Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus...

201
HOT WATER CONCRETE TANK TO STORE SOLAR GENERATED ENERGY vorgelegt von Master of Science M.Sc. Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin Institut für Bauingenieurwesen zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften Dr.Ing. genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr.Ing. Frank U. Vogdt Gutachter: Prof. Dr.Ing. Bernd Hillemeier Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Dietmar Stephan Gutachter: Prof. Dr.Ing. Alexander Taffe Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 31. März 2014 Berlin 2014 D 83

Transcript of Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus...

Page 1: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

 

 

 

HOT WATER CONCRETE TANK TO STORE

SOLAR GENERATED ENERGY

vorgelegt von  

Master of Science ‐ M.Sc. 

Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman 

aus Ägypten 

 

 von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt  

der Technischen Universität Berlin  

Institut für Bauingenieurwesen 

zur Erlangung des akademischen Grades  

 

Doktor der Ingenieurwissenschaften  

Dr.‐Ing.  

 

genehmigte Dissertation  

 

 

Promotionsausschuss:  

Vorsitzender: Prof. Dr.‐Ing. Frank U. Vogdt Gutachter: Prof. Dr.‐Ing. Bernd Hillemeier  Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Dietmar Stephan  Gutachter: Prof. Dr.‐Ing. Alexander Taffe 

 

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 31. März 2014 

 

Berlin 2014  

D 83 

Page 2: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Acknowledgments     iii 

 

Acknowledgements 

I would  like  to express my deepest appreciation  to all  those who provided me with  the possibility  to 

complete  this work with  their  suggestions,  encouragement  and  advices.  First  of  all,  I would  like  to 

express  my  heartfelt  thanks  to  Prof.  Dr.‐Ing.  Bernd  Hillemeier  for  his  help,  valuable  time, 

encouragement and guidance during all stages of my research work. His outstanding personality as well 

as his enthusiasm support, advice, detailed comments and innovative views contributed very much both 

to  the quality of  the  research work and  to  the  improvement of my professional  skills.  I am  sincerely 

grateful  to Prof. Hillemeier,  for the confidence he gave me during  this study and  for  the  time he has 

spent reading and careful review of the manuscript of this thesis. Without his personal  interest  in the 

research work and his great support to overcome all obstacles, this investigation would have not been 

materialized.  

I would  like  to express my sincere acknowledgement  for  the support and help  from Prof. Dr. rer. 

Nat. Dietmar Stephan, who was abundantly helpful and offered invaluable assistance and provided 

me with excellent  informational  resources and  laboratory  facilities.  I want  to  thank him  for giving 

me the chance and space to complete and finish this thesis in his department. I also want to express 

him my  appreciation  for  the  valuable  discussions,  beneficial  comments  and  continuous  support 

during my research.  

I  am  indebted  to  all  the  staff  and  PhD  students  of  the  department  of  building  materials  and 

construction chemistry at TU Berlin for their help and cooperation in my research. It is my pleasure, 

however, to mention some of my colleagues: Sameena Kamaruddin, Veronika Märkl and Kai Foth for 

their  help.  I would  like  to  address  special  thanks  to my  roommate, Kasra  Shafiei,  for  his  support, 

advice and  for his  friendly  relationship. Moreover,  I wish  to express my appreciation  to Dr. Roland 

Herr  for his  valuable  comments and advices  regarding C‐S‐H phase’s  transformation. Additionally,  I 

would like to convey thanks to Dr. Ralf Röben from KIWA for his kindness, friendship and support during 

the measurement of porosity and chloride diffusion of concrete.     

I also extend my gratitude to German Academic Exchange Service (DAAD) and Egyptian government 

for providing financial support for the project during the period of this research. Furthermore, I wish 

also to express my thanks for all the great opportunities and professional development I have had at 

Berding  Beton  Firma  in  Linthe,  especially  from Mr.  Axel Munke  and Mrs.  Angela Mehlhase  for 

supporting our experiments.    

Finally,  I wish to avail myself of this opportunity, and express a never ending sense of gratitude to 

my  family, my parents, wife, and  sons  (Omar, Amal and Alaa)  for  their blessings, understanding, 

endless patience, and encouragement at all times.  

 

Page 4: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Acknowledgments     iv 

 

 

Page 5: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Abstract     v 

 

Abstract 

The  solar  energy  flux  reaching  the  earth  equals  about  6000  times  the  current  global  energy 

consumption.  Although  solar  energy  is  abundant,  clean  and  safe,  its  supply  is  intermittent  and 

irregular. Therefore, a considerable amount of energy should be stored during the day to cover the 

demand during the night or from summer to winter times. Hot water storage tank is considered one 

of the best technologies for seasonal energy storage because of the high specific heat of water and 

the  high  capacity  rate  of  charging  and  discharging. Most  of  these  tanks  are  built  of  prestressed 

concrete with internal lining to prevent the water leakage. The economic studies indicated that the 

costs of  liner are very high. Moreover,  the storing  temperature  is  low  (up to 95 °C) which  limits 

the  storing  capacity and  therefore,  the  stored energy  is used  for heating and hot water  supply 

only. However,  to make  a  practical  use  of  the  stored  energy  such  as  industrial  processes  and 

steam generation, the storing temperature must be increased above 100 °C such as in the case of 

steam accumulator. 

  

The main objective of  this work  is  to study  the possibility of optimizing a concrete mixture  to be 

used in a hot water concrete tank to store solar generated energy at temperatures up to 200 ° C and 

pressures up to 15.5 bars. This  investigation  is divided  into three main parts.  In the first one, high 

density concrete mixtures have been optimized in order to prevent the leakage of water and vapour 

through concrete and  to ensure high sustainability under hydrothermal conditions.  Increasing  the 

packing density is considered an excellent strategy to get an optimized concrete mix. In this concern, 

the Ideal grading curve according to Fuller has been used to achieve the maximum packing density 

of the solid materials and to reduce the required binder content.  In addition, various cementitious 

materials were examined to select the most suitable mixture with high resistance to hydrothermal 

attack. Siliceous fillers have been added also to close the gaps between aggregate and fine materials 

on one hand and  to enhance  the  stability of C‐S‐H phases under hydrothermal conditions on  the 

other hand. The second part of this  investigation focuses on the effect of autoclaving with 200 °C 

and 15.5 bars on concrete properties. Mechanical properties including compressive strength, tensile 

strength and rebound number have been measured at normal conditions and after autoclaving with 

numerous cycles. In addition, concrete porosity is measured before and after autoclaving for several 

cycles. Regarding  concrete durability,  the main  three mechanisms of  ingress of  gases and  liquids 

through  concrete;  permeability,  absorption  and  diffusion,  have  been measured  before  and  after 

autoclaving for several cycles. In the third part, 10 different cement pastes have been prepared and 

tested  in order to deeply understand the effect of hydrothermal conditions on characteristics and 

stability of C‐S‐H phases. In this concern, EDX, TGA and SEM measurements have been used to study 

the changes in pastes morphology and properties due to autoclaving for 50 cycles. In addition, the 

changes in compressive strength and porosity after hydrothermal treatment have been determined.  

Page 6: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Abstract     vi 

 

The  investigation  results  showed  that  the  optimized mixes  exhibited  very  low  porosity  and  high 

mechanical properties as well as high durability at normal conditions where the grading and particle 

size distribution are the main factors influencing the results. However after hydrothermal exposure, 

mixes with  low  C/S  ratio  showed  very  stable  performance  regarding mechanical  properties  and 

durability. The addition of silica‐rich materials such as fly ash, slag and quartz reduces the C/S ratio 

of the system and consequently strong product with low porosity and high stability is produced. On 

the other hand, mixes with OPC and with high C/S  ratio suffered poor durability, high porosity as 

well as strength retrogression. 

Page 7: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Kurzfassung     vii 

 

Kurzfassung  

Die  auf  die  Erde  treffende  Strahlungsenergie  der  Sonne  übertrifft  den  heutigen 

Gesamtenergieverbrauch um die 6000 Fächer. Obwohl die solare Energie unbegrenzt zur Verfügung 

steht und sauber und sicher  ist,  ist  ihre Nutzung schwankend und häufig ungewiss. Deshalb sollte 

eine  beträchtliche  Energiemenge  tagsüber  gespeichert  werden,  um  entsprechend  nachts  zur 

Verfügung zu stehen. Die Speicherung von Energie in heißem Wasser wird als eine der effektivsten 

Technologien gesehen, um saisonal Energie zu speichern, weil die spezifische Wärme von Wasser 

hoch ist und hohe Beladungs‐ und Entladungsraten erreicht werden können. Um Wasserverluste zu 

vermeiden,  werden  die  meisten  Speichertanks  aus  Spannbeton  mit  einem  Inliner  hergestellt. 

Wirtschaftlichkeitsstudien  zeigen,  dass  die  Kosten  für  den  Liner    hoch  sind.  Zudem  sind  die 

Speichertemperaturen verhältnismäßig niedrig (bis zu 95 °C), was die Speicherkapazität wesentlich 

einschränkt. Um  jedoch die  gespeicherte  Energie  z.B.  industriell und bei der Dampferzeugung  zu 

nutzen, muss die Speichertemperatur deutlich über 100 °C angehoben werden. 

 

Das vorrangige Ziel der vorliegenden Arbeit  ist die  theoretische und  technische Erforschung eines 

speziellen Betons   für einen Heißwassertank, um solare Energie zu speichern bei Temperaturen bis 

zu  200  °C  und  Drücken  bis  zu  15.5  bar.  Die  Forschungsarbeit  ist  in  drei    Abschnitte  unterteilt.  

Zunächst  wird  ein  hochdichter  Beton  entwickelt,  der  unter  den  geschilderten  hydrothermalen 

Bedingungen zuverlässig wasser‐ und dampfdicht  ist.   Als spezielle strategische Maßnahme erwies 

sich  dabei  die  Erhöhung  der  Packungsdichte  der  festen  Bestandteile  des  Betons  als  besonders 

wirksam.  Bezüglich  dieser  Forderung  wurde  die  Idealsieblinie  nach  Fuller  zum  Erreichen  einer 

extrem  hohen  Packungsdichte  und  damit  zur  Reduzierung  des  Zementleimgehalts  angestrebt. 

Zusätzlich  wurden  verschiedene  Bindemittelkombinationen  untersucht,  um  die  geeignetste 

Mischung  mit  der  höchsten  Widerstandsfähigkeit  gegenüber  hydrothermalen  Einwirkungen  zu 

finden.  Füller  auf  Siliziumbasis  wurden  dem  Beton  hinzugefügt,  um  die  Lücke  innerhalb  des 

Kornaufbaus zwischen den groben und feinen Materialanteilen zu schießen und die Stabilität der C‐

S‐H Phasen unter hydrothermalen Bedingungen zu erhöhen. Der zweite Teil der Arbeit geht auf die 

Analyse der Betoneigenschaften ein, die sich während der Belastung im Autoklaven bei 200 °C und 

15.5  bar  einstellen.  Die  mechanischen  Eigenschaften  wie  Druckfestigkeit,  Zugfestigkeit  und 

Rückprallwert  wurden  bei  Normalbedingungen  und  nach  dem  Autoklavieren  nach  verschieden 

hohen Zyklen zahlen gemessen. Entsprechend wurden bezüglich der Dauerhaftigkeit des Betons die 

drei wesentlichen Mechanismen  des  Eindringens  von Gasen  und  Flüssigkeiten wie  Permeabilität, 

Absorption  und  Diffusion  messtechnisch  überprüft.  In  dem  dritten  Teil  der  Arbeit  wurden  10 

verschiedene Zementleime untersucht, um unabhängig von den Einflüssen einer Gesteinskörnung 

den  Effekt  der  hydrothermalen  Behandlung  auf  die  Charakteristik  und  die  Stabilität  der  C‐S‐H 

Phasen  zu  erforschen.  Dabei  wurden  die  Verfahren  EDX,  TGA  und  SEM  angewandt,  um  die 

Page 8: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Kurzfassung     viii 

 

morphologischen  Veränderungen  bei  den  Zementsteinen  nach  50  Autoklav  Zyklen  festzustellen. 

Zusätzlich wurden die Veränderungen der Druckfestigkeit und der Porosität gemessen.  

 

Die  Versuchsergebnisse  zeigen,  dass  die  optimierten  Mischungen  sich  günstig  durch  eine  sehr 

niedrige Porosität und  hohe mechanische  Eigenschaften  für die Dauerhaftigkeit  auszeichnen. Die 

optimierte  Kornabstufung  wird  dabei  als  der  wesentliche  Faktor  angesehen.  Nach  der 

hydrothermalen Behandlung wird  zusätzlich das Calcium/Silizium  (C/S) Verhältnis des Systems als 

wesentlicher  Einflussfaktor  auf  das  Verhalten  und  die  Eigenschaften  eines  Betons  erkannt.  Die 

Zugabe  siliziumreicher  Stoffe  wie  Flugasche,  Hüttensand  oder  Quarzsand  reduzieren  das  C/S 

Verhältnis  des  Systems  und  führen  konsequent  zu  einem  hoch  widerstandsfähigen  Beton  mit 

niedriger  Porosität  bei  hoher  Zuverlässigkeit.  Sie  übertreffen  in  allen  ihren  Eigenschaften  jene 

Mischungen deutlich, die ausschließlich aus Portlandzement als Bindemittel hergestellt wurden.  

 

 

Page 9: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Table of contents     ix 

 

Table of contents  

    Acknowledgements …………………………………………………………………………………….……......….iii  

    Abstract …………………………………………………………………………………………………………..….……..v 

    Kurzfassung ……………………………………………………………………………………………………………...vii 

    Notations and symbols ………………………………………………………………………………….….………xv 

1.  Introduction ................................................................................................................ 1 

1.1  General ..................................................................................................................... 1 

1.2  Research Objectives ................................................................................................. 3 

1.3  Research strategy ..................................................................................................... 4 

1.4  Outline ...................................................................................................................... 4 

2.  Literature review ......................................................................................................... 9 

2.1  General ..................................................................................................................... 9 

2.2  Solar energy ............................................................................................................. 9 

2.2.1  Introduction ................................................................................................. 9 

2.2.2  Concentration of solar power (CSP) .......................................................... 11 

2.2.3  Solar Energy storage .................................................................................. 11 

2.2.4  Some applications of sensible heat storage systems ................................ 12 

2.2.4.1  Central seasonal heat storage .................................................... 12 

2.2.4.2  Hot water tank ............................................................................ 13 

2.2.4.3  Steam accumulator ...................................................................... 14 

2.3  Packing density as a key for concrete mix design .................................................. 17 

2.3.1  Introduction ............................................................................................... 17 

2.3.2  History of packing density theory .............................................................. 18 

2.3.3  The work of Fuller ...................................................................................... 20 

2.3.4  State of the art of particle packing modeling ............................................ 23 

2.4  Effect of heat on concrete properties .................................................................... 25 

2.4.1  Introduction ............................................................................................... 25 

2.4.2  Effect of high temperature on properties of cement based materials ..... 26 

2.4.3  Explosive thermal spalling ......................................................................... 29 

2.4.4  Effect of autoclaving on concrete properties ............................................ 30 

Page 10: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Table of contents     x 

 

2.4.5  Stability of C‐S‐H phases at hydrothermal conditions ............................... 32 

3.  Materials and methods ............................................................................................. 39 

3.1  Introduction ........................................................................................................... 39 

3.2  Materials ................................................................................................................ 39 

3.2.1  Aggregates ................................................................................................. 39 

3.2.2  Cement ...................................................................................................... 40 

3.2.3  Fly ash ........................................................................................................ 41 

3.2.4  Silica fume .................................................................................................. 42 

3.2.5  Filler ........................................................................................................... 43 

3.2.6  Superplasticizer ......................................................................................... 44 

3.3  Specimens preparation and curing ........................................................................ 44 

3.4  Tests ....................................................................................................................... 45 

3.4.1  Fresh concrete properties. ........................................................................ 45 

3.4.1.1  Consistency ................................................................................. 45 

3.4.1.2  Air content .................................................................................. 46 

3.4.1.3  Fresh density ............................................................................... 46 

3.4.2  Mechanical properties. .............................................................................. 46 

3.4.2.1  Compressive strength ................................................................. 46 

3.4.2.2  Splitting tensile strength ............................................................. 46 

3.4.2.3  Modulus of elasticity ................................................................... 46 

3.4.2.4  Density of hardened concrete .................................................... 47 

3.4.2.5  Rebound Hammer ....................................................................... 47 

3.4.3  Durability of concrete ................................................................................ 48 

3.4.3.1  Water permeability ..................................................................... 48 

3.4.3.2  Air permeability .......................................................................... 49 

3.4.3.3  Absorption .................................................................................. 50 

3.4.3.4  Chloride diffusion test................................................................. 50 

3.4.4  Concrete microstructure ........................................................................... 51 

3.4.4.1  Effective porosity ........................................................................ 51 

3.4.4.2  Helium pycnometry .................................................................... 52 

3.4.4.3  Mercury intrusion porosimetry (MIP) ......................................... 52 

3.4.4.4  Thermal gravimetric analysis (TGA) ............................................ 53 

Page 11: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Table of contents     xi 

 

4.  Optimizing a high dense concrete mixture................................................................. 55 

4.1  Introduction ........................................................................................................... 55 

4.2  Maximizing the packing density of solid particles ................................................. 55 

4.3  Designing a dense cement matrix .......................................................................... 58 

4.3.1  Introduction ............................................................................................... 58 

4.3.2  Dense packing of cement matrix ............................................................... 59 

4.3.3  Hydration products characteristics ........................................................... 60 

4.3.4  Optimizing a dense cement matrix ............................................................ 61 

4.3.5  Optimization of water/binder ratio ........................................................... 62 

4.4  Densifying the interfacial transition zone .............................................................. 63 

4.5  Mix design and mixes composition ........................................................................ 66 

4.6  Measuring the packing density .............................................................................. 68 

4.7  Measuring the actual packing density αj................................................................ 69 

4.8  Results of packing density ...................................................................................... 70 

4.8.1  Packing density of fine materials. .............................................................. 70 

4.8.2  Packing density of dry concrete mixtures. ................................................ 71 

4.8.3  Results of fresh concrete properties ......................................................... 73 

4.8.3.1  Air content .................................................................................. 73 

4.8.3.2  Workability .................................................................................. 74 

4.8.3.3  Density of fresh concrete ............................................................ 75 

5.  Results and discussion of the optimized concrete properties ........................................ 77 

5.1  Introduction ........................................................................................................... 77 

5.2  Mechanical properties ........................................................................................... 78 

5.2.1  Compressive strength ................................................................................ 78 

5.2.2  Splitting tensile strength............................................................................ 79 

5.2.3  Modulus of elasticity ................................................................................. 80 

5.3  Porosity .................................................................................................................. 82 

5.3.1  Porosity measured with helium pycnometry ............................................ 82 

5.3.2  Water porosity (effective water porosity). ................................................ 82 

5.3.3  Porosity and pore size distribution measured with MIP ........................... 83 

5.4  Durability ................................................................................................................ 84 

5.4.1  Permeability ............................................................................................... 84 

Page 12: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Table of contents     xii 

 

5.4.1.1  Water penetration depth ............................................................ 84 

5.4.1.2  Air permeability .......................................................................... 85 

5.4.2  Absorption (capillary suction) .................................................................... 86 

5.4.3  Chloride diffusion ...................................................................................... 88 

5.5  Discussion ............................................................................................................... 89 

5.5.1  Mechanical properties ............................................................................... 89 

5.5.2  Porosity ...................................................................................................... 91 

5.5.3  Durability ................................................................................................... 94 

5.6  Porosity & mechanical properties relationship ..................................................... 96 

5.7  Permeability & capillary porosity relationship ....................................................... 97 

5.8  Absorption & capillary porosity relationship ......................................................... 98 

5.9  Chloride diffusion & capillary porosity relationship. ............................................. 99 

6.  Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete ... 101 

6.1  Introduction ......................................................................................................... 101 

6.2  Methods ............................................................................................................... 102 

6.3  Mechanical properties results.............................................................................. 103 

6.3.1  Compressive strength .............................................................................. 103 

6.3.2  Rebound number ..................................................................................... 104 

6.3.3  Splitting tensile strength.......................................................................... 107 

6.4  Porosity measured with MIP ................................................................................ 107 

6.5  Durability .............................................................................................................. 109 

6.5.1  Permeability ............................................................................................. 109 

6.5.1.1  Water penetration depth. ......................................................... 109 

6.5.1.2  Air permeability ........................................................................ 110 

6.5.2  Absorption (Capillary suction) ................................................................. 111 

6.5.3  Chloride diffusion .................................................................................... 113 

6.6  Discussion ............................................................................................................. 114 

6.6.1  Mechanical properties. ............................................................................ 114 

6.6.2  Porosity .................................................................................................... 117 

6.6.3  Durability ................................................................................................. 121 

6.6.3.1  Permeability .............................................................................. 121 

6.6.3.2  Absorption (Capillary suction) .................................................. 122 

Page 13: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Table of contents     xiii 

 

6.6.3.3  Chloride diffusion ...................................................................... 123 

7.  Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste................ 125 

7.1  General ................................................................................................................. 125 

7.2  Mixes and tests .................................................................................................... 125 

7.3  Hydration of cement paste .................................................................................. 126 

7.3.1  Hydration heat ......................................................................................... 126 

7.3.2  Discussion ................................................................................................ 128 

7.4  The influence of hydrothermal treatment on cement pastes ............................. 130 

7.4.1  Compressive strength .............................................................................. 130 

7.4.2  Porosity .................................................................................................... 132 

7.4.3  Density ..................................................................................................... 133 

7.4.4  Calcium hydroxide content ...................................................................... 134 

7.4.5  C‐S‐H phases transformation ................................................................... 135 

7.5  Discussion ............................................................................................................. 136 

8.  Applying the optimized concrete in hot water tank ................................................. 143 

8.1  Introduction ......................................................................................................... 143 

8.2  Concrete mixture ................................................................................................. 143 

8.3  Concrete tank model ............................................................................................ 145 

8.4  First experiment ................................................................................................... 145 

8.5  Second experiment .............................................................................................. 147 

8.6  Future work .......................................................................................................... 149 

9.  Conclusions and recommendations ......................................................................... 151 

9.1  Conclusion ............................................................................................................ 151 

9.2  Recommendations ............................................................................................... 154 

10. References .............................................................................................................. 157 

11. Appendices ............................................................................................................. 171 

 

 

 

Page 14: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Table of contents     xiv 

 

 

 

Page 15: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Notations and Symbols    xv 

 

Notations and symbols 

Roman 

a  horizontal axis of the ellipse in the Ideal Fuller curve  

aij  loosening effect exerted by the particles  in size class  j on the packing density of the 

particles in size class i 

A  cross section area of the concrete sample (cm2) 

b    vertical axis of the ellipse in the Ideal Fuller curve 

bij      wall effect exerted by the particles in class j on the packing of the particles in class i  

co  chloride concentration of the potassium hydroxide solution (mol.l‐1) 

cd  chloride concentration at which the colour changes, cd = 0.07 (mol.l‐1) 

Cp  specific heat of water (J/kg.K) 

d  diameter of the current sieve (mm)  

di  diameter of dominant size class i

dj  diameter of particle class j 

dmin  minimum particle size 

ds  diameter of concrete sample (mm) 

D  maximum aggregate size (mm) 

Dcl  migration coefficient of chloride (m2/s) 

erf ‐1  inverse error function 

Ec  modulus of elasticity (MPa) 

fc  compressive strength of concrete (MPa) 

fcm  average compressive strength (MPa) 

ft  splitting tensile strength (MPa) 

Ft  splitting force (KN) 

F  Faraday constant, F = 9.649 x 104 (Joule./Volt.mol) 

h  height of the concrete sample (cm) 

Kair  air permeability coefficient (cm2)  

K  compaction index 

K absorption     water absorption coefficient (kg/m2 hr0.5) 

L  specimen length in mm 

mdry  mass of the dried sampled 

msat       mass of saturated sample 

msub                    mass of sample under water 

M              mass of the storing material (kg) 

Mc      mass of concrete sample (kg) 

Page 16: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Notations and Symbols    xvi 

 

Mp  mass of the powder (kg) 

Mw  mass of water (kg) 

n  number of size classes in a mixture 

pm            applied pressure in mercury intrusion porosimetry test (bar)  

P  applied pressure in air permeability test (N/cm2) 

P              total per cent passing through a sieve (%) 

q  gradation ratio (distribution factor)  

Q              amount of stored heat (Joule) 

r  radius of the intruded pore in mercury intrusion porosimetry test (nm) 

rj  volume fraction of size class j 

R  gas constant, R = 8.315 Joule/(K.mol) 

t  duration of the chloride diffusion test (s) 

T  absolute mean temperature of the solutions during the chloride diffusion test (K) 

tf  the testing period of water absorption (hours) 

ta  passing time of the air in air permeability test (seconds) 

U  absolute potential difference in chloride diffusion test (V) 

V   the volume of concrete sample (m3) 

Vf  flow volume (cm3) 

xo     the horizontal value of x axis between D/10 to D (mm) 

x1  value  where  ellipse  and  the  straight  line  are  intersected,  equals  one‐tenth  the 

maximum size 

xd:  mean penetration depth of the chloride ions in each half of the test specimen (m) 

y1  vertical value at x1 

z  valency, for chloride ions, z= 1 

Greek

αj    actual packing density of each concrete components 

αt  calculated packing density of the mixture 

i  virtual packing of size class i 

j  virtual packing density of size class j 

ti  calculated virtual packing density of a mixture when size class i is dominant 

γc  density of hardened concrete (k/m3) 

γ  surface tension of mercury (N/m)  

ε  total porosity measured with helium pycnometry (%) 

εo  free water porosity (%) 

η  dynamic viscosity of air in (N.s/cm2) 

θ     contact angle between mercury and the pore walls (degrees) 

Page 17: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Notations and Symbols    xvii 

 

ρ  powder density (kg/m3) 

ρb  bulk density, calculated by dividing the sample dry mass by the volume (kg/m3)  

ρs  specific density, determined by using helium pycnometer  (kg/m3) 

σ  splitting tensile strength (MPa) 

 

 

Abbreviations

αC2SH      Alpha dicalcium silicate hydrates 

C2S  Dicalcium silicates 

C3S  Tricalcium silicates 

C‐S‐H  Calcium silicate hydrate gel 

C/S        Calcium/silicon ratio 

CH               Calcium hydroxide 

CIPM            Compaction‐interaction packing model 

CPM           Compressible packing model 

CSP          Concentrating solar power 

EDX  Energy dispersive x‐ray spectroscopy 

FA                Fly ash 

GGBS           Ground granulated blast furnace slag 

HPC              High performance concrete 

HSC      High strength concrete 

ITZ             Interfacial transition zone 

LPM            Linear packing model 

M10             Fine fly ash with specific surface area of 6400 cm2/g 

M20            Fine fly ash with specific surface area of 6000 cm2/g 

MIP    Mercury intrusion porosimetry 

NSC       Normal strength concrete 

OPC              Ordinary Portland cement 

P.D     Packing density of each materials 

PCE      Polycarboxylate‐based superplasticizer 

QP       Quartz powder 

QS              Quartz sand 

SEM  Scanning electron microscopy 

SF              Silica fume 

SP         Superplasticizer 

TGA  Thermogravimetric analysis 

UHPC           Ultra high performance concrete 

w/b              Water/binder ratio 

w/c              Water/cement ratio 

Page 18: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Notations and Symbols    xviii 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

Page 19: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction    1 

 

1. Introduction

1.1 General

Nowadays, the rapid growths of population along with the quick developments in all fields lead to a 

significant  increase  in  the  energy  demand. Nevertheless,  fossil  fuels which  are  the main  energy 

resource are limited and subjected to depletion in the next few decades. In addition to the expected 

depletion  in  the  near  future,  their  use  has  a  harmful  impact  on  the  environment.  They  are 

responsible for the climate changes and environmental pollution; more than 95 % of CO2 emission is 

produced  by  fossil  fuel  combustion  [IEA,  2012].  To  cope with  these  challenging  conditions,  it  is 

imperative to develop new energy resources or to enhance the efficiency of the existing resources. 

Renewable energy provides an optimum solution for these problems. However,  its contribution  in 

the world energy consumption is very limited (< 1 %). Solar energy can be considered as one of the 

most  promising  alternative  energy  resource  options  because  it  is  abundant,  clean,  safe  and 

available.  The  solar  energy  flow  arrived  to  the  earth  equals  about  6000  times  the  global  energy 

consumption  [GCEP,  2006].  Nevertheless,  the  use  of  this  energy  is  still  small  compared  to  the 

potential  of  this  resource. Unreliability  is  the major  problem  hinders  the  excessive  use  of  solar 

energy. In addition,   solar technologies suffer some drawbacks that make them poorly competitive 

in the energy market such as high cost, low efficiency and intermittency [Medrano, 2010]. The solar 

energy supply  is variable during the day and zero at night. On the other hand, the energy demand 

also  is  irregular. So,  the energy supply and energy demand,  in general, do not match each other. 

Therefore, a considerable amount of the produced energy should be stored during the day to cover 

the demand at night or from summer to winter times. Solar radiation cannot be stored as such.  It 

should be transformed into a suitable energy type to be stored. The conversion into thermal energy 

is the easiest and the most used method. Solar thermal energy can be stored for long time such as 

seasonal energy storage where  the stored energy  is used only  for hot water supply and domestic 

heating. Hot water  storage  tank  is  considered  one  of  the  best  technologies  for  seasonal  energy 

storage  because  of  the  high  specific  heat  of water  and  the  high  capacity  rate  of  charging  and 

discharging. Most of  these  storage  tanks are built of prestressed  concrete with  internal  lining  to 

prevent the water  leakage. The economic studies  indicated that the costs of  liner represent about 

20 % of the total cost of the projects. Recently in Hanover, a concrete tank has been built of dense 

high performance concrete without internal lining to store solar energy at temperature up to 95 °C. 

However,  to make  a  practical  use  of  the  stored  energy  such  as  industrial  processes  and  steam 

generation, the storing temperature must be  increased above 100 °C such as  in the case of steam 

accumulator.  In PS 10 project,  in Spain, steam accumulators have been used  to store solar  thermal 

energy at temperature up to 250 °C and pressure of 40 bars [Solucar, 2006]. Nevertheless, the stored 

energy  covers  the energy demands  for only one hour with  capacity of 50 %.  So,  improvements are 

Page 20: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction    2 

 

required  in  order  to  enhance  the  performance  and  efficiency  of  the  system,  particularly  in  the 

pressurized tank construction materials.   

 

When a concrete wall subjected to hydrothermal cycles, water and vapour try to penetrate the wall. 

The penetration rate depends mainly on the temperature and pressure of the water and vapour as 

well as on  the microstructure, durability and porosity of  concrete.  In  such aggressive  conditions, 

extremely  dense  concrete  should  be  optimized  to  ensure  high  durability  and  sustainability. One 

possibility of optimizing the mixture is the selection of concrete constituents in such a way that the 

packing  density  of  the  whole  granulometric  assemblage  is  maximized.  Proper  proportioning  of 

constituents  is  important  for concrete  in order  to achieve  the homogeneity and uniformity which 

cannot be attained without paying attention to the grading and proportions of all components.  In 

addition  to  the  importance of granulometric optimization, chemical composition of cement paste 

has a significant  influence on concrete properties. All transport processes depend primarily on the 

structure of the hydrated cement paste. During the hydration process, the size and continuity of the 

pores control the permeability of the hardening concrete. If the hydration process of cement is too 

fast,  large  amounts  of  hydration  products with  capillary  pores  are  generated  on  the  surface  of 

cement  particles  at  early  age  and  the microstructure  is  not  dense  as  desired.  In  contrast,  if  the 

hydration rate is slow, a denser microstructure is formed. The type of cementitious materials has a 

crucial  role on  concrete  properties.  Portland  cement  hydration  produces  about one‐fourth of  its 

mass of calcium hydroxide (CH), which is associated with greater permeability and lower durability. 

The use of pozzolans improves the durability through the pore refinement and the reduction in the 

CH  content.  Concrete  durability  can  be  improved  significantly  by  using  cements  containing  blast 

furnace  slag.  These  cements,  in  contrast  to  ordinary  Portland  cement  (OPC),  shows  lower 

permeability, lower hydration heat, lower effective alkali content, and lower steel corrosion. On the 

other hand, the transition zone between cement and aggregates is considered the weakest link in 

concrete under mechanical action and it is also the locus of micro‐cracking. It plays a critical role 

in controlling  the bulk transport properties. The  incorporation of mineral admixture significantly 

enhances  the  transition  zone  properties  from  several  aspects  depending  on  its  reactivity  and 

particle size.  

 

When exposed to elevated temperature, concrete chemical and physical characteristics are severely 

changed, which  affect  its overall performance.  The most  important  influences  are  the  significant 

increase  of  porosity,  moisture  content  alteration,  pore  pressure  change,  compressive  strength 

retrogression (strength loss) and thermal cracking. Concrete elements can be implemented in many 

applications in which different types of heat exposure can be expected. It can subject to pure heat as 

in the case of fire or to hydrothermal conditions where it subjected to both heat and saturated vapour 

Page 21: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction    3 

 

pressure.  The  behaviour  of  concrete  under  hydrothermal  conditions  (autoclaving)  is  complex 

because  it  exposed  to  repeated  cycles  of  heating  and  cooling  as  well  as  repeated  cycles  of 

vaporization and condensation  (autoclaving cycles). The chemistry of autoclaving  is differing  from 

that at normal conditions or at heat only and it depends mainly on the chemical composition of the 

bulk mixture. The dominant process on pure heat exposure of concrete is the loss of various forms 

of water (free, adsorbed and chemically bound). However, the dominant process in the autoclaving 

process is hydrothermal chemical reactions and phases transformation which may result in stronger 

or weaker products depending on the C/S ratio of the bulk [Khoury, 2000]. When C‐S‐H gel of OPC is 

subjected to autoclaving with temperature higher than 110 °C in the absence of reactive silica, it is 

quickly converted to lime‐rich phases with high crystallinity [Hewlett, 2003; Mindess, 2003]. Phases 

such as αC2SH, hillebrandite and ‐tricalcium silicate are the most stable phases in the system with 

high  lime  content.  The  lime‐rich  phases  formation  is  accompanied  by  an  increase  in  the  density 

which causes shrinkage of the solid products and therefore the porosity increases and the strength 

is markedly  decreased.  The  loss  of  strength  due  to  elevated  temperature  exposure  is  commonly 

known as strength retrogression. With sufficient addition of silica, pozzolanic reaction is accelerated, 

portlandite is consumed, C/S is considerably reduced and the formation of lime‐rich C‐S‐H phases is 

prevented  [Nelson,  1990;  Glasser,  2003].  Instead,  numerous  silica‐rich  phases  such  as  gyrolite, 

xonotlite and 1.1 nm tobermorite are formed, which lead to high strength and low permeability.  

1.2 Research Objectives

Worldwide, several hot water concrete tanks have been constructed to store solar thermal energy. 

Most  of  these  tanks  use  an  internal  lining  to  ensure  leak‐tightness.  The working  temperature  is 

limited  below  the  boiling  point  of water  on most  tanks. However,  for  efficient  energy  usage  in 

industrial applications using  steam generation,  the  storing  temperature must be  increased above 

100 °C while water and steam become pressurized. The main objective of this project is to study the 

possibility of optimizing a concrete mixture to be used  in a hot water concrete tank to store solar 

generated energy at a temperature of 200 °C and a pressure of 15.5 bars without internal lining. In 

the targeted tank, the leakage of water and vapour is prevented by implementing a very dense high 

performance concrete. The optimized concrete should exhibited high efficiency and stability after 

exposing to various autoclaving cycles. An  important subject in this respect  is the stability of C‐S‐H 

phases  after  hydrothermal  exposure with  several  cycles. Many  factors  influence  the  behavior  of 

concrete  under  these  hydrothermal  conditions.  Regarding  transport  properties  through  the 

optimized  concrete,  the mineralogical  properties  of  concrete  constituents  are  of more  concern. 

However, chemical composition of the concrete mixture is considered the basic parameter with high 

impact on the stability of C‐S‐H phases.     

Page 22: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction    4 

 

1.3 Research strategy

In order to achieve the objectives of this investigation, the experimental work is divided into three 

main parts. In the first part, a high density concrete mixture has been optimized in order to prevent 

the  leakage  of  gases  and  liquids  through  concrete  and  to  ensure  high  sustainability  under 

hydrothermal conditions. Increasing the packing density is considered an excellent strategy to get an 

optimized concrete mix. In this concern, the Ideal grading curve according to Fuller has been used to 

achieve  the maximum  packing  density  of  the  solid materials  and  to  reduce  the  required  binder 

content.  In  addition,  various  cementitious materials were  examined  to  select  the most  suitable 

mixture with high resistance to hydrothermal attack. Furthermore, siliceous fillers have been added 

to close the gaps between aggregate and fine materials on one hand and to enhance the stability of 

C‐S‐H  phases  under  hydrothermal  conditions  on  the  other  hand. Moreover,  Rene  LCPC  program 

based  on  compressible  packing  model  has  been  used  to  compare  the  effect  of  grading  and 

proportions of concrete components on the packing density of the mixture. The second part of this 

investigation focuses on the effect of autoclaving with 200 °C and 15.5 bars on concrete properties. 

Mechanical properties  including compressive strength, tensile strength and rebound number have 

been  measured  at  normal  conditions  and  after  autoclaving  with  numerous  cycles.  In  addition, 

concrete porosity  is measured before and after autoclaving  for several cycles. Regarding concrete 

durability,  the  main  three  mechanisms  of  ingress  of  gases  and  liquids  through  concrete; 

permeability, absorption and diffusion, have been measured before and after autoclaving for several 

cycles.  In  the  third  part,  10  different  cement  pastes  have  been  prepared  and  tested  in  order  to 

deeply understand  the effect of hydrothermal  conditions on  characteristics and  stability of C‐S‐H 

phases. In this concern, EDX, TGA and SEM measurements have been used to study the changes in 

pastes  morphology  and  properties  due  to  autoclaving  for  50  cycles.  In  addition,  compressive 

strength and porosity after hydrothermal treatment have been determined.    

1.4 Outline

The  research  work  presented  in  this  investigation  covers  several  fields,  actually  different  but 

nevertheless closely related to the topic of this thesis. Two main topics represent the main body of 

this thesis. First, optimization of dense concrete mixture (Chapter 3, 4 and 5), second; studying the 

behaviour  of  cement  based materials  after  hydrothermal  exposure  (Chapter  6  and  7).  This  PhD 

thesis consists of 9 Chapters, and its structure is given in Figure 1.1. 

In  the  first  chapter  (Introduction), basic  facts are given on  solar energy, optimization of  concrete 

mixture  and  behavior  of  concrete  under  hydrothermal  treatment,  on  the  objectives  of  this 

investigation and on research methodology.   

Chapter  2  is  a  literature  survey  and  divided  into  three main  parts.  In  the  first  part,  a  literature 

overview on solar energy  technologies  is given.  In  this part, a description of different methods of 

Page 23: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction    5 

 

concentrating solar energy is introduced. This part also presented the modern technologies of solar 

energy storage techniques either for seasonal terms for domestic heating and hot water supply or 

for short  terms  for electricity and power generation. The second part of  this chapter presented a 

general  historical  background  of  the  dense  packing.  In  addition,  some  important  formulas  of 

particles grading which assumed  to achieve  the maximum packing density are presented. Several 

packing models to predict the packing density of concrete mixtures are also given. The  last part of 

this chapter points out  the  influence of elevated temperature on concrete properties.  In addition, 

the  effect  of  hydrothermal  treatment  on  concrete  characteristics  and  stability  of  different  C‐S‐H 

phases are also discussed.  

