e I o r T y p e 0 P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s u n d e r m o d e r a t e t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s . D u r i n g h o t w e a t h e r , l a r g e r t h a n n o r m a l d o s a g e s o f a c c e p t a b l e A S T M C - 4 9 4 r e t a r d i n g T y p e s B a n d D h a v e o n o c c a s i o n b e e n u s e d s u c c e s s f u l l y t o d e l a y i n i t i a l s e t t i n g t i m e o f s o m e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s . E x p a n d i n g c o n c r e t e s e x h i b i t m o r e r a p i d s e t t i n g c h a r a c t e r i s t i c s t h a n d o c o r r e s p o n d i n g p l a i n c o n c r e t e m i x e s . P o l i v k a a n d B e r t e r o r e p o r t t h a t t h e i n i t i a l a n d fi n a l s e t s o f e x p a n d i n g c o n c r e t e w e r e r e a c h e d a b o u t 2 5 % e a r l i e r t h a n 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 . T h e y a l s o p r e s e n t t e s t r e s u l t s w i t h t h r e e t y p e s o f s e t - r e t a r d i n g a d m i x t u r e s , a l l o f w h i c h i n c r e a s e d t h e t i m e o f s e t b e y o n d t h e p l a i n c o n c r e t e v a l u e s . A p p a r e n t l y , t h e u s e o f s e t - r e t a r d i n g a d m i x t u r e s h a d n o s i g n i fi c a n t i n fl u e n c e o n t h e c o n c r e t e e x p a n s i o n c h a r a c t e r i s t i c s . A c c o r d i n g t o K l e i n , K a r b y a n d P o l i v k a , a r e t a r d i n g w a t e r - r e d u c e r a p p e a r e d t o a f f e c t t h e e x p a n s i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o n c r e t e o n l y t h r o u g h t h e r e s u l t i n g r e d u c t i o n o f w a t e r - c e m e n t r a t i o , w h i c h i m p r o v e d t h e s t r e n g t h a n d t o s o m e d e g r e e t h e e x p a n s i o n . A i r - e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s - A i r e n t r a i n i n g a d m i x t u r e s w h i c h c o m p l y w i t h A S T M C 2 6 0 m a y b e u s e d f o r t h e s a m e p u r p o s e w i t h s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e a s w i t h o t h e r t y p e 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 s . G e n e r a l l y , t h e s a m e a m o u n t o f a g i v e n a i r - e n t r a i n i n g a d m i x t u r e w i l l p r o d u c e a c o m p a r a b l e p e r c e n t a g e o f e n t r a i n e d a i r , a l l o t h e r c o n d i t i o n s b e i n g e q u a l . 5 6 A n i n t e r e s t i n g o b s e r v a t i o n w a s m a d e o n a n e x p e r i m e n t a l p a v e m e n t s e c t i o n a t A n t e l o p e V a l l e y F r e e w a y , i n C a l i f o r n i a . H a l f o f t h e u n i t s i n t h e t e s t s e c t i o n h a d a i r - e n t r a i n m e n t a n d h a l f d i d n o t . T h e a v e r a g e o b s e r v e d d i s t a n c e b e t w e e n c r a c k s f o r t h e a i r - e n t r a i n e d u n i t s w a s 6 9 % o f t h e d i s t a n c e f o r t h e n o n - a i r - e n t r a i n e d u n i t s . A p p a r e n t l y , u n d e r t h e c o n d i t i o n s e x i s t i n g f o r t h i s t e s t p a v e m e n t , t h e a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e m a y h a v e h a d s u b s t a n t i a l l y g r e a t e r d r y i n g s h r i n k a g e . A c c e l e r a t o r s - C a l c i u m c h l o r i d e i s g e n e r a l l y n o t r e c o m m e n d e d f o r u s e i n e x p a n s i v e c e m e n t c o n c r e t e d u e t o i t s e f f e c t o n r e d u c i n g e x p a n s i o n a n d i n c r e a s i n g s u b s e q u e n t d r y i n g s h r i n k a g e . S o m e e x p a n s i v e c e m e n t p r o d u c e r s , h o w e v e r , p e r m i t i t s u s e u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s , b u t l i m i t t h e c o n t e n t t o 1 p e r c e n t b y w e i g h t o f c e m e n t . I t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h e c e m e n t p r o d u c e r b e c o n s u l t e d b e f o r e c a l c i u m c h l o r i d e o r A S T M C - 4 9 4 T y p e s C a n d E a d m i x t u r e s a r e a d d e d i n s o l u t i o n i n a c c o r d a n c e w i t h a c c e p t e d p r a c t i c e f o r T y p e s I a n d I I c e m e n t c o n c r e t e s . 2 . 5 . 4 C O N S T R U C T I O N T E C H N I Q U E S C o n s i s t e n c y : G o o d r e s u l t s c a n b e o b t a i n e d u s i n g s l u m p s a t t i m e o f p l a c e m e n t w i t h i n t h e m a x i m u m r a n g e s p e c i fi e d b y A C 1 2 1 1 . 1 f o r t h e w o r k i n v o l v e d w h e n c o n c r e t e t e m p e r a t u r e s d o n o t e x c e e d 7 5 ° F ( 2 4 ° C ) . A t h i g h e r c o n c r e t e t e m p e r a t u r e s , t h e m a x i m u m S l u m p s a t p o i n t o f p l a c e m e n t S h o w n i n T a b l e 2 . 4 a r e r e c o m m e n d e d . W i t h r e a d y - m i x e d c o n c r e t e o p e r a t i o n s , t h e d e l i v e r y t i m e o f c o n c r e t e b e t w e e n t h e b a t c h p l a n t a n d p l a c e m e n t m a y b e a s s h o r t a s 2 0 m i n o r a s l o n g a s 1 - 1 / 2 h r . 5 7 E t t r i n g i t e w i l l b e g i n t o f o r m d u r i n g t h i s p e r i o d i n s o m e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s , r e s u l t i n g i n a p r e m a t u r e s t i f f e n i n g a n d s l u m p l o s s o f 2 t o 3 i n . ( 5 0 — 8 0 m m ) . I t i s t h e r e f o r e e s s e n t i a l t h a t s u f fi c i e n t S l u m p w i t h i n m a x i m u m a l l o w a b l e w a t e r l i m i t s b e p r o v i d e d a t t h e b a t c h p l a n t t o i n s u r e t h a t t h e s p e c i fi e d o r d e s i r e d s l u m p i s o b t a i n e d a t t h e j o b s i t e . T a b l e 2 . 4 . R e c o m m e n d e d S l u m p s a t P l a c e m e n t [ 9 ] T y p e o f C o n s t r u c t i o n s S l u m p ( i n . ) R e i n f o r c e d f o u n d a t i o n w a l l s a n d f o o t i n g s 5 P l a i n f o o t i n g s , c a i s s o n s , a n d s u b s t r u c t u r e w a l l s S l a b s , b e a m s , r e i n f o r c e d w a l l s B u i l d i n g c o l u m n s P a v e m e n t s # # G G - b H e a v y m a s s c o n s t r u c t i o n I t m u s t b e u n d e r s t o o d t h a t i f , b e c a u s e o f a m b i e n t c o n d i t i o n s a t t h e t i m e o f p l a c e m e n t , a c c e p t a b l e e x t e n d e d m i x i n g t i m e s , e t c , a d d i t i o n a l w a t e r i s a d d e d t o t h e m i x t u r e a t t h e j o b s i t e t o i n c r e a s e t h e S l u m p t o t h e p o i n t t h a t i t a p p r o a c h e s t h e m a x i m u m l i m i t s p e c i fi e d , c l o s e c o n t r o l m u s t b e k e p t o v e r t h e a m o u n t o f a d d e d m i x w a t e r s o t h a t t h e t o t a l w a t e r i n t h e m i x t u r e d o e s n o t e x c e e d t h e l i m i t e s t a b l i s h e d b y t h e m i x t u r e p r o p o r t i o n s . T o d o s o c o u l d r e d u c e s t r e n g t h s a n d o f f s e t t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e e x p a n s i v e c e m e n t i n c o n t r o l l i n g S h r i n k a g e c r a c k s . T h e i m p o r t a n c e o f t a k i n g t h i s 5 8 s l u m p l o s s i n t o a c c o u n t i n s e l e c t i n g p r o p o r t i o n s f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s c a n n o t b e o v e r - e m p h a s i s i z e d . I t b e c o m e s e v e n m o r e i m p o r t a n t d u r i n g h o t w e a t h e r w h e n c o n c r e t e t e m p e r a t u r e s a r e r e l a t i v e l y h i g h a n d r e a c t i o n s a r e a c c e l e r a t e d . W h i l e n o r m a l d e l i v e r y t i m e o f r e a d y - m i x e d P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e u n d e r a d v e r s e h o t w e a t h e r c o n d i t i o n s r e s u l t s i n a s i g n i fi c a n t s l u m p l o s s , s o m e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s d e v e l o p a n e v e n g r e a t e r s l u m p l o s s u n d e r t h e s a m e h o t w e a t h e r c o n d i t i o n s . S l u m p l o s s w h i c h a r e s u c c e s s f u l 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 a r e e q u a l l y e f f e c t i v e f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . B e c a u s e o f t h e p o s s i b l y g r e a t e r s l u m p l o s s , m o r e l i b e r a l u s e a n d s t r i c t e r e n f o r c e m e n t o f t h e s e c o n t r o l s i s r e c o m m e n d e d w h e n e x p a n s i v e c e m e n t s a r e u s e d . R e c o m m e n d e d c o n t r o l s i n c l u d e u s i n g c h i l l e d m i x w a t e r , u s i n g e v a p o r a t e d c o o l i n g o n c o a r s e a g g r e g a t e s t o c k p i l e s , r e d u c i n g t h e s p e e d o f t r u c k s c h e d u l i n g t o a n a b s o l u t e m i n i m u m . W h e n j o b l o c a t i o n s r e q u i r e e x t e n d e d t r a v e l t i m e , d r y b e a c h e d t r u c k d e l i v e r y w i t h j o b s i t e m i x i n g i s e f f e c t i v e s o l o n g a s t h e c e m e n t i s c h a r g e d o n t o p o f t h e a g g r e g a t e s w i t h o u t t u r n i n g t h e d r u m s o t h a t m o i s t u r e i n t h e a g g r e g a t e d o e s n o t e f f e c t i v e l y c o n t r i b u t e t o t h e s t a r t o f t h e h y d r a t i o n p r o c e s s a n d p r o d u c t i o n o f e t t r i n g i t e i n t h e b u l k q u a n t i t y o f c e m e n t . T h i s b a t c h i n g p r o c e d u r e m a n d a t e s t h e u s e o f m i x e r s i n e x c e l l e n t c o n d i t i o n . P l a c e m e n t : T h e p l a s t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f a l l t h r e e t y p e s o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e a r e s u f fi c i e n t l y s i m i l a r t o c o n c r e t e s m a d e w i t h T y p e I o r I I P o r t l a n d c e m e n t s o t h a t n o s p e c i a l e q u i p m e n t o r t e c h n i q u e s a r e r e q u i r e d f o r s a t i s f a c t o r y p l a c e m e n t . T h e r e c o m m e n d a t i o n s s e t f o r t h i n A C I 3 0 4 s h a l l b e f o l l o w e d w h e r e a p p l i c a b l e . S u c c e s s f u l p l a c e m e n t s h a v e b e e n m a d e b y w h e e l b a r r o w , m i x e r t r u c k , b u c k e t , t h i s c o n ; i i i 3 h “ ; L L “ i i i 5 9 c o n v e y o r , p u m p , a n d s h o t c r e t e . I n g e n e r a l , s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s m o r e c o h e s i v e n e s s o r ” f a t ” t h a 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 d l e s s t e n d e n c y t o s e g r e g a t e . F o r t h i s r e a s o n , i t i s e s p e c i a l l y a d a p t a b l e t o p u m p i n g ; a l a r g e p e r c e n t a g e o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s b e e n p l a c e d b y t h i s m e t h o d . S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s a l s o b e e n u s e d w i t h o u t d i f fi c u l t y i n t h e m a n u f a c t u r e o f p i p e i n p r e c a s t o p e r a t i o n s a n d i n p a v i n g m a c h i n e s . [ 3 2 ] P l a c i n g r e c o m m e n d a t i o n s 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 a r e e q u a l l y i m p o r t a n t f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . H o w e v e r , t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e r e q u i r e t h a t g o o d c o n c r e t i n g p r a c t i c e s b e f o l l o w e d s o a s t o i n s u r e a d e q u a t e e x p a n s i o n s a n d s a t i s f a c t o r y r e s u l t s . I f a d e q u a t e e x p a n s i o n s a r e n o t a c h i e v e d , c o m p e n s a t i o n f o r d r y i n g s h r i n k a g e i s n o t a v a i l a b l e a n d t h e r e s u l t s m a y b e s e e n i n t h e f o r m o f c r a c k i n g . W h e r e t h e p l a s t i c c o n c r e t e w i l l b e i n c o n t a c t w i t h a n a b s o r p t i v e m a t e r i a l s u c h a s d r y s o i l o r p r e v i o u s l y p l a c e d d r y c o n c r e t e , t h e b a s e o r s u b g r a d e s h a l l b e t h o r o u g h l y w e t t e d . S p r i n k l i n g l i g h t l y i s n o t s u f fi c i e n t . R e c o m m e n d e d p r a c t i c e i s t o s o a k t h e b a s e t h e e v e n i n g b e f o r e p l a c e m e n t a n d t o s p r i n k l e a h e a d o f t h e p l a c e m e n t a s n e c e s s a r y . A q u i c k c h e c k i s t o o b t a i n a h a n d f u l o f s u b g r a d e a n d / o r b a s e m a t e r i a l a n d s q u e e z e i t i n t o a b a l l . T h e r e t e n t i o n o f i t s v o l u m e i n d i c a t e s a d e q u a t e m o i s t u r e c o n t e n t , a n d d a m p e n i n g s h o u l d n o t b e n e c e s s a r y . I t i s a l s o g o o d p r a c t i c e t o w e t t h e f o r m s a n d r e i n f o r c e m e n t f o r s t I ’ U C t u r a l c o n c r e t e , p a r t i c u l a r l y i n h o t w e a t h e r . 6 0 I n h o t , d r y , a n d w i n d y p l a c i n g c o n d i t i o n s , a l l c o n c r e t e s t e n d t o l o s e m o i s t u r e u n e v e n l y a n d m a y d e v e l o p p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k s . E x p e r i e n c e h a s s h o w n t h a t w i t h S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e , p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g i s m o r e p r e v a l e n t b e c a u s e o f w a t e r r e q u i r e d f o r t h e e a r l y f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e . F i n i s h i n g d i f fi c u l t i e s m a y b e i n c r e a s e d b e c a u s e o f n o n u n i f o r m m o i s t u r e l o s s b e t w e e n t o p a n d b o t t o m s u r f a c e s d u r i n g t h e d r y i n g p e r i o d , p a r t i c u l a r l y w h e n t h e c o n c r e t e i s p l a c e d d i r e c fl y o v e r a v a p o r b a r r i e r . W h e r e a v a p o r b a r r i e r i s r e q u i r e d , i t i s r e c o m m e n d e d t h a t i t b e c o v e r e d w i t h a 1 t o 3 i n . l a y e r o f s a n d a n d p r o p e r l y d a m p e n e d b e f o r e p l a c i n g s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . T h i s p r a c t i c e r e s u l t s i n m o r e e v e n m o i s t u r e l o s s o f t h e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e , l e s s p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g , a n d p r o t e c t i o n o f t h e v a p o r b a r r i e r d u r i n g p l a c e m e n t . C a r e S h a l l b e t a k e n d u r i n g p l a c e m e n t o f c o n c r e t e t o m a i n t a i n a u n i f o r m l a y e r o f s a n d . I n p r o t e c t e d e n v i r o n m e n t s w h e r e a v a p o r b a r r i e r i s r e q u i r e d , t h e s a n d l a y e r m a y b e e l i m i n a t e d . W h e n e i t h e r a s a n d l a y e r o r a v a p o r b a r r i e r i s u s e d , c o n s i d e r a t i o n s h a l l b e g i v e n t o l a r g e r t h a n n o r m a l j o i n t o p e n i n g s d u e t o t h e r e d u c t i o n o f t h e s u b g r a d e f r i c t i o n f a c t o r . S h o u l d p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g o c c u r , s h e e t i n g , m o n o m o l e c u l a r fi l m s , e i t h e r s p r a y e d o r r o l l e d o n , a s w e l l a s v e r y fi n e f o g s p r a y s o f w a t e r , h a v e b e e n u s e d q u i t e s u c c e s s f u l l y i n a r r e s t i n g t h i s t e n d e n c y . T h e p u r p o s e o f f o g s p r a y i n g i s t o r e p l a c e n e c e s s a r y s u r f a c e w a t e r t h a t h a s b e e n l o s t d u e t o a n e x c e s s i v e r a t e o f e v a p o r a t i o n . C o n s e q u e n t l y , v e r y fi n e s p r a y s a r e r e c o m m e n d e d a n d h e a v y a p p l i c a t i o n s o f w a t e r s h a l l b e a v o i d e d u n t i l c o n c r e t e h a s t a k e n i t s fi n a l s e t . 6 1 C a r e m u s t b e t a k e n t o m a i n t a i n t h e r e i n f o r c e m e n t i n i t s p r o p e r p o s i t i o n d u r i n g p l a c e m e n t a n d c o n s o l i d a t i o n t o a s s u r e t h a t i t p r o v i d e s t h e r e q u i r e d r e s t r a i n t . A q u i c k c h e c k o n t h e a c t u a l p o s i t i o n i n g o f t h e s t e e l c a n b e m a d e b y i n s e r t i n g a w o o d e n , p l a s t i c , o r m e t a l g a g e i n t o t h e p l a s t i c c o n c r e t e . T h e r e i n f o r c e m e n t w i l l p r e v e n t f u r t h e r i m b e d m e n t o f t h e g a g e a n d d e p t h o f c o v e r s h o u l d b e i n d i c a t e d a n d m e a s u r e d b y t h e w e t c o n c r e t e o n t h e g a g e . A t t h e s a m e t i m e , t h e c o n c r e t e S h a l l b e p r o p e r l y c o n s o l i d a t e d t o i n s u r e g o o d b o n d w i t h t h e s t i l l . S p e c i a l p r e c a u t i o n s s h a l l b e t a k e n t o a v o i d p l a c i n g d e l a y s a t t h e j o b s i t e w h e n u s i n g r e a d y - m i x e d c o n c r e t e . A s u b s t a n t i a l i n c r e a s e i n m i x i n g t i m e o v e r t h a t a s s u m e d w h e n s e l e c t i n g m i x t u r e p r o p o r t i o n s i n c r e a s e s t h e s l u m p l o s s . A n y w a t e r a d d e d a t t h e j o b s i t e , a f t e r s l u m p l o s s , t o m a i n t a i n c o n s i s t e n c y n o t o n l y d e c r e a s e s t h e s t r e n g t h b u t m a y a l s o r e d u c e t h e e x p a n s i o n t o u n a c c e p t a b l e l e v e l s . [ 5 2 , 5 3 ] C o n c r e t e t e m p e r a t u r e a n d t i m e i n t h e m i x e r ( f r o m i n t e r m i n g l i n g c e m e n t a n d d a m p a g g r e g a t e ) a r e i m p o r t a n t f a c t o r s b e c a u s e o f t h e i r e f f e c t o n e x p a n s i o n . I t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e a t t h e t i m e o f p l a c e m e n t n o t e x c e e d 9 0 ° F ( 3 2 ° C ) a n d t h e m i x i n g t i m e f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e a t t e m p e r a t u r e s a b o v e 8 5 ° F ( 3 0 ° C ) b e l i m i t e d t o 1 h r . F o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e b e l o w 8 5 ° F ( 3 0 ° C ) , t h e m i x i n g t i m e s h a l l b e a m a x i m u m o f 1 1 / 2 h r . D u r i n g c o l d w e a t h e r c o n c r e t i n g t h e m e t h o d s r e c o m m e n d e d a r e t h o s e d e s c r i b e d i n A C I 3 0 6 R t o p r o v i d e a d e q u a t e s t r e n g t h g a i n a n d e x p a n s i o n . P l a c e m e n t s e q u e n c e i s i m p o r t a n t i n d e v e l o p i n g t h e p r o p e r s t r a i n o n t h e i n t e r n a l r e i n f o r c e m e n t s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g C O H C I ’ C I B . 6 2 A l t h o u g h t h e s u c c e s s f u l c o m b i n a t i o n o f s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e a n d v a c u u m d e w a t e r i n g h a v e b e e n r e p o r t e d , i t i s g e n e r a l l y n o t r e c o m m e n d e d u n l e s s p r o v e n b y e x p a n s i o n a n d s h r i n k a g e o f p r i s m s t o n o t e n e t s t r a i n . F i n i s h i n g : T h e c o h e s i v e n e s s o r " f a t " i n h e r e n t i n e x p a n s i v e c e m e n t s p r o v i d e e x c e l l e n t fi n i s h i n g q u a l i t i e s . I t s b e h a v i o r i s S i m i l a r t o 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 i s u s u a l l y p r e s e n t s n o p r o b l e m s . S i m i l a r l y , t h e r e i s l i t t l e o r n o b l e e d i n g e v e n t h o u g h a r e l a t i v e l y h i g h s l u m p m a y b e u s e d . D u e t h e t o l a c k o f b l e e d w a t e r , h o w e v e r , t h e r e i s a t e n d e n c y f o r fi n i s h e r s t o s t a r t t o o s o o n . O n t h e o t h e r h a n d , i n w a r m w e a t h e r , s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w i l l t y p i c a l l y s e t f a s t e r t h a n T y p e I o r T y p e I I P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s a n d fi n i s h i n g m a y s t a r t s o m e w h a t s o o n e r t h a n n o r m a l . C u r i n g : S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e , a s w i t h a l l P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s , r e q u i r e s c o n t i n u o u s c u r i n g a t m o d e r a t e t e m p e r a t u r e s f o r s e v e r a l d a y s a f t e r fi n a l fi n i s h i n g o p e r a t i o n s t o p r e v e n t e a r l y d r y i n g s h r i n k a g e a n d t o d e v e l o p s t r e n g t h , d u r a b i l i t y , a n d o t h e r d e s i r e d p r o p e r t i e s . A n y d e fi c i e n c i e s i n t h e m e t h o d o f c u r i n g m a y a l s o r e d u c e t h e a m o u n t o f i n i t i a l e x p a n s i o n w h i c h i s n e e d e d t o o f f s e t l a t e r d r y i n g s h r i n k a g e . W h e n t h e e f f e c t o f c u r i n g i s c o n s i d e r e d , t h e p r o p e r t i e s o f t h e m i x t u r e m a y b e m o d i fi e d , i . e , i n c r e a s e d c e m e n t f a c t o r m a y b e u s e d t o c o m p e n s a t e f o r t h e e f f e c t s s o a s t o i n s u r e a d e q u a t e e x p a n s i o n . T h e u s u a l l y — a c c e p t e d m e t h o d s o f c u r i n g a r e s a t i s f a c t o r y f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e ; h o w e v e r , t h o s e t h a t p r o v i d e a d d i t i o n a l m o i s t u r e t o t h e c o n c r e t e s u c h a s p o n d i n g , c o n t i n u o u s s p r i n k l i n g , a n d w e t c o v e r i n g s a r e p r e f e r r e d t o i n s u r e a d e q u a t e w a t e r f o r e t t r i n g i t e f o r m a t i o n a n d e x p a n s i o n . O t h e r m e t h o d s s u c h a s 6 3 m o i s t u r e — p r o o f c o v e r s a n d s p r a y e d - o n m e m b r a n e s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y u t i l i z e d , p r o v i d e d t h a t c o v e r a g e i s c o m p l e t e s o t h a t i t p r e v e n t s l o s s o f m o i s t u r e f r o m t h e e n t i r e c o n c r e t e s u r f a c e . C u r i n g o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s h a l l b e c o n t i n u e d f o r a m i n i m u m o f 7 d a y s . C u r i n g o f c o n c r e t e fl a t w o r k s h a l l c o m m e n c e i m m e d i a t e l y a f t e r fi n a l fi n i s h i n g . I t m a y b e n e c e s s a r y t o f o g s p r a y o r c o v e r t h e s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e t e m p o r a r i l y i f o t h e r m e t h o d s o f c u r i n g a r e d e l a y e d , e s p e c i a l l y i n h o t , d r y , o r w i n d y w e a t h e r . I f a l i q u i d c u r i n g m e m b r a n e i s u s e d , i t i s r e c o m m e n d e d t h a t i t c o n f o r m t o A S T M C - 3 0 9 a n d b e a p p l i e d i n t w o d i r e c t i o n s , a t a c o v e r a g e r a t e s u g g e s t e d b y t h e m a n u f a c t u r e r , i m m e d i a t e l y f o l l o w i n g t h e fi n a l fi n i s h i n g a s i t p r o g r e s s e s . T o a c c o m p l i s h t h i s , p o w e r s p r a y e q u i p m e n t c a p a b l e o f c o v e r i n g l a r g e a r e a s m o r e r a p i d l y s h a l l b e u s e d r a t h e r t h a n s m a l l , p o r t a b l e s p r a y t a n k s . F o r a r c h i t e c t u r a l o r s t r u c t u r a l c o n c r e t e , t h e n o r m a l l y a c c e p t e d p r a c t i c e o f c u r i n g w i t h t h e f o r m w o r k i n p l a c e i s a d e q u a t e f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . A l l u n c o v e r e d s u r f a c e s s h a l l r e c e i v e a d d i t i o n a l w a t e r ; s o a k e r h o s e s o r w a t e r s p r a y s s h a l l b e u s e d t o s u p p l e m e n t t h e p r o t e c t i o n o f t h e i n - p l a c e f o r m - w o r k . I f t h e f o r m s m u s t b e r e m o v e d p r i o r t o 7 d a y s , o n e o f t h e o t h e r a c c e p t e d m e t h o d s o f c u r i n g s h a l l t h e n b e e m p l o y e d f o r t h e b a l a n c e o f t h e c u r i n g p e r i o d . S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s h a l l b e p r o t e c t e d d u r i n g t h e i n i t i a l c u r i n g p e r i o d a g a i n s t e x t r e m e t e m p e r a t u r e s d u r i n g e i t h e r c o l d o r h o t w e a t h e r p e r i o d s . T h e m e t h o d s r e c o m m e n d e d a r e t h o s e d e s c r i b e d i n A C I 3 0 5 R a n d A C I 3 0 6 R . T h e r e a r e l a c t i c m m h y d r a t e . l i m i t } E d i t o r i t d i f f e r 3 1 m 1 7 l i t r e S o m e 0 b e n e fi c i a l e f f e c t s o f i n t e r n a l c u r i n g a s s o c i a t e d w i t h t h e u s e o f l i g h t a g g r e g a t e . T h e s i g n i fi c a n c e o f c u r i n g t h r o u g h s u p p l y o f w a t e r f o r h y d r a t i o n , i s w e l l e s t a b l i s h e d i n P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s . I n e x p a n d i n g c o n c r e t e i t i s o f e v e n g r e a t e r i m p o r t a n c e . H e r e w e a r e d e a l i n g w i t h t o b e r m o r i t e a n d o f t h e e x p a n s i o n - c a u s i n g t r i s u l f a t e h y d r a t e , a n d t h e s e a r e a f f e c t e d d i f f e r e n t l y b y c u r i n g c o n d i t i o n s , t e m p e r a t u r e a n d r e l a t i v e h u m i d i t y . T h e t r i s u l f a t e h y d r a t e f o r m a t i o n i s t h e m o r e r a p i d o f t h e t w o a n d c u r i n g c o n d i t i o n s c a n b e u s e d a s a m e a n s o f c o n t r o l i n t h e " s t r e n g t h - e x p a n s i o n " r e l a t i o n . T h e a r e d i f f e r e n t r a t e s o f e x p a n s i o n a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s . W i t h a h i g h t e m p e r a t u r e , t h e r e i s v e r y r a p i d e a r l y e x p a n s i o n w o u l d t a k e p l a c e , w h i l e t h e c o n c r e t e i s S t i l l p l a s t i c , a n d c o n s e q u e n t l y l e s s t o t a l m a x i m u m e x p a n s i o n . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h p r o b a b l y i n c r e a s e s w i t h t h e c u r i n g t e m p e r a t u r e , b e i n g i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o l a t e e x p a n s i o n . S o m e o p t i m u m t e m p e r a t u r e p r o b a b l y e x i s t s w i t h r e s p e c t t o t h e m a g n i t u d e o f s e l f - s t r e s 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 . [ 5 2 , 5 3 ] 2 . 6 D E S I G N W I T H S H R I N K A G E C O M P E N S A T I N G C O N C R E T E 2 . 6 . 1 I N T R O D U C T I O N T h e d e s i g n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r a l e l e m e n t s u s i n g s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s h a l l c o n f o r m t o t h e r e q u i r e m e n t s o f a p p l i c a b l e A C I s t a n d a r d s . A t t h e s a m e t i m e , a d e q u a t e c o n c r e t e e x p a n s i o n s h o u l d b e p r o v i d e d t o c o m p e n s a t e f o r s u b s e q u e n t d r y i n g s h r i n k a g e t o m i n i m i z e c r a c k i n g . S i n c e t h e fi n a l n e t r e s u l t o f e x p a n s i o n a n d s h r i n k a g e i s e s s e n t i a l l y z e r o , n o s t r u c t u r a l c o n s i d e r a t i o n n e e d n o r m a l l y b e i n c r e a s e s w i t h t h e s i z e o f s p e c i m e n . E x c e p t f o r t w o d i m e n s i o n a l e l e m e n t s , l i k e S l a b s a n d 6 5 g i v e n t o t h e s t r e s s e s d e v e l o p e d i n t h e c o n c r e t e d u r i n g t h i s p r o c e s s . P r o v i s i o n f o r d e a d a n d l i v e l o a d s r e q u i r e d b y b u i l d i n g c o d e s a n d s p e c i fi c a t i o n s w i l l r e s u l t i n a t l e a s t t h e s a m e s t r u c t u r a l i n t e g r i t y w i t h s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n c o n c r e t e a s w i t h P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s . H o w e v e r , p r o v i s i o n s s h a l l b e m a d e f o r i n i t i a l e x p a n s i v e m o v e m e n t s . R e s t r a i n t i s v i t a l f o r e x p a n d i n g c o n c r e t e , fi r s t t o l i m i t t h e d i s r u p t i v e e x p a n s i o n a n d , s e c o n d l y , t o u t i l i z e t h e e x p a n s i o n a n d i n d u c e p r e s t r e s s . T h e a m o u n t o f r e s t r a i n t i s a c r u c i a l d e s i g n p a r a m e t e r . I t d e t e r m i n e s t h e s t r e s s i n d u c e d a n d t h e e f f e c t i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e t y p e o f r e s t r a i n t , u n i a x i a l , b i a x i a l o r t r i a x i a l i s a l s o m o s t i m p o r t a n t . M o s t o f t h e i n v e s t i g a t i o n s t o d a t e u s e d u n i a x i a l o r b i a x i a l r e s t r a i n t ( m o s t l y i n s l a b s ) . A n u m b e r o f s t r u c t u r a l e l e m e n t s , p i p e s , b e a m s w i t h s t i r r u p s a n d c o l u m n s , h a v e b e e n d e s i g n e d w i t h t r i a x i a l r e s t r a i n t . [ 3 , 4 ] A n i n v e s t i g a t i o n o f u n i a x i a l r e s t r a i n t h a s b e e n r e p o r t e d b y B e r t e r o a n d P o l i v k a ( 1 9 6 6 ) . T h e a m o u n t o f r e s t r a i n i n g s t e e l r a n g e d f r o m 0 . 2 2 t o 6 . 4 7 p e r c e n t a n d t h e c o n c l u s i o n w a s r e a c h e d t h a t t h e r e e x i s t s a n o p t i m u m p e r c e n t a g e o f l o n g i t u d i n a l r e s t r a i n t a s f a r a s 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 t h e c o n c r e t e a r e c o n c e r n e d . T h i s o p t i m u m w a s e s t i m a t e d t o b e b e t w e e n 1 a n d 2 p e r c e n t . A l s o , i t w a s c o n c l u d e d t h a t f o r s u c c e s s f u l u s e o f e x p a n d i n g c o n c r e t e i n s o m e s t r u c t u r a l e l e m e n t s , t r i a x i a l r e s t r a i n t i s n e c e s s a r y . T h i s c o n c l u s i o n i s n o w g e n e r a l l y s h a r e d . B e r t e r o ( 1 9 6 7 ) d e m o n s t r a t e d t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f l a t e r a l e x p a n s i o n a n d t h e l a r g e d e t e r i o r a t i o n i n s t r e n g t h t h a t c a n o c c u r w i t h a g e . A n i s o t r o p y , n o n - h o m o g e n e i t y a n d d e t r i m e n t a l l a t e r a l e x p a n s i o n 6 6 s h e l l s , w h e r e b i a x i a l r e s t r a i n t m i g h t b e s a t i s f a c t o r y , t r i a x i a l r e s t r a i n t w i l l b e r e q u i r e d t o e l i m i n a t e o r m i n i m i z e t h e a b o v e d e t r i m e n t a l f e a t u r e s . T h e r e i s p r o b a b l y a n o p t i m u m t r i a x i a l r e s t r a i n t i n t h e c o m p l e x r e l a t i o n o f e x p a n s i o n - s t r e n g t h - r e s t r a i n t a n d t h i s s h o u l d b e i n v e s t i g a t e d f u r t h e r . T h e r e i s a c e r t a i n d i f fi c u l t y , r e q u i r i n g c a r e , i n t h e d e t e r m i n a t i o n o f m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t r i a x i a l l y r e s t r a i n e d e x p a n d i n g c o n c r e t e . 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 o f t h e m a t e r i a l , t h e t r i a x i a l r e s t r a i n t h a s t o b e r e m o v e d b e f o r e t e s t i n g a n d t h e d a n g e r e x i s t s o f d a m a g i n g t h e m a t e r i a l i n t h e p r o c e s s . S i z e E f f e c t - - S i n c e c u r i n g n o r m a l l y p r o c e e d s f r o m t h e s u r f a c e o f a S p e c i m e n , t h e s i z e o f t h e s p e c i m e n , w h i c h d e t e r m i n e s t h e r a t i o o f s u r f a c e a r e a t o v o l u m e , w o u l d b y e x p e c t e d t o i n fl u e n c e t h e h i s t o r y o f e x p a n s i o n a n d t h e r e f o r e t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s . I n l a r g e s p e c i m e n s a m o i s t u r e g r a d i e n t w i l l b e s e t u p a n d t h e r e f o r e a n e x p a n s i o n g r a d i e n t w o u l d e x i s t , w h i c h m a y p r o d u c e i n t e r n a l s t r e s s e s d e t r i m e n t a l t o 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 t h e c o n c r e t e . [ 2 6 , 2 9 ] B e r t e r o ( 1 9 6 6 ) c o n fi r m e d e x p e r i m e n t a l l y o n u n i a x i a l l y r e s t r a i n e d s p e c i m e n s t h a t : ( 1 ) S i z e a f f e c t s t h e h i s t o r y b u t n o t t h e u l t i m a t e m a g n i t u d e o f l o n g i t u d i n a l e x p a n s i o n , b u t i t a f f e c t s b o t h t h e u l t i m a t e m a g n i t u d e a n d h i s t o r y o f l a t e r a l e x p a n s i o n ; ( 2 ) A n i n c r e a s e i n S i z e : * d e c r e a s e i n i t i a l e x p a n s i o n a n d i n c r e a s e s l a t e r l a t e r a l e x p a n s i o n ; * i n c r e a s e s t h e t i m e n e e d e d f o r e x p a n s i o n s t a b i l i z a t i o n ; 6 7 * i n c r e a s e s t h e a n i s o t r o p y a n d n o n - h o m o g e n e i t y o f t h e m a t e r i a l . M o n f o r e a l s o f o u n d a d e c r e a s e , a t a n e a r l y a g e , o f t h e e x p a n s i o n o f m o r t a r p r i s m s w i t h i n c r e a s e i n s i z e . M o s t o f t h e d e t r i m e n t a l e f f e c t s m e n t i o n e d a b o v e s h o u l d b e e l i m i n a t e d w i t h t r i a x i a l r e s t r a i n t a n d i n t e r n a l c u r i n g p r o v i d e d b y a p o r o u s a g g r e g a t e . T y p e s o f r e s t r a i n t : A r e s i l i e n t t y p e o f r e s t r a i n t , s u c h a s t h a t p r o v i d e d b y i n t e r n a l r e i n f o r c e m e n t , s h a l l b e p r o v i d e d t o d e v e l o p s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n . O t h e r t y p e s o f r e s t r a i n t , s u c h a s a d j a c e n t s t r u c t u r a l e l e m e n t s a n d s u b g r a d e f r i c t i o n a r e l a r g e l y i n d e t e r m i n a t e a n d m a y p r o v i d e e i t h e r t o o m u c h o r t o o l i t t l e . S u b g r a d e f r i c t i o n a l c o e f fi c i e n t s i n t h e r a n g e o f 1 t o 2 l / 2 h a v e b e e n f o u n d s a t i s f a c t o r y . H i g h r e s t r a i n t w i l l i n d u c e a h i g h c o m p r e s s i v e s t r e s s i n t h e c o n c r e t e , b u t p r o v i d e l i t t l e s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n . W h e r e v e r p o s s i b l e , t h e d e s i g n s h a l l , t h e r e f o r e , s p e c i f y t h e r e i n f o r c e m e n t r e c o m m e n d e d . T h e d e s i g n s h a l l b e p e r f o r m e d u s i n g t h e p r o c e d u r e s f o r p r e d i c t i n g e x p a n s i o n . M i n i m u m r e i n f o r c e m e n t a n d l o c a t i o n : E s t a b l i s h e d e n g i n e e r i n g d e s i g n p r a c t i c e s f o r s t r u c t u r a l e l e m e n t s w i l l n o r m a l l y p r o v i d e a s u f fi c i e n t a m o u n t o f s t e e l . I n s o m e n o n - l o a d - b e a r i n g m e m b e r s , s l a b s o n g r a d e a n d l i g h t l y - r e i n f o r c e d s t r u c t u r a l m e m b e r s , t h e u s u a l a m o u n t o f s t e e l m a y b e l e s s t h a n t h e m i n i m u m a m o u n t n e c e s s a r y f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i o n c o n c r e t e s . F o r s u c h d e s i g n s , a m i n i m u m r a t i o o f r e i n f o r c e m e n t a r e a t o g r o s s c o n c r e t e a r e a o f 0 . 0 0 1 5 s h a l l b e u s e d i n e a c h d i r e c t i o n t h a t S h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n i s d e s i r e d . T h i s m i n i m u m i s a p p r o x i m a t e l y t h a t r e c o m m e n d e d b y A C I 3 1 8 f o r t e m P e r a t u r e a n d S h r i n k a g e s t r e s s e s . H o w e v e r , w h e n p r o c e d u r e s o u t l i n e d f o r E N fl e x S 8 % a , “ q . M 8 “ 5 . . . 5 I . a r e . a a A 3 . : . . . . ; _ r ' . . 8 . . . “ 5 : 0 ” U 6 8 p r e d i c t i n g e x p a n s i o n a r e f o l l o w e d , a r e i n f o r c e m e n t r a t i o l e s s t h a n t h e a b o v e m i n i m u m m a y b e u s e d . I n s t r u c t u r a l m e m b e r s , t h e r e i n f o r c e m e n t l o c a t i o n w i l l b e d e t e r m i n e d f r o m d e s i g n r e q u i r e m e n t s . T h i s m a y r e s u l t i n a n o v e r - c o n c e n t r a t i o n o f r e i n f o r c e m e n t i n o n e s e c t i o n - p a r t i c u l a r l y i n fl a t p l a t e c o n s t r u c t i o n . E x p e r i e n c e h a s s h o w n t h a t w a r p i n g c a u s e d b y c o n c e n t r a t e d r e i n f o r c e m e n t i s n o t a p r o b l e m i n s t r u c t u r a l S l a b s b e c a u s e d e a d w e i g h t t e n d s t o c o u n t e r a c t t h e w a r p i n g d e fl e c t i o n . H o w e v e r , w h e n t h e l o c a t i o n o f t h e r e i n f o r c e m e n t i s n o t d e t e r m i n e d b y s t r u c t u r a l c o n s i d e r a t i o n s , i t s h a l l b e p o s i t i o n e d t o m i n i m i z e d w a r p i n g . F o r e x a m p l e , i n S l a b s o n g r a d e w h e r e m o s t o f t h e d r y i n g o c c u r s i n t h e t o p p o r t i o n , t h e r e i n f o r c e m e n t s h o u l d b e p l a c e d i n t h e u p p e r h a l f o f t h e s l a b ( p r e f e r a b l y o n e - t h i r d o f t h e d e p t h f r o m t h e t o p ) , w h i l e s t i l l a l l o w i n g f o r a d e q u a t e c o v e r . P r e d i c t i o n o f e x p a n s i o n s : W h e n S t r u c t u r a l d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s r e s u l t i n r e i n f o r c e m e n t r a t i o 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 m i n i m u m , o r w h e n i t i s d e s i r e d t o u s e l e s s t h a n t h e m i n i m u m r e i n f o r c e m e n t a n d l o c a t i o n , t h e l e v e l o f e x p a n s i o n i n s t r u c t u r a l m e m b e r s s h o u l d b e e s t i m a t e d f r o m F i g u r e 2 . 2 . T h i s g r a p h S h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m e m b e r e x p a n s i o n , p r i s m e x p a n s i o n , a n d p e r c e n t a g e r e i n f o r c e m e n t w h e n m e m b e r a n d p r i s m a r e m a d e f r o m t h e s a m e c o n c r e t e a n d a r e m i x e d a n d c u r e d u n d e r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s . T h e p r i s m e x p a n s i o n t e s t i s d e fi n e d i n " M e t h o d o f T e s t f o r R e s t r a i n e d E x p a n s i o n o f S h r i n k a g e - C o m p e n s a t i n g C o n c r e t e " ( A S T M C - 8 7 8 ) . T h e fi g u r e i s b a s e d o n p u b l i s h e d d a t a b y R u s s e l l e t a l , b u t m o d i fi e d t o a l l o w u s e o f t h e A S T M C - 8 7 8 t e s t . F i g u r e 2 . 2 i n d i c a t e s t h a t f o r a g i v e n p r i s m e x p a n s i o n , a h i g h e r a m o u n t o f 6 9 r e i n f o r c e m e n t w i l l r e d u c e e x p a n s i o n . F i g u r e 2 . 2 m a y a l s o b e u s e d t o e s t i m a t e t h e r e q u i r e d e x p a n s i o n o f c o n t r o l p r i s m s t o o b t a i n a g i v e n e x p a n s i o n i n a s t r u c t u r a l m e m b e r . T o p r o v i d e s a t i s f a c t o r y s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n , t h e r e q u i r e d e x p a n s i o n i n t h e r e i n f o r c e d s t r u c t u r a l m e m b e r i s r e c o m m e n d e d t o b e g r e a t e r t h a n , o r a t l e a s t e q u a l t o , t h e a n t i c i p a t e d s h r i n k a g e . [ 2 6 , 3 1 ] 0 - 0 5 0 " P e r c e n t a g e o f R e i n f o r c e m e n t M a x i m u m M e m b e r E x p a n s i o n , p e r c e n t 0 . 0 2 5 ' - u : / o 1 = O 0 . 0 6 O . I O M a x i m u m R e s t r a i n e d C o n c r e t e P r i s m E x p a n s i o n , p e r c e n t F i g u r e 2 . 2 . P r e d i c t i o n o f m e m b e r e x p a n s i o n f r o m p r i s m d a t a [ 2 6 ] 7 0 C o n s i d e r a s l a b i n w h i c h t h e a n t i c i p a t e d s h r i n k a g e i s 0 . 0 2 5 p e r c e n t . T h e r e q u i r e d e x p a n s i o n f o r c o m p l e t e s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n i s a l s o 0 . 0 2 5 p e r c e n t . I f t h e s l a b c o n t a i n s 0 . 5 p e r c e n t r e i n f o r c e m e n t , t h e n a r e s t r a i n e d p r i s m e x p a n s i o n o f 0 . 0 4 p e r c e n t i s r e q u i r e d f o r c o m p e n s a t i o n . O n t h e o t h e r h a n d , i f t h e r e s t r a i n e d p r i s m e x p a n s i o n i s 0 . 0 5 p e r c e n t , t h e n a r e i n f o r c e m e n t p e r c e n t a g e u p t o 0 . 7 5 p e r c e n t m a y b e u s e d a n d s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n c a n s t i l l b e a c h i e v e d . F o r a s l a b c o n t a i n i n g l e s s t h a n t h e m i n i m u m r e i n f o r c e m e n t s p e c i fi e d i n p r e d i c t i o n o f e x p a n s i o n , t h e s a m e p r o c e d u r e m a y b e u s e d . C o n s i d e r a n a n t i c i p a t e d s h r i n k a g e o f 0 . 0 2 5 p e r c e n t i n a s l a b c o n t a i n i n g 0 . 1 p e r c e n t r e i n f o r c e m e n t . U s i n g F i g u r e 2 . 2 t h e r e s t r a i n e d p r i s m e x p a n s i o n r e q u i r e d t o o f f s e t s h r i n k a g e i s 0 . 0 2 5 p e r c e n t . A s l a b e x p a n s i o n i n e x c e s s o f t h e s h r i n k a g e w i l l i n c r e a s e t h e l i k e l i h o o d t h a t c o m p l e t e s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n w i l l b e o b t a i n e d . S l a b e x p a n s i o n i s r e d u c e d a s t h e a m o u n t o f r e i n f o r c e m e n t i s i n c r e a s e d . S h r i n k a g e i s a l s o r e d u c e d , b u t t o a l e s s e r e x t e n t . C o n s e q u e n t l y , t o a c h i e v e c o m p l e t e s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n , t h e e x p a n s i v e p o t e n t i a l s h o u l d b e h i g h e r f o r m o r e h e a v i l y r e i n f o r c e d m e m b e r s . I n c r e a s e d e x p a n s i o n c a n b e o b t a i n e d w i t h a h i g h e r c e m e n t c o n t e n t . H o w e v e r , e x p a n s i o n s h a l l n o t b e g r e a t e r t h a n 0 . 1 p e r c e n t a s m e a s u r e d u s i n g A S T M C - 8 7 8 . W h e n t h e a m o u n t o f r e i n f o r c e m e n t i n a m e m b e r v a r i e s f r o m a r e a t o a r e a , a n a v e r a g e e x p a n s i o n s h a l l b e o v e r c o m p e n s a t e d a n d t h e h e a v i l y r e i n f o r c e d a r e a s u n d e r c o m e n s a t e d . I n d e t e r m i n i n g t h e a n t i c i p a t e d s h r i n k a g e , t h e e f f e c t s o f m e m b e r t h i c k n e s s a n d c o n c r e t e m a t e r i a l s o n s h r i n k a g e s h o u l d b e c o n s i d e r e d . [ 9 , 2 6 , 3 1 ] 7 1 R e i n f o r c i n g s t e e l : R e i n f o r c e m e n t s h o u l d b e e i t h e r w e l d e d w i r e f a b r i c o r d e f o r m e d b a r s m e e t i n g t h e r e q u i r e m e n t s o f A C I 3 1 8 . P l a i n b a r r e i n f o r c e m e n t s h a l l n o t b e u s e d b e c a u s e a d e q u a t e b o n d c a n n o t b e d e v e 1 0 p e d . T o e n s u r e a c c u r a t e p o s i t i o n i n g , d e f o r m e d b a r s p l a c e d o n c h a i r s o r t i e d t o o t h e r r o d s , c o n c r e t e s u p p o r t s , o r p o r t i o n s o f t h e s t r u c t u r e s h o u l d b e u s e d . W h e r e w i r e f a b r i c i s u s e d i n l i e u o f d e f o r m e d b a r s , i t s h o u l d b e i n fl a t s h e e t s o r m a t s r a t h e r t h a n r o l l s . I f r o l l e d f a b r i c i s u s e d , i t s h o u l d b e u n r o l l e d o n a h a r d fl a t s u r f a c e t o r e m o v e a l l c o u v a t u r e b e f o r e b e i n g p l a c e d i n fi n a l p o s i t i o n . T h e f a b r i c m a y b e s a n d w i c h e s b e t w e e n t w o l a y e r s o f p l a s t i c c o n c r e t e o r s u p p o r t e d o n c h a i r s o r b l o c k s . H o o k i n g o r p u l l i n g t h e f a b r i c o f f t h e f o r m o r s u b g r a d e s h o u l d n o t b e p e r m i t t e d . W o r k i n g t h e f a b r i c i n f r o m t h e t o p m a y b e p e r m i t t e d i f i t c a n b e d e m o n s t r a t e d t h a t t h e r e i n f o r c e m e n t w i l l b e a t t h e c o r r e c t d e p t h f r o m t h e t o p s u r f a c e t h r o u g h o u t t h e s l a b . [ 4 3 ] 2 . 6 . 2 R E I N F O R C E D S T R U C T U R A L S L A B S S t r u c t u r a l d e s i g n : T o p r o v i d e p r o p e r s a f e t y f a c t o r s , t h e d e s i g n s h a l l b e b a s e d o n t h e s t r e n g t h d e s i g n p r o v i s i o n s o f A C I 3 1 8 . T h i s p r o c e d u r e w i l l a v o i d c o n s i d e r a t i o n o f t h e a m o u n t o f s t r e s s i n t h e r e i n f o r c e m e n t c a u s e d b y t h e e x p a n s i o n o f c o n c r e t e ; t h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t i n s t r e n g t h a n a l y s i s , t h e p r e v i o u s s t a t e o f p r e s t r e s s d o e s n o t i n fl u e n c e t h e c a p a c i t y o f t h e s e c t i o n . I n s t r u c t u r a l m e m b e r s , h o w e v e r , w h e r e i t i s a n t i c i p a t e d t h a t t h e r e w i l l b e h i g h c o n c r e t e e x p a n s i o n c o m b i n e d w i t h l o a d i n g a t a n e a r l y a g e , i t i s d e s i r a b l e t o c h e c k t h a t t h e n e t s t e e l s t r e s s e s c a u s e d b y t h e e x p a n s i o n a n d l o a d i n g c o n d i t i o n s d o n o t e x c e e d p e r m i s s i b l e v a l u e s . [ 2 6 ] 7 2 T h e m a g n i t u d e o f c o n c r e t e s t r e s s e s i n d u c e d b y t e n s i o n i n t h e r e i n f o r c e m e n t m a y b e d e t e r m i n e d a s f o l l o w s : C o n s i d e r a r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e m b e r w h i c h e x p a n d s a n a m o u n t e , , I f t h e a r e a s o f c o n c r e t e a n d s t e e l a r e A c a n d A “ , r e s p e c t i v e l y , t h e n T e n s i l e f o r c e i n s t e e l = e , E , A , C o m p r e s s i v e F o r c e i n C o n c r e t e = e c E , A , S t r e s s i n c o n c r e t e = e c E , A , / A c w h e r e : E , = m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f s t e e l E x a m p l e : A c o n c r e t e m e m b e r c o n t a i n i n g 0 . 1 5 p e r c e n t s t e e l w h i c h e x p a n d s 0 . 1 0 p e r c e n t h a s a n i n d u c e d c o m p r e s s s t r e s s o f 4 3 . 5 p s i ( 3 0 0 k P a ) , w h e r e a s a m e m b e r w h i c h o n l y e x p a n d s 0 . 0 2 p e r c e n t b u t c o n t a i n s 2 p e r c e n t s t e e l h a s a c o m p r e s s i v e s t r e s s o f 1 1 6 p s i ( 8 0 0 k p a ) ( p r o v i d i n g t h a t t h e e x p a n s i v e p o t e n t i a l o f t h e c o n c r e t e i s n o t e x c w d e d ) . H e n c e , t h e i n d u c e d c o m p r e s s i v e s t r e s s i s a f u n c t i o n o f t h e a m o u n t o f r e i n f o r c e m e n t a s w e l l a s t h e e x p a n s i o n o f t h e c o n c r e t e . T h e i n d u c e d c o m p r e s s i v e s t r e s s c a u s e s a n e l a s t i c s h o r t e n i n g o f t h e c o n c r e t e w h i c h f o r p r a c t i c a l r e i n f o r c e m e n t r a t i o s ( u p t o 1 / 2 % ) i s s m a l l c o m p a r e d t o t h e e r r o r s i n p r e d i c t i n g t h e s h r i n k a g e . A s t h e a m o u n t o f r e i n f o r c e m e n t i n a m e m b e r i n c r e a s e s , t h e e x p a n s i v e s t r a i n s o f a h i g h l y r e i n f o r c e d m e m b e r a r e u s u a l l y l o w , r e q u i r i n g o n l y a s m a l l a m o u n t o f s h r i n k a g e f o r t h e m e m b e r t o r e t u r n t o i t s o r i g i n a l l e n g t h a n d t h e n t o d e v e l o p n e g a t i v e s t r a i n s a n d c o n c r e t e t e n s i o n . S t r a i n i n c o n c r e t e a n d s t e e l i s t h e m o s t i m p o r t a n t e l e m e n t t o c o n s i d e r w h e n a t t e m p t i s 7 3 m a d e t o c o u n t e r a c t s h r i n k a g e . C o n c r e t e s t r a i n s h o u l d s t a y p o s i t i v e s i n c e n e g a t i v e s t r a i n s i n d i c a t e t h e c o n c r e t e i s g o i n g i n t o t e n s i o n . D e f l e c t i o n : T h e d e fl e c t i o n a n a l y s i s t o s a t i s f y l o a d p e r f o r m a n c e c r i t e r i a s h a l l b e m a d e i n t h e s a m e m a n n e r a s 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 . A n y r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s c a u s e d b y e x p a n s i o n w i l l i m p r o v e t h e s e r v i c e l o a d p e r f o r m a n c e s i n c e a h i g h e r m o m e n t i s r e q u i r e d t o p r o d u c e fi r s t c r a c k i n g . R e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s , h o w e v e r , s h a l l n o t b e t a k e n i n t o a c c o u n t w h e n c a l c u l a t i n g d e fl e c t i o n s . C r a c k s p a c i n g : I n t w o i n d e p e n d e n t i n v e s t i g a t i o n s , i n w h i c h s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w a s c o m p a r e d w i t h p o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e , i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e n u m b e r o f c r a c k s w e r e l e s s i n t h e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . T h i s o c c u r r e d f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s l o a d e d i n fl e x u r e a n d i n d i r e c t t e n s i o n . S i n c e t h e c o m p a r i s o n s i n e a c h c a s e w e r e m a d e o n s p e c i m e n s w i t h t h e s a m e l e n g t h , t h e d a t a c a n b e i n t e r p r e t e d t o m e a n t h a t f e w e r c r a c k s w i l l o c c u r i n s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e m b e r s . T h i s h a s b e e n c o n fi r m e d i n fi e l d o b s e r v a t i o n s b y R a n d a l l a n d R o s e n l u n d . C r a c k i n g m o m e n t : W h i l e t h e u s e o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e d o e s n o t a f f e c t t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e m b e r s , i t d o e s i n fl u e n c e t h e m o m e n t a t w h i c h fl e x u r a l c r a c k i n g o c c u r s . T e s t s h a v e s h o w n t h a t m e m b e r s m a d e w i t h s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e c r a c k a t a 1 5 t o 5 9 p e r c e n t h i g h e r b e n d i n g m o m e n t t h a n c o r r e s p o n d i n g m e m b e r s m a d e w i t h 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 i n c r e a s e o c c u r s b e c a u s e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m e m b e r s h a v e a n i n d u c e d c o n c r e t e c o m p r e s s i v e 7 4 s t r e s s c a u s e d b y t h e e x p a n s i o n . T h i s i s e q u i v a l e n t t o a m i l d p r e s t r e s s i n g . T h e r e f o r e , a h i g h e r t e n s i l e s t r e s s c a u s e d b y t h e a p p l i e d m o m e n t i s n w d e d t o o v e r c o m e t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e a n d t h e i n d u c e d c o m p r e s s i v e s t r e s s . [ 1 5 , 1 6 , 1 7 ] 2 . 6 . 3 R E I N F O R C E D S L A B S O N G R A D E B e c a u s e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e e x p a n d s s h o r t l y a f t e r s e t t i n g , r e i n f o r c e d s l a b s o n g r a d e w i t h s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w i l l i n i t i a l l y b e h a v e d i f f e r e n t l y t h a n P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s l a b s . C e r t a i n d i f f e r e n t i a t i n g i t e m s a r e d i s c u s s e d b e l l o w . T e n s i l e s t r a i n s : P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e i s g e n e r a l l y a s s u m e d t o p o s s e s s l i m i t e d t e n s i l e s t r a i n c a p a c i t y . T h e r e f o r e , r e i n f o r c e m e n t i n s l a b s o n g r a d e i s p r i m a r i l y u s e d t o r e s t r i c t c r a c k w i d t h s c a u s e d b y b e n d i n g a n d d r y i n g s h r i n k a g e . R e s e a r c h h a s s h o w n t h a t P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e h a s a p p r o x i m a t e l y 2 0 0 m i l l i o n t h s t e n s i l e s t r a i n c a p a c i t y b e f o r e c r a c k i n g . S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s a h i g h e r t e n s i l e s t r a i n c a p a c i t y t h a n c o m p a r a b l e r e i n f o r c e d P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e w h e n t h e f o r m e r i s a l l o w e d t o e x p a n d a n d e l o n g a t e t h e r e i n f o r c e m e n t . C o m p a r a t i v e n e t s t r a i n v a l u e s f r o m d r y i n g w i t h v a r i o u s p e r c e n t a g e s o f r e s t r a i n i n g s t e e l a n d d i f f e r e n t a m o u n t s o f e x p a n s i o n h a v e b e e n r e p o r t e d f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e b y K e s l e r , R u s s e l l , S p e l l m a n , a n d P f e i f f e r . V a l u e s o f s t r a i n s d u e t o e x p a n s i o n a n d s u b s e q u e n t s h r i n k a g e i n a 5 0 p e r c e n t r e l a t i v e h u m i d i t y e n v i r o n m e n t a r e g i v e n i n T a b l e s 2 . 5 a n d 2 . 7 . V a r i o u s l e v e l s o f i n t e r n a l r e s t r a i n t a r e g i v e n f o r n o r m a l - w e i g h t a n d l i g h t - w e i g h t c o n c r e t e . T h e d a t a i n T a b l e 2 . 7 h a v e b e e n s e l e c t e d t o m a k e a M e t r i c e q u i v a l e n t s : 1 l b = 4 , 4 4 8 N ; 1 i n . 