Nanomodified Concrete for Harsh Environments: Enhancing Durability Using Nano-Admixtures and Cementitious Nanotechnology

No Thumbnail Available

Date

2025

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Publisher

Sumy State University
Article

Date of Defense

Scientific Director

Speciality

Date of Presentation

Abstract

Це дослідження присвячено розробці нано-бетонних рецептур для вирішення проблеми прискореної деградації в агресивних середовищах (морська вода, кислі розчини, побутові стічні води). Звичайний бетон зазнає значної втрати міцності на стиск (25 % у морській воді, 56 днів) та збільшення водопоглинання на 35 % через мікротріщиноутворення та розчинення портландиту, викликані сульфатами/хлоридами. Наше рішення поєднує суперпластифікатори на основі полікарбоксилатних ефірів (1 % bwoc) для зменшення капілярної пористості, повітрововтягувачі на основі вінсолової смоли (0,02 % bwoc), що створюють переривчасті мікробульбашкові бар’єри, та глюконову кислоту-сповільнювачі (0,5 % bwoc), що забезпечують однорідне зародження C-S-H. Ретельні випробування за протоколами ASTM/EN показали, що наномодифіковані зразки обмежують деградацію міцності до 15 % у морській воді, а водопоглинання збільшується до 15 %, перевершуючи звичайний бетон на 40 % за ключовими показниками довговічності. Розширена характеристика (SEM-EDS/XRD/ртутна порометрія) підтвердила уточнені структури пор (діаметр домінантних пор  50 нм проти  200 нм у контрольних зразках) та пригнічила утворення етрингіту. Дослідження встановило, що домішки є багатофункціональними наномодифікаторами, що перешкоджають шляхам іонної дифузії через ефекти електронного бар’єру та оптимізовану кінетику гідратації, забезпечуючи трансформаційний підхід до морської та хімічно-захищеної інфраструктури.
This research pioneers nano-engineered concrete formulations to address accelerated degradation in harsh environments (seawater, acidic solutions, household wastewater). Conventional concrete suffers severe compressive strength loss (25 % in seawater, 56 days) and 35 % increased water absorption due to sulfate/chloride-induced microcracking and portlandite dissolution. Our solution integrates polycarboxylate ether superplasticizers (1 % bwoc) for reduced capillary porosity, vinsol resin air-entrainers (0.02 % bwoc) creating discontinuous micro-bubble barriers, and gluconic acid retarders (0.5 % bwoc) enabling homogeneous C-S-H nucleation. Rigorous testing under ASTM/EN protocols revealed nano-modified specimens limit strength degradation to 15 % in seawater and absorption increase to 15 % outperforming ordinary concrete by 40 % in key durability metrics. Advanced characterization (SEM-EDS/XRD/mercury porosimetry) confirmed refined pore structures ( 50 nm dominant pore diameter vs.  200 nm in controls) and inhibited ettringite formation. The study establishes admixtures as multi-functional nano-modifiers that obstruct ionic diffusion pathways through electron barrier effects and optimized hydration kinetics, providing a transformative approach for marine and chemical-exposure infrastructure.

Keywords

стійкість бетону, суворі умови, міцність на стиск, водопоглинання, хімічний вплив, добавки до бетону, деградація сульфатів, concrete resilience, harsh environments, compressive strength, water absorption, chemical exposure, concrete additives, sulfate degradation

Citation

B. Rebai et al., J. Nano- Electron. Phys. 17 No 4, 04034 (2025) https://doi.org/10.21272/jnep.17(4).04034

Endorsement

Review

Supplemented By

Referenced By