Chapter 3 describes the properties of the used materials and test methods. Chemical properties of 

the used materials as received from the manufactures are given in this chapter. Physical properties 

of  aggregates  and  cementitious  materials  which  have  been  determined  in  the  laboratory  are 

introduced.  In addition, particle size distribution of all materials measured either by sieve analysis 

(aggregate) or by laser granulometry is given. In addition, a description of the experimental tests is 

given.  In  this  concern, measurement  procedures  of  properties  of  fresh  and  hardened  concrete 

according to the standards are demonstrated.  

Chapter 4 focuses on optimizing a high density concrete mixture. The mixture optimization is based 

on  three  fundamental mechanisms: enhancing  the packing density of  solid particles, designing of 

dense cement matrix, and densifying the  interfacial transition zone. Enhancing the packing density 

of solid particles is ensured by applying the Ideal Fuller curve for proportioning aggregates and fines. 

However, the designing of dense cement matrix and enhancing the properties of transition zone are 

achieved by incorporation of several fine materials and by adjusting the water/binder ratio. Twenty 

three mixes were prepared and  tested. At  the end of  this  chapter  the  results of packing density 

measurement and properties of fresh concrete are given. 

Chapter  5  contains  the  results  and  discussions  of  the  experimental  investigations.  These 

experiments are conducted  to evaluate the mechanical properties and durability of  the optimized 

mixes.  Mechanical  properties  including  compressive  strength,  tensile  strength  and  modulus  of 

elasticity are measured. However for durability, permeability, capillary suction and chloride diffusion 

are determined. In addition, the results of porosity measured with three different mediums; water, 

helium and mercury are presented. At  the end,  relationships between mechanical properties and 

durability with porosity are drawn in order to declare the effect of porosity on concrete properties.     

In  chapter  6  the  results  of  the  effect  of  hydrothermal  conditions  on  concrete  properties  are 

presented. The experiments aim to highlight the effect of autoclaving with 200 °C and 15.5 bars for 

various cycles on the mechanical properties and durability of concrete. These results demonstrate 

the  suitability  and  sustainability  of  concrete mixtures  to  be  used  in  the  targeted  conditions.  In 

addition to durability and mechanical properties, a comparison between concrete porosity and pore 

Page 24: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction    6 

 

size distribution before and after autoclaving with 50 cycles are provided by using mercury intrusion 

porosimetry.  

In chapter 7, the experimental test results of 10 different cement pastes are given. The aim of this 

experimental part  is  to  study  the  stability and  characteristics of C‐S‐H phases after hydrothermal 

exposure. Strength retrogression and permeability  increase due to phase’s transformation are the 

main focus of this chapter. Therefore, compressive strength and porosity tests of different cement 

pastes  are  performed.  In  addition,  in  order  to  deeply  understand  the  effect  of  hydrothermal 

treatment  on  the  stability  and  transformation  of  different  C‐S‐H  phases  SEM,  EDX,  TGA 

measurements have been implemented.  

Chapter 8 presents  the  results of  the preliminary experiments of hot water  concrete  tank model 

made of the optimized concrete to store hot water and vapor at temperature above 100 °C. 

Chapter 9 summarizes the achievements and final conclusions of this study. Based on the results of 

this research project, recommendations and ideas for future research are also provided.      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 25: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction 7

Figure 1.1: Outline of the thesis

General

Concrete mixture

optimization

Effect of hydrothermal

conditions of cement

based materials

Chapter 4: Optimizing a high dense concrete mixture

Chapter 5: Results and discussion of the optimized

concrete properties

Chapter 1: Introduction

Chapter 2: Literature review

Chapter 3: Materials and Methods

Chapter 6: Effect of hydrothermal conditions on the

properties of densely packed concrete

Chapter 7: Studying the influence of autoclaving on

the properties of cement paste

Chapter 8: Applying the optimized concrete in

hot water concrete

Chapter 9: Conclusions and recommendations

Applications

Page 26: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Introduction    8 

 

 

 

 

 

Page 27: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    9 

 

2. Literature review

2.1 General

This  chapter  gives  a  literature  survey  on  three  different  main  themes  which  are  required  as 

foundations of this research work. The first part of this chapter, solar energy storage, discusses the 

new technologies in solar energy applications. It points out the different methods of concentrating 

sun radiation. In addition, it refers to various storing systems using hot water and steam as working 

medium, either with low temperature (< 100 °C) or with high temperature (> 100 °C). In the second 

part  of  this  chapter,  a  historical  background  about  packing  density  is  presented.  It  includes  a 

demonstration  of  the  ideal  grading  curves  and  formulas  which  can  be  applied  to  achieve  the 

maximum  dense  packing  of  concrete  mixtures.  Moreover,  it  introduces  some  packing  density 

models which can be used to predict the maximum packing density of any concrete mixture. In the 

last part, the effect of high temperature exposure on concrete mechanical properties and durability 

is discussed. In this section, three topics are of main interest: effect of pure heat, explosive spalling 

and hydrothermal conditions up to 200 °C. At the end of this part, a  literature review about C‐S‐H 

phases and their stability and properties after hydrothermal exposure are given.  

2.2 Solar energy

2.2.1 Introduction

Fast worldwide,  economic  development  leads  to  a  quickly  increase  in  energy  demand.  In  recent 

years, many attentions have been paid to renewable energy because of the environmental harmful 

effects of the conventional energy resources  in addition to the expected depletion of them  in the 

next  few decades. Nevertheless,  the contribution of  the  renewable  resources  in  the world energy 

consumption is very limited (< 1 %) as it is obvious in Figure  2.1. Solar energy can be considered as 

one of the most promising alternative energy resource options because  it  is abundant, clean, safe 

and  available.  The  sun  energy  potential  is  the  greatest  energy  resource  on  the  earth  and by  far 

exceeds those of other renewable energy sources [Philibert, 2011]. The solar energy flow arrived to 

the  earth  equals  about  6000  times  the  current  total  global  energy  consumption  [GCEP,  2006]. 

Despite the high abundance of solar energy,  its use  is still small compared to the potential of this 

resource. Solar technologies suffer from some drawbacks that make them poorly competitive in the 

energy market such as high cost,  low efficiency and  intermittency [Medrano, 2010]. Unreliability  is 

the major problem hinders  the excessive use of  solar energy. From a  scientific and  technological 

viewpoint,  the great  challenge  is  to  find a new  solution  for  solar energy  systems  to become  less 

intermittent, more efficient and reliable.  

Page 28: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

Figure 2According

Figure 2

linear fre[Trieb, 20

re review 

2.1: World eg to Internation

2.2: Techno

esnel, d) pa05]

energy suppnal Energy Age

logies for co

arabolic dish

Natu21

Othergeothermsolar, wietc.. 0.9

Hydro 2.

Bw

ly ency [IEA, 201

oncentrating

h

ural gas 1.4 %

: mal, nd,  %

3 %

Biofuels and wastes 10 %

 

12]

g solar radia

Nu

a

c

ation: a) par

uclear 5.7 %

rabolic troug

Oil 3

Coal 27.3 

ghs, b) sola

32.4 %

3 %

b

d

10

 

 

ar tower, c)

 

Page 29: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    11 

 

2.2.2 Concentration of solar power (CSP)

Concentrating solar thermal power provides a possibility for using sun energy to generate electricity 

with producing very low levels of greenhouse gas [IEA, 2010]. Thus, it has strong benefits to be the 

new technology for mitigating global warming. It  is a power generation technology by using lenses 

or mirrors  to  concentrate  a  large  area  of  sun  rays  onto  a  small  area,  either  point  or  line. Most 

systems use glass mirrors with flat or curved surfaces because of their high reactivity [Trieb, 2009]. 

The concentrated heat is absorbed on the receiver which is designed to reduce the heat losses. The 

collected energy  is used to heat a fluid flowing through the receiver and to produce a steam with 

high pressure [IRENA, 2012]. The produced steam drives a turbine and generates energy as  in the 

traditional power plants. The heat transfer fluids could be air, water, oil or molten salt [Trieb, 2005]. 

There are four main technologies for concentrating solar rays: parabolic trough, solar tower, linear 

fresnel and parabolic dish as shown in Figure  2.2.  

2.2.3 Solar Energy storage

Although the solar energy is abundant, clean and safe, the supply of this energy is intermittent and 

irregular. The solar energy supply  is variable during the day and zero at night. On the other hand, 

the energy demand  is also  irregular. So, the energy supply and energy demand,  in general, do not 

match  each  other.  Therefore,  a  considerable  amount  of  the  produced  energy  should  be  stored 

during  the  day  to  cover  the  demand  at  night.  The  thermal  energy  storage  is  essential  for  solar 

energy system in order to enhance the reliability, efficiency and competitiveness of this system. The 

need for solar energy storage could be linked to the following causes:  

1. To adjust the mismatch between energy supply and demand. 

2. To provide a continuous and reliable energy source. 

3. To reduce the greenhouse gas emission by substituting fossil fuels with clean energy. 

4. To compensate the times of fluctuation in solar energy systems. 

5. To serve as a reservoir to store the excess energy (buffering) when the energy supply higher 

than energy demand. 

Solar radiation cannot be stored as such; it should be transformed into a suitable energy type to be 

stored.  The  conversion  into  thermal  energy  is  the  easiest  and  the most  used method.  Thermal 

energy storage  is one of the advantages of concentration of solar power (CSP) compared to other 

renewable energy technologies such as photovoltaic or wind [Trieb, 2009]. Many parameters affect 

the  storage  system  efficiency  such  as maximum  working  temperature  and  specific  heat  of  the 

storing material, storage capacity, chemical and mechanical stability, compatibility between storing 

material and transfer fluid, thermal losses and ease of control [GCEP, 2006]. Mainly, there are three 

methods for thermal energy storage: sensible heat, phases change materials and chemical reactions. 

Page 30: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    12 

 

2.2.4 Some applications of sensible heat storage systems

In sensible heat storage method, the storage is based on increasing or reducing the temperature of 

the material without changing its phase during the process. The storage capacity depends upon the 

heat  capacity of  the medium and  the  temperature  increase. Other parameters are  significant  for 

sensible heat storage such as diffusivity, working  temperature, thermal conductivity and heat  loss 

per unit volume. A sensible heating system consists mainly of the container, inlet/outlet device and 

storage medium [GCEP, 2006]. The container (tank) should be able to resist the loads, temperature 

differences and also to prevent thermal losses. Several materials could be used as storage medium 

such as solids (rocks, concrete…) or liquid (water, oil…). Because of its very low heat capacity, gases 

cannot be used for cold or hot storage [Paksoy, 2007]. Sensible heat technology is cheap compared 

to other mechanisms, but the energy density is low. The stored energy can be calculated according 

to the following formula:  

Q= M.Cp. T (1.1)

Where Q is the amount of stored heat (J), M is the mass of the storing material (kg), Cp is the specific 

heat (J/kg.K) and T is the temperature range of operation (K). 

2.2.4.1 Central seasonal heat storage

Domestic water  heating  represents  about  30 %  of  the  total  energy  consumed  by  buildings  [IEA, 

2010]. The primary function of this system is the use of solar collector to capture the sun rays and 

transfer it directly to heat. The heat is transferred from the collectors by using thermal transfer fluid, 

which carries  the heat  for direct use or to heat storage  (sensible heat storage medium). The heat 

storage  is  charged  when  the  solar  collectors  gather  solar  heat more  than  the  required  by  the 

network. During the summer, charging takes place, whereas in the winter the stored energy is used 

for domestic hot water and space heating.  In addition, a heat pump  is  integrated  in the system  in 

order to achieve high efficiency [Schmidt, 2006]. The long term (seasonal) heat storage can provide 

heat up  to about 70 % of  the annual heating demand  [Novo, 2010].  In all  types of  seasonal heat 

storage, the maximum temperature is limited below 100 °C. Four main technologies are developed 

and used for storing solar thermal energy as can be seen in Figure  2.3.  

  Aquifer thermal energy storage.                Borehole thermal energy storage. 

  Pit storage.                                                     Hot water tank 

Page 31: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

Figure 2

solar the[Schmidt,

2.2.4.2

Hot  wat

because

addition

The  tan

preferab

ranging f

material

Several 

relatively

order to

water  a

construc

Combi, 2

total  co

concrete

insulatio

such as 

Combi, 2

still  high

Therefor

re review 

2.3: Central

ermal energ2006]

Hot water

ter  storage 

 of the high 

,  it can be b

k  could  be 

ble  in  order

from about 

s can be use

tanks have 

y  high  perm

o prevent th

nd  vapor  v

ction costs, a

2008]. For e

sts.  In  2000

e  without  in

on from all s

expanded g

2008]. So fa

h  and  the  s

re,  improve

solar heatin

gy for domes

r tank

tank  is  con

specific hea

built at any 

undergrou

r  to  reduce

95 to 50 °C,

ed to constr

been built o

meability  of 

e water  lea

ia  concrete

around one‐

example,  in 

0,  hot wate

nternal  line

sides  is esse

glass, Polyur

r, heat stora

storing  tem

ments  are 

ng plant wit

stic heating

nsidered  on

at of water a

conditions 

nd,  partially

  the  losses

, which mak

uct the tank

of  reinforce

normal  con

kage. The  li

.  However, 

‐fifth to one‐

Munich pro

r  storage  ta

r  to  reduce

ntial  in orde

ethane or m

age tanks sh

mperature  is

required  in 

 

 

th seasonal

(right)

e  of  the  be

and the high

independen

y  submerge

.  During  ch

ke additiona

k like steel, f

ed  concrete 

ncrete,  stain

ner reduces

the  costs  o

‐fourth of th

oject  (Figure 

ank  has  bee

e  the  costs 

er to preven

mineral woo

howed very 

s  low  (up  t

several  dire

storage (le

est  technolo

h capacity ra

ntly on  the g

ed  or  at  th

harging  and 

l loads on th

fiberglass or 

as  can be  s

nless  steel  l

s the heat  lo

of  lining  rep

he total cost

 2.4)  the  lin

en  construc

[Jooß,  200

nt thermal  lo

l could be u

good perfo

o  95  °C)  w

ections,  esp

eft), and diff

ogies  for  st

ate of chargi

geological st

e  surface. 

discharging

he construct

pre‐stresse

seen  in Tabl

liner  is  usua

osses caused

present  a  s

s of the proj

ner costs we

cted  in  Hano

01].  On  the 

osses. Outsi

used as a th

ormance. Ho

which  limits 

pecially  in  co

ferent types

toring  therm

ing and disc

tatus  [Schm

The  circula

g,  the  temp

tion materia

d reinforced

le 2.1. Beca

ally  internal

d by transpo

significant  p

ject [Jooß, 2

ere about 20

over with  h

other  hand

de the tank

ermal  insula

owever, tota

the  storing

onstruction 

13

s of storing

mal  energy 

harging. In 

midt, 2004]. 

r  shape  is 

perature  is 

als. Various 

d concrete. 

use of  the 

ly  fixed  in 

ortation of 

part  of  the 

2001; High‐

0 % of  the 

high  dense 

d,  thermal 

, materials 

ator [High‐

al costs are 

g  capacity. 

materials; 

Page 32: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

optimiza

stability 

only the 

Figure  2[Yu, 2013

Table 2.

Project

Friedri

Hambu

Hanov

Munic

According

2.2.4.3

Thermal

solar en

re review 

ation of mat

of the used 

storing mat

2.4: Sequenc3]

.1: List of so

ichshafen 

urg   

ver  

g to [Mangold,

Steam acc

 energy stor

ergy  system

terials with 

materials is

terials, but a

ce of the con

ome therma

Type of sto

Concrete t

Concrete t

Concrete t

Concrete with stainle

2007; High-C

cumulator

rage is the k

m  for  indust

low moistu

s very impor

also the cons

nstruction wo

al energy sto

orage 

ank with stai

ank with stai

ank without 

tank  of  preess steel  line

Combi, 2008]

key issue in 

rial applicat

 

ure  leakage 

tant in orde

struction ma

orks of therm

orages mad

inless steel li

inless steel li

liner 

efabricated er 

order to ac

tions and po

is essential 

r to achieve

aterials of th

mal energy s

e of concre

V

iner 

iner 

sections 

hieve effect

ower  genera

[Bauer,  201

e high reliabi

he container 

storage tank

ete in Germa

Volume 

(m3) 

12000 

4500 

2750 

5700 

tive and eco

ation. With 

10].  Further

ility and effic

[IEA, 2012].

k in Munich,

any

Temperature

(°C) 

95 

95 

95 

95 

onomically co

efficient  so

14

rmore,  the 

ciency, not 

.  

 

2006

e Year 

1996 

1996 

2000 

2007 

ompetitive 

olar energy 

Page 33: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

storage, 

hours  d

represen

save  sol

applicati

manufac

Figure 2[Libby, 20

The mai

high tem

basically

capacity

sensible 

directly 

transfer 

is  in the

[Steinma

50  ‐ 90 

steam ac

and  resi

term  sto

modern 

re review 

it  is possibl

uring  the  p

nts one of th

lar  thermal 

ions  such  as

cturing, text

2.5: Displace009]

n  idea of  st

mperature (f

y on the tem

y of the store

heat  [Tamm

in the solar 

fluid and he

e range of 20

ann, 2006; T

% of  the  to

ccumulator 

stant  to hyd

orage  for  p

industry as 

le to provide

peak  of  dem

he state of t

energy  at 

s  food  proc

ile industry, 

ement and e

team accum

from CSP) w

mperature d

ed water [T

me, 2008]. T

field and to

eat exchang

0‐30 kWh/m

Tamme, 2008

otal volume 

is the high c

dro‐mechan

ower  gener

well as in p

e energy su

mand  at  nig

the art techn

temperatur

cessing,  som

etc...  

extension o

mulator  is ch

hich can hea

ifferences b

Trieb, 2009]. 

The advanta

o use it as st

er) [Medran

m3 dependin

8; Tamme, 2

of  the vess

costs of the 

nical  loads. T

ration.  Steam

ower genera

 

pply deliver

ght  as  can 

nologies for 

re  up  to  30

me  construct

of power pro

harging  the 

at up the co

between cha

Energy  is st

ages of this 

torage medi

no, 2010]. Th

ng on the pr

2010]. Usual

el. One of  t

pressurized

Therefore,  it

m  accumula

ation. In 200

ry at all time

be  seen  in

direct stora

00  °C,  which

tion materia

oduction usin

storage  tan

ontained wat

arging and d

tored  in the

system are 

a as well as

he volumetr

ressure drop

ly, the hot p

the main pro

d tank [IEA, 2

t  is used on

ator  has  be

06, PS 10 pr

es or at  leas

n  Figure  2.5

age of the ge

h  is  suitable

als  productio

ng thermal e

k by conden

ter. The stor

discharging a

e pressurized

the possibil

 heat transf

ric specific th

p during cha

pressurized w

oblems  that

2010] becau

nly  for buffe

en  used  in 

oject in Spa

st to shift  it 

5.  Steam  ac

enerated ste

e  for  many

on,  paper  a

 

energy stor

nsation of  s

rage capacit

as well as o

d water  in th

lity to gener

fer (eliminat

hermal ener

arging and d

water occup

t  limits  the 

use it should

er  storage o

some  appl

in was in reg

15

couples of 

ccumulator 

eam. It can 

y  industrial 

and  rubber 

rage

steam with 

ty depends 

n the heat 

he form of 

rate steam 

te the heat 

rgy density 

discharging 

ies around 

use of  the 

d be stable 

r  for  short 

ications  in 

gular work 

Page 34: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

for prod

total cos

energy  a

compose

sufficien

achieve 

on other

containm

Figure 2

PS10, c[Laing, 20

Figure 2[Laing, 20

re review 

ucing electr

sts of 35 Mil

at  temperat

ed of  four  t

nt  to  operat

optimal sola

r component

ment [Libby, 

2.6: Schema

concentratin008; Tamme, 2

2.7: Storage008; Trieb, 200

icity. It appl

lion Euros [S

ture  of  250

tanks  (Figure

te  the  turbi

ar energy st

ts of the syst

2009; Tamm

atic diagram

g solar pow2010]

e of sensible09]

ied steam ac

Solucar, 200

0  °C  and  pr

e  2.7), whic

nes  for  aro

orage system

tem such as 

me, 2010].  

m for steam

wer station

  

e heat in pre

 

ccumulator 

06]. In this pr

ressure  up  t

ch are disch

und  one  ho

m, focus sho

the heat ex

 

m accumulat

essurized liq

with therma

roject, the a

to  40  bars 

harged  in  se

our with  a  5

ould be not 

xchanger, cha

tor with abo

quid water in

al power cap

ccumulator 

(Figure  2.6

quence and

50 %  load. 

only on stor

arging and d

out one hou

 

n PS10

pacity of 10 

was designe

).  The  stori

d  the  stored

However,  in

rage medium

discharging d

ur storage c

16

MWh with 

ed to store 

ng  system 

d energy  is 

n  order  to 

ms but also 

devices and 

 

capacity of

 

Page 35: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    17 

 

2.3 Packing density as a key for concrete mix design

2.3.1 Introduction

In recent years, progress in science and technology in the field of construction materials and usage 

of new materials have resulted  in the use of reinforced concrete  in special structures, which need 

high  durability  and  high  resistance  to  chemical  attack  such  as  cooling  towers  of  power  plants, 

sewage systems, nuclear power containments, etc… In these aggressive conditions, the transport of 

contaminants  through  concrete  is  of more  concerns. Movement  of  fluids  and  gases  in  concrete 

occurs  through  the network of  continuous pores, which exist  in  cement matrix as well  as  in  the 

interfacial  region  with  the  aggregate.  Concrete  is  a  heterogeneous  material  with  complex 

microstructure  consists  mainly  of  several  components  and  phases  with  various  properties. 

Aggregate occupies between 60 ‐ 80 % of the total volume of concrete [Rached, 2009]. It represents 

the main  body  of  concrete.  Therefore,  proper  selection  of  aggregate  type  and  content  directly 

influence the main properties of concrete. On the other hand, cement paste takes around 15 ‐ 30 % 

of the whole volume. It fills the voids between the aggregate, binds them together and renders the 

fluidity of fresh concrete. Although increasing cement paste has a positive influence on the properties 

of fresh concrete, it has some negative effects on the hardened state, especially in the early ages. It is 

responsible for some of the problems in concrete such as shrinkage and hydration heat in addition to 

high porosity.  

Optimization  of  a  concrete mixture  is most  important  and  complicated  as  there  are  a  variety of 

variables  influencing  the  results.  One  possibility  of  optimizing  the  mixture  is  the  selection  of 

concrete constituents in such a way that the packing density of the whole granulometric assemblage 

is maximized.  Granular materials  can  be  packed  together  in  several  arrangements,  from  dense 

packing to  loose packing [Alexander, 2005]. The type of arrangement relies mainly on particle size 

distribution, particles  shape and particles  interactions.  If a high  volume of  solid materials  can be 

packed efficiently in a certain volume, then the voids in the mixture are minimized, and thereby the 

required paste to fill this void is significantly reduced. As a consequence, more paste is available to 

maintain  the  required workability and  increasing  the strength  [Grutzeck, 1993].  In addition, mixes 

with high density exhibited  lower segregation and bleeding [Quiroga, 2003]. For hardened concrete, 

the hydration heat, creep and shrinkage are significantly reduced due to minimizing cement content. 

An  additional  benefit  of maximizing  packing  density  is  to  block  and  lengthen  the  access  path  of 

contaminants into concrete.  

The packing density  can be defined as  the  ratio of  fraction volume occupied by  the  solids  to  the 

volume of the surrounding container. Goltermann defined the aggregate packing degree as the ratio 

Page 36: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

between

an  indic

particle 

from  tec

econom

The  prin

Howeve

types of

objective

ultra‐hig

2.3.2 H

The  rese

research

matter o

concrete

the  face

Recently

Howeve

arranged

[Larrard,

monosp

 

               

Figure 2[Vogt, 201

re review 

n the aggreg

ation about

shapes and 

chnical adva

ical mix bec

nciple  of  pa

r,  recently  i

f materials  c

es. Several t

gh performa

History of p

earch  to  ac

hers  for  sev

of  interest  i

e  [Andersen,

e‐centered  c

y  in  2005,  T

r,  in the pra

d single size

,  1999;  Tor

heres. 

 

2.8: Packing10]

gate bulk de

t  the particl

the compac

antages,  the

cause  it nee

acking  densi

t becomes 

can be used

types of con

nce concret

packing de

chieve  the  o

veral  centuri

n many  field

, 1993].  In 1

cubic  lattice 

Thomas Hale

actice, the p

d spheres w

rquato,  2000

g of monosp

ensity and th

es efficiency

ction method

e densest pa

eds  low amo

ty was  app

one of  the 

d  in  concret

ncrete such a

e can be des

ensity theor

optimum  p

ies,  see  e.g

ds of mater

1611, Keple

arrangeme

es  has  prov

particles are 

was found to

0;  Sobolev, 

   

pheres, cubi

 

he aggregate

y  in  success

d are the ma

acking mixtu

ount of  fine 

plied  in  conc

modern  tec

te either  for

as self‐comp

signed using

ry

acking  has 

.  [Weaire,  2

rial science s

r  reported  t

ent’’, which 

en  the  Kepl

arranged ra

o be around 

2004].  Figu

               

ical (left) an

e specific de

sive  filling o

ain factors a

ure with mi

materials  [G

crete  techn

chnologies  in

r engineerin

pacting conc

g packing de

a  long  hist

2008]  for  a 

such as pac

that  ‘‘no pac

equals 74 %

ler  conjectu

andomly. Th

0.64 depend

ure  2.8  show

d tetrahedra

ensity [Golte

of  voids. Par

ffecting the 

nimum poro

Goltermann,

ology more

n mix design

ng purposes 

crete, acid r

nsity theore

tory.  It  attr

comprehen

cked beds, c

cking of bal

%  [Larrard, 

ure mathem

he maximum

ding upon th

ws  different

al (right)

ermann, 199

rticle  size di

packing deg

osity will be

, 1997; Meh

e  than  100 

n as  there a

or  for envi

esistant con

em.   

acted  the  i

nsive  overvie

ceramics, as

ls can be de

1999;  Sobol

atically  [Ha

m packing of

he compact

t  forms  of 

 

18

97]. It gives 

istribution, 

gree. Aside 

e  the most 

hta, 2006]. 

years  ago. 

are various 

ironmental 

ncrete, and 

interest  of 

ew.  It  is  a 

phalts and 

enser  than 

lev,  2004]. 

les,  2005]. 

f randomly 

ion degree 

packing  of 

Page 37: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    19 

 

The optimum packing density of the system could be attained only if spheres with smaller sizes are 

added to the assemblage. The small size spheres can fill the voids between the  large spheres, and 

thereby the packing density is significantly  increased. In 1961, McGeary reported that  it is possible 

to achieve a packing density of 95.1 using four different sizes of spheres which have diameter ratios 

of 1, 7, 38 and 316 with  fraction volumes of 6.1, 10.2, 23 and 60.7 %  respectively. However,  the 

maximum density of infinite differences in sizes can be attained is 97.5 % [McGeary, 1961]. 

 

For concrete, the situation is more complex since the system composed of various particle sizes with 

different shapes. Effective packing can be attained by selecting a proper proportion and size of small 

particles to fill in the voids between the bigger particles. The important effects of aggregate grading 

on  the  properties of  concrete  have  been  emphasized  in  very  early  reports.  Several  early  studies 

were concentrated on solving  the problem of establishing  the  ideal grading curves  to achieve  the 

maximum packing density by combining fine and coarse aggregate. In 1892, Rene Feret studied the 

relationship  between  the  packing  of  concrete  components  and  the  properties  of  concrete 

[Newlands, 2001]. He concluded that the maximum strength can be achieved when the porosity of 

the mixture is minimal [Hüsken, 2008]. Fuller (1907) was one of the first researchers deeply studied 

the maximum density of aggregate and a mixture of aggregate and cement [Fuller, 1907]. After a lot 

of experimental works, he reported that the best grading of aggregate to get the maximum density 

is a parabolic shape. Both Feret and Fuller confirmed that concrete properties can be significantly 

improved by using continuous grading  [Hüsken, 2008].  In 1923, Talbot developed  the well‐known 

equation:  

P (2.2)

Where P is the total percent passing through a sieve, d is the diameter of the current sieve, D is the 

maximum aggregate size and q is the gradation ratio [Rached, 2009]. The maximum packing density 

can be achieved when q = 0.5, which  is  close  to  the Fuller curve  [Powers, 1968; Brouwers, 2005; 

Fennis‐Huijben, 2010], but the  resulting concrete  is harsh and unsuitable.  In 1930, Andreasen and 

Andersen  tried  to  improve  the Fuller curve. They suggested using  the exponent q  in  the  range of 

0.33  ‐ 0.5 because  fine particles are not able to pack similar to bigger particles  [Andreasen, 1930; 

Zheng, 1990; Hunger, 2010]. The factor q has to be experimentally determined and it depends upon 

the properties of particles, considering the fact that no theoretical determination of this factor has 

been attempted [Zheng, 1990]. For angular particles, low q is preferred in order to increase the fine 

materials to fill the voids between coarse particles, to keep the workability at the required level and 

to enhance the packing of the system [Fennis‐Huijben, 2010]. Hummel found that Fuller curve (q = 

0.5)  does  not  give  the  maximum  density  at  any  case.  He  recommended  q  =  0.3  for  angular 

aggregate, and 0.4 for round aggregate in order to get the optimum packing density [Hunger, 2010]. 

Page 38: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    20 

 

Shilston  suggested  that  taking  q  =  0.45  provides  the  optimum  packing  density  [Shilstone,  1990; 

Rached, 2009]. However, according to equation 2.2,  infinite small particles are required to achieve 

the maximum  theoretical packing density  [Zheng, 1990]. Alexander and Mindess also pointed out 

the important role of including the overall grading of all mixture components in the packing theory 

in order to achieve the high performance characteristics [Alexander, 2005]. Funk and Dinger stated 

that any size distribution must have minimum particle size (dmin). The ideal particle size distribution 

depends not only on the maximum aggregate size, but also on the minimum particle size as can be 

seen in equation 2.3 [Zheng, 1990; Hüsken, 2008; Hunger, 2010].   

P (2.3)

 

Higher values of q  (> 0.5)  lead  to coarse mixtures with  low  fine material content. However  lower 

values  (<  0.25)  lead  to mixture with  high  fine material  content which  considerably  reduces  the 

packing  density  [He,  2010].  Generally,  in  order  to  achieve  the maximum  packing  and  keep  the 

workability at an acceptable level, it is suggested to take q = 0.37 [Fennis‐Huijben, 2010; Vogt, 2010]. 

For self‐compacting, it is recommended to take q in the range of 0.22 – 0.25 in order to achieve the 

required workability [Hüsken, 2008]. 

2.3.3 The work of Fuller

The  American William  Fuller  can  be  considered  as  the  father  of  granulometric  optimization  in 

concrete technology [Puntke, 1990]. At the beginning of the last century, he studied grading analysis 

for a wide variety of aggregate types and mixtures for the sake of deriving the optimum grading that 

achieves the maximum packing density [Lees, 1967]. In his famous book, The laws of proportioning 

concrete, he mentioned that, in 1901 it was found that the best density of aggregate can be attained 

when the particle size distribution of aggregate is continuously graded and the grading curve takes a 

parabolic shape when plotted  in natural scale as can be seen  in Figure  2.9. Despite of  its historical 

value,  Fuller  curve  is used as  the base  for proportioning of aggregate  in many national  concrete 

standards [Vogt, 2010]. This curve is still known until now as Fuller parabola and can be applied for 

calculating the optimum grading of aggregate only as he himself mentioned later [Fuller, 1907]. The 

reason for that  lies on the fact that the mixture of aggregate which gives the maximum density  in 

the dry  state does not necessarily achieve  the greatest density when  combined with cement and 

water. This  is because the  low void content between the aggregate particles prevents the cement 

and water to fit in perfectly [Fuller, 1907; Richardson, 2005; Rached, 2009]. 

 

In 1903,  Fuller began an  intensive work  to achieve  the  greatest packing density  for a mixture of 

aggregate and fine materials. He reported that the best curve was obtained by trial mixes without 

Page 39: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    21 

 

referring  to  the mathematical basis of  the curve.  It was concluded  from  this work  that  there  is a 

certain ideal grading curve to all solid materials, composed basically of an ellipse at the lower part, 

and merging  into a  straight  line  tangent  to  the elliptical part  [Powers, 1968]. He stated  that “The 

curve which gave the best result when using a graded coarse aggregate with the cement was found 

to be one resembling a parabola  in appearance, but, more strictly, consisting of a curve having for 

the  lower  portion  the  form  of  an  ellipse,  and above  this a  straight  line  running  to 100 % on  the 

maximum diameter  of  the  stone”. After  finding  the  best  grading,  equations were  fitted  to  these 

curves. The ellipse begins from 0.0029 inch (sieve No 200) and runs to a value of x equal to one‐tenth 

of the maximum grain size. At this point, the straight line begins and continues to y = 100 percent and 

x = D (where D is the maximum grain size of aggregate) as can be seen  in Figure  2.10. The equation 

covering this curve was divided into two parts:  

For the elliptical part: 

71 (2.3)

For the straight line part:  

100

(2.4)

Where a and b are the axis of the ellipse and their values depend mainly on the shape of the particles 

and the maximum aggregate size and x0 = D/10 to D, y1 = yel at D/10 and x1 = D/10 [Puntke, 1990]. 

 

The linear scale for the Ideal curve is not satisfactory because the lines in the small size zone are too 

crowded for defining. In 1990, Puntke referred to all these notes and redraw the Ideal Fuller curve in 

a semi‐logarithmic scale for the sake of simplicity as can be seen in Figure  2.11 [Puntke, 1990]. The 

Ideal  Fuller  curve has been used  for designing  concrete mixes  for  some applications, particularly 

those need high density and high resistance to acid attack. For example, in 2000, the highest cooling 

tower  in  the  world  (200  m,  Niederaußem,  Germany)  has  been  constructed  of  acid  resistant 

concrete. The used concrete has been designed on the basis of the Ideal Fuller curve. Because of its 

high density and resistance to acid attack, the concrete did not need any additional protective layer 

[Busch, 1999; Hüttl, 2000]. Furthermore,  it showed very low chloride diffusion as well as high frost 

resistance  without  air  entraining  agents.  In  addition  to  the  technical  benefits,  some  economic 

benefits were gained by reducing the cement content to about 50 % compared to conventional high 

performance concrete with similar strength.  

 

Page 40: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

Figure 2According

Figure 2According

Passing%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Passing %

re review 

2.9: Fuller pag to [Fuller, 19

2.10: Ideal gg to [Puntke, 1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

Passing %

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0 0.

D/1

arabola for 07]

grading curv990]

0.1 0.2

1 0.2

10 

best gradin

ve for aggre

2 0.3

0.3

b

 

g of aggreg

gate and fin

0.4 0.5

Sieve size

0.4 0.5

Sieve size (d

7

gate only

ne materials

0.6

e (d/D)

0.6

d/D)

P = (d/D

s

0.7 0.8

0.7 0.

D)0.5

0.9

.8 0.9

22

 

1

1

Page 41: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    23 

 

Figure 2.11: Ideal Fuller grading curve for aggregate and fine materials in logarithmic scale According to [Fuller, 1907]

 

Many authors did not differentiate between Fuller parabola and  Ideal Fuller curve  [Powers, 1968; 

Newlands,  2001; Mindess,  2003;  Alexander,  2005;  Brouwers,  2005;  Brandt,  2009;  Rached,  2009; 

Hunger, 2010]. They did not  consider  the elliptical  section of  the  Ideal Fuller  curve and assumed 

equation 2.2  as  synonymous with  this  curve.  Furthermore,  they deal with  Fuller parabola as  the 

optimum grading curve  for aggregate and binder mixture. This assumption  tends  to produce  lean 

mixes with lower fines content [Lees, 1967]. Therefore, the use of this curve in concrete mix design 

is  limited  due  to  the  poor workability  and  probability  of  segregation  of  the  produced  concrete. 

However, compared to Fuller parabola, the Ideal grading curve has higher content of fines and lower 

coarse aggregate content as can be seen in Figure  2.11. For example, for mixture with maximum size 

of 16 mm, about 8.8 % of  solid materials pass  from  the  sieve  size 0.125 mm according  to  Fuller 

parabola, whereas according to Ideal Fuller curve, 14.9 % passes from the same sieve size.   

2.3.4 State of the art of particle packing modeling

In the previous section, some theories about the appropriate selection of concrete components  in 

order  to  get  the  ideal  grading of particles  have been mentioned  and  discussed. However  in  this 

section,  theoretical  particle  packing  models  to  estimate  the  packing  density  ratio  of  solid 

combination  will  be  presented.  Packing  model  provides  an  important  tool  to  design  concrete 

mixture with minimum cement and water contents and with maximum solids content [Jones, 2002]. 

One of the big problems for engineers  is to achieve high packing density and ensure the desirable 

workability. By developing packing models,  it  is possible  to select  the mixture which provides  the 

maximum packing density and minimizes the remaining voids. The particle packing models explain 

100

62.98

44.47

35.2229.14

23.2918.54

14.8712.019.53

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

Passing %

Sieve size (d/D)

Page 42: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    24 

 

the way of which  the  particles  are packed  together based on mathematical hypothesis. Most of 

these models  calculate  the minimum  voids  ratio  on  the  basis  of  the  particle  geometry  and  size 

distribution.   

In 1929, Furnas developed a model for predicting the packing density of two monosized particles in 

two  cases;  the  small  particles  are  the  dominant or  the  large particles  are  the dominant  [Fennis‐

Huijben, 2010]. Two years later, he developed a method to estimate the maximum packing density 

of multi‐size particles taking into account the effect of interaction between particle groups [Furnas, 

1931]. The main  idea of his approach  is  that the maximum packing density will be achieved  if the 

small  size  particles  fill  the  voids  between  the  large  particles  [Vogt,  2010].  Ben  Aiim  and  Goff 

modified the Furnace model by implementing the wall effect into the model [Andersen, 1993; Nehdi, 

1998; Fennis‐Huijben, 2010]. In 1976, Toufar et al developed a model based on Furnace equations. 

Afterwards,  Toufar model was modified  by  implementing  diameter  and  packing  density  of  each 

material  to predict  the packing density of  the mixture  [Jones, 2002].  In 1999, Dewar developed a 

packing model based on the particle size distribution. It can calculate the theoretical packing density 

of a concrete mixture by knowing voids ratio and the mean size of each single constituent [Dewar, 

2002]. Stoval et al developed  linear packing model (LPM) based on discretely sized particles [Vogt, 

2010]. These models take into account the wall effect, particle shape and effect of fine particles on 

the packing of larger particles. With some modification on LPM, De Larrard developed compressible 

packing model (CPM) in 1999. This model is based on two new concepts: virtual packing density and 

compaction index [Larrard, 1999]. Jones et al made a comparison of four packing models (modified 

Toufar, Dewar, LPM and CPM models) by making some  laboratory experiments.  It  is found that all 

models  give  similar  output  and  suggest  similar materials  combination  to  achieve  the minimum 

porosity [Jones, 2002]. However, in the conclusion he mentioned that much work is still required in 

the development of modeling, in particular, in the way in which the particle shape and mean particle 

sizes  are  considered.  Fennis  also  studied  several  models  and  concluded  that  the  compressible 

packing model is the most accurate model with the highest ability for modification to cover various 

interactions. She developed compaction‐interaction packing model taking into account the influence 

of inter‐particle forces in addition to wall effect and loosening effect [Fennis‐Huijben, 2010]. In this 

model, packing of fine materials and binders should be experimentally determined and included as 

inputs.  It  is  concluded  that  no  direct  relation  between  maximum  packing  density  and  either 

compressive strength or hydration heat of cement was found. A good relation was found between 

compressive strength and the distance between cement particles. It was mentioned also that, more 

than  50 %  of  cement  can  be  saved  and  about  25 %  of  CO2  emission  can  be  reduced while  the 

concrete  is  still  achieve  the  requirements  for  the  appropriate  use  by  applying  packing  density 

models.  