2 = 6 4 5 m i n . 2 ; 1 p s i = 6 . 8 9 4 W u [ 9 ] - 7 5 s i m p l e c o m p a r i s o n b e t w e e n T y p e I a n d T y p e K c e m e n t s . T h e d a t a i n T a b l e s 2 . 6 a n d 2 . 7 i n d i c a t e t h a t t h e r e a r e t w o t y p e s o f s t r a i n f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s : ( a ) p o s i t i v e e x p a n s i v e s t r a i n ( l e n g t h i n c r e a s e ) ; a n d ( b ) n e g a t i v e s h r i n k a g e s t r a i n w h i c h m a y p r o d u c e a n e t n e g a t i v e s t r a i n ( n e t s h o r t e n i n g ) o n t h e c o n c r e t e . W i t h P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e , o n l y a n e g a t i v e s t r a i n c o n d i t i o n d e v e l o p s . W a r p i n g : B e c a u s e o f t h e s u b g r a d e r e s t r a i n t a n d t h e i n t e r n a l t o p s t e e l r e s t r a i n t a g a i n s t t h e e x p a n s i o n o f t h e c o n c r e t e , d i f f e r e n t i a l e x p a n s i v e s t r a i n s b e t w e e n t o p a n d b o t t o m c a n b e e x p e c t e d . U p o n d r y i n g s h r i n k a g e , e x p a n s i v e s t r a i n s a r e r e l i e v e d m o r e q u i c k l y a t t h e t o p d r y i n g s u r f a c e t h a n a t t h e s u b g r a d e . R e s e a r c h h a s s h o w n t h a t t h e n e t e f f e c t i n d i c a t e s r e s i d u a l r e s t r a i n e d e x p a n s i v e s t r a i n s t o b e g r e a t e r a t t h e t o p s u r f a c e t h a n a t t h e b o t t o m , s o r e v e r s e d c u r l i n g c o n d i t i o n s d e v e l o p . W a r p i n g s t r e s s e s t e n d t o b e c o u n t e r b a l a n c e d b y t h e d e a d w e i g h t o f t h e s l a b i t s e l f . [ 3 1 , 3 2 ] T a b l e 2 . 5 . T y p i c a l T e n s i l e S t r a i n C r a c k C a p a c i t y f o r N o r m a l W e i g h t C o n c r e t e J T y p e o f c e m e n t I K F o r c e o n c o n c r e t e , l b - f 1 8 , 3 6 0 2 2 , 6 4 0 A r e a o f c o n c r e t e , i n . 2 8 4 8 4 S t r e s s , p s i 2 1 9 2 7 0 l _ D i f f e r e n c e , p s i - + 5 1 I S t r a i n , m i l l i o n t h s 7 3 0 9 0 0 b i f f e r e n c e , m i l l i o n t h s - + 1 7 0 7 6 T a b l e 2 . 6 . T y p i c a l C o m p a r a t i v e R e s i d u a l S t r a i n s f o r R e i n f o r c e d N o r m a l W e i g h t C o n c r e t e . S t r a i n , ( M i l l i o n t h s ) “ A “ p e r c e n t 0 . 1 5 0 . 7 5 l C e m e n t T y p e I K K K I E x p a n s i o n 6 0 6 6 0 2 9 0 - r S h r i n k a g e - 4 5 0 - 5 3 0 - 3 4 0 - 3 2 0 N e t S t r a i n - 3 9 0 1 3 0 - 5 0 - 1 3 0 D i f f e r e n t i a l : T y p e K - + 5 2 0 - - K e s l e r , e t . a l . , a fi e r 1 2 0 d a y s o f d r y i n g @ 5 0 p e r c e n t r e l a t i v e h u m i d i t y . E x p a n s i o n i s p o s i t i v e , s h o r t e n i n g i s n e g a t i v e . D i fl ’ e r e n t i a l = n e t s t r a i n o f T y p e K c o n c r e t e m i n u s n e t s t r a i n o f T y p e I c o n c r e t e . a b l e 2 . 7 . T y p i c a l C o m p a r a t i v e R e s i d u a l S t r a i n s f o r R e i n f o r c e d L i g h t - E : C o n c r e t e . A J A , p e r c e n t S t r a i n , ( m i l l i o n t h s ) W e i g h t I 0 . 2 8 0 . 4 6 1 . 7 2 C e m e n t t y p e I K I K I K E x p a n s i o n 0 2 7 3 0 2 3 9 0 1 0 9 S h r i n k a g e - 3 4 4 - 2 8 3 - 3 6 0 - 2 6 6 - 2 9 6 - 2 3 8 N e t S t r a i n - 3 4 4 - 1 0 — 3 6 0 - 2 7 - 2 9 6 - l 2 9 D i f f e r e n t i a l - + 3 4 4 - + 3 3 3 - + 1 6 7 1 ‘ R u s s e l , a fi e r 2 5 0 d a y s o f d r y i n g a t 5 0 p e r c e n t r e l a t i v e h u m i d i t y . T h e r e f e r e n c e a l s o i n c l u d e s d a t a f o r T y p e s S a n d M c e m e n t s a n d p o s i t i o n o f r e i n f o r c e m e n t / e x p a n s i o n i s p o s i t i v e , s h o r t e n i n i n g i s n e g a t i v e . D ' fl ‘ e r e n t i a l = n e t s t r a i n o f T y p e K c o n c r e t e m i n u s n e t s t r a i n o f T y p e I c o n c r e t e . 7 7 I s o l a t i o n j o i n t s : J o i n t s u s e d t o a c c o m m o d a t e v e r t i c a l m o v e m e n t o r h o r i z o n t a l m o v e m e n t s h a l l b e p r o v i d e d a t j u n c t i o n s w i t h w a l l s , c o l u m n s , m a c h i n e b a s e s , f o o t i n g s , o r t h e p o i n t s o f e x t e r n a l r e s t r a i n t , e . g . , p i p e , s t a i r w a y s , e t c . I n a d d i t i o n t o t h e i r n o r m a l a c t i o n , t h e s e j o i n t s s h a l l b e u s e d t o a c c o m m o d a t e t h e i n i t i a l e x p a n s i o n o f t h e c o n c r e t e t o a l l o w t h e e x p a n s i v e s t r a i n t o e l o n g a t e t h e i n t e r n a l r e i n f o r c e m e n t . R i g i d e x t e r i o r r e s t r a i n t s h a l l n o t b e u s e d s i n c e i t p r e v e n t s e x p a n s i o n o f t h e c o n c r e t e a n d t h e l e a s t a m o u n t o f s h r i n k a g e l a t e r w i l l r e s u l t i n n e g a t i v e s t r a i n s a n d t e n s i l e s t r e s s e s i n t h e c o n c r e t e . I n a d d i t i o n , l a r g e f o r c e s w i l l b e i m p o s e d o n t h e r e s t r a i n i n g m e m b e r s . L a b o r a t o r y t e s t s h a v e s h o w n t h a t r i g i d r e s t r a i n t s r e s u l t i n s t r e s s e s a s h i g h a s 1 7 0 p s i ( 1 . 2 M P a ) . S t r e s s e s o f t h i s m a g n i t u d e c o u l d p r o d u c e s u f fi c i e n t f o r c e t o d a m a g e t h e r e s t r a i n i n g s t r u c t u r e . F o o t i n g s , p i t s , w a l l s , d r a i n s , a n d s i m i l a r i t e m s s h o u l d , t h e r e f o r e , b e p r o t e c t e d b y i s o l a t i o n j o i n t s t o p r e v e n t d a m a g e d u r i n g t h e e x p a n s i o n s t a g e o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e a n d a l l o w t h e n e c e s s a r y e x p a n s i v e s t r a i n s t o d e v e l o p . C o m p r e s s i b l e fi l l e r s t r i p s o r j o i n t m a t e r i a l s s h a l l b e u s e d f o r t h i s p u r p o s e . I s o l a t i o n j o i n t s s h a l l b e c o m p o s e d o f m a t e r i a l s w h i c h a r e c o m p r e s s i b l e e n o u g h t o d e f o r m u n d e r t h e e x p a n s i v e a c t i o n o f t h e c o n c r e t e . I f t o o s t i f f , s o m e r i g i d a s p h a l t i c i s o l a t i o n m a t e r i a l s m a y a c t a s e x t e r n a l r e s t r a i n t a n d r e s t r i c t t h e e x p a n s i o n o f t h e c o n c r e t e . A m a t e r i a l w i t h a m a x i m u m c o m p r e s s i o n o f 2 5 p s i ( 1 7 0 k P a ) a t 5 0 p e r c e n t d e f o r m a t i o n a c c o r d i n g t o A S T M D - 1 6 2 1 o r D - 3 5 7 5 s h o u l d b e u s e d . J o i n t m a t e r i a l s m e e t i n g A S T M D - 9 9 4 , D - 1 7 5 1 , a n d D - 1 7 5 2 m a y b e t o o s t i f f t o a l l o w a d e q u a t e e x p a n s i o n . 7 8 C o l u m n b o x - o u t s m a y b e r e d u c e d o r e l i m i n a t e d i f a c o m p r e s s i b l e m a t e r i a l i s p r o v i d e d . A c o m p r e s s i v e b o n d - b e a k e r w r a p p e d a r o u n d t h e c o l u m n o r c o m p r e s s i b l e c a r d b o a r d f o r m s b r o u g h t t o fl o o r l e v e l h a v e b e e n s a t i s f a c t o r y i n p e r m i t t i n g v e r t i c a l m o v e m e n t . A t t h e s a m e t i m e , t h e r e i n f o r c e m e n t o r m e s h s h o u l d b e i n c r e a s e d l o c a l l y i n t h e c o l u m n a r e a w h e r e h i g h s t r e s s e s a r e l i k e l y t o d e v e l o p . T h i s w i l l r e s t r i c t w i d t h o f a n y c r a c k s t h a t o c c u r . C o n s t r u c t i o n j o i n t s : W i t h t h e u s e o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e , s l a b p l a c e m e n t p a t t e r n s o f a p p r o x i m a t e l y 2 0 t o 3 0 f t o r 6 t o 9 m u s e d w i t h P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e m a y b e e n l a r g e d . S l a b s l o c a t e d i n s i d e e n c l o s e d s t r u c t u r e s , o r w h e r e t e m p e r a t u r e c h a n g e s a r e s m a l l , m a y b e p l a c e d i n a r e a s a s l a r g e a s 1 6 , 0 0 0 s q u a r e f t o r 1 5 0 0 m 2 w i t h o u t j o i n t s . F o r a r e a s w h e r e s l a b s a r e n o t u n d e r e n c l o s e d s t r u c t u r e s , s l a b p l a c e m e n t s a r e n o r m a l l y r e d u c e d t o 7 0 0 0 t o 1 2 , 0 0 0 s q u a r e f t o r 6 5 0 t o 1 1 0 0 m ” . I t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h e a r e a s h a l l n o t b e l a r g e r t h a n a w o r k c r e w c a n p l a c e a n d fi n i s h i n a d a y . B u i l d i n g s l a b s e c t i o n s s h o u l d b e p l a c e d a s s q u a r e a s p o s s i b l e . t h e l e n g t h - t o - w i d t h r a t i o s h o u l d n o t e x c e e d 3 : 1 . f o r p a v e m e n t s , w h i c h a r e t h i c k e r a n d m o r e h e a v i l y r e i n f o r c e d t h a n b u i l d i n g s l a b s , s u c c e s s f u l i n s t a l l a t i o n s h a v e b e e n m a d e w i t h h i g h e r l e n g t h - t o - w i d t h r a t i o . N o t e t h a t c o n s t r u c t i o n j o i n t s t y p i c a l l y s h o u l d b e d e s i g n e d t o a c c o m m o d a t e t e m p e r a t u r e m o v e m e n t s , a l l o w i n g t h e o p p o r t u n i t y f o r t h e j o i n t t o o p e n , r e l i e v i n g t h e t e n s i l e s t r e s s a c t i n g o n t h e s l a b . W h e n l o a d t r a n s f e r i s r e q u i r e d , s l i p d o w e l s a t t h e j o i n t s h o u l d b e u s e d r a t h e r t h a n d e f o r m e d d o w e l s . T o n g u e a n d g r o o v e d j o i n t s m a y b e u s e d t r a l r e q u i r e f o r t n T h e T r : m m e r e ” e m 3 p r o : t o I t ) ; 7 9 w h e n l a r g e t e m p e r a t u r e c o n t r a c t i o n s a r e n o t p r e s e n t a n d h i g h l o a d t r a n s f e r i s n o t r e q u i r e d . B o n d e d j o i n t s w i t h d e f o r m e d r e i n f o r c e m e n t ( b a r s o r m e s h ) p a s s i n g t h r o u g h t h e j o i n t m a y b e u s e d p r o v i d e d t h a t o n l y t w o s l a b s a r e l o c k e d t o g e t h e r i n e a c h d i r e c t i o n . T h e t e m p e r a t u r e , e x p a n s i o n , a n d s h r i n k a g e m o v e m e n t s t r a i n s m u s t b e a c c o m m o d a t e d a t t h e p e r i m e t e r e d g e s o f t h e t w o s l a b s . C o n t r a c t i o n ( c o n t r o l ) j o i n t s : T h e s e j o i n t s a r e s a w e d , f o r m e d , o r o t h e r w i s e p l a c e d i n s l a b s b e t w e e n o t h e r j o i n t s . T h e i r p r i m a r y p u r p o s e i s t o i n d u c e c o n t r o l l e d d r y i n g s h r i n k a g e c r a c k i n g a l o n g t h e w e a k e n e d p l a n e s ( j o i n t s ) . W i t h s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e , l a r g e r d i s t a n c e s m a y b e u s e d b e t w e e n c o n t r a c t i o n j o i n t s . F o r e x p o s e d a r e a s , a m a x i m u m s p a c i n g o f 1 0 0 f t ( 3 0 . 5 m ) b e t w e e n j o i n t s i s r e c o m m e n d e d . W h e r e t h e a r e a i s p r o t e c t e d f r o m e x t r e m e fl u c t u a t i o n s i n t e m p e r a t u r e a n d m o i s t u r e , j o i n t s p a c i n g o f 1 5 0 t o 2 0 0 f t ( 4 5 . 7 t o 6 1 m ) h a v e b e e n u s e d . C o n t r a c t i o n j o i n t s m a y b e m a d e i n t h e s a m e w a y a s 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 . N o r m a l l y , c o n t r a c t i o n j o i n t s a r e e l i m i n a t e d w i t h s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e e x c e p t i n h i g h s t r e s s a r e a s . H o w e v e r , t h e l a r g e r j o i n t s p a c i n g w i t h a s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w i l l p r o d u c e l a r g e r m o v e m e n t a t t h e j o i n t . T h i s s h a l l b e t a k e n i n t o a c c o u n t w h e n c o n s i d e r i n g l o a d t r a n s f e r a n d j o i n t s e a l i n g . E x p a n s i o n j o i n t s : T h e l o c a t i o n a n d d e s i g n o f e x p a n s i o n j o i n t s f o r c o n t r o l o f t h e r m a l m o v e m e n t s a r e n o t c h a n g e d w i t h t h e u s e o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . H o w e v e r , j o i n t s f o r t h e r m a l m o v e m e n t s s h a l l e n s u r e t h a t a d e q u a t e e x p a n s i o n c a n t a k e p l a c e d u r i n g t h e e x p a n s i o n p h a s e o f t h e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . A n e x p a n s i o n o f 0 . 0 6 r n s f e a : i f “ J u l s p a r : t h a n ' r a - c e I r . * ‘ R a n » . 3 3 % ' . h i l l ’ 1 3 A S 8 0 o f 0 . 0 6 p e r c e n t i s e q u i v a l e n t t o a 1 0 0 ° F t e m p e r a t u r e c h a n g e . I n t h e e v e n t o f h i g h l o a d t r a n s f e r , d o w e l b a r s s h o u l d b e p r o v i d e d . ( S e 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 g e 2 2 3 - l 6 F i g u r e 3 . 4 b f o r m o r e d e t a i l s ) . P l a c i n g s e q u e n c e : F o r s l a b s o n g r a d e , t h e p l a c e m e n t s e q u e n c e s h a l l a l l o w t h e e x p a n s i v e s t r a i n s t o o c c u r a g a i n s t a f r e e a n d u n r e s t r a i n e d e d g e . T h e o p p o s i t e e n d o f s l a b w h e n c a s t a g a i n s t a r i g i d e l e m e n t s h a l l b e f r e e t o m o v e . A f o r m e d e d g e s h o u l d h a v e t h e b r a c e s t a k e s o r p i n s l o o s e n e d a f t e r t h e c o n c r e t e i s s e t t o a c c o m m o d a t e t h e e x p a n s i v e a c t i o n . F o r t h i s r e a s o n , c h e c k e r b o a r d e d p l a c e m e n t s s h o u l d n o t b e u s e d u n l e s s a c o m p r e s s i b l e j o i n t m a t e r i a l i s p l a c e d b e t w e e n t h e s l a b s p r i o r t o c o n c r e t e p l a c e m e n t . T h e c o m p r e s s i b l e j o i n t m a t e r i a l s h a l l a c c o m m o d a t e t h e a n t i c i p a t e d m o v e m e n t s . A m a t e r i a l w i t h a m a x i m u m c o m p r e s s i o n o f 2 5 p s i ( 1 7 2 k P a ) a t 5 0 p e r c e n t d e f o r m a t i o n a c c o r d i n g t o A S T M D - l 6 2 1 o r D - 3 5 7 5 s h o u l d b e u s e d . J o i n t m a t e r i a l s m e e t i n g A S T M D — 9 4 4 , D - 1 7 5 1 , a n d D - 1 7 5 2 m a y b e t o o s t i f f t o a l l o w a d e q u a t e e x p a n s i o n . [ 9 , 2 6 , 3 1 , 5 2 ] 8 1 2 . 7 A P P L I C A T I O N S E x p a n s i v e c e m e n t s h a v e b e e n u s e d i n a w i d e v a r i e t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s . O n e o f t h e m o r e f r e q u e n t u s e s i n t h e U n i t e d S t a t e s h a s b e e n i n p a r k i n g s t r u c t u r e s , t o p r e v e n t w a t e r l e a k s t h a t c a n c a u s e d a m a g e t o c a r s . T h e l a r g e s t s u c h s t r u c t u r e i s t h e p a r k i n g b u i l d i n g a t O ’ H a r e I n t e r n a t i o n a l A i r p o r t i n C h i c a g o , w h i c h u s e d 1 2 0 , 0 0 0 y d 3 ( 9 0 , 0 0 0 m 3 ) o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . I n c o n c r e t e p a v e m e n t s u s i n g e x p a n s i v e c e m e n t , t h e s h r i n k a g e c o n t r o l j o i n t s c a n b e c o m b i n e d w i t h t h e r m a l e x p a n s i o n c o n t r o l j o i n t s a n d o t h e r c o n s t r u c t i o n j o i n t s ; t h e e l i m i n a t i o n o f s h r i n k a g e c o n t r o l j o i n t s i s a n a t t r a c t i v e a d v a n t a g e i n t h e l a y i n g o f p a v e m e n t s . T h e l a r g e s t p a v i n g t o d a t e u s i n g t h i s m a t e r i a l i s p r o b a b l y a t t h e L o v e F i e l d A i r p o r t a t D a l l a s - F o r t W o r t h , w h e r e m o r e t h e 1 5 0 , 0 0 0 y d 3 ( 1 1 5 0 , 0 0 0 m 3 ) o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w a s u s e d i n t a x i w a y . U s e o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n b r i d g e d e c k o v e r l a y s c a n h e l p m i n i m i z e c r a c k i n g a n d c o n t r o l t h e c o r r o s i o n o f s t e e l i n b r i d g e d e c k s . I n p a t c h 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 h r i n k a g e c a n c a u s e s e p a r a t i o n , s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s f o u n d b r o a d a p p l i c a t i o n s . E x p a n s i v e c e m e n t c a n a l s o b e u s e d i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s w h e r e w a t e r - t i g h t n e s s i s a n i m p o r t a n t r e q u i r e m e n t , s u c h a s w a t e r s t o r a g e t a n k s , s w i m m i n g p o o l s , a n d i c e r i n k s . S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e h a s a l s o b e e n u s e d i n t i l t - u p c o n s t r u c t i o n , w h e r e r e s i d u a l p r e s t r e s s h e l p s e l e m e n t s w i t h s t a n d t h e s t r e s s e s i m p o s e d d u r i n g l i f t i n g , a n d m i n i m i z e s t h e s e p a r a t i o n s b e t w e e n e l e m e n t s . C H A P T E R I I I D E V E L O P M E N T O F E X P A N S I V E C E M E N T W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R 3 . 1 I N T R O D U C T I O N E x p a n s i v e c e m e n t s a r e u s e d t o c h e m i c a l l y i n d u c e c o m p r e s s i v e s t r e s s e s i n s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a n d t h e r e b y r e d u c e t h e s i z e a n d a m o u n t o f r e s t r a i n e d s h r i n k a g e c r a c k s t h a t f r e q u e n t l y o c c u r i n P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e d u r i n g d r y i n g . E x p a n s i o n s c a u s e d b y t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r c a n c o n t r i b u t e t o t h e d e v e l o p m e n t o f p r e s t r e s s i n r e s t r a i n e d P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e o n l y i f t h e e x p a n s i o n s a r e g e n e r a t e d a f t e r t h e c o n c r e t e h a s g a i n e d r i g i d i t y t h r o u g h t h e h y d r a t i o n o f c e m e n t . A n y e x p a n s i o n p r o d u c e d w h i l e t h e c o n c r e t e i s s t i l l p l a s t i c i s o f l i t t l e v a l u e . T e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y g e n e r a l l y p l a y i m p o r t a n t r o l e s i n d e c i d i n g t h e r a t e s o f e x p a n s i o n a n d h y d r a t i o n ; t h e 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 c e m e n t a n d m i x p r o p o r t i o n s o f c o n c r e t e a r e s o m e o t h e r f a c t o r s w i t h p o t e n t i a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e b a l a n c e b e t w e e n t h e e x p a n s i o n a n d h y d r a t i o n r a t e s . T h e i n t e r f e r e n c e o f p a i n t s l u d g e p o w d e r w i t h t h e h y d r a t i o n p r o c e s s o f c e m e n t m a y i n fl u e n c e t h e s e t t i n g t i m e a n d a l s o t h e w a t e r r e q u i r e m e n t s , p r o c e s s i n g p r o c e d u r e s a n d 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 . T h e e n v i r o n m e n t a l i m p a c t s o f u s i n g p a i n t s l u d g e p o w d e r i n c o n c r e t e a l s o n e e d t o b e i n v e s t i g a t e d . T h i s p h a s e o f r e s e a r c h i n t e n d s t o d e t e r m i n e i f t h e a b o v e t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s c a n b e s a t i s fi e d t h r o u g h t h e a d d i t i o n o f P a i n t s l u d g e p o w d e r t o c o n v e n t i o n a l P o r t l a n d c e m e n t C O I ' l C l ’ C t C . 8 2 9 0 I m m e d i a t e l y a f t e r c o m p l e t i o n o f m o l d i n g , t h e s p e c i m e n s a r e c o v e r e d w i t h p o l y e t h y l e n e s h e e t . T h e y a r e r e m o v e d f r o m t h e m o l d s 6 h o u r s a f t e r a d d i t i o n o f w a t e r t o t h e c e m e n t d u r i n g m i x i n g o p e r a t i o n , a n d t h e n , a l l o w e d t o a i r c u r e f o r 3 0 m i n u t e s f r o m t h e t i m e i t w a s d e m o l d e d b e f o r e t h e i n i t i a l l e n g t h m e a s u r e m e n t i s p e r f o r m e d . T h e s p e c i m e n s a r e t h e n c u r e d i n l i m e - s a t u r a t e d w a t e r a t 7 3 ° F ( 2 2 . 7 8 ° C ) u n t i l t h e y h a v e r e a c h e d t h e a g e o f 7 d a y s ( i n c l u d i n g t h e p e r i o d i n m o l d s ) . T h e s p e c i m e n s a r e s u b s e q u e n t - l y r e m o v e d f r o m w a t e r o n e a t a t i m e , w i p e d w i t h d a m p c l o t h , a n d i m m e d i a t e l y m e a s u r e d f o r l e n g t h w i t h t h e c a p n u t s i n p l a c e . U p o n c o m p l e t i o n o f e a c h m e a s u r e m e n t , t h e s p e c i m e n s a r e r e t u r n e d t o l i m e - s a t u r a t e d w a t e r . A n o t h e r l e n g t h m e a s u r e m e n t s h o u l d b e m a d e a t t h e a g e o f 2 8 d a y s ( i n c l u d i n g t h e p e r i o d i n m o l d s ) . I t i s s u g g e s t e d b y t h e a u t h o r t o t h a t l e n g t h m e a s u r e m e n t b e c o n t i n u e d o n a d a i l y b a s i s u n t i l l t h e 2 8 - d a y a g e i s r e a c h e d , a n d s u b s e q u e n t l y a s t h e i n d i v i d u a l g o a l w a r r a n t s . A c c o r d i n g t o A S T M C - 8 4 5 , m o r t a r s h o u l d a l s o b e t e s t e d f o r s l u m p ( A S T M C - 1 4 3 ) , a i r c o n t e n t ( A S T M 0 2 3 1 ) , t i m e o f s e t ( A S T M C - 4 0 3 ) , a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( A S T M C - 3 9 ) . A n e x p a n s i v e c e m e n t s h o u l d s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t s i n T a b l e 3 . 3 i n o r d e r t o b e s u i t e d f o r u s e i n s h r i n k a g e — c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . 8 3 3 . 2 P A I N T S L U D G E P O W D E R A p r o c e s s r e c e n t l y a d o p t e d b y a u t o m o b i l e a s s e m b l y p l a n t s c o n v e r t s t h e l i q u i d w a s t e s t r e a m f r o m p a i n t i n g o p e r a t i o n i n t o p o w d e r . T h e r e a r e t h r e e m a j o r c o m p o n e n t s o f t h i s d r y i n g s y s t e m [ 1 ] : 1 ) A d e w a t e r i n g d e v i c e 2 ) A t h e r m a l fl u i d d r y e r w i t h a n o i l h e a t e r 3 ) A b a c k - e n d e q u i p m e n t t o h a n d l e t h e s o l i d s t h a t r e s u l t f r o m t h e d r y i n g p r o c e s s . T h e d e w a t e r i n g d e v i c e h e l p s b o o s t t h e s o l i d s c o n c e n t r a t i o n a n d i n c r e a s e t h e e f fi c i e n c y o f t h e d r y i n g p r o c e s s w h e n w a t e r / p a i n t m i x t u r e i s p u m p e d i n t o i t . A c i r c u l a r fl o w o f t h e m i x t u r e i n t h i s s y s t e m f o r c e s t h e l i g h t p a i n t s o l i d s t o t h e t o p w h e r e a f o a m y r a f t i s f o r m e d w i t h t h e w a t e r b e l o w i t . T h a t t o p f o a m y p a r t i s t h e p a i n t s l u d g e a n d t h e w a t e r u n d e r i t i s p u m p e d a w a y . A t t h i s p o i n t , t h e r a f t ( p a i n t s l u d g e ) i s s i p h o n e d o f f a n d p r o p e l l e d a c r o s s a b a r r e l - s h a p e d w h e e l o f w i r e m e s h t h a t w i c k s a w a y m o r e o f t h e w a t e r b e f o r e s e n d i n g t h e p a i n t s l u d g e d o w n t h e l i n e . A f t e r p a s s i n g t h r o u g h t h e d e w a t e r i n g d e v i c e , t h e s l u d g e h a s a s o l i d s c o n c e n t r a t i o n o f a b o u t 2 5 % . F r o m h e r e o n , i t i s s e n t t o t h e h o p p e r w i t h s p e c i a l s o l i d s h a n d l i n g p u m p , w h i c h m o v e s t h e s l u d g e o n w a r d t o t h e t h e r m a l fl u i d d r y e r . I n t h e t h e r m a l fl u i d d r y e r , i n o r d e r t o r e d u c e t h e v o l u m e o f t h e s l u d g e w h i l e p r e v e n t i n g t h e p a i n t f r o m s t i c k i n g t o t h e s c r e w s f r o m s c r e w d r y e r , a v a r i a t i o n a l s c r e w d r y e r w i t h t w o h o l l o w , a u g e r l i k e s c r e w c o n v e y o r s a r e u s e d t h a t r u n p a r a l l e l t o t h e fl o o r a n d s l o w l y p r o p e l t h e s l u d g e f r o m o n e e n d o f t h e d r y e r t o t h e o t h e r i n a c o n t i n u o u s 8 4 p r o c e s s . T h i s s c r e w c o n v e y o r c o n t a i n s o i l t h a t h a s b e e n h e a t e d t o 3 5 0 O F ( 1 7 7 O C ) , a n d c o m e s i n t o c o n t a c t w i t h t h e p a i n t s l u d g e a s i t p a s s e s t h r o u g h t h e d r y e r . I n t h i s p r o c e s s , w a t e r v a p o r a n d o t h e r l i q u i d s i n c l u d i n g t h e v o l a t i l e o r g a n i c c o m p o u n d s t h a t w e r e c o n t a i n e d i n t h e p a i n t s o l v e n t s a r e d r i v e n o f f a n d f r i e d . W i t h i n a n h o u r , t h e s l u d g e i s b r o k e n d o w n i n t o g a s e s a n d a r e s i d u a l p o w d e r . F r o m t h e d r y e r , t h e o f f g a s e s a r e s i p h o n e d i n t o a c y c l o n i c s e p a r a t o r , w h e r e a r o t a t i n g d r u m t r a p s t h e w a t e r v a p o r f o r r e t u r n t o t h e s p r a y b o o t h fl u s h i n g s y s t e m a n d s e n d s t h e o r g a n i c c o m p o u n d s t o a n a f t e r b u r n e r . T h e f r e s h l y c u r e d s l u d g e p o w d e r , w h i c h h a s t h e c o n s i s t e n c y o f d u s t o r fi n e s a n d , i s c o l l e c t e d , ( s e e F i g u r e 3 . 1 ) . A3 y8 m m a e w ’ 8 5 a I ( ( ( W ( ( ( » ( d ( ( W ( ) ( 9 8 5 9 5 W F M S Y S T B : i W W W M W ” M l l e / t h F i g u r e 3 . 1 P a i n t S l u d g e P o w d e r P r o d u c t i o n F l o w C h a r t [ 5 7 ] 8 6 3 . 3 O V E R A L L A P P R O A C H 3 . 3 . 1 S C R E E N I N G O F T H E P O W D E R S F o u r p a i n t S l u d g e p o w d e r s o b t a i n e d f r o m d i f f e r e n t p a i n t s y s t e m s w e r e s c r e e n e d i n o r d e r t o s e l e c t t h o s e s u i t e d f o r u s e i n c o n c r e t e a s e x p a n s i v e a d m i x t u r e s . S i x t y p e s o f s l u d g e p o w d e r o b t a i n e d f r o m t h e f o l l o w i n g p a i n t s y s t e m s w e r e e v a l u a t e d i n t h i s r e s e a r c h : ( 1 ) P P G S o l v e n t - B a s e d ( 2 ) B A S F S o l v e n t - B a s e d ( 3 ) P P G W a t e r - B a s e d ( 4 ) P P G S o l v e n t / W a t e r — B a s e d S o m e k e y a s p e c t s o f 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 a i n t s l u d g e p o w d e r s w e r e i n v e s t i g a t e d u s i n g t h e A S T M G 3 1 1 , X - R a y D i f f r a c t i o n a n d I n d u c t i v e l y C o u p l e d P l a s m a - A t o m i c E m i s s i o n S p e c t r o s c o p y p r o c e d u r e s . E f f e c t s o f t h e a d d i t i o n o f d i f f e r e n t d o s a g e s o f t h e s e p o w d e r s t o c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e m i x t u r e s o n t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n a n d s o m e k e y a s p e c t s o f f r e s h a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s w e r e t h e n i n v e s t i g a t e d : T e s t r e s u l t s o n 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 d i f f e r e n t p a i n t s l u d g e p o w d e r s t o g e t h e r w i t h t h e o b s e r v e d e f f e c t s o f d i f f e r e n t p o w d e r s o n t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n a n d f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s p r o v i d e d t h e b a s i s f o r t h e s e l e c t i o n o f t w o p a i n t s y s t e m s t h e s l u d g e p o w d e r s o f w h i c h p r e s e n t e d t h e h i g h e s t p r o m i s e s f o r p r o v i d i n g e x p a n s i v e e f f e c t s i n c o n c r e t e w i t h o u t n e g a t i v e l y i n fl u e n c i n g o t h e r s h o r t a n d l o n g - t e r m e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l . T h e s e t w o s l u d g e p o w d e r s 8 7 w e r e t h e n c o n s i d e r e d t h r o u g h i n a l l t h e r e m a i n i n g p a r t s o f t h e p r o j e c t . T h e e f f e c t s o f b e t w e e n - p l a n t v a r i a t i o n s w e r e a l s o i n v e s t i g a t e d t h r o u g h c o m p a r i n g t h e e f f e c t s n e w s h i p m e n t s o f P P G S o l v e n t - b a s e d a n d B A S F S o l v e n t - b a s e d p a i n t s l u d g e p o w d e r s f r o m d i f f e r e n t p l a n t s ( D o d g e C i t y a n d J e f f e r s o n , r e s p e c t i v e l y ) . 3 . 4 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M E f f e c t s o f t h e a d d i t i o n o f t h e P a i n t S l u d g e P o w d e r s t o c e m e n t a t d i f f e r e n t f r a c t i o n s ( b y w e i g h t o f c e m e n t ) o n m o r t a r a n d c o n c r e t e m i x t u r e s w e r e i n v e s t i g a t e d f o l l o w i n g t h e A S T M C - 8 7 8 a n d A S T M C - 8 0 6 p r o c e d u r e s . F o r c o m p a r i s o n p u r p o s e s , t w o c o n t r o l m i x e s w e r e a l s o c o n s i d e r e d ; a t y p e K e x p a n s i v e c e m e n t a n d a t y p e I P o r t l a n d c e m e n t s w e r e u s e d i n t h e c o n t r o l c o n c r e t e a n d m o r t a r m i x t u r e s . T h e m i x p r o p o r t i o n s u s e d i n t h i s s t u d y a f t e r s e v e r a l r e p e a t e d t r i a l s a n d e r r o r s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 . T h e s e m i x e s w e r e s e l e c t e d t o h a v e r e a s o n a b l e w o r k a b i l i t y a n d p r o d u c e t h e b e s t p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e . C o n c r e t e a n d m o r t a r m i x t u r e s w e r e p r e p a r e d i n a c c o r d a n c e w i t h A S T M C - 8 7 8 a n d A S T M C - 8 0 6 . 5 5 . . 1 1 & & 0 0 . . 1 1 , , 5 5 . . 0 0 5 5 . 0 E T & E 5 4 R . C 0 N O C e n i e F t ! a e g s e r r a g o g C A t n e m e C / e t a g e r g g A n o i t a n y y y y y l l l l l n n n n n o o o o o d d d d d n n n n n a a a a a S S S S S e v g n d i i e o n s s s s i e D x i M i a r t s e n r a p t s e T s l p m e x o l R E C A T a b l e 3 . 1 . M i x D e s i g n s o f E x p e r i m e n t a l P r o g r a m T i m e o f S e t A i r C o n t e n t W a t e r / C e m e n t P o w d e r / C e m e n t A i r E n t r a i n i n g A g e n t ( b y w e i g h t o f C e m e n t ) M O R T A R 0 . 5 , 1 . 0 & 1 . 5 0 . 5 , 1 . 0 & 1 . 5 0 . 5 , 1 . 0 & 1 . 5 0 . 5 , 1 . 0 & 1 . 5 C O C O 0 . 0 5 & 0 . 1 0 8 9 T h e m o r t a r a n d c o n c r e t e t e s t s w e r e c o n d u c t e d f o l l o w i n g t h e A S T M C - 8 0 6 a n d A S T M C - 8 7 8 p r o c e d u r e s , r e s p e c t i v e l y . A s u m m a r y o f t h e s e t e s t m e t h o d s i s p r e s e n t e d b e l o w . W h i l e A S T M C - 8 7 8 j u s t p r e s e n t s t h e t e s t m e t h o d s t o b e e m p l o y e d o n c o n c r e t e s p e c i m e n s , A S T M C - 8 0 6 i s a c c o m p a n i e d w i t h l i m i t s o n m e a s u r e d p r o p e r t i e s , p r e s e n t e d i n A S T M 0 8 4 5 ( s e e T a b l e 3 . 2 ) . T a b l e 3 . 2 . A S T M 0 8 4 5 P h y s i c a l R e q u i r e m e n t s f o r E x p a n s i v e C e m e n t M o r t a r I I F T i m e o f S e t t i n g , M i n . , M i n u t e s 7 5 A i r C o n t e n t , M a x . , V o l % 1 2 . 0 R e s t r a i n e d e x p a n s i o n o f m o r t a r : 7 - d a y e x p a n s i o n : M i n . , % 0 . 0 4 M a x . , % 0 . 1 0 2 8 - d a y p e r c e n t a g e o f 7 - d a y e x p a n s i o n , m a x i m u m . 1 1 5 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h , m i n . 7 - d a y , p s i ( M P a ) 2 1 0 0 ( 1 4 . 7 ) 2 8 - d a y , p s i ( M p a ) 3 5 0 0 ( 2 4 . 5 ) 3 . 5 R E S T R A I N E D E X P A N S I O N T E S T P R O C E D U R E S 3 . 5 . 1 M O R T A R T E S T S T h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n o f m o r t a r t e s t s p e c i m e n s ( A S T M C - 8 0 6 ) a r e 2 x 2 x 1 0 i n . ( 5 0 . 8 x 5 0 . 8 x 2 5 4 m m ) m o r t a r b a r s . E a c h b a r i s r e i n f o r c e d w i t h 1 / 4 i n . ( 6 . 3 5 m m ) Z O - t h r e a d e d r o d ( F i g u r e 3 . 2 ) p l a c e d a l o n g t h e l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h e p r i s m . T h e m o r t a r i s m i x e d m e c h a n i c a l l y f o l l o w i n g A S T M C - 3 0 5 p r o c e d u r e s w i t h t h e p r o p o r t i o n s o f o n e p a r t o f c e m e n t t o 2 . 7 5 p a r t s o f g r a d e d s t a n d a r d s a n d b y w e i g h t . I m m e d i a t e l y a f t e r c o m p l e t i o n o f m o l d i n g , t h e s p e c i m e n s a r e c o v e r e d w i t h p o l y e t h y l e n e s h e e t . T h e y a r e r e m o v e d f r o m t h e m o l d s 6 h o u r s a f t e r a d d i t i o n o f w a t e r t o t h e c e m e n t d u r i n g m i x i n g o p e r a t i o n , a n d t h e n , a l l o w e d t o a i r c u r e f o r 3 0 m i n u t e s f r o m t h e t i m e i t w a s d e m o l d e d b e f o r e t h e i n i t i a l l e n g t h m e a s u r e m e n t i s p e r f o r m e d . T h e s p e c i m e n s a r e t h e n c u r e d i n l i m e - s a t u r a t e d w a t e r a t 7 3 ° F ( 2 2 . 7 8 ° C ) u n t i l t h e y h a v e r e a c h e d t h e a g e o f 7 d a y s ( i n c l u d i n g t h e p e r i o d i n m o l d s ) . T h e s p e c i m e n s a r e s u b s e q u e n t - l y r e m o v e d f r o m w a t e r o n e a t a t i m e , w i p e d w i t h d a m p c l o t h , a n d i m m e d i a t e l y m e a s u r e d f o r l e n g t h w i t h t h e c a p n u t s i n p l a c e . U p o n c o m p l e t i o n o f e a c h m e a s u r e m e n t , t h e s p e c i m e n s a r e r e t u r n e d t o l i m e - s a t u r a t e d w a t e r . A n o t h e r l e n g t h m e a s u r e m e n t s h o u l d b e m a d e a t t h e a g e o f 2 8 d a y s ( i n c l u d i n g t h e p e r i o d i n m o l d s ) . I t i s s u g g e s t e d b y t h e a u t h o r t o t h a t l e n g t h m e a s u r e m e n t b e c o n t i n u e d o n a d a i l y b a s i s u n t i l l t h e 2 8 — d a y a g e i s r e a c h e d , a n d s u b s e q u e n t l y a s t h e i n d i v i d u a l g o a l w a r r a n t s . A c c o r d i n g t o A S T M C - 8 4 5 , m o r t a r s h o u l d a l s o b e t e s t e d f o r s l u m p ( A S T M C - 1 4 3 ) , a i r c o n t e n t ( A S T M 0 2 3 1 ) , t i m e o f s e t ( A S T M C - 4 0 3 ) , a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( A S T M C - 3 9 ) . A n e x p a n s i v e c e m e n t s h o u l d s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t s i n T a b l e 3 . 3 i n o r d e r t o b e s u i t e d f o r u s e i n s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e . I 9 1 A ( a p p r o x ! 7 C a p N u t 5 4 . 4 6 . 3 5 i j ‘ Z O t h r e a d e d r e d W ' r e a s m t D i a n . ‘ fi — T N o t e 8 H a t e r - i n ! ° f o r r e d a n d e n d — + 0 p l a t e s i s m i l d s t e e l _ ‘ i _ l a _ _ ‘ ‘ ‘ 7 r . - 5 - ~ D i m e n s i o n . i n . ( m m ) T o l e r a n c e . t o . ( a n ) A " ’ 1 4 ( 3 Q ) . . . l 1 0 ( 2 5 0 ) ' h ( 3 ) C 2 ( 5 0 ) . . . D l ( 2 5 ) . . . E 1 " ! ” ( 4 9 ) ' I s s ( I ) F “ l e e ( 2 4 . 3 ) . . . O ’ I e ( 1 0 ) F i g u r e 3 . 2 . R e s t r a i n i n g M o r t a r C a g e M o l d ( A S T M C - 8 0 6 ) . 9 2 3 . 5 . 2 C O N C R E T E T E S T S T h e c o n c r e t e t e s t s p e c i m e n s ( A S T M C - 8 7 8 ) a r e 3 x 1 0 i n . ( 7 6 . 2 x 2 5 4 m m ) c o n c r e t e . E a c h b a r i s r e i n f o r c e d w i t h a 1 0 - 2 4 t h r e a d e d r o d ( F i g u r e 3 . 3 ) . T h e r o d i s p l a c e d a l o n g t h e l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h e p r i s m . C o n c r e t e i s m i x e d m e c h a n i c a l l y i n a c c o r d a n c e w i t h A S T M C - 3 0 5 . I m m e d i a t e l y a f t e r c o m p l e t i o n o f m o l d i n g , t h e s p e c i m e n s a r e c o v e r e d w i t h p o l y e t h y l e n e s h e e t . T h e s p e c i m e n s a r e t h e n r e m o v e d f r o m t h e m o l d s o n e h o u r a f t e r t h e m o r t a r r e a c h e s i t s fi n a l s e t , a s d e t e r m i n e d f o l l o w i n g t h e A S T M C - 4 0 3 t e s t m e t h o d . I n i t i a l l e n g t h m e a s u r e m e n t s h o u l d b e m a d e 3 0 m i n u t e s a f t e r d e m o l d i n g . T h e s p e c i m e n s a r e t h e n c u r e d i n l i m e s a t u r a t e d w a t e r a t 7 3 ° F ( 2 2 . 7 8 ° C ) u n t i l t h e y h a v e r e a c h e d t h e a g e o f 7 d a y s , i n c l u d i n g t h e p e r i o d i n m o l d s . T h e s p e c i m e n s a r e t h e n r e m o v e d f r o m w a t e r o n e a t a t i m e , a n d t h e i r l e n g t h i s i m m e d i a t e l y m e a s u r e d w i t h t h e c a p n u t s i n p l a c e . N o a d d i t i o n a l l e n g t h m e a s u r e m e n t i s r e q u i r e d b e y o n d t h e 7 - d a y p e r i o d , u n l e s s t h e s e m e a s u r e m e n t s a r e t e c h n i c a l l y d e s i r e d . T h e r e a r e n o l i m i t s s p e c i fi e d i n A S T M C - 8 7 8 f o r t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n o f c o n c r e t e . 9 3 r : - + 1 m l | n u a u — c a n o n — J a n o n o u n u _ . o u l a o _ n m w ' I n n I O - 2 ‘ 1 0 - 2 ‘ T h r e a d e d R o d F n ‘ c “ ) ( T y p i c a l ) ( A n n e a l e d R e c t u m “ c a . ) / - M I - £ 0 8 ( I ) D D i r - e n d a - h u : g h e t t - g e t : 5 . 3 ; , C 3 1 6 D ” t a b ” a t I I I I I I I ' l l - fl : 0 b I I I h e s N a t - A l u m i n i u m “ F i g u r e 3 . 3 R e s t r a i n i n g C o n c r e t e C a g e M o l d ( A S T M C - 8 7 8 ) 9 4 3 . 6 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S . T h i s s e c t i o n p r e s e n t s t h e p o w d e r p r o p e r t i e s , r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s f o r m o r t a r a n d c o n c r e t e s p e c i m e n s , a n d f r e s h m i x a n d h a r d e n e d m a t e r i a l t e s t r e s u l t s o n m o r t a r s p e c i m e n s f o r c o n d i t i o n s w i t h d i f f e r e n t p o w d e r t y p e s a n d c o n t e n t s . 3 . 6 . 1 P O W D E R P R O P E R T I E S T h e p r o p e r t i e s o f t h e p o w d e r s a n d t h e t w o c o n t r o l c e m e n t m a t e r i a l s u s e d i n t h e i n v e s t i g a t i o n a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 3 . T a b l e 3 . 3 . P r o p e r t i e s o f t h e P a i n t S l u d g e P o w d e r s a n d T y p e K C e m e n t T y p e I T y p e K P P G P P G P r o p e r t i e s P o r t l a n d E x p a n s i v e S o l v e n t W a t e r C e m e n t C e m e n t B a s e d B a s e d S i l i c o n D i o x i d e ( $ 0 , ) 2 1 2 1 . 6 6 . 5 1 1 . 7 A l u m i n u m O x i d e ( A 1 2 0 3 ) 6 4 . 8 9 . 2 6 . 8 F e r r i c O x i d e ( F e z O 3 ) 3 2 . 8 0 . 9 2 1 . 8 C a l c i u m O x i d e ( C a O ) 6 3 6 2 . 4 7 . 9 1 7 . 4 M a g n e s i u m O x i d e ( M g O ) 2 0 . 7 0 . 5 0 . 7 8 T o t a l A l k a l i e s ( N a 2 0 ) 0 . 4 3 0 . 1 8 0 . 2 9 0 . 3 1 S p e c i fi c G r a v i t y 3 . 1 5 3 . 0 7 0 . 5 9 0 . 5 9 9 5 3 . 6 . 2 R E S T R A I N E D E X P A N S I O N T E S T R E S U L T S 3 . 6 . 2 . 1 M O R T A R T E S T T h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s m o r t a r s p e c i m e n s p r e p a r e d w i t h t h e f o u r p a i n t s l u d g e p o w d e r s ( a t 0 . 5 % , 1 % a n d 1 . 5 % b y w e i g h t o f c e m e n t ) , a s w e l l a s t h e c o n t r o l T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t a n d r e g u l a r T y p e I P o r t l a n d c e m e n t , a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 3 . 4 ( a , b a n d c ) a n d 3 . 5 ( a , b a n d c ) f o r 7 - d a y a n d 2 8 - D a y t e s t s r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e P P G - S B ( P P G S o l v e n t - B a s e d ) a n d P P G - W B ( P P G W a t e r - B a s e d ) a t 1 % b y w e i g h t o f c e m e n t s a t i s f y t h e m i n i m u m 7 - d a y a n d t h e m a x i m u m 2 8 - d a y l i m i t s o n t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n o f m o r t a r a s s p e c i fi e d i n A S T M 0 8 4 5 . H o w e v e r , s i n c e t h e 7 - d a y m e a s u r e d e x p a n s i o n s a r e r a t h e r c l o s e t o t h e m i n i m u m l i m i t s , t h e i n c r e a s e i n p o w d e r d o s a g e f r o m 1 % t o 1 . 5 % g i v e a c o m f o r t a b l e s p a c e i n s a t i s f y i n g t h e A S T M C - 8 4 5 l i m i t s . a w n — . 8 w e 3 . . 8 Z u m 0 w a « w p a c e g a n o s n . m x v m a m m o a H a m " ” 2 & 8 w e g o n e . E 8 8 “ 1 0 . 0 4 . A _ _ a _ e u g o o . c I I I I l I n . c . a . I I I I I I I I I I I l e o c a c o I I I I l I I O I I I I l e e n u a a e o o a o e . u . . - . e c . o I e - o e . e o s o . - I . . . - . . a o e u n . . . . u . . - . c . . . . o . v . . o . n n \ . o u . . . . o - a l O I I I I I I o o n . n a . o o . . . - o . o n o d U I I I I a . u u c o . . s n I I I I I o s o a . I r s o i a o . a . . t m o . o c . - a o i r e . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . i . . . o . . . l c a c - u n n a . . o c o o . o I I I I I . . . . o c c . . o I I I a \ I w . n o . n n . . . ° / l e e s - e s e e c . e n n e a o e o e n o c t u r n a l - a n o n . . . u n n a o i c o u n n c . . . o l u e e o e . n o . e . l o e e c . n . e u e l ( o n u u o o I l I I I e a . . o I I I I I N a - o o o I I I I I O . . . . C O I I l . u u . I n n a - e o e o n o n e - e e e e o o i r o n - u n e a s i n - n t . . . . - I n . n n 0 o e l l . H H I I H n n I H P n H X I e e e u e a e o e e e e l e e e e o r v e n t - I v e l e e O o u n e e e n l - n o E . u H a n u . a . . o . ” n U m I e e o e e - a u u e o e e e e e e a e o n « n o s e a - l e e ] o c . I . m m m . n n u I u H I l l o o l l l e l e l l l I a O O I u n . i o c o u n t - l l - U O < < O m D A i u m l e d o a e l e o o \ o A z O _ m Z > p X m ! l l n c e a - - I d e - e n l n e o n l o a e c c n e e - n e e e e e - e - O e l e e - e e e - e e a e e e l t n o e e e u e e - e e n e - e a a e e I e e n o l - d - a I e O - e : - ( 1 % P o w d e r ) . F i g u r e 3 . 4 ( b ) . 7 — D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s P O W D E R T Y P E \ 1 4 0 9 1 , 9 6 ( 3 9 0 9 9 9 P 5 ? ? 9 0 \ N § ? 9 8 w 9 . 7 _ I . I . . I I I O - O n e n e d a a \ e e l e t e e e e u t o e a e a l o a e e e e e e - I e . . . . . . . . . . . . . . . . . . — - - o o - . - . - - . . o - - o . - - . o . . . . . t o . n o o n c a c a o - 1 . . l e i - t r e e : I . u . - . . - . . . . \ . . . . . o . . - - o o ~ n . o o o o a o - . u v - I - e u a q . ~ o . . . . . a n a n u . . . . . . e e l - I I I O I D u o - u o t . . . n . c ' G e n o a . . . I I I - I I I I - I I I I I O I - n o — I O Q I I I - ~ I . I I I I C I I I _ I I I . . . I I I I _ I I I I I I I — . o . . n o - - 0 . 0 6 L 0 . 0 5 . 0 4 . 0 3 . 0 2 0 1 _ . . . . . . . . 0 . 0 0 - 0 . 0 1 _ . . . . . . . . . $ . . . . . . . . _ a I I I I I I I . . . . . - t . . . . v i i i - I I . - I I I I I I - I I I . I I I I I I I I . I _ . . . . . . . . I . _ n o t . . . c o o § o e o o o o c o o - I S I - o a o - u e - o n 5 . . . c c - o . . . o n . - o - u o - o u - . n l - o - I - a - n - o _ l 9 7 ~ b h a e - e o n c - e o o . e . - o c o e o o o P . . . . . o . - - e . c o c o o n I I o a g e o o % ) N O I S N V d X n - o o - u o o g e e a u I o n - n o . 0 . I I I - I I I . . . n o n - o n c e : 0 . . . . . . - a a I I I - o o o a l q u n I I ! l ! l l ! 9 8 _ o o o u o o n o . _ . . . . . . . . . . . s . . . . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . . . 5 . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . a . . . . . . . . . . _ o o o I I I I I I I I I n t o - I I - I I I I I I I I I e I I I I I Q I Q I ' I I I I C I I . I I I I I I I I O ‘ I I o c n n l o e — . . . . . . . . . ’ O . . . . I . O _ . . . . . . . . . t . . . . . . . . — u c - - - - . . . . a . - . . . . . # - . 7 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 4 P . 0 8 0 . 0 2 0 . 0 1 0 0 0 L » . . . . . . . . . . . . . . . ~ 0 . 0 1 P O W D E R T Y P E ( 1 . 5 % P o w d e r ) . F i g u r e 3 . 4 ( c ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s 0 0 0 0 ' . . . 0 0 0 0 7 6 5 4 - 0 0 1 7 = 3 \ r l l ! g 3 ? ? ? “ = = = = : : : : : : : : - . 2 : 3 7 3 ; 7 3 - 1 3 ; “ . . . . . . . . . 9 9 0 . 0 3 E X P A N S I O N ( 9 6 ) 0 . 0 2 0 . 0 ‘ l 0 . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 5 ( a ) . 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . ) o ° ( N O I S N A P X E a . . . . . n . . . . . . a - u - c o e n 5 o 0 . V . e _ _ 4 . _ _ I I O O O O I I I I I ~ U I I I I D O I 0 . 0 I t a s c a - u . . . n u r s e . . . . O w o o - u - o o o - o p o n - e o o o n ' n o a - e s e i c a e c - o o c a n e . I n t e n t e l e e - C o o n - I a n 0 . 0 . _ o o I o o o I ' o e I I I I I I I l e i s - e n d e a - - I O . O . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I , . . . . . . . . . . e o n s - I n c s e v e r a n c e - l I I I I c I - I o o c u l l - O n . e e e u e - I e e e e l e e e e l e a l . . I I I I I I o a I I I I I O I C I I J u n e - O e i ‘ e e e e e u o r a l e - e a e I e e a e I e a l I u r g e - o r a c l e - l a r e n ' e e l U O < < O m D . _ . < U m E n e m a P M A S . $ - 6 8 . w a g o n M a g m a : H 8 " w a n e — a m e n Z e a : E 8 3 2 a v e i n — a c . 1 0 1 0 ' 0 7 r ! l ! 1 1 0 . 0 6 0 . 0 5 2 3 0 . 0 4 Z Q a ) 0 . 0 3 2 6 ‘ . 3 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 . 0 0 - o . 0 1 \ r w e « w e “ ( r o s e B P S F Q P G W E P G S W B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 5 ( c ) . 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n T e s t R e s u l t s f o r M o r t a r M i x t u r e s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . 1 0 2 3 . 6 . 2 . 2 C O N C R E T E T E S T T h e 7 — d a y a n d 2 8 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n 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 t u r e s i n c o r p o r a t i n g p a i n t S l u d g e p o w d e r s a t 0 . 5 % , 1 % a n d 1 . 5 % b y w e i g h t o f c e m e n t a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 3 . 6 ( a , b a n d c ) a n d F i g u r e s 3 . 7 ( a , b a n d c ) . A S T M C - 8 7 8 d o e s n o t p r o v i d e a n y l i m i t s o n t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n o f c o n c r e t e m i x t u r e s . A c o m p a r i s o n o f t h e p e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n t p a i n t s l u d g e p o w d e r s i n c o n c r e t e w i t h t h a t o f t y p e K c e m e n t c o n fi r m s t h a t t h e P P G - S B a n d P P G - W B , w h i c h b o t h p e r f o r m e d w e l l i n m o r t a r , h a v e a d e q u a t e p o t e n t i a l s a n d c a n p r o d u c e ( 1 . 5 % b y w e i g h t o f c e m e n t ) r e s t r a i n e d e x p a n s i o n s i n c o n c r e t e c o m p a r a b l e t o t h o s e o f T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t c o n c r e t e . ) 6 0 N O I S N A P X E 0 — O 0 O 3 1 t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . 4 5 = = : = ? 5 5 5 $ 1 9 9 \ “ 0 9 $ 9 9 6 3 6 3 : 2 2 : 3 ; 2 9 i n ” ; 3 2 : 2 3 : : % ? ? ? n g 6 9 1 4 6 1 0 3 0 - 0 7 r 2 r l ! l 0 , 0 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 ' 0 5 _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I e I I I I I I i I I D I U I C O I e o e e e l o e e e o e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . — . e e a a a l I I I ‘ e e e e e o e n I e . . . . . . . . - - - - - - - - . . . . . . . . 0 . 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ 0 , 0 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . . . . . . . . . I ' Z . . . I : o - - - - - - - - O O O . . . . . . . . . , , _ , , ' . _ _ _ . . . . . . . . . . . , " , , . ‘ . . . . . . . . _ q . : ; 2 ! - - - - - - P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 6 ( a ) . 7 — D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . — . . I I - I I I 1 - 1 0 I I I I o I I I I I I I I I I I C ‘ I I I a I I I I I I ' I I I I I I I I I I . I I I I u I I o I o I I I I I I I I I I I I I I I I o I I I I I I I I I I o % ( N O I S N A P X E ( 1 % P o w d e r ) . F i g u r e 3 . 6 ( b ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s P O W D E R T Y P E 0 . 0 0 - 0 . 0 ‘ | 0 . 0 1 . 0 2 0 . 0 6 0 . 0 5 . 0 4 u — - - o I I o o I I I I . . . » . . . - o . . . - I I I I I . . . . . . ~ . I ' I I I O O I D V . . . . . . . - . 1 A | I I C I I I I I , _ . . . . . . . , - . . - - I v . - . ~ i . . . - . . . . \ < W e w o e 9 v 6 5 9 B p ‘ s v a e w v a s t . I . . . . . . . I I I I I I ' . - + I I I C D O I I I p — o o - I I I I I I . I I - O I I I - l . c . . . - . - . I I I I I I I I I ‘ . I I I I I I I r c I I O I - I I I I I 0 I I I a I I I I p . . . . . - . - . 1 0 6 0 . . . - I I I I I I o . I I I - I I I I I I - p — - . I I o I I I I I I m o o o l o o u o n I I I I I I I I I I o I _ . . . . . . . . o I I I I I I I I I u I I I . I I I I I I I I I I - P - I I I I I I I I I O I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I ( I I I I I I I I I I . . . I I I I I I I I a - q I O I D O I C D ‘ 1 1 I . . . . . . . . l L l I ‘ I I I I I I I I I I I l I I I I I . o 0 Q Z O _ m Z > U X m ( 1 . 5 % P o w d e r ) . i g u r e 3 . 6 ( c ) . 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s \ “ W e “ 0 9 t fi e ‘ e e B P ‘ S ‘ D F Q P G V Q E P G S W B P O W D E R T Y P E 0 . 0 6 0 . 0 5 r - . 0 4 . 0 3 . 0 2 0 . 0 1 0 . 0 0 - 0 . 0 1 I I I I I I I I t o . . . D . . . . . . . . 1 - I D D O I . . O D O ‘ . . - I . I D O . . . - . . - - - p . . . . I I o I I I I I Q I I I Q I I I I p u n . I I I o I . I I o . I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I . I I I I I I I I l l l l I I I I I I I I . I I I I I I I I . I I I I I I I . I I I I I I I - I . . . I . - I . - . . . . . . . . u . . . . . . . . . . I I I - I I I . . . I I I I I I I . . . . I I I I I I I . . I I I I I I I I I . o . I . o - a c l I I I I l I I I I l I I I I I I I I 0 . 0 I I I I I I I I I I I I I I I I I o I O l l l l ' l . - l l . . . I I I . I I . . . . . . I I . . . - . I I I I 0 ' . I I I I I I I . . l I I I I o I I I I I I I I I I I I I I I - I I . . . I I . I I I I I I - I I I . I I I . I . . . . . . . I . . u I I I I I I . . . I I I I I I I I . I - I - I . . . I I I I I I I I . I I I I I I I I I . — . . . . . . . . . . \ . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . — . . . I O I I o . o . . I I O o I I I I . I I I I . - . . o o I I I I I I I D I I + c l - . . . . I I I I I : I I I I u I n u n . I I I I I I I d i d 1 0 5 ) o ° ( N O I S N A P X E 1 0 6 0 ' 0 7 ! 1 1 7 1 1 0 . 0 6 . . . . . . 0 . 0 5 0 . 0 4 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 . 0 0 - 0 . 0 ‘ l \ w o e « w e “ @ 6 9 9 Q P S F P Q G W P B P g ‘ B W B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 7 ( a ) . 2 8 — D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 0 . 5 % P o w d e r ) . ) o ° ( N O I S A P X E 1 0 7 0 ' 0 7 1 3 ! 1 ! ! 0 . 0 6 . . . . . . 0 . 0 5 0 . 0 4 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 . 0 0 - 0 . 0 1 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 7 ( b ) . 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 1 % P o w d e r ) . ) % ( N O I S N A P X E 1 0 8 0 . 0 7 g g g g g g 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 4 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 . 0 0 - 0 . 0 1 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 7 ( 0 ) . 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n 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 t u r e s ( 1 . 5 % P o w d e r ) . 1 0 9 3 . 6 . 3 S E T T I M E T h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s p r o d u c e d m o r t a r s s a t i s f y i n g t h e A S T M C — 8 4 5 m i n i m u m r e q u i r e m e n t o n m o r t a r t i m e o f s e t a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 8 ( a , b a n d c ) , f o r d i f f e r e n t p e r c e n t a g e s o f t h e p o w d e r s b y t h e w e i g h t o f c e m e n t . T h e s a m e i s a l s o t r u e f o r c o n c r e t e , t h o u g h t h e r e i s n o A S T M r e q u i r e m e n t s f o r c o n c r e t e t i m e o f s e t . I t h a s a l s o b e e n f o u n d s t a t i s t i c a l l y a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e t h a t 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 i n t i m e o f s e t b e t w e e n d i f f e r e n t p o w d e r s . v a c o f a m m n O m i d J I I O a o l l l o a I a I o I I n o u a I o I I n I n o o _ l l o c . . . o . . n I o I c o n n I a a I u I u o o I o I u . . . - . . c . u I . - . o « . o - 1 0 . 0 0 8 . 7 5 7 . 5 0 . 2 5 . 0 0 2 . 5 0 1 . 2 5 . 7 5 \ 1 x 1 9 9 « 4 9 6 « 6 5 6 P O W D E R T Y P E i g u r e 3 . 8 ( a ) . F i n a l T i m e o f S e t T e s t R e s u l t s ( 0 . 