Evaluation of air entraining behaviour in concrete using computer aided methods on hardened samples

Increasing awareness of sustainability in the concrete industry forces structural design and executionto focus on avoiding costly and unpredictable maintenance action, instead paying higher attention todamage prevention by direct actions on early stages of production. One of such approaches, whichdeals with the problem of freezing and thawing deterioration, is intentional air bubble introductionto the concrete mix. However, the mechanism of air entrainment in concrete can be negativelyaffected on different stages of production by many factors including cement type, admixture dosage,casting conditions or mixing procedure. Therefore, reliable tools for the end-product evaluationought to be considered. The experimental study, presented in this work, focuses on understandingthe blast furnace slag (BFS) influence as well as admixtures’ dosage effect on pore structure ofhardened concrete. Three types of cement were evaluated, including ordinary portland cement(OPC) and two types of CEM III cements with different BFS percentage. The optimal amountsof air entraining agent (AEA) and super plasticizer (SP) were chosen and later reduced in orderto evaluate their impact on total air content, spacing factor and specific surface of the air voids.The main method chosen for this evaluation was the use of an office flat-bed scanner to acquireimages and application of BubbleCounter software for the analysis of the air void structure. Thisapproach is based on linear traverse method and requires special surface treatment for contrastenhancement. Specimens for the analysis were cut from hardened concrete cubes and polishedto achieve a flat surface. The samples were later treated with black ink and zinc oxide paste toachieve a clear contrast between white voids and black paste/aggregate area. In order to estimatethe accuracy of this method, more conventional tools such as pressurised gauge method and air voidanalyser were applied for comparison. Resulted mixtures showed significant differences in air voidproperties between OPC and BFS containing concrete, with the latter being less affected by AEAdosage reduction. Changes in spacing factor and specific surface were also registered; however,their deterioration did not follow the same pattern as that of total air content. No significantdeviation between the two cements containing BFS was observed. An interesting effect of the usedpolycarboxylate ether SP on the AEA reactivity was registered, showing deterioration of air voidproperties with the decrease of plasticizer amount. Comparison of the results from different air voidanalysis methods, suggested an overall agreement on the measured air void system changes due tochanging the AEA content. However, the BubbleCounter software tended to slightly overestimatethe material’s resistance to freeze and thaw phenomenon, giving the most optimistic values inspacing factor and specific surface of air voids. Betongindustrins ökande medvetenhet om hållbarhet leder till att man inom dimensionering ochutförande fokuserar mot att undvika kostnadskrävande och oförutsedda underhållsåtgärder ochistället lägga större vikt på att förebygga skador i produktionens tidiga skeden. En av dessaåtgärder, som hanterar problemet frostnedbrytning, är en medveten inblandning av luftbubblor ibetongen. Mekanismen för att skapa luftporssystemet kan emellertid bli negativt påverkad underolika skeden av produktionen av många faktorer såsom cementtyp, tillsatsmedelsdos, gjutvillkoroch blandningsordning. Därför behöver man reflektera över pålitliga verktyg för utvärderingenav slutprodukten. Den experimentella studien, som presenteras i detta arbete, fokuserar motförståelse hur slagg och tillsatsmedelsdos påverkar den hårdnade betongens luftporssystem. Tretyper av cement utvärderades, dels ett normalt portlandcement, dels två typer av CEM III-cementmed olika andelar av slagg. Optimala mängder av luftporbildare och flyttillsatsmedel valdesmen reducerades senare för att undersöka deras inverkan på totalt luftinnehåll samt luftporernasavståndsfaktor och specifika yta. Den huvudsakliga metoden som valdes för denna utvärderingvar en flatbäddsscanner (kontorsmodell) för att ta bilder och användningen av en programvaravid namn BubbleCounter för att analysera luftporssystemet. Detta tillvägagångssätt baseras påanalys av tvärgående linjer och kräver en speciell behandling av ytan för att åstadkomma kontraster.Provkroppar för analysen sågades ut ur hårdnade betongkuber och polerades för att erhålla en jämnyta. Provkropparna var senare behandlade med svart bläck och zinkoxidpasta för att åstadkomma entydlig kontrast mellan de vita porerna och den svarta ytan av cementpasta och ballast. För att studeranoggrannheten hos denna metod användes som jämförelse även mer konventionella metoder sommätningar med trycksatta givare och luftporsanalys. De framtagna blandningarna visade signifikantaskillnader i luftporernas egenskaper mellan betong med normalt portlandcement och betong medslaggcement, där den senare påverkades i mindre grad av reduktioner i dosen luftporbildare.Förändringar I avståndsfaktor och specifik yta noterades också men försämringen följde inte sammamönster som den för totala luftinnehållet. Ingen signifikant skillnad mellan de två cementeninnehållande slagg kunde observeras. En intressant inverkan av det använda polykarboxylateterbaseradeflyttillsatsmedlet på luftporbildarens reaktivitet noterades. Den visade en försämringav luftporernas egenskaper vid en reduktion av mängden flyttillsatsmedel. En jämförelse avresultaten från de olika metoderna för luftporsanalys indikerade en övergripande överensstämmelsegällande de uppmätta luftporssystemens förändring p.g.a. förändringar i mängden luftporbildare.Programvaran BubbleCounter tenderade emellertid att något överskatta materialets motstånd motfrostnedbrytning med de mest optimistiska värdena för luftporernas avståndsfaktor och specifikayta.