Page 43: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    25 

 

Over  the  last  few  years,  a  number  of  computer  programs  based  on  the  packing  equations  and 

models  have  been  developed.  The  development  of  computer  analysis  and  simulation  provides  a 

powerful tool for modeling the packing of particles. These programs give the engineers the ability to 

determine  the  optimum  combination  of  concrete  constituents  that  ensures  a maximum  packing 

density and minimum voids. For example, EMMA  is  commercial computer  software based on  the 

Andreassen  equation  for  packing  density,  and  can  be  used  for  concrete  mix  design 

(www.concrete.elkem.com).  In addition, MixSim  (www.mixsim.net)  is a mix design program based 

on Dewar model [Dewar, 2002]. On the other hand, Rene‐LCPC  is software based on CPM and can 

be used to determine the maximum packing density (lcpc.fr). Similarly, Europack is a software based 

on  the modified Toufar model  to estimate  the packing density of dry mixtures  [Alexander, 2005; 

Rached, 2009].     

2.4 Effect of heat on concrete properties

2.4.1 Introduction

Compared  to other  construction materials,  concrete  can be  considered one of  the best materials 

regarding resistance to elevated temperature. It is incombustible and has low thermal diffusivity. It 

has good fire resistance and provides a protection layer for reinforcement. Various structures can be 

subjected  to elevated  temperature, which must be  taken  into  consideration when designing and 

detailing of reinforced concrete structures. Tunnels, high rise building, underground parks, nuclear 

power plants and jet aircraft engine blasts are examples of such structures where the probability of 

elevated temperature exposure  is high and very dangerous. Studying the behaviour of concrete at 

high  temperature  is  very  complex  not  only  because  it  is  composed  of  several  constituents with 

different properties, but also because the porosity and moisture content play important roles in the 

concrete performance at  these aggressive conditions. At high  temperature, chemical and physical 

characteristics of  concrete are  severely  changed, which affect  the overall properties of  concrete. 

Chemical  changes  can  be  beneficial  (further  hydration  of  unhydrated  cement  particles)  or 

detrimental  (decomposition  of  hydrated  cement  paste),  and  it  relates  to  the  cement  paste  and 

aggregate. However, the physical effects are related to dimension compatibility between aggregate 

materials and cement paste.  

The moisture content of concrete affects its performance at high temperature dramatically. At high 

temperature (> 100 °C), water changes its state and as a result some influences take place at certain 

temperatures. The capillary and gel water are evaporated at temperature of 100 ‐ 150 °C. However, 

above 250 °C, the chemically bound water starts to evaporate and the compressive strength starts 

to  decrease.  Dehydration  of  calcium  hydroxide  takes  place  at  approximately  450  °C.  At  higher 

Page 44: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    26 

 

temperature,  the  C‐S‐H  begins  to  decompose  and  significant  decrease  in  compressive  strength 

occurs [Rashad, 2012]. Concrete can be implemented in many applications in which different types 

of  heat  exposure  can  be  expected.  It  can  subject  to  pure  heat  as  in  the  case  of  fire.  However, 

hydrothermal  conditions are another  case  in which  the  concrete  can be  subjected  to both heat and 

saturated vapour pressure such as in nuclear power plants and water tanks for storing thermal energy.  

2.4.2 Effect of high temperature on properties of cement based materials

Under high  temperature exposure, heat  is  transferred by convection and conduction  through  the 

concrete, and the free water starts to evaporate depending on the working temperature. Concrete 

durability  and  mechanical  properties  are  markedly  changed  due  to  deterioration  of  aggregate, 

decomposition of hydrated cement paste and thermal incompatibility between paste and aggregate 

which  resulted  in microcracking  and  stress  concentration  [Mindess,  2003].  The  literature  search 

results on  the behaviour of concrete at elevated  temperature give widely varying  results  [Neville, 

2004]. As Neville reported, "globally valid generalizations are difficult"  [Neville, 2004]. This can be 

attributed to the differences in moisture conditions of concrete, in the exposure period, in heating 

rate and in concrete compositions.   

In  the  literature,  the  behaviour  of  normal  strength  concrete  under  elevated  temperature  is well 

documented. However,  limited  researches are available about  the performance of other  types of 

concrete,  in  particular,  when  mineral  admixtures  are  incorporated.  Dias  et  al.  studied  the 

mechanical  properties  of  hardened  cement  paste  exposed  to  high  temperature  up  to  700  °C.  A 

decrease in compressive strength was observed at temperature around 100 °C. He attributed that to 

the swelling of physically bound water  layers. The original strength  regained and maintained with 

increasing  the  temperature  to 300  °C. The  regaining of strength could be due  to  the  relief of  the 

build‐up  pressure  and  the  increased Van  der Waals  forces which  result  from  the movements  of 

cement gel  layers closer to each other. He suggested 300 °C as the critical temperature point with 

respect  to  strength  loss  for  unsealed  Portland  cement  concrete  [Dias,  1990].  Above  this 

temperature, rapid increase of porosity and micro‐cracking are occurring which leads to degradation 

of mechanical  properties.  Another  investigation  has  been  carried  out  by  Seleem  et  al.  [Seleem, 

2011]. He  found  that  the  compressive  strength  of  concrete  incorporating  pozzolanic materials  is 

increased after elevated  temperature exposure up  to 200  °C. He attributed  that  to evaporation of 

free water which results  in an  increase  in friction between failure planes.  In addition, at this  level of 

temperature, self‐autoclaving process is enhanced which accelerates the rate of cement hydration and 

pozzolanic reaction. 

 

Page 45: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

Galle an

two type

[Gallé, 2

results r

diamete

slight  inc

increase

Bazant  t

ambient

transfer 

in the ad

high tem

 

Poon et 

material

(HSC) aft

increase

the  large

heating 

diamete

the  final

compare

be seen 

Figure 2 [Poon, 20

 

Farage 

microstr

52.5 wer

re review 

d Sercombe

es of HSC, w

2001]. The co

evealed tha

rs  became 

crease  in  int

e  in permeab

tried  to  exp

t  conditions,

passage. Th

dsorbed stat

mperature w

al. [Poon, 2

s on strengt

ter high tem

e  in residual 

est strength

up  to 600  °

r at all temp

l rise of tem

ed to SF con

in Figure  2.1

2.12: Surfac001].

et  al.  [Fara

ructure of ce

re used. The

e studied th

which are dif

oncrete sam

t due to hig

coarser;  the

trinsic gas p

bility (about

plain  the  ra

,  the  transp

hese necks a

te only. How

which smooth

2001] carried

th and dura

mperature ex

compressiv

h  loss.  It was

°C. FA  concr

peratures. S

mperature. F

ncrete which

12. 

ce cracks in

age,  2003] 

ement paste

e heating rat

e effect of 

ffering only 

mples were h

h temperatu

e  gel pores 

permeability

t two orders

pid  increase

port  of mois

re very sma

wever, by he

hen the roug

d out a rese

bility of nor

xposure. The

ve strength a

s found also

rete  showed

Surface crack

FA and GGBS

h exhibited a

HSC at 800

studied  th

e. Thirty cyl

te was limite

 

high temper

in their aggr

heated up to

ure exposure

are  reduce

  is observed

s) took place

e  in  perme

sture  is ma

ll (gel pore d

ating beyon

gh solid surf

earch work t

rmal strengt

e results ind

after heatin

o that HSC s

d  the  lowes

ks begin to a

S concrete s

a major crac

0 °C with dif

he  effect  of

indrical sam

ed to 0.1 °C/

rature on pe

regate type,

o 450 °C wit

e, the total p

d while  the

d when heat

e with  incre

ability with 

inly  control

dimensions) 

nd 95 °C, the

aces of the n

to study the

th concrete 

icated that 

ng to 200  °C

suffers a sev

t porosity  in

appear at 30

showed high

ck which res

fferent supp

f  high  tem

mples of nea

/min in orde

ermeability 

 siliceous ag

th a heating

porosity is in

e  capillary  p

ting up to 2

easing the te

temperatu

led  by  the 

and water c

e necks are la

necks of the

e  influence o

(NSC) and h

FA and GGB

C. However, 

vere  increase

ncrease and

00 °C and co

her resistan

sulted in spl

plementary m

perature  u

t cement pa

er to prevent

and pore st

ggregate and

g rate of 1 °C

ncreased an

pores  are  inc

50 °C. Howe

emperature 

re  [Bažant, 

narrow  nec

can pass thro

argely widen

e pores. 

of different 

high strength

BS concrete s

SF concrete

e  in permea

d  lowest ave

ontinued to 

ce to surfac

itting at 800

materials.

p  to  300  °

aste made w

t thermal gr

27

tructure of 

d hematite 

C/min. The 

d the pore 

creased. A 

ever, rapid 

to 450 °C. 

1979].  At 

cks  on  the 

ough them 

ned due to 

pozzolanic 

h concrete 

showed an 

e exhibited 

ability with 

erage pore 

grow until 

ce cracking 

0 °C as can 

 

°C  on  the 

with CEM  I 

adient and 

Page 46: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    28 

 

shocks. The results showed that the total porosity increased by about 12 % with heating up to 300 

°C. Mechanical properties (elasticity and Poisson`s ratio) were reduced by about 17 %, which are in 

agreement with the porosity results. Similar study was carried out by Piasta et al. [Piasta, 1984] on 

the effect of elevated temperature on the microstructure of cement paste. He concluded that above 

100 °C, water is evaporated and the generated steam affects the surrounding cement paste phases. 

The temperature range of 100 ‐ 300 °C is suitable for formation of so‐called internal autoclaving. So, 

additional hydration of unhydrated cement grains  takes place. Up  to 300  °C,  the  increase  in  total 

porosity is relatively small due to additional hydration of unhydrated cement particles and increase 

in the degree of carbonation. Similarly, Xu et al. [Xu, 2001] carried out a research to study the effect 

of high temperature on porosity, durability and compressive strength of normal strength and high 

strength concretes made of fly ash with replacement levels of 0, 25 and 55 %. The results indicated 

that  about  8  and  15 %  increase  in  compressive  strength  has  been  gained  for  OPC  and  fly  ash 

concrete  respectively after exposure  to 250  °C.  In addition,  it was  found  that all  concretes  suffer 

severe  deterioration  in  permeability.  He  reported  also  that  after  exposed  to  250  °C,  the  total 

porosity  is  increased  by  about  1  ‐  2 %  only,  and  the  pore  diameter was  coarsened.  The micro‐

cracking  was  considered  the  main  reason  for  deterioration  when  concrete  exposed  to  high 

temperature. Micro‐cracks  is  initiated  around  CH  crystals  and  then  around  unhydrated  cement 

particles.  Incorporation of fly ash reduces the thermal micro‐cracks due to the consumption of CH 

and generation of additional C‐S‐H phases.  

 

Li et al  [Li, 1999]  studied  the microstructural  characteristics of high performance  concrete under 

elevated temperature up to 200 °C  intended for use  in vault sealing  in nuclear waste repositories. 

Two  types of concrete were used: one with oil well cement and  the other with  type K expansive 

cement according to ASTM Standard C 192‐90a.  It was found that concrete microstructure, matrix 

morphology,  mineral,  and  chemical  composition  showed  no  significant  changes  in  the  tested 

temperature range up to 200 °C. Similar investigation was carried out by Khan et al. [Khan, 2010] to 

study  the  effect  of  thermal  cyclic  loading with  200  °C  on  the  properties  of  normal  and  fly  ash 

concrete.  The  results  indicated  that  the  compressive  strength  of  plain  and  fly  ash  concrete  is 

increased with rising the heating cycles. The increase in compressive strength of fly ash concrete is 

higher  than  that  of  normal  concrete.  It  increased  with  increasing  fly  ash  content  up  to  50  %. 

However, with  further  increase  of  fly  ash  (i.e.  60 %),  the  increase  in  compressive  strength with 

heating is reduced and become lower than that with 20 % fly ash. Balendran et al. [Balendran, 2002] 

presented  an  overview  and  discussion  on  the  effect  of  high  temperature  on  the  strength  and 

durability of HPC incorporated pozzolanic materials. It is concluded that the addition SF reduces the 

performance of HPC at high temperature. The risk of spalling and high loose of compressive strength 

Page 47: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    29 

 

are associated with addition of SF. On the contrary, the addition of FA and MK has been found to 

enhance the performance of HPC for both residual strength and durability.  

2.4.3 Explosive thermal spalling

When exposed to high temperature, concrete suffers several degradation processes. Spalling is one 

of  the most  important phenomena  that may  take place during  the high  temperature exposure.  It 

refers to sudden and violent separation of a surface layer of heated concrete. It is accompanied by a 

loud  bang  and  quick  liberation  of  a  large  amount  of  energy  and  detaching  of  fragments  of  the 

exposed  concrete  surfaces and  can make  severe deteriorations  for  the  structure  [Phan, 2002].  It 

takes place  if the heating rate  is high, typically 20 °C/min [Lee, 2008].  It  is prone to happen  in HSC 

and HPC even at a lower heating rate because of the dense microstructure. The explosive spalling is 

a brittle failure observed first by Harmathy in normal concrete subjected to fire [Bažant, 1996]. Two 

main mechanisms are commonly known to explain the spalling risk [Mindeguia, 2010]. The first is a 

thermo‐mechanical interaction. Heating of concrete elements causes high temperature gradients in 

the first area of the hot surface. If the heating rate is rapid, high compressive stresses are generated 

closed  to  the  heated  surface.  As  self‐equilibrium,  thin  layer  near  the  heated  surface will  be  in 

compression while  the  interior part  is  in  tension.  The  compressive  stress  in  the  thin  layer  in  the 

vicinity  of  the  surface  causes  buckling  and  deportation  of  some  pieces  of  concrete  surface.  The 

second mechanism  is a thermo‐hygral process. With heating to high temperature water  inside the 

concrete begins to vaporize, and as a result the pore pressure is sharply increased in the hot zones 

which create a pressure gradient with cold zones. Because of the pressure differences, the vapour 

tries  to  migrate  to  low  pressure  zones  (cold  zones)  and  condensed  there  because  of  the  low 

temperature. With continuous heating, more water is condensed in the cold zone until reaching the 

saturation state. At this point, the vapour  is forced to migrate through the hot dry zone to escape 

into the atmosphere. If the permeability of concrete is slightly low and the rate of heating is rather 

high,  the vaporized water cannot escape  fast, because  the  rate of vaporization  is higher  than  the 

rate of release  to atmosphere. Spalling will take place when the summation of pore pressure and 

thermal  stresses  is  higher  than  the  tensile  strength  of  concrete.  So,  the  probability  of  spalling 

occurrence  depends mainly  on  heating  rate,  saturation  level  and  the  permeability  of  concrete 

[Consolazio, 1998]. If the concrete is cracked, the vapour pressure will release, and the probability of 

explosive spalling is decreased [Lee, 2008].  

 

Bažant studied the explosive spalling and found that the pore pressure can work only to trigger the 

cracking  but  cannot make  the  explosion  [Bažant,  1979].  He mentioned  that  another  supply  of 

energy should make this explosion; it is the potential energy of the thermal stresses. Nevertheless, 

the  role  of  pore  pressure  cannot  be  neglected  because  the  experiments  confirmed  that  the 

Page 48: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    30 

 

explosive spalling occurred only  in wet concrete which  is saturated with water. Phan et al.  [Phan, 

2002;  Phan,  2002]  studied  the  explosive  spalling  in  high  strength  concrete.  Contrary  to  Bazant 

explanation, it was found that internal pore pressure plays the primary cause, whereas the thermal 

stresses  play  a  secondary  role  in  this  failure.  The w/c  ratio  has  an  important  role  in  explosive 

spalling; as it reduces, the risk of spalling increases. The addition of polypropylene fibers reduces the 

pore  pressure  significantly  and  thereby  reduced  the  tendency  for  spelling.  It  increases  the 

permeability during heating above 160 °C.  It melts at a temperature of about 160 °C and provides 

open channels in concrete to release the vapour and moisture [Khoury, 2000]. It is mentioned that 

addition of 1.5 kg/m3 prevents the explosive spalling [Phan, 2002]. Noumowe and Debicki concluded 

that  addition  of  2 %  of  polypropylene  fibers  by  weight  enhances  the  permeability  of  HPC  and 

reduces the risk of explosive spalling [Noumowe, 2002]. In the literature, many investigations have 

been carried out  in order to study the risk of explosive spalling of different types of concrete. The 

following references provide further information about the explosive spalling of concrete when exposed 

to high  temperature  [Bažant, 1979; Bažant, 1996; Chan, 1996; Consolazio, 1998; Kodur, 1999; Phan, 

2001;  Poon,  2001;  Noumowe,  2002;  Phan,  2002;  Dehn,  2004;  Hainz,  2004;  Naus,  2006;  Lee,  2008; 

Mindeguia, 2010]. 

2.4.4 Effect of autoclaving on concrete properties

In  some  applications,  concrete  is  subjected  to  both  high  temperature  and  saturated  vapour 

pressure. Nuclear power plant containment is an example where both hydraulic and thermal loads 

attack  concrete.  In  such  applications,  leak‐tightness  of  concrete  should  be  ensured  either  by 

installing a  liner or by using very dense concrete  in order to prevent water and vapour  leakage.  In 

the  French  1300  and  1400 MWe  nuclear  power  plants,  the  reactor  containment  consists of  two 

concentric  containments  [Granger,  2001].  The  outer  one  is  designed  to  resist  the  external 

environmental conditions; however the inner one is used to withstand the designed accidents (140 

°C and 5 bars).  In most containments  the  leak‐tightness  is  rely on a  steel  liner, but  in  the French 

project, the  leakage  is controlled by using prestressed concrete wall with thickness of 120 cm. The 

wall is designed to remain in compression during the accident. In the inner containment, HPC with 

improved microstructure has been used in order to avoid the risk of thermal cracking, shrinkage and 

to guarantee high  impermeability. For similar application, Debicki et al. studied  the  leak‐tightness 

integrity  of  containment wall made  of HPC without  liner  under  accidental  conditions  [Shekarchi, 

2002; Shekarchi, 2003]. The test was carried out on HPC cylindrical specimens with 1.3 m thickness. 

Two accidental conditions were applied; the first was 160 °C and 6.5 bars, and the second was 200 

°C and 15 bars. The results indicated that after hydrothermal exposure, the permeability decreased 

and no outgoing gas was measured through the specimen. Moreover, the maximum pressure was 

found to be located near the heated surface and remains lower than the applied pressure and much 

Page 49: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    31 

 

lower than the tensile strength of concrete. The porosity measurements showed that the volume of 

fine pores  increases and  the  volume of big pores are decreased with  slight  increase of  the  total 

porosity of about 2.2 % due to hydrothermal exposure with 200 °C and 15 bars.  

 

In  the  last  few  years,  several  energy  storage  tanks  have  been  built  to  store  solar  energy  from 

summer to winter time with storing temperature up to 95 °C. Most of these tanks are constructed 

with  normal  concrete  and  the  leak‐tightness  is  ensured  by  installing  a  steel  liner.  The  economic 

studies  assessed  the  costs  of  the  liner  as  about  one‐fifth  to  one‐fourth  of  the  total  cost  of  the 

project.  In  Stuttgart University  a dense high performance  concrete  (HPC) has been developed  in 

order to be used  in seasonal energy storage tanks without  internal  lining. The developed HPC has 

been used in Hannover hot water tank with capacity of 2750 m3 to store water up to 95 °C without 

internal steel liner. Jooß et al studied the permeability and diffusivity of the high dense HPC at high 

temperature (up to 80 °C). The results showed that the permeability increased by about 62 % with 

increasing the temperature from 20 to 50 °C, and by about 55 % with  increasing the temperature 

from 50 to 80 °C. Diffusivity also was increased by about 10 ‐ 21 % with increasing the temperature 

from 20 to 50 °C and by 8 – 21 % by increasing the temperature from 50 to 80 °C [Jooß, 2002].  

 

The behaviour of concrete under hydrothermal conditions is complex because concrete is subjected 

to  repeated  cycles  of  heating  and  cooling  as  well  as  repeated  cycles  of  vaporization  and 

condensation  (autoclaving  cycles).  These  conditions  are  similar  to well  cementing  and  autoclave 

curing of aerated concrete to a  large extent. The chemistry of autoclaving  is different from that at 

normal  conditions  or  at  heat  only.  In  the  first  period  of  hydrothermal  exposure,  the  strength  is 

increased due to the additional hydration of cement and pozzolanic materials. The high temperature 

and high moisture content of concrete are  ideal for creation of additional hydration products and 

these  in  turn  lead  to microstructure densification  as well  as porosity  and permeability  reduction 

[England, 1995]. Later, considerable reduction or  increase of compressive strength  is occurred due 

to formation of different C‐S‐H phases depending on the temperature and the chemical composition 

of the bulk materials [Mindess, 2003].    

Ghosh and Nasser [Ghosh, 1996] carried out a research project in order to study the effect of high 

pressure and temperature up to 232 °C on strength and elasticity of fly ash and silica fume concrete. 

The  results  indicated  that  compressive  strength  and modulus  of  elasticity were  decreased with 

hydrothermal  treatment  at  temperature  of  232  °C. On  the  other  hand, Hilsdorf  [Hilsdorf,  1986] 

studied  the  hydrated  cement  system  under  hydrothermal  conditions  and  noticed  a  decrease  in 

strength and  increase of porosity  in the system of neat OPC. He reported that the  loss of strength 

can be prevented by addition of fly ash or ground quartz which is contrary to the finding of Ghosh. 

Another  study  has  been  carried  out  by  Xi  et  al.  [Xi,  1997]  on  the  effect  of  autoclaving  with 

Page 50: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    32 

 

temperature of 125 and 175 °C on the properties of OPC and slag cement. The results revealed that 

slag cement mix suffered strength loss after it reached the maximum strength. It lost more than 50 

% of its original strength. In addition, the porosity was increased and the pore sizes became coarser. 

However,  the  addition  of  silica  fume  enhanced  the  strength  and  reduced  the  porosity  with 

autoclaving. Moreover,  the  total porosity  is  reduced,  the microstructure became denser  and  the 

average  pore  radius  became  finer.  These  results  have  been  interpreted  as  follow,  the  main 

hydration  product  of  the  system  of  OPC‐slag  is  αC2SH  and  C‐S‐H  (I).  However,  in  the  system 

containing silica fume, the calcium ions is consumed and the pH of the pore solution is reduced. In 

addition, the hydration reaction  is totally changed and αC2SH  is not more found. It was found also 

that despite the hydrothermal treatment, the hydration of slag in the system OPC‐slag‐silica fume is 

very slow due to the reduced pH value of the system.    

2.4.5 Stability of C-S-H phases at hydrothermal conditions

Even  though  cement and  concrete have been  studied  for  several decades, questions  still  remain 

about nature, morphology and  interrelationship of hydration products and mechanisms of cement 

hydration.  Concrete  is  a  heterogeneous material  composed mainly  of  fine  and  coarse  aggregate 

bounded together by hydrated cement paste. Cement is the active constituents of concrete, and its 

properties largely determine the performance of concrete. The primary constituents of OPC are C2S 

and C3S, which make up about 70  ‐ 80 % of OPC  [Ramachandran, 2001; Hewlett, 2003; Mindess, 

2003; Aïtcin, 2004]. With  addition of water at normal  temperature, C2S and C3S  start  to hydrate 

according to equation 2.6 and 2.7 [Nelson, 1990; Bažant, 1996; Barnes, 2002; Neville, 2004].  

 

2C3S + 6H C3S2H3 + 3Ca(OH)2 (2.6)

2C2S + 4H C3S2H3 + Ca(OH)2 (2.7)

Under ambient conditions of temperature and pressure, the main product of OPC hydration (more 

than 50 %) are the very low crystalline calcium silicate hydrates (C‐S‐H). It is an amorphous phase of 

variable  composition,  and  therefore,  is  usually written  as  C‐S‐H, which mean  that  no  particular 

chemical composition is implied [Taylor, 1997; Barnes, 2002; Mehta, 2006]. The exact structure of C‐

S‐H  is not easily determined because  it  is too  irregular and disordered  [Neville, 2004]. However,  it 

can be roughly considered as a  layered structure with  large surface area, ranging from 100 to 700 

m2/g  [Mehta,  2006].  The  formed  C‐S‐H  is  a  strong  binding material  responsible  for  strength  of 

cement based materials at temperature up to 110 °C due to Van der Waals force of attraction and 

chemical bond [Noumowe, 2002; Mindess, 2003]. It has very low solubility  in water under ambient 

conditions,  and  its  specific  density  varies  between  2.3  ‐  2.6  depending  upon  its  chemical 

composition, age, water/solid ratio, and temperature [Mindess, 2003]. The  lime/silica ratio (C/S)  is 

Page 51: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    33 

 

one of the most important characteristics of C‐S‐H gel that governs its stability and performance, in 

particular, at high  temperature.  For OPC,  it  ranges  from 1.5  ‐ 2 depending on  the measurement 

method  [Taylor, 1986; Bažant, 1996; Ramachandran, 2001; Mindess, 2003; Neville, 2004; Mehta, 

2006; Lee, 2008]. In addition to the C‐S‐H gel, about 20 ‐ 25 % of the hydration products of OPC is 

high  crystalline  hexagonal  plates  of  calcium  hydroxide  (CH)  with  specific  density  of  about  2.24 

[Taylor,  1997;  Ramachandran,  2001;  Hewlett,  2003;  Mindess,  2003;  Mehta,  2006].  The  use  of 

supplementary materials consumes the CH and reduces the C/S ratio of the formed C‐S‐H depending 

upon the replacement level [Meller, 2005]. 

 

When exposed  to hydrothermal  conditions,  the microstructure of  concrete  is  subjected  to  strong 

alteration. C‐S‐H gel which is an excellent binding material at ambient conditions becomes unstable 

and  can  be  transformed  to  different  phases  with  lower  compressive  strength  and  higher 

permeability at high temperature [Jupe, 2008; Meducin, 2008]. C‐S‐H systems are very complex with 

more  than 30  stable phases  [Taylor, 1997; Shaw, 2000; Garbev, 2004]. When C‐S‐H gel of OPC  is 

subjected to autoclaving with temperature higher than 110 °C in the absence of reactive silica, it is 

quickly converted to lime‐rich phases with high crystallinity [Hewlett, 2003; Mindess, 2003]. Phases 

such as αC2SH, hillebrandite and ‐tricalcium silicate are the most stable phases in the system with 

high  lime  content.  These  phases  are  accompanied  by  an  increase  in  the  density  which  causes 

shrinkage of  the solid products and  therefore  the porosity  increases and  the strength  is markedly 

decreased  [Taylor,  1997; Glasser,  2003; Mindess,  2003;  Luke,  2004].  The  loss  of  strength  due  to 

hydrothermal  treatment  is  commonly  known as  strength  retrogression  [Nelson, 1990; Taylor, 1997; 

Barnes, 2002; Hewlett, 2003; Meller, 2009]. The  lime‐rich phases are detrimental for the mechanical 

properties  and durability of  concrete.  The  addition of  siliceous materials  such  as  fine quartz  can 

significantly modify  the  system and  change  the  structure and morphology of  the  formed phases. 

Small amount of silica brings the C/S ratio of the bulk to about 2, which is the ideal for formation of 

αC2SH  [Taylor,  1997].  However, with  large  addition  of  silica,  pozzolanic  reaction  is  accelerated, 

portlandite is consumed, C/S is considerably reduced and the formation of lime‐rich C‐S‐H phases is 

prevented  [Nelson,  1990;  Glasser,  2003].  Instead,  numerous  silica‐rich  phases  such  as  gyrolite, 

xonotlite  and  1.1  nm  tobermorite  are  formed.  The  optimum  addition  of  quartz  is  the maximum 

which  can be  taken up  in  the  reaction  [Taylor, 1997].  It  ranges between 35  ‐ 40 % of  the binder 

depending  upon  the  chemical  composition  of  the  bulk  materials  [Nelson,  1990;  Barnes,  2002; 

Hewlett,  2003; Mindess,  2003;  Ramachandran,  2003; Meller,  2005].  These  silica‐rich  phases  are 

generally  associated  with  high  compressive  strength  and  lower  permeability.  With  addition  of 

sufficient amount of silica, 1.1 nm tobermorite is the dominant below 180 °C. However, with higher 

temperature  it converts  to xonotlite with minimal deterioration  [Taylor, 1997; Barnes, 2002].  It  is 

demonstrated that the highest strength is associated with formation of tobermorite and the lowest 

Page 52: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    34 

 

with αC2SH formation [Ramachandran, 2001]. Xonotlite gives compressive strength lower than that 

of  tobermorite by  about  20  –  25 %.  Truscottite  gives  even  lower  strength  than  xonotlite  but  its 

permeability is lower than xonotlite [Luke, 2004]. With very low C/S ratio, only gyrolite is formed at 

200 °C  [Meller, 2005; Meller, 2009]. The phase transformation under hydrothermal conditions can 

be written as in the following equations: 

 

C-S-H gel + CH C-S-H Phases (high C/S) ( 2.8)

C-S-H gel + CH + Silica C-S-H phases (low C/S) (2.9)

Tobermorite can be considered as one of the most important phases of cement hydration products 

at normal and high temperatures. It can be classified into three types: 1.4 nm, 1.1 nm, and 0.9 nm. 

1.4  nm  tobermorite  is  formed  below  80  °C,  whereas  1.1  nm  tobermorite  is  built  in  water  at 

temperature greater than 100 °C [Fujii, 1983; Shaw, 2000; Garbev, 2004]. It decomposes to 0.9 nm 

tobermorite with  heating  at  300  °C  [Shaw,  2000].  Several  approaches  have  been  carried  out  to 

clarify the process and mechanism of tobermorite formation [Tsuji, 1991; Luke, 2004; Meller, 2005; 

Meller,  2009;  Kikuma,  2011;  Matsui,  2011].  It  is  strongly  affected  by  maximum  temperature, 

reactivity and amount of added  silica,  the addition of aluminium  compounds and  the addition of 

alkali [Matsui, 2011]. The high reactive amorphous silica supports the formation of tobermorite by 

enhancing the polymerization of C‐S‐H [Matsui, 2011]. The optimum addition of silica promotes the 

formation of C‐S‐H with C/S  ratio of 0.9  ‐ 1, which  tends  to  crystalize  to 1.1 nm  tobermorite. At 

higher  temperature,  tobermorite  can  be  converted  to  xonotlite  with  volume  reduction  [Taylor, 

1997;  Jupe, 2008].  This  volume  reduction  can be prevented by  the  addition of  some  aluminium, 

which extends  the  stability of 1.1  tobermorite at higher  temperature. The addition of aluminium 

reduces the quartz solubility and thereby accelerates the formation of tobermorite and retards the 

xonotlite  formation  [Taylor, 1997].  It  is  thought  that aluminium  ions may enter  the  lattice of  the 

tobermorite  in  expense of  silicon  ions  and  affect  its properties  and  crystallinity  [Kalousek,  1957; 

Beaudoin,  1979;  Jupe,  2008].  On  the  other  hand,  quartz  reactivity  has  a  significant  role  in 

tobermorite  formation.  When  reactive  quartz  is  used  as  a  source  of  silica,  in  the  early  stage 

tobermorite  is  crystallized  rapidly,  but  at  late  stage  the  rate  of  crystallization  of  tobermorite  is 

significantly reduced. However, when less reactive quartz was added, the formation of tobermorite 

is  continuing until  reaching  the equilibrium  state. The  final  content of  tobermorite  is much more 

than that in the case of reactive silica. However, in all cases at least about 10 % of the added quartz 

does not react at all [Siauciunas, 2004]. 

 

The  reaction of silica with  lime  is a pozzolanic  reaction which  is accelerated with autoclaving. So, 

pozzolanic materials such as fly ash and silica fume could be used as sources of silica. By the use of 

Page 53: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    35 

 

pozzolanic materials,  portlandite  is  consumed  during  the  pozzolanic  reaction,  and  its  absence  is 

advantageous  for  concrete  from  the  viewpoint of  aggressive  attack of  chemicals  [Jupe, 2008].  In 

addition, high pozzolanic materials help to prevent the formation of lime‐rich phases such as alpha 

dicalcium silicate because of the high content of silica. Luke studied the  influence of hydrothermal 

conditions at 180 °C on various systems containing OPC, class C and F fly ash, silica fume and quartz 

flour [Luke, 2004]. The results showed that with addition of 35 % of class C fly ash, αC2SH with C/S 

ratio  of  about  1.92  is  the  predominant  phase,  and  therefore,  very  low  compressive  strength  is 

obtained. However, replacing OPC with 35 % class F fly ash reduced the C/S ratio to 1.38 and at this 

ratio αC2SH  formation competes with  the  formation of silica‐rich phases such as poorly crystalline 

tobermorite and hydrogrossular‐type phases. As a result, the compressive strength is relatively low; 

however  it  is higher  than  that of 35% class C  fly ash.  In  the case of  silica  fume addition  (35 % of 

cement), very  low compressive strength of the products  is observed.  In this system, despite of the 

high silica content in the system, the predominant phase is αC2SH. In addition, a number of different 

metastable phases are formed, most of which are undefined. On the other hand, by addition of 35 % 

quartz flour to cement, xonotlite was the major phases in the system and the compressive strength 

was higher than fly ash and silica fume cases. With a combination of 30 % class F fly ash and 35 % 

quartz flour, the bulk C/S ratio of the system was 0.64. At this ratio, the predominant phase  is the 

highly  crystalline  1.1  nm  tobermorite  which  is  accompanied  with  high  compressive  strength. 

However, combination of 35 % quartz and 30 % silica fume resulted in quite increase in compressive 

strength which equals about 50 % of the cement‐class F fly ash‐quartz system.  

 

Meller et al. carried out several researches to study the system of cement, silica, alumina and water 

at different temperatures up to 350 °C [Nelson, 1990; Meller, 2005; Meller, 2007]. They developed a 

diagram for the Cao‐Al2O‐SiO2‐H2O system (CASH) based on Taylor work (Figure  2.13). The results of 

their work  revealed  that under hydrothermal  condition  at 200  °C, pastes made of neat Portland 

cement exhibited portlandite and lime‐rich phases such as αC2SH and jaffeite which are deleterious 

to compressive strength. With small addition of silica and alumina (< 25 %), the C/S ratio was still 

high thereby hillebrandite and α C2SH are formed. However, at higher temperature these phases are 

not found because they are replaced by reinhardbraunsite. With  increasing silica addition to 35 %, 

the C/S ratio is reduced to about 1 which promoted the formation of silica‐rich phases in expense of 

lime‐rich ones. 1.1 nm tobermorite  is formed at temperature higher than 110 °C, and transformed 

to  xonotlite  or  gyrolite  at  about  150  °C  depending  upon  the  quantity  of  the  added  silica. With 

addition of 20  ‐ 50 % silica to the system at 200 °C, 1.1 tobermorite coexisted with xonotlite. The 

addition of more quartz  leads  to  formation of gyrolite and  the excess quartz  is  remained with  it. 

Tobermorite decomposes normally at 150 °C to form xonotlite and gyrolite, however the addition of 

aluminium  stabilized  the  tobermorite  at  higher  temperature  up  to  250  °C. When  silica  addition 

Page 54: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

exceede

gyrolite 

aluminiu

Figure 2[Meller, 20

Kyritsis 

microstr

2009]. C

permeab

adding a

are form

improve 

improvem

Regardin

compres

When  b

formed w

°C, the p

system, t

variation

decrease

re review 

d  40 %,  gyr

is  presente

um is added 

2.13: The fo007]

et  al.  stu

ructure of ce

Cement, silic

bility  are dep

 small amou

med.  When m

due  to  fo

ment  as  su

ng  alumina, 

ssive strength

oth  addition

which in turn

attern of per

the permeab

n of mineralo

e in permeab

rolite  and  t

ed  only  and

(< 20 %), hib

rmed phase

udied  the 

ement based

a and alumi

pending mai

nt of silica (<

more than 20

rmation  of 

bstitute  α  C

the  addition

h. However,

ns  are  incor

n resulted in

rmeability is 

bility is decre

ogy in both c

bility is attain

ruscottite  a

d  above  wh

bschite is th

es in the sys

relationship

d materials 

na were use

inly on  the 

< 20 %) to ce

0 % of silica o

xonotlite  a

C2‐SH.  Addin

n  of  a  smal

  the additio

rporated,  gy

n improveme

similar to tha

eased, while

ases. When 

ned due to fo

 

are  coexisted

ich  truscott

e predomina

stem Ca-SiO

p  between 

under hydro

ed in this te

lime,  silica, 

ement, jaffeit

only is added 

and  1.1‐nm 

ng  more  sili

l  amount  (1

n of  large am

yrolite,  xonot

ent and stabi

at of compre

e the addition

both alumin

ormation of h

d  at  250  °C

tite  is  form

ant phase. 

O2-H2O from

engineerin

othermal co

st. The resu

and  alumina

te, kilchoanit

into the syst

tobermorite

ica  causes  p

10  ‐  15 %)  r

mount  (> 20

tlite,  1.1  nm

ilization of st

essive streng

n of alumina

a and silica a

high amount 

C,  however  a

ed  alone. W

m 50 to 1000

ng  propert

onditions of 

lts indicated

a  content  as

te, α C2‐SH a

tem at 200 °C

e  which  are

platy  crystal

resulted  in 

0 %)  leads  to

m  tobermori

trength. On 

gth. When sili

a increases t

are added to

of tobermor

at  lower  te

When  low  a

  

0 °C

ies,  minera

200 ‐ 350 °

d that the st

s  seen  Figur

and 1.1 nm to

C, the streng

e  responsib

s  of  gyrolite

slight  impro

o decrease  i

ite  and  trus

the other ha

ica flour is ad

he permeab

o the system,

rite.   

36

mperature 

amount  of 

alogy  and 

°C [Kyritsis, 

rength and 

re  2.14. By 

obermorite 

gth starts to 

le  for  this 

e  to  form. 

ovement  of 

n strength. 

scottite  are 

and, at 200 

dded to the 

bility due to 

, significant 

Page 55: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literatur

Figure 2

intrinsic [Kyritsis, 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

re review 

2.14: Effect

permeabilit2009]

t of calcium

ty of C-S-H

m, silicon an

 

 

nd alumina content onn the comp

 

 

pressive stre

37

ength and

Page 56: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Literature review    38 

 

 

Page 57: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Materials and methods  39 

 

3. Materials and methods

3.1 Introduction

To achieve the objectives of this investigation, the research has been divided into three parts: 

1. Optimizing a dense high performance concrete mixture. 

2. Study the effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete. 

3. Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste.  

For  the  first  two parts,  twenty  three  concrete mixes have been prepared,  cured,  and  tested. All 

these mixes have approximately similar aggregate grading and content, whereas the differences are 

only  in  the  cementitious materials  composition  and water/binder  ratios.  The  experimental work 

includes the measurements of properties of  fresh concrete.  In addition, durability and mechanical 

properties were measured at ambient conditions and after hydrothermal exposure (200 °C and 15.5 

bars) for several autoclaving cycles, up to 50. To study the effect of hydrothermal treatment on C‐S‐

H  stability  and  properties,  10  cement  pastes  have  been  prepared  and  tested.  Details  of  the 

compositions and tests of these pastes are presented in chapter 7.  