5 % P o w d e r ) e p fi g v v g w g g g w a p u p . . u o o u . - - . o u n u . c _ h - u u - o o o u - h u n t a a u o o o o - a . n n n n - . a a o u l c o . I I I . a o n ¢ - - “ ¢ " ' - I " u - u o - u o n . . . » o n - ¢ . u v u . . . - - . . . . n s a - u c - I r v . . . a a - . - - . . o - - ¢ . o . . n a g - I i ! ! ! . p . . . o o o ~ v . . . . - . . . . - . . . - - . n . . . - . . - a - ~ - - . ‘ I Q C Q O I C C O - - . o ¢ n a o ¢ - u v a u - n o u u . u - . . . . u u ‘ v ' O I I I I I C , . . . - . o . . . . u . . o o u - c - v - I I I I I I V U > I I I - I I I I C , . . . . . . . . . ~ n . . . . . . . , . . - u - u - . u . c n - c - I - u - . - o - - . . . n - o o - o o u - . A - - . o . - . u . . . . o . . . . - . . v . . . . . . . . I I I I I I u I u n c I I t I o I I a I n n I o I u u . . . . . o . - . . . . . . . . . ‘ . a c o . ‘ - . . . n o . - - o . c a n n o n . . . u - c - a u o o c - - - . - - . o . I . - u o o I o o ' U o o n u o - - . c . . O n u u o - o o p u . - - - o - ~ - n — . . . . . - - . ' o t o o o . a . . . u - o § o - - c . . . . . . . ' I I A I F I I I I t , . _ . , . . . . . . o - u n n . . . . c o o - n n o - u - . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . I Q I I D I I I I - ~ A - u u . . . ~ . I i i - I I I - I v o v I I I o I I I - . . n . - - . 4 . . . . u . n . u . u . . - y o - . . - . . . . . . . - . - - o . - - a o . . » . - . . . n p . . . . o . - u c . . . . . . . - . ‘ . . . a . . . . . . . . . . . . - . - . . . . I I I - D Q C I I I . : - n . . n - o . . . . . . . . . . I I I o I o o n I o c u u I n 0 l a I c a o c I n I n . s o o a a Q a u n o o o n a a o n - c l . a n a o - o o o a o I I . C o u o o o o u c - o ' o u . . u - . - - . - o ‘ . o - u u ~ . . s u n n I - I ‘ o n . . o - . . . . . . . . . . . . . . - . - . a r ‘ - . . . . . . . . . o - . . - . . . - . ‘ . o . n o o n o u c c o o - u . . o . I n o u u I c I o . . . . . - . . . . . . ‘ - - . . . - . . . . . . . . . . . . . . . » . - . . . . . . . . . o . u . c ' - I c a a c n n I v . . o - . u . o ¢ - u o o o o o - . . o u . . . . . . . . . . . . v . . ¢ . . . 4 n . u - s a I n I b 0 t i l l a : o . . . . . . . - o - . u o n I . . . . . ‘ . . v - a c u n . . . . . . a . . . a 4 . . . . . . . I a . . . . a - - . . . . . - u - u o I o o . a u - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . fi . . o a c a o o n o . u a o - q . a o o . u a o o o a u n q - o a 0 c u : . . . . . . . . — 1 1 1 l n . u n o n u o I o I o c o - I o - o a l l s I - g n u l c o o - I - o e o n a - o - o - I - a l n I n c v m q c o I A a m m m O m i d i g u r e 3 . 8 ( b ) . F i n a l T i m e o f S e t T e s t R e s u l t s ( 1 % P o w d e r ) P O W D E R T Y P E 0 . 0 0 1 . 2 5 2 . 5 0 3 . 7 5 5 . 0 0 6 . 2 5 7 . 5 0 1 0 . 0 0 8 . 7 5 p . . . . . . . p — u o - o n o - m — - . - . n o . n o n e . . . “ p . . . . . . . . . . . . . . . . ‘ . . . . . . . . . . _ b — o . . . . . . g o o - o u n o - n b u n n o - c o - o o - I n . u . . - . n . . q . . . . . . . . . — 1 — . . . . I I . 0 0 - 0 . . . - c o s t s - ' 0 ' . a - . o . . . l . o n s u . . . l 1 1 1 1 1 2 8 . 7 5 A 7 . 5 0 ‘ 3 8 g 6 . 2 5 E 0 3 5 . 0 0 L L 0 m 3 . 7 5 2 ’ — 2 . 5 0 1 . 2 5 \ i “ ’ 9 W e “ w a g e e k s i w e fi m e w e P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 8 ( c ) . F i n a l T i m e o f S e t T e s t R e s u l t s ( 1 . 5 % P o w d e r ) 1 1 3 3 . 6 . 4 F L O W A B I L I T Y A l t h o u g h s o m e c o n v e n t i o n a l e x p a n s i v e c e m e n t s r e q u i r e a b o u t 1 0 % m o r e w a t e r t o o b t a i n t h e s a m e a m o u n t o f w o r k a b i l i t y w i t h c o n v e n t i o n a l c e m e n t c o n c r e t e , t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s u s e d h e r e p r e s e n t e d n o w o r k a b i l i t y p r o b l e m s . T h e y a l l c o m p a r e d w e l l w i t h t y p e K e x p a n s i v e c e m e n t i n fi o w a b i l i t y o b t a i n e d f o l l o w i n g A S T M 0 2 3 0 t e s t p r o c e d u r e . T h e r e i s n o s t a t i s t i c a l d i f f e r e n c e a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e b e t w e e n t h e w o r k a b i l i t y o f p o w d e r s a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 9 . ) % ( W O L F 1 1 4 1 0 0 1 . ! I 1 g ; \ “ D e 1 4 0 9 $ 9 9 6 8 9 B P S F Q P G W E p G S W e P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 9 . E f f e c t o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n F r e s h M i x F l o w a b i l i t y . 1 1 5 3 . 6 . 5 S L U M P W o r k a b i l i t y o f f r e s h c o n c r e t e d e t e r m i n e s t h e e a s e w i t h w h i c h a c o n c r e t e m i x t u r e c a n b e h a n d l e d w i t h o u t h a r m f u l s e g r e g a t i o n . I n a l l l i k e l i h o o d , a c o n c r e t e m i x t u r e t h a t i s d i f fi c u l t t o p l a c e a n d c o n s o l i d a t e w i l l n o t o n l y i n c r e a s e t h e c o s t o f h a n d l i n g b u t w i l l a l s o h a v e p o o r s t r e n g t h , d u r a b i l i t y , a n d a p p e a r a n c e . S i m i l a r l y , m i x t u r e s t h a t a r e p r o n e t o s e g r e g a t i o n a n d b l w d i n g a r e m o r e e x p e n s i v e t o fi n i s h a n d w i l l y i e l d l e s s d u r a b l e c o n c r e t e . T h u s , w o r k a b i l i t y c a n a f f e c t b o t h t h e c o s t a n d t h e q u a l i t y o f c o n c r e t e m i x t u r e s . T h e s l u m p t e s t m a y b e c o n s i d e r e d t o b e a m e a s u r e o f t h e s h e a r r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e fl o w i n g u n d e r i t s o w n w e i g h t . N o n e o f t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s u s e d c a u s e d a n a d v e r s e e f f e c t s o n w o r k a b i l i t y o f t h e m i x t u r e s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e r e i s n o s t a t i s t i c a l d i f f e r e n c e a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e b e t w e e n t h e s l u m p 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 p o w d e r s ( a t t h e t h r e e d o s a g e l e v e l s u s e d ) a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 0 ( a , b a n d c ) . I I I I I I I I I I I I I Y I I - I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 1 1 6 . . . . . . . — 4 I I I I I I I I I O - - ‘ I I I I l I I I I . I I I - I I - I I I I I ‘ I I I . . . - . . . . . . . . . - . . . I I . I I I 0 ‘ I I I I I - I I I . I O I I I ' I Q I I 0 s t B ? ? 9 0 0 ‘ “ I I I I I I I I I I I I P 5 ? I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I o . I I I I I I I I I I I I I I I \ « 9 9 « w e « 6 5 9 a b u n . I I I I I o I I I ' I I I I o o I I I I o ' I I I I I I I I I I 0 ‘ . I I I I I I I I I I I 0 m 5 4 | A w m c o c c $ 2 q u P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 0 ( a ) . S l u m p T e s t R e s u l t s ( 0 . 5 % P o w d e r ) I I I I I I I I - I I I I I I I I I I I I I o I I I I I I o - . I I . I - . . . . u . . o . u . . I I . A I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I w I I m c o I I I I I I I I I I I I c I I c I I I I I I Q E D J m I I I c . I . . . . o . u o o a o o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I I I I I I I I I I . I I I I I I . I . I I I I I I I . 1 1 7 _ I I I I I I I I I 0 . . “ I I I I I I I I I I I - I I I I I I I I I I . . . J I I I c o o I I I I u u ‘ I I o I I I I o I I I . - a s ” B « P ? I I I I I I o I o I I I ‘ I I I I I I I I I W 9 I I I I I I I I 1 I I I I I I I I I I I u - I I I I I I I I I . . . . . . . . . . . . F 3 ? \ “ 9 9 1 x 4 9 9 @ 3 5 6 6 I I I I I I I I o I I I I I I I I I I I I I . u . . . ‘ . - ‘ . I I I C I I I I I I Y I I I I I I I I I I I I I I I I I I . - . . . . . . . . . . . . I I I I I o I o I I o I I I I o I I I I I I I I . . . O I I o I I I I I 3 I I I I I I I I I I I f I I I o I o . I I I I p u p . I I I I I . h - p - I I I I I a I a I p u p . I I I n I I P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 0 ( b ) . S l u m p T e s t R e s u l t s ( 1 % P o w d e r ) — - ‘ O . o Q o c I o - o o I O I C I D O O - . - . - o c o o - . . . o o c u o o o . u - o - c o ‘ o o u o c o o o c n o o c - e c n o o . c c . u n l o - . - - o o l . . . 0 0 ' n o o o o o o o 0 o o ¢ . u o - 0 u c . . o n o 0 u u c - - o g 0 o - I o n 0 u - o o . n c c c 0 a v I D O I I . . . . 0 . 0 0 . o ¢ . . o . o o o o o . \ . - . ) s e h c n i ( P M U L S : m I o I o - I n i o o u I I I - n o . 0 . . . O n t o . . . u n t o - o c c l u o t p l o t a - c o l o c p n l o o I o n a - I I I . . . t u n a - O I I C ¢ 0 - O o n i a u u c o c o a - I n l o n u l o o I - u u u o n ‘ n a n . - 0 l | a u | c o l o o u o n I I O D u o o o O 0 O C a u o a o u n n o I o o a a o c O O O O n I o u p o . o o o c o c o a - [ I O I U O O I D u l o O l O l u t h D O O O I I O O I H I I O c l u o n u l n l u u n n u l - 0 0 - 0 . . ” - o o u o c a o a o I u a O O I I u o o o o o a c u n o s O o o a I I o o 1 1 0 0 . . . . 0 0 - 0 0 0 . I I O O I l n I O I I I - I - l - q a u I n [ C I O O O O I I n n - O O l i n - I / A % m 1 % fi fl fl n w w w ® 7 ® fl fl o ® é © ® © ® m é ® U O < < O m D . _ . < _ u m E w a n “ m p 0 5 . £ 5 6 H a m » w o w s — 8 3 . 3 a g i m m e I n i g o - o n o o u n u u i o n t o l a o l I I C C I I I I I I l . . . . . . . 1 1 1 9 3 . 6 . 6 A I R C O N T E N T A l t h o u g h e n t r a i n e d a i r f o r i m p r o v 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 i s p r e s e n t o n l y i n t h e c e m e n t p a s t e , i t i s u s u a l t o s p e c i f y a n d m e a s u r e t h e a i r c o n t e n t a s a p e r c e n t a g e o f t h e v o l u m e o f t h e c o n c r e t e . T a b l e 3 . 4 p r e s e n t s t h e r e q u i r e d a i r c o n t e n t s f o r f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y . T a b l e 3 . 4 R e c o m m e n d e d a i r c o n t e n t o f c o n c r e t e s c o n t a i n i n g a g g r e g a t e s 1 o f d i f f e r e n t m a x i m u m s i z e , a c c o r d i n g t o A C 1 2 0 1 . 2 R — 7 7 , ( B S 8 1 1 0 : P a r t 1 : 1 9 8 5 ) . [ 9 ] R e c o m m e n d e d t o t a l a i r c o n t e n t o f c o n c r e t e f o r M a x i m u m S i z e o f A g g r e g a t e d i f f e r e n t l e v e l s o f e x p o s u r e ( p e r c e n t ) m m i n . M o d e r a t e S e v e r W e t C o n d i t i o n s ( a p p r o x . ) a n d D e - i c i n g s a l t s 1 0 3 / 8 6 . 0 7 . 5 7 . 0 1 2 . 5 1 / 2 5 . 5 7 . 0 - I 1 4 1 / 2 - - 6 . 0 I 2 0 3 / 4 5 . 0 6 . 0 5 . 0 2 5 l 4 . 5 6 . 0 - 4 0 1 - 1 / 2 4 . 5 5 . 5 4 . 0 5 0 2 4 . 0 5 . 0 — 7 0 3 3 . 5 4 . 5 - 1 5 0 6 3 . 0 4 . 0 - 1 2 0 T h e r e a r e t h r e e m e t h o d s o f m e a s u r i n g t h e t o t a l a i r c o n t e n t o f f r e s h c o n c r e t e : g r a v i m e m ' c ( A S T M C - 1 3 8 ) ; v o l u m e t r i c ( A S T M C - 1 7 3 ) ; a n d p r e s s u r e ( A S T M C - 2 3 1 ) . S i n c e t h e e n t r a i n e d a i r c a n n o t b e d i s t i n g u i s h e d i n t h e s e t e s t s f r o m t h e l a r g e b u b b l e s o f a c c i d e n t a l a i r , i t i s i m p o r t a n t t h a t t h e c o n c r e t e b e f u l l y c o m p a c t e d . T h e m o s t d e p e n d a b l e a n d a c c u r a t e m e t h o d i s t h e p r e s s u r e m e t h o d , w h i c h i s b a s e d o n t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e v o l u m e o f a i r a n d t h e a p p l i e d p r e s s u r e ( a t a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e ) g i v e n b y B o y l e ’ s l a w . T h e m i x p r o p o r t i o n s o r t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s n e e d n o t b e k n o w n a n d t h e p e r c e n t a g e o f a i r i s o b t a i n e d d i r e c t l y . H o w e v e r , a t h i g h a l t i t u d e s , t h e p r e s s u r e m e t e r m u s t b e r e - c a l i b r a t e d , a n d t h e m e t h o d i s n o t s u i t a b l e f o r u s e w i t h p o r o u s a g g r e g a t e s . A t y p i c a l a i r m e t e r i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 1 . T h e p r o c e d u r e c o n s i s t s e s s e n t i a l l y o f o b s e r v i n g t h e d e c r e a s e i n v o l u m e o f a s a m p l e o f c o m p a c t e d c o n c r e t e w h e n s u b j e c t e d t o a k n o w n p r e s s u r e a s a p p l i e d b y a s m a l l p u m p . W h e n t h e p r e s s u r e g a u g e s h o w s t h e r e q u i r e d v a l u e , t h e f a l l i n t h e l e v e l o f t h e w a t e r i n t h e c a l i b r a t e d t u b e a b o v e t h e c o n c r e t e g i v e s t h e d e c r e a s e i n v o l u m e o f a i r i n t h e c o n c r e t e , i . e . t h e p e r c e n t a g e o f a i r c o n t e n t . T h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s d i d n o t a f f e c t t h e a i r c o n t e n t i n m o r t a r a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 2 ( a , b a n d c ) , f o r d i f f e r e n t p e r c e n t a g e s o f t h e p o w d e r s b y t h e w e i g h t o f c e m e n t . T h e s a m e i s a l s o t r u e f o r c o n c r e t e . I t w a s c o n f i r m e d s t a t i s t i c a l l y , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h a t 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 i n a i r c o n t e n t b e t w e e n d i f f e r e n t p o w d e r s . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t a l l t h e m i x t u r e s h a d a d o s a g e o f 0 . 0 5 % ( b y w e i g h t o f c e m e n t ) a i r e n t r a i n i n g a g e n t . 1 2 1 P r e s s u r e g a u g e A i r p u m p — — — — . - C o n c r e t e l e v e l f a l l s F i g u r e 3 . 1 1 . P r e s s u r e T y p e A i r M e t e r [ l 3 ] ( % ) T R I A O C T N N E 1 2 2 \ « 1 0 9 1 4 0 9 “ @ 6 9 9 e b s t v e w n g S W B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 2 ( a ) . A i r C o n t e n t T e s t R e s u l t s , ( 0 . 5 % ) ) ° 7 ( T N E T N O C R I A 1 2 3 \ 1 4 9 9 w e “ ( £ 6 5 9 e b s v v a w g p o s w e P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 2 ( b ) . A i r C o n t e n t T e s t R e s u l t s , ( 1 % ) ) % ( T N E T N O C R I A 1 2 4 \ “ 9 6 1 x 1 0 9 K W G S Q B P S F Q V n g a G S W B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 2 ( c ) . A i r C o n t e n t T e s t R e s u l t s , ( 1 . 5 % ) 1 2 5 3 . 6 . 7 U N I T W E I G H T A N D Y I E L D T h e d e n s i t y ( u n i t w e i g h t ) o f t h e f r e s h c o n c r e t e c a n b e d e t e r m i n e d b y w e i g h i n g a k n o w n v o l u m e o f c o n c r e t e ( A S T M 0 1 3 8 ) . 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 a f f e c t s t h e u n i t w e i g h t . T h e u n i t w e i g h t o f n o r m a l - w e i g h t c o n c r e t e c a n b e u s e d a s a n a p p r o x i m a t e i n d i c a t i o n o f a i r c o n t e n t f o r c o n c r e t e s m a d e w i t h t h e s a m e m a t e r i a l s . T h e u n i t w e i g h t s o f t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s a r e g i v e n F i g u r e s 3 . 1 3 ( a , b a n d c ) . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p o w d e r t y p e h a s n o s i g n i fi c a n t e f f e c t a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e o n u n i t w e i g h t . I t w a s f u r t h e r c o n c l u d e d t h a t t h e d o s a g e o f p o w d e r ( f r o m 0 . 5 % t o 1 . 5 % u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ) h a s n o s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . 1 2 6 5 0 0 ! 1 I ! y y 4 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ 3 5 0 , . . . . . . a s . . . . . . . . . . 2 . . . . . . . . . . _ ’ 5 ( l V 3 0 0 — ~ - - . _ t . . . 3 6 g 2 5 0 ~ - ~ - : 2 0 0 — - - - - - Z 3 1 5 0 _ . . . , _ 1 0 0 — . _ 5 0 ~ ~ \ “ 9 6 1 4 0 3 K P P G S B B P ‘ S F p F G w E V G S N B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 3 ( a ) . U n i t W e i g h t R e s u l t ( 0 . 5 % P o w d e r ) ) f e R ( T H G I E W T I N U 2 0 0 ~ - - - - . . . . . _ 1 2 7 4 5 o _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - s . . . . . . . . . . _ 4 0 0 t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ 3 5 0 L . . . . . . . 2 i i i i . . . . . _ 3 0 0 . . . . . _ 2 5 0 - - - - - . . . . . - 1 5 0 _ . . . . . . . . . _ . 1 0 0 _ . . . . . . . . . _ \ “ 9 9 1 4 9 9 K W C ’ S E E A S T v v g w g g s w e P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 3 ( b ) . U n i t W e i g h t R e s u l t ( 1 % P o w d e r ) ) f c P ( T H G I E W T I N U 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 1 2 8 \ 1 4 0 9 1 4 0 9 K V V G S B D P S F Q P G N E V G Q N B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 3 ( c ) . U n i t W e i g h t R e s u l t ( 1 . 5 % P o w d e r ) 1 2 9 3 . 6 . 8 S T R E N G T H T h e s t r e n g t h o f a m a t e r i a l i s d e fi n e d a s t h e a b i l i t y t o r e s i s t s t r e s s w i t h o u t f a i l u r e . F a i l u r e i s s o m e t i m e s i d e n t i fi e d w i t h t h e a p p e a r a n c e o f c r a c k s . H o w e v e r , i t s h o u l d b e n o t e d t h a t u n l i k e m o s t s t r u c t u r a l m a t e r i a l s , c o n c r e t e c o n t a i n s fi n e c r a c k s e v e n b e f o r e i t i s s u b j e c t e d t o e x t e r n a l s t r e s s e s . I n c o n c r e t e , t h e r e f o r e , s t r e n g t h i s r e l a t e d t o t h e s t r e s s r e q u i r e d t o c a u s e f r a c t u r e a n d i s s y n o n y m o u s w i t h t h e d e g r e e o f f a i l u r e a t w h i c h t h e a p p l i e d s t r e s s r e a c h e s i t s m a x i m u m v a l u e . I n t e n s i o n t e s t s , f r a c t u r e o f t h e t e s t u s u a l l y s i g n i fi e s f a i l u r e ; i n c o m p r e s s i o n t h e s p e c i m e n i s c o n s i d e r e d t o h a v e f a i l e d w h e n n o s i g n o f e x t e r n a l f r a c t u r e i s v i s i b l e , y e t i n t e r n a l c r a c k i n g i s s o a d v a n c e d t h a t t h e s p e c i m e n i s u n a b l e t o c a r r y a h i g h e r l o a d w i t h o u t f r a c t u r e . 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 y l i n d e r s i 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 - 3 9 a t a c o n s t a n t l o a d i n g r a t e o f 0 . 1 5 t o 0 . 3 4 M P a / s ( 2 0 t o 5 0 p s i / s ) f o r h y d r a u l i c a l l y o p e r a t e d m a c h i n e s , o r a t a s t a n d a r d d e f o r m a t i o n r a t e o f 1 . 3 m m / m i n . ( 0 . 0 5 i n . / m i n . ) f o r m e c h a n i c a l l y o p e r a t e d m a c h i n e s . T h e m a x i m u m r e c o r d e d l o a d d i v i d e d b y t h e a r e a o f c r o s s s e c t i o n o f t h e s p e c i m e n g i v e s t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , w h i c h i s r e p o r t e d t o t h e n e a r e s t 1 0 p s i ( 0 . 0 5 M P a ) . A S T M C - 8 4 5 h a s a m i n i m u m r e q u i r e m e n t f o r 7 - d a y a n d 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a c h i e v e d w i t h e x p a n s i v e c e m e n t . T h e t w o p a i n t s l u d g e p o w d e r s s e l e c t e d t o b e c a r r i e d o n t o t h e e n d o f t h i s i n v e s t i g a t i o n ( P P G - S B a n d P P G - W B ) b o t h m e e t m i n i m u m c o m p r e s s i v e s t r e n g t h r e q u i r e m e n t s ( s e e F i g u r e 3 . 1 4 ) . ) i s P ( H T G N E R T S E V I S S E R P M O C 1 3 0 4 0 0 0 i ? E i ! ! 8 6 0 0 : t 1 : i : 3 2 0 0 2 8 0 0 2 4 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 8 0 0 4 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \ 1 W e 1 4 9 9 “ @ 0 5 6 e h s t P G N E p G S W B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 4 ( a ) . E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 7 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 0 . 5 % P o w d e r ) W m w : M m m M z z z z w s : ; s w z 2 ; ; m ; ; s ; w s ; ; z l 8 w N 8 o m 8 o 0 ) i s P ( H T G N E R T S E V I S S E R P M O C h : . _ m o o s m o o . . . z i m o o . . 2 . 1 $ 0 0 . . S i U O < < O m D . _ . < U m E n e m a m . 3 A S . m a n n a c m w a s . m r a m o $ 9 3 2 0 : < 5 3 . h e a p — d a m ? “ m a d a m " : C a m a s s — 2 v 1 3 2 4 0 0 0 l _ r l g 8 6 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ E 3 2 0 0 . . . . . . . h . g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . _ E 2 8 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ C 2 9 2 2 i E 2 4 0 0 : . . . . . . . . . . _ ' — C D 2 0 0 0 . . . . . _ U J > a 1 6 0 0 . . . . . _ C D 3 3 1 2 0 0 O . 5 8 0 0 o 4 0 0 o \ “ D e 1 4 9 9 K Q P G S B e k s v v a w g g s W B P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 4 ( c ) . E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 7 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 1 . 5 % P o w d e r ) 1 3 3 6 ° 0 0 1 1 ! ! T I 5 4 0 0 . . O 4 8 0 0 4 2 0 0 8 6 0 0 3 0 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 2 0 0 C O M P R E S S I V E S T R E N G T H ( P s i ) 6 0 0 \ 1 4 9 9 1 4 0 9 ‘ 4 ? ? 0 5 8 9 A 9 F ? 9 6 ‘ N § ? 9 8 \ N e P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 5 ( a ) . E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 0 . 5 9 6 P o w d e r ) - 0 . — . . . a t I - 1 3 4 6 0 0 0 I . I g 5 4 0 0 4 8 0 0 4 2 0 0 3 6 0 0 3 0 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 2 0 0 C O M P R E S S I V E S T R E N G T H ( P s i ) 6 0 0 \ W e « w e % v e s e e k s i a v e w f v o e w e P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 5 ( b ) . E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 1 % P o w d e r ) 1 3 5 6 0 0 0 5 4 0 0 4 8 0 0 4 2 0 0 3 6 0 0 3 0 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 C O M P R E S S I V E S T R E N G T H ( P s i ) 1 2 0 0 6 0 0 \ w e w e “ w a g e e k s i e v e w f s e e w a P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 5 ( c ) . E f f e c t s o f P a i n t S l u d g e P o w d e r o n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( l . 5 % P o w d e r ) 1 3 6 3 . 6 . 9 M O D U L U S O F E l A S T I C I T Y T h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e f o r c o n c r e t e i s n o t l i n e a r . H o w e v e r , t o c a l c u l a t e t h e s t i f f n e s s o r e x p e c t e d d e fl e c t i o n o f s t r u c t u r a l m e m b e r s , i t i s n e c e s s a r y t h a t s o m e e s t i m a t i o n o f t h e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y , E , b e o b t a i n e d . A l t h o u g h i t i s p o s s i b l e t o d e fi n e E i n a v a r i e t y o f w a y s f o r a m a t e r i a l w i t h a n o n l i n e a r s t r e s s - s t r a i n c u r v e , t h e m o s t c o m m o n w a y f o r c o n c r e t e i s t o m e a s u r e t h e c h o r d m o d u l u s o f e l a s t i c i t y , E c , f o l l o w i n g t h e m e t h o d o u t l i n e d i n A S T M C — 4 6 9 . T h e o b s e r v e d r e s u l t s o f t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r M o d u l u s o f e l a s t i c i t y c o m p a r e s w e l l w i t h e x p a n s i v e c e m e n t t y p e K . T h e r a t i o o f m o d u l u s o f e l a s t i c i t y v e r s e s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 7 . T h e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 1 6 w e r e a n a l y z e d s t a t i s t i c a l l y a n d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t s o f t h e p o w d e r s c o u l d b e d e t e c t e d a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . T h e r a t i o o f m o d u l u s o f e l a s t i c i t y 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 3 . 1 6 ) f u r t h e r c o n fi r m t h a t t h e a d d i t i o n o f p o w d e r s d o e s n o t s i g n i fi c a n t l y c h a n g e 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 . E I W L O V S U E L T U E O O Y T I R S E T A G E R G “ A I “ C N C ' T S ‘ L E O C F O Y T I C I t : T S A L E a r r D o N u A o O R O P * N O I . e t e r c n o c f o y t i c i t T s 7 f f I I F 0 Y S r T I £ N 3 ~ 1 S U I S S O O P R M A R o T z L i O o P C T E U T L S E U A v T U D O M G N I T C S R O T C A F E r F u I M F C e A I m P O O T e S c A a l e f o s u l u d o m e h t e c n e u n i t a h t s r e t e m a r a p s u o i P fl r n s S A o T n N X I o p E R M T E A L r L C M E o E G H N T I D F A O O S I E L T A D T N S A E n R e U m T - S c I e O p M s R r E T c E m M r A s a V . 6 1 . R 3 s A r P e r u g i F I I ) i s P ( Y T I C I T S A L E F O S U L U D O M 1 3 8 1 6 0 0 0 0 0 0 I I I I I I 1 4 8 0 0 0 0 0 2 z I 1 z ' 1 3 6 0 0 0 0 0 1 2 4 0 0 0 0 0 1 1 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8 8 0 0 0 0 0 7 6 0 0 0 0 0 6 4 0 0 0 0 0 5 2 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 W 6 1 3 5 6 9 0 ) A A 6 1 ) # 5 ) ) e 3 6 8 5 ) 3 0 3 3 ” 3 5 1 0 1 ‘ 1 9 1 1 0 9 @ 6 5 6 9 % O ‘ N B P V G ‘ S ( a t 5 6 ? ? ? P O W D E R T Y P E ( 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . P s i ) F i g u r e 3 . 1 7 . M o d u l u s o f E l a s t i c i t y 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 o f P a i n t S l u d g e P o w d e r . 1 3 9 3 . 6 . 1 0 F L E X U R A L S T R E N G T H O n e w a y o f e s t i m a t i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e i s b y fl e x u r a l t e s t ( A S T M C - 7 8 ) . T h e s p e c i m e n i s c a s t i n a b e a m o f s i z e 1 5 2 x 1 5 2 x 5 0 8 m m ( 6 x 6 x 2 0 i n . ) a n d t h e l o a d i n g r a t e i s b e t w e e n 0 . 0 1 4 3 a n d 0 . 0 2 0 M p a / s e c ( 2 . 1 - 2 . 9 p s i / s e c ) . T h e b e a m s a r e c u r e d i n t h e s t a n d a r d m a n n e r a n d a r e t h e n t e s t e d i n fl e x u r e b y t h i r d - p o i n t l o a d i n g , a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 8 . I n t h e fl e x u r a l t e s t , t h e t h e o r e t i c a l m a x i m u m t e n s i l e s t r e s s r e a c h e d i n t h e b o t t o m fi b r e o f a t e s t b e a m i s k n o w n a s t h e m o d u l u s o f r u p t u r e ( 1 " ) , w h i c h i s r e l e v a n t t o t h e d e s i g n o f s l a b s o n g r a d e , a n d h i g h w a y a n d a i r fi e l d p a v e m e n t s . T h e v a l u e o f t h e m o d u l u s o f r u p t u r e d e p e n d s o n t h e d i m e n s i o n s o f t h e b e a m a n d , a b o v e a l l , o n t h e a r r a n g e m e n t o f l o a d i n g . N o w a d a y s , s y m m e t r i c a l t w o - p o i n t l o a d i n g ( a t t h i r d p o i n t s o f t h e s p a n ) i s u s e d b o t h i n t h e U K a n d t h e U S . T h i s p r o d u c e s a c o n s t a n t b e n d i n g m o m e n t b e t w e e n t h e l o a d p o i n t s s o t h a t o n e t h i r d o f t h e s p a n i s s u b j e c t e d t o t h e m a x i m u m s t r e s s , a n d t h e r e f o r e i t i s t h e r e t h a t c r a c k i n g i s l i k e l y t o t a k e p l a c e . I f f r a c t u r e o c c u r s w i t h i n t h e m i d d l e o n e - t h i r d o f t h e b e a m , t h e m o d u l u s o f r u p t u r e ( f b ) i s c a l c u l a t e d , t o t h e n e a r e s t 0 . 1 M p a ( 1 5 p s i ) , o n t h e b a s i s o f o r d i n a r y e l a s t i c t h e o r y . A = ( P D / ( b d ’ ) w h e r e P = m a x i m u m t o t a l l o a d , 1 = S p a n , d = d e p t h o f t h e b e a m , a n d b = w i d t h o f t h e b e a m ; i n g S r u o r p l p l e o r t N W P / Z d A 9 ' T P I Z S r i u o n t p t a p h t o i e r o v t n e , t r a n t g n i r a d c o l i l c l n p e l l r a i c n n a a e l e o f p t a i b n o d d = t l d 3 d o S d L = 4 " ‘ 1 1 4 0 A S T M C - 7 8 a l l o w s f o r f a i l u r e o u t s i d e t h e l o a d p o i n t s , s a y , a t a n a v e r a g e d i s t a n c e f r o m t h e n e a r e s t s u p p o r t , b y t h e e q u a t i o n : f » = ( 3 P a ) / ( b d ’ ) I f , h o w e v e r , f a i l u r e o c c u r s a t a s e c t i o n s u c h t h a t ( 1 / 3 - a ) > 0 . 0 5 1 , t h e n t h e r e s u l t s h o u l d b e d i s c a r d e d . T h e fl e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 1 9 . T h e p a i n t s l u d g e p o w d e r i m p r o v e d t h e fl e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e w h e n c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l e x p a n s i v e c e m e n t . D i f f e r e n t p o w d e r s p e r f o r m e d s i m i l a r l y a t 9 5 9 6 l e v e l o f c o n fi d e n c e . L o a d i n g r o l l e r s c a p a b l e o f 1 H 2 1 ” ’ 2 1 ’ r o t a t i o n a n d i n c l i n a t i o n / i n t h e v e r t i c a l p l a n e F i g u r e 3 . 1 8 . A r r a n g e m e n t o f t h e M o d u l u s o f R u p t u r e T e s t . [ 1 3 ] ) i s K ( H T G N E R T S L A R U X E L F 1 4 1 1 - 0 I I I I I I - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \ 1 1 9 9 1 4 9 9 “ @ 9 5 9 e h s v v a w n g S w e 0 . 0 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 9 ( a ) . F l e x u r a l S t r e n g t h o f P a i n t S l u d g e P o w d e r C o n c r e t e ( 0 . 5 % P o w d e r ) . ) i s K ( H T G N E R T S L A R U X E L F 1 4 2 1 - 0 I I I I f I \ 1 1 0 9 1 w e K e v e s a e h s t c G W P B p e S ‘ N e P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 9 ( b ) . F l e x u r a l S t r e n g t h o f P a i n t S l u d g e P o w d e r C o n c r e t e ( 1 % P o w d e r ) . 1 . 0 i I I I I j ) i s K ( H T G N E R T S L A R U X E L F 1 4 3 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 1 9 ( c ) . F l e x u r a l S t r e n g t h o f P a i n t S l u d g e P o w d e r C o n c r e t e ( 1 . 5 % P o w d e r ) . 1 4 4 3 . 7 V A R I A T I O N S B E T W E E N S H I P M E N T S T w o d i f f e r e n t s h i p m e n t s o f P P G S o l v e n t - B a s e d a n d B A S F S o l v e n t - B a s e d p a i n t p o w d e r s w e r e e x a m i n e d . T h e t w o s h i p m e n t s w e r e c o m p a r e d i n a l l a s p e c t s o f p e r f o r m a n c e . 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 b e t w e e n t h e q u a l i t i e s o f p o w d e r s i n c o r p o r a t i n g 1 . 5 9 6 o f d i f f e r e n t s h i p m e n t s o f p o w d e r s d e r i v e d f r o m s i m i l a r p a i n t s y s t e m s ( s e e F i g u r e 3 . 2 0 ) . T h e c o n s i s t e n c y i n t h e p e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n t s h i p m e n t s i s p a r t i c u l a r l y s i g n i fi c a n t , n o t i n g t h a t t h e t w o s h i p m e n t s o f B A S F S o l v e n t - B a s e d p o w d e r s w e r e o b t a i n e d f r o m t w o d i f f e r e n t p l a n t s u s i n g t h e s a m e p a i n t s y s t e m . I n t h e s e F i g u r e s , [ P P G S B - l = S h i p m e n t 1 , P P G S B - 2 = S h i p m e n t 2 , B A S F - l = S h i p m e n t l a n d B A S F - 2 = S h i p m e n t 2 ] r : : I : I I I 0 O 0 0 0 0 0 . 1 O . . . . . 0 0 0 0 0 9 7 8 6 5 ) o ° ( N O I S N A P X E 1 4 5 0 . 0 4 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 . 0 0 P P G S B - 1 P P G S B - 2 B A S F - 1 B A S F - 2 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 2 0 ( a ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 7 - D a y E x p a n s i o n ) 1 2 ( N O I S N A P X E O . 1 O 0 . 0 9 0 . 0 8 0 . 0 7 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 4 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 . 0 0 1 4 6 P P G S B - 1 P P G S B - 2 B A S F - 1 B A S F - 2 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 2 0 ( b ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 2 8 — D a y E x p a n s i o n ) s r u o H ( T E c S c F O E M I T - . u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u u 1 4 7 . . . . . . P P G S B - 1 P P G S B - 2 B A S F - 1 B A S F - 2 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 2 0 ( c ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n F i n a l S e t ) % ( T N E T o r N O C R I A I 3 m . _ O m E ” 1 E 2 0 0 m m - E 3 8 P M $ a n $ m e n o é o m m 2 0 m E w a n w h o 3 v . w a g o n : $ 5 . 3 2 : < 5 m a o = m m : a n 0 0 : 8 2 ) i s P ( H T G N E R T S E V I S S E R P M O C 1 4 9 4 0 0 0 I E I I 3 6 0 0 . . I O 3 2 0 0 2 8 0 0 2 4 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 8 0 0 4 0 0 P P G S B - I P P G S B - 2 B A S F - 1 B A S F - 2 P O W D E R T Y P E F i g u r e 3 . 2 0 ( e ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 7 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ) i s P ( H T G N E R T S E V I S S E R P M O C F i g u r e 3 . 2 0 ( 1 ) . B e t w e e n S h i p m e n t V a r i a t i o n s i n 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 1 5 0 6 0 0 0 I I I I 5 4 0 0 _ . . . . . . . . . . . . . . . I - - - m - - - § . . . . . . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . . . . . I . . . . . . . . . . . . . . _ 4 8 0 0 4 2 0 0 3 6 0 0 3 0 0 0 2 4 0 0 1 8 0 0 1 2 0 0 6 0 0 P P G S B - I P P G S B - Z B A S F - 1 B A S F - 2 P O W D E R T Y P E 1 5 1 3 . 8 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S A x i a l l y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t s w e r e c o n d u c t e d o n m o r t a r ( A S T M C - 8 0 6 ) a n d c o n c r e t e ( A S T M C - 8 7 8 ) m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g 0 . 5 % , 1 % a n d 1 . 5 % p a i n t s l u d g e P o w d e r s ( b y w e i g h t o f c e m e n t ) , a n d a l s o o n e x p a n s i v e c e m e n t a n d c o n v e n t i o n a l c e m e n t m o r t a r a n d c o n c r e t e m a t e r i a l s . T h e m o r t a r t e s t r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e P P G S o l v e n t - b a s e d ( P P G — S B ) a n d P P G W a t e r - B a s e d ( P P G - W B ) p o w d e r s a t 1 % s u b s t i t u t i o n l e v e l ( b y w e i g h t o f c e m e n t ) a r e c a p a b l e o f s a t i s f y i n g t h e A S T M r e q u i r e m e n t s o n t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n , s e t t i m e a n d a i r c o n t e n t o f e x p a n s i v e c e m e n t . T h e i n c r e a s e i n d o s a g e f r o m 1 % t o 1 . 5 % a n a d d e d s a f e t y f o r s a t i s f y i n g t h e A S T M r e q u i r e m e n t s o n r e s t r a i n e d e x p a n s i o n . A S T M C - 8 7 8 d o e s n o t s p e c i f y a n y l i m i t s o n c o n c r e t e t e s t r e s u l t s . C o m p a r i s o n w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s f o r T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t t h u s p r o v i d e d t h e b a s i s f o r t h e e v a l u a t i o n o f p o w d e r s . T h e p o w d e r s p r o d u c e 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 w h i c h w e r e e s s e n t i a l l y s i m i l a r t o t h o s e o f T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t . 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 r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s c o u l d r e v e a l d i f f e r e n c e s i n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s w h i c h c o u l d n o t b e d e t e c t e d t h r o u g h f r e e e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s . I t s e e m s t h a t t h e r a t e o f e x p a n s i o n ( r a t h e r t h a n t h e t o t a l a m o u n t o f f r e e e x p a n s i o n ) i s t h e k e y f a c t o r d i s t i n g u i s h i n g b e t w e e n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t p o w d e r s i n m o r t a r a n d c o n c r e t e . B e t w e e n - s h i p m e n t v a r i a t i o n s i n t h e e n d p r o d u c t q u a l i t i e s a r e n e g l i g i b l e . C H A P T E R I V M E C H A N I S M O F E X P A N S I O N A S S O C I A T E D W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R 4 . 1 I N T R O D U C T I O N : S h r i n k a g e u p o n d r y i n g i s a f u n d a m e n t a l p r o p e r t y o f t h e c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e w h i c h i s t h e p r i n c i p a l h y d r a t i o n p r o d u c t o f p o r t l a n d c e m e n t s . S m a l l a n d m e d i u m - s i z e c o n c r e t e e l e m e n t s a r e p r o n e t o u n d e r g o d r y i n g s h r i n k a g e , a n d t h e y u s u a l l y c r a c k t o r e l i e v e t h e i n d u c e d s t r e s s w h e n i t e x c e e d s t h e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . C u r r e n t d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n p r a c t i c e s a s s u m e t h a t c o n c r e t e w i l l c r a c k , a n d t r y t o g e t a r o u n d t h e p r o b l e m i n m a n y w a y s , s u c h a s s e l e c t i o n a n d p r o p o r t i o n i n g o f c o n c r e t e m i x t u r e s t h a t w i l l s h r i n k l e s s , p r o v i s i o n o f a d e q u a t e j o i n t s i n f l o o r s l a b s o r p a v e m e n t s , a n d r e i n f o r c e m e n t o f c o n c r e t e e l e m e n t s w i t h s t e e l . ~ T h e a d v e n t o f e x p a n s i v e c e m e n t h a s o f f e r e d a n a l t e r n a t i v e a n d c o s t - e f f e c t i v e a p p r o a c h . A s a r e s u l t , s i n c e t h e fi r s t i n d u s t r i a l u s e o f t h e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n t h e U n i t e d S t a t e s a b o u t 2 5 y e a r s a g o , t h e m a t e r i a l h a s f o u n d s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n i n t h e c o n s t r u c t i o n o f a v a r i e t y o f e l e m e n t s , s u c h a s f l o o r s l a b s , p a v e m e n t s , r o o f s , w a t e r s t o r a g e t a n k s , a n d s e w a g e d i g e s t e r s . T h e p o t e n t i a l e x p a n s i o n a s s o c i a t e d w i t h e t t r i n g i t e f o r m a t i o n i s c o n t r o l l e d b y t h e u s e o f o r d i n a r y s t e e l r e i n f o r c e m e n t . T h e s t e e l r e s t r a i n s t h e o v e r a l l b u l k e x p a n s i o n o f t h e c e m e n t , t h e r e b y c o n v e r t i n g e x p a n s i o n i n t o a s l i g h t p r e s t r e s s w i t h i n t h e c o n c r e t e . B y r e s i s t i n g e x p a n s i v e f o r c e s , t h e s t e e l i s p l a c e d i n t o t e n s i o n a n d t h e c o n c r e t e i n t o c o m p r e s s i o n . A b o u t 1 7 0 t o 7 0 0 k P a ( 2 5 t o 1 0 0 1 b / i n . 2 ) c o m p r e s s i v e s t r e s s i s g e n e r a t e d , 1 5 2 1 5 3 w h i c h i s g e n e r a l l y s u f fi c i e n t t o e n s u r e t h a t d r y i n g s h r i n k a g e w i l l n o t c a u s e t e n s i l e c r a c k i n g ; t h e c o n c r e t e e i t h e r r e m a i n s i n c o m p r e s s i o n o r d e v e l o p s o n l y s m a l l t e n s i l e s t r e s s e s . S o m e r e s t r a i n t o f e x p a n s i o n m a y a l s o o c c u r t h r o u g h s u b g r a d e f r i c t i o n i n s l a b s o r f r o m f o r m w o r k . T h e e x a c t d e g r e e o f p r e s t r e s s w i l l d e p e n d o n t h e a m o u n t o f e x p a n s i v e c o m p o n e n t s a n d t h e a m o u n t o f r e i n f o r c e m e n t ( F i g u r e 4 . 1 ) . L a c k o f s u f fi c i e n t r e s t r a i n t w i l l p r o v i d e l i t t l e p r o t e c t i o n a g a i n s t s h r i n k a g e c r a c k i n g , a n d m a y , i n e x t r e m e c a s e s c a u s e t h e c o n c r e t e t o l i t e r a l l y s e l f - d e s t r u c t ; b u t b e y o n d a c e r t a i n p o i n t a d d i t i o n a l r e s t r a i n t b e c o m e s w a s t e f u l . P r e s t r e s s i s d e v e l o p e d o n l y i n t h e d i r e c t i o n a n d v i c i n i t y o f t h e r e i n f o r c i n g s t e e l . T h u s , c o r r e c t p o s i t i o n i n g o f t h e s t e e l i s i m p o r t a n t t o p r o v i d e c o r r e c t r e s t r a i n t , a n d m i s p l a c e d r e i n f o r c e m e n t c o u l d l e a d t o l a c k o f a d e q u a t e p r e s t r e s s , o r c o m p l i c a t i o n s s u c h a s w a r p i n g d u e t o d i f f e r e n t i a l e x p a n s i o n s . T h e a m o u n t o f e x p a n s i o n b e f o r e d r y i n g d e p e n d s o n t h e a m o u n t o f e x p a n s i v e c o m p o n e n t , w h i c h s h o u l d b e c h o s e n t o e n s u r e t h a t t h e c o n c r e t e w i l l r e m a i n u n d e r a s l i g h t c o m p r e s s i o n e v e n a f t e r e x t e n d e d d r y i n g . S o m e e x p a n s i o n s h o u l d b e a l l o w e d t o o c c u r i n o r d e r t o d e v e l o p m a x i m u m r e s i d u a l p r e s t r e s s . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t t h e d e v e l o p m e n t o f a d e q u a t e p r e s t r e s s i s t h e k e y t o s h r i n k a g e c o m p e n s a t i o n . C o n c r e t e s m a d e w i t h e x p a n s i v e c e m e n t s s h r i n k a s m u c h , i f n o t m o r e , t h a 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 s , b u t t h e n e t t e n s i l e s t r e s s g e n e r a t e d i s m u c h l e s s b e c a u s e o f t h e i n i t i a l c o m p r e s s i v e p r e s t r e s s . 1 5 4 1 . 5 J 0 . 1 2 3 ~ 0 . 1 0 ‘ 2 ’ S t r e s s g 1 . 0 - 3 ' , - g — 0 . 0 0 . . , 5 . 5 2 a g — 0 . 0 6 g e s . 2 g e a . 0 ’ 5 — 0 . 0 4 2 E c : 8 . ~ 0 . 0 2 E x p a n s i o n L 1 L 1 o 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 R e i n f o r c i n g s t e e l ( v o l . % I F i g u r e 4 . 1 . E f f e c t s o f R e i n f o r c e d S t e e l o n E x p a n s i o n o f C o n c r e t e a n d P r e s t r e s s D e v e l o p e d . [ 1 0 ] 4 . 2 C O N T R O L O F E X P A N S I O N S u c c e s s f u l u s e o f e x p a n s i v e c e m e n t s d e p e n d s u p o n p r o p e r c o n t r o l o f t h e e x p a n s i o n o f c e m e n t d u r i n g h y d r a t i o n a n d i s s e n s i t i v e t o a n u m b e r o f v a r i a b l e s ( T a b l e 4 . 1 ) . T h e a m o u n t o f e t t r i n g i t e f o r m e d i s c o n t r o l l e d b y a d j u s t i n g t h e c e m e n t c o n t e n t o r v a r y i n g t h e a m o u n t o f e x p a n s i v e a d m i x t u r e ( i f o n e i s b e i n g u s e d ) . T h i s a s s u m e s t h a t a d e q u a t e m o i s t c u r i n g i s p r o v i d e d d u r i n g t h e t i m e w h e n e t t r i n g i t e i s f o r m i n g d u r i n g t h e 1 5 5 fi r s t 7 d a y s . M o i s t c u r i n g i s e v e n m o r e c r i t i c a l t h a n i t i s f o r 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 a n d r e q u i r e s t h e s u p p l y o f a d d i t i o n a l w a t e r f o r h y d r a t i o n d u r i n g t h e c u r i n g p e r i o d , b e c a u s e t h e f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e c o m b i n e s l a r g e a m o u n t s o f w a t e r , w h i c h c a n n o t b e c o m p l e t e l y p r o v i d e d b y t h e m i x i n g w a t e r . T h i s i s w e l l i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4 . 2 w h i c h c o m p a r e s t h e e f fi c i e n c i e s o f v a r i o u s s t a n d a r d c u r i n g p r o c e d u r e s . T h e r e a r e o t h e r f a c t o r s i n fl u e n c i n g e x p a n s i o n t h a t a f f e c t t h e a m o u n t o f u s e f u l e t t r i n g i t e t h a t i s f o r m e d . E t t r i n g i t e c a n o n l y c o n t r i b u t e t o a n o v e r a l l v o l u m e e x p a n s i o n , a n d h e n c e t o p r e s t r e s s , w h e n i t i s f o r m e d a f t e r t h e c o n c r e t e h a s g a i n e d r i g i d i t y t h r o u g h h y d r a t i o n o f C 3 8 . A n y e t t r i n g i t e t h a t f o r m s w h i l e t h e c o n c r e t e i s s t i l l p l a s t i c i s o f l i t t l e v a l u e . A t 3 8 ° C ( 1 0 0 . 4 ° F ) h y d r a t i o n p r o c e e d s f a s t e r t h a n a t 2 1 ° C ( 6 9 . 8 ° F ) , a n d t h u s t h e r a t e o f e x p a n s i o n i s f a s t e r , b u t u l t i m a t e e x p a n s i o n i s l o w e r b e c a u s e m o r e e t t r i n g i t e i s f o r m e d w h e n t h e c o n c r e t e i s s t i l l p l a s t i c . T h e r e d u c t i o n i n e x p a n s i o n t h a t o c c u r s w i t h a n i n c r e a s e i n c e m e n t fi n e n e s s i s a l s o a r e s u l t o f t h e f a s t e r i n i t i a l r a t e o f h y d r a t i o n . A n i n c r e a s e i n w a t e r / c e m e n t ( w / c ) r a t i o d e c r e a s e s t h e a m o u n t o f e x p a n s i o n . A d m i x t u r e s m a y a l s o i n t e r f e r e w i t h t h e i n i t i a l f o r m a t i o n o f e t t r i n g i t e a n d h e n c e e x p a n s i o n . T h e e f f e c t o f a p a r t i c u l a r a d m i x t u r e c a n n o t b e p r e d i c t e d ; t h u s , t e s t s s h o u l d b e r u n w h e n a d m i x t u r e s a r e t o b e u s e d . : G R M H e g o 4 r . y a e t b n l t e a T m n e e i e n n i x f r d a l o e r s c i C e g a n d l i n g a n d c u r i n g 1 . V a r i a b l e s A f f s n m g e [ n 3 2 ] t e m p f e a u d n i t r m d e c m i m t c o i o r i i ; u x p e e e n i n n f b g n t l g t r i t c n r f c a o ; fi u a a s s r t E x p a f V o . o n s n e . m e n i m g x ; p i e s t C e e i i t e n s t n r a e n s e g a i b t o i l , t m v e C p w c s o e l ; ; f h r e u o a e s t m n f a e d o e i m t i r n i o e e m l f e i t / n n o n c ; g s t e i , t S A o C r a T a c F i g u r e 4 . 2 . E E f x f p c e a t n s o i f v D e f i C f e e m r e e n n t t C C u o r n i c n r e g t P r o c e . [ 1 e 0 d ] u r e s o n t h e E x p a n s i o n o f T y p e M 1 5 6 0 . 2 0 1 I I l l 0 . 1 5 - - 0 . 1 0 A B u r l a p o r 1 5 w a t e r c u r e . § E s m 0 . 0 5 8 P o l y e t h y l e n e s h e e t o r w a t e r p r o o f p a p e r 0 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — C C u r i n g c o m p o u n d - 0 . 0 5 . 1 1 1 - 1 0 0 1 2 5 1 5 0 1 7 5 T i m e ( d a y s ) 1 5 7 4 . 3 P O W D E R C H E M I S T R Y I n d u c t i v e l y c o u p l e d p l a s m a - a t o m i c e m i s s i o n s p e c t r o s c o p y ( I C A P ) t e s t p r o c e d u r e w a s u s e d i n t h i s p a r t t o p r o d u c e c o m p r e h e n s i v e i n f o r m a t i o n o n t h e c h e m i c a l c o n s t i t u e n t s o f t h e p a i n t S l u d g e p o w d e r s . T a b l e 4 . 3 p r e s e n t s t h e I C A P t e s t r e s u l t s . T h e e l e m e n t s ( e . g . , C a , F e ) s h o w n i n t h i s T a b l e m a y o c c u r i n t h e f o r m o f d i f f e r e n t c o m p o u n d s . A p r e l i m i n a r y e v a l u a t i o n o f T a b l e 4 . 3 i n d i c a t e s t h a t c a l c i u m ( c o m p o u n d s ) s e e m s t o d o m i n a t e t h e c h e m i s t r y o f t h e p o w d e r s , e s p e c i a l l y t h o s e p r o d u c i n g s a t i s f a c t o r y e x p a n s i v e q u a l i t i e s ( i . e . , P P G - W B a n d P P G - S B ) . T h i s m a y i n d i c a t e t h a t t h e p o w d e r e x p a n s i o n m e c h a n i s m d i f f e r s f r o m e t t r i n g i t e f o r m a t i o n ( g e n e r a l l y u s e d i n c o n v e n t i o n a l e x p a n s i v e c e m e n t ) w h e r e , b e s i d e s c a l c i u m , o n e n e e d s s o u r c e s o f A l u m i n u m a n d S u l f a t e c o m p o u n d s . I n o r d e r t o f u r t h e r u n d e r s t a n d t h e m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n , c o r r e l a t i o n s w e r e d r a w n b e t w e e n r e s t r a i n e d e x p a n s i o n s a n d v a r i o u s c h e m i c a l q u a l i t i e s o f d i f f e r e n t p o w d e r s . T h e r e s u l t s o f c o r r e l a t i o n a n a l y s i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 3 i n d i c a t e s t h a t a v e r y s t r o n g p o s i t i v e c o r r e l a t i o n e x i s t s o n l y b e t w e e n c a l c i u m c o n t e n t a n d 7 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n . I n c r e a s e d s u l f u r a n d a l u m i n u m c o n t e n t s o f p o w d e r s d o n o t c a u s e a n y s i g n i fi c a n t i n c r e a s e i n r e s t r a i n e d e x p a n s i o n . I n T a b l e 4 . 2 , [ P P G S B - l = S h i p m e n t l , P P G S B - 2 = S h i p m e n t 2 , B A S F - = S h i p m e n t 1 a n d B A S F - 2 = S h i p m e n t 2 ] . 1 5 8 T a b l e 4 . 2 . C h e m i c a l A n a l y s i s o f t h e C h r y s l e r P a i n t S l u d g e P o w d e r s C h e m i c a l P P G S B B A S F C o n t e n t s P P G W B P P G S W B P P G S B - 1 P P G S B - 2 B A S F - 1 B A S F - 2 9 2 . 7 < 5 0 . 0 1 1 8 < 5 0 . 0 7 7 . 0 < 5 0 . 2 S 4 5 3 0 1 2 9 0 2 0 4 0 4 8 1 0 1 5 2 0 1 4 7 0 C 0 < 2 . 4 9 < 5 . 0 3 2 . 5 < 5 . 0 < 2 . 4 9 1 3 . 6 M o < 9 . 9 8 1 6 1 1 3 . 0 2 0 . 7 < 9 . 9 6 < 1 0 . 0 S b < 2 5 . 0 < 5 0 . 0 < 2 5 . 0 < 5 0 . 0 < 2 4 . 9 < 2 5 . 1 _ _ H g < 2 5 . 0 < 5 0 . 0 < 2 5 . 0 < 5 0 . 0 < 2 4 . 9 < 2 5 . 1 N a 2 8 7 0 6 6 6 1 0 8 0 1 2 9 0 2 9 1 0 < 5 0 2 B a 2 5 0 2 0 1 6 2 3 5 0 8 1 9 1 3 9 7 F e 3 8 6 0 3 0 4 0 1 9 4 0 0 4 2 7 0 3 8 5 0 1 1 5 0 0 P 1 0 2 1 3 3 3 4 8 2 4 5 1 1 9 1 2 3 A s < 2 5 . 0 < 2 5 . 0 5 4 . 0 < 2 5 . 0 < 2 4 . 9 < 2 5 . 1 P b < 2 5 . 0 < 2 5 . 0 < 2 5 . 1 < 2 5 . 0 < 2 4 . 9 < 2 5 . 1 K 1 9 2 4 9 4 4 9 8 0 4 2 4 2 2 0 1 5 2 0 C a 4 4 0 0 0 4 0 8 0 0 5 7 8 0 2 0 1 0 0 6 1 5 0 0 2 3 5 0 M g 2 1 9 0 8 5 8 2 1 5 0 2 6 3 0 2 7 1 0 7 1 8 Z n 1 5 7 2 6 0 4 9 . 5 1 4 8 2 3 1 1 9 . 2 C r 9 . 8 2 < 1 0 . 0 4 7 . 0 2 6 . 1 9 . 1 9 2 0 . 4 S e < 2 0 0 < 2 0 0 < 2 0 0 < 2 0 0 < 1 9 9 < 2 0 1 N i 2 9 . 7 2 3 . 7 5 3 . 9 5 5 . 2 2 6 . 7 2 4 . 8 C u 7 7 8 6 1 9 8 8 . 7 4 8 6 6 8 8 3 3 . 0 M n < 2 . 4 9 1 8 . 7 1 0 6 7 6 . 7 7 8 . 9 7 0 . 1 A l 3 4 1 0 0 2 0 3 0 0 2 1 9 0 0 3 4 2 0 0 3 0 7 0 0 8 1 1 0 C d < 2 . 4 9 < 5 . 0 0 < 2 . 5 1 < 5 . 0 0 < 2 . 4 9 < 2 . 5 1 T 1 < 2 . 4 9 < 1 2 5 < 5 0 . 1 ( 1 2 5 < 4 9 . 8 < 5 0 . 2 * * A l l v a l u e s a r e i n p p m * * _ g 1 5 9 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s l o n ( S B ) 0 . 0 6 . . . v , I l i l ’ I I I I I I I : - I I I I . f : I I I I I I I - - - - - 0 0 5 ' 1 4 ‘ ‘ Y A ' “ N T Y Y A ¢ 7 ‘ . , : ‘ , g ' I , V ' : - 3 . i g o o . ‘ E , . - " . O ‘ I ' I d I ’ 1 ' I - a ' t - ( 1 . 9 1 2 I I f , I ' t . ‘ . , I I I 0 ' I l , I - 0 . o 0 4 1 4 ‘ * 4 i s ' I I I 0 ' , i i i I I , - " T I I I I o " i ; I . o ' . O f . v " ' I I ' I l 0 0 3 - T " ‘ * e a . o ' ’ 3 I 1 , 0 ' . . , , , , g . i I o . u ' I I = g r " I I i 4 ' . I 0 0 2 4 " 0 I o . I , . ' I > I I i i E I i ’ = I I I I I 0 . 0 1 i I . : I E I l I I 3 I l I I o 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 o 4 5 5 0 5 5 6 0 5 5 C a ( T h o u s a n d s ) ( p p m ) F i g u r e 4 . 3 ( a ) . C o r r e l a t i o n s B e t w e e n P o w d e r C h e m i s t r y ( C a l c i u m C o n t e n t , C a ) a n d 7 - D a y R e s t r a i n t E x p a n s i o n . 0 . 0 5 r - - 0 . i i a o i i . : ' i i F - - - P - - - - . - - d ; - - - - o i i g : 7 t : g , o - - - - ? i i ‘ i .-: i i . . . . . . . 4 ' . . . . . . . l - * . . . . . . . 4 ' . ' . . . . . . . . ’ z I x ‘ ? ' . I g . . . . . . . . . . . . . . . . ' P | i i E g i : I b i . . . . . . . . 1 6 0 T - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n ( 9 6 ) 0 . 0 8 i i i i 0 0 2 b i O z i 3 . ' 0 0 1 i t o r i ‘ i I . i ; i O i 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 8 ( T h o u s a n d s ) ( p p m ) F i g u r e 4 . 3 ( b ) . C o r r e l a t i o n s B e t w e e n P o w d e r C h e m i s t r y ( S u l f u r C o n t e n t , S ) a n d 7 - D a y R e s t r a i n t E x p a n s i o n . 0 0 - . 0 6 0 5 0 . 0 4 0 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 - 3 3 2 ' ' . . . . . . fi t " a b - - - - - - - - - - - - 4 O I. O 0 5 i 1 O : a L 1 5 T i b i E % + 0 A - - - - - - - - - o g - - - - - - . . . . . . . . . i Q . . . . . . . . . p O i 5 l 3 0 i J 2 0 2 5 . . . . . . . 4 , k i 3 5 4 0 1 6 1 7 - D a y R e s t r a l n e d E x p a n s i o n ( S I S ) A I ( T h o u s a n d s ) ( p p m ) F i g u r e 4 . 3 ( 0 ) . C o r r e l a t i o n s B e t w e e n P o w d e r C h e m i s t r y ( A l u m i n u m C o n t e n t , A l ) a n d 7 - D a y R e s t r a i n t E x p a n s i o n . 1 6 2 T h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 3 s u g g e s t s t h a t o n e m a y fi n d t h e m e c h a n i s m o f e x p a n s i o n i n c a l c i u m ( c o m p o u n d s ) p r e s e n t i n t h e p o w d e r s . T h e r e a r e t w o p o t e n t i a l c a l c i u m - r e l a t e d e x p a n s i o n m e c h a n i s m s i n c o n c r e t e ; h y d r a t i o n o f h a r d - b u m t c a l c i u m o x i d e , a n d r e a c t i o n s o f c a l c i u m c a r b o n a t e w i t h t h e a l k a l i e s . I f c a l c i u m o c c u r s i n t h e f o r m o f c a l c i u m o x i d e , t h e n h y d r a t i o n o f h a r d - b u m t C a O m a y c a u s e e x p a n s i o n , w h i l e i f c a l c i u m o c c u r s i n t h e f o r m o f c a l c i u m c a r b o n a t e , t h e n a l k a l i - c a r b o n a t e r e a c t i o n m a y d o m i n a t e t h e e x p a n s i o n p r o c e s s . I n o r d e r t o fi n d o u t t h e s o u r c e o f c a l c i u m , m i n e r a l o g i c a l a n a l y s i s o f t h e p o w d e r s w e r e u n d e r t a k e n . 4 . 4 P O W D E R M I N E R A L O G Y X - R a y D i f f r a c t i o n ( X R D ) t e c h n i q u e s w e r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e c o m p o u n d s , c o n t a i n i n g c a l c i u m i n t h e s l u d g e p o w d e r s . T w o s o u r c e s o f c a l c i u m w e r e e x a m i n e d : C a l c i t e ( C a l c i u m C a r b o n a t e ) r e p r e s e n t e d b y C c a n d L i m e ( C a O ) r e p r e s e n t e d b y L m . T h e X R D r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 4 s u g g e s t t h a t c a l c i u m o c c u r s m a i n l y i n t h e f o r m o f c a l c i t e , a n d t h u s i t m a y b e h y p o t h e s i z e d t h a t a l k a l i - c a r b o n a t e r e a c t i o n a n d n o t t h e h y d r a t i o n o f h a r d - b u r n t C a O m a y p r o d u c e t h e e x p a n s i o n q u a l i t i e s o f p o w d e r s . I n t h e s e F i g u r e s , [ E t = E t t r i n g i t e , G p = G y p s u m , P L = P o r t l a n d i t e , L m = L i m e , C c = C a l c i t e , A h = A n h y d r i t e a n d Q z = Q u a r t z ] . 0 4 8 3 fl n ' j I j i fl i i ' n fl l . I I c I C 5 3 I ' U ' ) V B I T T I U I U I V F ' U 4 G S - 3 P P ( s t l u s 2 e V R 3 ' I “ ' I I U U 0 3 U I I U V U n o i t c a r f f i D a y t o h a R V - I T 8 T I 2 T - Z X r e U d i F W ‘ I I V 5 w o P . ) a ' ( 2 U U I U U 4 . 4 e U r U I 4 g u U 2 i F I V U W U ' I ' 2 I 2 V - I I V . . . 0 l 2 c 3 6 1 0 0 0 8 P L S d D O z a t + C c A h C c w 4 6 I - . c U U I V ' U W h I A I W “ U I U U I U I 0 4 8 3 6 c C U 3 " B , M L P h A L P U : 0 : 0 U I U I U ‘ ) F S " A I l 4 U 3 V U ' r ‘ B ( s t l u s e t R ' r 2 n ' 3 U ' o i t c t a I ' i U a ' t 0 r f f i D l e 3 y ' h U T ' - i Z q ' r ' B 2 l ' V ' U ' a R - X r e d w o P . ) I b ' U 6 ( 4 ' l t 2 . 4 r e I r ' r ' I I r 4 2 u g i F e l C + t I p O n ' U ' U ' I ' l t ' V ' i i U r o 2 2 0 2 0 5 & 3 0 0 8 c C h A z ) E W - G P P ( s t l u s e R n o i t c a r a f t e h T - Z f i D y a R - X r e d w o P . O ) c ( 4 . 4 e r u g i F c C + e B 5 6 1 0 S d D 0 0 8 ( 4 [ ' 1 ‘ U l ' I fl l ' U V ' I ‘ V ' V ' I ‘ T V ' V U ' V I ‘ T j V ' I " U I ' V U U U ' V ' V ' l ' U V U ' U ' U ' l fl ' t ' U t i ' ] ' U ' q U i i t l i i t ' l ' U ' i l U “ r r ' i j j l 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 C ) c C 0 4 8 3 6 3 4 3 ) 3 W S - G P P ( s t l u 2 s 3 e R n o i t c a a r 0 t f 3 e f h T - 2 i D y a R - 8 X 2 r e d w o P 6 . ) 2 d ( 4 . 4 e r 4 u 2 g i F 2 2 0 2 6 6 1 0 S d O 0 0 6 C c l i ' fl P ' U ' l ' U ' t ' V i ' U l ' V ' T ' V U W ' I ' “ I ' V U V I I I fl I V I ' " [ U V ' V ' I T ‘ U ' I I ' V I U U ' V ‘ I U V U ' ] T “ U I T T U U ' " V U 1 I U U U I t . . . 1 6 7 4 . 5 C O N C R E T E M I N E R A L O G Y T h e c o n c r e t e X - R a y D i f f r a c t i o n ( X R D ) t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 5 s u g g e s t t h a t t h e p o w d e r s p r o d u c i n g s a t i s f a c t o r y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n ( P P G - S B a n d P P G - W B ) a l s o p r o d u c e d r e l a t i v e l y h i g h c o n c e n t r a t i o n s o f P o r t l a n d i t e [ C a ( O H z ) ] i n h a r d e n e d c o n c r e t e . T h i s o b s e r v a t i o n c o m p l i c a t e s t h e p i c t u r e b e c a u s e o n e m a y q u e s t i o n w h e t h e r t h e h y d r a t i o n o f h a r d - b u m t C a O i s p r o d u c i n g t h i s e x c e s s c a l c i u m h y d r o x i d e . T h e p r o c e s s o f a l k a l i - c a r b o n a t e r e a c t i o n i s n o t w e l l u n d e r s t o o d ; h o w e v e r , t h e P o r t l a n d i t e c o u l d a l s o r e s u l t f r o m a l k a l i - c a r b o n a t e r e a c t i o n . I n t h e s e F i g u r e s , [ E t = E t t r i n g i t e , G p = G y p s u m , P L = P o r t l a n d i t e , L m = L i m e , C c = C a l c i t e , A h = A n h y d r i t e a n d Q z = Q u a r t z ] . u 6 3 4 3 ) B S - G P P ( s t l u s e R 2 n 3 o i t c a r f f a i t D 0 e 3 y h T a b R Z - 8 X e t e 2 r c n o C . ) 3 ( 5 . 4 e r u g i F 6 2 t 4 a 2 8 6 1 0 0 9 9 S d O G P C c P L P L G P O 4 e C 6 3 t ) E F . 1 ( ' 4 S A B . G c C 3 2 s t l u s e R n o i 3 t c a r f f i D 0 a y 3 a t c h T R - - X Z e t e 8 r L P 2 6 c n o C . ) b ( 5 2 . 4 e r u g i F t E 4 2 ' 6 2 2 0 2 9 6 1 0 0 9 9 S d D 3 8 L P 6 3 4 3 2 3 0 3 a t e h T c C - Z . r p 8 2 6 2 P G 4 2 0 7 1 0 0 9 9 S d O G P F i g u r e 4 . 5 ( c ) . C o n c r e t e X - R a y D i f f r a c t i o n R e s u l t s ( P P G - W E ) 1 7 1 0 4 e C 6 3 t 3 ) 3 W S - 4 G 3 2 3 P P ( s t l u s e R n o i t c a r 0 a f t f 3 e i h T - Z D y a R - X 8 2 e , e t 6 2 r c n o C . ) 1 ( ( 5 . 4 e c C L P % r 4 3 u 2 g i F p 6 l 2 2 0 3 2 ‘ G P 0 0 9 9 S d D 3 8 1 7 2 4 . 6 A S S E S S I V I E N T O F C A L C I U M C A R B O N A T E R E A C T I O N W I T H C E M E N T A L K A L I S A S T H E C A U S E O F E X P A N S I O N . I n o r d e r t o d e t e r m i n e i f r e a c t i o n o f c a l c i t e w i t h C e m e n t a l k a l i s i s t h e c a u s e o f e x p a n s i o n , c e m e n t s o f l o w a n d h i g h a l k a l i c o n t e n t s w e r e u s e d i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e p o w d e r s i n r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t s . T h e l o w - a l k a l i c e m e n t u s e d h a d a t o t a l N a Z O e q u i v a l e n t a l k a l i c o n t e n t o f 0 . 5 3 % a n d t h e o n e w i t h h i g h a l k a l i c o n t e n t h a d a t o t a l N a Z O e q u i v a l e n t a l k a l i c o n t e n t o f 1 . 2 1 % . T h e 7 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 6 . _ _ . . . I . - o . . . I - I I I I I I I I I I _ . I I I I I I I c o c o . . . I I I _ . . . . . . C O ‘ _ . l o o t o o n ‘ I 8 I O 0 I 0 I I O I I I O I I ' C I I I I I O I O O I O o c o l l v o l u o i I I I I . . I I I I ' I I I I I I I O I O I I l I I I ' t t I I I I O I I I . I I b I u . . % ) N O I S N V d X I I I . I n c I - I I I I I I i I I I l l I I I I I I O , I I - I I I I - I o I - I I I . n . - . . . . . I c n I . c I . . I . . . . I C O O I I ' I I O I 0 O ' I I I I I I 0 O I D ! O I I O O O I - Q O ‘ J ! I O I I I I I I D I ' I I O O I I ' I I I I I O I . . I I I I I I I I . . I I I I I I . . . . . . I . . o - I O i I I I I I I I . . I Q I I I I I I I I I I O D 0 I I I I I I I I I I O i I . I I I I l I I I I I I I I I . - . I . . . I . : : . : " . : . l . I I I O O I z : - : : i ' . . . . . . . - . . Z : . . . : : : : _ I I I o I I D I O O g I u n Z I ' . . . . . . . . . ; : - j 1 7 3 _ . . . Q O O O O C I ‘ O O O C U O Q O O C O ‘ O Q D C Q O C O O O I ~ I 0 . 0 . I . C O C O - O O C O O O O O O Q O I I I I I I I I I . I I I - I I I . . . . . . - - u - . . . . . . . . u I - u u o u u u - o o o e o o o m u m u . . n . . . I - I . . v - l ‘ l l l b l i v . . . . - . . ~ . . c I I I - I I I . . . . . . . - . c . I . . . . 7 0 . 0 6 0 . 0 5 . 0 4 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 0 0 0 P m “ - - 0 . 0 1 a s “ F e @ 3 v a p 3 3 ) \ « 1 0 9 « w e @ 0 5 9 e P O W D E R T Y P E F i g u r e 4 . 6 ( a ) . E f f e c t s o f C e m e n t W i t h L o w A l k a l i C o n t e n t o n 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n . ) % ( N O I S N A P X E 1 7 4 0 - 0 8 I I I ! I I 0 . 0 7 o n e 0 . 0 5 0 . 0 4 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \ W e W e * v v fi e ‘ e e fl v v e w g v o e w P O W D E R T Y P E F i g u r e 4 . 6 ( b ) . E f f e c t s o f C e m e n t W i t h H i g h A l k a l i C o n t e n t o n 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n . 1 7 5 O n e m a y c o n c l u d e f r o m F i g u r e 4 . 6 t h a t t h e i n c r e a s e i n c e m e n t a l k a l i c o n t e n t l e a d s t o s o m e w h a t i n c r e a s e d r e s t r a i n e d e x p a n s i o n . T h i s i n c r e a s e i s r e l a t i v e l y s m a l l b u t m a y b e u s e d t o s u p p o r t t h e h y p o t h e s i s t h a t t h e r e a c t i o n o f c e m e n t a l k a l i s w i t h c a l c i u m c a r b o n a t e m a y b e t h e s o u r c e o f e x p a n s i v e q u a l i t i e s i n p a i n t s l u d g e p o w d e r s . I t i s a l s o i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t t h e p o w d e r s , e v e n w i t h l o w - a l k a l i c e m e n t , s t i l l p r o d u c e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n s s a t i s f y i n g t h e m i n i m u m A S T M r e q u i r e m e n t s . 4 . 7 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 L O W A N D H I G H A L K A L I C E N I E N T S T a b l e 4 . 3 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 l k a l i C e m e n t I P r o p e r t i e s L o w - A l k a l i C e m e n t H i g h - A l k a l i - C e m e n t I S i l i c o n D i o x i d e ( S i O z ) 2 0 . 6 1 2 0 . 5 6 A l u m i n u m O x i d e ( A 1 2 0 3 ) 4 . 7 7 5 . 8 8 F e r r i c O x i d e ( F 9 0 3 ) 2 . 2 0 2 . 4 1 C a l c i u m O x i d e ( C a O ) 6 3 . 4 4 6 3 . 1 8 I M a g n e s i u m O x i d e ( M g O ) 4 . 1 9 3 . 1 6 I S u l f u r e T r i o x i d e ( 8 0 3 ) 2 . 5 5 3 . 2 1 I T o t a l A l k a l i e s ( a s N a 2 0 ) 0 . 5 3 1 . 2 1 I F i n e n e s s ( 9 6 R e t a i n e d o n I # - 3 2 5 S i e v e ) 1 1 . 0 1 0 . 8 S p e c i fi c G r a v i t y 3 . 1 5 3 . 1 5 t o s s o n I g n i t i o n ( L O I ) 1 . 1 8 1 . 6 3 I 1 7 6 4 . 8 C O N C L U S I O N C h e m i c a l a n d m i n e r a l o g i c a l a n a l y s i s o f t h e p o w d e r s r e s u l t i n g c o n c r e t e s w e r e u n d e r t a k e n i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e s o u r c e s o f e x p a n s i v e q u a l i t i e s i n p o w d e r s . C h e m i c a l a n a l y s i s i n d i c a t e d t h a t c a l c i u m c o m p o u n d s d o m i n a t e t h e c h e m i s t r y o f p o w d e r s , a n d t h o s e p o w d e r s w i t h h i g h e r c a l c i u m c o m p o u n d c o n t e n t s p r o d u c e d l a r g e r r e s t r a i n e d e x p a n s i o n s . C a l c i u m m a y p r o d u c e e x p a n s i o n t h r o u g h h y d r a t i o n o f h a r d - b u m t c a l c i u m o x i d e ( w h e n o c c u r r i n g a s C a O ) o r r e a c t i o n w i t h c e m e n t a l k a l i s ( w h e n o c c u r r i n g a s C v a ) . M i n e r a l o g i c a l a n a l y s e s i n d i c a t e d t h a t c a l c i u m i n p o w d e r s o c c u r s d o m i n a n t l y i n t h e f o r m o f C a C O 3 , s u g g e s t i n g t h a t r e a c t i o n o f c a l c i u m c a r b o n a t e w i t h c e m e n t a l k a l i s c o u l d b e t h e c a u s e o f e x p a n s i o n ; t h e f a c t t h a t h i g h e r - a l k a l i c e m e n t s p r o d u c e d s o m e w h a t h i g h e r e x p a n s i o n s w i t h t h e s e p o w d e r s f u r t h e r s u p p o r t e d t h i s h y p o t h e s i s . M i n e r a l o g i c a l a n a l y s i s o f c o n c r e t e s u g g e s t e d t h a t p o w d e r s w i t h h i g h e r r e s t r a i n e d e x p a n s i v e q u a l i t i e s a l s o p r o d u c e d h i g h e r c a l c i u m h y d r o x i d e c o n t e n t s i n h a r d e n e d c o n c r e t e . C H A P T E R V E F F E C T S O F M I X V A R I A B L E S 5 . 1 I N T R O D U C T I O N A n e w c o n c r e t e a d m i x t u r e s h o u l d b e i d e a l l y a p p l i c a b l e t o c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i f f e r e n t c o n s t i t u e n t s a n d p r o p o r t i o n s . T h e m a i n o b j e c t i v e o f t h i s p h a s e o f r e s e a r c h w a s t o d e t e r m i n e i f a n y l i m i t s e x i s t a s f a r a s t h e c o n c r e t e m i x c o n s t i t u e n t s a n d p r o p o r t i o n s a r e c o n c e r n e d f o r t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r t o b e e f f e c t i v e a s a n e x p a n s i v e a d m i x t u r e . 5 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M T h e e f f e c t s o f t h e f o l l o w i n g v a r i a b l e s o n t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n a n d o t h e r q u a l i 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 p a i n t s l u d g e p o w d e r w e r e d e t e r m i n e d . * P o w d e r t y p e ( P P G s o l v e n t - b a s e d v s . P P G w a t e r - b a s e d ) P o w d e r c o n t e n t ( 1 % v s . 1 . 5 % p o w d e r - c e m e n t r a t i o ) C e m e n t t y p e ( S t . M a r y ’ s T y p e I v s . L a f a r g e T y p e 1 ) A g g r e g a t e c o n t e n t ( 4 . 0 v s . 4 . 5 a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o ) W a t e r - c e m e n t r a t i o ( 0 . 4 5 v s . 0 . 5 5 ) A i r e n t r a i n i n g a g e n t c o n t e n t ( 0 . 0 5 % v s . 0 . 1 % r a t i o o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t t o c e m e n t ) . 1 7 7 1 7 8 A 1 / 2 f r a c t i o n a l f a c t o r i a l d e s i g n o f e x p e r i m e n t s w a s c o n d u c t e d 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 a n d t h e fi r s t - l e v e l i n t e r a c t i o n o f t h e a b o v e v a r i a b l e s i n d e t e r m i n i n g t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i v e a n d o t h e r q u a l i t i e s o f c o n c r e t e m a t e r i a l s . T a b l e 5 . 1 p r e s e n t s t h e f r a c t i o n a l f a c t o r i a l d e s i g n s o f e x p e r i m e n t s . T h e a v e r a g e s o f t h r e e t e s t s o n s p e c i m e n s f r o m s a m e b a c h w a s u s e d a s t h e t e s t r e s u l t f o r e a c h c o n d i t i o n o f T a b l e 5 . 1 . T h e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d i n t h e r a n d o m o r d e r p r e s e n t e d i n t h e T a b l e . 1 7 9 T a b l e 5 . 1 . F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s . I R u n O r d e r 1 2 3 4 6 I B l o c k 1 1 1 1 1 S t a n d a r d O r d e r 2 l 3 2 2 2 0 I A = P o w d e r T y p e B = P o w d e r / C e m e n t R a t i o C = C e m e n t T y p e D = A g g r e g a t e / C e m e n t R a t i o E = W a t e r / C e m e n t R a t i o F = A i r - E n t r a i n i n g A g e n t ! C e m e n t R a t i o I R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) I R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) I R 3 = A i r C o n t e n t ( 9 5 ) I R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) I R 5 = F l e x u r e ( K s i ) I R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( 9 6 ) R 8 = 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( 9 6 ) A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M L a f a r g e = L F R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W B = b 1 8 0 T a b l e 5 . 1 . F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s ( C o n t ’ d ) . R u n O r d e r 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 B l o c k 1 1 1 1 1 1 1 S t a n d a r d O r d e r 4 5 2 5 3 2 1 1 2 4 6 2 8 V A R I A B L E S | A = P o w d e r T y p e b a a b a b b b B = P o w d e r l C e m e n t 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 0 1 . 5 R a t i o C = C e m e n t T y p e S M L F S M L F S M L F L F S M D = A g g r e g a t e l C e m e n t 4 . 0 4 . 0 4 . 5 4 . 5 4 . 5 4 . 0 4 . 0 4 . 5 R a t i o E = W a t e r l C e m e n t R a t i o . 4 5 . 4 5 . 5 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 F = A i r - E n t 1 a i n i n g . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 5 A g e n t / C e m e n t R a t i o R E S P O N S E l R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) R 3 = A i r C o n t e n t ( 9 6 ) R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) R 5 = F l e x u r e ( K s i ) R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( 9 6 ) R 8 = 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( 9 6 ) A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W B = b L a f a r g e = L F 1 8 1 T a b l e 5 . 1 . F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s ( C o n t ’ d ) . R u n O r d e r 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 B l o c k 1 1 1 1 1 l 1 1 S t a n d a r d O r d e r 3 1 2 9 2 1 3 0 2 3 1 0 2 6 1 9 V A R I A B L E S I A = P o w d e r T y p e a a a b a b b a B = P o w d e r l C e m e n t 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 0 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 5 R a t i o C = C e m e n t T y p e L F L F L F L F L F S M S M S M D = A g g r e g a t e l C e m e n t 4 . 5 4 . 5 4 . 0 4 . 5 4 . 0 4 . 5 4 . 5 4 . 0 R a t i o E = W a t e r l C e m e n t R a t i o . 5 5 . 5 5 . 5 5 . 5 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 . 5 5 F = A i r - E n t r a i n i n g . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 1 0 . 0 5 A g e n t / C e m e n t R a t i o R E S P O N S E R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) R 3 = A i r C o n t e n t ( 9 6 ) R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) R 5 = F l e x u r e ( K s i ) R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( 9 5 ) ‘ R 8 = 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( 9 6 ) A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W B = b L a f a r g e = L F T a b l e 5 . 1 . F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s ( C o n t ’ d ) . 1 8 2 R u n O r d e r 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 B l o c k 1 1 l 1 l 1 S t a n d a r d O r d e r 1 7 7 1 6 2 7 1 4 l 8 I A = P o w d e r T y p e B = P o w d e r / C e m e n t R a t i o C = C e m e n t T y p e D = A g g r e g a t e ! C e m e n t R a t i o E = W a t e r / C e m e n t R a t i o F = A i r - E n t r a i n i n g A g e n t ! C e m e n t R a t i o R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) R 3 = A i r C o n t e n t ( % ) R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) R 5 = F l e x u r e ( K s i ) R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( % ) R 8 = 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( % ) A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W E = b L a f a r g e = L F 1 8 3 T h e c o a r s e a g g r e g a t e u s e d w a s c r u s h e d l i m e s t o n e w i t h 3 / 4 - i n ( 9 - m m ) m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . T h e fi n e a g g r e g a t e w a s n a t u r a l fi n e s a n d , a n d i t s r a t i o o f fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e w a s 1 . 0 . T h e a i r e n t r a i n i n g a g e n t w a s V i n s o l r e s i n - b a s e d . T h e p r o p e r t i e s o f t h e t w o c e m e n t s u s e d a r e c o m p a r e d i n T a b l e 5 . 2 . I _ - T a b l e 5 . 2 . P r o p e r t i e s o f C e m e n t U s e d . C e m e n t S o u r c e P r o p e r t i e s S t . M a r y ’ s T y p e I L a f a r g e T y p e I S i l i c o n D i o x i d e ( S i O z ) 1 9 . 9 5 2 0 . 8 A l u m i n u m O x i d e ( A 1 4 0 , ) 5 . 1 1 4 . 7 F e r r i c O x i d e ( F e 2 0 3 ) 2 . 0 7 2 . 5 C a l c i u m O x i d e ( C a O ) 6 3 . 5 3 6 4 . 5 M a g n e s i u m O x i d e ( M g o ) 2 . 5 2 1 . 8 S u l f u r T r i o x i d e ( 8 0 3 ) 4 . 4 1 2 . 6 T o t a l A l k a l i s ( N a Q O ) 0 . 8 7 0 . 6 5 1 L o s s O n I g n i t i o n ( L O I ) 1 . 5 6 1 . 7 I S p e c i fi c G r a v i t y 3 . 1 5 3 . 1 5 1 8 4 C o n c r e t e m i x t u r e s p r e p a r e d b a s e d o n t h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n o f T a b l e 5 . 1 w e r e s u b j e c t e d t o t h e f o l l o w i n g t e s t s . * 7 - D a y a n d 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n ( A S T M C - 8 7 8 ) * C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( A S T M C - 3 9 ) * F l e x u r a l S t r e n g t h ( A S T M C - 1 9 2 ) * U n i t W e i g h t ( A S T M C - 1 3 8 ) * A i r C o n t e n t ( A S T M C - 2 3 1 ) * S l u m p ( A S T M C - 1 4 3 ) * S e t T i m e ( A S T M 0 4 0 3 ) 5 . 3 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D A N A L Y S I S T h e e x p e r i m e n t a l 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 5 . 3 . 1 8 5 T a b l e 5 . 3 . R e s u l t s o f F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s . R u n O r d e r 1 2 3 4 5 6 7 8 B l o c k 1 1 l l l 1 1 1 I S t a n d a r d O r d e r 2 1 3 1 2 2 2 8 2 0 1 5 1 I I V A R I A B L E S A = P o w d e r T y p e b b a b b b a a B = P o w d e r l C e m e n t R a t i o 1 . 0 1 . 0 1 . 5 1 . 0 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 0 . C = C e m e n t T y p e S M L F S M L F L F S M L F S M D = A g g r e g a t e l C e m e n t 4 . 0 4 . 5 4 . 5 4 . 0 4 . 0 4 . 0 4 . 5 4 . 0 R a t i o E = W a t e r l C e m e n t R a t i o . 4 5 . 4 5 . 4 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 . 4 5 . 4 5 F = A i r - E n t r a i n i n g . 1 0 . 0 5 . 1 0 . 1 0 . 1 0 . 1 0 . 1 0 . 0 5 A g e n t / C e m e n t R a t i o R E S P O N S E R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) 4 . 1 3 . 9 3 . 9 4 . 0 3 . 9 3 . 8 R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) 3 . 1 2 . 9 2 . 1 2 . 8 3 . 0 2 . 6 R 3 = A i r C o n t e n t ( % ) 1 2 6 . 0 1 3 1 5 1 2 1 3 R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) 3 3 8 3 4 0 3 3 5 3 3 0 3 4 0 3 3 3 R 5 = F 1 e x u r e ( K s i ) . 4 6 . 6 2 . 5 0 . 6 2 . 4 7 . 6 3 R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) 3 . 6 4 . 4 3 . 8 3 . 8 3 . 8 4 . 0 R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( % ) . 0 4 . 0 4 0 . 0 4 3 . 0 4 . 0 4 . 0 5 R 8 = 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( % ) . 0 4 . 0 4 2 . 0 4 8 : . 0 4 . 0 5 . 0 5 _ _ . A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W B = b L a f a r g e = L F 1 8 6 r T a b l e 5 . 3 . R e s u l t s o f F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s ( C o n t ’ d ) . I R u n O r d e r 9 1 0 l l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 I B l o c k 1 1 1 1 1 1 1 S t a n d a r d O r d e r 4 5 2 5 3 2 1 1 2 4 6 2 8 V A R I A B L E S A = P o w d e r T y p e b a a b a b b b B = P o w d e r l C e m e n t 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 0 1 . 5 I R a t i o C = C e m e n t T y p e S M L F S M L F S M L F L F S M J D = A g g r e g a t e l C e m e n t 4 . 0 4 . 0 4 . 5 4 . 5 4 . 5 4 . 0 4 . 0 4 . 5 R a t i o E = W a t e r l C e m e n t R a t i o . 4 5 . 4 5 . 5 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 F = A i r - E n t r a i n i n g . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 5 A g e n t / C e m e n t R a t i o R E S P O N S E I R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) 3 . 7 4 . 1 4 . 0 3 . 9 4 . 0 3 . 9 3 . 9 3 . 8 R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) 2 . 1 2 . 8 3 . 0 2 . 3 2 . 6 2 . 5 2 . 6 2 . 5 R 3 = A i r C o n t e n t ( % ) 6 . 5 1 2 6 . 0 1 5 6 . 3 6 . 2 6 . 2 6 . 0 R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) 3 4 4 3 2 9 3 4 5 3 3 0 3 4 1 3 4 0 3 4 1 3 4 6 I R 5 = F l e x u r e ( K s i ) . 4 7 . 5 1 . 7 6 . 5 7 . 7 5 . 5 7 . 6 1 . 6 3 I R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) 3 . 8 3 . 8 4 . 0 3 . 6 3 . 8 3 . 8 4 . 0 3 . 9 I R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( % ) . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 4 . 0 5 I R 8 = 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( % ) . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 4 . 0 5 I A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W E = b L a f a r g e = L F 1 8 7 T a b l e 5 . 3 . R e s u l t s o f F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s ( C o n t ’ d ) . R u n O r d e r 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 B l o c k 1 l 1 1 1 1 l 1 S t a n d a r d O r d e r 3 1 2 9 2 1 3 0 2 3 1 0 2 6 1 9 I V A R I A B L E S I A = P o w d e r T y p e a a a b a b b a B = P o w d e r l C e m e n t 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 0 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 5 I R a t i o C = C e m e n t T y p e L F L F L F L F L F S M S M S M I D = A g g r e g a t e l C e m e n t 4 . 5 4 . 5 4 . 0 4 . 5 4 . 0 4 . 5 4 . 5 4 . 0 R a t i o E = W a t e r l C e m e n t R a t i o . 5 5 . 5 5 . 5 5 . 5 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 . 5 5 F = A i r - E n t r a i n i n g . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 0 5 . 1 0 . 0 5 . 1 0 . 0 5 A g e n t / C e m e n t R a t i o I R E S P O N S E I R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) 3 . 9 4 . 0 4 . 1 3 . 9 3 . 9 4 . 0 4 . 2 3 . 9 I R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) 2 . 6 3 . 0 2 . 8 2 . 9 2 . 7 3 . 0 2 . 9 3 . 0 R 3 = A i r C o n t e n t ( % ) 6 . 5 1 2 5 . 9 6 . 3 1 0 6 . 5 1 4 6 . 5 I R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) 3 4 3 3 2 8 3 4 0 3 4 1 3 3 1 3 4 2 3 3 8 3 4 5 R 5 = F 1 e x u r e ( K s i ) . 8 4 . 5 1 . 8 4 . 8 0 . 6 1 . 7 5 . 6 3 . 7 5 R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) 4 . 6 3 . 8 4 . 6 4 . 8 3 . 8 4 . 0 3 . 9 4 . 5 R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( % ) . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 4 . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 5 I i i - 8 : 2 8 0 ” E x p a g s i o n ( % ) . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 4 . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 5 I A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W B = b L a f a r g e = L F 1 4 1 8 8 L a T a b l e 5 . 3 . R e s u l t s o f F r a c t i o n a l F a c t o r i a l D e s i g n o f E x p e r i m e n t s ( C o n t ’ d ) . R u n O r d e r 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 B l o c k 1 l 1 1 1 l 1 1 S t a n d a r d O r d e r 1 7 7 1 6 3 2 7 1 4 1 8 9 V A R I A B L E S A = P o w d e r T y p e a a b a a b b a B = P o w d e r l C e m e n t 1 . 0 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 5 1 . 0 1 . 0 1 . 0 R a t i o C = C e m e n t T y p e S M L F L F S M S M L F S M S M D = A g g r e g a t e l C e m e n t 4 . 0 4 . 0 4 . 5 4 . 0 4 . 5 4 . 5 4 . 0 4 . 5 R a t i o E = W a t e r l C e m e n t R a t i o . 5 5 . 4 5 . 4 5 . 4 5 . 5 5 . 4 5 . 5 5 . 4 5 F = A i r - E n t r a i n i n g . 1 0 . 0 5 . 0 5 . 1 0 . 1 0 . 1 0 . 0 5 . 1 0 A g e n t / C e m e n t R a t i o R E S P O N S E R 1 = S e t T i m e ( H o u r s ) 4 . 1 3 . 8 3 . 9 3 . 9 3 . 9 3 . 9 4 . 0 4 . 1 R 2 = S l u m p ( i n c h e s ) 2 . 9 2 . 1 2 . 0 2 . 0 2 . 1 3 . 0 2 . 9 3 . 0 R 3 = A i r C o n t e n t ( % ) 1 1 6 . 5 6 . 1 1 2 1 3 1 2 5 . 9 1 4 R 4 = U n i t W e i g h t ( P c t ) 3 3 5 3 4 3 3 4 5 3 2 7 3 2 8 3 4 0 3 4 3 3 4 1 R 5 = F 1 e x u r e ( K s i ) . 6 2 . 7 5 . 7 6 . 4 7 . 5 1 . 6 1 . 4 7 . 6 3 R 6 = C o m p r e s s i o n ( K s i ) 3 . 5 4 . 8 4 . 8 3 . 7 3 . 6 3 . 8 3 . 8 4 . 0 R 7 = 7 - D a y E x p a n s i o n ( % ) . 0 4 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 4 R 8 = 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( % ) . 0 4 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 5 . 0 4 . 0 4 . 0 4 A t o F = V a r i a b l e s P P G - S B = a S t . M a r y ’ s = S M R 1 t o R 8 = R e s p o n s e P P G - W B = b L a f a r g e = L F 1 8 9 F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e 7 - d a y a n d 2 8 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : a t : T h e o n l y f a c t o r w i t h s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , o n 7 - d a y a n d 2 8 - d a y e x p a n s i o n s i s p o w d e r c o n t e n t . T h e e f f e c t o f p o w d e r t y p e o n e x p a n s i o n c o u l d d e t e c t e d o n l y a t 9 0 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . T h e i n t e r a c t i o n c u r v e s p r e s e n t e d i n F i g u r e 5 . 1 d e m o n s t r a t e t h e t r e n d s i n t h e p o w d e r t y p e a n d p o w d e r c o n t e n t e f f e c t s o n 7 - d a y a n d 2 8 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n s . T h e r e w a s a n i n t e r a c t i o n o n l y b e t w e e n p o w d e r t y p e a n d a i r c o n t e n t i n d e t e r m i n i n g 2 8 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e ; t h i s i n t e r a c t i o n c o u l d b e d e t e c t e d o n l y a t 9 0 % l e v e l o f c o n fi d e n c e i n t h e c a s e o f 7 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n ( s e e F i g u r e 5 . 2 ) . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e h i g h e r l e v e l o f a i r c o n t e n t u s e d i n t h i s s t u d y i s f a r i n e x c e s s o f t y p i c a l v a l u e s , a n d t h i s i n t e r a c t i o n s e e m s t o b e o f l i t t l e v a l u e . O n e m a y c o n c l u d e f r o m t h a t r e s u l t s s t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s t h a t t h e p o w d e r s p r e s e n t t h e p o t e n t i a l t o b e e f f e c t i v e i n c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i v e r s e c o n s t i t u e n t s a n d p r o p o r t i o n s . 1 9 0 7 - D a y E x p a n s l o n ( % ) 0 . 0 7 0 . 0 6 “ ‘ 7 ' 0 . 0 5 ( 1 . 5 % P o w d e r C o n t e n t ) 0 0 4 \ e 0 . 0 3 3 % ( 1 % P o w d e r C o n t e n t ) 0 . 0 2 - - - - — I ) 0 . 0 1 e — — — — ~ « - — - ~ - ~ ~ — M W . . _ _ . m . 0 1 2 P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 1 ( a ) . E f f e c t s o f I n t e r a c t i o n s o f P o w d e r T y p e a n d c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . 1 9 1 2 8 - D a y E x p a n s l o n ( % ) c ( 1 . 5 : P o w d e r C o n t e n t ) 0 - 0 5 g 0 . 0 4 0 . 0 3 ( 9 * ( 1 1 P o w d e r C o n t e n t ) — € > 0 . 0 2 0 . 0 1 O 1 2 P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 1 ( b ) . E f f e c t s a n d I n t e r a c t i o n s o f P o w d e r T y p e a n d c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . 1 9 2 7 - D a y E x p a n s l o n ( % ) O . 0 6 0 . 0 5 ( 0 . 0 6 % A l t E n t r a i n i n g A g e n t ) 0 . 0 4 < ( a m m o 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 w 0 1 2 P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 2 ( a ) . T h e I n t e r a c t i o n B e t w e e n P o w d e r T y p e a n d A i r c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 7 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . 1 9 3 2 8 - D a y E x p a n s i o n ( % ) O . 0 6 O . 0 5 0 . 0 4 0 ( 0 . 1 % A m ) 0 . 0 3 0 . 0 2 0 . 0 1 P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 2 ( b ) . T h e I n t e r a c t i o n B e t w e e n P o w d e r T y p e a n d A i r c o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 2 8 - D a y R e s t r a i n e d E x p a n s i o n s . 1 9 4 F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e fi n a l s e t t i m e t e s t r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t : * A t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h e r e w e r e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n p o w d e r c o n t e n t a n d c e m e n t t y p e , a n d p o w d e r c o n t e n t a n d a g g r e g a t e c o n t e n t i n d e t e r m i n i n g fi n a l s e t t i m e ( s e e F i g u r e 5 . 3 a & b , r e s p e c t i v e l y ) . A t 9 0 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , p o w d e r t y p e a n d a g g r e g a t e c o n t e n t a l s o s h o w e d a n i n t e r a c t i o n ( F i g u r e 5 . 3 c ) . H o w e v e r , f r o m a p r a c t i c a l v i e w p o i n t , t h e a c t u a l c h a n g e s i n s e t t i m e w e r e r e l a t i v e l y s m a l l a n d o f l i t t l e p r a c t i c a l c o n s e q u e n c e . 1 9 5 T i m e o f S e t ( H o u r s ) ( 8 t . M e r y ’ e C e m e n t ) 4 C ( L e t e r g e C e m e n t ) 3 C P o w d e r C o n t e n t ( % ) F i g u r e 5 . 3 ( a ) . I n t e r a c t i o n o f D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r C o n t e n t & C e m e n t T y p e ) i n D e t e r m i n i n g F i n a l S e t T i m e . 1 9 6 T l m e o f S e t ( H o u r s ) 5 ( 4 . 6 % T o t e ! A a e e t e C o n t e n t ) 4 C ° ' ° # 4 ? a d ( 4 0 % T o t e l A g g r e g a t e C o n t e n t ) 2 1 m W A C . O 1 1 . 5 P o w d e r C o n t e n t ( % ) F i g u r e 5 . 3 ( b ) . I n t e r a c t i o n o f D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r C o n t e n t & A g g r e g a t e C o n t e n t ) i n D e t e r m i n i n g F i n a l S e t T i m e . 1 9 7 T i m e o f S e t ( H o u r s ) 6 4 C ( 4 . 5 % T o t e l M o r e o e t e 0 0 % ) 3 C ( 4 . 0 1 T o t e l A g g r e g a t e C o n t e n t ) 2 1 , , , , , , , O 1 2 P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 3 ( c ) . I n t e r a c t i o n o f D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r T y p e & A g g r e g a t e C o n t e n t ) i n D e t e r m i n i n g F i n a l S e t T i m e . 1 9 8 F a c t o r i a l a n a l y s e s o f v a r i a n c e o f t h e c o m p r e s s i v e a n d fl e x u r a l s t r e n g t h s t e s t r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t : * N o n e o f t h e e f f e c t s a n d i n t e r a c t i o n s i n v o l v i n g p o w d e r t y p e a n d c o n t e n t w e r e i n fl u e n t i a l d e t e r m i n i n g t h e 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 . A t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h e r e w e r e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n p o w d e r t y p e a n d a i r c o n t e n t , a n d b e t w e e n p o w d e r t y p e a n d a g g r e g a t e c o n t e n t i n d e t e r m i n i n g fl e x u r a l s t r e n g t h a s s h o w n i n F i g u r e s 5 . 4 a & b r e s p e c t i v e l y . A t 9 0 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , w a t e r - c e m e n t r a t i o a l s o i n fl u e n c e d t h e fl e x u r a l s t r e n g t h . ( S t . M a r y ' s C e m e n t ) A A 1 0 0 . . 4 2 O 3 ’ 2 I 9 9 F l e x u r a l S t r e n g t h ( K s i ) 1 ( L a f a r g e C e m e n t ) 0 . 6 / / i P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 4 ( a ) . I n t e r a c t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r T y p e & c e m e n t T y p e ) i n D e t e r m i n i n g F l e x u r a l S t r e n g t h . 2 0 0 F l e x u r a l S t r e n g t h ( K s i ) 1 ( 4 . 5 T o t a l A g g r e g a t e C o n t e n t ) ( 4 . 0 T o t a l A g g r e g a t e C o n t e n t ) 0 . 2 P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 4 ( b ) . I n t e r a c t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t F a c t o r s ( P o w d e r T y p e & A g g r e g a t e C o n t e n t ) i n D e t e r m i n i n g F l e x u r a l S t r e n g t h . 2 0 1 F a c t o r i a l a n a l y s e s o f v a r i a n c e o f t h e s l u m p , a i r c o n t e n t a n d u n i t w e i g h t t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : a t : F o r s l u m p , t h e o n l y f a c t o r o r i n t e r a c t i o n r e l a t i n g t o p o w d e r s w h i c h p l a y e d a r o l e a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e w a s p o w d e r c o n t e n t ( s e e F i g u r e 5 . 5 ) . A r e l a t i v e l y s m a l l r e d u c t i o n i n s l u m p w a s o b s e r v e d w h e n p o w d e r c o n t e n t w a s i n c r e a s e d f r o m 1 % t o 1 . 5 % b y w e i g h t o f c e m e n t . A t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , n o n e o f t h e e f f e c t s o r i n t e r a c t i o n s a s s o c i a t e d w i t h p o w d e r p l a y e d a r o l e i n d e t e r m i n i n g a i r c o n t e n t ; o n l y t h e 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 w a s a f a c t o r i n t h i s c a s e ( s e e F i g u r e 5 . 6 ) . A t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n p o w d e r c o n t e n t a n d c e m e n t t y p e i n fl u e n c e d t h e u n i t w e i g h t o f c o n c r e t e ( s e e F i g u r e 5 . 7 a ) ; t h e a c t u a l e f f e c t s w e r e , h o w e v e r , r e l a t i v e l y s m a l l a n d o f l i t t l e p r a c t i c a l s i g n i fi c a n c e . A i r c o n t e n t h a d t h e m o s t s i g n i fi c a n t e f f e c t , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , o n u n i t w e i g h t ( s e e F i g u r e 5 . 7 b ) . 2 0 2 S l u m p ( I n c h e s ) ( 1 % P o w d e r C o n t e n t ) ( 1 . 6 % P o w d e r C o n t e n t ) P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 5 . E f f e c t o f P o w d e r C o n t e n t o n S l u m p . ( x 1 2 ( o n A i r E n t r e l n l n g A g e n t ) ’ > 2 0 3 A l r C o n t e n t ( % ) 2 1 1 8 1 5 \ I 6 c L ‘ “ " " ‘ T O . “ 0 6 ‘ A T T E ' r i t ’ r ' a ‘ w n g ’ 7 : 9 6 m ) P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 6 . E f f e c t o f t h e 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 o n A i r C o n t e n t . 3 2 0 M ) 2 0 4 U n i t W e i g h t ( P c f ) 4 0 0 8 6 0 ( L e t e r g e C e m e n t ) 2 8 0 C 2 4 0 2 0 0 P o w d e r C o n t e n t ( % ) F i g u r e 5 . 7 ( a ) . E f f e c t s a n d I n t e r a c t i o n s o f P o w d e r C o n t e n t a n d C e m e n t T y p e i n D e t e r m i n i n g C o n c r e t e U n i t W e i g h t . 2 0 5 U n i t W e i g h t ( P c f ) 4 0 0 8 8 0 3 6 0 ( 0 . 1 % A i r E n t r a i n i n g A g e n t ) 3 4 0 ’ — ‘ 3 3 2 0 3 0 0 \ 2 8 0 C \ > 2 6 0 2 4 0 P o w d e r T y p e F i g u r e 5 . 7 ( b ) . E f f e c t s a n d I n t e r a c t i o n s o f t h e D o s a g e o f E n t r a i n i n g A g e n t i n D e t e r m i n i n g C o n c r e t e U n i t W e i g h t . 2 0 6 5 . 4 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S A c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y , b a s e d o n f r a c t i o n a l f a c t o r i a l d e s i g n o f e x p e r i m e n t s , w a s c o n d u c t e d i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e g e n e r a l a p p l i c a b i l i t y o f p a i n t s l u d g e p o w d e r s a s e x p e n s i v e a d m i x t u r e s i n c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i v e r s e t y p e s a n d p r o p o r t i o n s o f c o n s t i t u e n t s . T h e e f f e c t s a n d i n t e r a c t i o n s o f p o w d e r t y p e a n d c o n t e n t , c e m e n t t y p e , a g g r e g a t e c o n t e n t , w a t e r c e m e n t r a t i o a n d 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 o n t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e m a t e r i a l s w e r e i n v e s t i g a t e d : 7 - d a y a n d 2 8 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n , s e t t i m e , c o m p r e s s i o n a n d fl e x u r a l s t r e n g t h s , s l u m p , a i r c o n t e n t a n d u n i t w e i g h t . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s p r e s e n t t h e p o t e n t i a l t o b e e f f e c t i v e i n p r o v i d i n g s u f fi c i e n t r e s t r a i n e d e x p a n s i o n i n d i v e r s e c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h o u t a n y a d v e r s e e f f e c t s o n c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s . I t i s , h o w e v e r , a d v i s a b l e t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p o w d e r s i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e c o n c r e t e m i x t u r e s u s e d i n a s p e c i fi c j o b b e f o r e i m p l e m e n t i n g a p r o j e c t i n v o l v i n g t h e u s e o f p a i n t s l u d g e p o w d e r s a s e x p a n s i v e a d m i x t u r e s . C H A P T E R V I 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 6 . 1 I N T R O D U C T I O N : C o n c r e t e i s i n h e r e n t l y a d u r a b l e m a t e r i a l . I f p r o p e r l y d e s i g n e d f o r t h e e n v i r o n m e n t t o w h i c h i t w i l l b e e x p o s e d , a n d i f c a r e f u l l y p r o d u c e d w i t h g o o d q u a l i t y c o n t r o l , c o n c r e t e i s c a p a b l e o f p r o v i d i n g m a i n t e n a n c e - f r e e p e r f o r m a n c e f o r d e c a d e s w i t h o u t t h e n e e d f o r p r o t e c t i v e c o a t i n g s , e x c e p t i n h i g h l y c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t s . H o w e v e r , c o n c r e t e i s p o t e n t i a l l y v u l n e r a b l e t o a t t a c k i n a v a r i e t y o f d i f f e r e n t e x p o s u r e s u n l e s s c e r t a i n p r e c a u t i o n s a r e t a k e n . D e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e c a n b e c a u s e d b y t h e a d v e r s e p e r f o r m a n c e o f a n y o n e o f t h e t h r e e m a j o r c o m p o n e n t s : a g g r e g a t e , p a s t e , o r r e i n f o r c e m e n t , a n d c a n b e d u e t o e i t h e r c h e m i c a l o r p h y s i c a l c a u s e s . A l t h o u g h o n e p a r t i c u l a r e n v i r o n m e n t a l f a c t o r m a y i n i t i a t e d i s t r e s s , o t h e r f a c t o r s m a y c o n t r i b u t e a n d a g g r a v a t e t h e s i t u a t i o n . A m a j o r d i f fi c u l t y i n s t u d y i n g d u r a b i l i t y i s i n p r e d i c t i n g c o n c r e t e b e h a v i o r s e v e r a l d e c a d e s i n t h e f u t u r e o n t h e b a s i s o f s h o r t — t e r m t e s t s . M u c h o f o u r u n d e r s t a n d i n g o f d u r a b i l i t y h a s c o m e t h r o u g h a d i r e c t s t u d y o f a c t u a l fi e l d p r o b l e m s . A m a j o r c h a l l e n g e f a c i n g t h e m o d e r n c o n c r e t e t e c h n o l o g i s t i s t h e m o r e a c c u r a t e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y u n d e r a v a r i e t y o f s e r v i c e c o n d i t i o n s . 2 0 7 2 0 8 S i n c e d u r a b i l i t y u n d e r o n e s e t o f c o n d i t i o n s d o e s n o t n e c e s s a r i l y m e a n d u r a b i l i t y u n d e r a n o t h e r , i t i s c u s t o m a r y t o i n c l u d e a g e n e r a l r e f e r e n c e t o t h e e n v i r o n m e n t w h e n d e fi n i n g d u r a b i l i t y . A c c o r d i n g t o A C 1 C o m m i t t e e 2 0 1 , 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 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 ; t h a t i s , d u r a b l e c o n c r e t e w i l l r e t a i n i t s o r i g i n a l f o r m , q u a l i t y , a n d s e r v i c e a b i l i t y w h e n e x p o s e d t o i t s e n v i r o n m e n t . N o m a t e r i a l i s i n h e r e n t l y d u r a b l e ; a s a r e s u l t o f e n v i r o n m e n t a l i n t e r a c t i o n s , t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d , c o n s e q u e n t l y , t h e p r o p e r t i e s o f m a t e r i a l s c h a n g e w i t h t i m e . A m a t e r i a l i s a s s u m e d t o r e a c h t h e e n d o f s e r v i c e l i f e w h e n i t s p r o p e r t i e s u n d e r g i v e n c o n d i t i o n s o f u s e h a v e d e t e r i o r a t e d t o a n e x t e n t t h a t t h e c o n t i n u i n g u s e o f t h e m a t e r i a l i s r u l e d e i t h e r u n s a f e o r u n e c o n o m i c a l . F o r s e v e r a l r e a s o n s , s u c h a s t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n o f c o n c r e t e , l a c k o f b l e e d i n g , a n d l i t t l e o r n o m i c r o c r a c k i n g b y d r y i n g s h r i n k a g e , t h e s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i s e x p e c t e d t o p r o v i d e s a m o r e d e n s e a n d e s s e n t i a l l y i m p e r m e a b l e m a s s t h a n d o e s P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e o f a n e q u i v a l e n t w a t e r / c e m e n t r a t i o i n t h e r a n g e o f 0 . 4 t o 0 . 6 . C o n s e q u e n t l y , l a b o r a t o r y a n d fi e l d e x p e r i e n c e h a s s h o w n t h a t , i n g e n e r a l , T y p e K c e m e n t c o n c r e t e s p o s s e s s a s i g n i fi c a n t l y h i g h e r r e s i s t a n c e t o a b r a s i o n , e r o s i o n , a n d c h e m i c a l a t t a c k b y a g g r e s s i v e s o l u t i o n s . T e s t s h a v e a l s o s h o w n t h a t w h e n T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t s a r e m a d e w i t h a n A S T M T y p e I I o r V P o r t l a n d c e m e n t c l i n k e r , t h e c o n c r e t e s h o w s a d u r a b i l i t y t o s u l f a t e a t t a c k t h a t i s s i m i l a r t o c o n c r e t e m a d e w i t h a s u l f a t e - r e s i s t i n g P o r t l a n d c e m e n t . T h i s h a s b e e n a n i m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n i n t h e u s e o f 2 0 9 T y p e K c e m e n t c o n c r e t e f o r s a n i t a r y s t r u c t u r e s . P r o p e r l y d e s i g n e d , p l a c e d , a n d c u r e d s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m i x t u r e s o f f e r a s m u c h 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 , a n d d e i c e r s c a l i n g , a s P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s o f c o m p a r a b l e q u a l i t y . G e n e r a l l y , a g i v e n a m o u n t o f a n a i r - e n t r a i n i n g a d m i x t u r e w i l l p r o d u c e a v o l u m e o f a i r a n d v o i d s p a c i n g i n a s h r i n k a g e — c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w h i c h i s c o m p a r a b l e t o t h a t 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 l l o t h e r c o n d i t i o n s b e i n g t h e s a m e . P a i n t S l u d g e p o w d e r i s a n e w s o u r c e o f e x p a n s i o n i n c o n c r e t e w h i c h a c t t h r o u g h m e c h a n i s m d i f f e r e n t f r o m t h e o r i e s o f c o n v e n t i o n a l t y p e K e x p a n s i v e c e m e n t . T h e p u r p o s e o f t h i s p h a s e o f r e s e a r c h w a s t o e n s u r e t h a t s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g p a i n t s l u d g e p o w d e r a s e x p a n s i v e a d m i x t u r e p r e s e n t d e s i r a b l e 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 u n d e r d i v e r s e c a u s e s o f c h e m i c a l a n d p h y s i c a l d e t e r i o r a t i o n s . 6 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M B e f o r e a d i s c u s s i o n o f i m p o r t a n t a s p e c t s o f d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e , a f e w g e n e r a l r e m a r k s o n t h e s u b j e c t w i l l b e h e l p f u l . F i r s t , w a t e r , w h i c h i s t h e p r i m a r y a g e n t o f b o t h c r e a t i o n a n d d e s t r u c t i o n o f m a n y n a t u r a l m a t e r i a l s , h a p p e n s t o b e c e n t r a l t o m o s t d u r a b i l i t y p r o b l e m s i n c o n c r e t e . I n p o r o u s s o l i d s , w a t e r i s k n o w n t o b e t h e c a u s e o f m a n y t y p e s o f p h y s i c a l p r o c e s s e s o f d e g r a d a t i o n . A s a v e h i c l e f o r t r a n s p o r t o f a g g r e s s i v e i o n s , w a t e r c a n a l s o b e a s o u r c e o f c h e m i c a l p r o c e s s e s o f d e g r a d a t i o n . S e c o n d , t h e p h y s i c a l - c h e m i c a l p h e n o m e n a a s s o c i a t e d w i t h w a t e r m o v e m e n t s i n p o r o u s s o l i d s a r e 2 1 0 c o n t r o l l e d b y t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e s o l i d . F o r i n s t a n c e , t h e r a t e o f c h e m i c a l d e t e r i o r a t i o n w o u l d d e p e n d o n w h e t h e r t h e c h e m i c a l a t t a c k i s c o n fi n e d t o t h e s u r f a c e o f c o n c r e t e , o r w h e t h e r i t i s a l s o a t w o r k i n s i d e t h e m a t e r i a l . T h i r d , t h e r a t e o f d e t e r i o r a t i o n i s a f f e c t e d b y t h e t y p e a n d c o n c e n t r a t i o n o f i o n s i n w a t e r a n d b y t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e s o l i d . U n l i k e n a t u r a l r o c k s a n d m i n e r a l s , c o n c r e t e i s a b a s i c m a t e r i a l ( b e c a u s e a l k a l i n e c a l c i u m c o m p o u n d s c o n s t i t u t e t h e h y d r a t i o n p r o d u c t s o f p o r t l a n d c e m e n t p a s t e ) ; t h e r e f o r e , a c i d i c w a t e r i s e x p e c t e d t o b e p a r t i c u l a r l y h a r m f u l t o c o n c r e t e . M o s t o f o u r k n o w l e d g e o f p h y s i c a l - c h e m i c a l p r o c e s s e s r e s p o n s i b l e f o r c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n c o m e s f r o m c a s e h i s t o r i e s o f s t r u c t u r e s i n t h e fi e l d , b e c a u s e i t i s d i f fi c u l t i n t h e l a b o r a t o r y t o s i m u l a t e t h e c o m b i n a t i o n o f l o n g - t e r m c o n d i t i o n s n o r m a l l y p r e s e n t i n r e a l l i f e . A l s o , i n p r a c t i c 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 s e l d o m d u e t o a s i n g l e c a u s e ; u s u a l l y , a t a d v a n c e d s t a g e s o f m a t e r i a l d e g r a d a t i o n , m o r e t h a n o n e d e l e t e r i o u s p h e n o m e n a a r e f o u n d a t w o r k . I n g e n e r a l , t h e 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 o f d e t e r i o r a t i o n a r e b o t h p r e s e n t a n d e v e n s e p a r a t i o n o f t h e c a u s e f r o m t h e e f f e c t o f t e n b e c o m e s i m p o s s i b l e . T h e r e f o r e , a c l a s s i fi c a t i o n o f c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n p r o c e s s e s i n t o n e a t c a t e g o r i e s s h o u l d b e t r e a t e d w i t h s o m e c a r e . S i n c e t h e p u r p o s e o f s u c h c l a s s i fi c a t i o n i s t o e x p l a i n , s y s t e m a t i c a l l y a n d i n d i v i d u a l l y , t h e v a r i o u s p h e n o m e n a i n v o l v e d , t h e r e i s a t e n d e n c y t o o v e r l o o k t h e i n t e r a c t i o n s w h e n s e v e r a l p h e n o m e n a a r e p r e s e n t s i m u l t a n e o u s l y . 2 1 1 I n t h i s r e s e a r c h , t h e f o l l o w i n g 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 w e r e i n v e s t i g a t e d : * A b r a s i o n R e s i s t a n c e * C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y * F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y * D e i c e r S a l t S c a l i n g * S u l f a t e A t t a c k * C o r r o s i o n o f E m b e d d e d S t e e l * H o t W a t e r I m m e r s i o n S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l s w i t h 1 . 5 % p o w d e r c o n t e n t b y w e i g h t o f c e m e n t w e r e c o n s i d e r e d . B o t h P P G s o l v e n t - b a s e d a n d P P G w a t e r - b a s e d p o w d e r s w e r e i n v e s t i g a t e d i n a d d i t i o n t o c o n t r o l c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g T y p e I a n d T y p e K C e m e n t s . T h e c o n c r e t e m i x p r o p o r t i o n s w e r e a s p r e s e n t e d i n C h a p t e r 5 ; w i t h w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 5 5 . 6 . 3 T E S T P R O C E D U R E S 6 . 3 . 1 A B R A S I O N R E S I S T A N C E C o n c r e t e s u r f a c e s c a n b e s u b j e c t e d t o v a r i o u s t y p e s o f a b r a s i v e w e a r . F o r e x a m p l e , s l i d i n g o r s c r a p i n g c a n c a u s e a t t r i t i o n a n d , i n t h e c a s e o f h y d r a u l i c s t r u c t u r e s , t h e a c t i o n o f a b r a s i v e s o l i d s c a r r i e d b y w a t e r g e n e r a l l y l e a d s t o e r o s i o n o f c o n c r e t e . F o r t h e s e r e a s o n s , i t m a y b e d e s i r a b l e t o k n o w 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 a b r a s i o n . H o w e v e r , t h i s i s d i f fi c u l t t o a s s e s s a s t h e d a m a g i n g a c t i o n v a r i e s d e p e n d i n g o n t h e c a u s e 2 1 2 o f w e a r , a n d n o o n e t e s t p r o c e d u r e i s s a t i s f a c t o r y i n e v a l u a t i n g 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 t h e v a r i o u s c o n d i t i o n s o f w e a r . T h e a b r a s i o n t e s t m e t h o d d e s c r i b e d i n A S T M C - 9 4 4 w a s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ; t h e d e p t h o f w e a r o f a s p e c i m e n i s u s e d i n t h i s m e t h o d a s a m e a s u r e o f a b r a s i o n . 6 . 3 . 2 C H L O R I D E P E R M E A B I L I T Y I n c o n c r e t e , t h e r o l e o f w a t e r h a s t o b e s e e n i n a p r o p e r p e r s p e c t i v e b e c a u s e , a s a n e c e s s a r y i n g r e d i e n t f o r t h e c e m e n t h y d r a t i o n r e a c t i o n s a n d a s a p l a s t i c i z i n g a g e n t f o r t h e c o m p o n e n t s o f c o n c r e t e m i x t u r e s , w a t e r i s p r e s e n t f r o m t h e b e g i n n i n g . G r a d u a l l y , d e p e n d i n g o n t h e a m b i e n t c o n d i t i o n s a n d t h e t h i c k n e s s o f a c o n c r e t e e l e m e n t , m o s t o f t h e e v a p o r a b l e w a t e r i n c o n c r e t e ( a l l t h e c a p i l l a r y w a t e r a n d a p a r t o f t h e a d s o r b e d w a t e r ) , w i l l b e l o s t , l e a v i n g t h e p o r e s e m p t y o r u n s a t u r a t e d . S i n c e i t i s t h e e v a p o r a b l e w a t e r w h i c h i s f r e e z a b l e a n d w h i c h i s a l s o f r e e f o r i n t e r n a l m o v e m e n t , a c o n c r e t e w i l l n o t b e v u l n e r a b l e t o w a t e r - r e l a t e d d e s t r u c t i v e p h e n o m e n a , p r o v i d e d t h a t t h e r e i s a l i t t l e o r n o e v a p o r a b l e w a t e r l e f t a f t e r d r y i n g a n d p r o v i d e d t h a t t h e s u b s e q u e n t e x p o s u r e o f t h e c o n c r e t e t o t h e e n v i r o n m e n t d o e s n o t l e a d t o r e s a t u r a t i o n o f t h e p o r e s . T h e l a t t e r , t o a l a r g e e x t e n t , d e p e n d s o n t h e 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 . R a p i d a s s e s s m e n t o f t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e w a s m a d e i n t h i s i n v e s t i g a t i o n t h o u g h t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e A A S H T O 1 ‘ 2 7 7 - 8 3 1 ( A S T M C - 1 2 0 2 ) t e s t . T h i s t e s t i s c o n c e r n e d w i t h q u i c k a s s e s s m e n t o f t h e d e g r e e o f p e r m e a b i l i t y i n c o n c r e t e s a m p l e s . 