3.2 Materials

3.2.1 Aggregates

Natural  quartzite  aggregates  with  maximum  aggregate  size  of  16  mm  has  been  used  in  this 

investigation. The coarse and fine aggregate were dried until constant weight and then stored in the 

room temperature before use. A mean specific density and water absorption of 2.61 and 0.5 % were 

obtained for the used aggregates respectively. Three aggregate classes were used in the experiments: 

0 ‐ 2, 2 ‐ 8, and 8 ‐ 16 mm. The sieve analysis of the used aggregate is presented in Figure  3.1. 

 

Figure 3.1: Sieve analysis of the used aggregate

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32

Cumulative passing %

Sieve size mm

Aggregate 8‐16

Aggregate 2‐8

Sand 0‐2

Page 58: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

3.2.2 C

In this in

Portland

N). In ad

N‐LH/NA

68 %). C

and  Tab

laborato

using las

of ceme

Figure 3

Table 3.

 

CEM I 32

CEM I 42

CEM III/A

CEM III/B

Table 3.

 

CEM I 32

CEM I 42

CEM III/A

CEM III/B

*  Without

ls and metho

Cement

nvestigation,

d cement wi

ddition, blast

A with slag c

Chemical com

ble  3.2  res

ory. Figure  3

ser granulom

nts was mea

3.2: Laser gra

.1 Chemica

Ca

2.5  63

2.5  65 

A  54

B  46 

.2 Physical

Blaine(cm

2.5  3

2.5  3

A  3

B  4

t superplasticize

ods 

, several typ

th two diffe

t furnace sla

content of ab

mposition a

pectively.  T

3.3 shows  th

metry (MALV

asured using

anulometry t

l compositio

O  SiO2 

.2  20.80 

19.9 

.8  23.7 

29.7 

properties

e Fineness m2/g) 

3450

3500

3860

4156

er according to 

pes of ceme

erent streng

ag cement w

bout 50 % a

nd physical 

The  physica

he measured

VERN) as des

g Helium pyc

to measure

on of differe

Al2O3 F

4.61  2

4.6  3

8.8  1

10.12  1

of the used

Water

Puntke [Puntke

 

nts accordin

th classes h

with two diff

nd CEM III/B

properties 

al  propertie

d particle si

scribed in [H

cnometry.  

the particle

nt cements

Fe2O3 Mg

2.59  1.7

3.1  1.7

1.46  5.2

1.62  8 

cement

r demand (% 

25.6

24.8

25.1

26.4

e, 2002] 

ng to DIN EN

ave been us

ferent slag c

B 32.5 N‐LH/

of  the used

es  were  de

ze distribut

Hackley, 2004

size distribu

(according

gO Na2O

7  0.16 

7  0.31 

21  0.3 

0.31 

%)* D(g

N 197‐1 have

sed (CEM I 3

content were

/HS/NA with

d cements a

termined  e

ion of differ

4]. In additio

 

ution of fine m

to the prod

K2O SO

0.50  2.7

0.5  3.0

0.59  2.4

0.65  2.4

ensityg/cm3) 

Se

3.17

3.12

3.01

2.96

e been used

32.5 R and C

e used (CEM

h slag conten

re shown  in

experimenta

rent  types o

on, the spec

materials

ucers)

O3 

70 

49 

etting time (

Initial 

105 

140 

235 

285 

40

d. Ordinary 

CEM I 42.5 

M III/A 32.5 

nt of about 

n Table  3.1 

ally  in  the 

of cements 

ific density 

(min)

Final

180

210

285

340

Page 59: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Materials and methods  41 

 

 

Figure 3.3: Particle size distribution of the used cements measured with laser granulometry

3.2.3 Fly ash

Fly  ash  is  a waste  product,  remaining  from  the  combustion  of  hard  coal  for  energy  production 

purposes. Around 18 million  tons of hard  coal  fly ash  is produced  in Europe  yearly. Most of  it  is 

consumed by  the building materials sector, where  it  is used as a major  ingredient  for the cement 

production or as additive material for the concrete production [Hunger, 2010]. In this research, Class 

F fly ash according to DIN EN 450‐1 has been used. Three different sizes of fly ash have been used in 

this investigation; normal fly ash, fine fly ash (M20) and fine fly ash (M10) with mean particle sizes of 

17,  9,  and  5  µm  respectively.  Table  3.3  shows  the  chemical  composition  of  fly  ash  used  in  this 

investigation  according  to  the  producers.  However,  physical  properties  of  fly  ash  have  been 

determined experimentally. Table  3.4 shows  the measured characteristics of different  types of  fly 

ash. Figure  3.4 shows the particle size distribution of the used fly ash measured by laser granulometry. 

In addition, SEM measurement of fine materials has been performed as can be seen in Figure  3.5.   

 

Figure 3.4: Particle size distribution of the used fly ash

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

Cumulative passing %%

Size (µm)

CEM I 32.5 RCEM I 42.5 NCEM III A 32.5CEM III B 32.5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.1 1 10 100 1000

Comulative passing %

Size (um)

M10M20FA

Page 60: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

Table 3.

 

M10 

M20 

Fly ash 

Table 3.

 

M10 

M20 Fly ash * Without 

Figure 3

ash (M2

3.2.4 S

Silica  fu

element

extreme

grade  9

properti

the part

ls and metho

.3: Chemica

CaO

3.1 

.4: Physical

Blai

superplasticize

3.5: Scannin

20), c) fine fl

Silica fume

me  is  very 

tal  silicon  o

ely small par

71  accordin

es of the us

icle size dist

ods 

al compositi

O  SiO2 

53 

52 

49.2 

properties

ne Fineness

6400 

6000 2877 

r according to P

ng electron

ly ash (M10

e

fine  non‐cr

r  alloys  con

rticle size, a

ng  to  DIN 

ed silica fum

ribution of t

on of the us

Al2O3  Fe

25 

25 

27.6  7

of the used

s (cm2/g)

Puntke [Puntke,

microscopy

0), d) silica f

rystalline m

ntaining  silic

nd  large sur

EN  13263‐1

me are given

the used silic

 

sed fly ash (

e2O3 MgO

6 1

6 1

7.6 2.1

fly ash

Water dem

22

220

, 2002]. 

    

    

y (SEM) of f

fume

aterial  prod

con.  It  is  a

rface area.  I

1  has  been

n in Table  3.5

ca fume. 

a

c

(according t

O Na2O K2

1.5 1

1.5 1

0.90 5

mand (%)*

2.1

220.8

fine materia

duced  as  a 

morphous  m

In this expe

n  used.  Che

5 and Table 

to the produ

2O SO3

1.9 1.1

1.9 1.1

5.0 0.7

Specific d

als particles

by‐product 

material  wit

rimental wo

emical  comp

3.6 respecti

ucer)

density (g/cm

2.49 

2.45 2.29 

: a) fly ash,

of  the  pro

th  high  SiO

ork, Elkem m

position  an

ively. Figure

42

m3) 

 

 

b) fine fly

duction  of 

O2  content, 

micro silica 

d  physical 

  3.6 shows 

Page 61: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Materials and methods  43 

 

Table 3.5: Chemical properties of silica fume (according to the producer)

CaO  SiO2  Al2O3  Fe2O3  MgO  Na2O K2O  SO3  Cl 

0.2  98.4  0.2  0.01  0.10  0.15  0.20  0.10  0.01 

Table 3.6: Physical properties of silica fume

Fineness cm2/g*  Water demand (%)**  Density (g/cm3)  Bulk weight (kg/m3)* 

200000  51.8  2.2  500 

* Densified according to Manufactures datasheet, ** Measured without superplasticizer according to Puntke [Puntke, 2002] 

 

Figure 3.6: Particle size distribution of silica fume

3.2.5 Filler

In this research, the term filler mean the powder materials which applied in concrete to achieve high 

packing density, it is almost non‐reactive at ambient temperature. In this investigation, two different 

types of commercially available quartz  filler which meet  the  requirements of DIN EN 12620 were 

used: quartz powder and quartz sand. The mean particle size of quartz sand (QS) and quartz powder 

(QP) are about 180 and 60 um respectively. Chemical composition of the used fillers can be found in 

Table  3.7.  However,  physical  properties  and  particle  size  distribution  have  been  experimentally 

determined as can be seen in Table  3.8 and Figure  3.7 respectively.  

Table 3.7: Chemical composition of quartz sand and quartz powder (according to the producer)

  CaO SiO2  Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O 

Quartz sand    98.5  0.7 0.06

Quartz powder  0.013  99.61  0.11 0.012 0.004 0.006 0.024 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.01 0.1 1 10 100

Cumulative passing % 

Particle Size (um)

Page 62: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Materials and methods  44 

 

Table 3.8: Physical properties of quartz sand and quartz powder

  Blaine Fineness (cm2/g)  Water demand (%)*   Density g/cm3 

Quartz sand  760  ‐  2.67 

Quartz powder  2683  24.4  2.69 

*Without superplasticizer according to Puntke [Puntke, 2002] 

 

Figure 3.7: Particle size distribution of quartz sand (QS) and quartz powder (QP) measured with

laser granulometry

3.2.6 Superplasticizer

In this investigation, to achieve the satisfied consistency class, superplasticizer (Muraplast FK 63.3) has 

been used. The used superplasticizer  is polycarboxylate‐based (PCE), as that type proved to be very 

effective  in densely packed systems with  fine particles  [Hunger, 2010], and  it complies with DIN EN 

934‐2. It has a density of about 1.06 g/cm3, and the recommended dosage is 2 ‐ 50 g per kg of cement. 

3.3 Specimens preparation and curing

The  concrete  was mixed  in  a mixer  with  capacity  of  about  60  liters.  In  order  to  enhance  the 

distribution of all particles and make the mixture more homogenous, the sequence of the addition 

of  concrete  constituents  into  the mixer has been  carried out according  to  the  following diagram 

(Figure  3.8). The mixing procedures for all mixes were performed in the same manner. After mixing, 

fresh concrete properties were measured. Then, the moulds were cast and compacted  to remove 

any entrapped air and  to ensure  full compaction according  to DIN EN 12390‐2. A number of  test 

specimens, mainly 100 mm  cubes and 150 x 300 mm cylinders were prepared  from each mix  for 

different tests according to DIN EN 12390‐1. After 24 hours of adding the water to the mixture, the 

test specimens were demoulded. The curing process took place in water basin at temperature of 20 

± 1 °C until the day of testing.   

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100 1000

Cumulative passing %

Particle Size (um)

QP

QS

Page 63: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

Addit

p

 

Additio

Additio

Figure 3

3.4 Te

3.4.1 F

3.4.1.1

In this in

It is basi

manner 

of the di

 

Figure 3

ls and metho

tion of aggre

powder and 

1/2 minu

on of part of

mixing for 

on of silica fu

3.8: The seq

ests

Fresh conc

Consisten

nvestigation,

cally a meas

for 15 times

iameter from

3.9: Determin

ods 

egates and q

 quartz sand

 

te mixing 

f mixing wat

1/2 minute 

 

ume, M10 an

 

 

quence of ad

crete prope

ncy

, consistency

surement of

s in around 

m 3 different

ning the con

quartz 

 

ter and 

nd M20 

ddition of co

erties.

y was measu

f the spread

30 seconds.

t directions 

crete consis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oncrete con

ured using a

 of a fixed q

 The mean d

as can be se

stency using

Ad

 

Add

stituents in

a flow table t

quantity of c

diameter is c

een in Figure

g flow table te

1/2 min

ddition of ce

1/2 min

dition of  res

and sup

Mixing f

the mixer a

test accordi

oncrete afte

calculated fr

e  3.9. 

 

est accordin

nute mixing 

 

ement and f

nute mixing 

 

sidual mixin

perplasticizer

 

for 2 minute

and the mixi

ng to DIN EN

er jolting in 

rom the mea

ng to DIN EN

45

fly ash 

g water 

es 

ng time

N 12350‐5. 

a standard 

asurement 

N 12350-5

Page 64: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Materials and methods  46 

 

3.4.1.2 Air content

The air content of the fresh concrete mixes has been determined according to DIN EN 12350‐7.  In 

this test, a standard five liters steel cylinder is fully filled with fresh concrete and compacted. Then, 

the cover  is fixed and the pressure  is applied on to the surface of concrete  in the bowl, causing a 

change in the volume. This change is attributed to the air in the concrete since other constituents in the 

bowl are incompressible. The air content of concrete is then directly read from the scale on the cover.  

3.4.1.3 Fresh density

The fresh concrete density has been measured as specified in DIN EN 12350‐6. A five liters bowel is 

filled and compacted until no large bubbles of air appear on the surface. After compaction, the top 

surface  of  concrete  shall  be  struck  off  and  finished  smoothly.  All  excess  concrete  shall  then  be 

removed and the filled bowel is weighed. The density of fresh concrete is the weight of net concrete 

divided by the volume of the bowel. 

3.4.2 Mechanical properties.

3.4.2.1 Compressive strength

The compressive strength of concrete was determined using 100 mm cubes at ages of 28 and 91 

days according to DIN EN 12390‐3. A modern digital crushing machine (Toni Technik) was used. After 

curing period, the specimens were dried at room temperature (20 ± 1 °C). Then, compressive strength 

test was carried out. Three cubes of each mix were tested and the mean value was considered. 

3.4.2.2 Splitting tensile strength

The splitting tensile strength test was applied on cylinders (150 mm x 300 mm) according to European 

Standard DIN EN 12390‐6. The following formula was used to determine the splitting tensile strength. 

s

t

ld

F

2

(3.1)

Where: Ft is the force in KN, L is the specimen length in mm and ds is the specimen diameter of in mm. 

3.4.2.3 Modulus of elasticity

The modulus  of  elasticity  of  concrete  has  been  determined  on  cylinders  (150 mm  x  300 mm) 

according  to  European  standard  EN  1048‐5.  Concrete  samples were  prepared  and  cured  under 

water until the testing day. At age of 91 days, the specimens were dried at room temperature (20 ± 

1 °C). After that, the static modulus of elasticity was determined  (Toni Technik) as can be seen  in 

Figure  3.10.  

Page 65: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

Figure 3

3.4.2.4

The den

volume o

Where M

3.4.2.5

The  rebo

concrete

compres

surface w

were fix

samples 

influence

ls and metho

3.10: Determ

Density of

sity of harde

of about 1 li

Mc is the ma

Rebound

ound  hamm

e. By  refere

ssive strengt

which shoul

ed in the m

before  and

e of hydroth

ods 

mination of m

f hardened

ened concre

ter. The foll

cc V

M

ss of concre

Hammer

mer  accordin

nce  to  the c

th. When co

ld be flat an

achine as ca

d  after  auto

hermal cond

modulus of

concrete

ete has been

owing formu

c

c

V

M

te sample (k

ng  to DIN  E

conversion c

onducting th

nd smooth. I

an be seen i

oclaving  for 

itions on co

 

elasticity of

n determined

ula has been

kg) and V is t

EN  12504‐2 

chart,  the  re

he test, the h

t has been u

in Figure  3.1

5,  15,  and 

ncrete hard

f concrete a

d according 

n implement

the volume 

has  been  u

ebound valu

hammer sho

used perpen

11. The mea

50  cycles  in

ness. 

ccording to

to DIN EN 1

ted to calcul

(3

of concrete 

used  to mea

ue can be u

ould be held

ndicularly to

asurement w

n  order  to  e

 

DIN 1048-5

2390‐7 on a

late the den

3.2)

specimen (m

asure  the  ha

used  to dete

d at right ang

o the specim

was done for

exactly  dete

47

5

a cube with 

sity: 

m3). 

ardness  of 

ermine  the 

gles to the 

mens which 

r the same 

ermine  the 

Page 66: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

Figure 3

hammer

3.4.3 D

3.4.3.1

Permeab

Numero

concrete

to DIN E

of 5 bars

of penet

the split 

Figure 3

ls and metho

3.11: Determ

r) according

Durability o

Water per

bility  is  the 

us test meth

e [Dinku, 199

EN 12390‐8 w

s to the surf

tration of th

surface of t

3.12: Determ

ods 

mination of

g to DIN EN

of concrete

rmeability

ease with w

hods have b

96]. In this i

was used. T

face of harde

he waterfron

the tests spe

mination of w

hardness o

12504-2

e

which  liquid

been develo

investigation

he basic pri

ened concre

nt  is measur

ecimen (mois

water penet

 

of concrete u

ds or  gases 

ped and are

n, the water

nciple of thi

ete for 72 ho

red. The dep

st concrete 

tration depth

using non-d

can  travel  t

e in use to e

r penetration

is test is tha

ours. The spe

pth of penet

being darke

       

h of concret

 

destructive t

through  con

valuate the 

n depth und

at water is a

ecimen is th

tration  is fo

r as can be s

te according

test method

ncrete  [Nevi

water perm

der pressure

pplied unde

en split and

und by obse

seen in Figur

g to DIN EN

48

d (rebound

ille,  2008]. 

meability of 

e according 

er pressure 

d the depth 

ervation of 

re  3.13). 

 

N 12390-8

Page 67: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

Figure 3

3.4.3.2

In this in

Because

dried  in

tempera

and 20 m

specime

permeab

Where: 

height o

dynamic

Figure 3

ls and metho

3.13: Determ

Air perme

nvestigation,

 of the impo

n  the  oven 

ature and sen

mm thicknes

n. The time 

bility coeffici

K

Kair is air pe

f the concre

c viscosity of

3.14: Determ

ods 

mination of t

ability

, the air perm

ortant effect

until  cons

nt to air per

ss  is fixed  in

at which a u

ent can be o

tA

VK f

air .

rmeability c

ete sample (

f air in N.s/cm

mination of a

the water pe

meability of 

t of moisture

stant  weigh

meability de

n the device.

unit volume 

obtained usin

pt

h

a .

..

coefficient (c

cm), A: cros

m2. 

air permeab

 

enetration d

concrete ha

e content on

t.  Then,  th

evice. In this 

. Air flow un

of the gas p

ng the Hagen

cm2), Vf: flow

s section are

      

bility of conc

depth (moist

as been mea

n air permea

he  specimen

test, a conc

nder pressur

passes throu

n‐Poiseuille f

w volume (c

ea of the sa

crete accord

t concrete b

asured accor

ability, the sa

ns  were  co

crete specim

re  is applied 

gh the speci

formula [Din

cm3), ta: pass

mple (cm2), 

ding to TGL

 

being darker

rding to TGL 

amples have

ooled  down

en of 50 mm

on one surf

imen is mea

nku, 1996]: 

sing time (se

p: pressure 

21094-12

49

r)

21094‐12. 

e been first 

n  to  room 

m diameter 

face of the 

asured. The 

(3.3)

econds), h: 

N /cm2, η: 

 

Page 68: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

3.4.3.3

A standa

water  is 

containe

pulls wa

determin

the  incr

coefficie

Figure 3

15148

3.4.3.4

The  test

chloride 

or morta

applicati

determin

penetrat

diffusion

depth of

The follo

 

ls and metho

Absorption

ard method 

included  in

er of water s

ater  up  into

ned over va

rease  in  ma

ent of concre

3.15: Determ

Chloride d

t  to  determ

to be deter

ar specimen

ion, the spe

ned by mea

tion  depth, 

n  coefficient

f chloride th

owing equat

ods 

n

of evaluatin

n DIN EN  ISO

such that th

o  the  specim

rious period

ass  versus 

ete can be ca

mination of

diffusion tes

mine  the  ch

rmined with

 under the i

cimen is spl

ns of indicat

the  applie

t  was meas

rough the co

ion was use

ng the water

O 15148. Th

e immersion

men  is  the  c

ds of time u

the  square 

alculated.  

water abso

st

loride migra

in a short p

influence of

lit and the p

tor solutions

ed  voltage, 

sured  accor

oncrete spe

d to determ

 

r uptake of a

e method  in

n depth of t

capillary  suc

p to 24 hou

root  of  tim

rption coeffi

ation  coeffic

eriod of tim

f an electrica

penetration 

s. The chlori

and  other 

ding  to  BAW

cimen was d

mine the diffu

a concrete sa

nvolves plac

the specime

ction.  The  in

rs. Then a s

me.  From  t

icient of con

cient  enable

me. The pene

al field is exa

depth of the

ide diffusion

parameters

W Merkblat

determined 

usion coeffic

ample which

cing a concre

n is 5 mm. T

ncrease  of  t

straight line 

this  relation

 

ncrete acco

es  the  resis

etration of c

amined. At t

e front of th

n coefficient 

s.  In  this  re

tt  [BAW,  20

after 7 days

cient: 

h partially im

ete specime

The primary

the  specime

is fitted to t

nship,  the  a

ording to DIN

stance  of  co

chlorides into

the end of t

he free chlor

is calculate

esearch,  th

012].  The  p

s of beginnin

50

mmersed in 

en within a 

 force that 

en mass  is 

the plot of 

absorption 

N EN ISO

oncrete  to 

o concrete 

the voltage 

ride ions is 

d from the 

e  chloride 

enetration 

ng the test. 

Page 69: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

   With 

Where: 

Dcl: Z: F: U: R: T: h: xd: t: erf ‐1: cd: co: 

Figure 3[BAW, 20

3.4.4 C

3.4.4.1

The effe

water di

weight s

constant

ls and metho

2

migration cvalency, forFaraday conabsolute pogas constanabsolute mheight of thmean peneduration ofinverse errochloride cochloride co

3.16: Determ12]

Concrete m

Effective p

ective porosi

isplacement

should be m

t weight. Fr

ods 

coefficient (mr chloride ionstant, F = 9otential diffent, R = 8.315ean temperhe test specitration deptf the test (s) or function  ncentration ncentration 

mination of c

microstructu

porosity

ity which is 

t. The sampl

easured. Th

om  the kno

 

12

m2/s) ns z = 1 9.649*104 J.erence (V)5 J* (K*mol)‐

ature of themen (m)th of the chl

at which thof the potas

chloride diff

ure

accessible b

es must be 

hen, the satu

owledge of  t

 

(Volt.mol)‐1

1

e solutions d

oride ions in

e colour chassium hydro

fusion coeffi

by water has

saturated u

urated samp

the weight  i

uring the te

n each half o

anges, cd = 0oxide solutio

cient

s been meas

under water 

ples are dried

in both dry 

(3

(3

st (K)

of the test sp

0.07 (mol.l‐1)on (mol.l‐1)

sured using 

at least for 

d in oven at

(mdry) and s

3.4)

3.5)

pecimen (m)

the simple 

24 hours an

t 105 °C with

saturated st

51

method of 

nd the wet 

h dry air to 

tates  (msat) 

Page 70: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

and  the 

equation

3.4.4.2

The heliu

inside th

Concrete

concrete

pycnome

the open

 

Where  ε

sample b

Figure 3

3.4.4.3

The prin

the pore

ls and metho

weight und

n: 

o

Helium py

um pycnom

he pores  is s

e  specimen 

e  pieces  we

etry  (microm

n porosity ca

ε  is  the  tota

by its volum

3.17: Helium

Mercury in

nciple of this

es of a dried

ods 

der water  (m

sat

sat

m

m

ycnometry

etry is a dev

substituted 

is dried at 

ere  finely  gr

metrics)  to 

an be calcula

(1

al  porosity, 

e), ρs is the s

m pycnometr

ntrusion po

s technique 

d and evacu

msub),  the ef

sub

dry

m

m

vice used to 

by helium a

105  °C with

round  (<  0.

measure dir

ated by the f

)s

b

ρb  is  the  b

specific den

ry device us

rosimetry (

is based on

ated porous

 

ffective por

measure th

and the amo

h dry air  to 

063 mm).  T

rectly  the  sp

following eq

ulk  density

sity, (determ

sed to meas

(MIP)

n penetratin

s medium. T

osity  (εo)  ca

e specific de

ount of the  i

constant w

Then  the  sa

pecific dens

quation: 

(calculated

mined by usi

sure the spe

g a non‐rea

The dried sa

an be  calcul

(3

ensity of por

inert gas  is d

weight. Samp

amples  wer

ity. By know

(3

by  dividing

ng helium p

 

ecific densit

cting  liquid 

mple  is plac

ated by  the

3.6)

rous materia

detected [Kr

ples of abou

e  sent  to  t

wing  the bu

3.7)

g  the  dry m

pycnometer)

ty of concret

such as me

ced  into a d

52

e  following 

als. The air 

rus, 1997]. 

ut 5‐7 g of 

the  helium 

ulk density, 

mass  of  the 

.  

te

ercury,  into 

ilatometer 

Page 71: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

and evac

(Porosim

used  to 

expresse

Where: 

applied 

measure

Figure 3concrete

3.4.4.4

It is a the

measure

phenom

provide 

ls and metho

cuated. The 

meter 2000 W

calculate  th

ed as: 

r(

r  is the  rad

pressure  (b

ements proc

3.18: Mercue

Thermal g

ermal analys

ed  as  a  func

mena,  such  a

informatio

ods 

pressure is 

WS  ) where

he porosity. 

mp

cos..2(

ius of  the  in

bar),  and  θ 

cedures can 

ry intrusion

gravimetric

sis method i

ction  of  inc

as  phase  tra

on  about  c

then raised 

 the pressur

The  relation

ntruded por

is  contact  a

be found in 

porosimetr

analysis (T

in which cha

creasing  tem

ansitions  inc

chemical  ph

 

to atmosph

re  is monito

nship betwe

re  (nm),  γ  is 

angle  betwe

[Gluth, 2011

ry to measu

TGA)

anges in phy

mperature.  T

cluding  vapo

henomena 

eric pressure

ored automa

een  the pore

surface  ten

een mercur

1]. 

ure the poro

ysical and ch

TGA  can  pro

orization  an

including  c

e before it is

atically. The 

e  size and  th

(3.8) 

nsion of me

ry  and  the 

 

osity and po

emical prop

ovide  inform

nd  desorptio

chemisorpti

s fitted to th

Washburn e

he exerted p

rcury  (N/m)

pore walls. 

ore size dist

perties of ma

mation  abou

on.  Likewise

on  dehydra

53

he machine 

equation  is 

pressure  is 

), pm  is  the 

Details  of 

tribution of

aterials are 

ut  physical 

e,  TGA  can 

ation  and 

Page 72: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Material

decomp

and  the

measure

(TherMa

and afte

Figure 3

 

ls and metho

osition. As t

  weight  pe

ement  proc

ax 700)  is us

r autoclavin

3.19: Therm

ods 

the tempera

ercentage  of

edures  can

sed to meas

ng for 50 cyc

ogravimetry

ature  increa

f  each  resu

  be  found 

ure the CH 

les. 

y to measur

 

ses, various

ulting  mass 

in  [Ramac

content of d

re the weigh

 component

change  can

chandran,  2

different cem

ht loss of co

ts of the sam

n  be  measu

2001].  In  th

ment pastes

 

oncrete sam

mple are de

ured.  More 

his  investiga

s at normal 

ple with hea

54

ecomposed 

details  of 

ation,  TGA 

conditions 

ating

Page 73: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     55 

 

4. Optimizing a high dense concrete mixture

4.1 Introduction

When a concrete wall subjected to hydrothermal cycles, water and vapour try to penetrate the wall. 

The penetration rate depends mainly on the temperature and pressure of the water and vapour as 

well as on  the microstructure, durability and porosity of concrete. The aggregate,  the matrix, and 

the  interface  between  them  affect  concrete  porosity, microstructure  and  durability.  The matrix 

depends  not  only  on  water/cement  ratio  but  also  on  the  granulometry  and  reactivity  of  the 

cementitious material. Therefore, in this research, concrete mixture optimization is primarily based 

on three fundamental mechanisms:  

1‐ Maximizing the packing density of solid particles. 

2‐ Designing a dense cement matrix.  

3‐ Densifying the interfacial transition zone.  

Unlike normal concrete,  it  is no  longer  sufficient  to base  the mix  composition on  the principle of 

compressive strength and w/c  ratio  relationship. For  the sake of developing high dense concrete, 

the  above  mechanisms  has  been  optimized.  In  this  chapter,  detailed  description  of  these 

mechanisms  and  their  influence  on  concrete  performance  and  properties  will  be  introduced. 

Moreover, explanation of how  these mechanisms can be optimized will be given.  In addition,  the 

design and composition of 23 different mixes will be presented. The packing density of all concrete 

mixes  has  been  calculated  using  Rene  LCPC  software which  based  on  the  compressible  packing 

model  (CPM).  For  these  calculations,  the  packing  density  of  all  concrete  constituents  has  been 

measured and used as input for this model. At the end of this chapter, the measured properties of 

fresh concrete including workability, air content and density will be presented and discussed. 

4.2 Maximizing the packing density of solid particles

Excellent concrete can be made with a wide range of aggregate grading. Obviously, there are limits 

of grading outside which it is not possible to make good concrete, but by choosing homogeneously 

graded mixtures,  it  is possible to achieve the desired concrete mix within the desired borders. The 

concrete mixture volume composed generally of about 65 – 80 % of aggregate and about 15 – 30 % 

of water  and  binder  [Rached,  2009].  The  importance  of  aggregate  gradation  can  be  clarified  by 

considering  concrete  as  a  softly  compacted  cluster  of  aggregate  particles  bonded  together with 

cement paste [Mindess, 2003]. The properties of aggregate have crucial effects on the performance 

of fresh and hardened concrete. The chemical composition of the aggregate is usually less important 

than the physical characteristics, such as volume, shape, size, and grading. Therefore, the aggregate 

should be chosen mainly on the base of its physical properties and to a lesser extent on its chemical 

Page 74: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     56 

 

characteristics. The proper sieve distribution and packing of aggregate particles, together with other 

particles  in  the mix,  is  the  direct  and  systematic  way  to  ensure  the  high  density  of  hardened 

concrete. Spherically shaped grains are considered as more advantageous compared to the angular 

shaped aggregates. The porosity increases from 40 to 60 % when the angularity factor of aggregate 

is  doubled  [Nehdi,  1998].  Round materials  like  gravel  give  a  denser  concrete  than  broken  stone 

[Fuller, 1907]. The maximum grain diameter should be accurately chosen to improve workability and 

to  reduce  stress  concentrations.  Increasing  the  maximum  aggregate  size  is  considered  as  an 

advantage  for  some  concrete  properties  and  a  disadvantage  for  some  others.  Increasing  the 

maximum  aggregate  size  reduces  the  paste  requirement  for  the mix. Moreover,  the  smaller  the 

average  size  of  aggregate,  the  lower  the  packing  of  aggregate  [Powers,  1968; Mindess,  2003]. 

However, large aggregate sizes increase the internal stresses and this tends to reduce the strength. 

Nevertheless,  Larrard  stated  that with an aggregate  size of 25 mm  it  is possible  to produce high 

performance concrete with compressive strength up to 130 MPa at 28 days [Larrard, 1999]. Results 

of studies on the effect of the maximum aggregate size on the strength of HPC are mixed. Large size 

aggregates  can  reduce  the  water  demand,  which  leads  to  a  considerable  increase  in  concrete 

strength.  On  the  other  hand,  the  use  of  small  size  can  eliminate  internal  defects  in  aggregate 

particles  and  results  in  a  smaller  cement  paste/aggregate  transition  zone,  which  enhances  the 

concrete mechanical properties. However  for HPC,  the aggregate/cement paste bonding must be 

strong  enough  to  transfer  significant  stress  to  the  aggregate.  The  failure  going  through  the 

aggregate particles are commonly observed on the surfaces of HPC specimens. Hence, the aggregate 

can become the weak  link, and may represent the  limiting factor for the strength of the concrete. 

On the other hand, concrete durability can also be improved with increasing the maximum aggregate 

size because there will be less paste subjected to the chemical or physical attack [Mindess, 2003]. 

 

In this research, the concrete mixture proportioning  is based on the granular optimization of solid 

content by means of the Ideal Fuller curve (Figure  4.1). Compared to the well‐known Fuller parabola 

for the highest density of aggregate, the Ideal curve has a higher content of fines and a lower coarse 

aggregate content as can be observed  in Figure  4.1. The packing density and the concrete mixture 

proportioning will be calculated on the basis of the grading of all concrete constituents, not only the 

aggregate grading. Brouwers stated that whilst the packing of the aggregate plays a major role, the 

packing of all solid particles  in the concrete mix should be the basis for the mix design [Brouwers, 

2005]. In this investigation, in order to reduce the water demand and cement content, and at the same 

time to hold the micro‐cracks as low as possible, the maximum grain size was taken as 16 mm. According 

to  the  Ideal  Fuller  curve,  the  required aggregate  volume  (d > 125 µm)  is 85.13 %, whereas  the  fine 

materials content (d < 125 µm) is 14.87 % by volume.  

Page 75: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     57 

 

 

Figure 4.1: The grading curve of aggregates and binder according to Ideal Fuller curve According to [Fuller, 1907]

 

Figure 4.2: Comparison of Ideal Fuller with the standard grading lines of aggregate According to DIN 1045-2

Figure  4.2  shows  the  grading of  aggregate  according  to  Ideal  Fuller  curve  compared  to  standard 

areas A, B, and C according  to DIN 1045‐2.  It  is clear  that,  the curve has a  little bit higher coarse 

aggregate content than the grading line A (from 4 to 16 mm), however, at lower sizes, the curve has 

higher  fine material content  (< 2 mm). These  fines are needed  to maintain good cohesion and  to 

prevent segregation. In the fresh state, high powder content is necessary for a stable fresh concrete 

that does not segregate during installation and in which the coarse aggregate does not settle after 

compaction [Nischer, 2007]. The better the particle size distribution of concrete mixture, the lesser 

the required powder for a stable fresh concrete. The increase in powder will improve the stability of 

fresh  concrete only when  it does not  adversely  alter  the particle  size distribution  in  the powder 

9.53 12.0114.87

18.5423.29

29.1435.22

44.47

62.98

4.49 6.25 8.8412.5

17.6825

35.36

50

70.71

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16

Passing % (volume)

Size (mm)

Ideal Fuller curve

Fuller parabola

88

74

62

49

34

18

7

76

56

42

32

20

85

60

36

2112

832

100

3030

30

56.5

34.77

23.916.769.9

4.3130

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16

Passing % (Volume)

Size (mm)

C

B

A

U16

Ideal Fuller

Page 76: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     58 

 

range. However, high  amounts of particles  smaller  than 0.001 mm  (e.g. micro  silica)  in  concrete 

frequently do not  lead  to an  improvement  in  fresh  concrete  stability, because  in  this  case,  large 

amount of water and/or superplasticizer is required.  

 

In this investigation, to get a good size distribution, the skeleton of aggregate size fractions should 

be viewed as a whole rather than two separate entities; coarse and fine aggregate. The combination 

of well  graded  coarse  aggregate  and well  graded  fine  aggregate  considered  separately  does  not 

necessarily result in a well graded aggregate mix. Coarse and fine aggregate as they come from the 

quarry do not normally have size distributions that fit the dense packing curve. So, the addition of 

“correcting” aggregates could help to reduce excesses or deficiencies in some sizes [Quiroga, 2003].

Because of the bad grading of the natural aggregates,  it  is difficult  to achieve  the highest packing 

density as can be seen in Figure  4.3. It is obvious on the curve that there are some gaps between the 

concrete mixture and the Ideal Fuller curve. Sometimes the mixture is higher as in the range of 0.5 ‐ 2 

mm, therefore in the mixes preparation, sieve analysis of aggregate was done and the required amount 

of each size has been taken. On the other hand, the mixture has lower content of particles in the size 

range 0.063 ‐ 0.25 mm, therefore, quartz sand and quartz powder has been added to close this gap.  

 

Figure 4.3: The grading curve of non-optimized concrete mixture and the Ideal Fuller curve

4.3 Designing a dense cement matrix

4.3.1 Introduction

Concrete can be considered as a composite material whose microstructure is randomly arranged. 

It consists mainly of aggregate and cement paste and  in between  the  interfacial  transition zone 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16

Passing % (volume)

Size (mm)

Ideal Fuller curve

Mixture without optimization

Page 77: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     59 

 

(ITZ). Similarly, cement matrix can also be considered as a random composite material, made up 

of  unreacted  cement,  C‐S‐H,  CH,  capillary  pores,  and  other  chemical  phases  [Hilsdorf,  1995]. 

Properties of  cement matrix, particularly porosity and microstructure have a great  influence on 

the durability and strength of concrete. All transport processes depend primarily on the properties 

and  structure  of  the  hydrated  cement  paste  [Neville,  2004],  which  are  related  mainly  to  its 

porosity and pore size distribution. The latter relies on the packing density of the cement particles 

and fine materials as well as on the filling ability of the hydration products. The reduction in pore 

size  results  in  a  significant  decrease  in  transport  properties  like water  permeability  and  ionic 

diffusion,  which  are  often  the  rate  limiting  properties  in  chemical  attack.  In  addition  to  the 

durability,  the  strength  of  concrete  is  fundamentally  a  function  of  the  volume  of  voids  in  it 

[Neville,  2004].  The  strength of  the  cement matrix  is  governed by  the packing  density  and  the 

homogeneity of the cement particles and fine materials; an increase of 40 % in strength could be 

obtained just by adjusting the particle size distribution of the cement [Nehdi, 1998]. The strength 

and durability of concrete depend essentially on the dense packing of cement matrix as well as on 

the  hydration  products  characteristics.  The  effect  of  these  two  parameters  on  cement  and 

concrete properties will be explained in the following sections. 

4.3.2 Dense packing of cement matrix

Understanding  the  filling mechanism  of  particles  can  help  to  design  durable  high  performance 

concrete mixture with high density. The packing density of cement powder alone  is  relatively  low 

because of its narrow particle size distribution which makes the inter‐particle voids bigger. Systems 

with the same particle sizes have high porosity and  low density. The use of various  fine materials 

with different particle size distributions such as quartz powder, fly ash and silica fume largely affects 

the  voids  content within  the  cementitious materials mixture. The efficiency of  these materials  in 

filling up the voids or in improving the packing of the system is dependent mainly on their fineness 

and  particle  shape.  In  general,  a  broader  range  of  particle  size  distribution  would  yield  higher 

packing  density.  This  is  because with  a  broader  range  of  particle  size  distribution,  the medium 

particles would fill up the voids between the large particles, and the fine particles would fill up the 

voids between the medium particles and the very fine particles would fill up the voids between the 

fine particles and so on, leading to the removal of more voids by the successive filling effect. Particle 

system with a larger range of particle sizes can pack together in more efficient way than one with a 

smaller range and as a result less space for water is remained [Moosberg, 2004]. Furthermore, the 

improved  gradation  of  the  binder  particles  provides  a  lubrication  effect  through  decreasing 

aggregate interlocking.  

 

Page 78: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     60 

 

On the other hand, the addition of too much filler may have a reveres effect on the system due to 

the reduction of the packing density. The reason for that lies in the high surface area of these fillers 

which  need more water  to maintain  the  required workability. However,  in  order  to  prevent  the 

flocculation  and  reduce  the  amount  of  mixing  water,  superplasticizer  which  has  dispersing 

properties shall be used. Superplasticizer  is more efficient  in a dense particulate system with high 

surface  area,  and  has  only  limited  effect  in  a  porous  low‐density  system.  A  combination  of  an 

appropriate  superplasticizer  dosage  to  ensure  optimal  dispersion  of  fine  particles  and  an 

appropriate filler content to fill up the voids between bigger particles, can dramatically enhance the 

packing and densify the microstructure of HPC.  

4.3.3 Hydration products characteristics

The structure of hardened cement paste is created after the transition from a fluid to a rigid phase 

with  the progress  in hydration of cement components.  It  is a continuous process  that starts after 

mixing cement with water and  lasts a  long time with a decreasing rate. Hardened cement paste  is 

the product of  the hydration process which  fills  the voids between aggregate grains and binds all 

elements of  the concrete microstructure  together. During  the hydration process,  the size and  the 

continuity  of  the  pores  control  the  permeability  of  the  hardening  concrete.  The  hydration  of 

Portland cement produces generally about 50 to 70 per cent by volume of calcium silicate hydrates 

(C‐S‐H) which are very good binding materials at normal temperature. In addition, calcium hydroxide 

crystals (CH, also called portlandite) constitute about 20 to 25 per cent of the volume of solids in the 

hydrated  paste.  In  contrast  to  the  C‐S‐H,  calcium  hydroxide  is  a  compound  with  a  definite 

stoichiometry, Ca(OH)2. It tends to form as thin long crystals of hexagonal plates with size of tens of 

µm  across  [Ramachandran,  1996].  The morphology  usually  varies  from  nondescript  to  stacks  of 

large  plates,  and  is  affected  by  the  available  space,  temperature  of  hydration,  and  impurities 

present in the system. Compared to C‐S‐H, the strength‐contributing potential of calcium hydroxide 

is  limited as a result of a considerably  lower surface area.  It  is a very weak material  that adds no 

structural  strength  to  concrete.  The  presence  of  large  calcium  hydroxide  crystals  reduces  the 

adhesion capacity, not only because of  the  lower surface area and correspondingly weak van der 

Waals  attraction  forces,  but  also  because  they  serve  as  preferred  cleavage  sites  owing  to  their 

tendency to form an oriented structure [Mehta, 2006]. Because of its increased crystallinity degree 

and the high density, calcium hydroxide contains an extensive network of capillary pores.  It  is the 

major factor responsible for the poor strength of the interfacial transition zone in concrete and the 

initiation of micro‐cracks.  Its presence contributes  to  increased porosity, efflorescence, decreased 

aggregate/cement  paste  bond  and  decreased  concrete  durability  [Lamond,  2006].  Calcium 

hydroxide is a highly soluble material, thus, pastes that have a high content of calcium hydroxide are 

likely  to  be  more  prone  to  leaching  and  efflorescence  and  to  have  a  greater  potential  for 

Page 79: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     61 

 

deterioration  in  severe  environment  [Mindess,  2003].  Leaching  of  calcium  hydroxide  provides  a 

point of entry for aggressive agents by increasing permeability and diffusivity, as well as weakening 

the matrix. This  leaching out creates several channels available  for the  ingress and penetration of 

water and deleterious substances inside the concrete [Siddique, 2011]. Under severe continued 

conditions, depletion of the calcium hydroxide destroys and breaks down the normal structure 

of  the  hardened  cement  paste,  resulting  in  softening  of  the  mortar  and  poor  strength  of 

concrete [Hewlett, 2003]. Regarding mechanical properties and durability, reducing the calcium 

hydroxide content  is considered as an advantageous because  it has several detrimental effects 

as mentioned above. 

4.3.4 Optimizing a dense cement matrix

From  the above discussion,  it  is  clear  that most of  concrete problems  come  from  cement paste. 

Therefore, concrete durability can be  improved significantly by using low amount of cement  in the 

mix. This can be achieved by applying packing density theory  in the mix design. Using  low cement 

content helps  to  reduce  the  chemical  contraction, and  reduces  the generation of hydration heat, 

which could cause thermal cracking in the structural elements. More enhancements can be attained 

by the use of cements containing blast furnace slag. These cements, in contrast to ordinary Portland 

cement, show  lower permeability,  lower hydration heat,  lower effective alkali content, and  lower 

steel corrosion. The beneficial effects of blast furnace slag arise from the significant decrease in CH 

content. The slag retains the alkali and CH in its hydration products (i.e. C‐S‐H) which in turn lead to 

formation of denser microstructure of hydrated cement paste. That mean more of the pore space 

being filled with C‐S‐H than in Portland‐cement paste [Siddique, 2011]. Furthermore, the hydration 

process of slag cement is very slow compared to ordinary Portland cement. Thus, the formed C‐S‐H 

phases are strong and thick and the hydration heat is low, however, in the case of Portland cement, 

the hydration heat is high, causing thermal cracking, and the formed C‐S‐H phases are long and thin. 

Generally,  the  use  of  slag  results  in  a  hardened  cement  paste with  denser microstructure  and 

smaller pore  sizes  than equivalent OPC paste,  thus durability  aspects; porosity, permeability and 

ionic diffusivity, are notably reduced [Virgalitte, 1995].  

 

The use of fine materials basically enhances the durability and strength of concrete. They affect the 

concrete microstructure  in  different ways.  On  the  physical  level  (filler  effect), when  the  added 

particles  fill  the  voids between  cement  particles  and  thus  improve  the  compactness  of  concrete 

mixture. On  the  chemical  level,  the  fine particles may provide nucleation  sites  for  the  growth of 

hydration products. Consequently,  the microstructure of  concrete will be more homogenous and 

denser.  Further  improvement  could be  gained  if  the  filler  itself  is pozzolanic. Mineral admixtures 

with pozzolanic activity such as fly ash and silica fume are used extensively for improving concrete 

Page 80: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     62 

 

properties. The  improvements  in durability and mechanical properties result from the reduction  in 

calcium  hydroxide  content  and  changes  in  pore  structure.  The  pozzolanic materials modify  the 

microstructure  of  hydrated  cement matrix  perfectly.  It  produces  excess  amount of  the  strength‐

forming hydrates, C‐S‐H. The  increased content of C‐S‐H  leads  to more homogeneous and denser 

microstructure. Moreover, in the pozzolanic reaction, the capillary water and the calcium hydroxide 

are  largely consumed,  therefore,  further  reduction of capillary porosity occurred and hence more 

densification  of microstructure  is  achieved.  In  addition  to  fly  ash  and  silica  fume,  quartz  can  be 

considered an  inert material, but finely ground quartz could also react  if  it has a very high surface 

area. The solubility of quartz depends mainly of the temperature, particle size and the alkalinity of 

the medium. It is reported that the dissolution rate of quartz is approximately 2 ‐ 3 times higher at 

pH value of 12 compared to pH value of 7 [Moosberg, 2004].  

 

In this investigation, in order to achieve dense and homogeneous cement matrix, it is suggested to 

use CEM III/B 32.5 N‐LH/HS/NA with slag content of about 68 %. To evaluate the performance of this 

cement compared to ordinary Portland cement, OPC with two different strength classes have been 

used,  CEM  I  42.5  N,  CEM  I  32.5  R.  Furthermore,  to  study  the  influence  of  slag  content  on  the 

behaviour and properties of concrete, slag cement CEM/III A 32.5 N‐LH/NA with lower slag content 

(about 50 %) has been used. On the other hand, in order to enhance the packing density of cement 

matrix, different fine materials have been implemented. Several pozzolanic materials with different 

particle  sizes, shapes, and  reactivity  including  fly ash,  fine  fly ash  (M10 and M20) and silica  fume 

have been  implemented. Quartz sand and quartz powder were used as  fillers to densify the matrix 

and to close the gaps between cement and aggregates.  

4.3.5 Optimization of water/binder ratio

The durability of concrete cannot be characterized with a uniform value, but the impermeability of 

concrete against water and gases is always of the most crucial aspects. The transports of liquids and 

gases, which can be harmful to concrete, occur exclusively through the capillary pore system of the 

cement matrix.  Accordingly, minimizing  the  volume  of  capillary  pores  is  of  vital  importance  for 

concrete impermeability and durability. It is theoretically known that, capillary pores begin to form 

at a water/cement ratio higher than 0.42 [Neville, 2004]. On the other hand, the added water should 

be sufficient to achieve the required consistency class. Therefore, in this research, the water/binder 

(w/b)  ratio  has  been  chosen  in  the  range  of  0.27  to  0.42.  The  effectiveness  factor  (k  factor)  is 

assumed to be 0.4 and 1 for fly ash and silica fume respectively.  

Page 81: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     63 

 

4.4 Densifying the interfacial transition zone

The interface is known as the region of direct contact between two materials or two phases [Brandt, 

2009].  In general,  interfacial transition zone  is a region up to 50 µm wide around each aggregate, 

containing higher porosity and  larger pores  than  the bulk cement paste. According  to Neville,  the 

microstructure  of  the  interface  zone  consists  of  a  thin  layer  of  CH  crystals,  about  0.5  µm  thick, 

covers  the  surface of  aggregate, behind which  there  is  a  layer of C‐S‐H with  the  same  thickness 

[Neville, 2004]. Moving further away from the aggregate, there is the main interfacial zone, with 50 

µm  thick. The properties of  the  interface are  related mainly  to  the  texture and  roughness of  the 

particles surfaces, their purity, the ability of wetting of material with the other, volume fraction of 

all components, type of aggregate, maximum and minimum size of aggregate, and the particle size 

distribution of the constituents  [Brandt, 2009]. The transition zone  is the weakest  link  in concrete 

under mechanical action, and the first micro‐crack starts in it before propagation from aggregate to 

aggregate.  It  is  also  the  favourite  place  for  penetration  of  aggressive  components.  Therefore, 

chemical and microstructural  characteristics of  the  interfacial  zone between paste and aggregate 

have  important  influences on  the durability and mechanical properties of concrete. The  interface 

zone occupies one‐third to one‐half of the total volume of hardened cement matrix in concrete and 

its microstructure is totally different from that of the bulk hydrated cement paste [Neville, 2004]. It 

has less unhydrated cement, lower density, high porosity. The pores are generally larger than those 

formed  in the bulk paste.  It was also observed that, this region contains  less C‐S‐H,  large oriented 

crystals  of  CH,  and  high  concentration  of  ettringite  [Mindess,  2003].  The  morphology  of  the 

transition zone  in normal concrete  includes  large and continuous voids  formed around  the coarse 

aggregate. The porosity of  the  transition zone  is higher  than  that of  the bulk cement matrix,  it  is 

about 3 times higher than the bulk porosity. Within the  interface zone, the porosity  is higher near 

the aggregate and decreases with increasing distance from the aggregate down to the bulk cement 

porosity. The aggregate concentration plays a crucial role on the properties of the transition zone. 

At  low  aggregate  concentration,  transport  properties  are  dominated  by  the  bulk  cement matrix 

properties. However, increasing the aggregate content tends to bind interfacial zone close together 

and they become interconnected, which create continuous channel for gas and liquid movement. In 

this case, the transition zone may act as short circuit for diffusion of ions.  

 

The weakness  and high porosity of  this  ITZ  can be  attributed  to different  reasons. One of  these 

reasons is the  low packing density at this region. The particles cannot pack together in an efficient 

way as  in  the case of  free space. Since  the aggregate  is many  times  larger  than cement particles, 

aggregate  surface appears  locally  flat  to  the  surrounding particles. This  inefficient packing  causes 

less  cement  and  high  porosity  to  be  presented  initially  near  the  aggregate  surface,  and  this 

condition exists so even after hydration. The width of the  interfacial transition zone depends then 

Page 82: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     64 

 

mainly on median particle size of cement [Hilsdorf, 1995]. So, the use of coarse cement will increase 

the  thickness of  the  transition  zone and also  result  in  the presence of  large pores  in  this  region. 

During mixing, dry cement particles are unable  to pack efficiently around  the aggregate  surfaces. 

Thus, less cement is present to hydrate and fill the original void in this zone. Therefore, the interface 

zone has much higher porosity than the hydrated cement paste [Neville, 2004].  It  is also observed 

that, high concentration of  large crystals of CH are  found closed to the aggregate surfaces, where 

local bleeding  is  considered  to have been  likely  [Taylor, 1997]. Within  the  consolidation process, 

large  particles,  depending  on  their  size,  shape,  and  surface  texture  prevent  the  homogeneous 

distribution of water and  lime  in  fresh concrete. Because of this  localized wall effect, some water 

tends to accumulate at the surface of coarse aggregate particles, as bleed water. Then, the local w/c 

ratio in interfacial zone becomes higher than the w/c ratio in the bulk cement paste [Aïtcin, 2004]. It 

contains  products  of  cement  hydration  with  larger  crystals  of  CH  but  without  any  unhydrated 

cement. The complete hydration of cement can be considered as an indication of the high w/c ratio 

at  the  interface more  than elsewhere,  this  supports  the wall effect hypothesis  [Neville, 2004].  In 

addition to the poor packing density of particles on the aggregate surfaces, the one sided growth of 

hydration products can be considered as one of the reasons for existence of this zone. In this zone, 

the available porosity is filled with the hydration products, growing from one direction only, unlike 

the bulk paste where the products grow inward from all directions. Although composed of the same 

components and hydration products,  the microstructure and properties of  the  transition zone are 

different from the bulk cement paste. In fresh compacted concrete, water films cover the surfaces 

of large aggregate particles. This is due to the high w/c ratio closed to the large aggregate than that 

away  from  it. Therefore, ettringite and CH owing  to  form at  the high w/c  ratio. These  crystalline 

products in the vicinity of the coarse aggregate exist as relatively large crystals, which in turn form a 

more porous microstructure  than  in  the bulk cement paste  [Mehta, 2006]. The aggregate grading 

also plays an important role on the properties of the transition zone. During the compaction of fresh 

concrete,  segregation may  occur  in mixtures with  poorly  graded  aggregate,  accordingly,  a  thick 

water film can be formed on the aggregate surfaces especially beneath the particles [Mehta, 2006]. 

Accordingly, a transition zone with high porosity is produced and consequently high concentration of 

CH crystals aligns uniformly towards the aggregate surfaces.  

 

The interfacial transition zone (ITZ) is generally weaker than either of the two main components of 

concrete,  namely,  the  aggregate  and  the bulk  hydrate  cement  paste.  Therefore,  it  has  a  greater 

effect on the mechanical behaviour of concrete than it is reflected by its size [Mehta, 2006]. Because 

of the high porosity of the ITZ, the strength is very weak and it represents the position where micro‐

cracks begin to appear [Neville, 2004].  It  is also found that concrete toughness depends mainly on 

the  fracture  toughness  of  aggregate‐cement  paste  interface  and  is  less  affected  by  the  fracture 

Page 83: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     65 

 

toughness  of  the  hydrated  cement  paste  [Hillemeier,  1977].  The  differences  between  the 

microstructures of transition zone and bulk cement matrix play an important role in determining the 

mechanical  properties  of  concrete  [Aïtcin,  2004].  In  ordinary  concrete,  the  ITZ  has  less  crack 

resistance than either hydrated cement paste or the aggregate due to high concentration of  large 

crystals of calcium hydroxide which makes this zone as the weakest link in concrete. In addition, this 

zone subjects to the greatest stress due to differences in elasticity and Poisson ratio between bulk 

cement matrix and aggregate, thus the fracture occurs preferentially in this zone. Therefore,  it has 

the largest content of pores and micro‐cracks which affects the overall performance of concrete. 

 

The  effect  of mineral  admixtures  on  enhancing  the microstructure  of  interfacial  transition  zone 

depends  substantially  on  their  reactivity  and  particle  size  distribution,  assuming  an  efficient 

dispersion  of  fine  particles  [Hilsdorf,  1995].  The  small  sized  pozzolanic mineral  admixtures  can 

basically  offset  the  wall  effect  whereas  they  have  not  any  influence  on  the  one‐sided  growth 

phenomena. Moreover,  they  offer  an  additional  benefit  by  converting  CH  into  larger  volume  of 

pozzolanic C‐S‐H. The filler effect is assumed to be the result of the fine and spherical shape of fine 

particles.  These  particles  eliminate  bleeding  and  can  be  packed  efficiently  at  aggregate  surfaces. 

Thereby, they can prevent the formation of water filled voids around the aggregate. By substituting 

cement with SF, slag, fine fly ash, a smaller transition zone with  lower CH content can be formed. 

The incorporation of fine pozzolanic materials modifies the microstructure of the transition zone to 

be  like  that of  the bulk cement matrix. By  the addition of pozzolanic materials,  the  reaction with 

calcium  hydroxide  starts  very  quickly  and  additional  C‐S‐H  is  formed making  the  ITZ  denser.  It 

increases  also  the  internal  cohesion  of  fresh  concrete;  reducing  the  bleed  water  and  the 

accumulation of bleed water beneath the coarse aggregate particles. As a result, CH concentration 

at the paste aggregate interface is significantly reduced. In addition, the thickness of ITZ is reduced 

as the amount of fine pozzolans increases.  

 

In this research,  in order to produce high performance concrete with dense  interfacial zone, several 

supplementary materials have been used and  tested. Fly ash and  fine  fly ash  (M10 and M20) have 

been used  as pozzolanic materials  to  strengthen  the  transition  zone  and  to  reduce  its porosity.  In 

addition, silica fume was also used for the same target and to compare its influence with that of fly ash 

and  fine  fly  ash.  As mentioned  before,  fine materials  can  enhance  the  packing  at  the  aggregate 

surfaces, but  it does not have any  role  to modify  the one‐sided growth of  the hydration products. 

Therefore, to reduce this effect, a certain sequence of adding the concrete constituents into the mixer 

has been used as can be seen in figure 3.8. It is suggested that, after adding the aggregate, it is useful 

to add some water (about 30 % of the mixing water) to moisten the aggregate surfaces and then adding 

the fine materials. By this sequence, the fine materials stuck well to the aggregate surfaces and reduce 

Page 84: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     66 

 

the  porosity  of  ITZ  and  as  a  result  the  concentration  of  calcium  hydroxide  in  this  area  will  be 

considerably reduced. 

4.5 Mix design and mixes composition

Based on the above discussions, several mixes have been designed and tested. The following steps 

have been applied in concrete mix design.  

1. Determination  of  the  maximum  aggregate  size  considering  its  effect  on  water  and  binder 

content as well as on the hardened concrete properties (in this research 16 mm). 

2. Calculating the solid materials fractions using the Ideal Fuller curve (Figure 4.1) which applied for 

both aggregate and binder (for 16 mm, aggregate content is 85.13 % and binder content is 14.87 

% by volume). 

3. Choosing  the  aggregate  grading  that  fit  the  curve  in  order  to  achieve  the maximum  packing 

density. 

4. Selecting the cement type to control chemistry of the hydration products (CEM III/B was chosen, 

and for comparison, CEM I and CEM III/A were also applied). 

5. Optimization  of  the  binder  proportioning  (<  0.125  mm)  by  using  various  supplementary 

materials,  type  and  content,  in  such  a  way  that  maximum  packing  can  be  attained 

(granulometric viewpoint), meanwhile, dense and durable cement matrix microstructure as well 

as thin and dense interfacial transition zone can be achieved (chemical viewpoint).  

6. Determination of the required  fillers addition  (quartz sand and quartz powder) to  fill  the gaps 

between the mixture and the targeted curve and to make the mixture fit the curve as exact as 

possible.  

7. Calculating  the water  content  from  rheological,  physical  and  chemical  points  of  view  (w/b   

0.42, in order to reduce the capillary porosity as low as possible). 

8. Adapting  the  superplasticizer  dosage,  that  is  compatible  with  the  used  cement,  to  get  the 

required consistency, and to enhance the packing density of fine materials.  

In order to achieve the target of this part, produce high dense concrete and compare the effect of 

different cementitious materials on the properties of concrete, 23 mixes have been prepared. Table 

4.1 shows the composition of all concrete mixes.  

 

 

 

   

 

 

Page 85: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     67 

 

Table 4.1: Composition of concrete mixes

Mix 

Cementitious materials composition (wt.%) 

SP (wt.%)

Aggregatekg/m3 

QP kg/m3 

QS kg/m3 

 w/b ratio  

Cement FA  M20  M10 SF 

Type  % 

1  CEM III/B  100          0.7  1854  46  84  0.42 

2  CEM III/B  70  30        1  1854  46  84  0.42 

3  CEM III/B  70    30      1  1854  46  84  0.42 

4  CEM III/B  70      30    1  1854  46  84  0.42 

5  CEM III/B  70    15  15    1  1854  46  84  0.42 

6  CEM III/B  70  20  5  5    0.9  1854  46  84  0.42 

7  CEM III/B  90        10  0.7  1854  46  84  0.42 

8  CEM III/B  65  25      10  1.1  1854  46  84  0.42 

9  CEM III/B  65    12.5  12.5 10  1  1854  46  84  0.42 

10  CEM III/B  65  15  5  5  10  1  1854  46  84  0.42 

11  CEM I 42.5 N  100          0.87  1854  46  84  0.42 

12  CEM I 42.5 N  70  20  5  5    1  1854  46  84  0.42 

13  CEM I 42.5 N  70    15  15    1.8  1854  46  84  0.42 

14  CEM I 42.5 N  65    12.5  12.5 10  2.2  1854  46  84  0.42 

15  CEM I 42.5 N  65  15  5  5  10  1.9  1854  46  84  0.42 

16  CEM I 42.5 N  90        10  1.2  1854  46  84  0.42 

17  CEM III/A  65    12.5  12.5 10  1.7  1854  46  84  0.42 

18  CEM I 32.5 R  100          0.87  1854  46  84  0.42 

19  CEM I 32.5 R  65    12.5  12.5 10  1.4  1854  46  84  0.42 

20  CEM III/B  67    12.5  12.5 8  1.8  1887  45  86  0.36 

21  CEM III/B  67    12.5  12.5 8  4  1947  48  88  0.27 

22  CEM III/B  70    15  15    3  1885  47  86  0.36 

23  CEM III/B  70    15  15    4  1947  48  88  0.27 

FA: fly ash M20: fine fly ash M10: fine fly ash SF: silica fume SP: superplasticizer QS: quartz sand QP: quartz powder W/b: water/binder ratio 

 

Page 86: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     68 

 

4.6 Measuring the packing density

In order to ensure the high density of concrete, the compressible packing model (CPM) developed 

by  Larrard  has  been  used  to  predict  the  packing  density  of  the  concrete mixes  in  the  dry  state 

[Larrard, 1999]. This model is based on the concept of virtual packing density and compaction index. 

The virtual packing density  is the maximum possible density which occupies the minimum space  if 

the  particles  have  been  placed  one  by  one  (ideal  case). However,  in  practice  it  is  impossible  to 

achieve this density, usually the particles are randomly placed depending of the applied compaction 

energy. For example, the virtual packing density of a system of monodisperse spheres equals 0.74, 

while  the  actual  packing  density  that  can  be measured  in  a  random mix  is  close  to  0.60/0.64. 

Therefore,  the compaction  index K  is  introduced.  If K  tends  to  infinity,  the  real packing density αj 

tends  to  the  virtual  packing  density.  The  compaction  index  (K)  depends mainly  on  the  type  of 

compacting and is independent on the properties of the tested material (table 4.2). Two interaction 

effects have been considered  in  this calculation:  the wall effect exerted by coarser grains and the 

loosening effect exerted by the finer particles. The effect of particle shape and texture is indirectly 

included  via  measuring  the  actual  packing  density  experimentally.  Rene  LCPC,  commercially 

available  software  based  on  the  compressible  packing model,  has  been  used  to  determine  the 

maximum density or  the porosity of  the dry mixture. This  software  can calculate  the  compaction 

index  for  any mixture  at  a  given  porosity,  or  calculate  the  porosity  of  any mixture  at  a  given 

compaction  index. According to Larrard, after measuring the packing density of many samples, the 

error provided by this model is generally less than 1 % [Larrard, 1999]. The general equation of the 

compressible packing model which represents the virtual packing density of a mixture of n number 

of size classes with category i being the dominant is expressed as follow [Fennis‐Huijben, 2010]: 

jj

iij

n

ijjj

iiji

i

j

iti

rarb ]1[)]1

1(1[11

1

1

(4.1)

Where: 

ti = calculated virtual packing density of a mixture when size class i is dominant. 

i = virtual packing of size class i. 

rj = volume fraction of size class j. 

n = number of size classes in a mixture. 

j = the virtual packing density of size class j. 

For  a  single  size  particle  class  i  with  actual  packing  density  αj,  which  can  be  experimentally 

determined (section 4.7), j can be calculated by the following equation:    

)1

1/(kjj

(4.2)

Page 87: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     69 

 

The loosening effect aij and the wall effect bij can be calculated from the following equations: 

02.1)1(1i

jij d

da

(4.3)

50.1)1(1dj

db i

ij (4.4)

Where  

di is the diameter of dominant size class i. 

dj is the diameter of particle class j. 

tit

iinii

ni

rKK

/1/1

/11

(4.5)

 

The  packing  density  of  the mixture  αt  is  determined  indirectly  from  equation  4.5.  Based  on  the 

above  equations,  this  model  has  been  used  to  calculate  the  packing  density  and  porosity  of 

polydisperse mix,  from the knowledge of three parameters: packing density of monosized classes, 

particle  size  distribution  of  the  all  components  and  compaction  index  (K).  The  particle  size 

distribution of  fine and coarse aggregate has been determined using sieve analysis. However,  the 

particle size distribution of  the  fines has been measured using  laser granulometry as discussed  in 

chapter 3. In addition, to calculate the packing density of the mixture it is required to determine the 

actual packing density of each concrete component individually (αj).

Table 4.2: Compaction index (K) for different compaction methods according to [Larrard, 1999]

Implementation  Loose  Striking 

with a rod 

vibration  Wet 

packing 

Vibration with 

Comp. 10 kPa 

Virtual 

K  4.1  4.5  4.75  6.7  9  infinity 

4.7 Measuring the actual packing density αj

The maximum packing density of dry particles can be determined according to EN 1097‐3 for loose 

bulk  density  (which  incorporates  the  shape  and  surface  texture  effects).  External  loads  such  as 

consolidation  and  vibration  can  be  also  implemented  in  this method  to  determine  the  packing 

density at a certain compaction  level  [Fennis‐Huijben, 2010]. This method  is acceptable  for coarse 

and fine aggregates, where the gravitation forces and shear forces between particles are dominant. 

However,  for powders  (< 125 µm),  the  inter‐particle  forces become  increasingly  important. These 

forces  can  cause  agglomeration  of  particles,  and  lowering  the  packing  density.  Therefore,  it  is 

important to measure the packing density under the same conditions as when the particles would 

be  used  in  concrete, with water. On  the  other  hand,  the  addition  of  superplasticizer  alters  the 

Page 88: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     70 

 

microstructure  in  two  main  ways  [Larrard,  1999].  First,  it  deflocculates  the  fine  particles  and 

enhances the packing density of the system. Also, it can lubricate the solid surface, thus reduce the 

friction  forces  between  particles.  In  this  investigation,  two methods were  used  to measure  the 

packing  density  of  fine materials:  thick  paste method  developed  by  Larrard  as  well  as  Puntke 

method for measuring the water demand of fine materials. Details of these methods can be found in 

[Larrard, 1999; Puntke, 2002]. After determining the water demand, the following equation is used 

to calculate the maximum packing density αj for each material: 

p

wj

M

M

1000

1000

(4.6)

Where, Mw is the mass of water (kg), Mp is the mass of the powder (kg) and ρ is the powder density 

in kg/m3. 

4.8 Results of packing density

4.8.1 Packing density of fine materials.

The measured packing densities of all materials (αj) were used as  input for Rene LCPC software to 

calculate the packing density of all mixtures. Figure  4.4 shows the results of the maximum packing 

density measurements for fine materials according to Larrard (thick paste method). The wet packing 

densities  of  all  materials  were  measured  twice;  once  without  superplasticizer  and  once  with 

superplasticizer. The packing densities of all materials depend basically on shape, surface  texture, 

fineness  and  particle  size  distribution.  Certainly,  the  addition  of  superplasticizer  increases  the 

packing  density  for  all materials  as  can  be  seen  in  Figure  4.4.  This  is  attributed  to  the  role  of 

superplasticizer  in dissolving flocks and dispersing the particles, which results  in a  looser but more 

homogenous  particle  packing.  Due  to  the  high  inter‐particle  forces,  the  particles  cannot  fill  the 

spaces of  their own  classes without excess of water or  superplasticizer. Through  its action on  the 

surface, superplasticizer can partially  liberate the water that adsorbed as a surface  layer, but does 

not decrease  the amount of  free water. Thus,  the dispersion  influence of superplasticizer  is more 

manifest in dense particulate systems with high surface area, while in a porous low‐density system it 

has a limited efficiency [Moosberg, 2004]. Compared to the results of the wet measurement, the dry 

packing density  is  lower  for all  fine materials. The  reason  for  that  lies mainly  in  the  influence of 

inter‐particle  forces which  become  higher  as  the  particle  sizes  reduce.  These  forces  can  create 

agglomeration of particles and as a result the packing density is reduced. This effect is more visible 

in silica  fume which consists of particles  in  the size range of 0.1  to 0.5 µm.  In  the dry state, silica 

fume  has  the  lowest  packing  density which  is  20 %.  In  spite  of  its  spherical  shape,  the  packing 

density  of  silica  fume  is  not  as  high  as  that  of  fly  ash.  This  can  be  explained  probably  by  the 

Page 89: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizi

differenc

particle 

because

nearly th

differenc

(M20) ha

the inter

superpla

the fine 

prove fo

and silica

Figure 4

4.8.2 P

The pac

The  inpu

packing 

the max

packing 

packing 

attribute

10

20

30

40

50

60

70

80

Packing den

sity %

ing a high de

ces  in the p

forces.  On 

 of its partic

he same pro

ce  is  the pa

as lower pac

r‐particle for

asticizer, bec

particles fro

or that are th

a fume (SF);

4.4: Dry and

Packing de

king density

ut data  for 

density resu

imum packi

densities.  T

density. Mi

ed  to  the ba

0

0

0

0

0

0

0

0

CEM I32.5 R

ense concret

articles size

the  other 

cle size and s

operties as th

article  size. M

cking densit

rces are very

cause it cann

om lying clos

he results of

 in which all

d wet packin

ensity of dry

y of all mixe

this  softwa

ults of differe

ng density w

The  addition

ix 2 with  30

all bearing e

CEM I42.5 N

CE3

Wet P.D

te mixture 

s.  It  is thoug

hand,  norm

spherical sha

hose of norm

Moreover,  f

ty. Indeed, it

y strong. The

not totally d

se together 

f the packing

l particles ha

ng densities

ry concrete

es was meas

re  is  in mas

ent mixes m

was 87.3 %. 

n of normal 

0 %  fly  ash 

effect exerte

EM III A32.5 N

CEM 32.

D Wet P.D

 

ght that the

mal  fly  ash  h

ape. The sam

mal fly ash b

fine  fly ash 

t is thought 

ese forces ca

disperse all fi

in the dry s

g densities o

ave a spheric

(P.D) of the

e mixtures.

sured using 

ss  ratio  for 

made with bla

However, m

fly  ash  app

has  the hig

ed by  fly ash

IIIB.5

FA

D with superp

e  lower the 

has  the  high

me trend can

but with quit

(M10) with 

that there i

ause a poor 

ine particles

tate as well 

of fly ash, fin

cal shape. 

e used fine

Rene LCPC 

all  substanc

ast furnace s

mixes 2, 3, 4,

pears  to be 

ghest packin

h particles w

M 10

plasticizer

particle size

hest  packin

n be observe

te lower pac

higher  fine

s a particle 

packing den

s. The inter‐p

as in water

ne fly ash (M

materials (s

software as

ces  classes. 

slag cement

, 5, and 6 w

more  effec

ng density o

which  reduc

M 20 S

Dry P.D

e, the bigger

g  density,  a

ed for fine f

cking density

eness  than  f

size limit be

nsity, even w

particle forc

‐fines suspe

M20), fine fly 

size < 125 µ

s previously 

Figure  4.5 

t (CEM III B).

ith fly ash h

ctive  in enha

of  88.4 %.  T

ces  the part

SF QP

71

r the  inter‐

and  this  is 

ly ash with 

y. The only 

ine  fly ash 

elow which 

when using 

es prevent 

ension. The 

ash (M10) 

 

µm)

discussed. 

shows  the 

. For mix 1, 

ave higher 

ancing  the 

his  can be 

icles  inter‐

Page 90: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizi

locking [

10 % silic

clumping

used  [Ta

forces b

[Larrard,

even wit

more  ef

variation 

Figure 4

Figure 4

86.0

86.5

87.0

87.5

88.0

88.5

89.0

Packing den

sity %

8

8

8

8

8

8

8

Packing density %

ing a high de

[Hüsken, 201

ca fume rep

g of fine ma

aylor, 1997]

ecome  impo

, 1999]. Sim

th fly ash ad

ffective  than

n in the surfa

4.5: Packing

4.6: Packing

Mix 1

86.0

86.5

87.0

87.5

88.0

88.5

89.0

Mix 1

III 

ense concret

12]. Howeve

placement ha

terials whic

. Silica  fume

ortant and o

milarly, mixe

dition. Com

n  fine  fly  as

ace area and

g density of

g density of

Mix 2 M

1 Mix 12

III‐FA III‐

I‐FA 

te mixture 

er, the additi

ad the lowes

h is favoured

e particles h

overcome th

es 7, 8, 9 an

paring the r

sh  in  enhan

d particles si

concrete m

concrete m

Mix 3 Mix

Mix 13

‐M20  III‐M1

I‐M20/10 I‐M

 

ion of silica f

st packing de

d to occur in

have sizes  lo

he natural te

nd 10 made 

esults of mix

cing  the  pa

izes.  

ixes made w

ixes made w

x 4 Mix 5

Mix 14 Mix

10 III‐M20/10

M20/10‐ SF I‐FA‐M

fume reduce

ensity which

n pastes wit

ower  than 1

endency of 

with  silica 

xes 2, 3, 4 an

cking  densit

with CEM II

with differen

Mix 6

x 15 Mix 1

III‐FA‐M20/10

M20/10‐SF I‐SF

ed the packi

h is 86.4 %. T

h SF even w

1 µm and at

spherical pa

fume have 

nd 5 showed

ty.  This  can

I/B

nt cement

Mix 7 M

16 Mix 17

III‐SF III‐F

IIIM20/10‐SF

ing density. 

This may be 

when superpl

  this  level  t

articles to pa

low packing

d that norma

n  be  attribut

Mix 8 Mix

Mix 18

FA‐SF  III‐M20/10

  I I‐

72

Mix 7 with 

due to the 

lasticizer is 

he surface 

ack closely 

g densities 

al fly ash is 

ted  to  the 

 

x 9 Mix 10

Mix 19

0‐SF  III‐FA‐M20/

‐M20/10‐SF

/10‐SF

Page 91: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     73 

 

Figure  4.6  shows  the  results of packing density of  the  second  series of mixes  (11‐19) made with 

different  cements.  For mixes  11‐16 made with  the  CEM  I  42.5,  the  addition  of  normal  fly  ash 

improves the packing density, while the mixture containing silica fume (mix 12) has  lower packing 

density. As mentioned  for the  first series, normal  fly ash  is more effective  in packing  than  fine  fly 

ash.  In  this group,  the poor  compactability of  silica  fume affects  the packing density of  concrete 

mixes. Cement type also has an important effect on the packing density of concrete mixture. Mix 11 

made with CEM I has a higher packing density than mix 1 with CEM III/B.  Both mixes have the same 

aggregate and cement volume content. The differences are the particle sizes and surface areas of the 

cements. So, it can be said that, at a given aggregate content and grading, particle size distribution and 

particle shape of the binders govern the packing density of concrete mixtures.   

4.8.3 Results of fresh concrete properties

4.8.3.1 Air content

The  air  content of  concrete has an  important  influence on determining  the  concrete mechanical 

properties and durability.  In non‐freezing environment,  the presence of air  voids  in  concrete has 

harmful effects on  its properties.  In  case of high dense  concrete, high  resistance  to  freezing and 

thawing may  be  achieved  automatically  (no  need  for  air  voids)  because  of  the  low  amount  of 

freezable  water  inside  the  concrete  and  because  of  the  high  resistance  to  water  penetration 

[Hilsdorf, 1995]. So, for high performance concrete it is important to keep the air content as low as 

possible, below 2  ‐ 3 % with regard to strength and permeability [Larrard, 1999]. After hardening, 

the air bubbles form a large volume of coarse voids inside concrete microstructure. Like other voids, 

these voids affect the pore system and make it continuous and vulnerable to penetration of water 

and  aggressive materials.  Furthermore,  the  presence  of  these  voids  deteriorates  the mechanical 

properties of concrete. Every  increase of 1 % of air content  reduces  the  compressive strength by 

about 5 %  [Neville, 2004]. Modulus of elasticity  is also decreased by  the same degree as strength 

with  increasing  the  air  content  [Ramachandran,  1996].  The  existence  of  air  inside  concrete  is 

basically a result of an incomplete consolidation. In addition, the air content is affected by the mixer 

speed,  the  compaction and  the amount of  concrete being mixed  [Mindess, 2003]. Moreover, mix 

proportions, sand content, fine materials content, aggregate shape and texture, and grading has a 

crucial effect on the air content. Cement content and fineness also have a notable influence on air 

content; lean mixes have higher air than rich ones.  

 

In this investigation, the air content test has been performed according to DIN EN 12350‐7. Results 

of  air  content of  all mixes  can be  found  in  Table  4.3.  The  experimental  results  showed  that  the 

addition  of  fly  ash  has  an  important  role  in  reducing  the  air  content  [Ramachandran,  1996]. 

However, the addition of silica fume to slag cement results in an increase in air content (mix 7). This 

Page 92: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     74 

 

may be due  to  the high  surface  area of  silica  fume  and  slag  cement which need more water or 

superplasticizer to completely disperse. On the other hand, mixes with fine fly ash exhibited higher 

air content than mixes with normal fly ash at a given cement type. This can be also attributed to the 

quite large size of normal fly ash particles compared to that of fine fly ash, which in turn enhances 

the compactability and packing of particles. For most mixes, the results of air content are  in good 

agreement with the results of packing density measured with Rene LCPC. Generally,  it can be said 

that all mixes have air contents lower than 3 % and the differences between air contents for most 

mixes are  small. The main  reason  for  that  could be  the high packing density of all mixes due  to 

applying the Ideal Fuller curve.  

4.8.3.2 Workability

Concrete  workability  can  be  considered  as  an  indicator  for  the  behaviour  or  performance  of 

concrete in fresh state. The ACI defined the workability as “that property of freshly mixed concrete 

or  mortar  which  determine  the  ease  and  homogeneity  with  which  it  can  be  mixed,  placed, 

consolidated, and  finished”  [Neville, 2004]. Several  factors affect  the concrete workability but  the 

water content is the most important [Neville, 2008]. In addition, other parameters such as maximum 

grain size, aggregate grading, texture and shape, cement fineness and content, and admixtures have 

important  influences on concrete workability. In this  investigation, the flow table test according to 

DIN EN 12350‐5 has been used to measure the workability. The experimental results of all concrete 

mixes are presented in Table  4.3. The measured flow diameters of all mixes are in the desired range 

(F3 ‐ F4) according to DIN EN 206‐1. Regarding superplasticizer content, mix 1 with CEM III/B needed 

around 2.2 kg/m3 of superpalsticizer to achieve flow diameter of 53 cm, whereas, mix 11 with the 

same  proportions  but with  CEM  I  needed  2.72  kg/m3  to  get  49  cm.  This  increase  in  admixture 

dosage (about 23 %) may be attributed to the presence of slag which improves the workability and 

makes  the mix more  flowable  and  cohesive.  Slag particles are  smooth and  therefore absorb  little 

water during mixing and thereby leave more water for enhancing the workability [Neville, 2004]. This 

effect  is  repeated  in  all mixes with  slag  cement when  they  are  compared  to mixes with  Portland 

cement.  

 

Due  to  its  spherical  shape and  its high  compactability, normal  fly ash mixes have high  flowability 

even with low superplasticizer dosage and water content. In spite of taking the effective factor as 1 

and 0.4 for silica fume and fly ash, mixes with silica fume required more superplasticizer to achieve 

the  required consistency  class. This  is because  the very  large  surface area of  silica  fume particles 

needs a  lot of water  to be wetted and  therewith  increase  the water demand and superplasticizer 

amount. Nehdi explained the effect of silica fume on the workability on two opposite effects [Nehdi, 

1998].  First,  it  works  as  filler  because  of  its  spherical  shape  and  very  small  particles.  The  fine 

Page 93: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     75 

 

particles fit into the void spaces between the relatively coarser cement grains and liberate the water 

which  fill  this  voids. Now  this water  participates  to  fluidize  the  concrete. On  the other hand,  as 

mentioned above, silica  fume particles  tend  to adsorb water because of their high  fineness which 

increases the water demand. Besides this explanation, another effect can be added that is the low 

packing ability of  silica  fume particles which also  increases  the water demand. The experimental 

results indicate that mixes with higher packing densities exhibit better workability. This is because of 

the efficient packing of particles with different sizes.  The successive filling of different classes make 

the particles to displace the water molecules, thus the captured water between flocculated cement 

particles can be released and participate in fluidizing the mix.   