2 1 3 T h e c o n c r e t e s p e c i m e n s a r e c o n d i t i o n e d b y v a c u u m s a t u r a t i o n , a n d t h e y a r e b o n d e d i n t o t h e t e s t c e l l w i t h a s i l i c o n e a d h e s i v e . T h e s i d e o f t h e c e l l c o n t a i n i n g t h e t o p s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n i s fi l l e d w i t h 3 . 0 % N a C l ( t h a t s i d e o f t h e c e l l i s c o n n e c t e d t o t h e n e g a t i v e t e r m i n a l o f t h e p o w e r s u p p l y ) . T h e o t h e r s i d e o f t h e c e l l i s fi l l e d w i t h 0 . 3 N N a O H s o l u t i o n ( t h i s s i d e o f t h e c e l l i s c o n n e c t e d t o t h e p o s i t i v e t e r m i n a l o f t h e p o w e r s u p p l y ) . A v o l t a g e o f 6 0 V o l t s D C i s t h e n a p p l i e d i n t h i s t e s t f o r s i x h o u r s ; t h e e l e c t r i c a l c u r r e n t p a s s e d t h r o u g h t h e s p e c i m e n i s m e a s u r e d a n d t h e c u r r e n t i s i n t e g r a t e d o v e r t i m e t o g i v e t h e c h a r g e t h a t p a s s e s ( i n C o u l o m b s ) . T a b l e 6 . 1 p r e s e n t s t h e i n t e r p r e t a t i o n o f C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y o u t p u t . T h r o u g h t h i s t a b l e , o n e c a n c o m p a r e t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f t h e c o n c r e t e u n d e r t e s t t o o t h e r t y p e s o f c o n c r e t e . T h e h i g h e r t h e c h a r g e p a s s e d , t h e h i g h e r t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e s p e c i m e n s . T a b l e 6 . 1 . I n t e r p r e t a t i o n o f t h e C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y O u t p u t ( A A S H T O T — 2 7 7 - 8 3 1 ) C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y C h a r g e P a s s e d i n C o u l o m b s H i g h 4 , 0 0 0 M o d e r a t e 2 , 0 0 0 - 4 , 0 0 0 L o w 1 , 0 0 0 - 2 , 0 0 0 V e r y L o w 1 0 0 - 1 , 0 0 0 N e g l i g i b l e 1 0 0 o r l e s s 6 0 v o l t s 0 . 6 . p o w e r s u p p l y * d i g i t a l v o l t m e t e r 4 ’ . a c r y l i c c e l l 3 . 7 5 ' d i a m e t e F i g u r e 6 . 1 . C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t S e t U p [ K u h r l x 2 ' l o n g m a n n , e t . a o n c l , c 1 r e t e s a m p l e 9 8 4 ] 2 1 4 s h u n t r e s i s t o r \ 3 8 N a C i r e s e r v o i r { 2 0 c o p p e r m e s h I 2 0 c o p p e r m e s h a c r y l i c c e l l 0 . 3 N N a O H r e s e r v o i r 2 1 5 6 . 3 . 3 D E - I C E R S A L T S C A L I N G C o n c r e t e t h a t i s a d e q u a t e l y a i r - e n t r a i n e d f o r f r o s t r e s i s t a n c e m a y n e v e r t h e l e s s b e d a m a g e d b y r e p e a t e d a p p l i c a t i o n o f d e - i c i n g s a l t s . C o n c r e t e t h a t h a s s u f f e r e d s a l t s c a l i n g b e c o m e s r o u g h e n e d a n d p i t t e d d u e t o t h e s p a l l i n g o f s m a l l p i e c e s o f m o r t a r . T h e e x a c t c a u s e s u n d e r l y i n g s a l t s c a l i n g a r e n o t k n o w n , b u t t h e y p r o b a b l y i n v o l v e m o r e t h a n o n e p r o c e s s . I t h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t t h e c o n s u m p t i o n o f h e a t r e q u i r e d t o m e l t i c e w h e n t h e d e - i c e r i s a p p l i e d c a u s e s a r a p i d d r o p i n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c o n c r e t e j u s t b e l o w t h e s u r f a c e , w h i c h m a y c a u s e d a m a g e f r o m e i t h e r t h e e f f e c t s o f r a p i d f r e e z i n g o r t h e s t r e s s c a u s e d b y d i f f e r e n t i a l t h e r m a l s t r a i n s . T h e a d d i t i o n a l f r e e m o i s t u r e n o w p r e s e n t a t t h e s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e m a y e n c o u r a g e t h e g r o w t h o f m i c r o s c o p i c o r m a c r o s c o p i c i c e l e n s e s n e a r t h e s u r f a c e , w h e r e i c e f o r m a t i o n c a n s t i l l o c c u r . O s m o s i s h a s a l s o b e e n s u g g e s t e d a s a m e c h a n i s m o f s a l t s c a l i n g . D e - i c i n g c h e m i c a l s c a n a c c u m u l a t e i n t h e c o n c r e t e j u s t b e l o w t h e s u r f a c e o f t h e c o n c r e t e t o f o r m r e l a t i v e l y c o n c e n t r a t e d s o l u t i o n s . W h e n r a i n w a t e r a c c u m u l a t e s o n t h e s u r f a c e , t h e p h e n o m e n o n o f o s m o s i s o c c u r s , w h e r e b y w a t e r fl o w s t o e q u a l i z e c o n c e n t r a t i o n d i f f e r e n c e s . C o n s i d e r a b l e o s m o t i c ( h y d r a u l i c ) p r e s s u r e s c a n b e c r e a t e d b y t h i s e f f e c t , c a u s i n g r u p t u r e o f p a s t e s . T h e m o s t d a m a g e u s u a l l y o c c u r s i n t h e l a t e w i n t e r a t p l a c e s w h e r e r a i n w a t e r c a n a c c u m u l a t e a n d r e m a i n f o r s o m e t i m e . S c a l i n g i s m o s t l i k e l y t o o c c u r o n s u r f a c e s t h a t h a v e b e e n o v e r v i b r a t e d , t r o w e l l e d t o o e a r l y a n d t o o l o n g , s u b j e c t e d t o p l a s t i c s h r i n k a g e , o r w h e r e e x c e s s i v e b l e e d i n g o c c u r r e d . S u c h s u r f a c e s t e n d t o h a v e a w e a k l a y e r o f p a s t e o r m o r t a r e i t h e r a t t h e s u r f a c e o r j u s t b e l o w , a n d m a y h a v e m i c r o c r a c k s o r b l e e d i n g c h a n n e l s t h a t c a n t r a n s p o r t 2 1 6 s u r f a c e s o l u t i o n s t o l o w e r l e v e l s . C a r e f u l a t t e n t i o n t o m i x d e s i g n , p l a c i n g , a n d fi n i s h i n g s h o u l d e l i m i n a t e m a n y p o t e n t i a l p r o b l e m s . T a b l e 6 . 2 i n d i c a t e s t h e r e c o m m e n d e d c u r i n g t i m e s f o r a i r - e n t r a i n e d p a v e m e n t s . I f a d e q u a t e m o i s t c u r i n g i s f o l l o w e d b y a p e r i o d o f d r y i n g b e f o r e d e - i c i n g c h e m i c a l s a r e a p p l i e d , s c a l i n g s h o u l d n o t b e a p r o b l e m . A S T M C - 6 7 2 i s u s e d f o r a s s e s s i n g s c a l i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s u r f a c e s . A s o l u t i o n o f C a C 1 2 ( C a l c i u m c h l o r i d e ) i s p o n d e d 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 , w h i c h a r e t h e n s u b j e c t e d t o f r e e z i n g - t h a w i n g c y c l e s . ( T h e f r e e z e - t h a w c y c l e s a r e n o t t h e s a m e a s 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 t e s t s ) . V i s u a l e x a m i n a t i o n o f t h e s u r f a c e a r e m a d e e v e r y fi v e c y c l e s . T a b l e 6 . 2 . M i n i m u m M o i s t - C u r i n g T i m e s t o D e v e l o p S a l t S c a l i n g R e s i s t a n c e . [ 5 8 ] M i n i m u m C u r i n g P e r i o d ( d a y s ) C e m e n t T y p e A c c e l e r a t i o n ( C a C l z ) 2 3 ° C ( 7 3 ° F ) 4 ° C ( 3 9 ° F ) - 4 ° c ( 2 5 ° F ) 0 7 1 5 > 6 0 I 2 7 7 3 0 0 7 1 2 3 5 H 2 7 7 2 8 I I I 0 7 2 4 C o n c r e t e S p e c i m e n M o r t a r D i k e / ’ 0 . 5 i n . / / / / / 3 . 0 i n . 7 . 5 i n . P 4 1 0 . 0 i n . F i g u r e 6 . 2 . S p e c i m e n U s e d i n S c a l i n g T e s t . [ 5 8 ] 6 . 3 . 4 S U L F A T E A T T A C K P e r h a p s t h e m o s t w i d e s p r e a d a n d c o m m o n f o r m o f c h e m i c a l a t t a c k i s t h e a c t i o n o f s u l f a t e s o n c o n c r e t e . S u l f a t e s a r e o f t e n p r e s e n t i n g r o u n d w a t e r , p a r t i c u l a r l y w h e n h i g h p r o p o r t i o n s o f c l a y a r e p r e s e n t i n t h e s o i l , a n d s e a w a t e r h a s s u l f a t e s a s a m a j o r c o n s t i t u e n t . G r o u n d w a t e r m a y h a v e l o c a l c o n c e n t r a t i o n s o f s u l f a t e s i n t h e v i c i n i t y o f i n d u s t r i a l w a s t e s s u c h a s m i n e t a i l i n g s , s l a g h e a p s , a n d r u b b l e fi l l s . S u l f a t e s p r e s e n t i n r a i n w a t e r f r o m a i r p o l l u t i o n , o r p r o d u c e d b y b i o l o g i c a l g r o w t h s , m a y c a u s e s l o w d e t e r i o r a t i o n e v e n i n c o n c r e t e a b o v e g r o u n d . S u l f a t e a t t a c k i s a c t u a l l y a r a t h e r c o m p l e x p r o c e s s w h i c h m a y i n v o l v e a n u m b e r o f s e c o n d a r y p r o c e s s e s . H o w e v e r , l a b o r a t o r y a n d fi e l d e x p e r i e n c e s h a v e d e fi n i t e l y 2 1 8 e s t a b l i s h e d a c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e C 3 A c o n t e n t o f a P o r t l a n d c e m e n t a n d i t s s u s c e p t i b i l i t y t o s u l f a t e a t t a c k . T h e m a j o r c a u s e i s s u l f o a l u m i n a t e c o r r o s i o n , i n w h i c h e t t r i n g i t e i s f o r m e d f r o m m o n o s u l f o a l u m i n a t e : € 4 8 l e + 2 C S H 2 + 1 6 H - - > C 6 A S 3 H 3 2 T h i s i s a c c o m p a n i e d b y a v e r y l a r g e i n c r e a s e i s s o l i d v o l u m e w h i c h c a u s e s a v o l u m e e x p a n s i o n w i t h i n t h e p a s t e a n d w h i c h g e n e r a t e s a c c o m p a n y i n g i n t e r n a l s t r e s s e s a n d u l t i m a t e l y l e a d s t o c r a c k i n g . S u l f o a l u m i n a t e a t t a c k i s i n i t i a t e d b y a n i n i t i a l r e a c t i o n b e t w e e n s u l f a t e i o n s a n d C a l c i u m h y d r o x i d e : C H + S O 4 2 ' ( a q ) < = = = = = > C S H Z O H ' ( a q ) T h i s r e a c t i o n c a n b e d e s c r i b e d a s a g y p s u m c o r r o s i o n , s i n c e i t i s a l s o a n e x p a n s i v e r e a c t i o n , b u t g y p s u m c o r r o s i o n o n l y c o n t r i b u t e s d i r e c t l y t o c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n a t c o n c e n t r a t i o n s o f s u l f a t e i o n s a b o v e 1 0 0 0 p p m a n d r e m a i n s o f s e c o n d a r y i m p o r t a n c e u n t i l m u c h h i g h e r l e v e l s a r e r e a c h e d ( i n e x c e s s o f 4 0 0 0 p p m ) . A t l o w l e v e l s o f s u l f a t e c o n c e n t r a t i o n , t h e i m p o r t a n c e o f t h e r e a c t i o n e x p r e s s e d i n t h e a b o v e e q u a t i o n i s t h a t i t e n c o u r a g e s t h e p e n e t r a t i o n o f s u l f a t e i o n s i n t o t h e c o n c r e t e a n d c o n c e n t r a t e s t h e m i n a f o r m i n w h i c h t h e y c a n r e a c t d i r e c t l y w i t h m o n o s u l f o a l u m i n a t e . A t p r e s e n t , n o s t a n d a r d A S T M t e s t e x i s t s f o r a s s e s s i n g t h e s u l f a t e r e s i s t a n c e o f a c o n c r e t e , a n d p r e d i c t i o n s o f p e r f o r m a n c e c a n n o t b e m a d e w i t h c e r t a i n t y . T h e r e i s s t i l l n o s a t i s f a c t o r y r a p i d t e s t f o r s u l f a t e a t t a c k , a n d m a n y d i f f e r e n t a p p r o a c h e s h a v e b e e n u s e d . A S T M C - 4 5 2 , w h i c h i s p r o p o s e d f o r r e s e a r c h p u r p o s e s o n l y , u s e s a n a b n o r m a l l y h i g h g y p s u m c o n t e n t i n t h e c e m e n t t o t e s t f o r s u l f a t e r e s i s t a n c e . I t i s a t e s t f o r t h e 2 1 9 c e m e n t o n l y , n o t f o r c o n c r e t e . T h i s p r o c e d u r e h a s s e v e r a l d r a w b a c k s , t h e m a j o r o b j e c t i o n s b e i n g t h a t t h e t e s t i s t o o s l o w f o r u s e a s a r o u t i n e s p e c i fi c a t i o n t e s t i s t o o s l o w f o r u s e a s a r o u t i n e s p e c i fi c a t i o n t e s t , t h a t t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e d o e s n o t n e c e s s a r i l y p a r a l l e l t h e b e h a v i o r o f m o r t a r b a r s , a n d t h a t r e a l i s t i c e x p o s u r e c o n d i t i o n s a r e n o t r e p r o d u c e d . F u r t h e r m o r e , t e s t t h a t a r e u s e d w i t h p o r t l a n d c e m e n t s d o e n o t a l w a y s a d e q u a t e l y a s s e s s t h e b e h a v i o r o f c e m e n t s b l e n d e d w i t h p o z z o l a n s o r s l a g s . R e s t r a i n e d c o n c r e t e e x p a n s i o n s p e c i m e n s ( w i t h s i z e s a s i n d i c a t e d i n A S T M C - 8 7 8 ) w e r e s u b m e r g e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i n t o w a t e r w i t h 5 % s o d i u m s u l f a t e s o l u t i o n , a f t e r 2 8 d a y s o f l i m e s a t u r a t e d m o i s t c u r i n g . E x p a n s i o n m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e a t r e g u l a r t i m e i n t e r v a l s i n o r d e r t o d e t e r m i n e i f t h e r e i s a n y e x p a n s i o n a s s o c i a t e d w i t h s u l f a t e e f f e c t . 6 . 3 . 5 F R E E Z E - T H A W D U R A B I L I T Y S e v e r a l d i f f e r e n t p r o c e s s e s c a n c o n t r i b u t e t o p a s t e b e h a v i o r d u r i n g f r e e z i n g . T h e s e a r e g e n e r a t i o n o f h y d r a u l i c p r e s s u r e b y i c e f o r m a t i o n , d e s o r p t i o n o f w a t e r f r o m C - S - H , a n d s e g r e g a t i o n o f i c e . A 9 % v o l u m e i n c r e a s e o c c u r s a s w a t e r t u r n s t o i c e , b u t t h i s c h a n g e i s i n s u f fi c i e n t t o a c c o u n t f o r a l l o f t h e d i l a t i o n o b s e r v e d i n c e m e n t p a s t e a n d i n c o n c r e t e . S o m e o f t h e d i l a t i o n t h a t o c c u r s o n fi r s t f r e e z i n g i s p r o b a b l y d u e t o d i r e c t e x p a n s i o n o f i c e i n m i c r o c r a c k s , a n d t h i s w i l l b e i n c r e a s e d i f p r o g r e s s i v e m i c r o c r a c k i n g o c c u r s d u r i n g c o n t i n u e d 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 , t h e m a j o r d i l a t i o n t h a t o c c u r s w a s a t t r i b u t e d b y P o w e r s t o t h e g e n e r a t i o n o f h y d r a u l i c p r e s s u r e . A s i c e f o r m s i n a c a p i l l a r y , t h e a c c o m p a n y i n g v o l u m e 2 2 0 i n c r e a s e c a u s e s t h e r e s i d u a l w a t e r t o b e c o m p r e s s e d . T h i s p r e s s u r e c a n b e r e l i e v e d i f t h e w a t e r c a n e s c a p e f r o m t h e c a p i l l a r y t o a f r e e s p a c e b y d i f f u s i n g t h r o u g h u n f r o z e n p o r e s , b u t i f t h e w a t e r h a s t o o f a r t o m o v e t o a n e s c a p e b o u n d a r y , t h e c a p i l l a r y w i l l t e n d t o d i l a t e a n d t h e s u r r o u n d i n g m a t e r i a l w i l l c o m e u n d e r s t r e s s ( s e e F i g u r e 6 . 3 ) . T h e s u p e r p o s i t i o n o f p r e s s u r e f r o m a d j a c e n t c a p i l l a r i e s w i l l e v e n t u a l l y c a u s e 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 t o b e e x c w d e d a n d r u p t u r e w i l l o c c u r . A s t h e t e m p e r a t u r e i s p r o g r e s s i v e l y l o w e r e d , m o r e c a p i l l a r y w a t e r i s i n v o l v e d i n f r e e z i n g , i n c r e a s i n g t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e s a n d t h e r e b y i n c r e a s i n g m i c r o c r a c k i n g a n d d i l a t i o n . I n a s a t u r a t e d n o n - a i r - e n t r a i n e d p a s t e , t h e o n l y f r e e s p a c e i s t h e e x t e r i o r o f t h e s p e c i m e n , a n d t h e d i f f u s i o n o f w a t e r t o t h e o u t s i d e i s t o o s l o w t o r e l i e v e t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e . T h u s , t h e i n c l u s i o n o f e n t r a i n e d a i r p r o v i d e s e m p t y s p a c e w i t h i n t h e p a s t e t o w h i c h t h e e x c e s s w a t e r c a n m o v e a n d f r e e z e w i t h o u t d a m a g e . T h e b u b b l e s a c t a s “ s a f e t y v a l v e s ” a n d t h e s p a c i n g f a c t o r d e t e r m i n e s t h e a v e r a g e d i s t a n c e t h e w a t e r m u s t t r a v e l t o r e a c h t h e f r e e s p a c e . T h i s d i s t a n c e m u s t n o t b e t o o g r e a t i f h y d r a u l i c p r e s s u r e i s t o b e r e l i e v e d : h e n c e t h e r e q u i r e m e n t o f a c r i t i c a l s p a c i n g f a c t o r . A n u m b e r o f d i f f e r e n t t e s t s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o a s s e s s t h e l o n g - t e r m 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 i n v o l v e s u b j e c t i n g c o n c r e t e t o d i f f e r e n t f r e e z e - t h a w c y c l e s a n d m e a s u r i n g t h e p r o g r e s s i v e i n t e r n a l d a m a g e b y m o n i t o r i n g w e i g h t l o s s , l e n g t h c h a n g e ( d i l a t i o n ) , d e c r e a s e i n s t r e n g t h , o r d y n a m i c m o d u l u s o f e l a s t i c i t y . T e s t s d i f f e r i n t h e n a t u r e o f t h e f r e e z e - t h a w c y c l e u s e d a n d t h e c o n d i t i o n 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 , b u t a l l t e s t s a r e a r b i t r a r y , s i n c e t h e y i n v o l v e o n l y o n e s e t o f c o n d i t i o n s . A s w e h a v e s e e n , t h e p o t e n t i a l f o r f r o s t d a m a g e d e p e n d s o n r a t e o f f r e e z i n g , w / c r a t i o , t i m e o f m o i s t 2 2 1 c u r i n g , a n d d e g r e e o f s a t u r a t i o n , a n d t h e s e m a y v a r y w i d e l y i n a c t u a l s e r v i c e c o n d i t i o n s . T h u s , p r e d i c t i o n s f r o m f r e e z e - t h a w t e s t s a r e n o t a l w a y s a g o o d i n d i c a t i o n o f a c t u a l s e r v i c e p e r f o r m a n c e , a n d r e s u l t s s h o u l d b e t r e a t e d w i t h c a u t i o n . T h e s t a n d a r d m e t h o d o f t e s t d e s c r i b e d i n A S T M C - 6 6 6 p r e s c r i b e s a c o o l i n g a n d h e a t i n g c y c l e b e t w e e n 4 . 4 a n d - 1 7 . 8 ° C ( 4 0 t o 0 ° F ) a t a r a t e o f c o o l i n g i n t h e r a n g e o f 1 2 . 2 t o 1 4 . 4 ° C / h ( 2 2 t o 2 6 ° F / h ) F r e e z i n g c a n b e d o n e w h i l e t h e s p e c i m e n i s i n a i r ( p r o c e d u r e A ) o r i m m e r s e d i n w a t e r ( p r o c e d u r e B ) , b u t i t i s t h a w e d i n w a t e r i n b o t h c a s e s . T h e t e s t i s c o n t i n u e d ( e i t h e r c o n t i n u o u s l y o r i n t e r m i t t e n t l y ) u n t i l 3 0 0 c y c l e s o r u n t i l t h e d y n a m i c m o d u l u s h a s r e a c h e d 6 0 % o f i t s i n i t i a l v a l u e , w h i c h e v e r o c c u r s fi r s t . A d u r a b i l i t y f a c t o r ( D . F . ) c a n t h e n b e c a l c u l a t e d : D . F . = P x N / 3 0 0 w h e r e P i s t h e p e r c e n t a g e o f t h e i n i t i a l d y n a m i c m o d u l u s a f t e r N c y c l e s . T h e r e a r e n o d e fi n i t e v a l u e s o f t h e d u r a b i l i t y f a c t o r f o r a c c e p t a n c e o r r e j e c t i o n o f t h e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o t h i s t e s t . A v a l u e o f l e s s t h a n 4 0 s u g g e s t t h a t t h e c o n c r e t e m a y b e u n s a t i s f a c t o r y , w h e r e a s a b o v e 6 0 i t i s l i k e l y t o p e r f o r m w e l l , b u t t h e r e i s n o g u a r a n t e e t h a t t h i s p r e d i c t i o n w i l l h o l d t r u e . A m a j o r o b j e c t i o n t o A S T M 0 6 6 6 i s t h e u n r e a l i s t i c a l l y h i g h r a t e o f f r e e z i n g , s i n c e i n t h e fi e l d r a t e s e x c e e d i n g 3 ° C / h ( 5 ° F / h ) a r e r a r e l y e n c o u n t e r e d . A S T M C - 6 7 1 o v e r c o m e s t h i s o b j e c t i o n b y s p e c i f y i n g o n e f r e e z e - t h a w c y c l e e v e r y 2 w e e k s , e m p l o y i n g t h i s r a t e o f f r e e z i n g , w i t h a r a p i d t h a w i n g r e g i m e . D a m a g e i s m o n i t o r e d b y m e a s u r i n g l i n e a r e x p a n s i o n d u r i n g t h e t e s t s , w h i c h i s c o n t i n u e d u n t i l c r i t i c a l d i l a t i o n ( i . e . , u n t i l d i l a t i o n b e g i n s t o i n c r e a s e s h a r p l y ) o r t h e d e s i r e d n u m b e r o f c y c l e s i s c o m p l e t e d . T h i s + ) m i x r ( a r o c r a c k @ \ 4 i / M — , ‘ c i i » i ’ ’ t * i " ‘ ' m ® G ; m e y N o n A i r E n t r a i n e d P a s t e ( b ) A i X t i / @ l ” — + r % ; e \ 1 t r E n t r a i n e d P a s t e s t o ( m W a f a l r e t r e e o v z r e ° s l i i t g t r d e r a r t e 0 l 0 i - > Z e 2 2 2 t e s t a l l o w s t h e u s e r t o s p e c i f y t h e c u r i n g h i s t o r y o f t h e s p e c i m e n a n d t h e e x p o s u r e c o n d i t i o n s t o m o s t n e a r l y m a t c h t h e e x p e c t e d s e r v i c e c o n d i t i o n s . T h e A S T M C - 6 6 6 p r o c e d u r e B w a s a d o p t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . “ _ A F i g u r e 6 . 3 . C r e a t i o n o f h y d r a u l i c p r e s s u r e i n f r o z e n c e m e n t p a s t e : ( a ) n o n - a i r - e n t r a i n e d p a s t e ; ( b ) a i r - e n t r a i n e d p a s t e . [ 5 8 ] 2 2 3 6 . 3 . 6 C O R R O S I O N O F E M B E D D E D S T E E L T h e c o r r o s i o n t e s t w e r e c o n d u c t e d u s i n g 7 5 x 1 5 0 m m ( 3 x 6 i n ) c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s w i t h 1 2 m m ( 0 . 5 i n ) d i a m e t e r r e b a r s p l a c e d a l o n g t h e i r l o n g i t u d i n a l a x i s . c y l i n d r i c a l a l u m i n u m a l l o y m o l d s w e r e u s e d w i t h s o m e m o d i fi c a t i o n s i n o r d e r t o b e a b l e t o h o l d t h e s t e e l r e i n f o r c e m e n t i n t h e m i d d l e o f t h e s p e c i m e n a n d t o p r o v i d e u n i f o r m c o v e r t h i c k n e s s t h r o u g h o u t . I n t h i s a r r a n g e m e n t ( s e e F i g u r e 6 . 8 ) t h e c y l i n d r i c a l p a r t o f t h e m o l d r e s t s o n a p l a t e h a v i n g a h o l e i n t h e m i d d l e s u c h t h a t t h e c e n t e r o f t h e h o l e c o i n c i d e s w i t h t h e c y l i n d e r a x i s a l o n g w h i c h t h e r e i n f o r c i n g b a r i s p l a c e d . T h r e a d e d r o d s s u p p o r t t h i s p l a t e t o a b a s e p l a t e . T h e l a t t e r h a s a g r o o v e a l i g n e d w i t h t h e h o l e i n t h e u p p e r p l a t e s o t h a t t h e r e i n f o r c i n g s t e e l b a r p a s s e s t h r o u g h t h e h o l e i n t h e u p p e r p l a t e a n d r e s t s o n t h e g r o o v e p r o v i d e d i n t h e b a s e p l a t e . B e f o r e c a s t i n g t h e s p e c i m e n s , t h e m o l d s w e r e c o a t e d w i t h a t h i n l a y e r o f m i n e r a l o i l a n d t h e n a 1 2 . 5 m m ( 0 . 5 i n ) d i a m e t e r s t e e l b a r w a s p l a c e d . T h e p o u r i n g o f c o n c r e t e i n t o t h e m o l d s w a s p e r f o r m e d a t t h r e e l a y e r s o f o n e - t h i r d t h e c y l i n d e r ’ s h e i g h t . E x t e r n a l v i b r a t i o n b y m e a n s o f a v i b r a t i n g t a b l e w a s a p p l i e d t o c o m p a c t t h e c o n c r e t e , a n d t r o w e l i n g w a s p e r f o r m e d t o s m o o t h e n t h e fi n i s h e d s u r f a c e . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n c o v e r e d w i t h a w e t b u r l a p t o p p e d w i t h a p o l y e t h y l e n e s h e e t t o p r e v e n t w a t e r e v a p o r a t i o n f r o m t h e u n h y d r a t e d c o n c r e t e . D e m o l d i n g o f s p e c i m e n s f r o m t h e m o l d s w a s d o n e a f t e r 2 4 h o u r s . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n p l a c e d i n m o i s t c u r i n g r o o m f o r 6 0 d a y s b e f o r e c o r r o s i o n m e a s u r e m e n t s . I n t h e c o r r o s i o n t e s t p r o g r a m , t h e s p e c i m e n s w e r e p l a c e d i n a t a n k a n d p a r t i a l l y i m m e r s e d i n a 5 % s o d i u m c h l o r i d e s o l u t i o n . T h e l e v e l o f s o l u t i o n w a s k e p t a t t w i c e t h e c o v e r t h i c k n e s s . C o r r o s i o n w a s m o n i t o r e d b y o b t a i n i n g h a l f - c e l l p o t e n t i a l s o f t h e 2 2 4 e m b e d d e d s t e e l a t r e g u l a r t i m e i n t e r v a l s u s i n g m i l l i v o l t m e t e r . A S T M C - 8 7 6 p r o v i d e s t h e c l a s s i fi c a t i o n s h o w n i n T a b l e 6 . 3 f o r a s s e s s i n g t h e r e s u l t s o f t h e h a l f c e l l t e s t : T a b l e 6 . 3 . A S T M C - 8 7 6 H a l f - C e l l T e s t C l a s s i fi c a t i o n M e a s u r e d P o t e n t i a l ( m V ) S t a t i s t i c a l R i s k o f C o r r o s i o n ( % ) L e s s t h a n — 3 5 0 9 0 B e t w e e n - 3 5 0 a n d — 2 0 0 5 0 G r e a t e r t h a n - 2 0 0 1 0 F i g u r e 6 . 4 . A r r a n g e m e n t o f M o l d s f o r C o r r o s i o n S p e c i m e n 2 2 5 6 . 3 . 7 H O T W A T E R I M M E R S I O N A n y d e l e t e r i o u s c h e m i c a l r e a c t i o n s , w h i c h c o u l d p o s s i b l y t a k e p l a c e b e t w e e n p o w d e r s a n d c e m e n t , w o u l d b e p o t e n t i a l l y a c c e l e r a t e d w h e n t h e s p e c i m e n s a r e i m m e r s e d i n h o t w a t e r . A f t e r 7 d a y s o f m o i s t c u r i n g , t h r e e s p e c i m e n s f r o m e a c h m i x w e r e i m m e r s e d i n h o t w a t e r a t 6 0 ° C ( 1 4 0 ° F ) f o r 2 1 d a y s b e f o r e fl e x u r a l s t r e n g t h m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e . 6 . 4 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S 6 . 4 . 1 A B R A S I O N R E S I S T A N C E T h e a b r a s i o n t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 5 . A n a l y s i s o f v a r i a n c e o f r e s u l t s f o l l o w e d b y m u l t i p l e c o m p a r i s o n s i n d i c a t e d t h a t , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , a l l t h e c o n c r e t e m i x t u r e s c o n s i d e r e d p r o d u c e d c o m p a r a b l e r e s i s t a n c e t o a b r a s i o n e f f e c t s . ) s m a r g ( N s r O I S A R B A F i g u r e 6 . 5 . A r b e r p a l s i c i a o t n i o R n e s ) s . i s t a n c e T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s - 3 2 2 6 . . . . . . . . . . . . . . T y p e l T y p e K P P G S B P P G W B P O W D E R T Y P E 2 2 7 6 . 4 . 2 C H L O R I D E P E R M E A B I L I T Y T h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 6 . A n a l y s i s o f v a r i a n c e a n d m u l t i p l e c o m p a r i s o n o f r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e : * T y p e I c e m e n t p r o d u c e d t h e h i g h e s t p e r m e a b i l i t y , s t a t i s t i c a l l y d i f f e r e n t f r o m a l l o t h e r s e x c e p t f o r t h e c o n c r e t e w i t h P P G W a t e r - b a s e d p a i n t s l u d g e p o w d e r . * T y p e K c e m e n t a n d P P G S o l v e n t - b a s e d p o w d e r s p r o d u c e d t h e l o w e s t , a n d s t a t i s t i c a l l y c o m p a r a b l e , l e v e l s o f p e r m e a b i l i t y . I n g e n e r a l , u s i n g c o n v e n t i o n a l T y p e I P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e a s a b a s i c , t h e p r e s e n c e o f p o w d e r s i n c o n c r e t e e i t h e r d i d n o t c h a n g e o r i m p r o v e d p e r m e a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s . 1 0 0 0 0 g l l ) S b m o l u o C ( Y T I L I B A E M R E P s o o o — - - - - - - - - - - 5 : g 5 . . . . . . T . . . . . . . . . _ 2 2 8 9 0 0 0 _ . . . . . . . . . . . . . . . é m n m u m u é . . . . . . . . . . . . . . . . é . . . . . . . . . . . . . . . . é . . . . . . . . . . . . . . J 8 0 0 0 7 0 0 0 p n m n u § a z u . . . . . . . . . . . . g . . . . . . . . . . . . . . . . é . . . . . . . . . . . . . . . . : . . . . . . . . . . . . . . _ 6 0 0 0 _ “ m n n fi fi fi . n m u m é . . . . . . . . . . . . . . . . E . . . . . . . . . . 5 5 3 . . . . . . . . . . 2 5 0 0 0 _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . é ; . . . . . g . . . . . . . E . . . . . . . . . . _ 4 0 0 0 _ . . . . . . . . . . - S . m g . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . . a . - e n o . e n o . e v s - e e . . e . 0 - n u s s s s - e . _ _ j — e e e e e e e e e e e . . . . . o o o o o o o . . e e e e e e e e e e e e e c — ‘ I . s o . . e n o . u - . v n o n e w - - I I s e n . e s o s o : ~ 3 a s o u r ~ 0 n o s e e - . o o o o o o o o o o o : : e o n o o o o o e : : : 3 3 2 2 3 3 3 " y p e i T y p e K P P G S B P P G W B P O W D E R T Y P E 1 0 0 0 F i g u r e 6 . 6 . R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s - 3 r e p l i c a t i o n s ) . 2 2 9 6 . 4 . 3 F R E E Z E - T H A W D U R A B I L I T Y T h e d u r a b i l i t y f a c t o r s o b t a i n e d f r o m 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 s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 7 . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h e t w o p o w d e r s 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 w h i c h w e r e h i g h e r t h a n t h o s e o b t a i n e d w i t h T y p e I a n d T y p e K c e m e n t s . T y p e I a n d T y p e K c e m e n t s p r o d u c e d c o m p a r a b l e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y f a c t o r s . u o I I o a I I e n I - I I e u c I I I I . . . - . . . . . - . I - o H O i O V d A l l — I I S V H D C ] s a t e s 8 5 8 : 8 e 3 2 a 2 8 . 6 2 3 0 m S E E S % fi é o e m . 3 2 : 5 w a i $ 0 3 8 9 5 % . m m o n n . x 8 3 . 8 ? . . . - I I I I I . I I I e I e - I I I I I e e I - I I . I I I I I I I . I I I I I - I I I - I I I I I I I - I I I I I I I I I I I I e I I I I I I I I I I I I I l l l r . . . . . . . a . . [ I I I I I I I I I I I I I I I e I I I I I I I I I I I I I I I I l X I I I I I I I I I I I I I I I u I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I . . . . . I . . . . . . . . . . . - . . . V . . . . . . v I . v I I I I I I I I I I I I I . . . I . . I - I I I I - q u I i o r p n u l I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I - I I I I - I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I - T I I I I I I e I I 0 I I I e I I I I I I I e I I e . 1 - I I I I I I I I I I I I I J I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I . I I I I I I I . ‘ I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I m h . . . I I I I I I I _ . . . - I I I p - I I I I I e I I I 2 3 1 6 . 4 . 4 S C A L I N G R E S I S T A N C E A n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e s c a l i n g r e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e 6 . 4 i n d i c a t e d t h a t a l l t h e c o n c r e t e m i x t u r e s c o n d u c t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n p r o d u c e d , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , c o m p a r a b l e r e s i s t a n c e t o d e i c e r s a l t s c a l i n g . T a b l e 6 . 4 S c a l i n g R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s . T e s t M a t e r i a l s N u m b e r o f C y c l e s R a t i n g P l a i n C o n c r e t e 5 0 1 T y p e K C e m e n t 5 0 2 P P G S o l v e n t - B a s e d 5 0 1 P P G W a t e r - B a s e d 5 0 2 O = N o S c a l i n g , 1 = V e r y S l i g h t S c a l i n g , 2 = S l i g h t t o M o d e r a t e S c a l i n g . 6 . 4 . 5 S U L F A T E A T T A C K T h e s u l f a t e r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 8 . A f t e r 2 8 - d a y s o f m o i s t c u r i n g i n l i m e s a t u r a t e d w a t e r , t h e s p e c i m e n s w e r e t h e n i m m e r s e d i n s u l f a t e s o l u t i o n a n d t h e e x p a n s i o n m e a s u r e m e n t s w e r e t a k e n d a i l y f o r 1 8 0 d a y s . T h e t w o p o w d e r s p r o d u c e d c o n c r e t e s w h i c h s h o w e d i m p r o v e d s u l f a t e r e s i s t a n c e , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , w h e n c o m p a r e d w i t h T y p e K c e m e n t . I . y ; r z 1 . 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 . . . . . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 8 7 5 6 ) % ( N O I S N A P X E F i g u r e 6 . 8 . S r u e l p f l a i t c e a t R i e o s n ) i . s t a n c e T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s , 3 2 3 2 0 . 0 0 0 0 4 0 . 0 0 0 0 3 0 . 0 0 0 0 2 0 . 0 0 0 0 1 0 . 0 0 0 0 0 P O W D E R T Y P E 0 0 0 0 0 0 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 O 0 0 O 0 n m v — ' 5 l g 5 I 0 M 5 fi fi fi ‘ é ’ é fi g 1 I 0 T y i . l E I l , i ; 0 i T T P P . T , y y P P . w p p G G e e - - l S K W " " 3 r — ' i . . . B " - 8 . " “ . ‘ 4 “ , " t 0 . - m a " " E . i l , 1 i I 0 0 2 5 0 “ . a 4 . . " ’ 4 e 3 “ - - B § - " 2 U . . $ 3 5 . 5 . . . . 5 . . . " " " " m e ( D . a 5 3 1 1 - 5 0 y s ) 2 3 3 C o r r o s i o n P o t e n t i a l s ( m V ) F i g u r e 6 . 9 . C o r r o s i o n P o t e n t i a l s T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l ) . 6 . 4 . 6 C O R R O S I O N O F E M B E D D E D S T E E L T h e c o r r o s i o n t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 9 . A n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e r e s u l t s s u g g e s t e d , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h a t t h e c o r r o s i o n p r o t e c t i o n q u a l i t i e s o b t a i n e d w i t h t h e p o w d e r s a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h T y p e I a n d K c e m e n t s . 2 3 4 6 . 4 . 7 H O T W A T E R I M M E R S I O N T h e fl e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s a f t e r h o t w a t e r i m m e r s i o n a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 1 0 . A n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , a l l c o n c r e t e m i x t u r e s c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n p e r f o r m e d s i m i l a r l y a f t e r i m m e r s i o n i n w a t e r . ) i s K ( H T G N E R T S L A R U X E L F 2 3 5 0 ' 9 ! T i i T y p e l T y p e K P P G S B P P G W B P O W D E R T Y P E F i g u r e 6 . 1 0 . H o t W a t e r D u r a b i l i t y T e s t R e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s , 3 r e p l i c a t i o n s ) . 2 3 6 6 . 5 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g t w o p o w d e r t y p e ( P P G S o l v e n t - b a s e d a n d P P G W a t e r - b a s e d ) a s w e l l a s c o n c r e t e m a t e r i a l s m a d e w i t h T y p e K c e m e n t s , w e r e s u b j e c t e d t o v a r i o u s a c c e l e r a t e d d u r a b i l i t y t e s t s i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e i r r e s i s t a n c e t o 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 a u s e s o f d e t e r i o r a t i o n . T h e d u r a b i l i t y r e l a t e d t e s t s c o n d u c t e d w e r e : * A b r a s i o n R e s i s t a n c e * C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y * F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y * D e - i c e r S a l t S c a l i n g * S u l f a t e A t t a c k * C o r r o s i o n o f E m b e d d e d S t e e l * H o t W a t e r I m m e r s i o n T h e r e s u l t s o f a c c e l e r a t e d a g i n g t e s t s w e r e a n a l y z e d s t a t i s t i c a l l y . I t w a s c o n c l u d e d t h a t s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g p a i n t s l u d g e p o w d e r s 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 w h i c h a r e g e n e r a l l y c o m p a r a b l e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h T y p e I a n d T y p e K c e m e n t s . T h e r e s i s t a n c e t o a b r a s i o n , d e i c e r s a l t s c a l i n g , c o r r o s i o n a n d h o t w a t e r i m m e r s i o n w e r e s t a t i s t i c a l l y c o m p a r a b l e i n a l l c o n c r e t e m i x t u r e s c o n s i d e r e d . T h e p o w d e r s p r o d u c e d b e t t e r 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 y p e I a n d K c e m e n t s a n d b e t t e r s u l f a t e r e s i s t a n c e t h a n T y p e K c e m e n t s ; t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t i e s o b t a i n e d w i t h c o n v e n t i o n a l T y p e I P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . C H A P T E R V I I G E N E R A L S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S 7 . 1 I N T R O D U C T I O N T h e f e a s i b i l i t y o f p r o d u c i n g d e s i r a b l e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n q u a l i t i e s f o r t h e p u r p o s e o f c o m p e n s a t i n g f o r d r y i n g s h r i n k a g e e f f e c t s u s i n g p a i n t s l u d g e p o w d e r ( a n i n d u s t r i a l b y - p r o d u c t ) w a s d e m o n s t r a t e d . T h e m e c h a n i s m s r e s p o n s i b l e f o r t h e e x p a n s i v e q u a l i t i e s o f t h i s b y - p r o d u c t w e r e i n v e s t i g a t e d . T h e p h y s i c a l , m e c h a n i c a l 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 s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g t h e b y - p r o d u c t w e r e e x a m i n e d t h r o u g h a c o m p r e h 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 . 7 . 2 D E V E L O P M E N T O F E X P A N S I V E C E M E N T W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R A x i a l l y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t s w e r e c o n d u c t e d o n m o r t a r ( A S T M C - 8 0 6 ) a n d c o n c r e t e ( A S T M C - 8 7 8 ) m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g 0 . 5 9 6 , 1 % a n d 1 . 5 9 6 p a i n t s l u d g e P o w d e r s ( b y w e i g h t o f c e m e n t ) , a n d a l s o o n e x p a n s i v e c e m e n t a n d c o n v e n t i o n a l c e m e n t m o r t a r a n d c o n c r e t e m a t e r i a l s . T h e m o r t a r t e s t r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e P P G S o l v e n t - b a s e d ( P P G - S B ) a n d P P G W a t e r - B a s e d ( P P G - W B ) p o w d e r s a t 1 % s u b s t i t u t i o n l e v e l ( b y w e i g h t o f c e m e n t ) a r e c a p a b l e o f s a t i s f y i n g t h e A S T M r e q u i r e m e n t s o n t h e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n , s e t t i m e a n d a i r c o n t e n t o f e x p a n s i v e c e m e n t . T h e i n c r e a s e i n d o s a g e f r o m 1 % t o 1 . 5 % p r o v i d e s a n a d d e d s a f e t y f o r s a t i s f y i n g t h e A S T M r e q u i r e m e n t s o n r e s t r a i n e d e x p a n s i o n . 2 3 7 2 3 8 A S T M C - 8 7 8 d o e s n o t s p e c i f y a n y l i m i t s o n c o n c r e t e t e s t r e s u l t s . C o m p a r i s o n w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s f o r T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t t h u s p r o v i d e d t h e b a s i s f o r t h e e v a l u a t i o n o f p o w d e r s . T h e p o w d e r s p r o d u c e 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 w h i c h w e r e e s s e n t i a l l y s i m i l a r t o t h o s e o f T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t . 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 r e s t r a i n e d e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s c o u l d r e v e a l d i f f e r e n c e s i n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s w h i c h c o u l d n o t b e d e t e c t e d t h r o u g h f r e e e x p a n s i o n t e s t r e s u l t s . I t s e e m s t h a t t h e r a t e o f e x p a n s i o n ( r a t h e r t h a n t h e t o t a l a m o u n t o f f r e e e x p a n s i o n ) i s t h e k e y f a c t o r d i s t i n g u i s h i n g b e t w e e n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t p o w d e r s i n m o r t a r a n d c o n c r e t e . B e t w e e n - s h i p m e n t v a r i a t i o n s i n t h e e n d p r o d u c t q u a l i t i e s a r e n e g l i g i b l e . 7 . 3 M E C H A N I S M O F E X P A N S I O N A S S O C I A T E D W I T H P A I N T S L U D G E P O W D E R C h e m i c a l a n d m i n e r a l o g i c a l a n a l y s e s o f t h e p o w d e r s a n d r e s u l t i n g c o n c r e t e s w e r e u n d e r t a k e n i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e s o u r c e s o f e x p a n s i v e q u a l i t i e s i n p o w d e r s . C h e m i c a l a n a l y s e s i n d i c a t e d t h a t c a l c i u m c o m p o u n d s d o m i n a t e t h e c h e m i s t r y o f p o w d e r s , a n d t h o s e p o w d e r s w i t h h i g h e r c a l c i u m c o m p o u n d c o n t e n t s p r o d u c e d l a r g e r r e s t r a i n e d e x p a n s i o n s . C a l c i u m m a y p r o d u c e e x p a n s i o n t h r o u g h h y d r a t i o n o f h a r d - b u m t c a l c i u m o x i d e ( w h e n o c c u r r i n g a s C a O ) o r r e a c t i o n w i t h c e m e n t a l k a l i s ( w h e n o c c u r r i n g a s C v a ) . M i n e r a l o g i c a l a n a l y s e s i n d i c a t e d t h a t c a l c i u m i n p o w d e r s o c c u r s d o m i n a n t l y i n t h e f o r m o f C a C O 3 , s u g g e s t i n g t h a t r e a c t i o n o f c a l c i u m c a r b o n a t e w i t h c e m e n t a l k a l i s c o u l d b e t h e c a u s e o f e x p a n s i o n ; t h e f a c t t h a t h i g h e r - a l k a l i c e m e n t s p r o d u c e d s o m e w h a t h i g h e r e x p a n s i o n s w i t h t h e s e p o w d e r s f u r t h e r s u p p o r t e d t h i s h y p o t h e s i s . M i n e r a l o g i c a l a n a l y s i s 2 3 9 o f c o n c r e t e s u g g e s t e d t h a t p o w d e r s w i t h h i g h e r r e s t r a i n e d e x p a n s i v e q u a l i t i e s a l s o p r o d u c e d h i g h e r c a l c i u m h y d r o x i d e c o n t e n t s i n h a r d e n e d c o n c r e t e . 7 . 4 E F F E C T S O F M I X V A R I A B L E S A c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y , b a s e d o n f r a c t i o n a l f a c t o r i a l d e s i g n o f e x p e r i m e n t s , w a s c o n d u c t e d i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e g e n e r a l a p p l i c a b i l i t y o f p a i n t s l u d g e p o w d e r s a s e x p e n s i v e a d m i x t u r e s i n c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i v e r s e t y p e s a n d p r o p o r t i o n s o f c o n s t i t u e n t s . T h e e f f e c t s a n d i n t e r a c t i o n s o f p o w d e r t y p e a n d c o n t e n t , c e m e n t t y p e , a g g r e g a t e c o n t e n t , w a t e r c e m e n t r a t i o a n d 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 o n t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e m a t e r i a l s w e r e i n v e s t i g a t e d : 7 - d a y a n d 2 8 - d a y r e s t r a i n e d e x p a n s i o n , s e t t i m e , c o m p r e s s i o n a n d fl e x u r a l s t r e n g t h s , s l u m p , a i r c o n t e n t a n d u n i t w e i g h t . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s p r e s e n t t h e p o t e n t i a l t o b e e f f e c t i v e i n p r o v i d i n g s u f fi c i e n t r e s t r a i n e d e x p a n s i o n i n d i v e r s e c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h o u t a n y a d v e r s e e f f e c t s o n c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s . I t i s , h o w e v e r , a d v i s a b l e t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e p o w d e r s i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e c o n c r e t e m i x t u r e s u s e d i n a s p e c i fi c j o b b e f o r e i m p l e m e n t i n g a p r o j e c t i n v o l v i n g t h e u s e o f p a i n t s l u d g e p o w d e r s a s e x p a n s i v e a d m i x t u r e s . 7 . 5 D U R A B H J T Y C H A R A C T E R I S T I C S S h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g t w o p o w d e r t y p e ( P P G S o l v e n t - b a s e d a n d P P G W a t e r — b a s e d ) a s w e l l a s c o n c r e t e m a t e r i a l s m a d e w i t h T y p e K c e m e n t s , w e r e s u b j e c t e d t o v a r i o u s a c c e l e r a t e d d u r a b i l i t y t e s t s i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e i r 2 4 0 r e s i s t a n c e t o 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 a u s e s o f d e t e r i o r a t i o n . T h e d u r a b i l i t y r e l a t e d t e s t s c o n d u c t e d w e r e : * A b r a s i o n R e s i s t a n c e * C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y * F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y * D e — i c e r S a l t S c a l i n g * S u l f a t e A t t a c k * C o r r o s i o n o f E m b e d d e d S t e e l * H o t W a t e r I m m e r s i o n T h e r e s u l t s o f a c c e l e r a t e d a g i n g t e s t s w e r e a n a l y z e d s t a t i s t i c a l l y . I t w a s c o n c l u d e d t h a t s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g p a i n t s l u d g e p o w d e r s p r e s e n t 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 w h i c h a r e g e n e r a l l y c o m p a r a b l e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h T y p e I a n d T y p e K c e m e n t s . T h e r e s i s t a n c e t o a b r a s i o n , d e i c e r s a l t s c a l i n g , c o r r o s i o n a n d h o t w a t e r i m m e r s i o n w e r e s t a t i s t i c a l l y c o m p a r a b l e i n a l l c o n c r e t e m i x t u r e s c o n s i d e r e d . T h e p o w d e r s p r o d u c e d b e t t e r 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 y p e I a n d K c e m e n t s a n d b e t t e r s u l f a t e r e s i s t a n c e t h a n T y p e K c e m e n t s ; t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t i e s o b t a i n e d w i t h t h e p o w d e r s c o m p a r a b l e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h c o n v e n t i o n a l T y p e I P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e . I t m a y t h u s b e c o n c l u d e d t h a t t h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s ( a n i n d u s t r i a l b y - p r o d u c t ) i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e w h i c h a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e i n c o r p o r a t i n g c o n v e n t i o n a l ( T y p e K ) e x p a n s i v e c e m e n t s . T h e l a c k o f a n y h i g h - v o l u m e a p p l i c a t i o n f o r t h i s i n d u s t r i a l b y - p r o d u c t p r e s e n t s t h e o p p o r t u n i t y t o p r i c e i t t o b e h i g h l y c o m p e t i t i v e a n d r a p i d l y p e n e t r a t e t h e e x i s t i n g m a r k e t s o f s h r i n k a g e c o m p e n s a t i n g 2 4 1 c o n c r e t e . S u c c e s s f u l fi e l d p r o j e c t s a n d t h e fl e x i b i l i t y i n p r i c i n g m a y e v e n t u a l l y l e a d t o a n i n c r e a s e d m a r k e t s h a r e o f s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n t h e o v e r a l l c o n c r e t e m a r k e t . A P P E N D I X I P R A C T I C A L G U I D E L I N E S 1 . 1 I N T R O D U C T I O N T h e p a i n t s l u d g e p o w d e r s , w h e n u s e d i n c o n c r e t e a t a n a p p r o p r i a t e d o s a g e , p r o d u c e r e s t r a i n e d e x p a n s i o n q u a l i t i e s w h i c h a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h c o n v e n t i o n a l e x p a n s i v e c e m e n t s . A t t h e s e d o s a g e s , c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g t h e p o w d e r s w i l l p r e s e n t d e s i r a b l e s h o r t - t e r m a n d l o n g - t e r m e n g i n e e r i n g q u a l i t i e s , s i m i l a r t o t h o s e e x p e c t e d f r o m c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . H e n c e , d e s i g n , a n d c o n s t r u c t i o n p r o c e d u r e s a n d a p p l i e a t i o n fi e l d s f o r s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e s i n c o r p o r a t i n g t h e p o w d e r s w o u l d b e c o m p a r a b l e t o t h o s e u s e d f o r c o n v e n t i o n a l s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e , a s d e s c r i b e d i n c h a p t e r s 1 a n d 2 . O n e m a y u s e t h e p o w d e r s i n a l l c u r r e n t a p p l i c a t i o n s o f T y p e K c e m e n t f o l l o w i n g c o n v e n t i o n a l d e s i g n p r o c e d u r e s ( i n c l u d i n g t h o s e a p p l y i n g t o r e s t r a i n i n g r e i n f o r c e m e n t ) . 1 . 2 C O S T A N A L Y S I S S h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g T y p e K e x p a n s i v e c e m e n t o r e x p a n s i v e a d m i x t u r e s a d d 1 0 - 2 0 % t o t h e c o s t w h e n c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e ; t h e e x a c t v a l u e d e p e n d s o n t h e l o c a t i o n a n d a v a i l a b i l i t y o f e x p a n s i v e p r o d u c t s . T h e l o w e r e n d o f t h i s a d d e d c o s t i n d i c a t e s a p r i c e t a g o f a p p r o x i m a t e l y $ 6 p e r c u b i c y a r d o f c o n c r e t e f o r a d d i n g e x p a n s i v e q u a l i t i e s t o c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . 2 4 2 2 4 3 A s s u m i n g a t y p i c a l c e m e n t c o n t e n t s o f 6 0 0 l b / y d 3 a n d a p o w d e r c o n t e n t o f 1 . 5 9 6 b y w e i g h t o f c e m e n t , o n e m a y e s t i m a t e a n a p p r o x i m a t e p o w d e r d o s a g e o f 9 l b / y d ’ . H e n c e , t o a d d l e s s t h a n $ 6 p e r c u b i c y a r d t o t h e p r i c e o f c o n c r e t e , a n u p p e r l i m i t f o r t h e p r i c e o f p o w d e r a t t h e j o b s i t e i s a p p r o x i m a t e l y $ 0 . 6 5 p e r l b . O n e n e e d s t o d e d u c t t h e p a c k a g i n g a n d t r a n s p o r t a t i o n c o s t s a s w e l l a s t h e q u a l i t y c o n t r o l e x p e n s e s a n d t h e d i s t r i b u t o r ’ s p r o fi t s f r o m t h i s v a l u e b e f o r e d e t e r m i n i n g t h e s a l e s p r i c e t o a d i s t r i b u t o r . 1 . 3 T O X I C I T Y C H A R A C T E R I S T I C S A N D L E A C H I N G T h i s t e s t e n s u r e s t h a t t h e s o l u b i l i t y a n d m o b i l i t y o f a n y c o n t a m i n a n t s t h a t a r e p o s s i b l y p r e s e n t i n t h e p o w d e r a r e l i m i t e d t o s a t i s f y t h e E P A r e q u i r e m e n t s w h e n t h e p o w d e r i s u s e d a s a n e x p a n s i v e 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 . C o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g 1 . 5 9 6 s l u d g e p o w d e r ( P P G S B a n d P P G W B ) c o n t e n t w e r e c r u s h e d i n t h i s t e s t t o p a s s a 0 . 3 8 i n c h ( 9 . 5 m m ) s c r e e n ; a b u f f e r e d a c i d i c l e a c h i n g s o l u t i o n i s t h e n a d d e d a n d t h e s a m p l e i s a g i t a t e d f o r 1 8 h o u r s . T h e l e a c h i n g s o l u t i o n i s t h e n fi l t e r e d f o r a n a l y s i s , w h e r e t h e m a x i m u m c o n c e n t r a t i o n s o f d i f f e r e n t c o n t a m i n a n t s i n t h e l e a c h e d s o l u t i o n a r e t h e n m e a s u r e d a n d c o m p a r e d w i t h E P A l i m i t s . T h e r e s u l t s o f t h i s a n a l y s i s a s p r e s e n t e d i n T a b l e 1 . 1 ( p e r f o r m e d b y F I B E R T E C H I n c o r p o r a t e d i n L a n s i n g , M i c h i g a n ) i n d i c a t e s t h a t s h r i n k a g e - c o m p e n s a t i n g c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g t h e p o w d e r s s a t i s fi e d t h e E P A t o x i c i t y r e q u i r e m e n t s . 2 4 4 T a b l e I . 1 . P a i n t S l u d g e P o w d e r T o x i c i t y R e s u l t s P a i n t S l u d g e P o w d e r ( m g / L ) M e t a l s P P G S B P P G W B E P A L i m i t ( m g / L ) A r s e n i c < 2 0 0 < 2 0 0 2 0 0 B a r i u m < 1 0 0 < 1 0 0 1 0 0 C a d m i u m < 1 0 0 < 1 0 0 1 0 0 C h r o m i u m < 1 0 0 < 1 0 0 1 0 0 C o p p e r < 1 0 0 < 1 0 0 1 0 0 L e a d < 1 0 0 < 1 0 0 1 0 0 S e l e n i u m < 2 0 0 < 2 0 0 2 0 0 S i l v e r < 1 0 0 < 1 0 0 1 0 0 Z i n c < 1 0 0 < 1 0 0 1 0 0 M e r c u r y < 1 0 < 1 0 1 0 A l u m i n u m < 2 , 0 0 0 ( 2 , 0 0 0 2 , 0 0 0 B e r y l l i u m < 2 , 0 0 0 < 2 , 0 0 0 2 , 0 0 0 B o r r o n < 4 , 0 0 0 ( 4 , 0 0 0 4 , 0 0 0 M a n g a n e s e < 5 0 < 5 0 5 0 M o l y b d e n u m < 2 , 0 0 0 < 2 , 0 0 0 2 , 0 0 0 N i c k e l < 2 0 0 < 2 0 0 2 0 0 “ = 4 1 1 0 . 1 1 . 1 2 . R E F E R E N C E S C o h e n , M D . , " M i c r o m e c h a n i c s o f E x p a n s i v e M e c h a n i s m s i n E x p a n s i v e C e m e n t C o n c r e t e , ” S t a n f o r d U n i v e r s i t y , 1 9 8 1 . R i c h a r d s , C . W . , a n d H e l m u t h , R . A . , ” M i c r o m e c h a n i c a l M o d e l s f o r F r e e a n d R e s t r a i n e d E x p a n s i o n , " E x p a n s i v e C e m e n t C o n c r e t e , T e c h n i c a l R e p o r t N o . 1 9 1 , J a n . 1 9 7 5 , p p . 1 - 3 6 A r o n i , S . , P o l i v k a , M . , a n d B r e s l e r , B . , " E x p a n s i v e C e m e n t a n d E x p a n d i n g C o n c r e t e , " S t r u c t u r e s a n d M a t e r i a l s R e s e a r c h , J u l y 1 9 6 6 , p p . 1 - 7 4 . G u s t a f e r r o , A . H . , G r e e n i n g , N . , a n d K l i e g e r , P . , " E x p a n s i v e C o n c r e t e s L a b o r a t o r y T e s t i n g o f F r e e z e - T h a w a n d S u r f a c e S c a l i n g R e s i s t a n c e , ” J o u r n a l o f P C A R e s e a r c h , J a n . 1 9 6 6 , p p . 1 0 — 3 6 . H o f f , G . , a n d M a t h e r , K . , " A L o o k a t T y p e K S h r i n k a g e - C o m p e n s a t i n g C e m e n t P r o d u c t i o n a n d S p e c i fi c a t i o n s , ” B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , P a r t 1 3 , S P 6 4 - 9 , 1 9 7 7 , p p . 1 5 3 - 1 8 0 . C o h e n , M . , O l e k , J . , a n d M a t h e r , B . , " S i l i c a F u m e I m p r o v e s E x p a n s i v e - C e m e n t C o n c r e t e , ” C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , M a r c h 1 9 9 1 , p p . 3 1 - 3 7 . S i m m s , F . , ” E x p a n s i v e C e m e n t s f o r C r a c k - R e s i s t a n t C o n c r e t e , ” C i v i l E n g i n e e r i n g A S C E , J u n e 1 9 6 6 , p p . 4 6 - 4 7 . C i v i l E n g i n e e r i n g - A S C E , " E x p a n s i v e C e m e n t s i n t h e U n i t e d S t a t e s - a T h r e e Y e a r R e v i e w , ” C i v i l E n g i n e e r i n g - A S C E , N o v . 1 9 6 7 , p p . 4 3 - 4 5 . A C I C o m m i t t e e 2 2 3 , " E x p a n s i v e C e m e n t C o n c r e t e s - P r e s e n t S t a t e o f K n o w l e d g e , " A C I J o u r n a l , T i t l e N o . 6 7 - 3 5 , A u g . 1 9 7 0 , p p . 5 8 3 - 6 0 9 . M i n d e s s , S . , a n d Y o u n g , J . F . , " C o n c r e t e , " 1 9 8 1 , p p . 3 8 - 4 5 B a y a s i , S . , a n d A b i f a h e r , R . , " P r o p e r t i e s o f S h r i n k a g e - C o m p e n s a t i n g S i l i c a F u m e C o n c r e t e M a d e w i t h T y p e K C e m e n t , " C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , A p r i l 1 9 9 2 , p p . 3 5 - 3 7 . B e r t e r o , V . , " C u r i n g E f f e c t s o n E x p a n s i o n a n d M e c h a n i c a l B e h a v i o r o f E x p a n s i v e C e m e n t C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , 1 9 6 7 , p p . 8 4 - 9 7 . 2 4 5 1 3 1 4 . 1 5 . 1 6 . 1 7 . 1 8 . 1 9 . 2 0 . 2 1 . 2 2 . 2 3 . 2 4 . 2 4 6 M e h t a , P . K . , “ M e c h a n i s m o f E x p a n s i o n A s s o c i a t e d w i t h E t t r i n g i t e F o r m a t i o n , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 3 , 1 9 7 3 , p p . 1 - 6 . C o h e n , M . D . , a n d M o b a s h e r , 3 . , ” E f f e c t s o f S u l f a t e a n d E x p a n s i v e C l i n k e r C o n t e n t s o f E x p a n s i o n t i m e o f E x p a n s i v e C e m e n t P a s t e , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 1 , 1 9 9 1 , p p . 1 4 7 - 1 5 7 . S r a w l e y , J . E . , a n d G r o s s , B . , " C o m p e n d i u m , " E n g i n e e r i n g F r a c t u r e M e c h a n i c s , V o l . 4 , 1 9 7 2 , p p . 5 8 7 - 5 8 9 . I r w i n , G . R . , ” C r a c k - E x t e n s i o n F o r c e f o r a P a r t - T h r o u g h C r a c k i n a P l a t e , ” J o u r n a l o f A p p l i e d M e c h a n i c s , D e c . 1 9 6 2 , p p . 6 5 1 - 6 5 4 . K e e r , L . M . , a n d F r e e d m a n , J . M . , ” T e n s i l e S t r i p w i t h E d g e C r a c k s , " I n t . J . E n g r S c i . , V o l . 1 1 , 1 9 7 3 , p p . 1 2 6 5 - 1 2 7 5 . G r u d e m o , A . , “ M i c r o c r a c k s , F r a c t u r e M e c h a n i s m , a n d S t r e n g t h o f t h e C e m e n t P a s t e M a t r i x , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 9 , 1 9 7 9 , p p . 1 9 - 3 4 . . B a o k u n , Y . , W a n c h u n , W . , L i l i n , H . , F a m i n g , Y . , a n d F u y i n , C . , ” P r o c e e d i n g o f S e c o n d I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n C e m e n t a n d C o n c r e t e , " C h i n a B u i l d i n g M a t e r i a l s A c a d e m y , S e p t . 5 - 8 , 1 9 8 9 , p p . 3 1 - 4 8 . Z h e n g , L . , X u e h u a , C . , a n d M i n g s h u , T . , " H y d r a t i o n a n d S e t t i n g T i m e o f M g O T y p e E x p a n s i v e C e m e n t , “ " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 2 , 1 9 9 2 , p p . 1 - 5 . M e h t a , P . K . , a n d H u , F . , " F u r t h e r E v i d e n c e f o r E x p a n s i o n o f E t t r i n g i t e b y W a t e r A d s o r p t i o n , " J o u r n a l o f t h e A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y , M a r c h - A p r i l 1 9 7 8 , p p . 1 7 9 - 1 8 2 . C o h e n , M . D . , a n d R i c h a r d s , C . W . , " E f f e c t s o f t h e P a r t i c l e S i z e o f E x p a n s i v e C l i n k e r o n S t r e n g t h - E x p a n s i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f T y p e K E x p a n s i v e C e m e n t s , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 1 2 , 1 9 8 2 , p p . 7 1 7 - 7 2 5 . S w a m y , R . N . , a n d A l - A s a l i , M . M , ” E x p a n s i o n o f C o n c r e t e D u e t o A l k a l i - S i l i c a R e a c t i o n " , A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 5 - M 5 , J a n - F e b . 1 9 8 8 , p p . 3 3 - 4 0 . B r y a n t , A . H . , a n d V a d h a n a v i k k i t , C . , " C r e e p , S h r i n k a g e - S i z e , a n d A g e a t L o a d i n g E f f e c t s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 4 - M 1 4 , M a r c h - A p r i l 1 9 8 7 , p p . 1 1 7 - 1 2 3 . 2 5 . 2 6 . 2 7 . 2 8 . 2 9 . 3 0 . 3 1 . 3 2 . 3 3 . 3 4 . 3 5 . 2 4 7 B a z a n t , Z . P . , a n d K i m , J . , " E f f e c t s o f S p e c i m e n S i z e a n d S h a p e o n D r y i n g S h r i n k a g e o f 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 a m - F e b . 1 9 8 8 , p p . 6 3 - 6 7 . A C I C o m m i t t e e 2 0 7 , ” E f f e c t o f R e s t r a i n t , V o l u m e C h a n g e , a n d R e i n f o r c e m e n t o n C r a c k i n g o f M a s s 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 , T i t l e N o . 8 7 - M 3 l , M a y - J u n e 1 9 9 0 , p p . 2 7 1 - 2 9 5 . D i a s , W . P . , K h o u r y , G . A . , a n d S u l l i v a n , P . J . , ” S h r i n k a g e o f H a r d e n e d C e m e n t P a s t e a t T e m p e r a t u r e s u p t o 6 7 0 C ( 1 2 3 8 F ) , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 7 - M 2 2 , M a y - J u n e 1 9 9 0 , p p . 2 0 4 - 2 0 9 . S m a d i , M . M . , S l a t e , F . O . , a n d N i l s o n , A . H . , ” S h r i n k a g e a n d C r e e p o f H i g h , M e d i u m , a n d L o w - S t r e n g t h C o n c r e t e s , I n c l u d i n g O v e r l o a d s , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 4 - M 2 5 , M a y - J u n e 1 9 8 7 , p p . 2 2 4 - 2 3 3 . A l m u d a i h e e m , J . A . , a n d H a n s e n , W . , " E f f e c t o f S p e c i m e n S i z e a n d S h a p e o n D r y i n g S h r i n k a g e o f 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 , T i t l e N o . 8 4 - M 1 6 , M a r c h - A p r i l 1 9 8 7 , p p . 1 3 0 - 1 3 4 . H a n s e n , W . , a n d A l m u d a i h e e m , J . , " U l t i m a t e D r y i n g S h r i n k a g e o f C o n c r e t e I n fl u e n c e o f M a j o r P a r a m e t e r s , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 4 - M 2 4 , M a y - J u n e 1 9 8 7 , p p . 2 1 7 - 2 2 2 . R u s s e l l , H . G . , " D e s i g n o f S h r i n k a g e - C o m p e n s a t i n g C o n c r e t e S l a b 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 O 3 4 . 0 1 D , 1 9 7 3 . A C I C o m m i t t e e 2 1 1 , " 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 2 1 1 . p p . 1 - 8 1 . P a i l l e r e , A . M . , B u i l , M . , a n d S e r r a n o , 1 . 1 . , " E f f e c t o f F i b e r A d d i t i o n o n t h e A u t o g e n o u s S h r i n k a g e o f S i l i c a F u m e 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 1 9 8 9 , p p . 1 3 9 - 1 4 4 . A l m u d a i h e e m , J . A . , a n d H a n s e n , W . , " P r e d i c t i o n o f C o n c r e t e D r y i n g S h r i n k a g e f r o m S h o r t - T e r m M e a s u r e m e n t s , " 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 1 9 8 9 , p p . 4 0 1 - 4 0 8 . S m a d i , M . M . , S l a t e , F . O . , a n d N i l s o n , A . H . , " S h r i n k a g e a n d C r e e p o f H i g h , M e d i u m , a n d L o w - S t r e n g t h C o n c r e t e s , I n c l u d i n g O v e r l o a d s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 4 - M 2 5 , M a y - J u n e 1 9 8 7 , p p . 2 2 4 - 2 3 3 . 3 6 . 3 7 . 3 8 . 3 9 . 4 0 . 4 1 . 4 2 . 4 3 . 4 4 . 4 5 . 4 6 . 4 7 . 2 4 8 R i l e m C o m m i t t e e T C 6 9 - M M C , " C o n c l u s i o n s S t r u c t u r a l A n a l y s i s a n d f o r F o r m u l a t i o n o f S t a n d a r d D e s i g n R e c o m m e n d a t i o n s o n C r e e p a n d S h r i n k a g e , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , N o v . - D e c . 1 9 8 7 , p p . 5 7 8 - 5 8 1 . S w a m y , R . N . , a n d A l - A s a l i , M . M . , " 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 A f f e c t e d b y A l k a l i - S i l i c a R e a c t i o n , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l s , T i t l e N o . 8 5 - M 4 l , S e p t . - O c t . 1 9 8 8 , p p . 3 6 7 - 3 7 4 . C h a t t e r j i , S . , a n d J e f f e r y , J . W . , " A N e w H y p o t h e s i s o f S u l p h a t e E x p a n s i o n , " M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 1 5 , N o . 4 4 , J u l y 1 9 6 3 p p . 8 3 - 8 6 . S w a y z e , M . A . , " V o l u m e C h a n g e s i n C o n c r e t e , " M a t e r i a l s R e s e a r c h a n d S t a n d a r d s , S e p t , 1 9 6 1 , p p . 7 0 0 - 7 1 0 . C o h e n , M . S . a n d M a t h e r , B . , " S u l f a t e A t t a c k o n C o n c r e t e - R e s e a r c h N e e d s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 8 - M 9 , J a n . - F e b . 1 9 9 1 , p p . 6 2 - 6 9 . W i l l s , M . H . , " H o w A g g r e g a t e P a r t i c l e S h a p e I n fl u e n c e s C o n c r e t e M i x i n g W a t e r R e q u i r e m e n t a n d S t r e n g t h , " J o u r n a l o f M a t e r i a l s , p p . 8 4 3 - 8 6 5 . B e r t e r o , V . , a n d B r e s t e r , B . , " A R e v i e w o f R e s e a r c h o n E x p a n s i v e - C e m e n t C o n c r e t e s . P a r t 4 : T h e B e h a v i o r o f E x p a n s i v e - C e m e n t C o n c r e t e U n d e r L o a d , " p p . 4 9 3 - 4 9 8 . B r o w n , C . B . , a n d S z a b o , Z . S . , " A S t u d y o f B o n d B e t w e e n S t e e l a n d R e s t r a i n e d E x p a n d i n g C o n c r e t e , " M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 0 , N o v . 1 9 6 2 , M a r c h 1 9 6 8 , p p . 3 - 1 2 . M o n f o r e , G . E . , " P r o p e r t i e s o f E x p a n s i v e C e m e n t M a d e w i t h P o r t l a n d C e m e n t , G y p s u m , a n d C a l c i u m A l u m i n a t e C e m e n t , " J o u r n a l o f t h e P C A R e s e a r c h , M a y 1 9 6 4 , p p . 2 - 8 . L i , S . , " E x p a n s i v e C e m e n t C o n c r e t e s - A R e v i e w , " J o u r n a l o f t h e 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 , T i t l e N o . 6 2 - 4 3 , J u n e 1 9 6 5 , p p . 6 8 9 - 7 0 6 . B e n t u r , A . , a n d I s h - S h a l o m , M . , " P r o p o s e d M e c h a n i s m o f E t t r i n g i t e F o r m a t i o n a n d E x p a n s i o n i n U n r e s t r a i n e d P a s t e o f P u r e E x p a n s i v e C o m p o n e n t , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 4 , 1 9 7 4 , p p . 7 0 9 - 7 2 1 . B e n t u r , A . , a n d I s h - S h a l o m , M . , " H y d r a t i o n o f U n r e s t r a i n e d P a s t e o f E x p a n s i v e C o m p o n e n t - R e s u l t s , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 4 , 1 9 7 4 , p p . 5 1 9 - 5 3 2 . 4 8 . 4 9 . 5 0 . 5 1 . 5 2 . 5 3 . 5 4 . 5 5 . 5 6 . 5 7 . 5 8 . 2 4 9 N a l a m u r a , T . , S u d o h , G . , a n d A k a i w a , 8 . , " S u p p l e m e n t a r y P a p e r 4 - 7 4 M i n e r a l o g i c a l C o m p o s i t i o n o f E x p a n s i v e C e m e n t C l i n k e r R i c h i n S i O , a n d I t s E x p a n s i b i l i t y , " p p . 3 5 1 - 3 6 5 . - C o h e n , M D . , " T h e o r i e s o f E x p a n s i o n i n S u l f o a l u m i n a t e - T y p e E x p a n s i v e C e m e n t s : S c h o o l s o f T h o u g h t , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 1 3 , 1 9 8 3 , p p . 8 0 9 - 8 1 8 . L o b o , C . , a n d C o h e n , M D . , " H y d r a t i o n o f T y p e K E x p a n s i v e C e m e n t P a s t e a n d t h e E f f e c t o f S i l i c a F u m e : 1 . E x p a n s i o n a n d S o l i d P h a s e A n a l y s i s , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 2 , 1 9 9 2 , p p . 9 6 1 - 9 6 9 . C o h e n , M D . , a n d O l e k , J . , " P r o c e d u r e f o r M i x t u r e P r o p o r t i o n i n g o f T y p e - K E x p a n s i v e C e m e n t B l e n d s f o r U s e i n S h r i n k a g e - C o m p e n s a t i o n M o t a r s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , T i t l e N o . 8 8 - M 5 9 , S e p t . - O c t . 1 9 9 1 , p p . 5 3 6 - 5 4 3 . M o r , A . , " H i g h - P e r f o r m a n c e C o n c r e t e Q u a l i t y C o n t r o l T e s t s C h a l l e n g e L a b s , " C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n , M a y 1 9 9 2 , p p . 3 6 3 - 3 6 5 . M o r , A . , " H i g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e B e c o m i n g a P r a c t i c a l O p t i o n , " C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n , M a y 1 9 9 2 , p p . 3 5 1 - 3 5 3 . H o v e r , K C , a n d S h a e l e s , C . A . , " I n fl u e n c e o f M i x P r o p o r t i o n s a n d C o n s t r u c t i o n O p e r a t i o n s o n P l a s t i c S h r i n k a g e C r a c k i n g i n T h i n S l a b s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , N o v . - D e c . 1 9 8 8 , p p . 4 9 5 - 5 0 4 . M i n g - s h u , Z h e n g L i u a n d S u - f e n g H a m , " M e c h a n i s m o f A l k a l i - C a r b o n a t e R e a c t i o n : " P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e , O t t a w a , C a n a d a . 1 9 8 6 p p . 2 7 5 - 2 7 9 . . G r a t t a n - B e l l e w P . E . , a n d L e f e b v r e P . J . , " E f f e c t o f c o n fi n e m e n t o f D e t e r i o r a t i o n o f C o n c r e t e M a d e w i t h A l k a l i - C a r b o n a t e R e a c t i v e A g g r e g a t e : " P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e ; O t t a w a , C a n a d a . 1 9 8 6 p p . 2 8 0 — 2 8 5 C h r y s l e r C o r p o r a t i o n , W a r r e n T r u c k A s s e m b l y P l a n t P a i n t S l u d g e P o w d e r P r o d u c t i o n F l o w C h a r t , 1 9 9 2 . T l i l i , A . " D e v e l o p m e n t , C h a r a c t e r i z a t i o n , a n d F u n d a m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e " - A P h . D . D i s s e r t a t i o n , 1 9 9 3 . 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 , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , E a s t L a n s i n g , M i c h i g a n 4 8 8 2 4 . H I H I G G N S T A T E U N i i i i i i i i i i i o i i i i i l l 3 i i i i i i e i i i j j i j i j i “ l 0 4 1 . L } I . 1 v e . ' . . s i a l . l r . a 1 v ~ . a k I y ‘ k 1 . . . . . . I . u ; . ~ q v l . . ‘ j . . x . , v k k , l , A . 1 . 1 4 . . . - s - ) . r : ‘ . . . . . : ‘ v . . . . A . . 2 c . y . . . ¢ i t t . I . . ‘ l a . 1 1 ‘ . x z c u : - . : 4 , V . . ‘ l x : . u 5 1 1 1 . . 3 a . . . . . n t h # 5 : . . . ( 5 : 4 5 3 x : s x t x a t x i t t l i : . « t 5 . 3 3 1 ; . - F i l t h “ : a w u . . x k . 3 1 . . . ‘ 1 . 2 2 . . . . . ‘ i n ! i n . A w a y W W I I H ! I l l ! ” M 3 I N 0 M I 1 U 1 M ! 0 U ! ! 4 U 6 I I 8 J I 2 W 8 I I 2 I I W I ’ H I . M l c h l g a n S t a t e " U n i v e r s i t y L I I R A R Y P L A C E N R E T U R N B o x m m w o fl b c h o c k o u m m m m d . T O A V O I D F I N E S M u m o n u b d o n d d o d u o . 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 l o A n N fl n n a t l v o A c t i o n / E M O W l m W 1 F L O W A B L E F I L L : A C O M P R E H E N S I V E A S S E S S M E N T O F M I X D E S I G N V A R I A B L E S A N D P R O P E R T I E S B y A u g u s t i n e O k w u e g b u P a r t I I o f 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 3 A B S T R A C T F L O W A B L E F I L L : A C O M P R E H E N S I V E A S S E S S M E N T O F M D ( D E S I G N V A R I A B L E S A N D P R O P E R T I E S B y A u g u s t i n e O k w u e g b u A c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n w a s c o n d u c t e d i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e c o r r e l a t i o n s b e t w e e n v a r i o u s p r o p e r t i e s o f f l o w a b l e fi l l a n d t h e e f f e c t s o f m i x p r o p o r t i o n i n g v a r i a b l e s o n m a t e r i a l p r o p e r t i e s . T h e r e s u l t s c a n b e h e l p f u l i n m i x p r o p o r t i o n i n g a n d e v a l u a t i o n o f fl o w a b l e fi l l m a t e r i a l s f o r d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s . I t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e fl o w a b l e fi l l s t r u c t u r e a n d s t r e n g t h d e v e l o p m e n t m e c h a n i s m a r e d i f f e r e n t f r o m t h o s e i n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . W h e n c o n s i d e r i n g a c o m b i n a t i o n o f fl o w a b l e fi l l m i x t u r e s w i t h a n d w i t h o u t a g g r e g a t e s , i n c r e a s e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h d o e s n o t n e c e s s a r i l y l e a d t o e n h a n c e d i m p e r m e a h i l i t y a n d p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R ) t e s t r e s u l t s o n fl o w a b l e fi l l c o r r e l a t e w e l l w i t h p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . T h e e f f e c t s o f a g g r e g a t e s o n s t r e n g t h , p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e , C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o a n d p e r m e a b i l i t y t e n d t o o v e r s h a d o w t h e c o r r e s p o n d i n g e f f e c t s o f o t h e r f a c t o r s s u c h a s c e m e n t - a s h a n d w a t e r - a s h r a t i o s . W h i l e a g g r e g a t e s h a v e p o s i t i v e e f f e c t s o n i m p e r m e a b i l i t y , p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o , t h e y t e n d t o d a m a g e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . G i v e n t h e c o m p l e x i t y o f t h e e f f e c t s a n d i n t e r a c t i o n s o f d i f f e r e n t v a r i a b l e s i n d e c i d i n g v a r i o u s m a t e r i a l p r o p e r t i e s , o n e n e e d s t o s u b j e c t a f l o w a b l e fi l l p r o d u c e d w i t h r e l e v a n t m a t e r i a l s a n d m i x p r o p o r t i o n s t o t h e s p e c i fi c s e t o f t e s t s r e p r e s e n t i n g a c t u a l j o b r e q u i r e m e n t s i n o r d e r t o m a k e j u d g m e n t o n t h e m e r i t s o f fl o w a b l e fi l l i n a s p e c i fi c a p p l i c a t i o n . D E D I C A T E D T O : A L L N I G E R I A N C H I L D R E N x i v A C K N O W L E D G M E N T S T h e r e s e a r c h w o r k w a s p e r f o r m e d u n d e r t h e s u p e r v i s i o n o f D r . P a r v i z S o r o u s h i a n . T h r o u g h o u t t h i s w o r k , D r . S o r o u s h i a n w a s a s i n c e r e f r i e n d m o r e t h a n a n y t h i n g e l s e . T h e a u t h o r i s i n d e b t e d t o D r . S o r o u s h i a n f o r t h e a c h i e v e m e n t s t h a t c o u l d n o t b e p o s s i b l e w i t h o u t h i s g r e a t l e a d e r s h i p a n d s a c r i fi c e s . T h e a u t h o r a l s o w o u l d l i k e t o t h a n k D r . T h o m a s M a l e c k , D r . G e r a l d L u d d e n a n d D r . M a r k S n y d e r f o r t h e i r h e l p a n d p r e c i o u s a d v i c e d u r i n g h i s d o c t o r a l p r o g r a m . S i n c e r e t h a n k s a r e a l s o e x t e n d e d f o r t h e fi n a n c i a l s u p p o r t o f t h e A m e r i c a n P u b l i c P o w e r A s s o c i a t i o n , t h e L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t a n d M i c h i g a n S a t e U n i v e r s i t y P o w e r P l a n t . F i n a l l y , m y i n n e r m o s t a p p r e c i a t i o n t o S i a v o s h R a v a n b a k h s h f o r h i s t e c h n i c a l a n d a d m i n i s t r a t i v e c o n t r i b u t i o n s t o t h i s r e s e a r c h . X V T A B L E O F C O N T E N T S C H A P T E R I I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 0 C H A P T E R I I B A C K G R O U N D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4 2 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4 2 . 2 M I X P R O P O R T I O N S A N D F R E S H M I X P R O P E R T I E S . . . . . . . . . . . . 2 5 5 2 . 3 P R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 7 2 . 4 P R O P E R T I E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 8 2 . 5 A P P L I C A T I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 9 2 . 5 . 1 P l a c i n g C u l v e r t s P i p e B e d d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 9 2 . 5 . 2 P r e v e n t i n g E r o s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 0 2 . 5 . 3 B r i d g e R e h a b i l i t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 1 2 . 5 . 4 F i l l i n g a V o i d A l o n g a W o o d e n C u l v e r t . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 2 . 5 . 5 F i l l i n g B r i d g e A b u t m e n t V o i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 2 . 5 . 6 F i l l i n g o f U n d e r g r o u n d T a n k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 2 . 5 . 7 P r o t e c t i n g U n d e r - R o a d P e t r o l e u m P i p e s . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 2 . 5 . 8 R o a d B e d B a c k fi l l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 2 . 5 . 9 A b a n d o n e d S e w e r F i l l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 2 . 6 C O S T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 5 2 . 7 Q U A L I T Y C O N T R O L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 6 2 . 8 T R A N S P O R T A T I O N A N D P L A C E M E N T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 6 x v i x v i i C H A P T E R 3 C O R R E L A T I O N S B E T W E E N F L O W A B L E F I L L P R O P E R T I E S . . . . . . . . . . . . . 2 6 9 3 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 9 3 . 2 E X P E R I M E N T A L D E S I G N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 9 3 . 3 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 3 3 . 4 A N A L Y S I S O F R E S U L T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 3 3 . 5 C O M M E N T S O N D U R A B I L I T Y T E S T I N G O F F L O W A B L E F I L L . . . 2 9 2 3 . 6 C O M P A R I S O N B E T W E E N L A B O R A T O R Y A N D F I E L D P E R F O R M A N C E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 2 C H A P T E R 4 E F F E C T S O F M I X P R O P O R T I O N S O N M A T E R I A L P R O P E R T I E S . . . . . . . . . . . 2 9 5 4 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 4 . 2 E X P E R I M E N T A L D E S I G N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 4 . 3 R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 C H A P T E R 5 I D E N T I F I C A T I O N O F S T A T I S T I C A L L Y I N F L U E N T I A L P R O P O R T I O N I N G V A R I A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 5 5 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 5 5 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 5 C H A P T E R 6 C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 0 R E F E R E N C E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 3 F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 1 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . L I S T S O F F I G U R E S E x p e r i m e n t a l r e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l ) . . . . . . . . . 2 7 3 ( a ) U n i t W e i g h t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 3 ( b ) F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4 ( c ) S l u m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 5 ( ( 1 ) A i r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 6 ( e ) C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 7 ( i ) P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 8 ( g ) W a t e r P e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 9 ( h ) F i n a l S e t T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 0 ( i ) C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n . , p e n e t r a t i o n ) . . . . . . . . . . . . . . 2 8 1 ( j ) C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n . , p e n e t r a t i o n ) . . . . . . . . . . . . . . 2 8 2 C o r r e l a t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t M a t e r i a l P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . 2 8 6 ( a ) S l u m p V s . fl o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 6 ( b ) 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 6 ( c ) A i r C o n t e n t V s . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . 2 8 7 ( d ) W a t e r P e r m e a b i l i t y V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 7 ( e ) W a t e r P e r m e a b i l i t y V s . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 8 ( I ) 2 8 - D a y C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o V S . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e 0 . 1 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 8 ( g ) 2 8 — D a y C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o V s . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e ( 0 . 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 9 x v i i i F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 2 . F i g u r e 3 . 3 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . x i x ( h ) 2 8 - D a y C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 0 . 1 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 9 ( i ) 2 8 - D a y C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( 0 . 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 0 ( i ) 2 8 - D a y C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o V s . W a t e r P e r m e a b i l i t y ( 0 . 1 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 0 ( k ) 2 8 - D a y C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o V s . W a t e r P e r m e a b i l i t y ( 0 . 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 1 C o m p a r i s o n o f C o m p r e s s i v e S t r e n g t h s o f L a b o r a t o r y a n d F i e l d S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4 T r e n d s i n t h e E f f e c t o f M i x P r o p o r t i o n s o n M a t e r i a l P r o p e r t i e s . . . . . 2 9 8 ( a ) C e m e n t C o n t e n t V S . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . 2 9 8 ( b ) C e m e n t C o n t e n t V s . W a t e r P e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 8 ( c ) C e m e n t C o n t e n t V S . 2 8 — D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . 2 9 9 ( d ) T o t a l B i n d e r C o n t e n t V s . 2 8 — D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 9 ( c ) T o t a l B i n d e r C o n t e n t V s . 2 8 — D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 0 ( 1 ‘ ) T o t a l B i n d e r C o n t e n t V S . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n ) . . . . . . . 3 0 0 ( g ) T o t a l B i n d e r C o n t e n t V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 1 ( h ) C e m e n t - A s h R a t i o V s . C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 1 ( i ) C e m e n t - A s h R a t i o V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 ( i ) C e m e n t - A s h R a t i o V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 ( k ) W a t e r - B i n d e r R a t i o V s . A i r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 3 ( 1 ) W a t e r - B i n d e r R a t i o V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . 3 0 3 F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 4 . 1 . F i g u r e 5 . 1 . F i g u r e 5 . 1 . F i g u r e 5 . 1 . F i g u r e 5 . 1 . F i g u r e 5 . 2 . F i g u r e 5 . 2 . F i g u r e 5 . 2 . F i g u r e 5 . 2 . F i g u r e 5 . 3 . F i g u r e 5 . 3 . F i g u r e 5 . 3 . F i g u r e 5 . 3 . F i g u r e 5 . 4 . F i g u r e 5 . 4 . F i g u r e 5 . 4 . X X ( m ) W a t e r - B i n d e r R a t i o V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 4 ( n ) W a t e r - B i n d e r R a t i o V S . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 4 T r e n d s i n v a r i a b l e E f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . 3 1 4 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 4 ( b ) E f f e c t o f A g g r e g a t e - A S h - R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h W a t e r - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 5 ( c ) E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h c e m e n t - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 6 T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s O n S e t T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 7 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 7 ( b ) E f f e c t o f W a t e r - A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h A g g r e g a t e - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 8 ( c ) E f f e c t o f W a t e r — A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 9 T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n W a t e r p e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . . 3 2 1 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 1 ( b ) E f f e c t s o f A g g r e g a t e A s h - R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h W a t e r - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 2 ( 0 ) E f f e c t s o f A g g r e g a t e - A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 3 T r e n d s a n d V a r i a b l e E f f e c t s o n 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . . . . . 3 2 4 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 4 ( b ) E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h W a t e r - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 5 F i g u r e 5 . 4 . F i g u r e 5 . 5 . F i g u r e 5 . 6 . F i g u r e 5 . 7 F i g u r e 5 . 7 . F i g u r e 5 . 7 . F i g u r e 5 . 7 . F i g u r e 5 . 8 . F i g u r e 5 . 9 . F i g u r e 5 . 9 . F i g u r e 5 . 9 . F i g u r e 5 . 9 . F i g u r e 5 . 1 0 . F i g u r e 5 . 1 0 . F i g u r e 5 . 1 0 . F i g u r e 5 . 1 0 . ( c ) ( a ) ( b ) ( C ) ( a ) ( b ) ( C ) ( a ) ( b ) ( o ) x x i E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 6 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s O n S l u m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 7 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s o n F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 8 T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n A i r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 8 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s o n A i r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 8 E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h W a t e r - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 1 E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t - A s h R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 2 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s o n U n i t W e i g h t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 1 i n . ) 3 3 4 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t ( 0 . 1 i n . , P e n e t r a t i o n ) . . . . . . . 3 3 4 E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h - R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h W a t e r - A s h R a t i o ( 0 . 1 i n . ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 5 E f f e c t s o f A g g r e g a t e - A s h R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t - A s h R a t i o ( 0 . 1 i n . ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 6 T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 2 i n . ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 7 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t ( 0 . 2 i n . , P e n e t r a t i o n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 7 E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h - R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h W a t e r - A s h R a t i o ( 0 . 2 i n . ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 8 E f f e c t o f A g g r e g a t e - A s h - R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t - A s h R a t i o ( 0 . 2 i n . ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 9 T a b l e 1 . 1 . T a b l e 2 . 1 . T a b l e 2 . 2 . T a b l e 3 . 1 . T a b l e 3 . 2 . T a b l e 3 . 3 . T a b l e 4 . 1 . T a b l e 5 . 1 . T a b l e 5 . 2 . T a b l e 5 . 3 . T a b l e 5 . 4 . L I S T S O F T A B L E S T y p i c a l a n a l y s i s o f C l a s s F fl y a s h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 E x a m p l e s o f F l o w a b l e F i l l M i x P r o p o r t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 6 S e t t l e m e n t a n d c o s t c o m p a r i s m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 M i x P r o p o r t i o n s ( l b / y d ’ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 C o a l A s h P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 T a b l e 3 . 2 ( a ) . L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t C o a l A s h P r o p e r t i e s . . . . 2 7 0 T a b l e 3 . 2 ( b ) . L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t C o a l A s h P r o p e r t i e s . . . . 2 7 1 T a b l e 3 . 2 ( c ) . 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 a l A s h P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . 2 7 1 C o r r e l a t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t M a t e r i a l P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 5 C o r r e l a t i o n C o e f fi c i e n t s B e M e e n M i x P r o p r t i o n s a n d M a t e r i a l P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 6 F r a c t i o n a l F a c t o r i a l E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 6 R e s u l t s o f 1 / 2 F r a c t i o n a l F a c t o r i a l E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 8 2 3 f a c t o r i a l d e s i g n i n 2 B l o c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 9 R e s u l t s o f 2 3 F a c t o r i a l E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 1 x x i i C H A P T E R I I N T R O D U C T I O N F l o w a b l e fi l l i s d e fi n e d a s a c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l t h a t i s i n a fl o w a b l e s t a t e a t p l a c e m e n t a n d h a s a r e l a t i v e l y l o w c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( e . g . 1 2 0 p s i , [ 8 . 3 M P a ] o r l e s s a t 2 8 d a y s ) . F l o w a b l e fi l l i s b a s i c a l l y fl y a s h s t a b i l i z e d w i t h s m a l l a m o u n t s o f P o r t l a n d c e m e n t . D e v e l o p e d f o r u s e a s a b a c k fi l l m a t e r i a l , i t h a s s i g n i fi c a n t l y b e t t e r p h y s i c a l p r o p e r t i e s t h a n c o n v e n t i o n a l s t r u c t u r a l b a c k fi l l a n d i s g e n e r a l l y e c o n o m i c a l l y c o m p e t i t i v e w h e n e v e r b a c k fi l l i s r e q u i r e d . I t i s u s e d p r i m a r i l y f o r n o n s t r u c t u r a l a p p l i c a t i o n s b e l o w g r a d e w h e r e l o w s t r e n g t h i s r e q u i r e d ; i n s o m e c a s e s i t i s i n t e n d e d t o b e n o s t r o n g e r t h a n t h e s u r r o u n d i n g s o i l a f t e r i t h a s a t t a i n e d t h e fi n a l s e t . T h e t y p e o f fl o w a b l e fi l l s e l e c t e d s h o u l d b e b a s e d o n t e c h n i c a l a n d e c o n o m i c a l c o n s i d e r a t i o n s f o r t h e s p e c i fi c a p p l i c a t i o n . [ 1 , 2 , 3 ] I n m i x p r o p o r t i o n i n g o f fl o w a b l e fi l l b i n d i n g c o m p o n e n t s o f t h e p a s t e ( i . e . c e m e n t a n d a s h ) c a n b e v a r i e d i n q u a n t i t y a n d s a n d c a n b e i n t r o d u c e d i n o r d e r t o a c h i e v e t h e r e q u i r e d p e r f o r m a n c e i n t e r m s o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t , s e l f - c o n s o l i d a t i o n , fl o w b e h a v i o r c h a r a c t e r i s t i c s , d u r a b i l i t y , e c o n o m y , a n d e a s e o f r e m o v a l . G r a v e l g e n e r a l l y h a s n o t b e e n a c o m p o n e n t o f t h e a g g r e g a t e fi l l e r p r o b a b l y b e c a u s e o f e c o n o m i c a l r e a s o n s . T h r o u g h o u t t h e U S , g r a v e l i s u s u a l l y a t a p r e m i u m w h i l e s a n d i s g e n e r a l l y i n s u r p l u s . [ 4 , 5 ] F l o w a b l e fi l l h a s g a i n e d a p p r e c i a b l e r e c o g n i t i o n a s fi l l m a t e r i a l b e c a u s e o f i t s m a n y i n h e r e n t a d v a n t a g e s . T h e s e a d v a n t a g e s i n c l u d e fl o w i n g p l a c e m e n t w i t h o u t 2 5 0 2 5 1 s e g r e g a t i o n , s e l f - c o n s o l i d a t i o n , c o n t r o l l e d d e n s i t y , c o n t r o l l e d s t r e n g t h , e a s e o f e x c a v a t i o n , a n d e c o n o m y . T h e t w o p r i m a r y a d v a n t a g e s o f fl o w a b l e fi l l o v e r t r a d i t i o n a l m e t h o d s a r e i t s e a s e o f p l a c e m e n t a n d t h e e l i m i n a t i o n o f s e t t l e m e n t . T h e r e f o r e , i n d i f fi c u l t c o m p a c t i o n a r e a s o r a r e a s w h e r e s e t t l e m e n t i s a c o n c e r n , fl o w a b l e fi l l s h o u l d b e u s e d . F l o w a b l e fi l l h a s s e v e r a l c h a r a c t e r i s t i c s w h i c h m a k e i t u n i q u e a n d s u p e r i o r t o c o n v e n t i o n a l b a c k fi l l i n g m a t e r i a l s . F l o w a b l e fi l l s a c h i e v e s t r e n g t h s o n t h e m a g n i t u d e o f 5 0 t o 2 0 0 p s i ( 3 . 5 t o 1 3 . 8 M p a ) d e p e n d i n g o n t h e p e r c e n t a g e o f P o r t l a n d c e m e n t u s e d . T h e s e s t r e n g t h s f a r e x c e e d m o s t n a t u r a l s o i l s , t h e r e f o r e t h e r e p l a c e m e n t c a n b e m a d e S t r o n g e r t h a n t h e s u r r o u n d i n g m a t e r i a l . A l t h o u g h t h e s t r e n g t h o f t h e fl o w a b l e fi l l w i l l b e g r e a t e r t h a n t h e s u r r o u n d i n g m a t e r i a l , t h e fl o w a b l e fi l l c a n s t i l l b e e x c a v a t e d w i t h c o n v e n t i o n a l m e t h o d s w e r e i t t o b e c o m e n e c e s s a r y a t a l a t e r d a t e . T h e s e c o n d a d v a n t a g e o f fl o w a b l e fi l l o v e r a c o n v e n t i o n a l b a c k fi l l o p e r a t i o n i s t h e e a s e o f p l a c e m e n t . C o n v e n t i o n a l b a c k fi l l i n g o p e r a t i o n s r e q u i r e t h e fi l l t o b e h a u l e d t o t h e l o c a t i o n , d u m p e d , s p r e a d i n t y p i c a l l y 6 t o 1 2 - i n c h ( 1 5 t o 3 0 c m ) l i f t s a n d c o m p a c t e d p o s s i b l y a d d i n g w a t e r t o a i d i n t h e c o m p a c t i o n p r o c e s s . W i t h fl o w a b l e fi l l , t h e r e a d y m i x t r u c k a r r i v e s , d i s c h a r g e s t h e m a t e r i a l a n d l e a v e s . T h e r e i s l i t t l e t o n o s p r e a d i n g r e q u i r e d . I n t i g h t l o c a t i o n s t h e c o n v e n t i o n a l s p r e a d i n g a n d c o m p a c t i o n i s u s u a l l y a c c o m p l i s h e d b y h a n d , m a k i n g t h e o p e r a t i o n t i m e c o n s u m i n g a n d c o s t l y . [ 5 , 6 , 7 , 1 2 , 1 3 , 1 4 ] E v e n t h o u g h fl o w a b l e fi l l h a s t h e a b o v e v i r t u e s , t h e l o c a l m a r k e t w a s i n i t i a l l y u n d e v e l o p e d d u e t o i t s h i g h c o s t ( $ 3 4 t o $ 3 6 p e r c u b i c y a r d i n l a t e 1 9 8 0 ’ s ) . I n o r d e r t o 2 5 2 c o m p e t e w i t h s a n d b a c k fi l l , t h e c o s t s h a d t o b e d r i v e n d o w n . T h e c o n c r e t e i n d u s t r y w a s f o r a w h i l e g e a r e d u p t o h a n d l e o n l y l o w c a r b o n fl y a s h ( g e n e r a l l y c l a s s F fl y a s h w i t h t y p i c a l p r o p e r t i e s p r e s e n t e d i n T a b l e 1 . 1 ) , f o r t h e h i g h e r q u a l i t y c o n t r o l n e e d e d f o r c o n c r e t e m i x e s . E f f o r t s w e r e t h u s m a d e t o e n c o u r a g e t h e u s e o f c o a l a s h e s w i t h b r o a d e r r a n g e s o f q u a l i t i e s . I n o r d e r t o r e d u c e c o s t , e f f o r t s w e r e a l s o m a d e t o d e v e l o p fl o w a b l e fi l l m i x t u r e s t h a t u t i l i z e fl y a s h a n d c e m e n t o n l y , w i t h o u t s a n d . [ 8 , 9 ] T a b l e 1 . 1 T y p i c a l a n a l y s i s o f C l a s s F fl y a s h n C h e m i c a l c o m p o s i t i o n A S T M C - 6 1 8 ( % ) g S i l i c o n O x i d e , S i o z 5 5 A l u m i n u m o x i d e , A 1 2 0 3 2 6 I r o n o x i d e , F e z O 3 6 . 9 T o t a l , S l O z - t - A I Z O 3 + F e Z O 3 7 0 M i n . S u l f u r t r i o x i d e , S O , 5 M a x . C a l c i u m o x i d e , C a O 8 . 7 M a g n e s i u m o x i d e , M g O 1 . 8 L o s s o n I g n i t i o n ( L O I ) 1 2 A v a i l a b l e A l k a l i s , N a Z O 1 . 5 M a x . F i n e n e s s , p e r c e n t r e t a i n e d 3 4 M a x . o n # - 3 2 5 w e t s i e v e 2 5 3 T h e o b j e c t i v e o f t h e w o r k r e p o r t e d h e r e i n w a s t o e s t a b l i s h a b a s i s f o r m i x d e s i g n a n d e v a l u a t i o n o f fl o w a b l e fi l l . T h e e f f e c t s o f v a r i o u s m i x v a r i a b l e s o n t h e e n d p r o d u c t q u a l i t i e s w e r e a s s e s s e d , a n d c o r r e l a t i o n s b e t w e e n d i f f e r e n t q u a l i t i e s o f fl o w a b l e fi l l w e r e i n v e s t i g a t e d . C H A P T E R I I B A C K G R O U N D 2 . 1 I N T R O D U C T I O N A r e v i e w o f l i t e r a t u r e o n fl o w a b l e fi l l i n d i c a t e s t h a t t h e m a t e r i a l h a s b e e n d e v e l o p e d m a i n l y t h r o u g h fi e l d t r i a l s . T h e r e i s a n e e d t o d e v e l o p a s o u n d t e c h n i c a l b a s i s f o r j u d i c i o u s d e s i g n a n d u s e o f t h e m a t e r i a l . F u s t o n , K r e l l a n d Z i m m e r ( 1 9 7 9 ) [ 8 ] h a v e r e p o r t e d o n t h e d e v e l o p m e n t o f a fl o w a b l e fl y a s h m a t e r i a l f o r b a c k fi l l a p p l i c a t i o n s a b o v e o r b e l o w w a t e r . T h e m a t e r i a l d e v e l o p e d w a s c o m p o s e d p r i n c i p a l l y o f fl y a s h , c e m e n t ( 4 t o 5 p e r c e n t b y d r y w e i g h t o f fl y a s h ) , a n d a n a p p r o p r i a t e a m o u n t o f w a t e r t o p r o d u c e t h e fl o w a b i l i t y r e q u i r e d f o r a p a r t i c u l a r a p p l i c a t i o n . T h e s t r e n g t h r a n g e d b e t w e e n 5 0 a n d 1 0 0 p s i ( 3 4 5 t o 6 9 0 K P a ) a t 2 8 d a y s , a n d t h e d r y d e n s i t y r a n g e d f r o m 7 0 t o 8 5 l b / f t ’ ( 1 1 2 0 t o 1 3 6 0 k g / m ’ ) . T h e p e r m e a b i l i t y w a s a p p r o x i m a t e l y 2 x 1 0 4 3 i n / s e c ( 5 x 1 0 4 5 c m / s e c ) , w h i c h p l a c e s i t b e t w e e n t y p i c a l s o i l b a c k fi l l m a t e r i a l s , ( i . e . , 1 0 ‘ t o 1 0 3 f o r s a n d a n d 1 0 ' 7 f o r c l a y m a t e r i a l s ) . I t w a s a l s o r e p o r t e d t h a t t h e fl o w a b l e fl y a s h , w h i c h c a n b e p r o d u c e d i n p u g m i l l s , t u r b i n e - t y p e m i x e r s , a n d i n c e n t r a l c o n c r e t e m i x p l a n t s , c o u l d b e e x c a v a t e d i f n e c e s s a r y w i t h s t a b l e s i d e w a l l s . [ 1 0 , 4 1 ] S w a f f a r a n d P r i c e ( 1 9 8 7 ) [ 7 ] h a v e r e p o r t e d o n s u c c e s s f u l u s e o f fl o w a b l e fi l l f o r m a n y a p p l i c a t i o n s , i n c l u d i n g s u p p o r t o f a d i s t r e s s e d t u n n e l i n t e r n a l l y p r i o r t o e x t e r n a l g r o u t i n g ; t h e y a l s o r e p o r t e d s o m e l i m i t a t i o n s i n u s i n g t h e m a t e r i a l , i n c l u d i n g 2 5 4 2 5 5 h a n d l i n g , m i x i n g , a n d p l a c i n g p r o b l e m s , s t a t i n g : " T h e n e w m a t e r i a l c a n n o t b e h a n d l e d a s c o n v e n t i o n a l fi l l m a t e r i a l t h e c o n t r a c t o r m u s t d e v e l o p a f e e l f o r t h e fl o w a b l e a s h b e f o r e w o r k i n g ( e a s i l y ) w i t h i t t h e fi n i s h e d s u r f a c e s h o u l d n o t b e c o n s i d e r e d a w e a r i n g s u r f a c e . T h e s u r f a c e w i l l b e s l i p p e r y d u r i n g r a i n - f a l l , s i m i l a r t o a s m o o t h c l a y . " [ 1 , 1 5 ] 2 . 2 M I X P R O P O R T I O N S A N D F R E S H M I X P R O P E R T I E S T h e m i x p r o p o r t i o n s u s e d f o r fl o w a b l e fi l l a r e s e l e c t e d t o o b t a i n l o w - s t r e n g t h m a t e r i a l s i n t h e 5 0 t o 1 5 0 p s i ( 3 4 5 t o 1 , 0 3 5 K P a ) r a n g e . T h i s l e v e l o f s t r e n g t h i s s i m i l a r t o t h a t o f m a n y r e c o m p a c t e d s o i l s a n d m a k e s i t s u i t a b l e a s a b a c k fi l l m a t e r i a l f o r u t i l i t y t r e n c h e s c o n t a i n i n g d u c t s , p i p e s a n d m a n h o l e s , o t h e r e x c a v a t i o n s i n s t r e e t s a n d a r o u n d f o u n d a t i o n s , a n d a s fi l l f o r a b a n d o n e d t u n n e l s , s e w e r s , a n d o t h e r u n d e r g r o u n d c a v i t i e s . T o a c h i e v e m a x i m u m u t i l i z a t i o n o f t h e c o a l c o m b u s t i o n b y - p r o d u c t s , t h e m i x e s a r e u s u a l l y p r o p o r t i o n e d u s i n g a l a r g e q u a n t i t y o f t h e C l a s s F fl y a s h , a s m a l l a m o u n t o f c e m e n t , a n d w a t e r ( s e e T a b l e 2 . 1 f o r t y p i c a l m i x p r o p o r t i o n s ) . I n m o s t c a s e s , t h e m a t e r i a l i s p r o p o r t i o n e d t o a l l o w f o r e a s y f u t u r e r e m o v a l w i t h o r d i n a r y e x c a v a t i n g e q u i p m e n t w h i l e l e a v i n g t h e t r e n c h o r e x c a v a t i o n w a l l s i n t a c 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 d e p e n d s o n t h e p a r t i c u l a r fl y a s h b e i n g u s e d a n d o n t h e a m o u n t o f P o r t l a n d c e m e n t b e i n g a d d e d . T h e t o t a l a m o u n t o f w a t e r u s e d h a s s o m e e f f e c t , b u t h i g h w a t e r c o n t e n t s c a u s e o n l y a s m a l l r e d u c t i o n i n s t r e n g t h . [ 1 5 , 1 7 , 1 8 ] 2 5 6 T a b l e 2 . 1 . E x a m p l e s o f F l o w a b l e F i l l M i x P r o p o r t i o n s [ 1 3 , 2 8 ] _ A s h T y p e m u m ; ( % ) S a n d ( % ) W a t e r ( % ) A s h A s h A s h T o p A s h 3 0 0 . 5 4 4 T o p A s h 4 0 0 . 5 4 9 B o t t o m A s h 4 0 0 . 7 1 9 T o p + B o t t o m A s h 4 0 0 . 5 2 6 ' 1 T o p A s h 5 0 0 . 4 3 5 B o t t o n A s h 5 0 0 . 7 2 6 T o p + B o t t o m A s h 5 0 0 . 5 3 1 T o p A s h 6 0 0 . 5 6 0 T o p A s h 8 0 0 . 5 7 0 T o p A s h 1 0 0 0 . 5 8 1 T o p A s h 1 0 5 . 5 0 . 3 2 7 T o p A s h 3 0 8 . 5 0 . 3 8 1 A s i n c o n c r e t e , s l u m p p r o v i d e s a m e a s u r e o f c o n s i s t e n c y d e fi n e d i n A C I 1 1 6 a s " t h e r e l a t i v e m o b i l i t y o r a b i l i t y o f f r e s h l y m i x e d c o n c r e t e o r m o r t a r t o fl o w " . F l o w a b l e fi l l w i l l g e n e r a l l y b e m o r e fl o w a b l e t h a n c o n c r e t e a t t h e s a m e s l u m p p r i m a r i l y b e c a u s e o f t h e l u b r i c a t i o n a c t i o n o f t h e h i g h v o l u m e o f fl y a s h s p h e r e s . B y d e fi n i t i o n , fl o w a b l e fi l l i s p r o p o r t i o n e d t o p r o d u c e v e r y h i g h s l u m p s . G e n e r a l fi l l a p p l i c a t i o n s r e q u i r e a s l u m p r a n g e o f 6 t o 1 1 i n . ( 1 5 t o 1 7 . 5 c m ) . W h e r e g r e a t e r fl o w i s r e q u i r e d , c a r e s h o u l d b e t a k e n t o e n s u r e t h a t a d e q u a t e fi n e s ( g e n e r a l l y fl y a s h ) a r e p r e s e n t t o a c c e p t t h e fl o w w i t h o u t s e g r e g a t i o n . [ 5 , l 9 ] 2 5 7 S e g r e g a t i o n a n d s u b s i d e n c e a r e t w o p h e n o m e n a t h a t a r e n o t a p r o b l e m w i t h fl o w a b l e fl y a s h . F l y a s h a n d c e m e n t p a r t i c l e s a r e a b o u t t h e s a m e s i z e a n d t h e r e f o r e d o n o t s e p a r a t e . T o t a l s a t u r a t i o n w i t h w a t e r r e s u l t s i n f r e e w a t e r fl o w i n g f r o m t h e m a t e r i a l , n o t s o l i d s . S u b s i d e n c e d o e s o c c u r , b u t i s a l m o s t i n s t a n t a n e o u s i n c h a r a c t e r . E x p e r i e n c e w i t h d e e p p l a c e m e n t s a n d c h e c k i n g t h e fi l l i n g u n d e r s l a b s , i n s e w e r s , a n d t u n n e l s c o n fi r m s t h a t t h i s c a n b e e a s i l y a c c o m m o d a t e d d u r i n g c o n s t r u c t i o n . [ 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 ] I t s h o u l d b e n o t e d t h a t a t y p i c a l m i x u s i n g 5 p e r c e n t P o r t l a n d C e m e n t ( b y d r y w e i g h t o f t h e fl y a s h ) h a s b e e n e s t a b l i s h e d . M o s t s o i l p r o c e d u r e s u s e t h e p e r c e n t o f c e m e n t a s t h a t o f t h e t o t a l w e i g h t o f a l l t h e m a t e r i a l . T h i s m e a n s t h a t a fl o w a b l e fl y a s h u s i n g 5 p e r c e n t P o r t l a n d c e m e n t b y d r y w e i g h t o f fl y a s h i s a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o 2 . 3 p e r c e n t P o r t l a n d c e m e n t b a s e d o n t h e t o t a l w e i g h t o f a l l m a t e r i a l s a s w o u l d n o r m a l l y b e r e p o r t e d b y a s o i l s l a b o r a t o r y . T h e p o i n t m a d e h e r e i s t h a t i f t h e d e s i g n e r c o m p a r e s e i t h e r c o s t s o r m a t e r i a l s , a l l e l e m e n t s m u s t b e c o m p a r e d o n a b a s i s o f e q u a l u n i t s . 2 . 3 P R O D U C T I O N T h e fl o w a b l e fi l l s l u r r y m i x e s c a n b e p r o d u c e d a t a r e a d y - m i x e d c o n c r e t e p l a n t , t h e m i x m a t e r i a l s a r e t h e n l o a d e d i n t o t h e r e a d y - m i x t r u c k i n t h e u s u a l m a n n e r u s i n g a u t o m a t e d p l a n t e q u i p m e n t . H o w e v e r , i t i s f o u n d t h a t a m o r e h o m o g e n e o u s m i x t u r e c o u l d b e o b t a i n e d i f c e m e n t w a s l o a d e d i n t o t h e r e a d y - m i x t r u c k fi r s t , t h e n w a t e r , a n d t h e n , a f t e r t h o r o u g h l y m i x i n g t h e s e m a t e r i a l s , t h e fl y a s h . A d d i t i o n a l m i x i n g f o r a m i n i m u m o f 1 5 m i n u t e s w i l l p r o d u c e a g o o d , c o m p l e t e l y m i x e d , h o m o g e n e o u s s l u r r y . T h i s f a l l s 2 5 8 w e l l w i t h i n t h e u s u a l l y a v a i l a b l e d e l i v e r y t i m e o f r e a d y - m i x e d m a t e r i a l s . T y p e I c e m e n t i s u s u a l l y u s e d f o r t h e m i x e s . I n t h e p l a c e d fi l l , p e r i o d i c i n s p e c t i o n f o r c o n d i t i o n o f s e t , s e t t l e m e n t , b l e e d w a t e r , a n d s h r i n k a g e c r a c k s a r e n e c e s s a r y t o d e t e c t s e t t l e m e n t , i f a n y , a s w e l l a s r e t e n t i o n o f b l e e d w a t e r . [ 2 3 , 2 4 , 2 5 ] 2 . 4 P R O P E R T I E S G e n e r a l l y , t h e 2 8 - d a y s t r e n g t h o f a 2 i n . ( 5 c m ) c u b e w i l l b e c l o s e t o 1 0 0 p s i ( 6 9 0 K P a ) u s i n g 5 p e r c e n t P o r t l a n d c e m e n t b y w e i g h t o f fl y a s h . T h i s v a l u e , w h i c h i s e q u i v a l e n t t o 1 4 , 0 0 0 l b / f t 2 ( 6 9 0 k P a ) , c a n b e c o m p a r e d t o e n g i n e e r e d b a c k fi l l s w h e r e a fi g u r e o f 3 0 0 0 t o 4 0 0 0 l b / f t 2 ( 2 1 t o 2 8 M P a ) i s c o m m o n l y u s e d . M o d u l u s o f r u p t u r e t e s t s a l s o p r o v e t h a t t h e m a t e r i a l i s c a p a b l e o f s l a b a c t i o n , w h i c h i s w h y fl o w a b l e fl y a s h c a n b r i d g e o v e r s o f t b o g g y s o i l s . [ 2 6 ] F l o w a b l e fl y a s h d e v e l o p s s t r e n g t h a t a r e a s o n a b l e p a c e . O n a h o t d a y , t h e fl o w a b l e fl y a s h h a s s u p p o r t e d t h e f u l l 1 0 y d 3 ( 7 . 