4.8.3.3 Density of fresh concrete

The  density  of  fresh  concrete  has  been  determined  by weighing  a  compacted  known‐volume  of 

concrete according to European standards DIN EN 12350‐6. As the water is the lightest component 

in  concrete,  the density  is  controlled basically by  the water  content.  In addition,  the density and 

contents of other components have also  important  influences on fresh concrete density. It  is clear 

from  the  results  that mixes 20  ‐ 23 with  lower water  content have  the highest densities. On  the 

other hand, because of  the higher bulk density of Portland  cement  (3.17  t/m3)  compared  to  slag 

cement (2.96 t/m3), mixes composed of OPC have higher density. However, mixes with silica fume 

have  the  lowest  density.  This  may  be  explained  by  the  poor  compactability  of  silica  fume  as 

discussed before. In general, from the experimental results of concrete density, all mixes have a fresh 

density higher than 2.4 t/m3. This can be explained by the high packing density of all solid materials 

as  a  consequence  of  applying  the  Ideal  Fuller  curve.  In  addition,  according  to  this  curve,  a  high 

content of  aggregate  is  required  and  a  lower  amount of  cement paste  is needed  to  achieve  the 

maximum packing density. Thereby, the resulting mixes have high densities because of the relatively 

high density of aggregate (about 2.61 t/m3) and the comparatively low density of the paste (about 2 

t/m3). Furthermore, the reduction of the paste volume reduces the water demand which  is one of 

the major  factors determining  the  concrete density. Finally,  it  can be  said  that  the  results of  the 

fresh concrete density agree well with the results of the packing density measured with Rene LCPC.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 94: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Optimizing a high dense concrete mixture     76 

 

Table  4.3: Results of fresh concrete properties 

Mix  SP content (Kg/m3)  Flow diameter (cm)  Air content %  Fresh density (t/m3) 

1  2.2  53  1.5  2.43 

2  2.19  52  1.3  2.45 

3  3  48  1.6  2.45 

4  3  51  1.4  2.46 

5  3  51  1.3  2.46 

6  2.6  54  1.3  2.44 

7  2.54  48  2.3  2.42 

8  3.1  50  2  2.44 

9  2.8  50  2.2  2.45 

10  3  50  2  2.44 

11  2.72  49  1.4  2.46 

12  2.19  50  1.6  2.48 

13  3.94  50  1.9  2.47 

14  4.47  48  1.3  2.46 

15  3.86  49  1.3  2.46 

16  3.36  49  1  2.43 

17  3.52  54  1.45  2.46 

18  2.68  52  1.5  2.45 

19  3.01  46  1  2.46 

20  3.83  49  1.2  2.47 

21  8.78  44  1.5  2.50 

22  6.75  49  1.5  2.47 

23  8.83  48  1.4  2.49 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 95: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  77 

 

5. Results and discussion of the optimized concrete properties

5.1 Introduction

In this chapter, mechanical properties, porosity and durability of the optimized concrete mixes are 

presented  and  discussed.  Experimental  results  of  mechanical  properties  including  compressive 

strength,  splitting  tensile  strength and modulus of elasticity are  given.  The  results  indicated  that 

most  concrete  mixes  exhibited  compressive  strength  higher  than  60  MPa  which  reflected  the 

important  role of enhancing  the packing density. Moreover,  the modulus of elasticity was higher 

than 40 GPa for all mixes which demonstrates the high efficiency of concrete mixture optimization 

in  strengthening  the  interface  zone  between  cement  paste  and  aggregate  and  reducing  the 

probability of micro‐cracking. A modulus of elasticity of about 50 GPa has been attained with  low 

w/b. In addition, the concrete porosity was measured using three different methods; water porosity, 

helium pycnometry and mercury  intrusion porosimetry  (MIP).  Furthermore,  the MIP method has 

been  used  to  study  the  pore  size  distribution  and  to  calculate  the  capillary  porosity  which  is 

responsible  for the transport properties of concrete. The porosity of concrete made with blended 

cement is lower and the pores are finer than those made with ordinary Portland cement. The results 

of porosity pointed out that concrete made with fine fly ash showed very low porosity. However, at 

low w/b ratio, combination of fine fly ash with silica fume resulted in the lowest porosity, about 3 %, 

which  is  comparable  to  that of UHPC. Moreover,  the  capillary porosity was very  low  (about 2 %) 

which is advantageous with regard to concrete durability.  

 

The durability of concrete has been evaluated via measuring  the  transport properties of concrete 

which related directly to its resistance to aggressive attack. Transport of contaminants into concrete 

can  take  place  through  three mechanisms;  permeation,  diffusion  and  absorption.  Therefore,  the 

resistance of concrete against  these mechanisms were measured and assessed. The experimental 

results  of  water  penetration  depth  indicated  that  most  of  concrete  mixes  have  a  very  low 

penetration depth. On the other hand, the use of fine pozzolanic materials resulted in concrete with 

more dense and homogeneous microstructure due to both filler and pozzolanic effects. As a result, 

the resistance to chloride attack is significantly increased. Additionally, the transition zone between 

aggregate  and  cement  matrix  which  is  the  locus  of  coarse  pores  became  denser  due  to  the 

consumption of calcium hydroxide crystals by the pozzolanic reaction. The capillary suction results 

also showed very low absorption coefficient especially for mixes with pozzolanic materials and low 

w/b  ratio.  Compared  to  literature,  the  optimized  concrete  showed  desirable  performance 

concerning  durability  and  permeability.  Because  of  the  much  data  from  the  experimental 

investigation, some results are presented and discussed  in this chapter, while other data and tests 

results are given in the appendices.   

Page 96: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

5.2 M

5.2.1 C

The com

ages of 2

concrete

is the w/

MPa at 

mixes.  In

especial

ages  is h

becomes

days, the

was 62 M

Figure 5

The  add

dependin

cement 

results o

addition,

has com

ash, conc

ages of 2

2

4

6

8

10

12

Compressive stren

gth (MPa)

and discussio

Mechanical

Compressi

mpressive str

28 and 91 d

e mixes. It is

/b ratio. Mix

28 days and

n  addition, 

ly at early a

higher than 

s  to be nea

e compressi

MPa. Howev

5.1: Compre

ition  of  poz

ng on  their 

enhances  th

f mixes 9 an

, the use of s

pressive stre

crete made w

28 and 91 da

0

20

40

60

80

00

20

Mix 1

Fc 2

Fc 9

III 

on of the op

l propertie

ive strength

rength of  th

days accordin

s clear on th

xes 21 and 2

d 99 and 94

the  cement

ges (28 days

the strengt

rly  the  sam

ve strength 

er, at 91 day

essive stren

zzolanic mate

type,  conten

he  strength o

d 19 which h

silica fume r

ength of 78 M

with silica fu

ays. The stren

Mix 2

28

91

III‐FA 

ptimized con

es

h

he concrete 

ng to DIN EN

e figure tha

23 with w/b 

4 MPa at 91

t  type  has  a

s). It is well 

h of slag ce

e. The  resu

of mix 1 wi

ys both mixe

gth of differ

erials  has  an

nt and prop

of  concrete 

have compre

esulted in an

MPa which is

ume or fine f

ngth develop

Mix 5 MIII‐M20/10

ncrete prope

 

samples ha

N 12390‐3. F

t, the main 

ratio of 0.27

1 days  respe

also  an  imp

known that

ment, while

lts of mixes

th slag ceme

s exhibited r

rent concret

n  important

perties. Comb

more  than 

essive streng

n improveme

s higher than

fly ash or a c

pment of mix

Mix 7 Mix

III‐SF  III‐M20

erties             

ve been de

Figure  5.1 sh

factor that c

7 exhibited c

ectively, wh

ortant  role 

 the develop

e at  later ag

s 1 and 18  c

ent was 52 

roughly simil

e at 28 and

t  influence  o

bination of p

with  slag  ce

gth of 71 and

ent in compr

n mix 1 by ab

combination 

x 2 with norm

x 9 Mix 18

0/10‐SF I

                     

termined us

hows the te

controls the

compressive

hich are  the 

on  the  dev

pment of str

ges the final 

confirmed  t

MPa, while 

lar strengths

91 days

on  concrete 

pozzolanic m

ement as  ca

d 82 MPa at 9

ressive stren

bout 15 %. C

of both sho

mal fly ash is

8 Mix 19

I‐M20/10‐SF 

                     

sing 100 mm

st results fo

 compressiv

e strength of

highest am

velopment  o

rength of OP

compressiv

his assumpt

for mix 18 w

s (70 ± 2 MPa

compressive

materials wit

n be noticed

91 days resp

ngth as expec

Compared to

wed higher 

s very slowly

Mix 21

III‐M20/10‐SF 

           78 

m cubes at 

or different 

ve strength 

f 82 and 80 

mong other 

of  strength 

PC at early 

ve strength 

tion. At 28 

with OPC it 

a).  

 

e  strength; 

th Portland 

d  from  the 

pectively. In 

cted. Mix 7 

o normal fly 

strength at 

y compared 

Mix 23

III‐M20/10

Page 97: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

to other 

Figure  5.

compres

only at t

exhibited

5.2.2 S

In spite 

valuable

The expe

w/b  rati

results o

exhibited

tensile s

0.42 and

Figure 5

Accordin

strength

Where ft

shows th

obvious t

Splitting tenslie stren

gth M

Pa

and discussio

mixes with 

1. At low w/

ssive strength

he same w/b

d similar com

Splitting ten

of  the defin

e especially r

erimental re

io,  packing 

of  tensile str

d  higher  te

trength of c

d reached 6 

5.2: Splitting

ng  to  Nevill

h is governed

t is the splitti

he experimen

that, the rela

0

1

2

3

4

5

6

7

Mix 1

III 

on of the op

different po

/b ratio (0.27

h of mix 21 

b ratio (0.27

mpressive stre

nsile streng

nitive  impor

regarding th

esults showe

density,  cem

rength mea

ensile  streng

concrete. The

MPa for mix

g tensile stre

e  [Neville,  2

d by the follo

ft = 0.3 fc

ing tensile st

ntally deduce

ationship bet

Mix 2

III‐FA  II

ptimized con

ozzolanic ma

), silica fume

with silica fu

). However, 

ength as mix

gth

rtance of co

he cracks dev

ed that like c

ment  type, 

sured at ag

gth.  Howev

e tensile stre

xes with w/b

ength of diff

2004],  the 

owing formu

c 2/3                

trength and f

ed relationsh

tween the m

Mix 5 M

I‐M20/10  I

ncrete prope

 

aterials, part

e looked to b

ume and fine

at w/b ratio

x 5 with fine f

mpressive s

velopment a

compressive

and  supple

e of 91 day

er,  the  add

ength range

b ratio of 0.2

ferent concr

relationship

ula:  

                     

fc is the com

hip between 

measured resu

Mix 7 Mix 

II‐SF III‐M20/

erties             

icularly at ea

be more effec

e fly ash is h

o of 0.42, mix

fly ash only. 

strength, kno

and failure m

e strength, te

mentary ma

ys.  It  is clear

dition  of  po

es from 3 to 

27.  

rete at age o

p  between  t

                     

mpressive stre

tensile stren

ults agree wi

9 Mix 18

10‐SF I

                     

arly ages as 

ctive in enha

higher than m

x 9 with fine

owing  the  t

modes of co

ensile streng

aterials.  Figu

r  that mixes

ozzolanic  ma

5 MPa for m

of 91 days

tensile  stren

           (5.1) 

ength of con

ngth and com

ith theoretica

Mix 19

I‐M20/10‐SF

                     

can be clea

ncing the str

mix 23 with f

e fly ash and 

ensile stren

oncrete [Nev

gth depends

ure  5.2  illus

s with  lower

aterials  enh

mixes with w

ngth  and  co

ncrete (MPa)

mpressive str

al ones to lar

Mix 21 M

III‐M20/10‐SF  II

           79 

arly seen  in 

rength. The 

fine fly ash 

silica fume 

ngth  is also 

ville, 2004]. 

s mainly on 

strates  the 

r w/b  ratio 

hances  the 

w/b ratio of 

    

ompressive 

. Figure  5.3 

rength. It is 

rge extent. 

Mix 23

II‐M20/10

Page 98: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  80 

 

 

Figure 5.3: Relationship between compressive strength and splitting tensile strength

5.2.3 Modulus of elasticity

From structural point of view, measuring the elastic modulus of concrete is very important in order 

to design concrete elements to resist structural loads, moments and deflection. Although concrete is 

non‐elastic material,  determination  of  the  elastic modulus  is  important  to  predict  the  stresses 

generated by strains due to environmental effects. The elasticity of any material depends mainly on 

the  fractions and properties of  its components. Aggregate content and properties, cement matrix 

properties and transition zone  features are the main  factors  influencing concrete elasticity.  In this 

research, the modulus of elasticity has been determined according to DIN 1048‐5 at age of 91 days. 

The experimental results of elasticity modulus are  found  in Figure  5.4.  It  is obvious that, all mixes 

have modulus of elasticity of more than 40000 MPa. Mix 21 with w/b ratio of 0.27 has the highest 

elasticity, about 51000 MPa. Mix 1 and mix 18 showed roughly the same elasticity modulus (about 

43000 MPa),  that  mean  slag  cement  and  OPC  have  the  same  effect  on  concrete  elasticity  as 

mentioned by [Virgalitte, 1995].  

 

Modulus of elasticity of concrete  is  related directly  to  its compressive  strength as can be  seen  in 

Figure  5.5.  Both  are  affected  by  the  porosity  and  density  of  concrete  although  not  to  the  same 

degree. At low w/b ratio, with the addition of fine materials, the porosity of concrete was decreased 

while  the  strength  and  elasticity  are  increased. Moreover,  the  transition  zone  between  cement 

paste and aggregate becomes denser which results in more improvement in strength and elasticity. 

According  to  Mehta  et  al.  [Mehta,  2006],  the  relationship  between  compressive  strength  and 

modulus of elasticity is governed by the following formula for normal weight concrete: 

0

2

4

6

8

10

50 60 70 80 90 100 110

Splitting tensile stren

gth (MPa)

Compressive strength (MPa)

Experimental

Theoretical

Page 99: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

Where fc

Figure  5

modulus

compres

Figure 5

Figure 5

10

20

30

40

50

60

Modulus of elasticity (MPa)

and discussio

                

cm and Ec are

5.5  shows  t

s  of  elastici

ssive strengt

5.4: Modulus

5.5: Relations

0

0000

0000

0000

0000

0000

0000

Mix 1

10

20

30

40

50

60

Modulus of elasticity (MPa)

III 

on of the op

   Ec =2.15 *

e the averag

he  relations

ty.  It  is  cle

h and modu

s of elasticit

ship betwee

1 Mix 2

0

0000

0000

0000

0000

0000

0000

60

III‐FA 

ptimized con

104 (fcm/10)1

ge compressi

ship  betwee

ear  that  the

lus of elastic

ty of differen

en compress

Mix 5

70

III‐M20/10

ncrete prope

 

1/3         

ive strength 

en  theoretic

e  relationsh

city agreed w

nt concrete

sive strength

Mix 7 M

80

Compressiv

III‐SF III‐M2

erties             

and modulu

cal  and  mea

hip  between

well with the

at age of 91

h and elastic

Mix 9 Mix 1

90

ve strength (M

E

T

20/10‐SF I

                     

(5

us of elasticit

asured  com

n  the  exper

 theoretical 

1 days

modulus of

18 Mix 19

100

MPa)

Experimental

Theoretical

I‐M20/10‐SF 

                     

5.2)

ty in MPa re

pressive  str

rimentally  d

relationship

 

f concrete at

Mix 21

110

III‐M20/10‐SF 

           81 

espectively. 

rength  and 

determined 

 

t 91 days

Mix 23

III‐M20/10

Page 100: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

5.3 Po

5.3.1 P

Figure  5

21 and 2

Howeve

fine fly a

to mix 1

about 9.

about 9 

porosity

Figure 5

5.3.2 W

In this m

realistic.

Figure  5

that the 

pycnome

the dive

overall r

pycnome

0

2

4

6

8

10

12

Total porosity %

and discussio

orosity

Porosity me

.6 presents 

23 with w/b

r, mix 18 wi

ash and 10 %

18 with OPC

.8 %. More r

%. Similarly

 as can be se

5.6: Total po

Water poro

method, wat

. In this test 

5.7  illustrate

porosities m

etry. This m

erse  in  the s

results. The 

etry method

Mix 1

III 

on of the op

easured wi

the experim

b  ratio of 0

ith OPC only

% silica fume

C,  the use of

reduction in

y,  the  incorp

een from the

orosity of co

osity (effect

er was used

method, co

s  the exper

measured wi

may be due t

size of speci

porosity res

d.  

Mix 2 M

III‐FA III‐M

ptimized con

ith helium p

mental result

.27 have  ve

y has the hig

e (mix 19), th

f slag ceme

n the porosit

poration of 

e results of m

oncrete mea

tive water p

d to calculat

ncrete speci

imental  resu

ith water sat

to the differ

mens. Gene

sults of all co

Mix 5 Mix

M20/10  III

ncrete prope

 

pycnometry

ts of total po

ery  low poro

ghest porosi

he total poro

nt  (mix 1)  le

ty has been 

silica  fume 

mix 9.  

asured with

porosity).

e the poros

imens were 

ults of  the  t

turation are

rences  in th

erally,  these

oncrete mix

x 7 Mix 9

I‐SF III‐M20/

erties             

ry

orosity of co

osities which

ty which is 

osity is signif

eaded  to a 

achieved by

together w

helium pycn

ity of concre

cured unde

total porosit

 quite highe

e methodol

 differences

es have the

9 Mix 18

10‐SF I

                     

oncrete mixe

h are 3.6 an

11 %. By rep

ficantly redu

quite decre

y the additio

with  fine  fly 

nometry at 9

ete, which m

r water unti

ty at age of

er than that 

ogies of the

s are small a

 same trend

Mix 19

I‐M20/10‐SF 

                     

es. As expec

nd 4.2 %  re

placing OPC 

uced to 7 %. 

ase  in  the p

on of fly ash

ash  reduced

91 days

make the re

l the day of 

f 91 days.  It 

measured w

e two tests 

and did not 

d as that in t

Mix 21

III‐M20/10‐SF 

           82 

cted, mixes 

spectively. 

with 25 % 

Compared 

porosity  to 

 (mix 2) to 

d  the  total 

sults more 

testing.  

is noticed 

with helium 

along with 

affect  the 

the helium 

Mix 23

III‐M20/10

 

Page 101: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

Figure 5

5.3.3 P

Figure  5

at age o

concrete

on concr

tradition

w/b  rati

[Teichma

and  mic

capillary

framewo

sheet of 

Figure  5

and 23 w

On the o

0

2

4

6

8

10

12

14

Total porosity %

and discussio

5.7: Total por

Porosity an

.8 presents 

of 91 days. T

e.  In additio

rete porosity

nal concrete

o  (21 and 2

ann, 2004]. 

crostructure

y porosity is 

ork. Therefo

f MIP measu

.9 shows the

with w/b rat

other hand m

Mix 1

III 

on of the op

rosity of con

nd pore siz

the experim

The results c

n, concrete 

y. Compared

e which  lies 

23) exhibite

Undoubtedl

  of  concret

of most con

ore,  the cap

rements. It 

e experimen

tio of 0.27 h

mix 18 with w

Mix 2 M

III‐FA III‐M

ptimized con

ncrete measu

ze distributi

mental resul

confirmed t

component

d to literatu

between 15

d porosity  i

ly, measurin

te.  Howeve

ncern. Most

illary porosi

is assumed 

ntal results o

have very low

w/b of 0.42 

Mix 5 M

M20/10  III‐

ncrete prope

 

ured with eff

ion measur

ts of the tot

hat w/b rat

ts proportio

ure, most of 

5  to 20 %  [T

n  the  range

ng the poros

er,  regarding

 transport m

ity of concre

to be in the

of capillary p

w capillary p

has the high

ix 7 Mix 

‐SF III‐M20/

erties             

fective water

red with M

tal porosity 

io  is the ma

ons and prop

these mixes

Teichmann, 

e of UHPC w

ity gives a g

g  durability

mechanisms 

ete mixes ha

 range of 30

porosity of d

porosity whi

hest capillary

9 Mix 18

10‐SF I

                     

r method at

IP

of concrete

ain  factor co

perties have

s have lowe

2004]. More

which  is  in  t

ood indicati

y  and  deter

take place 

as been calc

0 nm to 10 µ

different con

ich is 1.9 an

y porosity w

8 Mix 19

I‐M20/10‐SF

                     

91 days

e specimens 

ontrols the p

e  important 

r porosity th

eover, mixe

the  range of

ion of the po

rioration  of 

via the capi

culated  from

µm [Teichma

ncrete mixes

nd 2.96 % re

which is 5.6 %

Mix 21

F  III‐M20/10‐SF 

           83 

measured 

porosity of 

influences 

han that of 

s with  low 

f 4  to 6 % 

ore system 

concrete, 

llary pores 

m  the data 

ann, 2007]. 

s. Mixes 21 

spectively. 

%.  

Mix 23

III‐M20/10

 

Page 102: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

Figure 5

concrete

Figure 5

the size

5.4 D

5.4.1 P

5.4.1.1

The wate

Figure  5

revealed

concrete

0

2

4

6

8

10

12

Total porosity %

0

1

2

3

4

5

6

Capillary porosity %

and discussio

5.8: Total po

e mixes at a

5.9: Capillar

range of 30

urability

Permeabili

Water pen

er penetrati

5.10  illustra

d  that  all m

e can be con

Mix 1

Mix 1

III 

III 

on of the op

orosity of c

age of 91 da

ry porosity

0 nm to 10 µ

ity

netration de

on depth ha

tes  the  exp

mixes  exhibit

nsidered  imp

Mix 2

Mix 2

III‐FA  II

IIIII‐FA 

ptimized con

concrete me

ay

of concrete

µm

epth

as been mea

perimental 

ted  low  per

permeable  i

Mix 5 M

Mix 5 M

II‐M20/10  II

II‐M20/10  III

ncrete prope

 

easured with

e measured

asured accor

results  of  w

rmeability  (

if the penet

Mix 7 mix

Mix 7 mix

I‐SF III‐M20/

‐SF III‐M20

erties             

h mercury i

using the m

rding to DIN 

water  pene

depth  <  20

ration depth

x 9 Mix 1

x 9 Mix 18

/10‐SF I

0/10‐SF I

                     

intrusion po

mercury int

EN 12390‐8

etration  dep

0 mm).  Acco

h  is  lower th

8 Mix 19

8 Mix 19

I‐M20/10‐SF 

I‐M20/10‐SF 

                     

orosimetry o

rusion poro

8 at the age o

pth  tests.  T

ording  to  N

han 50 mm,

Mix 21

Mix 21

III‐M20/10‐SF 

III‐M20/10‐SF 

           84 

 

of different

 

osimetry in

of 91 days. 

The  results 

Neville,  the 

 and  if the 

Mix 23

Mix 23

III‐M20/10

III‐M20/10

Page 103: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

penetrat

aggressiv

permeab

penetrat

other ha

volume 

penetrat

depth of

and whi

show  th

penetrat

Figure 5

5.4.1.2

The  tran

several p

type and

the conc

permeab

penetrat

properti

air perm

four tim

1

1

2

2

3

Water pen

etration dep

th (mm)

and discussio

tion  is  lowe

ve  conditio

bility  of  con

tion depth w

and, the cem

and  connec

tion depth o

f 18 mm. At 

ch have pen

hat  slag  cem

tion depth o

5.10: Water

Air perm

nsport  of  ai

parameters.

d pozzolanic 

crete age, cu

bility  measu

tion depth, 

es. It is obv

meability (3.4

es due to re

0

5

10

15

20

25

30

Mix 1

III 

on of the op

er  than  30 

ns  [Neville, 

ncrete  is  th

which is abo

ment type an

ctivity  whic

of 8 mm wh

the same ti

netration de

ment  concre

of mix 1 was 

penetration

meability

r  via  concre

 The air per

materials co

uring, entrai

urements  o

the  results 

ious that mi

4 x 10‐17 m2) 

educing w/b

Mix 2

III‐FA 

ptimized con

mm,  then 

2004].  The

he  w/b  ratio

ut 3 mm. Ho

nd mineral a

h  control  t

hich  is  lowe

me, mix 5 h

epths of 11 a

ete  showed

15 mm, whe

n depth of th

ete  occurs  t

meability of

ontent and p

ned air cont

of  concrete 

reflected  th

ix 21 prepar

compared t

b ratio from 

Mix 5

III‐M20/10

ncrete prope

 

the  concre

e  results  sta

o.  Mix  21  w

owever, mix

admixture pr

he  water  p

er  than mix 

as lower de

and 13 mm 

d  higher  res

ereas mix 18

he concrete

through  the

f concrete d

properties. F

tent and tem

specimens 

he major  rol

red with w/b

to other mix

0.42 to 0.27

Mix 7 M

III‐SF III‐M2

erties             

te  can  be 

ated  also  th

with  w/b  r

x 23 has a pe

roperties ha

penetrability

2 with norm

pth than mi

respectively

sistance  to 

8 exhibited p

at age of 9

e  connected

epends on w

Furthermore

mperature. F

at  age  of 

le of w/b  ra

b ratio of 0.

xes with w/b

7. However,

ix 9 Mix 1

0/10‐SF I

                     

regarded  as

hat  the mai

atio  of  0.27

enetration d

ave crucial in

y. Mix  5  wi

mal  fly ash 

xes 7 and 9 

y. The result

penetration

penetration 

1 days

  pore  syste

w/b ratio, ag

e, the air pe

Figure  5.11 s

91  days. 

atio on dete

27 and silica

b ratio of 0.4

, mix 23 mad

18 Mix 19

I‐M20/10‐SF

                     

s  impermea

in  factor  go

7  showed  t

depth of 5 m

nfluences on

th  fine  fly 

and with p

made with 

ts of mix 1 a

n  than  OPC

depth of 18

em which  de

ggregate typ

rmeability d

hows the re

Similar  to 

ermining  the

a fume has 

42. It is redu

de with the 

Mix 21

  III‐M20/10‐SF 

           85 

able  under 

overns  the 

the  lowest 

mm. On the 

n the pores 

ash  has  a 

enetration 

silica fume 

and mix 18 

C  mix.  The 

8 mm. 

 

epends  on 

pe, cement 

depends on 

esults of air 

the  water 

e  transport 

the lowest 

uced about 

same w/b 

Mix 23

III‐M20/10 

Page 104: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

ratio but

other ha

concrete

10‐17 m2

replacem

shown f

relatively

Figure 5

5.4.2 A

The capi

concrete

absorpti

increase

of mass 

Figure  5

concrete

 

Where: 

(from th

of  calcu

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Air permeability x 10‐17  (m

2)

and discussio

t without sil

and, the inco

e made with2)  is  around

ment of OPC

rom the res

y twice the a

5.11: Air per

Absorption

illarity of co

e.  In  this  inv

on coefficie

e in the mass

was applied

.12 present

e mixes. The

absorpK

mtf is the v

he fitted line

lated  absor

Mix 1

III 

on of the op

lica fume ha

orporation o

h normal fly a

d  two  folds 

C with  silica

sult of mix 1

air permeab

rmeability of

n (capillary

ncrete has a

vestigation, 

ent according

s of the spe

d at certain p

s the exper

e following e

ption

m

value of incr

 on the figu

rption  coeff

Mix 2

IIIII‐FA 

ptimized con

as a little bit

of fine fly as

ash. The res

higher  than

  fume and 

9. The air p

bility of mix 1

f different co

suction)

a very impor

the  capillar

g to DIN EN

ecimen due t

periods of tim

imental mea

quation was

f

otf

t

mm

reased mass

re), and tf is

ficient  of  di

Mix 5 M

III‐M20/10 

ncrete prope

 

 higher perm

sh improved 

istance of m

n mix  2 wit

fine  fly ash 

ermeability 

19 (7.2 x 10‐

oncrete mea

rtant influen

ry  suction  te

 ISO 15148.

to the rise o

me; at the b

asurements 

s used to cal

s at the end

s the testing

ifferent  con

Mix 7 Mix 

III‐M20I‐SF

erties             

meability (3.

the imperm

mix 5 with fin

th  normal  f

significantly

of mix 18 w17 m2). 

asured at 9

nce on the in

est has bee

. The main  i

of water by 

beginning, 20

of the mas

lculate the w

 of the test

 period (hou

ncrete  mixes

9 Mix 18

0/10‐SF I

                     

.9 x 10 ‐17 m2

meability of 

ne fly ash to 

fly  ash  (9.7 

y  reduced  t

was about 14

1 days

ngress of agg

en used  to m

dea of this t

capillary for

0 minutes, 1

s  increase w

water absorp

(5

(kg), mo is 

urs). Figure  5

s.  The  rate 

8 Mix 19

I‐M20/10‐SF 

                     

2) than mix 

concrete co

air permeab

x  10‐17 m2

he air perm

4.3 x 10‐17 m

gressive mat

measure  the

test  is to me

rce. The mea

, 2, 4, 8, and

with time fo

ption coeffic

5.3)

 the m at 0

5.13 shows 

  of  water  a

Mix 21

III‐M20/10‐SF 

           86 

21. On the 

mpared to 

bility (4.8 x 

).  Partially 

meability as 

m2 which is 

 

terials into 

e  concrete 

easure the 

asurement 

d 24 hours. 

or different 

cient:  

0 time (kg) 

the results 

absorption 

Mix 23

III‐M20/10

Page 105: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

depends

cementit

of water

hr0.5. Ho

0.32 kg/

concrete

mixes,  t

OPC, mix

reductio

Figure 5

Figure 5

Increase in

 mass per unit area (kg/m

2)

Water absorption coefficien

t (kg/m

2  hr0

.5)

and discussio

s  on  w/b  ra

toius mater

r. Mix 21 m

wever, for m

/m2 hr0.5. It i

e mixes with

he absorptio

x 19 with re

n of absorpti

5.12: The inc

5.13: Absorp

0

0.5

1

1.5

2

0

Increase in

 mass per unit area (kg/m

)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Mix 1

III 

on of the op

atio,  age,  c

ials compos

ade with w/

mix 18 with w

s about 4 fo

h slag cemen

on coefficie

placing part 

ion coefficien

crease in co

ption coeffic

1

Mix 1 (IIMix 5 (IIMix 9 (IIMix 19 (IMix 23 (I

1 Mix 2

III‐FA 

ptimized con

uring,  comp

ition and pr

/b ratio of 0

w/b ratio of

olds higher t

nt have lowe

nt  ranges b

of cement w

nt to 0.1 kg/m

oncrete mas

cient of conc

1

Square ro

II)II-M20/10)II-M20/10-SF)I-M20/10-SF)III-M20/10)

Mix 5

III‐M20/10

ncrete prope

 

paction  and

roperties hav

0.27 has the

f 0.42 and w

than that of 

er absorptio

between 0.1 

with 25 % of

m2 hr0.5.  

ss with time

crete at age

2

oot of time (ho

Mix 2 Mix 7 Mix 1Mix 2

Mix 7 M

III‐SF  III‐M2

erties             

d  aggregate 

ve also an im

e  lowest abs

with OPC, the

mix 21. It is

on than that

to 0.2 kg/m

f fine fly ash

e due to cap

e of 91 days

3

ours)

(III-FA)(III-SF)8 (I)1 (III-M20/10)

Mix 9 Mix 

20/10‐SF I

                     

properties 

mportant eff

sorption coe

e water abso

s obvious fro

 of mix 18 w

m2 hr0.5. Com

h and 10 %   

pillary suctio

4

18 Mix 19

I‐M20/10‐S

                     

[Hilsdorf,  1

fect on the a

efficient of 0

orption coeff

om the resu

with OPC. Fo

mpared to m

silica fume e

on

Mix 21

SF  III‐M20/10‐S

           87 

1995].  The 

absorption 

0.08 kg/m2 

ficient was 

ults that all 

or all these 

mix 18 with 

exhibited a 

 

 

5

Mix 23

III‐M20/10F 

Page 106: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

5.4.3 C

Diffusion

Differen

investiga

2012].  T

Figure  5

chloride 

chloride 

m2/sec, 

OPC wit

alone, it 

ash exhi

alone  (6

m2/sec).

is twice 

chloride 

(mixes 5

With w/

reductio

which ha

Figure 5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Chloride pen

etration dep

th (mm)

and discussio

Chloride di

n takes place

t  methods 

ation  the m

This  test me

5.15  and  Fig

diffusion  c

diffusion th

whereas for

th  silica  fum

reduced to 

bited higher

6  x 10‐13 m2/

 However, m

that of conc

penetration

5 and 1). As e

/b  ratio of 0

on  in chlorid

as chloride d

5.14: Chlorid

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

0

Mix 1

III 

on of the op

iffusion

e when the 

are  availab

method  used

ethod  is  bas

gure  5.16  s

oefficient  re

han mixes w

r mix 18 it w

me  and  fine 

4.5 x 10‐13 m

r resistance 

/sec) and hi

mix 2 with n

crete made w

n was  redu

expected, re

0.27,  the  co

e diffusion t

diffusion of 2

de penetrati

Mix 2

III‐FA 

ptimized con

transport of

ble  to  mea

d  by  the  “Bu

sed  on  the 

show  the  ex

espectively. 

ith OPC alon

was 27.9 x 10

fly  ash  sho

m2/sec. At a 

to chloride 

igher  than m

ormal fly as

with fine fly

ced  to  arou

educing the w

mbination o

to 1.4 x 10‐1

28 x 10‐13 m2

ion depth of

Mix 5 M

III‐M20/10

ncrete prope

 

f gases and l

asure  the  d

undesanstalt

standard  te

xperimental

Mixes with

ne. Mix 1 ha

0‐13 m2/sec. 

wed  lower 

given w/b r

diffusion (3

mix 9 with 

h exhibited 

y ash. In add

und  the  half

w/b ratio re

of  silica  fum13 m2/sec co2/sec, about

f concrete a

Mix 7 Mi

III‐SF III‐M20

erties             

liquids is the

diffusion  of 

t  für Wasse

est methods

l  results  of 

h  slag  ceme

as a chloride

However, m

diffusion  th

atio of 0.42,

3.8 x 10‐13 m

both  silica  f

diffusion co

ition, due to

f  of  the  val

sulted in hig

me and  fine 

ompared to 

 20 times low

at 91 days

ix 9 Mix 1

0/10‐SF I

                     

e result of co

chloride  in

erbau”  (BAW

s  in  Switzerl

chloride  pe

nt  exhibited

 diffusion co

mix 19 with p

han  the  con

, it is found t2/sec) than 

fume and  fi

oefficient of 

o incorporat

ue  of mix w

gh resistance

fly ash  (mix

mix 18 with

wer.  

18 Mix 19

I‐M20/10‐SF

                     

oncentration

nto  concret

W) was  appl

land  and  Sc

enetration  d

d  higher  res

oefficient of 

partial repla

crete made

that mix 5 w

mix 7 with s

ne  fly ash  (

8 x 10‐13 m2/

tion of fine f

with  slag  ce

e to chloride

x 21)  resulte

h w/b of 0.4

Mix 21

III‐M20/10‐SFF 

           88 

n gradient. 

te.  In  this 

lied  [BAW, 

candinavia. 

depth  and 

sistance  to 

f 9.2 x 10‐13 

acement of 

 with OPC 

with fine fly 

silica fume 

5.3  x 10‐13 

/sec which 

fly ash, the 

ment  only 

e diffusion. 

ed  in more 

2 and OPC 

 Mix 23

III‐M20/10F 

Page 107: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results a

Figure 5

5.5 D

5.5.1 M

Mechan

behaviou

alone  to

Howeve

efficienc

strength

compres

of about

The mea

tradition

the  rang

propertie

the high

the mech

aggregat

mechani

 

The  add

properti

gel  whic

1

1

2

2

3

3

4

Chloride diffusion coefficient x 10 

‐13(m

2/sec)

and discussio

5.15: Chlorid

iscussion

Mechanica

ical propert

ur of concre

o  predict  th

r  in  this  st

cy of concre

h  have  been

ssive strengt

t 312 kg/m3

asured mod

nal concrete 

ge of  about 

es of the op

 packing den

hanical prop

te  content  r

ical propertie

dition  of  su

es from sev

ch  tightens 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Mix 1

III 

on of the op

de diffusion

al propertie

ies are the 

ete element

he  performa

tudy,  becau

te members

n  studied.  B

th of all mixe

. At the sam

duli  of  elast

 without op

40 MPa  an

ptimized mix

nsity of solid

perties are af

reduced  the

es.  

upplementar

veral ways. F

and  streng

Mix 2

III‐FA 

ptimized con

coefficient

s

main  indicat

ts under diff

ance  of  con

se  of  the  i

s, tensile str

By  having  a 

es is higher t

me time, the

icity  are  hig

timization, t

nd 25 GPa  r

ture compa

d particles s

ffected by th

e  shrinkage  a

ry  materials

Firstly, the p

gthens  the 

Mix 5

III‐M20/10

ncrete prope

 

of concrete

tors that giv

ferent  loads

ncrete  when

mportance 

rength and 

close  look 

than 60 MPa

e tensile stre

gher  than  4

the compres

respectively.

red to conve

keleton due

he volume fr

and  bleedin

s  has  an  im

pozzolanic re

aggregate‐

Mix 7 M

III‐M2III‐SF

erties             

at 91 days

ve a good p

s. Usually co

n  subjected

of  determi

modulus of 

to  the  resu

a at 91 days

ength of all 

40  GPa  for  a

ssive strengt

.  This  signifi

entional con

e to applying

raction of co

g, which  ha

mportant  in

eaction turn

paste  interf

Mix 9 Mix 1

20/10‐SF I

                     

ossibility to 

ompressive s

  to  differen

ning  the  th

elasticity al

ults,  it  can 

s with total c

mixes range

all  concrete

th and modu

icant enhan

ncrete can be

g the  Ideal F

ncrete comp

as  positive  in

fluence  on 

ns CH  into a 

face,  and  t

18 Mix 19

I‐M20/10‐S

                     

predict the

strength  is c

nt  loading  c

hermal  and 

ong with co

be  observed

cementitious

es between 

e mixes. How

ulus of elast

cement  in m

e attributed 

uller curve. 

ponents. The

nfluences  on

concrete  m

new pozzol

therefore  m

Mix 21

III‐M20/10‐SFF 

           89 

 

e structural 

considered 

conditions. 

structural 

ompressive 

d  that  the 

s materials 

3 ‐ 6 MPa. 

wever,  for 

ticity are in 

mechanical 

directly to 

As known, 

e increased 

n  concrete 

mechanical 

lanic C‐S‐H 

modulus  of 

Mix 23

F  III‐M20/10

Page 108: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  90 

 

elasticity and late strength are markedly improved. Secondly, it enhances the packing density which 

results in better compactness, thus the strength also increases [Peng, 2009]. Thirdly, fly ash addition 

reduces the water demand which contribute to enhance the strength development.  In addition,  it 

enhances the concrete microstructure through reducing the distances between the particles, which 

leads to  improving the mechanical properties of concrete. Moreover, the reduction of CH content 

due  to pozzolanic  reaction makes  the  transition  zone denser and  stronger.  Thus,  the mechanical 

properties, especially, elastic modulus are significantly improved. These effects are more noticeable 

with using fine fly ash and silica fume. Fine fly ash  is more reactive than normal fly ash, therefore, 

mechanical  properties  are  more  enhanced  [Maibaum,  2004;  Chindaprasirt,  2005;  Bentz,  2011]. 

Furthermore, the addition of fine materials reduces the micro bleeding and prevents the formation 

of  coarse pores  in  the  transition  zone and as a  result  the mechanical properties are  significantly 

improved [Erdem, 2012]. On the other hand, the strength of concrete is controlled by the strength 

of  the weakest  zone,  the  interface  between  cement  paste  and  aggregate  [Popovics,  2011].  So, 

strengthening  the  transition  zone  by  adding  fine  materials  leads  to  considerable  increase  in 

mechanical  properties.  The  results  of  modulus  of  elasticity,  compressive  strength  and  tensile 

strength confirm  the aforementioned explanation. The mechanical properties of mixes made with 

fine materials (silica fume, fine fly ash or both) are superior to those with cement only or cement 

with coarse fly ash. Because of its bigger size, the pozzolanic reaction of coarse fly is very slow which 

reduces the strength development rate. On the other hand, the use of a  low water content along 

with the addition of fine particles prevent the internal bleeding beneath the aggregate particles that 

after drying make the ITZ weaker and locus of micro‐cracks. As a result, the ITZ and microstructure 

become  denser  and  stronger  which  engender  better  mechanical  properties.  The  compressive 

strength of mix 21  reached 99 MPa while  the modulus of elasticity was more  than 50 GPa. This 

enhancement in mechanical properties can be attributed directly to high density of the system. 

 

In fact, it should be pointed out here that at different w/b ratio the behaviour of fine materials is 

somewhat different. At w/b ratio of 0.42, the comparison of mix 5 and 9 showed that compressive 

strength, tensile strength and modulus of elasticity of mix 5 with fine fly ash only was a  little bit 

higher than that of mix 9 with both fine fly ash and silica fume. While, at low w/b ratio (0.27), the 

situation  is  totally  reversed,  the  addition  of  both  silica  fume  and  fine  fly  ash  enhanced  the 

mechanical properties more than the case of fine fly ash alone (mixes 21 and 23). The reason for 

that may be the inefficient dispersion of silica fume in the first case because of the high content of 

fine materials  compared  to  the added  superplasticizer dosage. However,  in  the other case  (mix 

21), higher dosage of superplasticizer was added which probably ensured better dispersion of fine 

materials  in the system. Therefore, the mechanical properties were significantly  improved at the 

same w/b ratio level. On the other hand, although the cement content is low, 312 kg/m3, (can be 

Page 109: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  91 

 

said  lean mixes), the mechanical properties of mixes with fine fly ash are as high as that of high 

strength concrete which need more cement, more silica fume and more superplasticizer content 

per cubic meter. This can be reasoned by the higher packing density of the system, because the 

strength depends  fundamentally on  the porosity and pore  size distribution. The  voids between 

each particle classes are  filled with  the particles  from  the smallest class. Especially at  the micro 

scale,  the  gap between  cement  particles with  average  diameter of  about  30 µm  and  the  silica 

fume with average diameter of 0.5 µm are filled with fine fly ash with diameter in the range of 1‐

10 µm, thus the packing density is notably enhanced. The improved packing density increases the 

strength indirectly via improvement of workability, cohesion and compaction at fresh state as well 

as  reduction of porosity and  increase of  the matrix density at  the hardened state. Furthermore, 

the high  filling ability of  fine  fly ash spheres enhances  the  transition zone strength which  is  the 

locus of weakness and micro‐cracks. As a consequence, the bond between aggregate and cement 

paste  increases which  results  in  the  considerable  improvement of mechanical properties as  the 

experimental results revealed.  

5.5.2 Porosity

Pore  structure  of  concrete  has  been  studied  for  a  long  time  as  it  strongly  affects  the  concrete 

durability  and  strength.  Because  of  its  major  influence  on  concrete  properties,  three  different 

methods have been used  to measure  the porosity using different media: helium  gas, mercury and 

water. The results of the measured porosities with different methods were in the same trend. Indeed, 

it  should be pointed out here  that  the porosity measured with MIP was a  little bit  lower  than  the 

porosities yielded via the other two methods. This is perhaps due to the pores shape and geometry, 

which  prevent  the  mercury  molecules  to  penetrate  and  reach  all  voids,  known  as  bottle  neck 

phenomena  [Diamond,  2000].  Furthermore,  the  porosity measured  using water  is  normally  higher 

because of the drying process during the specimens’ preparation which in addition to evaporating the 

water  in  the voids, probably some of  the  inter‐layer water of C‐S‐H can be also evaporated.  In  this 

part, only the experimental results of concrete porosity measured with MIP will be discussed.

 

The  experimental  results  of  concrete  porosity measured with MIP  indicated  that  the maximum 

porosity was 10 % for mix 18 with OPC and w/b ratio of 0.42 and without supplementary materials, 

which  is  comparable  to  conventional  concrete.  In  order  to  evaluate  the  experimental  results  of 

porosity  in this  investigation, a small comparison with traditional, high performance and ultra‐high 

performance concrete will be made. It is reported that the total porosity of normal concrete, HPC, 

and UHPC are  in the range of 15, 8.3 and 6 % by volume respectively.  It  is  reported also  that the 

capillary porosity contents (0.03 – 10 µm) are 8.3, 5.2 and 1.5 % by volume respectively [Teichmann, 

Page 110: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  92 

 

2004]. Results of mix 18 which can be considered as an optimized normal concrete showed that the 

total and  capillary porosities were 10 % and 5.6 %  respectively, which are  comparable  to normal 

concrete.  These  results  significantly manifest  the  influence  of  enhancing  the  packing  density  on 

concrete porosity. On the other hand, by maximizing the packing density of aggregate, the volume 

of cement paste (cementitious materials and water) required to fill the voids between the aggregate 

is reduced to about 23 %. However, for traditional concrete it is larger than about 30 %. So, if both 

cement pastes have the same porosity, then the total porosity of the densely packed concrete will 

be lower by about 25 %. 

 

The use of supplementary materials appeared to reduce the porosity of concrete depending on their 

type and content at w/b ratio of 0.42. The use of blended cement (slag cement), with higher fineness 

than  OPC,  reduces  the  total  and  capillary  porosities  to  about  9 %  and  4.5 %  respectively. More 

reduction of porosities was attained by the addition of normal fly ash. The total and capillary porosities 

of mix 2 with normal fly ash were reduced to about 7.8 and 3.9 % respectively. Similarly, mix 5 with 

fine fly ash showed  lower porosity; about 7 and 3.5 % for total and capillary porosities respectively, 

which are comparable to the aforementioned porosities of HPC according to [Teichmann, 2004]. This 

can probably be attributed to the efficient packing of fine fly ash particles which have small size (< 10 

µm), spherical shape and smooth  texture  [Sinsiri, 2010]. The addition of silica  fume  to slag cement 

reduces  the  porosity  but  not  by  the  same way  of  fine  fly  ash.  This may  be  due  to  the  inefficient 

dispersion and the possibility of agglomeration of the very fine particles of silica fume. On the other 

hand, mix 19 made with OPC, fine fly ash and silica fume exhibited about 6.3 and 4.5 % for total and 

capillary porosities respectively which are much  lower  than mix 18 without pozzolanic materials. At 

low w/b ratio, the situation is clear and the porosity is significantly reduced. For mix 23 with w/b ratio 

of 0.27 and with fine fly ash, the total and capillary porosities were 4.9 and 2.9 % respectively. More 

reduction was  gained  at  the  same w/b  ratio  by  the  addition of  silica  fume  to  the  system. Mix  21 

exhibited around 1.9 % capillary porosity and about 3 % total porosity. These values are in the range of 

UHPC which need more  fines,  cement,  silica  fume and  fillers and more  superplasticizer and  special 

mixing  tools.  The  comparison  of  the measured  porosity  of mixes  21  and  23 with mixes  9  and  5 

respectively emphasis  the aforementioned assumption,  that silica  fume  is more efficient  in systems 

with low w/b ratios than those with high w/b ratio.  

 

To explain the previous results of total and capillary porosity of different mixes, it is basically worth 

to repeat  that all of  these mixes prepared  roughly with similar volume  fractions of aggregate and 

cementitious materials. The concrete mixture can be considered as a unit volume model that has to 

be filled with the maximum well graded solid materials and at the same time to keep the produced 

concrete  as  workable  as  possible.  So,  the  aggregate  content  and  grading  has  been  optimised 

Page 111: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  93 

 

according to Ideal Fuller curve which exhibited the lowest voids content. These voids should be also 

filled  with  dense  cement  paste.  In  addition  to  the  cement  paste,  the  transition  zone  between 

cement paste  and  aggregate  should be  also  as dense  as possible. Cement particles with  sizes of 

about 30 µm cannot achieve this target alone. Therefore, another material with smaller size which 

can  fit  in  the voids between cement particles  should be  implemented. Fine  fly ash  is  the  ideal  in 

these conditions because  it has a smaller size, a spherical shape, a smooth texture and pozzolanic 

reactivity [Droll, 2004]. Going deeper, similarly, the voids between fine fly ash should be filled with 

smaller size particles. Silica fume with average particle size of about 0.1 ‐ 0.5 µm could be the best 

material that can fill the voids between fine fly ash. For more optimization, two main problems face 

this model; the first one is how the efficient dispersion of these fine materials can be ensured. The 

second one  is how much the optimum content of each material  is required to achieve the highest 

packing density, taking into account all parameters such as the water demand, inter‐particle forces, 

etc…  

 

The  role of  fine  fly ash  in  reducing  the porosity and enhancing  the pore  size distribution  can be 

interpreted  basically  from  several  aspects.  Firstly,  the  enhancement  of  the  packing  density  as 

mentioned  above,  which  is  responsible  for  reducing  the  porosity  of  the  mixture  [Droll,  2004]. 

Secondly,  fine  fly ash enhances  the packing density at  the aggregate surfaces, or by other words, 

reduces the transition zone thickness. Thirdly, it reacts with CH in the transition zone, therefore, the 

transition  zone  become  denser  and  the  pores  become  finer  [Chindaprasirt,  2005].  Fourthly,  the 

pozzolanic reaction with CH produces pozzolanic C‐S‐H which granted more gel  for densifying and 

strengthening  the  matrix  and  the  transition  zone.  Compared  to  normal  C‐S‐H  gel  from  OPC 

hydration, pozzolanic C‐S‐H has  lower porosity;  the porosity of C‐S‐H gel  is about 28 %, whereas 

pozzolanic one has about 19 % [Bentz, 2000]. Additionally, the pozzolanic reaction takes place within 

the capillary pores, and the hydration products blocks and reduces the size of capillary pores and 

prevents its connectivity. Furthermore, the pozzolanic reaction takes some water of the free water 

that  is  found  in  the system, which  indirectly helps  to  reduce  the porosity. Fifthly,  it enhances  the 

cohesion of fresh concrete and reduces the amount of bleed water beneath the aggregate, and as a 

result  the  transition  zone  becomes  denser.  Sixthly,  because  of  its  spherical  shape  and  smooth 

texture, it reduces the water demand and makes the microstructure more homogenous and denser. 

Finally,  because  of  its  low  hydration  rate  compared  to  cement,  the  hydration  heat  is  low which 

result in smaller thermal stresses at early ages. On the other hand, the only difference between fine 

and normal  fly ash  is  the particle  size. Because of  its  relatively big  size  (most particles > 10 µm), 

normal fly ash cannot fit between cement particles with the same particle size [Droll, 2004] which 

results  in poor packing density  in  the  size  level of 10 µm. Moreover,  the  transition  zone  is more 

porous and the pores are coarser in the case of normal fly ash compared to fine fly ash. However the 

Page 112: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  94 

 

use of silica fume alone with cement (binary system) result  in  low packing density also because of 

the high  inter‐particle forces and the possibility of agglomeration. Silica  fume should be uniformly 

and homogeneously dispersed  in order to achieve  its pozzolanic and filler effects [Marchuk, 2004]. 

Agglomeration of the particles occurs with very fine substances which provoke poor packing density. 

Therefore,  the use of adequate  cementitious materials with optimum composition, with  the use of 

appropriate superplasticizer that is sufficient to efficiently disperse the fine particles will lead to concrete 

with dense microstructure and with very low porosity.  

5.5.3 Durability

Durability  is of major  concern  in  the nowadays  concrete mix design. Practically,  the  interest has 

gradually shifted from the compressive strength towards other properties of the materials, such as 

high modulus of elasticity, high density and durability. Concrete durability cannot be measured with a 

uniform value, but the resistance of concrete to the  ingress of water and gases  is always of the most 

crucial aspects. According to ACI committee [Virgalitte], durability of concrete is defined as its ability 

to  resist weathering  action,  chemical  attack,  abrasion or  any other process of deterioration.  The 

transport of liquids and gases, which can be harmful to any concrete structure, occur exclusively through 

the capillary pore system of the hardened cement matrix.  In this  investigation  in order to assess the 

durability of concrete; permeability, diffusion, and capillary suction tests have been  implemented. 

The transport of  liquids and gases take place through the continuous pore system  inside concrete. 

So,  enhancing  the  packing  density  reduces  the  penetration  of  contaminates  into  concrete.  The 

increased volume of aggregate  close  the  transport passes and makes  it  longer. The experimental 

results of penetration and air permeability tests clarify the important role of the increased packing 

density on transport mechanisms. All concrete mixes exhibited water penetration depth lower than 

20 mm which  can be  classified as  impermeable  concrete under aggressive  conditions  (< 30 mm) 

according to Neville [Neville, 2004]. Because of  its higher fineness, the use of slag cement reduces 

the permeability more than OPC concrete. This result agrees with [Virgalitte, 1995; Güneyisi, 2008]. 

This is attributed to the dense microstructure and the lower content of CH crystals in the transition 

zone in the case of slag cement concrete. 

 

The addition of fine fly ash and silica fume notably reduces the concrete permeability and diffusivity 

[Thomas,  2012].  The main  effect  of  these  fine materials  is  the  enhancement  of  transition  zone 

properties and making it denser. This zone is known as the locus of micro‐cracks which influence not 

only  the mechanical properties but also  the permeability and durability  [Mehta, 2004]. Due  to  its 

high pozzolanity,  fine  fly  ash  and  silica  fume  increase  the homogeneity of  the microstructure by 

replacing CH crystals with excess of C‐S‐H gel. Therefore, the probability of micro‐cracking is reduced 

and the transition zone becomes thinner. Moreover, the size and content of capillary pores, which 

Page 113: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  95 

 

are responsible for transport as well as the CH‐crystal concentration, are reduced with progress of 

the pozzolanic reaction. Furthermore, the produced C‐S‐H gel blocked the pores and reduced its size 

and interrupted its connectivity. On the other hand, due to the high fineness and small particle size, 

fine materials fill the space between cement particles and therefore refine the microstructure and 

densify the matrix (filler effect). In addition, it reduces the wall effect around the aggregate surfaces, 

thus  allowing  better  packing  of  cement  particles  at  the  interface  between  cement  paste  and 

aggregate. This filler effect makes the pores finer. The influence is clear with using different classes 

of  fine materials. The  filler effect  is greater  the wider  the differences between  fine materials and 

cement  [Reschke,  2000].  These  factors  together  lead  to  very  positive  influences  on  concrete 

properties,  particularly  result  in  significant  reduction  in  the  permeability  and  considerable 

enhancement in durability of concrete.  

 

The incorporation of fine fly ash or both fine fly ash and silica fume with low w/b ratio result in an 

effective  reduction  in  the  transport of  contaminants  into  concrete. The  results of absorption and 

chloride diffusion confirm this influence. The water absorption coefficient of mix 23 was about 0.09 

kg/m2 h0.5. However, a  combination of  fine  fly ash and  silica  fume along with  low water  content 

leaded to a much  lower water absorption coefficient, which equals 0.07 kg/m2 h0.5. Similar results 

were obtained for chloride penetration. The chloride penetration into concrete is considered to be 

the  most  important  factor  that  can  be  used  to  evaluate  the  concrete  durability.  The  chloride 

penetration of  concrete without  fine materials was  about  42 mm. However,  the  use  of  blended 

cement reduced the penetration to around 15 mm (mix 1). The use of fine fly ash at the same w/b 

ratio of 0.42  reduced  the penetration  to about 7 mm. Mix 21 with w/b  ratio of 0.27 showed  the 

lowest chloride penetration  (about 3 mm) which  is  in  the  range of UHPC  [Teichmann, 2004]. The 

experimental results of mixes 5, 9, 21 and 23 confirm that silica fume is more effective in reducing 

the transport of gases and fluids into concrete at low w/b ratio more than at high w/b ratio. Similar 

conclusion  has  been  emphasized  by  Bentz  who  reported  that  silica  fume  is more  efficient  for 

reducing  diffusivity  in  low w/c  ratio  concretes  [Bentz,  2000].  The  high  resistance  of  concrete  to 

chloride penetration  can be  interpreted by  several  reasons; high packing density, optimization of 

cementitious materials and low w/b ratio. The role of high packing density in reducing the chloride 

diffusion coefficient can be clarified by comparing the experimental results from this  investigation 

with the results reported by Brandenburger [Brandenburger, 2006]. He studied the effect of fine fly 

ash  on  chloride  diffusion  of  concrete  and  found  that  fine  fly  ash  concrete  exhibited  a  chloride 

diffusion coefficient of 1.5 x 10‐12 m2/sec. However the optimized mixes in this investigation showed 

higher resistance to chloride diffusion than these values by using the same materials. For example, 

the chloride diffusion of mix 5 made with the same w/b ratio and with the same fine fly ash content 

is 3.8 x 10‐13 m2/sec which is 4 times lower than Brandenburger concrete with fine fly ash. This small 

Page 114: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  96 

 

comparison accurately elucidated the important effect of packing density on concrete durability. On 

the other hand, the high resistance of concrete with supplementary materials to chloride ingress is 

attributed  to  many  parameters  as  discussed  in  the  above  sections.  In  addition  to  the 

aforementioned parameters, the C/S ratio of the produced pozzolanic C‐S‐H has an important role. 

The C‐S‐H from the pozzolanic reaction has a C/S ratio of about 1 which is much lower than that of 

C‐S‐H gel from OPC hydration. It is stated that the lower the C/S ratio, the lower the chloride binding 

[Droll, 2004]. It was found also that C‐S‐H with low C/S ratio has lower porosity than C‐S‐H with high 

C/S  ratio  [Bentz,  2000].  Therefore,  the  pozzolanic  C‐S‐H  has  important  role  in  improving  the 

durability and reducing the porosity of concrete. 

5.6 Porosity & mechanical properties relationship

In order to understand the  interdependence between the measured properties of concrete  in the 

present investigation, the relationships between different properties have been studied. In general 

the strength of most materials  is  increased when decreasing the porosity. An optimum addition of 

fine materials helps to reduce the porosity and to  improve the mechanical properties at the same 

time. However,  too much addition of  fine materials  increases  the  shrinkage which  causes micro‐

cracking.  The microstructure  which  is  the main  factor  controlling  the mechanical  and  chemical 

properties  depends mainly  on  the  particle  size  distribution  of  the  starting  raw materials  [Lange, 

1997].  In  addition,  the  properties  of  interface  zone,  porosity  and micro‐cracking  fundamentally 

affect the mechanical properties. Figure  5.16 illustrates the mechanical properties and total porosity 

relationship. It is clear that the relationship between porosity and mechanical properties is positively 

correlated  to a  certain extent. Contrary  to durability, all pores  (open and  close pores) affect  the 

mechanical  properties  of  concrete  [Beaudoin,  1979].  Strictly  speaking, mechanical  properties  of 

concrete  are  affected  by  the  volume  of  all  voids  in  concrete:  entrapped  air,  capillary  pores,  gel 

pores, and entrained air  if present. Generally,  from  fracture mechanics point of  view,  at a  given 

porosity, smaller pores  lead to a higher strength of the cement paste. Additionally, decreasing the 

porosity and making the microstructure denser and more homogeneous results in beneficial effects 

with  respect  to  strength,  resistance  to  crack  propagation  and  stiffness.  Besides,  reducing  the 

porosity especially  in  transition  zone makes  the  transition  zone denser and enhances  the bond 

between  cement  paste  and  aggregate which  has  a  direct  influence  on  concrete  elasticity  and 

strength.  The  concentration  of  CH  crystals,  which  is  a  very  weak  material  that  weakens  the 

concrete, is reduced by minimizing the porosity in the TZ, thus mechanical properties of concrete 

is more enhanced.  

 

Page 115: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  97 

 

            

Figure 5.16: Relationship between total porosity and modulus of elasticity and compressive

strength of different concrete mixes at age of 91 days

5.7 Permeability & capillary porosity relationship

The entrance of aggressive substances into concrete takes place via the pore system within concrete 

microstructure and transition zone. The porosity of any material can be divided into two categories; 

close and open. The open porosity can be also subdivided to two classes. The first type is the pores 

that start from the surface and reach to the interior of the body and then stop. These pores do not 

participate in transport properties. The second type is continuous pores from one side to the other 

side permitting the passage of  liquids and gases [Därr, 1973].  It  is proved that the permeability of 

concrete  is well  correlated  to  the  average  pore  size  and  porosity measured with MIP  [Hamami, 

2012].  Figure  5.17  shows  the  relationship  between  the  measured  water  penetration  and  air 

permeability with  capillary porosity.  It  is obvious  from  the  figure  that a clear  relationship existed 

between permeability and  capillary porosity of  concrete. The addition of  fine pozzolanic material 

which  refine  the pores  and make  it denser have  a positive effect on permeability. On  the other 

hand, the experimental results showed that most concrete mixes have very low capillary porosity. It 

is  stated  that  at  lower  porosities  (<  20  %),  the  capillary  pores  became  discontinuous  and  the 

transport is controlled by the properties of nano‐pores in C‐S‐H microstructure [Bentz, 2000]. 

10000

20000

30000

40000

50000

60000

2 4 6 8 10 12

Modulus of elasticity (MPa)

Total porosity %

0

20

40

60

80

100

120

2 4 6 8 10 12

Compressive stren

gth (MPa)

Total porosity %

Page 116: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  98 

 

   

Figure 5.17: Relationship between capillary porosity measured with MIP in the range of 30 nm to

10 µm and the air permeability and water penetration depth at age of 91 days

5.8 Absorption & capillary porosity relationship

The absorption coefficient which represents the capillary suction effect has been determined using 

the  water  absorption  test.  The  dependence  of  absorption  on  capillary  porosity  is  presented  in 

Figure  5.18.  Certainly,  as  the  capillary  porosity  increases,  the  capillary  suction  also  increases. 

Nevertheless, experimental results of both measurements do not exactly fit the line. This might be 

due to the differences of the measuring media; water and mercury. Additionally, beside the size, the 

shape and geometry of  the pores play  important  roles  in determining  the  transport of  fluids and 

gases  through  concrete.  Furthermore,  the measuring  period  of  the water  absorption  affects  the 

results because it is continued for 24 hours.  

 

 

Figure 5.18: Water absorption coefficient and capillary porosity relationship at age of 91 days

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 2 3 4 5 6

Air permeability 10‐17  (m

2)

Capillary porosity %

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6

Water pen

etration depth (mm)

Capillary porosity %

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

1 2 3 4 5 6

Water absorption coefficient 

(kg/m

2hr0

.5)

Capillary porosity %

Page 117: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  99 

 

5.9 Chloride diffusion & capillary porosity relationship.

Chloride  ions diffusion  is most effective when the pores are totally saturated, but  it occurs also  in 

partially  saturated  ones  [Neville,  2004].  Figure  5.19  presents  the  relationship  between  chloride 

diffusion  coefficient  and  the  capillary  porosity.  It  is  clear  that  the  relationship  between  capillary 

porosity  and  chloride  diffusion  is  positively  correlated;  as  the  capillary  porosity  increases  the 

diffusion coefficient increases. Similar relationship between capillary porosity and diffusion has been 

documented by Bentz  [Bentz, 2000]. On  the other hand,  the addition of  fine pozzolanic materials 

modifies  the pore  structure of  the  cement paste.  The pozzolanic  reaction  takes place within  the 

capillary  pores  and  the  products  may  fill  and  block  some  of  these  pores  and  make  them 

discontinuous. Such pore modification and blocking are more pronounced  in  the case of very  fine 

materials. As a result of this refinement, the chloride penetration is considerably reduced.  

 

Figure 5.19: Chloride diffusion coefficient & capillary porosity relationship at 91 days

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6

Chloride diffusion coefficien

t x 10‐13   (m

2/sec)

Capillary porosity %

Page 118: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Results and discussion of the optimized concrete properties                                                                  100 

 

 

Page 119: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  101 

 

6. Effect of hydrothermal conditions on the properties of

densely packed concrete

6.1 Introduction Although the behavior of normal concrete at high temperature and fire is intensively studied in the 

literature,  there  is  a  lack  of  information  about  the  influence  of  elevated  temperature  on  the 

properties  of  high  performance  concrete  containing  mineral  admixtures.  Most  investigations 

concentrated  only  on  the  residual mechanical  properties  and  a  little  information  is  available  on 

concrete durability which controls the service  life of different structures.  In addition, the available 

information about the effect of hydrothermal treatment on properties of already cured concrete is 

very  rare. When  the  concrete  is  subjected  to  elevated  temperature,  changes  in  durability  and 

strength  take  place  [Xu,  2001]. However,  the mechanism  causing  these  changes  is  complex  as  a 

result of large number of physical and chemical processes in concrete microstructure. The literature 

review about the behavior of concrete at high temperature give widely varying results which make it 

difficult  to draw definite conclusions. For example,  the  residual  strength after exposing  to 200  °C 

could vary from a decrease of 50 per cent to an increase of 50 percent [Bažant, 1996]. The reasons 

for that include the differences in moisture content, in exposing time, in concrete composition, and 

in aggregate properties [Neville, 2004]. 

As one of the main targets of this investigation is to develop hot water tank to store solar thermal 

energy at 200  °C and pressure of 15.5 bars,  then  the optimized concrete  should be  tested under 

these hydrothermal conditions. Two aspects should be considered  in  this concern;  the  first  is  the 

structural  design  including  thermal  stresses,  geometry  of  the  tanks  and  walls  as  well  as  the 

structural behavior of concrete under hydrothermal cyclic  loads (fatigue). The second aspect is the 

behavior  of  concrete  itself  under  hydrothermal  conditions  which  is  the  main  focus  of  this 

investigation. The used concrete should be water‐tight at high temperature, durable and sustainable 

for long working period. The principal goal of this chapter is to evaluate the effect of hydrothermal 

conditions  on  properties  of  the  densely  packed  concrete. Contrary  to  the  case  of  the  pure  heat 

exposure, where  the  concrete  specimens  are  subjected  to  pressure  gradient which may  lead  to 

spalling, in the case of hydrothermal exposure (temperature and pressure), the pressure gradient is 

not  so  aggressive  like  the  first  case.  Additionally,  in  the  case  of  heat  only,  the  concrete  suffers 

dryness because it loses its pore water due to heating [Bažant and and Prasannan, 1986], whereas, 

in the studied case (hydrothermal exposure), the pores are completely saturated with water. In this 

investigation,  in  order  to  study  the  properties  and microstructure  of  the  optimized  HPC  under 

different thermal conditions, a series of experimental tests have been performed.  

Page 120: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  102 

 

This chapter presents the experimental results of the optimized concrete mixes after hydrothermal 

exposure  to  a  temperature  of  200  °C  and  a  pressure  of  15.5  bars  for  several  cycles  up  to  50. 

Mechanical  properties  including  compressive,  tensile  strength  and  hardness  of  concrete  using 

rebound number are introduced. Furthermore, porosity measurements using MIP will be also given. 

In  addition,  the  durability  indicators  including measurement  of  different  transport  phenomena; 

diffusion,  permeation  and  capillary  suction  are  presented.  At  the  end  of  this  chapter,  detailed 

analysis and discussions of the experimental results are included.  

6.2 Methods

In  real situation of  the hot water concrete  tank, because  the  tank  is  totally closed,  increasing  the 

temperature above 100 °C will generate water and steam pressure on the concrete walls.   So, the 

concrete will  subject  to  temperature  and pressure  from one  side while  the other  side  is  kept at 

ambient conditions. However, due to the lack of information about the behaviour of the developed 

densely packed concrete under hydrothermal conditions, it is favoured to study first the properties 

of concrete after hydrothermal exposure  from all sides. Therefore,  in  this experimental work,  the 

autoclave has been used to load the concrete specimens with temperature of 200 °C and pressure of 

15.5  bars  as  seen  in  Figure  6.1.  The  height  of  the  autoclave  is  about  1120 mm  and  the  outer 

diameter  is about 550 mm with a pressure  vessel  from  inside with  volume of  approximately 7.8 

liters. The autoclave contains two heating units; bigger and smaller with capacity of 1600 and 400 

watt  respectively. A pressure gauge  that enables  setting  the desired pressure value and pressure 

valve are located on the enclosure. Additionally, a cooling fan is included in order to cool down the 

pressure vessel if required. The pressure vessel has a diameter of about 170 mm and height of about 

350  mm  which  makes  it  approximately  suitable  for  1  standard  cylinder  (300  x  150  mm)  as  a 

maximum. The hydrothermal loading was applied for several autoclaving cycles, each one needs of 3 

hours heating at a constant heating  rate of 1  °C/min, and 6 hours cooling at constant  rate of 0.5 

°C/min for cooling down to the room temperature (20 ± 1 °C) as can be seen in Figure  6.1. Because 

of the limited size of the used autoclave, either three cubes with edge length of 100 mm of each mix 

or one cylinder (150 x 300 mm) were subjected to several hydrothermal cycles; 5, 10, 15 or 50 times. 

Thereafter,  the  specimens were  cooled  down  to  ambient  conditions  and  then  tested  at  normal 

temperature to study the variation in their properties due to autoclaving.  

Page 121: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

 

Figure 6

6.3 M

6.3.1 C

The com

the  plan

different

of some 

showed 

(strength

reduced

decrease

of norm

to reduc

was abo

compare

compres

quite  di

reduced

both fine

only, mi

resistanc

slag cem

bit decre

f hydrotherm

6.1: High pre

Mechanical

Compressi

mpressive str

nned  curing 

t autoclavin

concrete m

that  OPC  a

h  retrogress

  to 61 % of

e of strength

al fly ash ap

ce. Neverthe

out 136 % of

ed  to  other

ssive strengt

fferent  perf

 to approxim

e fly ash and

ix  19 with  p

ce to strengt

ment, fine fly

ease of abo

mal conditio

essure auto

l propertie

ive strength

rength has b

period  at  2

g cycles wit

ixes, while t

and  slag  ce

sion). The  st

f  the origina

h to about 7

ppeared to i

eless, the fin

f  its original

r  mixes.  M

th was abou

formance.  T

mately its or

d silica fume

partial  repla

th retrogres

y ash and sili

out 2 % can 

ns on the pr

   

oclave and a

es results

h

been measu

20  ±  1  °C  u

h 200 °C an

the results o

ment  concr

trength of O

al  strength. 

8 % of its or

ncrease the

nal compress

l value, whic

ix  5  with  f

ut 130 % of 

The  strength

riginal value 

e is about 1

acement  of 

ssion after ex

ica fume ma

be noticed 

roperties of 

 

 

a schematic

red for all m

under water

d 15.5 bars.

of other mixe

rete  exhibite

OPC  concret

Similarly,  s

riginal value 

e strength un

sive strengt

ch represen

fine  fly  ash

the origina

h  is  increas

after 50 cyc

26 % of its 

OPC with  f

xposure to 5

anifested an 

due  to  incr

0

50

100

150

200

250

0Temperature °C

densely pac

c diagram fo

mixes using 

r,  the  concr

. Figure  6.2 

es can be fou

ed  decrease

te  (mix 18) 

lag  cement 

due to auto

ntil 15 cycle

h of mix 2 w

ts the maxi

  showed  s

l strength. M

sed  with  au

cles. Howeve

original valu

fine  fly  ash 

50 cycles. At

increase of 

reasing  the 

5

ked concret

or hydrother

100 mm edg

rete  specim

presents the

und in the a

e  of  strengt

after autoc

concrete  (m

oclaving for 5

es, after whi

with normal 

mum  increa

imilar  trend

Mix 7 with s

utoclaving  fo

er, the final 

ue. Compare

and  silica  f

t low w/b ra

strength wi

autoclaving

10

Time (hours)

mal loading

ge length cu

ens were  e

e experimen

ppendices. T

th  due  to  a

laving  for 5

mix 1)  also 

50 cycles. Th

ch the stren

fly ash afte

ase due to a

d,  however,

silica  fume 

or  5  cycles 

strength of 

ed to mix 18

fume  exhibit

atio (0.27), m

ith autoclavi

g cycles  from

0 1

103

 

g period

ubes. After 

exposed  to 

ntal results 

The results 

autoclaving 

0  cycles  is 

suffered  a 

he addition 

ngth began 

r 50 cycles 

autoclaving 

,  the  final 

revealed a 

then  it  is 

mix 9 with 

8 with OPC 

ted  higher 

mix 21 with 

ing. A little 

m 15  to 50 

15

Page 122: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  104 

 

cycles. Nevertheless,  the  final  compressive  strength  is about 112 % of  its original  value  (without 

autoclaving). On  the other hand, mix 23 with w/b  ratio of 0.27, with slag cement and  fine  fly ash 

showed  a  negligible  strength  retrogression  at  all  levels  of  autoclaving.  The  final  compressive 

strength was about 117 MPa which represents about 129 % of its original value. 

6.3.2 Rebound number

The aim of this test is to measure the effect of autoclaving with various cycles on the hardness and 

strength  of  concrete,  on  the  same  cube.  After  the  designed  curing  period,  the  samples were 

surface dried and then tested to determine its hardness in the original state without autoclaving. 

Then, the specimens were put in the autoclave for different cycles. After autoclaving, the concrete 

specimens were surface dried and tested again.  In order to apply the rebound number  test, the 

specimens were fixed in compressive strength machine under a certain load with a certain loading 

rate as  can be  seen  in Figure  3.11. All  samples are  tested by  the  same way  in order  to get  fair 

comparison  of  the  results.  The  experimental  results  of  rebound  number  test  on  concrete 

specimens are presented  in  Figure  6.3.  It  is not difficult  to observe  that  the  results of  rebound 

number are  in good agreement with  the  results of compressive strength. The strength decrease 

can be observed significantly in mixes 1 and 18 with slag cement and OPC concrete respectively. It 

is  clear  that w/b  ratio has a major effect on  strength of  concrete before and after autoclaving. 

Furthermore,  the  results  indicated  that  the  addition  of  pozzolanic  materials  considerably 

enhances the strength of concrete after hydrothermal exposure for different cycles; depending on 

its  type and content.  It can be also  indicated  that mixes with  fly ash continuously gain strength 

with  increasing  the  autoclaving  cycles.  However, mixes  with  silica  fume  gained  high  strength 

quickly and then the strength  is constant or slowly  increases with autoclaving. The results of mix 

18  showed  that  the  strength  is  aggressively  decreases with  autoclaving  for  50  cycles which  is 

typically the case in the compressive strength test results.  

                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 123: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  105 

 

   

 

   

 

   

 

   

 

 

Figure 6.2: Compressive strength of concrete mixes at normal conditions and after autoclaving.

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 18 (III)

50

60

70

80

90

100

110

0 10 20 30 40 50Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 2 (III‐FA)

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 5 (III‐M20/10)

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 7 (III‐SF)

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 9 (III‐M20/10‐SF)

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 18 (I)

60

70

80

90

100

110

0 10 20 30 40 50Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 19 (I‐M20/10‐SF)

80

90

100

110

120

0 10 20 30 40 50

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 21 (III‐M20/10‐SF)

80

90

100

110

120

0 10 20 30 40 50

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 23 (III‐M20/10)

Page 124: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  106 

 

      

          

 

     

      

 

Figure 6.3: Results of rebound hammer for concrete at normal conditions and after autoclaving

for several cycles

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 1 (III)

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 2 (III‐FA)

30

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 5 (III‐M20/10)

30

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 7 (III‐SF)

30

40

50

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 9 (III‐M20/10‐SF)

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving  cycles

Mix 18 (I)

35

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 19 (I‐M20/10)

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 21 (III‐M20/10‐SF)

40

45

50

55

0 10 20 30 40 50

Rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 23 (III‐M20/10)

Page 125: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

6.3.3 S

Cylindric

the desig

the  test 

week. Th

autoclav

tested. 

conditio

at w/b ra

mix 19  i

and 5 ex

hand, m

addition

with  10

autoclav

fine fly a

same lev

Figure 6

6.4 Po

The mai

concrete

in  the  c

0

1

2

3

4

5

6

7

Splitting tensile stren

gth (MPa)

f hydrotherm

Splitting ten

cal specimen

gned curing

was perfor

he autoclav

ving, the sam

Figure  6.4  p

ns and after

atio of 0.42,

n which the

xhibited a sl

mix 1 reveale

 of  silica  fu

0  %  silica  f

ving. At low 

ash and silic

vel without a

6.4: Splitting

orosity me

in  target  of 

e samples af

concrete mi

Mix 1

Normal

15 cycle

III 

mal conditio

nsile streng

ns with dime

g period. Bec

med after 1

ing process 

mples were 

presents  the

r hydrotherm

, most concr

e tensile stre

light decrea

ed the highe

me has a n

ume  replac

w/b ratio, a

ca fume. How

any changes

g tensile stre

easured w

this  test  is

fter hydroth

crostructure

Mix 2 M

es

III‐FA III‐

ns on the pr

gth

ensions of 1

cause of the

15 cycles of 

was perfor

allowed to c

e  results  of

mal exposur

rete mixes s

ength increa

se  in tensile

est strength 

egligible eff

cement  exh

a little bit de

wever, only

s due to auto

ength at nor

with MIP

s  to  determ

ermal expos

e  due  to  au

Mix 5 Mi

‐M20/10  III‐

roperties of 

 

150 x 300 m

e limited vol

autoclaving

med one we

cool down t

f  splitting  te

e for 15 cycl

uffer a decr

ased by abou

e strength; a

reduction d

fect on prev

ibited  abou

ecrease of st

y mix 23 wit

oclaving.  

rmal conditio

ine  the  por

sure which c

utoclaving.  A

ix 7 Mix 

‐SF III‐M20/1

densely pac

m were sub

ume of the 

g only, wher

eek before 

to the room 

ensile  streng

les at age of

ease in tens

ut 13 % com

about 7 and

due to autoc

venting  the 

ut  40  %  re

trength can 

h fine fly as

ons and afte

re  size  distr

can help to 

After  curing

9 Mix 18

10‐SF I

ked concret

bjected to au

autoclave (1

re each cylin

the  test, at 

temperatur

gth  of  conc

f 91 days. Th

sile strength

mpared to it

d 10 % respe

claving, whi

tensile  stre

duction  of 

be observed

sh held the t

er autoclavi

ibution  and

better unde

g,  the  samp

8 Mix 19

I‐M20/10‐SF 

utoclaving c

17 x 35 cm, 

nder needs 

age of 83 d

re (20 ± 1°C

crete mixes 

he results ind

. The only ex

s original va

ectively. On

ch  is about 

ngth  reduct

the  strengt

d for mix 21

tensile stren

ing for 15 cy

  the  total  p

erstanding th

ples  were  e

Mix 21

  III‐M20/10‐SF 

107

cycles after 

7.8 liters), 

about one 

days. After 

C) and then 

at  normal 

dicate that 

xception is 

alue. Mix 2 

n the other 

41 %. The 

tion. Mix 7 

th  due  to 

1 with both 

ngth at the 

ycles

porosity  of 

he changes 

exposed  to 

Mix 23

III‐M20/10

Page 126: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

autoclav

the  test

Figure  6

hydrothe

increase

OPC wit

porosity

pozzolan

result of

5.34 % d

very sma

porosity

conditio

 

Figure  6

figure re

autoclav

reduced

with poz

50 cycle

remaine

for 50 cy

reduced

Figure 6

autoclav

f hydrotherm

ving for 50 cy

ing device. 