6 m 3 ) l o a d o f a r e a d y - m i x e d t r u c k a f t e r a f e w h o u r s . [ 9 ] A l t h o u g h t h e s t r e n g t h a t t h e fl o w a b l e fi l l w i l l b e g e n e r a l l y g r e a t e r t h a n t h e s u r r o u n d i n g m a t e r i a l s , i t c a n b e e x c a v a t e d w i t h c o n v e n t i o n a l m e t h o d s w e r e i t t o b e c o m e n e c e s s a r y . E x c a v a t i o n o f m a t e r i a l s o v e r a y e a r o l d i n t h e fi e l d w i t h s t r e n g t h s i n e x c e s s o f 3 0 0 p s i ( 2 0 . 7 K p a ) h a s b e e n a c c o m p l i s h e d s u c c e s s f u l l y . [ 1 3 , 2 7 , 3 5 ] T h e 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 r a n g e s f r o m 1 . 9 x 1 0 ‘ i n / s e c t o 3 . 3 x 1 0 ‘ 7 i n / s e c ( 4 . 7 5 x 1 0 * 5 c m / s e c t o 8 . 2 5 x 1 0 ‘ c m / s e c ) , w h i c h p l a c e s i t i n t h e r a n g e o f a c l a y 2 5 9 m a t e r i a l . W h e n t h e b a c k fi l l i s u s e d a s a l i n e r b e c a u s e o f e n v i r o n m e n t a l c o n s i d e r a t i o n s , l o c a l m a t e r i a l s s h o u l d b e t e s t e d a t t h e s i t e . L a b o r a t o r y t e s t s i n d i c a t e t h a t a 1 5 p e r c e n t P o r t l a n d c e m e n t c o n t e n t ( b y w e i g h t o f d r y fl y a s h ) c a n b e c o n s i d e r e d e f f e c t i v e f o r fl o w a b l e fl y a s h u s e d i n t h i s m a n n e r . [ 1 3 , 2 8 , 4 1 ] C o r r o s i o n o f e m b e d d e d i r o n a n d s t e e l i s c o n t r o l l e d b y t h e a l k a l i n i t y o f fl o w a b l e fi l l . M o s t fl y a s h e s a r e a l k a l i n e , a c o n d i t i o n t h a t i s e n h a n c e d b y t h e a d d i t i o n o f P o r t l a n d c e m e n t , t h u s p r o v i d i n g a n i d e a l e n v i r o n m e n t t o i n h i b i t t h e c o r r o s i o n o f i r o n a n d s t e e l . 2 . 5 A P P L I C A T I O N S T h i s S e c t i o n p r e s e n t s m a n y s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n s o f fl o w a b l e fi l l . 2 . 5 . 1 P l a c i n g C u l v e r t P i p e B e d d i n g [ 1 9 , 3 2 , 3 3 ] S i n c e t h e m i d 1 9 7 0 ’ s s o m e c o u n t y a g e n c i e s i n I o w a h a v e b e e n p l a c i n g c u l v e r t s o n a c o n t r o l l e d l o w s t r e n g t h m a t e r i a l ( e . g . , fl o w a b l e fl y a s h ) b e d d i n g . T h i s p r e v e n t s w a t e r f r o m g e t t i n g b e t w e e n t h e b o t t o m o f t h e p i p e a n d t h e b e d d i n g t o e r o d e t h e p i p e s u p p o r t . E x c a v a t i o n f o r p i p e c a n b e m u c h s m a l l e r w h e n u s i n g fl o w a b l e fl y a s h a s t h e b a c k fi l l m a t e r i a l b e c a u s e i t o b t a i n s d e n s i t y w i t h o u t c o m p a c t i o n . S o m e e n g i n e e r s s p e c i f y t h a t t h e c o n t r o l l e d d e n s i t y fi l l b e p l a c e d o n l y t o t h e m i d p o i n t o f t h e p i p e a n d t h e n , i f t h e r e i s r o o m f o r c o m p a c t i o n e q u i p m e n t , t o p r o c e e d w i t h c o n v e n t i o n a l c o m p a c t i o n a n d 2 6 0 b a c k fi l l m e t h o d s . O t h e r e n g i n e e r s r e q u i r e t h e fl o w a b l e fi l l b e p l a c e d t h e e n t i r e d e p t h , f r o m t h e p i p e b e d t o t h e r o a d b e d l e v e l . T h e I o w a D e p a r t m e n t o f T r a n s p o r t a t i o n ( I D O T ) s t a r t e d s p e c i f y i n g fl o w a b l e m o r t a r b a c k fi l l m a t e r i a l s f o r c u l v e r t s i n 1 9 7 9 . [ 4 ] T h e i r p r o c e d u r e r e q u i r e s t h a t e x c a v a t i o n f o r p i p e p l a c e m e n t h a v e o n e - t o - o n e S i d e S l o p e s . A n e a r t h e n fi l l i s c o m p a c t e d t o p l a c e t h e p i p e i n i t s fl o w l i n e a n d 4 - i n . ( l O O - m m ) s u b d r a i n p i p e i s p l a c e d i n t h e fl o w l i n e . G r a n u l a r b a c k fi l l i s c o m p a c t e d a r o u n d t h e b o t t o m a n d t o o n e - h a l f t h e h e i g h t o f t h e p i p e , t h e n fl o w a b l e m o r t a r i s p l a c e d t o a m a x i m u m d e p t h o f 5 f t ( 1 . 5 m ) a b o v e t h e s u r f a c e o f t h e c u l v e r t p i p e . T h e s u b g r a d e i s b r o u g h t u p t o t h e fi n a l g r a d e l e v e l b y n o r m a l c o m p a c t i o n m e t h o d s . [ 2 9 , 3 0 , 3 1 ] F l o w a b l e fl y a s h i s a l s o u s e d f o r b a c k fi l l i n g b y I o w a m a i n t e n a n c e c r e w s , w h o s p e c i f y m i x t u r e s r a n g i n g f r o m 1 0 0 t o 5 0 0 p s i ( 6 9 0 t o 3 4 4 8 K P a ) . I n o n e a r e a , c r e w s c o m m o n l y u s e a 1 0 0 - p S i ( 6 9 0 - K P a ) m i x d e s i g n f o r m o s t a p p l i c a t i o n s , b u t r e d u c e t h e s t r e n g t h w h e n w o r k i n g a r o u n d w a t e r l i n e s b e c a u s e t h e y o f t e n h a v e t o r e - e x c a v a t e t h e s e a r e a s a t a l a t e r d a t e . T h i s i s d o n e e v e n t h o u g h t h e l O O - p s i ( 6 9 0 K P a ) fl o w a b l e fi l l i s r e a d i l y e x c a v a t e d w i t h a b a c k h o e o r a n a i r s p a d e . [ 3 4 ] 2 . 5 . 2 P r e v e n t i n g E r o s i o n [ 4 , 3 6 ] F l o w a b l e fi l l w a s u s e d d u r i n g t h e 1 9 8 0 ’ s f o r t w o e r o s i o n p r e v e n t i o n p r o j e c t s i n I o w a . T h e fi r s t p r o b l e m o c c u r r e d w h e n a 5 0 , 0 0 0 f t 2 ( 4 6 4 5 m 2 ) d e p a r t m e n t s t o r e p a r k i n g l o t w a s b u i l t n e x t t o a 1 2 t o 1 4 f t ( 3 . 7 t o 4 . 3 m ) d e e p , V - S h a p e d d r a i n a g e d i t c h . T h e 2 6 1 d i t c h , 1 2 t o 1 4 f t . ( 3 . 7 t o 4 . 3 m ) w i d e a t t h e t o p , w a s l i n e d w i t h r i p r a p a n d l o o s e r o c k . T h e l a r g e v o l u m e o f r u n o f f w a t e r f r o m t h e p a r k i n g l o t s o o n w a s h e d o u t t h e l o o s e m a t e r i a l i n t h e r i p r a p a n d t h e r i p r a p , i n t u r n , w a s h e d i n t o t h e d i t c h . I n r e b u i l d i n g , t h e e r o d e d d i t c h w a l l w a s r e l i n e d w i t h r i p r a p a n d t h e t o p o f t h e d i t c h w a s o f f s e t f r o m t h e p a r a l l e l e d g e o f t h e p a r k i n g a r e a b y 2 t o 3 f t ( 0 . 6 t o 0 . 9 m ) . F l o w a b l e fi l l w a s p l a c e d t h r o u g h t h e r i p r a p , fi l l i n g t h e v o i d s , a n d a 2 t o 3 f t w i d e b y 4 i n . t h i c k ( 0 . 6 t o 0 . 9 m x 1 0 0 m m ) fl o w a b l e fi l l c a p w a s p l a c e d o v e r t h e r i p r a p . A p p r o x i m a t e l y 4 0 y d 3 ( 3 1 m 3 ) o f r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h fl o w a b l e fi l l w a s u s e d f o r t h e p r o j e c t . [ 2 , 1 5 ] 2 . 5 . 3 B r i d g e R e h a b i l i t a t i o n [ 4 4 , 4 6 ] I D O T h a s u s e d fl o w a b l e m o r t a r t o s a v e m a n y o l d o r d a m a g e d b r i d g e s r a t h e r t h a n r e m o v i n g a n d r e b u i l d i n g t h e m . T h e m e t h o d i n v o l v e s p o s i t i o n i n g c u l v e r t p i p e s o r a b o x c u l v e r t u n d e r a b r i d g e a n d b u i l d i n g e a r t h d a m s o v e r t h e p i p e s , p a r a l l e l t o t h e b r i d g e S i d e s . T h e c a v i t y u n d e r t h e b r i d g e s a n d b e t w e e n t h e d a m s i s t h e n fi l l e d w i t h fl o w a b l e m o r t a r . T h e m o r t a r i s b r o u g h t u p t o w i t h i n 6 i n . ( 1 5 0 m m ) o f t h e l o w e s t m e m b e r o f t h e b r i d g e . A f t e r 7 2 h o u r s , t h e fi n a l p l a c e m e n t i s m a d e , t h r o u g h 4 - i n . ( 1 0 0 m m ) h o l e s s a w e d i n t h e b r i d g e d e c k , b r i n g i n g t h e m o r t a r u p t o t h e b o t t o m o f t h e b r i d g e d e c k s o t h e d e c k b e c o m e s a r o a d w a y w i t h a s o l i d b a s e . T h e g u a r d r a i l c a n b e r e m o v e d a n d t h e b r i d g e d e c k c a n b e w i d e n e d a t t h i s p o i n t , a n d s h o u l d e r m a t e r i a l c a n b e a d d e d t o m a k e a s a f e t y c u l v e r t . T h e e n t i r e p r o j e c t c a n b e c o m p l e t e d w i t h o u t d e t o u r i n g t r a f fi c . 2 6 2 2 . 5 . 4 F i l l i n g a V o i d A l o n g a W o o d e n C u l v e r t [ 1 , 2 ] T h e a p p e a r a n c e o f a d r a i n a g e h o l e l e d t o t h e d i s c o v e r y o f a l a r g e v o i d c a u s e d b y w a t e r s e e p i n g i n t o , t h r o u g h , a n d a r o u n d a n o l d w o o d e n b o x c u l v e r t b e l o w t h e r o a d w a y . T h e v o i d w a s b l o c k e d a t b o t h e n d s o f t h e c u l v e r t , d e n y i n g a c c e s s f o r c o n v e n t i o n a l r e p a i r s , b u t t h e v o i d w a s e a s i l y fi l l e d w i t h fl o w a b l e fi l l t h r o u g h t h e o r i g i n a l h o l e f r o m t h e r o a d s u r f a c e . T h i r t y — o n e y d 3 ( 2 4 m 3 ) o f fl o w a b l e fi l l w a s p l a c e d t o fi l l t h e v o i d . 2 . 5 . 5 F i l l i n g B r i d g e A b u t m e n t V o i d s [ 1 , 3 3 ] I D O T h a s l e a r n e d t h e i m p o r t a n c e o f e a r l y d e t e c t i o n a n d p r o m p t fi l l i n g o f v o i d s a r o u n d b r i d g e a b u t m e n t s . O n e v o i d , u n d e r a c o u n t y b r i d g e a b u t m e n t n e a r H a r l a n , I o w a , w a s e s t i m a t e d t o r e q u i r e 3 0 y d 3 ( 2 3 m 3 ) o f fl o w a b l e m o r t a r t o fi l l . H o w e v e r , w h e n i t w a s fi l l e d a s h o r t t i m e l a t e r a f t e r a h e a v y r a i n , i t r e q u i r e d a l m o s t 3 0 0 y d 3 ( 2 3 0 m 3 ) o f fl o w a b l e fi l l . 2 . 5 . 6 F i l l i n g o f U n d e r g r o u n d T a n k s [ 4 2 , 4 3 ] I D O T b e g a n a p r o j e c t i n 1 9 8 7 t o r e m o v e t h r e e a b a n d o n e d u n d e r g r o u n d f u e l t a n k s , b u t d e t e r m i n e d t h a t r e m o v a l w o u l d e n d a n g e r t h e a d j a c e n t m a i n t e n a n c e g a r a g e . I t w a s t h e n fi l l e d w i t h fl o w a b l e m o r t a r . T h e t w o 2 0 0 0 - g a l ( 7 . 6 - m 3 ) a n d o n e 1 0 0 0 - g a l ( 3 . 8 - m 3 ) t a n k s w e r e fi l l e d w i t h a p p r o x i m a t e l y 2 6 y d 3 ( 2 0 m 3 ) o f fl o w a b l e fi l l . T h e p r o j e c t w a s c o m p l e t e d a t a c o s t o f $ 1 1 4 0 , w h i l e r e m o v i n g t h e t a n k s w a s e s t i m a t e d t o c o s t a p p r o x i m a t e l y $ 8 0 0 0 i n 1 9 8 7 . 2 6 3 S i n c e 1 9 8 7 , f e d e r a l a n d s t a t e r u l e s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o s p e c i f y u n d e r g r o u n d s t o r a g e t a n k c l o s u r e p r o c e d u r e s . F i l l i n g i n - p l a c e t a n k s w i t h a n i n e r t s o l i d m a t e r i a l , s u c h a s fl o w a b l e fi l l , i s t h e a l t e r n a t i v e t o t a n k r e m o v a l . 2 . 5 . 7 P r o t e c t i n g U n d e r - R o a d P e t r o l e u m P i p e s [ 2 , 4 0 ] A r o a d w a y o v e r p e t r o l e u m p i p e s w a s n e e d e d t o a c c o m m o d a t e c o n s t r u c t i o n t r a f fi c f o r a p r o j e c t a t a p e t r o l e u m p l a n t . T o a v o i d t h e p o s s i b i l i t y o f c o n t a m i n a t i n g s o i l a n d g r o u n d w a t e r w i t h l e a k i n g p e t r o l e u m p r o d u c t s f r o m r u p t u r e d l i n e s , fl o w a b l e fi l l w a s c h o s e n t o s t a b i l i z e a n d s u p p o r t t h e p i p i n g w h e r e t h e r o a d w a s t o p a s s o v e r t h e l i n e s . A r e c t a n g u l a r a r e a w a s e x c a v a t e d , t h e n fi l l e d t o t o t a l l y e n v e l o p e t h e p i p e s i n a m o n o l i t h i c m a s s o f fl o w a b l e fi l l . A f t e r a t h r e e - d a y c u r i n g p e r i o d , a 4 - i n . ( 1 0 0 - m m ) g r a n u l a r l a y e r w a s p l a c e d o v e r t h e a r e a a s a w e a r i n g c o u r s e f o r t h e r o a d w a y . 2 . 5 . 8 R o a d B e d B a c k f i l l [ 4 4 , 4 5 ] F l o w a b l e fi l l h a s b e e n u s e d f o r b a s e s a n d s u b b a s e s . I f t h e p r o p e r b e a r i n g c a p a c i t y f o r a f o o t i n g c a n n o t b e o b t a i n e d d u e t o p o o r s o i l c o n d i t i o n s , a ” s p r e a d f o o t i n g " o f fl o w a b l e m o r t a r o f t e n c a n s o l v e t h e p r o b l e m . F l o w a b l e m o r t a r w a s u s e d t o b a c k fi l l u n d e r t h e p a v e m e n t b y u s i n g t h e s o i l o u t s i d e w i t h a 1 : 1 s l o p e a s a f o r m t o c o n t a i n t h e fl o w a b l e m o r t a r . G r a n u l a r b a c k fi l l w a s u s e d f o r o t h e r l o c a t i o n s . S t i l l o t h e r l o c a t i o n s w e r e b a c k fi l l e d w i t h s o i l i n 8 - i n ( 2 0 c m ) . l i f t s a n d c o m p a c t e d w i t h a v i b r a t o r y p l a t e . T h e m e t h o d s u s e d a r e c o m p a r e d a s f o l l o w s : 2 6 4 T a b l e 2 . 2 S e t t l e m e n t a n d c o s t c o m p a r i s m [ 9 , 1 5 ] T y p e o f B a c k f i l l S e t t l e m e n t ( i n . ) C o s t ( $ ) S o i l 1 . 5 1 , 7 9 0 G r a n u l a r 0 1 , 8 8 0 F l o w a b l e M o r t a r 0 . 2 5 7 9 0 T h i s fl o w a b l e fi l l w a s n o t e d t o d e v e l o p a c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f 8 0 p s i ( 5 5 2 K p a ) , a n d i t c o u l d b e d e s i g n e d a s a b a c k fi l l m a t e r i a l t h a t d o e s n o t S h r i n k . F l o w a b l e m o r t a r c o u l d b e r e m o v e d w i t h o u t a j a c k h a m m e r . 2 . 5 . 9 A b a n d o n e d S e w e r F i l l [ 1 9 , 4 5 ] F l o w a b l e fl y a s h h a s b e e n u s e d t o fi l l a b a n d o n e d t a n k s , t u n n e l s , a n d s e w e r s . F o r t h e c a s e o f fi l l i n g a s e w e r , t h e fi l l p o i n t s w e r e p l a c e d 2 5 0 f t . ( 7 5 m ) a p a r t a n d i n t o t h e s e w e r . A S fi l l w a s d e p o s i t e d a t o n e p o i n t , t h e n e x t p o i n t s e r v e d a s a n a i r v e n t . T h i s s e c o n d p o i n t w a s a l s o u s e d t o c h e c k o n t h e fl o w o f t h e m a t e r i a l . T e s t b o r i n g s m a d e a f t e r t h e fi l l i n g o p e r a t i o n w a s c o m p l e t e s h o w e d t h e s e w e r t o b e f u l l w i t h o u t v o i d s . T h i s s a m e p r i n c i p l e h a s b e e n u s e d t o s u p p o r t s l a b s t h a t h a v e b e e n u n d e r m i n e d . I n o n e c a s e , fl o w a b l e fl y a s h b a c k fi l l w a s u s e d u n d e r a s l a b s u p p o r t i n g a f u e l t a n k . T h e s p e e d o f t h e o p e r a t i o n s a v e d t h e e n t i r e p l a n t f r o m a c o m p l e t e s h u t d o w n . 2 6 5 2 . 6 C O S T W h e n s e l e c t i n g a n y c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l f o r a j o b , i t s e f f e c t o n c o s t s h o u l d b e c o n s i d e r e d . F l o w a b l e fl y a s h c o s t s v a r y w i t h t h e a v a i l a b i l i t y a n d t h e m a r k e t , b u t t h e m a t e r i a l o f f e r s p r o p e r t i e s t h a t c a n n o t b e f o u n d i n o t h e r s , s u c h a s e r o s i o n r e s i s t a n c e , p l a c a b i l i t y i n w a t e r , m i n i m u m t e s t i n g c o s t s , e l i m i n a t i o n o f h a n d l a b o r f o r c o m p a c t i o n , s c h e d u l i n g o p p o r t u n i t i e s , a n d o t h e r a d v a n t a g e s . T h e f o l l o w i n g c a s e h i s t o r i e s a r e o f f e r e d t o s u g g e s t s o m e o f t h e c o s t i t e m s b e s i d e t h o s e o f d i r e c t m a t e r i a l c o s t s t h a t s h o u l d b e c o n s i d e r e d . I t i s u s u a l l y t h e c o n s e r v a t i o n o f t i m e a n d r e d u c e d m a n p o w e r r e q u i r e m e n t s w h i c h m a k e fl o w a b l e fi l l a l e s s c o s t l y a l t e r n a t i v e . A l t h o u g h fl o w a b l e fi l l m a y c o s t m o r e o n a p e r c u b i c y a r d o f m a t e r i a l b a s i s , t h i s m u s t b e b a l a n c e d a g a i n s t t h e r e d u c t i o n i n m a n p o w e r , t h e r e d u c e d e q u i p m e n t r e n t a l a n d t h e o v e r a l l t i m e s a v i n g s . I n s o m e c i r c u m s t a n c e s , h o w e v e r , d i s p o s a l o f t h e e x c a v a t e d m a t e r i a l m u s t b e i n c l u d e d i n t h e c o s t o f t h e fl o w a b l e fi l l . [ 9 , 1 5 ] I n a b a c k fi l l i n g o p e r a t i o n , t h e u s e o f a c e m e n t / fl y a s h m i x t h a t r e q u i r e s n o c o m p a c t i o n , v e r s u s t h e g r a n u l a r b a c k fi l l n o r m a l l y u s e d , p e r m i t s w o r k o p e r a t i o n s d u r i n g w e t m o n t h s . T h i s a n d o t h e r f a c t o r s r e s u l t i n s u b s t a n t i a l s a v i n g s i n m a t e r i a l s , fi e l d l a b o r , a n d t i m e . 2 6 6 2 . 7 Q U A L I T Y C O N T R O L T h e b u r d e n o f e n s u r i n g t h e p r o p e r c e m e n t c o n t e n t a n d m i x i n g s h o u l d b e o n t h e p r o d u c e r . F i e l d c o n t r o l s s h o u l d i n c l u d e c o m p r e s s i v e t e s t s o n 2 - i n . ( 5 - c m ) c u b e s a n d t h e p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t t h a t i t s u p p o r t s t h e w e i g h t o f c o n s t r u c t i o n e q u i p m e n t . T e s t s o n v a r i o u s - s i z e d s a m p l e s i n t h i s s t r e n g t h r a n g e i n d i c a t e t h a t t h e 2 - i n . ( 2 - c m ) c u b e s t r e n g t h i s c o m p a r a b l e t o a s t a n d a r d c o n c r e t e c y l i n d e r o f 6 - i n . ( 1 5 - c m ) d i a m e t e r b y 1 2 - i n . ( 3 0 - c m ) l e n g t h a n d d o e s n o t r e q u i r e a n y c o r r e c t i o n f a c t o r a s i n t h e c a s e o f c o n c r e t e t e s t i n g . A l t h o u g h t h e s t a n d a r d 6 - i n . ( 1 5 - c m ) c y l i n d e r h a s b e e n u s e d o n p r o j e c t s , i t h a s b e e n d e t e r m i n e d t h a t t h e s t a n d a r d 2 - i n . ( 5 - c m ) c u b e i s v i r t u a l l y t r o u b l e f r e e . T h e c u b e r e q u i r e s l i t t l e s t o r a g e s p a c e a n d o f t e n c a n b e t e s t e d o n S i m p l e s o i l c o m p r e s s i o n m a c h i n e s . [ 3 8 , 3 9 , 4 7 ] 2 . 8 T R A N S P O R T A T I O N A N D P L A C E M E N T F l o w a b l e fl y a s h h a s b e e n p l a c e d b y e n d - d u m p i n g a n d c h u t i n g f r o m r e a d y - m i x t r u c k s . T h e m a t e r i a l a l s o h a s b e e n p l a c e d f r o m c o n v e y o r l i n e s a n d b y p u m p i n g . I n i t s fi r s t a p p l i c a t i o n , fl o w a b l e fl y a s h w a s e n d - d u m p e d a n d t h e n b u l l d o z e d i n t o w a t e r d e p t h s u p t o 2 0 f t . ( 6 - m ) . W h e n p l a c i n g fl o w a b l e fi l l i n a c a v i t y u n d e r a s t r u c t u r e , p i p e , o r s l a b , t h e p l a c e m e n t m u s t b e c o n t i n u o u s o r s u b s i d e n c e w i l l t a k e p l a c e a n d i t w i l l n o t b e p o s s i b l e t o m o v e t h e m a t e r i a l f u r t h e r i n t o t h e c a v i t y . 2 6 7 T h e f o l l o w i n g i t e m s a r e i m p o r t a n t t o r e m e m b e r i n t h e t r a n s p o r t a t i o n a n d p l a c e m e n t o f fl o w a b l e fi l l : [ 4 , 1 1 , 1 6 , 3 3 ] * P i p e c u l v e r t s m a y fl o a t i n fl o w a b l e fi l l . * B u l k h e a d s a r e d e s i g n e d f o r l i q u i d p r e s s u r e . * D e l i v e r y s h o u l d b e c o n t i n u o u s f o r fi l l i n g c o n fi n e d s p a c e s . * D r a i n a g e o f w a t e r t h r o u g h t h e fl o w a b l e m o r t a r i s a m u s t . T h e f o l l o w i n g l i m i t a t i o n s a r e e x e r t e d o n c o n s t r u c t i o n b y t h e n a t u r e o f fl o w a b l e fl y a s h [ 6 , 2 0 , 2 2 ] : * M o r t a r s h a l l n o t b e p l a c e d o n f r o z e n g r o u n d . * B a t c h i n g , m i x i n g , a n d p l a c i n g m a y b e s t a r t e d , i f w e a t h e r c o n d i t i o n s a r e f a v o r a b l e , w h e n t h e t e m p e r a t u r e i s a t l e a s t 3 4 d e g r e e s F a n d r i s i n g . A t t i m e o f p l a c e m e n t , m o r t a r m u s t h a v e a t e m p e r a t u r e o f a t l e a s t 4 0 d e g r e e s F ( 4 . 4 d e g r e e s C ) . M i x i n g a n d p l a c i n g s h a l l s t o p w h e n t h e t e m p e r a t u r e i s 3 8 d e g r e e s F ( 3 . 3 d e g r e e s C ) o r l e s s a n d f a l l i n g . * E a c h fi l l i n g s t a g e S h a l l b e a s c o n t i n u o u s a n o p e r a t i o n a s i s p r a c t i c a b l e . T h e f o l l o w i n g i s s u e s a l s o n e e d t o b e c o n s i d e r e d i n t h e t r a n s p o r t a t i o n a n d c o n s t r u c t i o n o f fl o w a b l e fi l l : 1 . T h e t e m p e r a t u r e o f t h e fl o w a b l e fi l l m i x , a s m a n u f a c t u r e d a n d d e l i v e r e d , s h a l l b e a t l e a s t 5 0 ° F ( 1 0 ° C ) . 2 6 8 2 . M i x t u r e s s h a l l b e t r a n s p o r t e d t o t h e p o i n t o f p l a c e m e n t i n a r e v o l v i n g d r u m m i x e r o r a g i t a t o r . 3 . D u r i n g p l a c e m e n t o p e r a t i o n s a r o u n d m a n h o l e s a n d i n u t i l i t y t r e n c h e s , c a r e s h a l l b e u s e d t o a v o i d d i s l o c a t i n g a n y p i p e s d u e t o fl u i d p r e s s u r e f r o m t h e fl o w a b l e fi l l b y e v e n p l a c i n g o f t h e m a t e r i a l . A n y p i p e s w i t h i n t h e b a c k fi l l a r e a s h o u l d b e c o n s i d e r e d f o r s e c u r i n g t o a v o i d i n i t i a l b u o y a n t e f f e c t o f fl o w a b l e fi l l . 4 . W h e n R e a d y M i x e d F l o w a b l e F i l l i s u s e d i n p a v e m e n t c u t s , t h e fi l l S h a l l b e p l a c e d t o t h e t o p o f p a v e m e n t . A f t e r s e t t i n g , t h e fi l l i s t o b e r e m o v e d t o t h e b o t t o m o f a c o n c r e t e p a v e m e n t p a t c h o r t o t h e t o p o f b i t u m i n o u s b a s e c o u r s e . A s 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 , i t i s r e c o m m e n d e d t o b e s u r e a n d c h e c k t h e y i e l d b e f o r e u s i n g a n y m i x o n a p r o j e c t . [ 1 1 , 1 2 , 1 6 ] C H A P T E R 3 C O R R E L A T I O N S B E T W E E N F L O W A B L E F I L L P R O P E R T I E S 3 . 1 I N T R O D U C T I O N V a r i o u s t e s t m e t h o d s h a v e b e e n u s e d t o e v a l u a t e fl o w a b l e fi l l . T h i s p h a s e o f r e s e a r c h w a s c o n c e r n e d w i t h e s t a b l i s h i n g t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e r e s u l t s o f t h e s e t e s t m e t h o d s i n o r d e r t o h e l p i d e n t i f y t h e n e c e s s a r y t e s t s f o r c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f fl o w a b l e fi l l . 3 . 2 E X P E R I M E N T A L D E S I G N N i n e d i f f e r e n t fl o w a b l e fi l l m i x t u r e s w e r e t e s t e d f o r v a r i o u s a s p e c t s o f t h e i r 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 . C o r r e l a t i o n s w e r e e s t a b l i s h e d b e t w e e n t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s . T h e n i n e m i x t u r e s w e r e p r o d u c e d u s i n g t h r e e d i f f e r e n t c o a l a s h e s a n d t h r e e d i f f e r e n t m i x p r o p o r t i o n s . T h e t h r e e c o a l a s h e s u s e d w e r e : * L a n s i n g B o a r d o f W a t e r & L i g h t ( 4 / 5 fl y a s h + 1 / 5 b o t t o m a s h ) * L a n s i n g B o a r d o f W a t e r & L i g h t ( 1 / 4 fl y a s h + 3 / 4 b o t t o m a s h ) * M S U P o w e r P l a n t ( m i x t u r e o f fl y a s h a n d b o t t o m a s h ) T h e t h r e e m i x p r o p o r t i o n s a r e i n t r o d u c e d i n T a b l e 3 . 1 2 6 9 2 7 0 T a b l e 3 . 1 . M i x P r o p o r t i o n s ( l b / y d 3 ) M i x I M i x 1 1 M i x I I I C e m e n t 3 5 2 7 3 5 0 A s h 1 3 8 0 1 4 1 7 5 0 0 S a n d - - 2 6 0 0 W a t e r 4 8 7 1 0 0 8 4 8 7 S o m e p r o p e r t i e s o f t h e C o a l a s h e s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 2 T a b l e 3 . 2 . C o a l A s h P r o p e r t i e s T a b l e 3 . 2 ( a ) . L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t C o a l A s h P r o p e r t i e s . P r o p e r t y L B W L ( 2 0 % B o t t o m A s h ) 8 , 0 2 + A 1 2 0 3 + F e Z O 3 8 5 . 8 5 S O , 0 . 6 3 L o s s o n I g n i t i o n ( L O I ) 9 . 5 2 S p e c i fi c G r a v i t y 2 . 1 8 F i n e n e s s 2 3 . 7 2 7 1 T a b l e 3 . 2 ( b ) . L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t C o a l A s h P r o p e r t i e s . | P r o p e r t y L B W L ( 7 5 % B o t t o m A s h ) I 8 0 2 + A 1 2 0 3 + F e I O 3 7 4 . 8 5 I s o , 0 . 7 1 J L o s s o n I g n i t i o n ( L O I ) 1 0 . 5 S p e c i fi c G r a v i t y 2 . 2 7 F i n e n e s s 2 8 . 5 T a b l e 3 . 2 ( c ) 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 a l A s h P r o p e r t i e s . P r o p e r t y M S U 8 , 0 2 + A 1 2 0 3 + F e Z O 3 8 0 S O , 4 . 5 1 L o s s o n I g n i t i o n ( L O I ) 9 . 8 I S p e c i fi c G r a v i t y 2 . 1 0 F i n e n e s s 2 0 . 7 2 7 2 T h e n i n e fl o w a b l e fi l l m i x t u r e s c o n s i d e r e d w e r e s u b j e c t e d t o t h e f o l l o w i n g t e s t s : u n i t w e i g h t ( A S T M C - 2 9 ) , a i r c o n t e n t ( A S T M C - 2 3 1 ) , S l u m p ( A S T M C - 1 4 3 ) , fl o w ( A S T M C — 2 3 0 ) , s e t t i m e ( A S T M C - 4 0 3 ) , w a t e r p e r m e a b i l i t y , C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( A S T M D - 1 8 8 3 , s e e A p p e n d i x I ) w i t h 0 . 1 i n a n d 0 . 2 i n ( 2 . 5 4 a n d 3 . 0 8 m m ) p e n e t r a t i o n , a n d p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a t 2 8 d a y s ( A S T M C - 4 0 3 , s e e A p p e n d i x I , m o d i fi e d i n t h e s e n s e t h a t t h e t e s t w a s p e r f o r m e d a t 2 8 d a y s o f a g e a n d t h e r e s i s t a n c e t o p e n e t r a t i o n w a s r e c o r d e d ) . $ N _ L n . . . . ” 9 . ' I 3 i . . . 3 : . . . . . 5 . . . . . . 9 V 1 . S ' ( . - 1 3 : 1 ) . L H S ( ‘ 1 . ‘ ) ' ' . . ' . [ 2 1 . . . I . . I ; . . I . . . . . 1 : , . . . . . . fl : fl . . . . . ‘ % . f . : l . O I E 0 ‘ : J % / M Q N E 5 W . H L u / m I . N fl ( O I ) ) 1 E % i 1 ( @ \ O l 5 i W : 5 i fi < o r 0 ) 1 o 0 g / W W l l l l l l i l . W _ { J é g U 0 ( g | J ) 3 ] 0 I 2 7 3 3 . 3 E X P E R I N I E N T A L R E S U L T S T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g F i g u r e s 3 . 1 . A S H T Y P E F i g u r e 3 . 1 ( a ) . U n i t W e i g h t ) % ( 3 I ; I I / / I / I I / I I / “ / I ' / I / I I I / l / I / I I I I / / l I I I / / l I / / I I I I / / I I I / I / I I / I / I I I / I / I W I I / O I / I / I I / I I / I / I I I / I / I I I / I / I L I I / I / / I F I I / I / I I / I I I / I I / I I / I I / / I I / | I I / I / I / I I I / / I I I / I I / I I / I / I I / I I / I I / I / I I / I I I / I I / / I I I / I I / I I / I I / I / I I / I I / I I / / I I I I I I / / I I / I / I / / I l l / l l / l I / I I / I / I I / I I / I / I / I I / I I l / I I / l | / I / | I I / | / I / I | I / l / I l I / I / | I | I / / I / | ’ F i g u r e 3 . 1 ( b ) . F l o w A S H T Y P E L B W L - 1 / 5 L B W L - 3 / 4 M S U | | | I | I I | | I | I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I | | | | I | I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / 2 7 4 ) s e h c n i ( P 0 3 I M 0 U L 3 S I I / I 0 I / | | / I | / l I / I I . W I I I § I I § I I % I I / I I I I I / ” I I I I I / I I / I / I / I I 2 I § I I / I I / I I / I I I / I I / I I / I I / I I / I I I I I l l I / I / I I / I I / l I l I I I / I I / ’ I l l I / I I I I / l l I I I / | I / l I / l I I I / I I I / I / I I I l I I / I I I I I / I / I I / I I / . I I / I I I / I I / I / I I l I : 4 I I / I I / I l l l l I W I / I / I I / I / I I / l l / I I / l I l I / I I / I l I I I I l / l l / I l 0 I r O I / I I I / I I / I I / I I / I I I / I I I I I I I I I I I I W l / I / I I / I I / I I / I I / I / I I / | / I I | I I / | / l I / | l I | / I W I / F i g u r e 3 . 1 ( c ) . S l u m p A S H T Y P E L B W L - 1 / 5 L B W L - 3 / 4 M S U A . 4 I O . 5 . 4 O ) _ L ( I ) 2 7 5 ( D I _ _ . . . . . . . . . ; _ — . . . . . . . . . . . . . . . . i g é 5 5 i E a s E a 5 § ; . I 3 : s l \ . . . . . . . . . . . . . . . . : E T . . . 5 . . . . g E - . T _ . 5 : 5 s . . . . . ( . . 5 e . 2 § g I 0 . . . . . . m 2 . T ( . . . . 5 . . . . . . . . . . . t . o . i . ' I . . . . . . . . . L i V % ) . L N B N O O I d l ‘ v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m I ” I . . . . . . . . 7 . . . . . . . . . . . . ( . . . u . I I n I . “ I . I . . I ‘ . I I 0 . . - f I . I I I I I . . . I . . I . I I . | ' | . . . | . ’ I . . I I I I I . ( \ J | | I l l I I I I I I I n " I I I I I I . I . ! “ I I I I I I I . | | | | I I / I / / / 3 2 2 | I I I I I I | / | I I I I I I I I % I I / I 2 / I / I / ; 2 1 1 I / : | 1 I 2 I I / I I I I I / I I / O ? | I / 2 I I / . 3 _ \ _ ' i 5 3 ( l g m C J 0 J D I f I | I ) ] 2 7 6 A S H T Y P E F i g u r e 3 . 1 ( d ) . A i r C o n t e n t ( I S c I ) H L . . . . . . . . . . . . . . S / N S H L I I I I I I o / / S I i I I I 0 u I I / S A I S S S H d i I I I I I I I / / I / I I I I I I I I I I I o a t / / / / / I / I o I e o I I I I I I I I I I / / / / / W I I I O O i I I n o c I I I I I I / / / / / I / i I / I I I I I I I I I I / / / / o I o I / I / I I I I I I I I I I / / / / / 2 7 7 M S U I I I I I I I I I I I I I I I I I | | I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I L B W L - ‘ I / 5 L B W L - 3 / 4 i i i I ( ‘ 0 ( O O ) N I f ) ( I ) V " V N O t o 0 ' ) ‘ - O ( D ( 0 L 0 ( ‘ 0 ‘ - v — ‘ — v - : - A S H T Y P E F i g u r e 3 . 1 ( e ) . C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 6 . _ w . 9 I l . . . . . . . . . . . . . . v V _ W . 7 8 . . . . . . . s m u c m . . . 0 . 7 I I v r . 2 > 4 d W W . . . . m L 8 8 d . W m W _ m m _ r m . I 9 9 D M E _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Z _ . O I . 7 r 7 V _ _ : e _ _ . 3 m _ “ \ . _ \ _ _ \ _ _ _ _ _ W 3 _ = H _ \ _ _ = _ _ > v r _ _ \ _ _ \ _ _ _ B _ _ \ I I 6 _ _ . _ . \ = _ \ _ _ _ _ H _ \ _ _ _ _ _ m _ \ _ _ \ _ _ _ _ _ \ _ _ _ Z \ . _ _ _ _ _ _ _ _ m \ _ _ 6 9 _ = _ \ _ _ _ _ _ = \ _ _ D \ _ = _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ \ _ _ \ _ _ _ . _ _ \ _ _ _ \ _ _ \ _ \ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ \ _ _ _ _ _ \ _ _ \ _ _ _ : 5 _ _ \ _ F i g u r e 3 . 1 ( t ) . P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e A S H T Y P E L B W L - 1 / 5 L B W L - 3 / 4 M S 2 8 0 7 3 5 0 _ _ 2 7 8 I _ - . . . . . . . § . . . . . . . . g = . . . . . . . . . . . . . . . . E ; E . . . . . ' g 7 . I I / I I / I I / I I / / I I / I I / I I I I / I / I / I / I I / / I / I I / I / | I / I / I I I / I / I I / I / / I I I I I I I I I I I I I I I I I I / I I / I / I I / 1 1 / 1 1 / 1 1 / | | / I / I I / I I / I I I / I / I I I ( 0 9 9 / 1 1 1 3 ) A l l - I I S V W H B d B 1 I 1 / / I 1 1 / / I I / I / I / I I / I I / / I I I I I / / I I / I I / I I / / / / I I I I I I I l I / I / I / I I / I I / / / l l l l l l I I I / I / I I o 0 . . o 0 . . I / / l o . 0 . I I I / / o . I o . l o 0 . . l I l I I l l l I 2 7 9 L B W L - 1 / 5 L B W L - 3 / 4 A S H T Y P E F i g u r e 3 . 1 ( g ) . W a t e r P e r m e a b i l i t y O ) ( I I ) _ — _ . - . - . - . - . - . - . - g . : § : . . . . . . . § . . . . . . I 5 . . \ g i 5 E . . . . . . . 5 T . ! . ( . . S J ( . . t I n E W z i ; i I 0 O H i ) I . i K I I I I I I I ) I W 1 3 I I I I I I I . . . . . . . . . . . . E ¢ I m 8 l l V : 1 0 B W C I W . I I I I I I I I . . . . W m . . . I I I I | | I | I I I I I I I . . . . . . . W . . . . . . . . ’ I I I . / I ) I . I I . fi I I . I . I . I . I . I . ( I I I I I I \ : i I W l I I I I I I I l I I I I I \ I I — i fi W I I I I I I I I I I I I I O I I . . . . . . . . . . . . . . . . f . m . . . . . . . . . . . l . . . . . . . . . . I I 2 8 0 M S U L B W L - 1 / 5 L B W L - 3 / 4 A S H T Y P E F i g u r e 3 . 1 ( h ) . F i n a l S e t T i m e 0 _ 9 e m o c Z _ 0 fi _ 8 l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 _ . . . > m 0 2 2 0 $ > _ u _ > O 9 O m m . N 9 \ \ = : \ : § = \ = \ \ : \ . = \ \ \ \ \ \ \ \ . \ \ m _ _ \ \ _ = \ = \ _ _ \ _ \ z \ . \ _ \ _ \ D \ _ _ v \ _ _ \ O 7 \ \ \ _ _ _ \ _ n \ \ _ _ \ = _ \ _ \ _ _ \ \ _ . _ \ _ \ \ _ \ \ _ _ \ _ _ . _ \ 8 \ _ \ _ x \ \ _ \ _ _ \ _ _ \ \ \ _ _ _ _ \ \ \ _ _ _ _ \ \ _ V . 0 \ \ \ \ \ \ _ \ _ _ \ \ _ _ _ _ \ _ \ _ \ _ \ \ _ _ \ _ \ \ _ \ _ _ \ \ _ _ \ _ \ _ _ \ \ \ _ _ \ _ _ _ \ \ _ w . _ _ \ _ _ \ _ _ \ _ _ \ _ \ F i g u r e 3 . 1 ( i ) . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n . , p e n e t r a t i o n ) A S H T Y P E L B W L - 1 / 5 L B W L - S / 4 M S U . q u . m a . _ 2 8 1 o . . . o . . . . . . . o . . . o . . . . . . . . o . . . o . . . . o . . . o . . . . o . . . o . . . . o . . . o . . . . o . . . o . . . . o . . . o . . o . . . o . . . o . . . o . . . o . . . . o o A o o o o . . . . . . . . . . . . . . o o o o o . . . o o . . . o o . . . o o . . . o o . . . o fl o o o o . . . . . . . . . . . . . o o o o o . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . o . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . o . . o . . . o . . . o . . o . . . . . . . o . . . o . . o . . . . . . . o . . . o . . o . . . . . . . o . . . . o . . o . § o . . . . . . . . . . . . o o o o o o o o . . . o o . . . o o . . o . o . . o . . o . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . o . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . o . § . . . . o o o o o o o o . . . . . . . . o . . o . o . . o . o . . o . o . . o . o . . o . o . . o . . o . . . o . . _ o o o o . . o . . . . . o . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . . o . . . o . . . o . . . . . . . . o o . . . . . . . . . o . . . o o . . . . . . . . . o . . . o o . . . . . . . . . o . . . o o . . . . o . . . o . . o . . o . . . . . . . . . . . . . 2 8 2 3 O 2 7 2 4 2 1 L B W L - 1 / 5 L B W L - 3 / 4 A S H T Y P E F i g u r e 3 . 1 ( i ) . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n . , p e n e t r a t i o n ) F i g u r e 3 . 1 . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s ( M e a n s a n d 9 5 % C o n fi d e n c e L e v e l s ) 2 8 3 S i m p l e o b s e r v a t i o n o f t h e t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 1 s u g g e s t s t h a t c o a l a s h e s w i t h d i v e r s e q u a l i t i e s a n d d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s a n d fl y a s h a n d b o t t o m a s h p r o d u c e d fl o w a b l e fi l l s w i t h c o m p a r a b l e 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 . 3 . 4 A N A L Y S I S O F R E S U L T S T h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t s p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 3 h a v e b e e n d e r i v e d b a s e d o n t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f F i g u r e 3 . 1 . C o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s ( a b s o l u t e v a l u e s ) g r e a t e r t h a n 0 . 4 a n d 0 . 7 r e fl e c t s t r o n g a n d v e r y s t r o n g c o r r e l a t i o n s , r e s p e c t i v e l y . A n a n a l y s i s o f T a b l e 3 . 3 s u g g e s t s t h a t : * S l u m p a n d f l o w o f fl o w a b l e fi l l a r e n o t s t r o n g l y c o r r e l a t e d ( s e e F i g u r e 3 . 2 a ) . * 2 8 — d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o f fl o w a b l e fi l l i s n o t s t r o n g l y r e l a t e d t o c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( s e e F i g u r e 3 . 2 b ) . * A i r c o n t e n t o f f l o w a b l e fi l l h a s a s t r o n g n e g a t i v e c o r r e l a t i o n w i t h i t s 2 8 — d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e ( s e e F i g u r e 3 . 2 c ) . * T h e r e i s n o s t r o n g c o r r e l a t i o n b e t w e e n w a t e r p e r m e a b i l i t y a n d s t r e n g t h o r 2 8 - d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o f fl o w a b l e fi l l ( F i g u r e 3 . 2 d & 3 . 2 c ) . * E a r l y - a g e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( s a y a t 3 o r 7 d a y s o f a g e ) m a y n o t r e p r e s e n t m a t e r i a l p r o p e r t i e s a t l a t e r a g e s ( s a y 2 8 d a y s ) . * C a l i f o r n i a b e a r i n g r a t i o c o r r e l a t e s w e l l w i t h 2 8 - d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e ( F i g u r e s 3 . 2 f & g ) , 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 3 . 2 h & i ) , a n d w a t e r p e r m e a b i l i t y ( F i g u r e 3 . 2 j & k ) . 2 8 4 T h e c o n c l u s i o n s d e s c r i b e d a b o v e m a r k t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n fl o w a b l e fi l l a n d c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e m a t e r i a l s . U n l i k e c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , i n c r e a s e d s t r e n g t h d o e s n o t n e c e s s a r i l y 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 . I n n o t a t i o n u s e d t o p r e s e n t 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 , E - 7 a n d E 8 m e a n 1 0 ’ 7 a n d 1 0 8 r e s p e c t i v e l y . A l s o , 2 8 - d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e ( s u g g e s t e d b y s o m e a s a m e a s u r e o f f l o w a b l e fi l l q u a l i t y ) d o e s n o t r e p r e s 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 . 2 8 5 T a b l e 3 . 3 . C o r r e l a t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t M a t e r i a l P r o p e r t i e s . U n i t A i r S l u m p F l o w T i m e P e r m C B R P e n W t . C o n t e n t o f S e t ( 0 . 1 ) U n i t 1 . 4 2 4 “ - . 2 8 0 - . 6 l 3 * . 4 6 4 * - . 4 0 9 * . 1 4 8 . 4 6 4 W t . A i r . 4 2 4 “ 1 - . 6 9 6 * - . 3 1 5 . 4 0 0 * . 2 9 9 - . 7 1 7 * * . 5 0 9 * C o n t . S l u m p - . 2 8 0 - . 6 9 6 * 1 . 3 7 9 . 1 9 0 . 1 9 0 . 8 1 8 M . 6 3 9 * F l o w - . 6 1 3 * - . 3 1 5 - . 3 1 5 l - . 1 7 0 - . 2 1 2 . 4 8 4 “ . 1 4 2 T i m e . 4 6 4 “ - . 4 0 0 * . 1 9 6 - . 1 7 0 1 - . 4 0 * . 0 0 4 . 3 4 3 o f S e t P e r m - . 4 0 9 * . 2 9 9 - . 0 5 8 . 2 1 2 . 4 0 * 1 . 0 7 2 . 0 4 3 C B R . 1 4 8 - . 7 1 7 * * . 8 1 8 M . 4 8 4 * . 0 0 4 . 0 7 2 1 . 9 8 1 " ( 0 . 1 ) P e n . 4 7 6 * - . 5 9 0 * . 6 3 9 * . 1 4 2 . 3 4 3 . 0 4 3 " . 9 8 1 " l C O M P R E S S I O N 1 - . 4 0 * . 2 5 4 . 2 5 4 - . 3 6 9 . 2 8 6 . 3 7 9 - . 7 4 8 * * . 1 9 9 D a y 3 - . 2 2 6 . 3 8 5 - . 5 0 1 * - . 5 0 1 * . 0 3 6 . 4 7 8 * - . 5 7 2 * . 1 5 1 D a y s 7 - . 3 1 5 . 4 9 5 * - . 6 4 6 * - . 0 4 3 . 3 5 9 - . 0 3 6 - . 6 9 8 * - . 2 8 6 D a y s 2 8 - . 2 6 9 . 4 9 5 * - . 6 1 5 * - . 0 6 5 . 3 9 1 - . 1 1 2 . 7 3 3 " - . 3 7 1 D a y s * S t r o n g C o r r e l a t i o n * * V e r y S t r o n g C o r r e l a t i o n D ( 2 8 6 2 S l u m p ( i n . ) 1 1 1 3 0 1 3 2 1 3 4 1 3 6 1 3 8 1 4 0 1 4 2 1 4 4 1 4 6 F l o w F i g u r e 3 . 2 ( a ) . S l u m p V s . fl o w P e n e t r a t l o n ( p s l ) , T 2 I ; 3 I I I I I . . , ‘ I 2 a I , I ‘ , ; I I i . a l , a a 2 0 0 § ~ - - * ~ ~ ~ — 0 0 1 % . , I o ' ' i . I 3 I l ‘ . I 3 ; - f O 0 f I 1 5 0 ; ‘ + - ~ - - ; e 0 e I ‘ : i . 1 5 ; 2 ‘ I ! z I : i I I ' . : I 1 0 0 L L I ’ r - ‘ n m ‘ ‘ A . J 7 ‘ , I ' : . I I l j I 5 0 ' O i i I i I o 2 0 4 o 6 0 s o 1 0 0 1 2 0 1 4 0 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( p s i ) F i g u r e 3 . 2 ( b ) . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h A . U - 2 8 7 6 A i r C o n t e n t ( % ) O 4 0 4 0 s o 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 P e n e t r a t i o n ( p s i ) F i g u r e 3 . 2 ( c ) . A i r C o n t e n t V s . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e O P e r m e a b i l i t y x 1 E - 8 ( c m / s e c ) I 1 I a l - : . ; ; : C ' I I r i ! I I L i b . I l L I ‘ - ’ . ’ I E I I " I ‘ i - ’ . - i a ‘ . ‘ I I 2 0 4 * . . 0 0 e O o ' ; : . 0 I I ' i s g ‘ : 1 5 i I ' L i i i 2 ’ ' . = 2 s I ' : . l ; 1 i i I L A . . . , » I A A 4 T v ' , 1 Y T g t l . ' v . : g 5 ' I I . i 3 ; T l ' . i I . - i , I I 1 . 5 I i x 1 - : I I l i . ' - i i 1 ‘ _ ; l 4 A A . A r J . v v w v _ _ : I I I . r I x _ . | ‘ I x r i l ' * ' : i r ' : 1 ; ‘ 0 0 C 5 . . O J l 1 l l L o 2 0 4 o 6 0 s o 1 0 0 1 2 0 1 4 0 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( p s i ) F i g u r e 3 . 2 ( ( 1 ) . W a t e r P e r m e a b i l i t y V s . 2 8 — D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 2 8 8 P e r m e a b i l i t y x 1 E - 8 ( o m / s e c ) 2 5 [ K \ i ’ 2 0 ’ 4 8 1 5 1 O i O i 0 4 0 s o 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 P e n e t r a t i o n ( p s i ) F i g u r e 3 . 2 ( e ) . W a t e r P e r m e a b i l i t y V s . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e 4 C B R V a l u e s ( % ) ‘ fl ‘ . i i ' ‘ , I t » 5 ' ; ; I t : . . I l . . f . z . 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C o r r e l a t i o n s B e t w e e n D i f f e r e n t M a t e r i a l P r o p e r t i e s . 2 9 2 3 . 5 C O W E N T S O N D U R A B I L I T Y T E S T I N G O F F L O W A B L E F I L L A t t e m p t s w e r e m a d e t o s u b j e c t t h e fl o w a b l e fi l l m a t e r i a l s w i t h m i x p r o p o r t i o n s g i v e n i n T a b l e 3 . 1 t o t h e f o l l o w i n g c o n c r e t e d u r a b i l i t y t e s t s : f r e e z e - t h a w ( A S T M C - 6 6 6 P r o c e d u r e B : 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 ) a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e ( A S T M C - 9 4 4 ) . N o n e o f t h e s e t e s t s w e r e f o u n d t o b e a p p l i c a b l e t o fl o w a b l e fi l l . U n d e r f r e e z e — t h a w t e s t c o n d i t i o n s o f A S T M C - 6 6 6 , t h e fl o w a b l e fi l l s p e c i m e n s d e t e r i o r a t e d v e r y r a p i d l y a f t e r t h e fi r s t f e w 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 u n d e r w a t e r ( 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 s t a n d c l o s e t o 3 0 0 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 ) . U n d e r t h e a b r a s i v e a c t i o n s p e c i fi e d i n A S T M C - 9 4 4 f o r c o n c r e t e , t h e fl o w a b l e fi l l s p e c i m e n s w e r e f u l l y a b r a d e d b e f o r e t h e t e s t c o u l d b e c o m p l e t e d . O b v i o u s l y , fl o w a b l e fi l l c a n n o t b e t e s t e d a s c o n c r e t e w h i c h i s e x p e c t e d t o b e d u r a b l e w h e n i t i s d i r e c t l y e x p o s e d t o s e v e r e e x t e r n a l e f f e c t s . 3 . 6 C O M P A R I S O N B E T W E E N L A B O R A T O R Y A N D F I E L D P E R F O R M A N C E P r e p a r a t i o n o f l a b o r a t o r y s a m p l e s i n v o l v e s m o l d i n g o f s m a l l s p e c i m e n s w h i l e i n fi e l d c o n d i t i o n s fl o w a b l e fi l l i s g e n e r a l l y p l a c e d i n m a s s i v e v o l u m e s . A l s o , e x p o s u r e ( c u r i n g ) c o n d i t i o n s a r e d i f f e r e n t i n fi e l d . I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t o f fi e l d p l a 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 , t h r e e 2 x 2 f e e t ( 0 . 6 0 9 - m x 0 . 6 0 9 - m ) s l a b s w i t h a t h i c k n e s s o f 5 1 m m ( 2 - i n . ) w e r e p l a c e d o u t d o o r s i n E a s t L a n s i n g i n J u n e 1 9 9 3 w i t h t h e t h r e e fl o w a b l e fi l l m i x t u r e s o f T a b l e 3 . 1 . T h e s m a l l t h i c k n e s s o f s l a b w a s c h o s e n t o m a x i m i z e a n y a d v e r s e e f f e c t s o f t h e o u t s i d e e n v i r o n m e n t . A f t e r 2 8 d a y s ( d u r i n g w h i c h t h e s l a b s w e r e s u b j e c t e d t o s e v e r a l c y c l e s o f r a i n a n d s u n s h i n e ) , n i n e 5 1 - m m ( 2 - i n ) c u b e 2 9 3 s p e c i m e n s w e r e c u t o u t o f e a c h s l a b , a n d w e r e t e s t e d f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s a f t e r 2 8 d a y s o f l a b o r a t o r y a n d fi e l d e x p o s u r e s a r e c o m p a r e d i n F i g u r e 3 . 3 . S o m e w h a t 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 w e r e o b t a i n e d f r o m t h e fi e l d s p e c i m e n s ; t h i s m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t t h e t h i n s l a b s p l a c e d i n t h e fi e l d c o u l d b e a d v e r s e l y i n fl u e n c e d b y r a i n o r r e p e a t e d c y c l e s o f r a i n a n d h e a t . T h e d a m a g e i s e x p e c t e d t o b e l e s s i n t h i c k e r p l a c e m e n t s o f fl o w a b l e fi l l . 0 7 1 4 9 2 E P d l e Y i T F H ) b S ( A E P Y T H . S n a l ' c e p S d l e i F d n a y r o t a r o b a l f o s h t g n e r t S e v i s s e r p m o C f o S n A o s ' n a p m o C . y r o t a 3 r o b a L ) . 3 e r u g a i ( F : 5 = 2 _ I S S S i l l l l l l l l l l l l l l l i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l i l l l l i l l l l l E 3 3 3 S v E . . ‘ m E E ' F : ' g t S S S I l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l § ' s a n : _ . l : I O . ' 3 2 2 5 5 5 3 5 5 5 5 5 5 5 2 5 3 5 5 5 5 3 5 5 5 E > - - + - / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / _ ' , ’ M S . S _ I S S l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l i l l l l l l l l l l l l l l l i l l g S 3 E . . 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J i i i 4 i i j i i O o a N ' - s t I s 0 h l o g P O g g D G " 0 9 d ) H l S N B U L S B N S S B B d W O O C H A P T E R 4 E F F E C T S O F N I I X P R O P O R T I O N S O N M A T E R I A L P R O P E R T I E S 4 . 1 I N T R O D U C T I O N B r o a d r a n g e s o f m i x p r o p o r t i o n s h a v e b e e n u s e d f o r fl o w a b l e fi l l . T h e s e m i x e s a r e w i t h o r w i t h o u t s a n d , a n d h a v e v a r i o u s c e m e n t / a s h r a t i o s ; w a t e r c o n t e n t h a s b e e n a d j u s t e d t o p r o d u c e t h e r e q u i r e d f l o w a b i l i t y . I t i s n o t c o r r e c t t o a s s u m e t h a t t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n m i x p r o p o r t i o n s a n d m a t e r i a l p r o p e r t i e s i n t h e c a s e o f fl o w a b l e fi l l a r e t h e s a m e a s t h o s e f o r c o n c r e t e ; t h i s i s d u e t o t h e f a c t t h e m e c h a n i s m s o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t a r e d i f f e r e n t i n fl o w a b l e fi l l t h a n i n c o n c r e t e . I t i s t h e i n t e n t o f t h i s p h a s e o f r e s e a r c h t o d e t e r m i n e t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m i x p r o p o r t i o n i n g v a r i a b l e s o n fl o w a b l e fi l l p r o p e r t i e s . T h e s e t r e n d s w o u l d h e l p r e fi n e t h e m i x p r o p o r t i o n s o f fl o w a b l e fi l l f o r s a t i s f y i n g s p e c i fi c r e q u i r e m e n t s . 4 . 2 E X P E R I M E N T A L D E S I G N T h e fl y a s h t y p e s , fl o w a b l e fi l l m i x p r o p o r t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l m e t h o d s u s e d i n t h i s p h a s e o f r e s e a r c h a r e t h e s a m e a s i n t r o d u c e d i n S e c t i o n 3 . 2 o f C h a p t e r 3 . 4 . 3 R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N F o r t h e n i n e m i x t u r e s i n t r o d u c e d e a r l i e r ( T a b l e 3 . 1 , w i t h t h r e e a s h t y p e s ) , T a b l e 4 . 1 p r e s e n t s t h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t s b e t w e e n v a r i o u s m i x p r o p o r t i o n i n g 2 9 5 2 9 6 v a r i a b l e s a n d d i f f e r e n t p r o p e r t i e s o f fl o w a b l e fi l l . I T a b l e 4 . 1 . C o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t s b e t w e e n m i x p r o p o r t i o n s a n d m a t e r i a l p r o p e r t i e s . W a t e r / B i n d e r C e m e n t B i n d e r C e m e n t / A s h C o n t e n t C o n t e n t U n i t W e i g h t 0 . 5 1 4 * 0 . 2 7 0 - 0 2 1 5 0 . 4 4 9 * L [ I A i r C o n t e n t 0 8 1 5 . . . . . . - 0 0 0 7 . 0 7 3 4 * * 0 . 3 7 0 I E S l u m p - 0 . 9 5 4 * * - 0 . 0 3 7 0 . 5 9 9 * 0 . 3 5 5 F l o w 0 . 2 7 5 - 0 . 0 5 2 - 0 . 2 4 4 0 . 0 6 1 T i m e o f S e t 0 . 2 6 8 0 . 0 7 6 0 . 2 9 5 0 . 8 0 0 * * u P e r m e a b i l i t y - 0 . 2 8 4 - 0 . 3 8 0 0 . 4 5 8 * 0 . 4 5 8 * C B R ( 0 . 1 i n 0 . 8 5 9 * * — 0 . 2 4 6 - 0 . 8 1 8 * * - 0 . 4 9 4 * P e n e t r a t i o n ) C B R ( 0 . 2 i n . , 0 . 9 0 7 * * - 0 . 3 5 0 - 0 . 9 2 3 * * - 0 . 4 6 4 * P e n e t r a t i o n ) P e n e t r a t i o n 0 . 7 0 9 * * 0 . 2 8 9 - 0 . 7 2 2 * * - 0 . 7 2 2 * * C O M P R E S S I O N l - D a y - 0 . 4 3 6 * 0 . 6 8 3 * 0 . 7 8 2 * * 0 . 4 5 1 * 3 - D a y s - 0 . 5 2 0 * 0 . 7 8 7 * * 0 . 9 1 5 * * 0 . 5 1 3 * 7 - D a y s - 0 . 6 7 4 * 0 . 6 9 7 * 0 . 9 7 3 * * 0 . 3 7 0 2 8 - D a y s - 0 . 6 5 0 " ‘ 0 . 7 0 9 * * 0 . 9 6 3 * * = 0 ° 3 9 0 A * S t r o n g C o r r e l a t i o n * * V e r y S t r o n g C o r r e l a t i o n 2 9 7 A n a n a l y s i s o f T a b l e 4 . 1 s u g g e s t s t h a t : * I n c r e a s e d c e m e n t c o n t e n t l e a d s t o a n 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 ( F i g u r e 4 . 1 a ) , s o m e r e d u c t i o n i n w a t e r p e r m e a b i l i t y ( F i g u r e 4 . l b ) , b u t n o t m u c h i n c r e a s e i n p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e ( F i g u r e 4 . 1 c ) a n d n o i m p r o v e m e n t i n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o . * I n c r e a s e d t o t a l b i n d e r c o n t e n t c a u s e s a n 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 ( F i g u r e 4 . 1 d ) ; p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o , h o w e v e r , t e n d t o d r o p w i t h i n c r e a s i n g b i n d e r c o n t e n t ( F i g u r e 4 . 1 e , f , g ) . T h i s m a y i n d i c a t e t h a t t h e p r e s e n c e o f s a n d ( r e d u c e d b i n d e r c o n t e n t ) d a m a g e s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h b u t a c t u a l l y i n c r e a s e s p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o . * T h e e f f e c t o f c e m e n t / a s h 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 ( F i g u r e 4 . 1 h ) i s l e s s o b v i o u s t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g e f f e c t o f c e m e n t c o n t e n t ( F i g u r e 4 . 1 a ) a n d t o t a l b i n d e r c o n t e n t ( F i g u r e 4 . 1 d ) . T h i s i s a l s o t r u e f o r t h e e f f e c t o f c e m e n t - a s h r a t i o o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( F i g u r e s 4 . 1 i a n d j ) . * I n c r e a s e d w a t e r - b i n d e r r a t i o l e a d s t o r e d u c e d f r e s h m i x a i r c o n t e n t ( v e r y s t r o n g c o r r e l a t i o n , F i g u r e 4 . 1 k ) a n d s o m e w h a t r e d u c e d 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 4 . 1 1 ) . W h i l e C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o t e n d s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g w a t e r - b i n d e r r a t i o ( F i g u r e 4 . 1 m a n d n ) , t h e c o r r e s p o n d i n g e f f e c t s o f s a n d i n fl o w a b l e fi l l m a y h a v e o v e r s h a d o w e d t h e e f f e c t s o f w a t e r - b i n d e r r a t i o . O n e g e n e r a l c o n c l u s i o n t h a t m a y b e d e r i v e d f r o m t h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e 4 . 1 a n d F i g u r e 4 . 1 i s t h a t t h e m i x p r o p o r t i o n i n g v a r i a b l e s i n f l u e n c e f l o w a b l e fi l l q u a l i t i e s i n a d i f f e r e n t w a y t h a n t h e y i n f l u e n c e c o n c r e t e p r o p e r t i e s . T h i s s u g g e s t s t h a t t h e m e c h a n i s m s o f s t r u c t u r a l d e v e l o p m e n t i n fl o w a b l e fi l l a r e d i f f e r e n t f r o m t h o s e i n c o n c r e t e . 0 0 O D t d 0 0 0 2 9 8 0 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( P s i ) 1 2 0 9 0 6 0 3 0 f 0 i i i o 4 0 s o 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 C e m e n t C o n t e n t ( l b / y d 3 ) F i g u r e 4 . 1 ( a ) . C e m e n t C o n t e n t V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h P e r m e a b i l i t y x 1 E - 7 ( c m / s e c ) . 5 I : . ' i i i . l - : E i L . i f 3 l i i 2 6 5 i ‘ 5 ‘ ' 1 f i g i l f . ' . i i i i l ‘ i i ' ’ ’ 1 . : l l A , . o . 4 t . E 1 n i i l i l 2 0 . g - . . , r r , l ' , i r i ‘ l : 5 i : i i - ; 5 l S ; i i i , . r ' - l 2 i l t i i l 1 i i ' . l i 7 i f i . 7 s ‘ f : S « 1 ' . - ; i : i ‘ r i E i 5 ' : ~ - : 3 i Q 5 ' i - i 3 i f . - l i . 1 0 L I g L L I 1 f . _ - 7 f i i i : ; ; z i f - : _ 5 : ' i : 3 a 3 i i i . . , . . , ‘ . l l 5 w . - g S 3 . i i i , . i l : Z ' i I o } f i . ‘ ' 1 O I l l l l I I 0 4 o 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 C e m e n t C o n t e n t ( l b / y d 8 ) F i g u r e 4 . 1 ( b ) . C e m e n t C o n t e n t V s . W a t e r P e r m e a b i l i t y D E ( O O o o q 2 9 9 P e n e t r a t i o n ( P s i ) 2 4 0 2 2 0 O O 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 ‘ 3 0 4 0 s o 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 C e m e n t C o n t e n t ( l b / y d 8 ) F i g u r e 4 . 1 ( c ) . C e m e n t C o n t e n t V s . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e 0 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( P s i ) l i _ ! i 1 2 5 2 " i 7 5 5 O 2 5 o i i j i i o 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 B i n d e r C o n t e n t ( l b / y d 3 ) F i g u r e 4 . 1 ( d ) . T o t a l B i n d e r C o n t e n t V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o 0 3 0 0 P e n e t r a t i o n ( P s i ) 2 4 0 2 2 0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 ( I ! ) 1 4 0 1 2 0 i i 1 0 0 i l o 8 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 B i n d e r C o n t e n t ( l b / y d 8 ) F i g u r e 4 . 1 ( c ) . T o t a l B i n d e r C o n t e n t V s . 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e 4 C B R V a l u e s ( % ) . . . . . 3 l 2 1 ~ . . - - . - i E - - - - - - 0 . 1 - ? i = ; - - - - - - - - o 1 8 i g , . - t . . . . . . . . . . . . . . . . . g 1 5 g - - - 8 M 1 2 5 3 m 9 ’ " “ 6 i g i i i i o 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 B i n d e r C o n t e n t ( I b / y d 8 ) F i g u r e 4 . 1 ( 0 . T o t a l B i n d e r C o n t e n t V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n ) 3 0 1 5 0 8 R V a l u e s ( % ) . . . . . . . . . . . 1 i s Q - . . . . . . . l . . . . . . . . - - - - - - ‘ o 1 1 l . - . . . . . . . i Q " " " " 0 - S ‘ A 4 . . . . . 9 7 5 O 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 8 0 0 2 1 0 0 B i n d e r C o n t e n t ( i b / d e ) F i g u r e 4 . 1 ( g ) . T o t a l B i n d e r C o n t e n t V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n ) C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( P s i ) i 5 o l i f l 7 5 ' < - 5 0 8 A 2 6 l i O 1 i i o 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 8 0 . 8 5 C e m e n t / A s h F i g u r e 4 . 1 ( h ) . C e m e n t / A s h R a t i o V s . C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 2 1 1 8 3 i g o 1 5 . E T . . ~ — — a — — . . . - y . - , » . - - - ‘ - 3 E 4 . . “ . - . - . . . 3 0 2 4 C B R V a l u e s ( % ) 1 2 1 ' I i I 1 i i i i i 0 . 1 5 0 . 2 C e m e n t / A s h 0 . 2 5 0 . 3 F i g u r e 4 . 1 ( i ) . C e m e n t / A s h R a t i o V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n ) C B R V a l u e s ( % ) 0 . 3 5 - i i l ‘ I , . l . , i 1 i l . E l o ; 1 1 A A A ? 1 l I 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 C e m e n t / A s h F i g u r e 4 . 1 ( i ) . C e m e n t / A s h R a t i o V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n ) 0 . 3 5 3 0 3 6 A i r C o n t e n t ( % ) 5 4 O 8 0 2 0 o 0 1 8 o 0 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 W a t e r / B i n d e r ( l b / y d 3 ) F i g u r e 4 . 1 ( k ) . W a t e r / B i n d e r R a t i o V s . A i r C o n t e n t C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( P s i ) 1 5 0 3 1 . 1 2 0 A C ) < > . 9 0 5 . - 6 0 o l 8 s o 3 E i 0 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 W a t e r / B i n d e r ( l b / y d 8 ) F i g u r e 4 . 1 ( L ) . W a t e r / B i n d e r R a t i o V s . 2 8 - D a y C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 3 0 4 C B R V a l u e s ( % ) 2 4 - 3 . 3 2 1 . fl “ 1 . 9 " " ' 0 . - " ‘ 1 8 A 1 5 - . . - 3 " " g . . . . F " ' 1 2 , i 9 E i 6 i i 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 W a t e r / B i n d e r ( l b / d e ) F i g u r e 4 . 1 ( m ) . W a t e r / B i n d e r R a t i o V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 1 i n ) C B R V a l u e s ( % ) 1 5 1 . , . . E i ‘ . ' 4 ' : 1 ; . o ’ l 1 ' i o . ‘ i i " . i i v ' 1 o = g A A ' i 1 3 3 . r 1 i ‘ . " i 3 1 o 3 3 , 4 i s 3 o ' 3 i ‘ a 1 ' 1 ~ S I l 1 - ’ 0 i g E , 0 , 1 1 ' 4 - 7 ‘ 4 ¢ 4 . . - A E 1 . ' i I 0 " ' i i ' 4 ' 0 l . : ‘ " l i i : . 4 i I i . . . 1 a i ' 1 i i s i 1 l 1 4 , l l . 9 - “ . ‘ - 3 t l ’ i 1 1 K I " ' l 1 1 ’ 3 E : ' I t o . I i i i ‘ i i . l ‘ g 3 3 i i i ; 1 7 — . . f . e l , i I i i ‘ 1 l i l 1 s : - l i . 1 g , i i z E i 6 l l I I l I O 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 W a t e r / B i n d e r ( l b / d e ) F i g u r e 4 . 1 ( n ) . W a t e r / B i n d e r R a t i o V s . C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 0 . 2 i n ) F i g u r e 4 . 1 . T r e n d s i n t h e E f f e c t o f M i x P r o p o r t i o n s o n M a t e r i a l P r o p e r t i e s . C H A P T E R 5 I D E N T I F I C A T I O N O F S T A T I S T I C A L L Y I N F L U E N T I A L P R O P O R T I O N I N G V A R I A B L E S 5 . 1 I N T R O D U C T I O N T h e r e s u l t s o f c o r r e l a t i o n a n a l y s e s p r e s e n t e d e a r l i e r s u g g e s t t h a t o n e c a n n o t r e l y o n t h e m i x p r o p o r t i o n i n g t e c h n i q u e s u s e d w i t h c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e t o d e s i g n f l o w a b l e fi l l m i x t u r e s . T h i s p h a s e o f r e s e a r c h i s c o n c e r n e d w i t h i d e n t i f y i n g t h e k e y p r 0 p o r t i o n i n g v a r i a b l e s a n d e s t a b l i s h t h e s t a t i s t i c a l e f f e c t s / i n t e r a c t i o n s o f m i x v a r i a b l e s i n d e t e r m i n i n g fl o w a b l e fi l l q u a l i t i e s . 5 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M A s y s t e m a t i c s t u d y b a s e d o n f a c t o r i a l d e s i g n o f e x p e r i m e n t s w a s u n d e r t a k e n t o i d e n t i f y t h e i n f l u e n t i a l p r o p o r t i o n i n g v a r i a b l e s a n d t h e t r e n d s i n t h e i r e f f e c t s o n fl o w a b l e fi l l q u a l i t i e s . F o u r k e y p r o p o r t i o n i n g v a r i a b l e s w e r e c o n s i d e r e d : a s h t y p e ( M S U & I a n s i n g B o a r d o f W a t e r & L i g h t w i t h 1 / 5 b o t t o m a s h ) , w a t e r - a s h r a t i o ( 0 . 5 a n d 1 . 2 5 ) , a g g r e g a t e - a s h r a t i o ( 0 a n d 3 ) , a n d c e m e n t - a s h r a t i o ( 0 . 0 5 a n d 3 ) . T h e 1 / 2 f r a c t i o n a l f a c t o r i a l d e s i g n o f e x p e r i m e n t s f o r i n v e s t i g a t i n g t h e s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n c e o f t h e s e v a r i a b l e s i s p r e s e n t e d i n T a b l e 5 . 1 . I n t h e s e T a b l e s , [ M S U = M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y a n d L B = L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t ] . 3 0 5 3 0 6 T a b l e 5 . 1 . F r a c t i o n a l F a c t o r i a l E x p e r i m e n t s R u n O r d e r 1 2 3 4 5 6 - = r 7 8 B l o c k 1 l 1 1 1 S t a n d a r d O r d e r 5 l 2 6 8 4 7 3 V A R I A B L E S i A = W a t e r / A s h 0 . 5 0 . 5 1 . 2 5 1 . 2 5 1 . 2 5 1 . 2 5 0 . 5 0 . 5 B = A g g r e g a t e / A s h 0 0 0 0 3 3 3 C = C e m e n t / A s h 0 . 3 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 3 0 . 3 0 . 0 5 0 . 3 . 0 5 D = A s h T y p e L B M S U L B M S U L B M S U M S U L B R E S P O N S E R 1 3 f ’ c ( p s i ) R 2 = U n i t W e i g h t ( 1 1 1 / y d ’ ) R 3 = S e t T i m e ( H o u r s ) R 4 = P e r m e a b i l i t y ( c r n / s e c ) R 5 = P e n e t r a t i o n ( P s i ) R 6 = S l u m p ( i n ) R 7 = F l o w ( 9 6 ) R 8 = A i r C o n t e n t ( % ) R 9 = C B R ( % ) A t o D = V a r i a b l e s t h o R 9 = R e s p o n s e 3 0 7 T h e m i x t u r e s o f T a b l e 5 . 1 w e r e s u b j e c t e d t o t h e f o l l o w i n g t e s t s : s l u m p ( A S T M C - l 4 3 ) , fl o w ( A S T M C - 2 3 0 ) , a i r c o n t e n t ( A S T M C - 2 3 1 ) , u n i t w e i g h t ( A S T M C - 2 9 ) , s e t t i m e ( A S T M C - 4 0 3 ) , 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( A S T M C - 1 0 9 ) , w a t e r p e r m e a b i l i t y , a n d 2 8 — d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e ( M o d i fi e d A S T M C - 4 0 3 ) a n d C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( A S T M D - l 8 8 3 ) . T e s t r e s u l t s f o r t h e e i g h t m i x t u r e s o f T a b l e 5 . 1 a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 5 . 2 . F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e 5 . 2 i n d i c a t e d t h a t , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , a s h t y p e ( M S U v s . L a n s i n g B o a r d o f W a t e r & L i g h t ) h a d n o s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t o n a n y a s p e c t o f fl o w a b i e fi l l p e r f o r m a n c e . C o n s e q u e n t l y , f u r t h e r m i x c o m p o s i t i o n s w e r e c o n s i d e r e d t o a c c o m p l i s h a f u l l f r a c t i o n a l d e s i g n o f e x p e r i m e n t s w i t h t h r e e v a r i a b l e s ( w a t e r / a s h , a g g r e g a t e / a s h , a n d c e m e n t / a s h r a t i o s ) i n t w o b l o c k s ; a s h t y p e ( M S U & L a n s i n g B o a r d ) w a s u s e d a s a b l o c k i n g v a r i a b l e . T h e l e v e l s o f t h e t h r e e v a r i a b l e s i n v e s t i g a t e d w e r e : w a t e r / a s h r a t i o ( 0 . 5 a n d 1 . 2 5 ) , a g g r e g a t e / a s h r a t i o ( 0 a n d 3 ) , c e m e n t / a s h r a t i o ( 0 . 0 5 a n d 0 . 3 ) . T h e r e s u l t i n g 2 3 f a c t o r i a l d e s i g n i n t w o b l o c k s i s p r e s e n t e d i n T a b l e 5 . 3 , a n d t h e e x p e r i m e n t a l 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 5 . 4 . 3 0 8 T a b l e 5 . 2 . R e s u l t s o f 1 / 2 F r a c t i o n a l F a c t o r i a l E x p e r i m e n t s R u n O r d e r 1 2 3 4 5 6 7 8 B l o c k 1 1 1 1 1 1 1 I S t a n d a r d O r d e r 5 1 2 6 8 4 7 3 I V A R I A B L E S A = W a t e r / A s h 0 . 5 0 . 5 1 . 2 5 1 . 2 5 1 . 2 5 1 . 2 5 0 . 5 0 . 5 B = A g g r e g a t e / A s h 0 0 0 0 3 3 3 3 C = C e m e n t / A s h 0 . 3 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 3 0 . 3 0 . 0 5 0 . 3 . 0 5 D = A s h T y p e L B M S U L B ‘ M S U L B M S U M S U L B R E S P O N S E R 1 = f ’ c ( p s i ) 9 1 8 8 8 8 1 0 0 7 0 5 4 6 0 5 2 R 2 = U n i t W e i g h t ( l b / y d 3 ) 1 3 4 1 2 7 1 3 0 9 7 1 2 1 1 1 6 1 0 0 1 1 2 R 3 = S e t T i m e ( H o u r s ) 5 . 8 5 . 2 5 . 5 5 . 3 5 . 0 5 . 5 5 . 0 6 . 1 R 4 = P e r m e a b i l i t y ( c m / s e c ) 2 . 1 2 . 1 2 . 1 2 . 0 1 . 9 1 . 9 1 . 6 1 . 6 1 5 . 7 1 3 . 7 1 3 . 7 2 . 7 E - 8 E - 8 E - 8 E - 8 R 5 = P e n e t r a t i o n ( p s i ) 1 6 0 1 5 8 1 5 5 1 5 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 R 6 = S l u m p ( i n ) 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 9 1 1 R 7 = F l o w ( 9 5 ) 1 3 5 1 3 7 1 3 1 1 3 8 1 4 0 1 3 7 1 4 0 1 3 3 R 8 = A i r C o n t e n t ( % ) 1 . 7 1 . 8 1 . 6 2 . 5 1 . 2 1 . 0 0 . 4 0 . 9 R 9 = C a l i f o r n i a B e a r i n g 1 6 1 6 1 6 1 5 2 0 2 0 2 0 2 0 R a t i o 9 5 ( 0 . 1 i n . ) R 1 0 = C a l i f o r n i a B e a r i n g 1 1 1 0 1 0 1 0 1 3 1 3 1 3 1 3 R a t i o 9 1 ( 0 . 2 i n . ) 3 0 9 I : T a b l e 5 . 3 . 2 3 f a c t o r i a l d e s i g n i n 2 B l o c k s . R 2 = U n i t W e i g h t ( l b / y d 3 ) R 3 = S e t T i m e ( H o u r s ) R 4 = P e r m e a b i l i t y ( c m / s e c ) R 5 = P e n e t r a t i o n ( p s i ) R 6 = S l u m p ( i n ) R 7 = F l o w ( % ) R 8 = A i r C o n t e n t ( % ) R 9 = C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( 9 6 ) R u n O r d e r 1 2 3 4 S 6 7 8 B l o c k 1 1 l 1 1 1 S t a n d a r d O r d e r 1 2 6 3 4 5 8 7 V A R I A B L E S A = W a t e r / A s h 0 . 5 1 . 2 5 1 . 2 5 0 5 1 . 2 5 0 . 5 1 . 2 5 0 . 5 B = A g g r e g a t e / A s h 0 O O 3 3 0 3 3 C = C e m e n t / A s h . 0 5 0 . 0 5 O 3 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 3 0 . 3 0 . 3 R E S P O N S E R 1 = f ’ c ( p s i ) 3 1 0 I T a b l e 5 . 3 . 2 3 f a c t o r i a l d e s i g n i n 2 B l o c k s ( C o n t ’ d ) . J R u n O r d e r 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 B l o c k 2 2 2 2 2 2 2 2 S t a n d a r d O r d e r 9 1 5 1 2 l l 1 4 1 3 1 6 1 0 V A R I A B L E S A = W a t e r / A s h 0 . 5 0 . 5 1 . 2 5 0 . 5 1 . 2 5 0 . 5 1 . 2 5 1 . 2 5 B = A g g r e g a t e / A s h O 0 3 3 O 0 3 0 C = C e m e n t / A s h . 0 5 0 . 3 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 3 0 . 3 0 . 3 . 0 5 I R E S P O N S E ] R 1 = f ’ c ( p s i ) R 2 = U n i t W e i g h t ( l b / y d 3 ) R 3 = S e t T i m e ( H o u r s ) R 4 = P e r m e a b i l i t y ( c m / s e c ) R 6 = S l u m p ( i n ) R 7 = F l o w ( % ) R 8 = A i r C o n t e n t ( % ) R 9 = C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( % ) i R 5 = P e n e t r a t i o n ( p s i ) 3 1 1 I T a b l e 5 . 4 . R e s u l t s o f 2 3 F a c t o r i a l E x p e r i m e n t s R u n O r d e r 1 2 3 4 5 6 7 8 B l o c k 1 l l l l 1 l 1 S t a n d a r d O r d e r 1 2 6 3 4 5 8 7 V A R I A B L E S A = W a t e r / A s h 0 . 5 1 . 2 5 1 . 2 5 0 . 5 1 . 2 5 0 . 5 1 . 2 5 0 . 5 B = A g g r e g a t e / A s h O 0 O 3 3 0 3 3 C = C e m e n t / A s h . 0 5 0 . 0 5 0 . 3 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 3 0 . 3 0 . 3 R E S P O N S E R 1 = f ’ c ( p s i ) 8 8 1 2 5 1 0 0 5 5 5 4 1 2 5 7 5 6 0 R 2 = U n i t W e i g h t ( l b / y d 3 ) 1 2 7 1 3 5 9 7 9 2 1 1 6 9 8 1 0 0 1 0 0 R 3 = S e t T i m e ( H o u r s ) 5 . 2 5 . 6 5 . 3 5 . 6 5 . 5 6 . 0 5 . 0 5 . 0 R 4 = P e r m e a b i l i t y ( c m / s e c ) 2 . 1 2 . 0 2 . 0 1 . 7 1 . 9 2 . 0 2 . 0 1 . 6 E - 7 E - 7 E 7 E 8 E 8 E 7 E 8 E 8 R 5 = P e n e t r a t i o n ( p s i ) 1 5 8 1 5 2 1 5 0 2 0 0 2 0 0 1 5 5 2 0 0 2 0 0 R 6 = S l u m p ( i n ) 1 1 8 . 9 1 0 8 . 5 1 0 . 5 1 0 9 9 R 7 = F l o w ( 9 6 ) 1 3 7 1 3 4 1 3 8 1 3 5 1 3 7 1 3 8 1 4 0 1 4 0 R 8 = A i r C o n t e n t ( 9 6 ) 1 . 8 1 . 6 2 . 5 0 . 6 1 . 0 1 . 7 0 . 7 0 . 4 R 9 = C a l i f o r n i a B e a r i n g 1 6 1 5 1 5 2 0 2 0 1 6 2 0 2 0 R a t i o % ( 0 . 1 i n . ) R 1 0 = C a l i f o r n i a B e a r i n g 1 1 1 0 1 0 1 3 1 3 1 0 1 3 1 3 R a t i o % ( 0 . 2 i n . ) = J = £ i a b l e 5 . 4 . R e s u l t s o f | . = . _ . _ _ _ T _ _ = 3 1 2 1 3 3 F a c t o r i a l E x p e r i m e n t s ( c o n t ’ d ) . R u n O r d e r = 9 = ¥ = 1 1 0 l l 1 2 1 3 1 4 = 1 = 5 T B l o c k 2 2 2 2 2 2 2 2 S t a n d a r d O r d e r 9 1 5 1 2 l l 1 4 1 3 1 6 1 0 V A R I A B L E S A = W a t e r / A s h 0 . 5 0 . 5 1 . 2 5 0 . 5 1 . 2 5 0 . 5 1 . 2 5 1 . 2 5 B = A g g r e g a t e / A s h 0 0 3 3 0 0 3 0 C = C e m e n t / A s h . 0 5 0 . 3 0 . 0 5 0 . 0 5 0 . 3 0 . 3 0 . 3 . 0 5 R E S P O N S E R 1 = t ‘ c ( p s i ) 1 0 5 7 2 6 5 5 2 1 2 1 9 1 7 0 8 8 R 2 = U n i t W e i g h t ( l b / y d 3 ) 9 9 1 1 5 1 0 0 1 1 2 1 3 0 1 3 4 1 2 1 1 3 0 R 3 = S e t T i m e ( H o u r s ) 6 . 2 6 . 1 5 . 4 6 . 1 5 . 7 5 . 8 5 . 0 5 . 5 R 4 = P e r m e a b i l i t y ( c m / s e c ) 2 . 1 1 . 6 2 . 0 1 . 6 1 . 9 2 . 1 1 . 9 2 . 1 E - 7 E - 8 E — 8 E — 8 E - 7 E 7 E 8 E 7 R 5 = P e n e t r a t i o n ( p s i ) 1 5 4 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1 5 0 1 6 0 2 0 0 1 5 5 R 6 = S l u m p ( i n ) 1 1 1 1 1 0 . 5 1 1 8 . 5 1 1 1 0 . 5 1 0 R 7 = F l o w ( % ) 1 4 0 1 3 3 1 4 4 1 3 3 1 3 0 1 3 5 1 4 0 1 3 1 R 8 = A i r C o n t e n t ( % ) 1 . 7 0 . 8 0 . 6 0 . 9 1 . 5 6 1 . 7 1 . 2 1 . 6 R 9 = C a l i f o r n i a B e a r i n g 1 5 2 0 2 0 2 0 1 5 1 6 2 0 1 6 R a t i o % ( 0 . 1 i n . ) R 1 0 = C a l i f o r n i a B e a r i n g 1 0 1 3 1 3 1 3 1 0 1 1 1 3 1 0 R a t i o % ( 0 . 2 i n . ) 3 1 3 F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e t e s t d a t a p r e s e n t e d i n T a b l e 5 . 4 l e d t o t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s : ( 1 ) C o m p r e s s i v e S t r e n g t h : 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 fl o w a b l e fi l l w a s i n fl u e n c e d o n l y b y t h e a g g r e g a t e / a s h r a t i o , w h i c h r e p r e s e n t s t o t a l b i n d e r c o n t e n t ( i . e . , c e m e n t a n d fl y a s h ) , a t 9 9 . 9 % l e v e l o f c o n fi d e n c e ; c e m e n t / a s h r a t i o a n d w a t e r / a s h r a t i o d i d n o t h a v e a n y S t a t i s t i c a l l y S i g n i fi c a n t e f f e c t o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( e v e n i f a t t e m p t i s m a d e t o v a l i d a t e s u c h e f f e c t s a t 8 0 % l e v e l o f c o n fi d e n c e ) . T h e c u b e p l o t o f F i g u r e 5 . 1 a a n d t h e t r e n d s p r e s e n t e d i n F i g u r e s 5 . 1 b a n d 5 . 1 c c o n f i r m t h e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o f a g g r e g a t e / a s h r a t i o o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f fl o w a b l e fi l l . I n c r e a s i n g t h e a g g r e g a t e / a s h r a t i o f r o m 0 t o 3 ( r e fl e c t i n g a r e d u c t i o n i n t o t a l b i n d e r c o n t e n t ) l e a d s t o a p p r o x i m a t e l y 4 0 % 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 a t c o n s t a n t w a t e r - t o - a s h a n d c e m e n t - t o - a s h r a t i o s . I n i n t e r p r e t i n g t h e c u b e p l o t s o n e S h o u l d n o t e t h a t t h e c u b e i s p l o t t e d i n a 3 - D S p a c e w i t h e a c h a x i s r e p r e s e n t i n g o n e o f t h e t h r e e v a r i a b l e s c o n s i d e r e d . E a c h c o r n e r o f t h e c u b e t h u s r e p r e s e n t s s p e c i fi c l e v e l s o f t h e t h r e e v a r i a b l e s , a n d m o v i n g a l o n g a n y o f t h e t h r e e l i n e s e n d i n g a t a c o m e r w o u l d c h a n g e o n e o f t h e v a r i a b l e s w i t h t h e o t h e r t w o k e p t c o n s t a n t . 3 1 4 R e s p o n s e I n P : I n p a l n o . 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7 2 . 5 0 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I | I l 1 . 2 5 1 0 6 . 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 9 . 5 0 I I I I I I 0 I I I l t | 1 0 3 . 0 - - - - - - - - - - - | - - - - - - - 6 6 . 0 0 . 3 e I I | I I t A r I I I I I I I I I I a a I I I I I c a I I I I a I t I I I I a . 5 9 6 . 5 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 3 . 5 0 c . 0 5 n o e l - s h 0 I 3 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t F i g u r e 5 . 1 . T r e n d s i n v a r i a b l e E f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . / 3 1 5 ( ‘ 0 ( p s l ) 1 1 2 5 C B \ 1 0 0 C K \ \ \ W a t o I / A s h ( 1 . 2 6 ) 8 7 . 5 \ / 7 5 i \ W a t e r / A s h ( 0 . 5 ) \ > 6 2 . 5 \ \ 9 5 0 i 4 1 ~ 0 5 o 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 6 3 A g g r / a s h ( b ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h W a t e r / A s h R a t i o F i g u r e 5 . 1 . T r e n d s i n v a r i a b l e E f f e c t s o n c o m p r e s s i v e S t r e n g t h . 3 . 5 3 1 6 f ‘ c ( p s l ) 1 1 2 . 5 ; j . . 1 0 0 \ \ 8 7 . 5 r \ \ 5 \ \ \ C e m e n t / A s h ( 0 3 ) 7 5 I | \ \ \ C e m e n t / A s h ( 0 . 0 € > \ \ D 6 2 . 5 ‘ E x j : \ o I ’ 5 0 1 A i 4 ! - O 5 O O 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 A g g r / a s h ( 0 ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t / A s h R a t i o . F i g u r e 5 . 1 . T r e n d s i n v a r i a b l e E f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 5 I I I I I - 5 I I - . I I I - - - - - I I - - - H - a - t - e - 9 R 5 - / . - r A I - I 0 - I 5 I . 0 I - I - - I 0 / 7 0 I I | 5 I I I l I I . 5 5 . 3 0 I 9 0 9 I I 5 h - - - - - 5 - a - s - h . 1 5 . 5 2 0 5 p e 5 s 0 o - n - s - e - I - s - - - s - e - t - - t - h - e - - I - - I I . 0 5 . 4 5 - - 0 - 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - I - n - I I 0 0 I I I l I | I I 0 a r . s 0 I 0 I h 5 I 5 . I . I 5 0 I I 5 0 . 3 h 0 c I | | l | | I I - - - - - I I - I e 3 1 7 ( 2 ) S e t T i m e : T h e o n l y f a c t o r w i t h s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n c e e f f e c t ( a t 9 5 % l e v e l s o f c o n fi d e n c e ) o n t h e s e t t i m e o f fl o w a b l e fi l l i s w a t e r / a s h r a t i o . T h e r e w a s a l s o n o i n t e r a c t i o n b e t w e e n d i f f e r e n t f a c t o r s . T h e i n c r e a s e i n w a t e r / a s h r a t i o f r o m 0 . 5 t o 1 . 2 5 c a u s e d a s l i g h t d e c r e a s e o f a b o u t 5 % i n s e t t i m e . F i g u r e 5 . 2 a p r e s e n t s t h e c u b e p l o t o f t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t f a c t o r s o n s e t t i m e , a n d fi g u r e s 5 . 2 b a n d 5 . 2 0 p r e s e n t t h e e f f e c t s o f w a t e r / a s h r a t i o a t d i f f e r e n t a g g r e g a t e / a s h a n d c e m e n t / a s h r a t i o s , r e s p e c t i v e l y . ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t F i g u r e 5 . 2 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s O n S e t T i m e 3 1 8 6 S e t T l m e ( H r s ) i 5 . 7 6 a \ . - A g g r / A s h ( 3 ) \ 5 . 2 5 I ‘ 0 6 I 0 . 2 5 0 . 5 0 . 7 5 1 1 . 2 5 1 . 5 W a t e r / a s h ( b ) E f f e c t o f W a t e r / A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h A g g r e g a t e / A s h R a t i o F i g u r e 5 . 2 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s O n S e t T i m e 5 . 7 6 5 . 2 5 6 9 \ \ C e m e n t / . 0 0 . 2 5 0 . 5 t a s w h a ( 0 n . t / A s h ( 0 . 0 5 ) \ 7 5 W a t e r / a s h 1 3 1 ) . 2 5 ( c ) E f f e c t o f W a t e r / A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t / A s h R a t i o S e t T l m e ( H r s ) 3 1 9 F i g u r e 5 . 2 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s O n S e t T i m e 3 2 0 ( 3 ) W a t e r P e r m e a b i l i t y : A g g r e g a t e / a s h r a t i o i s t h e o n l y f a c t o r w i t h s t a t i s t i c a l l y S i g n i fi c a n t e f f e c t o n fl o w a b l e f i l l p e r m e a b i l i t y ( a t 9 9 . 9 % l e v e l o f c o n fi d e n c e ) . A n i n c r e a s e i n a g g r e g a t e / a s h r a t i o f r o m O t o 3 r e d u c e d w a t e r p e r m e a b i l i t y b y a n o r d e r o f m a g n i t u d e . F i g u r e 5 . 3 a s h o w s t h e c u b e p l o t o f t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t f a c t o r s o n w a t e r p e r m e a b i l i t y , a n d F i g u r e s 5 . 3 b a n d 5 . 3 0 s h o w t h e e f f e c t s o f a g g r e g a t e / a s h r a t i o O f d i f f e r e n t w a t e r / a s h a n d c e m e n t / a s h r a t i o s . 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 i n c r e a s e d a g g r e g a t e / a s h r a t i o l e a d s t o r e d u c e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h b u t i n c r e a s e d i m p e r m e a b i l i t y o f fl o w a b l e fi l l . T h i s f u r t h e r h i g h l i g h t s t h e d i f f e r e n c e s i n s t r u c t u r e o f fl o w a b l e fi l l a n d c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . M e c h a n i s m s l e a d i n g t o i n c r e a s e d s t r e n g t h o f fl o w a b l e fi l l a r e . n o t n e c e s s a r i l y t h o s e c a u s i n g r e d u c t i o n i n 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 . 3 2 1 l e s p o m e I n P e r u I n w e e : 1 . 6 0 0 E - 0 8 - - - - - - - - - - - 1 . 9 5 0 E - 0 8 I I I I I | I I I I I I / l I l I I I I I I I l 3 1 . 6 5 0 E - 0 8 - - - - - - - - - - - 1 . 9 5 0 6 0 8 I l I l I 0 I I I I 0 | 2 . 0 5 0 e - 0 7 - - - - - - - | m 1 . 9 s o s - 0 7 3 0 I I l I h B I I I I I s e I I l I l s I I I I I C h I I I I I I I I I e 0 2 . 1 0 0 E - 0 7 - - - - - - - - - - - 2 . 0 5 0 E - 0 7 c . 0 5 a s t e r / a s h . S A 1 . 2 5 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t , F i g u r e 5 . 3 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n W a t e r p e r m e a b i l i t y \ \ 1 . 5 1 0 . 5 W a t e r / A s h \ W e r / A 5 ) \ . ( 0 \ { ( 6 1 1 r 5 . / A . ) s \ 2 h 2 2 . 5 T a 3 . 5 \ s h g O - o . 5 o 0 . 5 1 A g 3 2 2 P e r m e a b l l l t y x 1 E - 7 ( c m / s e c ) l t ( b ) E f f e c t s o f A g g r e g a t e A s h / R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h W a t e r / A s h R a t i o F i g u r e 5 . 3 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n W a t e r p e r m e a b i l i t y 3 2 3 P e r m e a b l l l t y x 1 E - 7 ( c m / s e c ) l I fi x 2 \ C e m e n t / A s h ( 0 . 0 5 ) 1 5 \ \ 1 X C e m e n t / A s h ( 0 . 3 ) \ § 0 . 5 . s 5 o ; l + - O . 5 O 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 A g g r / A s h ( c ) E f f e c t s o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t / A s h R a t i o F i g u r e 5 . 3 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n W a t e r p e r m e a b i l i t y 2 0 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - . 0 0 0 I 2 I - - - - I I I I I . 0 0 - - - - - - - I | | I I - I 1 I I - - - 5 7 . - 5 I I I - - - - - - - - - - - - 2 - 0 - 0 - . - I I I I 0 I I | I I . 3 a e a C I I I I 0 - - - - - - - 1 I e I e I I 5 I I 0 I . 0 . I I 5 I I I I I I 5 5 I I I 3 0 8 0 e s I e s h I 0 ‘ 2 I I | I I I I I I 1 . 5 S I - l 0 I 6 . - - - - - H - a - t - e - / - a - s - h - r A - - - - - 1 5 3 . 1 . 2 3 2 4 ( 4 ) P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e : A t 9 9 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , o n l y a g g r e g a t e / a s h r a t i o h a d s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t o n 2 8 - d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e . A s s h o w n i n t h e c u b e p l o t o f F i g u r e 5 . 4 a a n d i n t e r a c t i o n / e f f e c t s p l o t o f F i g u r e s 5 . 4 b a n d 5 . 4 c , i n c r e a s i n g a g g r e g a t e l a s h r a t i o f r o m O t o 3 l e a d s t o a n a p p r o x i m a t e l y 3 0 % i n c r e a s e i n p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e . T h i s c o n c l u s i o n f u r t h e r c o n f i r m s t h a t f a c t o r s s u c h a s c e m e n t / a s h r a t i o o r w a t e r / a s h r a t i o , w h i c h c o u l d b e c r i t i c a l i f t h e s t r u c t u r e o f f l o w a b l e fi l l a r e s i m i l a r t o t h a t o f c o n c r e t e , p l a y a s e c o n d a r y r o l e i n f l o w a b l e f r l l w h e n c o m p a r e d w i t h a g g r e g a t e - a s h r a t i o ( o r t o t a l b i n d e r c o n t e n t ) . I t i s a l s o i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t i n c r e a s e d a g g r e g a t e c o n t e n t ( i . e . , r e d u c e d b i n d e r c o n t e n t ) l e d t o r e d u c e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h b u t i n c r e a s e d p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e . R e s p o n s e I s p e n e t r . I n p s i ( a ) T h r e e c F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t F i g u r e 5 . 4 . T r e n d s a n d V a r i a b l e E f f e c t s o n 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . , . - . 5 — - — > - — — - « - ' - — F 4 3 2 5 P e n e t r a t i o n ( p s l ) 2 1 2 . 5 , 2 0 1 . 2 5 1 9 0 W a t e I A s h ( b y / / 1 7 8 . 7 5 1 5 6 . 2 5 < / 1 4 5 - o . 5 o 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 A g g r / A s h ( b ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h W a t e r / A s h R a t i o . F i g u r e 5 . 4 . T r e n d s a n d V a r i a b l e E f f e c t s o n 2 8 - D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . 3 2 6 P e n e t r a t i o n ( p s l ) 2 1 2 . 5 I 2 0 1 . 2 5 C e m e n t / A s h ( 0 . 0 1 5 ) 1 9 0 / / 1 7 8 . 7 5 / I / C e m e n t / A s h ( 0 . 3 ) 1 1 6 7 . 6 " / / 1 5 6 . 2 5 ‘ ‘ 1 . I 1 4 5 I - 0 . 5 o 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 A g g r / A s h ( c ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t / A s h R a t i o . F i g u r e 5 . 4 . T r e n d s a n d V a r i a b l e E f f e c t s o n 2 8 — D a y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e . 3 2 7 ( 5 ) S l u m p : N o n e o f t h e v a r i a b l e s c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ( w a t e r / a s h r a t i o , a g g r e g a t e / a s h r a t i o , a n d c e m e n t / a s h r a t i o ) h a d s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n s l u m p w i t h i n t h e v a r i a b l e r a n g e s c o n s i d e r e d , ( s e e c u b e p l o t o f F i g u r e 5 . 5 ) . 3 e 0 I I I a s h 0 R e s p o n s e I s s l u r p I n I n 1 0 . 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 . 7 5 0 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 9 . 7 5 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 . 5 0 I I I I I I I I I I 1 0 . 2 5 - - - - - - - - - - - I - - - - - - - 9 . 2 5 0 . 3 I I I I 1 1 I I I I s I l | I e I I I I I c I I I I I I I I I e 1 0 . 8 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9 . £ 5 0 e . 0 5 w a t e r / s s h A 1 . 2 5 F i g u r e 5 . 5 . T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s O n S l u m p . 3 2 8 ( 6 ) F l o w : I n t h e c a s e o f f l o w a l s o , n o s t a t i s t i c a l l y s i g n i f i c a n t e f f e c t s o f a n y o f t h e v a r i a b l e s w a s o b s e r v e d ( s e e c u b e p l o t o f F i g u r e 5 . 6 ) . R e s p o n s e I s f l o w I n 1 1 3 ‘ 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 0 . 0 I I I I I I l I I I I I I I I I I I I I I I I I 3 1 3 6 . 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 6 . 5 I I I I I c I I I I e I 1 3 2 . 5 - - - - - - - - - - - I - - - - - - - 1 5 0 . 5 a 1 . 2 5 I I I I I s c I I , I I I e e I I I I I 8 I I I I r R h I I I I e I I I I t . 0 5 1 3 3 . 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 4 . 0 a . 5 u e g g / a s h 0 I 3 F i g u r e 5 . 6 . T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s o n F l o w . 3 2 9 ( 7 ) A i r C o n t e n t : A g g r e g a t e / a s h r a t i o w a s t h e o n l y f a c t o r w i t h s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t - e f f e c t ( a t 9 9 % l e v e l o f c o n fi d e n c e ) o n t h e a i r c o n t e n t o f fl o w a b l e fi l l . N o i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t f a c t o r s w a s o b s e r v e d . A g g r e g a t e e f f e c t s o n a i r c o n t e n t c o u l d b e s i m p l y i l l u s t r a t e d b y t h e f a c t t h a t i n c r e a s e d a g g r e g a t e c o n t e n t r e d u c e s t h e b i n d e r c o n t e n t w h e n a i r r e s i d e s . A s s h o w n i n t h e c u b e p l o t o f F i g u r e 5 . 7 , i n c r e a s i n g t h e a g g r e g a t e / a s h r a t i o f r o m O t o 3 r e d u c e d a i r c o n t e n t b y a b o u t h a l f . T h e i n t e r a c - t i o n / e f f e c t p l o t s o f F i g u r e s 5 . 7 b a n d 5 . 7 c f u r t h e r s h o w t h e t r e n d s i n a g g r e g a t e - a s h r a t i o e f f e c t s o n a i r c o n t e n t . 3 3 0 ' " M s I s s I r c o n t I n x e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 ” ” I I I ' I I I I I I , ' I I ' ’ I 1 2 5 ' ’ I ' L 6 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 0 3 0 ' t I 0 ” ” . . . . . . . . . . . ' . . . . . . . . m ’ ’ I I I I I I A r I I I I s I ' I I I e O s I . I I I ’ I I 5 h I I I I ’ s . ' ‘ o m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ‘ m . o c a n / s s h ° ’ C . 3 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s o n A i r C o n t e n t F i g u r e 5 . 7 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n A i r C o n t e n t . 5 A i r C o n t e n t ( 1 5 ) 3 3 1 2 1 . 6 8 § \ \ \ w M e n ( 1 2 5 ) . W a t e r / A s h ( 0 . 5 ) \ a t e r . . . 1 \ \ Q D D 0 . 5 o - 0 ' 5 O 0 ' 5 I 1 . 5 2 2 . 5 3 A g g r / A s h ( b ) E f f e c t o f A g g r e g a t e ! A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h W a t e r / A s h R a t i o F i g u r e 5 . 7 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n A i r C o n t e n t . 3 . 5 3 3 2 A l r C o n t e n t ( % ) 2 . 5 i 2 : D \ 1 . 5 \ C e m e n t / A s h ( 0 . 0 5 ) \ Q m e m / A S " ( 0 . 3 ) 1 \ \ e 0 . 5 0 I I - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 A g g r / a s h ( c ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d I n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t / A s h R a t i o . F i g u r e 5 . 7 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n A i r C o n t e n t . p R 7 e . s 5 o - n - s - e - - I - s - - u - n - t - - a - t - 1 0 I n I b - - - - - l 1 I 1 I e I I I I | I I 5 y 1 d 0 I 3 . 5 I I 3 . 0 1 I I . I I 5 I - I - - I e - - - - I I l I | | | I I | | 5 5 I I I I I l I 0 - - - - - - - - - I . I 0 2 I I 1 - t 1 - e I 0 I 3 . 1 5 - - - - - - w - a 3 0 B I 9 9 I a 8 h | 1 I I | I l I 1 I I . I I 8 . 0 1 - 0 - - - - - - - - - - - - 6 - . - 0 - - - - - - - - - - - - h - / - a - s - r A 1 3 1 2 . . 2 ( 8 ) U n i t W e i g h t : N o n e o f t h e f a c t o r s c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ( c e m e n t - a s h r a t i o , a g g r e g a t e - a s h r a t i o ) h a d a n y s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n t e f f e c t o n f r e s h m i x u n i t w e i g h t ( s e e C u b e p l o t o f fi g u r e 5 . 8 ) . 3 3 3 F i g u r e 5 . 8 . T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e E f f e c t s o n U n i t W e i g h t . 3 3 4 ( 9 ) C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R ) : A g g r e g a t e / a s h r a t i o i s t h e o n l y f a c t o r w i t h s t a t i s t i c a l l y s i g n i f i c a n t e f f e c t , a t 9 9 % l e v e l o f c o n f i d e n c e , o n t h e C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o f o r f l o w a b l e fi l l ( s e e F i g u r e s 5 . 9 a n d 5 . 1 0 ) . I n c r e a s i n g t h e a g g r e g a t e - a s h r a t i o f r o m O t o 3 l e d t o a p p r o x i m a t e l y 3 0 % i n c r e a s e i n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o a t a l l w a t e r - a s h a n d c e m e n t - a s h r a t i o s . R e s p o n s e I e C I R 0 . 1 I n x 2 0 . 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 0 . 0 0 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I 3 2 0 . 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 0 . 0 0 | I I I I 0 I I I I g | 1 5 . 7 5 - - - - - - - - - - - | - - - - - - - 1 5 . 0 0 . 3 e I I | I 0 I I I I I I e 0 I I l I e e I I I I I c h I l I I e I I I I e 0 1 5 . 6 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 5 . 3 5 c . 0 5 H e t e r / e e h . 5 a 1 . 2 5 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t ( 0 . 1 i n . , P e n e t r a t i o n ) F i g u r e 5 . 9 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 1 i n . ) 3 3 5 C B R V a l u e s ( % ) 1 6 1 4 / D 1 2 W I N ! [ A l b ( 1 . 2 5 ) 1 0 / / V / l / / / A u u n ( 0 . 5 ) N - _ . | d P — v m — - O . 5 O 0 . 5 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 6 A g g r / A s h ( b ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h W a t e r / A s h R a t i o ( 0 . 1 i n . ) F i g u r e 5 . 9 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 1 i n . ) 3 3 6 C B R ( 5 6 ) O 1 6 I I I ” a C e m e n t / a s } : ( 0 . 0 5 ) / / I / / 3 I ( “ m a m / A s h ( 0 . 8 ) i I 4 I ' C V I I l I 1 2 I I 1 I 0 . 2 5 0 . 5 0 . 7 5 1 1 . 2 5 1 . 5 A g g r / a s h ( c ) E f f e c t s o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t / A s h R a t i o ( 0 . 1 i n . ) F i g u r e 5 . 9 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 1 i n . ) 3 3 7 I e e p c m e 1 0 c s : 0 . 2 I n 3 1 3 . 3 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 . 3 0 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l I I I I 3 1 3 . 3 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 3 . 3 0 I I I I I 0 I I I I o I 1 0 . 5 0 - - - - - - - - - - - | - - - - - - - 1 0 . 1 5 3 0 I I | I h I I I I I I c e I I I I e e I I I I I c h I I I I e l I | I e 0 1 0 . 4 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 0 . 2 0 c 0 5 u e t e r / e e h . 5 A 1 . 2 5 ( a ) T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t ( 0 . 2 i n . , P e n e t r a t i o n ) F i g u r e 5 . 1 0 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 2 i n . ) 3 3 8 C B R V a l u e s ( % ) 1 6 1 4 1 2 W e n t / M n ( 1 . 2 0 ) / 1 o / / 8 / / / ‘ 1 0 m . » ( 0 . 0 ) 6 1 / . / / / 4 , I “ 2 I I ” 0 . 5 O 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 A g g r / A s h ( b ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h W a t e r / A s h R a t i o ( 0 . 2 i n . ) F i g u r e 5 . 1 0 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 2 i n . ) — I 4 - — — < — — ~ ‘ — A — r d L — 3 3 9 C B R V a l u e s ( ‘ 2 3 ) 1 6 T I E 1 4 7 C e m e n t I A e n ( 0 . 0 ) / 1 0 / ’ a / E ” fl a u n t / A e r ) . 0 0 ) 6 I 1 . 5 2 2 . 5 a 3 . 5 A g g r / A s h ( c ) E f f e c t o f A g g r e g a t e / A s h R a t i o a n d i n t e r a c t i o n w i t h C e m e n t / A s h R a t i o ( 0 . 2 i n . ) F i g u r e 5 . 1 0 . T r e n d s i n V a r i a b l e E f f e c t s o n C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o ( C B R , 0 . 2 i n . ) C H A P T E R 6 C O N C L U S I O N S A c o m p r e h e n s i v e i n v e s t i g a t i o n w a s u n d e r t a k e n i n o r d e r t o d e r i v e s t a t i s t i c a l l y r e l i a b l e c o n c l u s i o n s r e g a r d i n g m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f fl o w a b l e fi l l a s i n fl u e n c e d b y v a r i o u s m i x p r o p o r t i o n s . T h e c o r r e l a t i o n s b e t w e e n v a r i o u s a s p e c t s o f t h e 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 fl o w a b l e fi l l w e r e a l s o i n v e s t i g a t e d . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : 1 . T h e d e v e l o p m e n t o f t h e s t r u c t u r e o f fl o w a b l e fi l l i s d i f f e r e n t f r o m t h a t o f c o n c r e t e ; p h y s i c a l f a c t o r s s u c h a s t h e p r e s e n c e o f s a n d g r e a t l y i n fl u e n c e s t r u c t u r a l d e v e l o p m e n t i n fl o w a b l e fi l l . T h e t h r e e d i f f e r e n t c o a l a s h e s w i t h d i f f e r e n t q u a l i t i e s a n d v a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f fl y a s h a n d b o t t o m a s h p r o d u c e d fl o w a b l e f i l l s w i t h c o m p a r a b l e 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 . I t i s d i f fi c u l t t o d e v e l o p a b r i e f s e t o f e x p e r i m e n t s t o m a k e a c o m p r e - h e n s i v e e v a l u a t i o n o f fl o w a b l e fi l l q u a l i t i e s . F o r e x a m p l e , a s b i n d e r c o n t e n t i n c r e a s e s ( a n d a g g r e g a t e c o n t e n t d e c r e a s e s ) , fl o w a b l e fi l l t e n d s t o g a i n a d d i t i o n a l s t r e n g t h b u t l o s e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d i m p e r m e a b i l i t y q u a l i t i e s . H e n c e , s t r i c t r e l i a n c e o n s t r e n g t h a s t h e s o l e r e p r e s e n t a t i v e o f fl o w a b l e fi l l q u a l i t y m a y p r o d u c e m i s l e a d i n g c o n c l u s i o n s i n r e l a t i o n t o p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d i m p e r m e a b i l i t y ( a n d v i c e v e r s a ) . 3 4 0 3 4 1 . T h e C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o c o r r e l a t e s w e l l w i t h 2 8 - d a y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d w a t e r p e r m e a b i l i t y o f fl o w a b l e fi l l . E a r l y a g e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f fl o w a b l e fi l l m a y n o t f u l l y r e p r e s e n t t h e s t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a t e r i a l a t l a t e r a g e s . S l u m p a n d fl o w o f fl o w a b l e fi l l a r e n o t s t r o n g l y c o r r e l a t e d . T h e e f f e c t s o f w a t e r / a s h r a t i o a n d c e m e n t / a s h r a t i o ( c r i t i c a l v a r i a b l e s f o r c o n c r e t e p e r f o r m a n c e ) o n fl o w a b l e fi l l q u a l i t y t e n d t o b e o v e r s h a d o w e d b y t h e c o r r e s p o n d i n g e f f e c t s o f a g g r e g a t e c o n t e n t ( o r t o t a l b i n d e r c o n t e n t ) . R e d u c e d s a n d c o n t e n t , w h i c h i s a c c o m p a n i e d w i t h i n c r e a s e d b i n d e r c o n t e n t , l e a d s t o i n c r e a s e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h b u t r e d u c e d p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o . W h e n a c o m b i n a t i o n o f m i x e s w i t h a n d w i t h o u t s a n d a r e c o n s i d e r e d , b i n d e r c o n t e n t i s t h e o n l y f a c t o r w i t h s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ; c e m e n t / a s h r a t i o a n d w a t e r / a s h r a t i o w e r e n o t a s i n fl u e n t i a l i n t h i s c a s e . 3 4 2 8 . S e t t i m e o f fl o w a b l e fi l l i s n o t m u c h a f f e c t e d b y m i x p r o p o r t i o n i n g v a r i a b l e s s u c h a s t h e w a t e r / a s h r a t i o , c e m e n t / a s h r a t i o o r a g g r e g a t e / a s h r a t i o . 9 . A g g r e g a t e / a s h r a t i o i s t h e o n l y m i x p r o p o r t i o n i n g v a r i a b l e s w i t h s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n fl o w a b l e fi l l p e r m e a b i l i t y ( w h e n m i x e s w i t h a n d w i t h o u t s a n d a r e c o n s i d e r e d t o g e t h e r ) ; i n c r e a s e d a g g r e g a t e / a s h r a t i o t e n d s t o r e d u c e w a t e r p e r m e a b i l i t y ( w h i l e d a m a g i n g c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ) . 1 0 . T h e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d C a l i f o r n i a B e a r i n g R a t i o o f fl o w a b l e fi l l t e n d t o b e i m p r o v e d w i t h i n c r e a s e d a g g r e g a t e c o n t e n t ( w h i l e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e n d s t o b e d a m a g e d w h e n a g g r e g a t e s a r e p r e s e n t ) . I t i s o u r o v e r a l l c o n c l u s i o n t h a t , g i v e n s p e c i fi c r a w m a t e r i a l s , t h e r e l e v a n t m i x p r o p o r t i o n s a n d s p e c i fi c j o b r e q u i r e m e n t s , o n e m a y n o t b e a b l e t o u s e m i x p r o p o r t i o n i n g m e t h o d s o r c o r r e l a t i o n s b e t w e e n d i f f e r e n t q u a l i t i e s o f c o n v e n t i o n a l m o r t a r a n d c o n c r e t e t o a p p l y t h e e x i s t i n g i n f o r m a t i o n t o a s p e c i fi c fl o w a b l e fi l l j o b c o n d i t i o n . T h e b e s t a p p r o a c h i s t o s u b j e c t t h e fl o w a b l e fi l l d e v e l o p e d w i t h r e l e v a n t m a t e r i a l s a n d m i x p r o p o r t i o n s t o s p e c i fi c t e s t s r e p r e s e n t i n g t h e j o b r e q u i r e m e n t s i n o r d e r t o m a k e a j u d g e m e n t o n t h e m e r i t s o f t h e m a t e r i a l . 1 0 . 1 1 . 1 2 . 1 3 . 3 4 3 R E F E R E N C E S N a i l k , T . , R a m m e , B . , a n d K o l b e c k , H . , " F i l l i n g A b a n d o n e d U n d e r g r o u n d F a c i l i t i e s w i t h C L S m F l y A s h S l u r r y " , C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , J u l y 1 9 9 0 , p p . 1 9 - 2 5 . L a r s e n , R , L . , ” S o u n d u s e o f C L S M s i n t h e E n v i r o n m e n t , ” C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , J u l y 1 9 9 0 , p p . 2 6 — 2 9 L a r s e n , R . L . , “ U s e o f C o n t r o l l e d L o w - S t r e n g t h M a t e r i a l s i n I o w a , " C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , V o l . 1 0 , N o . 7 , J u l y 1 9 8 8 , p p . 2 2 - 2 3 . B u s s , W . E . , ” I o w a F l o w a b l e M o r t a r S a v e s B r i d g e s a n d C u l v e r t 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 1 2 3 4 , p p . 3 0 - 3 4 . F o x , T . A . , ” U s e o f C o u r s e A g g r e g a t e i n C o n t r o l l e d L o w - S t r e n g t h M a t e r i a l 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 1 2 3 4 , p p . 3 5 - 3 8 K r e l l , W . C . , ” F l o w a b l e F l y A s h “ 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 1 2 3 4 , p p . 8 - 1 2 S w a f f e r , K . M . , a n d P r i c e , H . R . , " T u n n e l S a v e d b y F l y A s h , ” C i v i l E n g i n e e r i n g , S e p t . 1 9 8 7 , p p . 6 8 - 7 0 . F u n s t o n , J . J . , K r e l l , W . C . , a n d Z i m m e r , F . V . , " F l o w a b l e F l y A s h : A N e w C e m e n t S t a b i l i z e d B a c k fi l l " C i v i l E n g i n e e r i n g / A S C E , p p . 4 8 - 5 1 N a r a n g , R . P . , ” I n n o v a t i o n s C u t C o s t o f a P o w e r P l a n t ’ s W a t e r S y s t e m ” , C i v i l E n g i n e e r i n g / A S C E , J u l y 1 9 8 3 , p p . 4 6 - 4 9 A m e r i c a n E l e c t r i c P o w e r , ” U s i n g C o a l A s h e s t o P a v e t h e W a y , " C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , p p . 9 0 . F r i t z - F l o w # l , " A n t i - G e l l i n g D i s p e r s a n t , C l a s s C F l y A s h S t a b i l i z i n g A d m i x t u r e " , P r o d u c t B u l l e t i n # 1 2 , 1 9 9 0 , p p . 1 - 2 O n t a r i o R e s e a r c h F o u n d a t i o n , " C o a l A s h T e c h n o l o g y " p p . 1 — 1 0 S o r o u s h i a n , P . a n d O k w u e g b u A . , " C l a s s i fi c a t i o n o f M S U P o w e r P l a n t F l y A s h f o r A p p l i c a t i o n t o C o n c r e t e , " R e p o r t M S U - E n g r - 8 9 - 0 1 2 , J u n e 1 9 8 9 . 1 4 . 1 5 . 1 6 . 1 7 . 1 8 . 1 9 . 2 0 . 2 1 . 2 2 . 2 3 . 2 4 . 2 5 . 2 6 . 3 4 4 M e i n i n g e r , R . C . , " U s e i f F l y A s h i n C e m e n t a n d C o n c r e t e - R e s e a r c h o f T w o M e e t i n g s ” , C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , J u l y 1 9 8 2 , p p . 5 2 - 5 8 . O l i t t , A . , ” C o u r t i n g t h e C l i e n t : E s s e n t i a l P r o g r a m f o r E f f e c t i v e M a r k e t i n g " , C i v i l E n g i n e e r i n g / A S C E , J u n e 1 9 7 6 , p p . 6 5 - 6 6 . F r i t z - F l o w # 1 , ” A n t i - G e l l i n g D i s p e r s a n t , C l a s s C F l y A s h S t a b i l i z i n g A d m i x t u r e " , P r o d u c t B u l l e t i n # 1 1 2 M , p p . 1 - 2 . H e r m i z , S . M . , a n d S p e n c e , 8 . , ” B e l l e R i v e r P o w e r P l a n t F l y A s h ( T y p e " C " ) i n C o n c r e t e f o r S t r u c t u r a l A p p l i c a t i o n ” , D e s i g n E n g i n e e r i n g , P o w e r G e n e r a t i o n O r g a n i z a t i o n , D e c . 9 , 1 9 8 8 , p p . 1 - 8 S r i d h a r a n , A . , R a o , A . , a n d S i v a p u l l a i a h , P . , " S w e l l i n g P r e s s u r e o f C l a y s " , G e o t e c h n i c a l T e s t i n g J o u r n a l , p p . 2 4 - 3 3 . N a i k , T . R . , R a m m e , B . W . , a n d K o l b e c k , H . J . , " F i l l i n g A b a n d o n e d U n d e r g r o u n d F a c i l i t i e s w i t h C L S M F l y A s h S l u r r y ” , C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , J u l y 1 9 9 0 , p p . 1 9 - 2 5 . E P R I R e p o r t s C S - 6 1 0 0 , " L a b o r a t o r y T e s t i n g o f F l y A s h S l u r r y ” , P r o j e c t 2 4 2 2 - 2 , D e c . 1 9 8 8 . S h a h , S P , a n d Y o u n g J . F . , " A R e n a i s s a n c e i n C e m e n t - B a s e d M a t e r i a l s " , p p . 3 0 1 - 3 2 2 . S a w a n J . S . , a n d Q a s r a w i , H . Y . , ” E a r l y A g e P r o p e r t i e s o f P o z z o l a n i c M o r t a r s U n d e r H o t W e a t h e r ” , p p . 1 6 5 - 1 7 2 . W o o l g a r , G . , a n d O a t e s , D . B . , " F l y A s h a n d t h e R e a d y - M i x e d C o n c r e t e P r o d u c e r " , C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , N o v . 1 9 7 9 , p p . 3 4 - 4 0 L a n e , D . S . , ” T e s t i n g F l y A s h i n M o r t a r s f o r A i r - E n t r a i n m e n t C h a r a c t e r i s t i c 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 , p p . 2 5 - 3 1 . T o r r e n s , I . M . , " C l e a n i n g u p C o a l ” C i v i l E n g i n e e r i n g , O c t . 1 9 9 0 , p p . 6 3 - 6 5 J o s h i , R . C . , a n d N a g a r a j , T . S . , ” G e n e r a l i z a t i o n o f F l o w i n g B e h a v i o r o f c e m e n t F l y A s h P a s t e a n d M o r t a r s ” p p . 1 2 8 - 1 3 5 . 2 7 . 2 8 . 2 9 . 3 0 . 3 1 . 3 2 . 3 3 . 3 4 . 3 5 . 3 6 . 3 7 . 3 8 . 3 9 . 3 4 5 S m i t h , A . , " C o n t r o l l e d L o w - S t r e n g t h M a t e r i a l " , C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n , M a y 1 9 9 1 , p p . 3 9 1 - 3 9 8 . B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t , " F l o w a b l e B a c k - F i l l e d D e m o n s t r a t i o n ( E l i m i n a t e C o m p a c t i n g ) " , A p r i l 2 0 , 1 9 8 9 , p p . 1 - 1 9 . E n v i r o n m e n t a l R e g u l a t i o n s a n d T e c h n o l o g y , " F u g i t i v e V O C E m i s s i o n s i n t h e S y n t h e t i c O r g a n i c C h e m i c a l s M a n u f a c t u r i n g I n d u s t r y " , D e c . 1 9 8 4 , p p . 1 - 2 7 . G e b l e r , S B , a n d K l i e g e r , P . , " E f f e c t o f F l y A s h o n t h e A i r - V o i d S t a b i l i t y o f C o n c r e t e " , 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 S e r . N o . 1 7 0 5 . B e r n a r d , R . D . , a n d T a n s l e y , R . S . , " A L a b o r a t o r y T e s t i n g P r o g r a m f o r D e v e l o p m e n t o f a L e a n M i x B a c k fi l l S p e c i fi c a t i o n " , S c i e n t i fi c S e r v i c e , I n c . , M a y 1 9 8 1 . L a r s e n , R . L . , " E n v i r o n m e n t a l l y S o u n d U s a g e s o f C o n t r o l l e d L o w S t r e n g t h M a t e r i a l s " , O c t . 1 9 8 9 . T . T . Y . C . , " T h e B r i d g e " , L i n k a g e T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h a n d P r a c t i c e , V o l . 6 , N o . 4 , S u m m e r 1 9 9 2 . J a n a r d h a n a m , R . , B u r n s , F . , a n d P e i n d l , R . D . , " M i x D e s i g n f o r F l o w a b l e F l y - A s h B a c k fi l l M a t e r i a l " , p p . 2 5 2 - 2 6 3 . B e r r y , E . E . , a n d M a l h o t r a , V , M . , " F l y A s h i n C o n c r e t e . " H a n s e n , T . C . , " M o d i fi e d D O E M i x D e s i g n M e t h o d f o r H i g h V o l u m e F l y A s h C o n c r e t e s a n d C o n t r o l l e d L o w S t r e n g t h C o n c r e t e s " , M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , N o . 1 5 8 , M a r c h 1 9 9 2 , p p . 3 9 - 4 5 . H o m e r , R . R . , " E n v i r o n m e n t a l M o n i t o r i n g a n d E v a l u a t i o n o f C a l c i u m M a g n e s i u m A c e t a t e ( C M A ) " , 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 , A p r i l 1 9 8 8 , p p . 1 - 3 . C o n c r e t e T e c h n o l o g y T o d a y , " D u r a b i l i t y o f L e a n C o n c r e t e s C o n t a i n i n g F l y A s h " , V o l . 7 , N o . 1 , A p r i l 1 9 8 6 , p p . 1 - 5 . S t a r k , D . , " E f f e c t o f L e n g t h o f F r e e z i n g P e r i o d o n D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e " , 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 9 6 . 0 1 T , 1 9 8 9 p p . 1 - 9 . 4 0 . 4 1 . 4 2 . 4 3 . 4 5 . 4 6 . 4 7 . 3 4 6 A l - M a n a s e r , A . A . , N a s s e r , K . W . , H a u g , M . D . , " C o n s i s t e n c y a n d W o r k a b i l i t y o f F l o w i n g C o n c r e t e " , C o n c r e t e P l a c e m e n t , p p . 1 4 - 1 8 . D a n i a l , D . E . , " P e r m e a b i l i t y T e s t f o r U n s a t u r a t e d S o i l " , G e o t e c h n i c a l T e s t i n g J o u r n a l , V o l . 6 , N o . 2 , J u n e 1 9 8 3 , p p . 8 1 - 8 6 . H o r i u c h i , S . , T a d e t s u k a m . , O d a w a r a , T . , a n d K a w a s a k i , H . , " F l y - A s h S l u r r y I s l a n d : 1 . T h e o r e t i c a l a n d E x p e r i m e n t a l I n v e s t i g a t i o n s " , J o u r n a l o f M a t e r i a l i n C i v i l E n g i n e e r i n g , V o l . 4 , N o . 2 , M a y 1 9 9 2 , p p . 1 1 7 - 1 3 3 . K a w a s a k i , H . H o r i u c h i , S . , A k a t s u k a , M . , a n d S a n o , S . , " F l y - A s h S l u r r y I s l a n d : 2 . C o n s t r u c t i o n i n H a n k u c h o O h a s h i P r o j e c t " , J o u r n a l o f M a t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g , V o l . 4 , N o . 2 , M a y 1 9 9 2 , p p . 1 3 5 - 1 5 3 . G r a y , D . H . , T o n s , E . , R a z i , M . , " U s e o f F l y A s h i n a H i g h w a y S h o u l d e r B a s e C o u r s e " , D R D A P r o j e c t N o . 3 8 8 8 0 3 , J u n e 1 9 8 5 , p p . 1 - 3 1 . Z i m m e r m a n , L . G . , " P r a c t i c a l C o n s i d e r a t i o n s f o r t h e F o r m u l a t i o n a n d U s e o f F l o w a b l e F i l l M a t e r i a l s " , M i d w e s t F l y A s h a n d M a t e r i a l s . E P A , " E P A G u i d e l i n e f o r P u r c h a s i n g C e m e n t a n d C o n c r e t e C o n t a i n i n g F l y A s h " , E P A / 5 3 0 - S W - 9 1 - 0 8 6 , J a n u a r y 1 9 9 2 . T h i u m a l a i , K . , " T e c h n o l o g y I s s u e s f o r E n h a n c i n g W a s t e M a t e r i a l U t i l i z a t i o n i n H i g h w a y C o n s t r u c t i o n A d d r e s s e d b y S H I R P - I d e a P r o g r a m " . " ‘ I I I I I I I I I I " 1 1 1 1 1 7 1 1 1 “