6.5  illustrat

ermal  expo

ed from 10.3

th  fine  fly  a

  is  still  high

nic materials

f mix 5. The 

due to autoc

all reduction

 with  autoc

n was 4.9 %

6.6  shows  th

evealed that

ving  for 50 c

 from 3.5 to

zzolans exhi

s. At  low w

d approxim

ycles. On th

 from 2.96 %

6.5: Total

ving for 50 c

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Total porosity %

mal conditio

ycles. After 

Detailed ex

tes  the  tot

sure  for  50

3 to 13.3 % 

sh  and  silic

her  than  th

s seemed to

porosity of 

claving for 50

n in porosity

claving  for 5

, and it was 

he  experime

t mix 18 exh

cycles, 5.6 %

o 1.74 % aft

bited a decr

w/b ratio,  the

ately withou

e other han

% at normal 

porosity of

cycles

Mix 5

III‐M20/10 

ns on the pr

cooling dow

planation o

tal  porosity

0  cycles.  Th

after autoc

a  fume  (mix

he  original  o

o have bette

mix 5 made

0 cycles. At 

y to 2.98 % a

50  cycles wa

reduced to 

ental  results

hibited the h

% and 9.26 %

er hydrothe

rease in the 

e capillary p

ut change, 1

nd, the capil

conditions t

f concrete

Mix 18

I

roperties of 

 

wn to room t

n  the meas

  of  concre

he  results  in

laving for 50

x  19),  the  in

one  (from  6

er performan

e with slag ce

low w/b rat

after autocla

as  clear  for 

2.65 % after

s  of  capillar

highest capi

%  respectiv

ermal treatm

capillary po

porosity of m

1.9 % at amb

lary porosity

to 1.44 % aft

measured

Mix 1

I‐M20/1

densely pac

temperature

uring proce

ete  mixes  a

ndicated  th

0 cycles. Ho

ncrease  in p

6.2  to  7.9 %

nce concern

ement and f

io, mix 21 w

aving for 50 

mix  23, wh

r hydrotherm

ry  porosity 

illary porosit

ely. Howeve

ment. Mix 19

orosity from 

mix 21 with 

bient condit

y of mix 23 

ter hydrothe

with MIP

19 Mix

10‐SF III‐M20

ked concret

e, the sample

dures  is  fou

at  normal 

at  the  tota

owever, by p

porosity  is  r

%).  The  use

ing porosity

fine fly ash w

with bulk por

cycles. How

here  the  tot

mal treatme

of  different

ty at norma

er,  the capil

9 with partia

4.5 to 2.4 %

 both  fine  f

tions and 1.8

with fine fly

ermal treatm

at normal

x 21 M

N

5

0/10‐SF III‐

es were tran

und  in  sectio

conditions 

al  porosity 

partial repla

reduced, bu

  of  slag  cem

y as can be s

was reduced

rosity of 3 %

wever, the re

tal porosity 

nt for 50 cyc

t  concrete m

al conditions

lary porosit

al replaceme

% after auto

fly ash and s

87 % after a

y ash was si

ment for 50 c

conditions

Mix 23

Normal

0 cycles

‐M20/10 

108

nsferred to 

on  3.4.4.3. 

and  after 

of  mix  18 

acement of 

ut  the  final 

ment with 

seen in the 

d from 7 to 

% showed a 

eduction in 

at normal 

cles. 

mixes.  The 

s and after 

ty of mix 5 

ent of OPC 

oclaving for 

silica  fume 

autoclaving 

ignificantly 

cycles.  

and after

Page 127: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

Figure 6

6.5 D

When  th

occur, pa

order  to

conditio

properti

The mea

conditio

6.5.1 P

6.5.1.1

The wat

days. On

After au

were cut

applied f

device, t

measure

results o

autoclav

increase

value fo

f hydrotherm

6.6: Capillar

urability

he  concrete

articularly d

o  find  out w

ns  or  not, 

es of concre

asurements 

ns and comp

Permeabili

Water pen

er penetrati

ne week bef

utoclaving,  th

t and fixed i

for 72 ± 2 ho

they are sub

ed,  the wett

of water pen

ving  for  15 

ed for all mix

r mix 1. It w

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Capillary porosity %

mal conditio

ry porosity o

e  is  exposed

durability, wh

whether  the

a  series  of

ete which giv

include  pe

pare them w

ity

netration de

ion depth te

fore the test

he samples 

n the testing

ours. Therea

bjected to sp

ted  zone  ap

netration de

cycles.  The

xes, but cert

was  increase

Mix 5

III‐M20/10 

ns on the pr

of concrete a

d  to  hydrot

hich can red

ere was  deg

f  experimen

ve indicatio

rmeability, 

with those at

epth.

est according

t, the cylind

were coole

g device as c

after, during

plitting by th

ppeared  dar

pth of concr

  test  result

tainly not in 

ed from 15 t

Mix 18

roperties of 

 

at normal co

hermal  con

duce the rem

gradation  of

ntal  tests  h

ns about the

absorption 

t normal con

g to DIN EN

rical sample

d down  to  t

can be seen 

g 10 minutes

he machine.

rker  [Neville

rete at norm

ts  indicated 

the same m

to 50 mm d

Mix 1

I‐M20/10

densely pac

onditions an

ditions,  sign

maining serv

f  the  concre

has  been  pe

e durability 

and  diffusio

nditions.  

 12390‐8 ha

es were exp

the  room  te

 in Figure  3.

s of removin

 The depth 

e,  2004].  Fig

mal condition

that  the  p

manner. It w

ue to autoc

19 Mi

0‐SF III‐M2

ked concret

nd after auto

nificant  cha

vice life of th

ete  durabilit

erformed.  I

of concrete 

on  after  exp

as been imp

osed to aut

emperature.

13. A pressu

ng the speci

of water pe

gure  6.7  sho

ns (without 

penetration 

as about thr

laving for 15

x 21

N

5

20/10‐SF

oclaving for

nges  in  its 

he structure 

ty  after  hyd

n  this  sect

have been 

posure  to  a

lemented at

oclaving for

. Then,  the 

ure head of 

mens from t

enetration w

ows  the  exp

autoclaving

depth  is  dr

ree folds of 

5 cycles. Ho

Mix23

Normal

50 cycles

III‐M20/10 

109

50 cycles

properties 

rapidly. In 

drothermal 

tion,  some 

measured. 

autoclaving 

t age of 91 

r 15 cycles. 

specimens 

5 bars was 

the testing 

was directly 

perimental 

) and after 

ramatically 

its original 

owever, for 

Page 128: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

mix  18 w

times  its

imperme

several t

depths. 

and 5 m

Figure 6

15 cycle

6.5.1.2

The  co

section  3

diamete

20 mm. 

thereaft

105 °C u

conditio

carried o

concrete

Contrary

imperme

permeab

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Water pen

etration dep

th (mm)

f hydrotherm

with OPC  o

s  original  v

eability of co

times of its o

Compared  t

m to 24 and

6.7: Water p

es

Air perme

ncrete  air 

3.4.3.2. Afte

r of 50 mm 

Then,  the 

er they were

until a consta

ns  to  avoid

out as expla

e in three dif

y  to  the  res

eability of m

bility due to

Mix 1

III 

mal conditio

nly,  the pen

value  (18 m

oncrete afte

original valu

to  its origina

d 22 mm for 

penetration

ability

permeabili

er curing for

were taken

samples we

e cooled dow

ant mass. Th

d  any moist

ained  in  the

fferent case

ults of wate

most  concre

o hydrotherm

Mix 2

III‐FA  II

ns on the pr

netration  de

m).  The  ad

er hydrother

ue. At low w

al values,  th

mixes 21 an

depth of co

ity  was  m

r the planne

n. Afterward

ere  exposed

wn to the ro

hen, the sam

ure  uptake.

e section  3.4

s; normal, w

er penetratio

ete mixes w

mal cycling.

Mix 5 M

I‐M20/10  II

roperties of 

 

epth  reache

ddition  of  fl

mal exposur

w/b ratio, mix

he penetrati

nd 23 respec

oncrete at n

measured  ac

ed period, w

s, the samp

  to  autoclav

oom temper

mples were 

.  Then,  the 

4.3.2. Figure

with autoclav

on depth,  th

with  autoclav

It has the s

Mix 7 Mix

II‐SF III‐M20/

densely pac

ed  about  82

y  ash  show

re. Neverthe

xes 21 and 2

ion depth af

ctively. 

normal cond

ccording  to

with the help

les were cut

ving  for  the

rature. The s

cooled natu

measurem

e  6.8 shows 

ving for 15 a

he  results  in

ving. Only m

ame trend a

x 9 Mix 18

/10‐SF  I

ked concret

2 mm which

wed  a  quite

eless, the pe

23 showed q

fter autocla

ditions and a

o  the  proc

p of drilling m

t to slices w

e  designed  n

saturated dis

urally to 20 ±

ents  and  ca

the  results 

and with aut

ndicated en

mix  18  show

as that of w

8 Mix 19

I‐M20/10‐SF

h  represents

  improveme

enetration de

quite high p

ving  increas

after autocl

cedure  des

machine sam

with thicknes

number  of 

scs were ove

± 1 °C in mo

alculations  h

of air perm

toclaving for

hancement 

wed  an  incre

water penetr

Mix 21

F  III‐M20/10‐SF 

110

s  around  5 

ent  in  the 

epth is still 

enetration 

sed  from 3 

aving with

scribed  in 

mples with 

ss of about 

cycles  and 

en dried at 

oisture free 

have  been 

meability of 

r 50 cycles. 

in  the gas 

ease  in  air 

ration test. 

Mix 23

Normal

15 cycles

III‐M20/10

Page 129: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

For othe

2 with fl

initial va

fine fly a

w/b ratio

permeab

1.4 and 

Figure 6

15 and 5

6.5.2 A

In  this  i

Concrete

days). O

for 15  c

constant

Thereaft

to allow 

increase

The abso

of concr

coefficie

increase

coefficie

0

5

10

15

20

25

Air permeability x 10‐17(m

2)

f hydrotherm

er mixes, larg

y ash, after 

alue. On the

ash resulted

o, a significa

bility at norm

1.53 x 10‐17 

6.8: Air perm

50 cycles

Absorption

nvestigation

e cubes wer

ne week be

ycles. After 

t  weight.  T

ter, the circu

 flow of wat

e with time o

orption coef

rete samples

nt of differe

d  for  most 

nt before an

Mix 1

III 

mal conditio

ge reduction

autoclaving

 other hand

d  in a reduct

ant decrease

mal conditio

m2 respectiv

meability co

n (Capillary

n,  the  capill

re cast, dem

fore the tes

cooling  to 

hen,  the  sa

umferences 

ter in one d

of concrete m

fficient has b

s. Figure  6. 1

ent mixes aft

mixes  with

nd after aut

Mix 2

IIIII‐FA 

ns on the pr

n in permea

g for 50 cycle

d, replacing 

tion  in air p

e in air perm

ons exhibited

vely.  

oefficient of

y suction)

ary  suction 

moulded and

st, some cub

room  temp

amples  wer

of the speci

irection only

mixes after a

been calculat

10 presents 

ter hydrothe

h  autoclavin

toclaving  for

Mix 5 M

II‐M20/10  I

roperties of 

 

bility can be

es, the air p

part of ordin

ermeability 

meability can

d much redu

concrete at

has  been  d

 cured unde

bes were cut

erature,  the

re  cooled  d

mens were 

y. Figure  6.9

autoclaving f

ted accordin

the effect o

ermal exposu

g.  Mix  18  w

r 15 cycles,  i

Mix 7 Mix

II‐SF III‐M20/

densely pac

e noticed. Th

permeability 

nary Portlan

to 42 % of 

n be observe

uction with a

t normal con

determined 

er water at 2

t, polished a

e  specimens

own  natura

coated with

9 shows the

for 15 cycles

ng to equatio

of hydrother

ure. The res

with  OPC  s

it was  increa

x 9 Mix 18

/10‐SF I

ked concret

he maximum

was reduce

nd cement w

its original v

ed. Mixes 21

autoclaving 

nditions and

according  t

21 °C until t

and then su

s were oven

ally  at  mois

 transparen

 experiment

s. 

on 5.3 based

rmal  treatm

ults indicate

howed  the 

ased by abo

8 Mix 19

I‐M20/10‐SF

m reduction 

ed to about 

with 10 % SF

value (mix 1

1 and 23 wit

for 50 cycle

d after autoc

to DIN  EN  I

the day of th

bjected to a

n dried at 10

sture  free  c

t paraffin wa

tal results o

d on the ma

ent on  the 

e that the ab

maximum 

out 56 % of 

Mix 21

N

1

5

III‐M20/10‐SFF 

111

was in mix 

27 % of its 

F and 25 % 

19). At  low 

th very low 

es to about 

claving for

SO  15148. 

he test (91 

autoclaving 

05  °C until 

conditions. 

ax in order 

f the mass 

ss increase 

absorption 

bsorption is 

absorption 

its original 

Mix 23

Normal

15 cycles

50 cycles

III‐M20/10F 

Page 130: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

value. Th

in mix 1 

plays a p

quite  inc

cement a

15 cycles

with fine

Due to h

absorpti

Figure 6

Figure 6

for 15 cy

Increase in m

ass per unit area (Kg/m

2)

0.

0.

0.

0.

0.

0.

Absorption coefficien

t (kg/m

2hr‐0.5)

f hydrotherm

he use of ble

due to auto

positive role

crease  in  th

and pozzola

s resulted in

e fly ash is th

hydrotherma

on coefficien

6.9: Mass in

6. 10: Water

ycles

00.20.40.60.81

1.21.41.61.82

2.22.42.6

0

0

.1

.2

.3

.4

.5

.6

Mix 1

III 

mal conditio

ended cemen

oclaving was

  in determin

he  absorptio

nic materials

 an increase

he only mix s

al treatment

nt of about 9

crease of d

r absorption

1

Mix 1 (III)

Mix 5 (III‐M2

Mix 9 (III‐M2

Mix 19 (I‐M2

Mix 23 (III‐M

Mix 2

III‐FA 

ns on the pr

nt reduced t

s 34 % of  its

ning the cap

n  coefficien

s (mixes 5, 7

e of absorpti

showing a de

t for 200 °C 

92 % of its or

ifferent con

n coefficient

Squar

20/10)

20/10‐SF)

20/10‐SF)

M20/10)

Mix 5

III‐M20/10

roperties of 

 

the increase 

s original va

pillary suctio

t  can  be  re

7 and 9). At l

on coefficien

ecrease in its

and pressur

riginal value.

crete mixes

t of concrete

2re root of time

Mix 2 (III

Mix 7 (III

Mix 18 (I

Mix 21 (I

Mix 7 M

III‐SF III‐M2

densely pac

in absorptio

lue. Howeve

n of concret

ecognized  fo

low w/b rati

nt by about 

s absorption 

re of 15.5 ba

s after autoc

e at normal

3e in hours

‐FA)

‐SF)

)

II‐M20/10‐SF)

Mix 9 Mix 

20/10‐SF I

ked concret

on due to aut

er, the use o

te after hyd

or mixes wit

o, the hydro

7 % for mix 

coefficient t

ars for 15 cy

claving for 1

conditions

4

18 Mix 19

I‐M20/10‐S

toclaving. Th

of pozzolanic

rothermal e

h  combinati

othermal tre

21. In contr

than the orig

ycles, mix 23

5 cycles

and after a

9 Mix 21

SF  III‐M20/10‐S

112

he increase 

c materials 

xposure. A 

ion  of  slag 

atment for 

ast, mix 23 

ginal value. 

3 exhibited 

utoclaving

5

Mix 23

Normal

15 cycles

III‐M20/10SF 

Page 131: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

6.5.3 C

The  chlo

section  3

from the

cycles. A

been  im

experim

hydrothe

maximu

penetrat

is higher

increase

Howeve

penetrat

Furtherm

exposure

cycles  (a

current, 

concrete

conditio

mix 18  is

m2/s aft

than tha

Figure 6

for 50 cy

f hydrotherm

Chloride di

oride  diffus

3.4.3.4. Cyli

e core of sta

After natural

mplemented 

ental  result

ermal  expos

m  penetrat

ted water re

r than the p

e  in diffusion

r,  for mixes

tion  depth 

more, mix 2

e. The pene

about  7 mm

the chloride

e  mixes.  Fig

ns and after

s higher tha

er autoclavi

at of mix 18 a

6.11: Chlori

ycles

0

10

20

30

40

50

60

Chloride pen

etration depth 

(mm)

mal conditio

iffusion

ion  of  conc

ndrical spec

andard concr

lly cooled do

to measure

ts  of  chlor

sure.  The  r

ion  depth  (

eached the o

presented va

n due  to  au

s with  low w

of  mix  21 

3 exhibited 

etration dep

m).  From  the

e diffusion c

gure  6.12  p

r autoclavin

an 3.7 x 10‐1

ing for 50 cy

after autocla

de penetrat

Mix 5

III‐M20/10 

ns on the pr

crete  has  be

cimens with 

rete cylinde

own to the 

e the chlorid

ride  penetra

esults  revea

(>  50 mm). 

other side o

alue. On the

utoclaving  fo

w/b  ratio, h

increased 

a good  resi

pth  remained

e  knowledg

coefficient ca

presents  th

g for 50 cyc2 m2/s. How

ycles. That m

aving with 5

tion depth o

Mix 18I 

roperties of 

 

een  measur

diameter o

rs. Then, the

room tempe

de penetrati

ation  depth

aled  that  af

Hence  the 

f the sample

e other hand

or 50  cycles

high  resistan

from  3  to

istance  to c

d at  the sam

e  of  penetr

an be derive

e  results  o

cles. The res

wever, the d

means the r

0 cycles.  

of concrete

8 MixI‐M20

densely pac

red  accordi

of 100 mm a

e samples w

erature, the

on depth of

h  of  concre

fter  exposu

thickness  o

e.  So, the re

d, mix 5 wit

s.  Similar  tre

nce  to  chlor

  4  mm  du

hloride pen

me value be

ration  depth

ed according

f  chloride 

sults reveale

iffusion coef

resistance o

at normal

x 190/10‐SF III‐

ked concret

ng  to  the  m

and thicknes

were exposed

e rapid chlor

f concrete. F

ete  sample

re  to  50  cy

of  the  samp

eal value of 

th slag ceme

end  can be 

ide migratio

ue  to  autoc

etration eve

efore and af

h,  testing  pe

g to the Fick

diffusion  of

ed that the d

fficient of m

f mix 21  is a

conditions

Mix 21‐M20/10‐SF 

methods  de

ss of 50 mm

d to autoclav

ride migratio

Figure  6.11 

s  after  50 

ycles, mix  1

ples was  50

penetration

ent showed 

observed  f

on was obse

claving  for 

en after hyd

fter autoclav

eriod  and  th

k’s laws of di

f  concrete 

diffusion coe

mix 21 was 2

about 15 tim

and after a

Mix 23

Normal

50 cycle

III‐M20/10 

113

escribed  in 

m were cut 

ving for 50 

on test has 

shows the 

cycles  of 

8  had  the 

0 mm;  the 

n of mix 18 

a  little bit 

or mix  19. 

erved.  The 

50  cycles. 

drothermal 

ving  for 50 

he  applied 

iffusion for 

at  normal 

efficient of 

2.47 x 10‐13 

mes higher 

utoclaving

l

es

Page 132: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of

Figure 6

for 50 cy

6.6 D

6.6.1 M

The expe

each  co

strength

confirme

calcium 

strength

pressure

chemica

C/S ratio

formed 

strength

properti

after aut

which w

quartz p

The  incr

particles

strength

Chloride diffusion coefficien

f hydrotherm

6.12: Chlorid

ycles

iscussion

Mechanica

erimental te

ncrete mix 

h of mix 18, 

ed  the  sam

silicate  hy

h.  When  ex

e,  C‐S‐H  is 

al and mecha

o of the mat

which has c

h [Bezerra, 2

ies at high t

toclaving fo

was perhaps 

powder may

rease of stre

s with  incre

h  retrogress

0

5

10

15

20

25

30

35

40x 10 ‐1

3  (m

2/sec)

mal conditio

de diffusion

al propertie

est results o

has  a distin

made with 

me  behavior

ydrate  (C‐S‐

xposed  to 

converted 

anical prope

trix. For mix

crystalline st

2011]. In spit

emperature

or 50 cycles.

not sufficie

y be limited 

ength after 

easing  the  t

ion  is obser

Mix 5

III‐M20/10 

ns on the pr

n coefficient

s.

of compress

nct pattern 

OPC, can be

.  Hydration 

‐H)  which  i

high  tempe

into  severa

erties of con

x 18, becaus

tructure, hig

te of the ad

e, the compr

 This could 

nt to modify

to the first 

5 cycles ma

emperature

rved. Bažan

Mix 18

roperties of 

 

of concrete

ive strength

of  strength

e significant

  of  Portlan

is  the  main

erature,  pa

al  other  pha

ncrete. The 

se of the hig

gh specific m

dition of qu

ressive stren

be due to t

y the C/S ra

stage of aut

ay be also d

e. However,

nt has notice

8 Mix

I‐M20

densely pac

e at normal

h after hydro

h  loss or  ga

tly observed

d  cement  p

n  compone

articularly  c

ases,  which

produced p

gh initial C/S

mass, high p

uartz powde

ngth of mix 

he low cont

tio of the w

toclaving, w

due to acce

 with  increa

ed  similar b

x 19

0/10‐SF II

ked concret

conditions

othermal ex

in. A  severe

d. The result

produced  ca

nt  respons

combined  w

h  markedly 

hases depe

S ratio, lime

permeability

er, which ma

18 is reduce

tent of the a

whole matrix

where the str

lerating the

asing  the  au

behavior, at

Mix 21

I‐M20/10‐SF

and after a

xposure indi

e  loss of  th

ts of reboun

alcium  hydr

ible  of  the

with  saturat

change  the

nd mainly o

e‐rich phase

y and low co

ay have the 

ed from 72 

added quart

x. The influe

rength was 

e hydration 

utoclaving  c

t  saturated 

Mix 23

Norm

50 cy

III‐M20/10 

114

utoclaving

cated that 

he  residual 

nd number 

roxide  and 

e  concrete 

ted  vapor 

e  physical, 

on the bulk 

s could be 

ompressive 

pozzolanic 

to 44 MPa 

tz powder, 

ence of the 

increased. 

of cement 

cycles,  the 

steam. He 

mal

ycles

Page 133: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  115 

 

found a decrease  in compressive strength to about 50 % of the original strength  [Bažant, 1996]. 

The  residual  strength  depends mainly  on  the maximum  temperature,  bulk  C/S  ratio,  exposure 

period and concrete  type. Ghosh and Nasser  found a  significant strength  loss after exposure  to 

high temperature and pressure [Ghosh, 1996]. They attributed that to a gradual deterioration of 

the binding matrix with the rise in temperature. At high temperature, chemical transformation of 

the  gel  happened,  the dense C‐S‐H  gel  is  subjected  to  changes  and  form  a weak matrix which 

responsible for the loss of strength at high C/S ratio.  

Partial  replacement  of OPC with  fine  fly  ash  and  silica  fume  seemed  to  prevent  the  strength 

retrogression to a certain degree. The results of mix 19 confirm this claim. The residual strength 

after 50 cycles of autoclaving was increased from 82 to 95 MPa. The reason for that may be due to 

the hydrothermal  conditions which  accelerate  the pozzolanic  reaction between quartz powder, 

fine  fly ash and  silica  fume with calcium hydroxide. As a  result of  this  reaction, excess of C‐S‐H 

phases were formed which is responsible for the strength of concrete. Furthermore, the produced 

C‐S‐H has  low C/S  ratio because of  the high silica content of  the bulk materials. This  is because 

when exposed to hydrothermal treatment, silica‐rich phases are transformed to other phases with 

higher strength. Poon et al. argued the strength increase to the formation of tobermorite (two or 

three times stronger than normal C‐S‐H gel) which is formed by the reaction between fly ash and 

lime at high  temperature  [Poon, 2001]. The  results of mix 19 are  in good agreement with Khan 

who studied the effect of fly ash on the residual compressive strength after exposed to 200 °C. He 

found  that  the  residual  compressive  strength  increases with  raising  the  percentage  of  fly  ash 

[Khan,  2010].  Another  reason  could  also  explain  the  increased  compressive  strength.  The 

interfacial  transition  zone  in  concrete  usually  plays  a major  role  in  controlling  the mechanical 

properties. This  is because the high concentration of calcium hydroxide and the high porosity of 

this  zone.  By  addition  of  pozzolanic  materials  and  due  to  the  hydrothermal  conditions  the 

pozzolanic reaction  is markedly accelerated  in this zone. Thus, denser phases are formed on the 

aggregate surfaces which enhance the bond strength between cement paste and aggregate. The 

rebound number results for mix 19 showed approximately the same behavior of the compressive 

strength results. After hydrothermal exposure, the rebound number  increased to about 112 % of 

its original value. Similar  results were achieved by Lehmann  [Lehmann, 2009]. He  reported  that 

compared  to ambient conditions,  the autoclaved samples showed better mechanical properties. 

This was attributed  to  the high degree of hydration and  to  the more homogeneous and denser 

microstructure. 

The use of slag cement revealed  low resistance to strength retrogression, as can be shown from 

the  results of mix 1. However, some of  the previous works showed  that  the use of slag cement 

Page 134: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  116 

 

enhances the concrete resistance to fire and to elevated temperature [Khoury, 2000; Poon, 2001]. 

This  contradictory  of  the  results  with  literature may  be  due  to  several  reasons. Most  of  the 

investigations tested slag concrete after exposure to elevated temperature only without pressure. 

However, the presence of moisture has a significant  influence on the compressive strength.  It  is 

believed that water in concrete soften the cement gel, or weaken the surface forces between gel 

particles, thus reducing the strength [Cheng, 2004]. Moreover, most of these investigations tested 

the slag concrete after exposure to one cycle only. In addition, the concrete composition is totally 

different from that tested in literature which certainly affects the results. In this investigation, the 

strength of mix 1 with  slag cement dramatically  reduced with  increasing  the autoclaving cycles. 

The final residual strength of mix 1 after hydrothermal treatment for 50 cycles was about 78 % of 

the  original  value without  autoclaving.  Similar  observation  has  been  found  from  the  results  of 

rebound number. The final rebound number for mix 1 was reduced to about 87 % of  its original 

value. Similar conclusion was found by Xi [Xi, 1997]. He noticed a strength retrogression of about 

50 % of the original value for autoclaved cement paste made with blended cement  in which the 

slag content was about 67 %. 

Combination  of  slag  cement  with  fine  fly  ash  (mix  5)  exhibited  improvement  in  compressive 

strength after hydrothermal exposure. This  is  in accordance with  the  results concluded by other 

researchers [Bažant, 1996; Xu, 2001]. The explanation was the increased Van der Waal’s forces as 

a result of the cement gel layers moving closer to each other. It can be also said that the addition 

of 30 % fine fly ash as well as quartz powder along with the slag cement is sufficient to ensure low 

C/S ratio of the matrix. Consequently, silica‐rich phases are formed which is associated with high 

strength. Additionally, the autoclaving process encourage the dissolution of quartz grains which in 

turn  produces  a  better  cohesion  between  fillers  and  cement  paste  [Lehmann,  2009]. 

Consequently, a significant  increase  in the compressive strength takes place. On the other hand, 

the use of silica fume along with slag cement (mix 7) prevents the strength retrogression, but no 

significant increase in the final strength has been observed. Despite the strength increase of silica 

fume concrete after 5 autoclaving cycles, a gradual decrease  in strength with further autoclaving 

for 10, 15 and 50 cycles took place. The final compressive strength was about 103 % of its original 

value. The reduction  in strength of concrete  is probably attributable to the high C/S ratio of the 

bulk,  owing  to  the  low  amount  of  the  added  silica,  about  10 %  of  the  cementitious materials. 

Khoury  attributed  the  relatively  low  performance  of  silica  after  temperature  exposure  to  the 

probability of micro‐cracks development [Khoury, 2000].  

 

 

Page 135: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  117 

 

At low w/b ratio, interesting features can be observed. Even after exposing to 50 autoclaving cycles, 

the  compressive  strength  of mix  23 was  continuously  increased with  increasing  the  autoclaving 

cycles.  The  results  of  compressive  strength  and  rebound  number  assured  this  conclusion.  The 

residual compressive strength of mix 23 was 117 MPa which represented 129 % of its original value. 

The possible reason is the greater percentage of unhydrated fly ash and cement particles due to the 

low w/b ratio. At high temperature and  in the presence of moisture, the hydration of unhydrated 

cement grains  is  increased.  In addition,  the pozzolanic  reaction of  fine  fly ash with  the generated 

lime  from  the hydration of cement  is accelerated. Thus, more C‐S‐H with  low C/S  ratio  is  formed 

which enhances the final compressive strength. Additionally, the microstructure became denser due 

to  the  replacement  of  CH  with  C‐S‐H.  In  addition,  due  to  the  low  C/S  ratio  of  the  bulk,  the 

hydrothermal  treatment  resulted  in  silica‐rich  calcium  silicate  hydrate  phases  which  normally 

associated with high  strength. Moreover, because of  the  low w/b  ratio,  the porosity  is  very  low. 

Nevertheless,  the  additional  pozzolanic  C‐S‐H  fills  the micro‐cracks,  if  any,  and  blocks  the  small 

pores,  which  results  in  more  homogeneous  microstructure.  Due  to  all  these  reasons,  the 

compressive strength of mix 23 showed a significant increase with autoclaving. Compared to mix 23, 

mix  21 made with  silica  fume  and  fine  fly  ash  revealed  similar  performance  after  hydrothermal 

exposure. These results agree with Lawson who reported that reducing the w/b ratio enhanced the 

residual compressive strength after exposure to 200 °C, particularly in combination with silica fume 

[Lawson,  2000].  It  is  interesting  to  note  from  the  results  of  the  compressive  strength  that  the 

maximum  increase  for mix 21 was after autoclaving  for 15 cycles, while  for mix 23  it was directly 

after 5 cycles. This could probably explained by the high reactivity of silica fume compared to fine fly 

ash. In the case of silica fume,  it consumed the produced calcium hydroxide from the hydration of 

cement before autoclaving or at the first stages of it. On the other hand, during the first 10 cycles of 

autoclaving,  the  slag  cement  hydration  began  to  accelerate  and  more  calcium  hydroxide  was 

produced, which consumed by pozzolanic materials in the latter stages of autoclaving. However, for 

mix  23,  excess  of  calcium  hydroxide  could  be  found  in  the  matrix,  and  with  autoclaving  the 

pozzolanic reaction was accelerated, which directly resulted in an increase in compressive strength 

in the early autoclaving stages.   

6.6.2 Porosity

At  high  temperature,  it  is  difficult  to measure  the  porosity  of  concrete  because  it  needs  special 

techniques, but  it can be measured easily after cooling down. So, the change  in porosity and pore 

size distribution due  to hydrothermal conditions can only be determined  if  they have  irreversible 

changes on the concrete microstructure. Measurement of porosity gives a clear description of the 

pore  structure and  its changes due  to hydrothermal  treatment.  In  this  investigation,  the mercury 

Page 136: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  118 

 

intrusion  porosimetry  has  been  used  to  measure  the  porosity  of  concrete  before  and  after 

autoclaving for 50 cycles. 

The results showed a noticeable increase in the porosity of mix 18 made with OPC after autoclaving 

for  50  cycles  as  expected.  The  transformation  of  lime‐rich  C‐S‐H  phases  at  high  pressure  and 

temperature resulted in weak and porous phases such as α‐C2SH, which leads to a large increase in 

the porosity.  In  addition,  the pozzolanic  reaction between quartz powder  and  calcium hydroxide 

which  favored  to happen at  these hydrothermal conditions may  resulted  in phases with high C/S 

ratio.  This  is  because  of  the  low  amount  of  the  added  quartz  powder which  is  not  sufficient  to 

prevent the formation of the weak and porous C‐S‐H phases. The optimum content to prevent the 

formation of  these phases  is about 40 %  [Mindess, 2003; Neville, 2004], while  the added content 

was  only  about  15 %.  However,  partial  replacement  of  OPC with  pozzolanic materials  (mix  19) 

reduced  the porosity  after  autoclaving  for 50  cycles.  This  can be  attributed  to  the probability of 

reducing  the  C/S  ratio  of  the  bulk  system  by  the  addition  of  silica‐rich materials  as well  as  the 

accelerated pozzolanic  reaction which consumes the calcium hydroxide crystals. Nevertheless,  the 

residual porosity of mix 19 after autoclaving  for 50 cycles  is still higher  than  the original one and 

increased  from 6.2 %  to  about 7.9 %. On  the other hand, mix 5 with 30 %  fine  fly  ash and  slag 

cement  with  slag  content  of  about  68  %  showed  an  interesting  behavior.  After  hydrothermal 

treatment  for 50  cycles,  the  total porosity  reduced  from 7 %  to 5.3 %.  This  can be explained as 

follow;  the hydration of slag cement  is very slow and produces  low amount of calcium hydroxide 

which  is  one  of  the  main  sources  for  calcium  ions  in  the  pore  structure.  With  hydrothermal 

treatment,  the hydration process of  slag  is  significantly accelerated and  resulted  in generation of 

much more C‐S‐H which densifies the microstructure and reduces the porosity volume and sizes. In 

addition, the system contains high amount of silica‐rich materials because there are many sources 

for  silica;  from  slag,  from  quartz,  and  from  fly  ash.  This  high  silica  concentration  in  the  system 

ensured the  formation of C‐S‐H phases with  low C/S ratio either  from pozzolanic reaction of silica 

with calcium hydroxide or from the transformation of the existed amorphous phases to crystalline 

phases due to hydrothermal treatment. The formed phases have low porosity because of their low 

density. Similar trend can be clearly recognized for mix 23 with low w/b ratio. Mix 23 with the same 

composition as mix 5 behaved  in the same way. The  total porosity  reduced  from 4.9 % to 2.65 % 

with  autoclaving  for  50  cycles.  However, mix  21 with  both  silica  fume  and  fine  fly  ash  showed 

approximately no change in the total porosity due to autoclaving. The causes of these phenomena 

are  not  easily  explainable.  In  the  next  chapter,  the  effect  of  hydrothermal  treatment  on  the 

properties of cement paste and  the  transformation of different C‐S‐H phases will be explained  in 

details.  From  the  above  discussion  and  results  it  can  be  noticed  that  compared  to  pure  heat 

exposure,  hydrothermal  treatment  leads  to  significant  decrease  or  increase  in  concrete  porosity 

Page 137: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  119 

 

depending mainly on the chemical composition of the bulk system. However, when the concrete is 

subjected  to  high  temperature  only,  a  significant  increase  in  porosity  occurs.  The  increase  in 

porosity may be due to the release of adsorbed water and the coarsening of pore structure. In the 

case of pure heat, a strong temperature gradient could be generated. This temperature difference 

encourages  the moisture  escape  from  the  substance  during  heating which  causes  an  additional 

moisture gradient. If the heating rate is rather high, the generated moisture differences may lead to 

additional stresses and micro‐cracking or explosive spalling as  in  the case of  fire. This  influence  is 

vanished with autoclaving process which maintains  stable moisture  content  inside  the  specimen, 

thus reduces the micro‐cracking and stresses due to combined moisture and temperature gradient 

[Müller, 2008]. 

The experimental results of capillary porosity (30 nm ‐ 10 µm) reflected some  interesting features. 

The OPC concrete showed a large increase in the capillary porosity due to hydrothermal treatment 

for 50 cycles. The main reason  for that as previously discussed  is  the  formation of  lime‐rich C‐S‐H 

phases.  In  contrast, notable  reduction  in  the  capillary porosity  can be  clearly observed  from  the 

results of mix 19.  In  spite of  the  increase of  the  total porosity of mix 19 after autoclaving  for 50 

cycles, the capillary porosity  is significantly reduced from 4.5 to 2.4 %. The addition of fine fly ash 

and  silica  fume  is  responsible  for  this  reduction.  The  hydrothermal  treatment  accelerated  the 

pozzolanic reaction of silica fume and fine fly ash with calcium hydroxide. And as a consequence of 

this  reaction  the  calcium  hydroxide  is  replaced  by  additional  C‐S‐H  which  densifies  the 

microstructure and modifies the pore size distribution. This result is in agreement with the results of 

Shekarchi [Shekarchi, 2002], who found the volume of fine pores tend to increase with autoclaving. 

Mix  5  with  slag  cement  and  fine  fly  ash  showed  approximately  similar  behavior.  The  capillary 

porosity is reduced from 3.5 % to 1.7 % due to autoclaving for 50 cycles. The main factor responsible 

for the porosity reduction is the pozzolanic reaction which resulted in pore size refinement, matrix 

densification, paste aggregate interface refinement and the consumption of calcium hydroxide. With 

addition of pozzolanic materials,  large amount of  calcium hydroxide was  transformed  into C‐S‐H; 

while the remaining CH tends to form smaller crystals compared to those in the OPC concrete. The 

pozzolanic reaction normally occurs in the capillary voids and the generated C‐S‐H fills the capillary 

pores or reduces its size. On the other hand, fine fly ash revealed better behavior than silica fume at 

low w/b ratio after hydrothermal exposure. Although the capillary porosity of mix 21 with both silica 

fume and fine fly ash nearly remained the same after hydrothermal treatment (about 1.9 %), mix 23 

showed remarkable reduction of capillary porosity to about the half (from 2.96 to 1.44 %). This may 

be  because  of  the  developments  of micro‐cracks  in  the  case  of  silica  fume.  In  both  cases,  the 

capillary porosity was  very  low  (< 2 %).  This may be  attributed  to  the  low w/b  ratio, where  the 

capillary  porosity  is  low  and  a  considerable  part  of  cement  grain  remains  unhydrated.  At  high 

Page 138: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  120 

 

temperature and pressure, the hydration of cement particles as well as the pozzolanic reaction were 

accelerated, which significantly resulted in more reduction in capillary porosity.  

Additional  comments  should  be made  concerning  the  pore  size  distribution. Autoclaving  process 

generated  an  obvious  change  in  concrete microstructure  and  pore  size  distribution.  Figure  6.13 

presents  the  pore  size  distribution  of  some  concrete  mixes  at  normal  conditions  and  after 

autoclaving  for 50  cycles.  It  can be observed  that  concrete pore  structure varied very much with 

autoclaving for different concrete mixes. For mix 5, the volume of pores with size lower than 1 µm 

was  reduced  significantly  due  to  hydrothermal  conditions. However, mix  18  showed  an  obvious 

enlargement in all pore sizes. This is due to the transformation of C‐S‐H gel into crystalline products 

with high density and smaller solid volume which leads to an increase in the porosity and shrinkage. 

The presence of silica‐rich materials such as fly ash and silica fume promote the formation of silica‐

rich C‐S‐H phases with  smaller  change  in  the density. Additionally, as a  result of  the accelerated 

pozzolanic reaction, the cracks and small pores were filled with the produced C‐S‐H, as can be seen 

from the pore size distribution of mix 19. An apparent decrease in the volume of pores in the range 

of 10 to 100 nm of mix 19 after hydrothermal treatment for 50 cycles occurred. For mix 21, although 

the  changes  of  total  pore  volume  remain  rather  small,  a  significant  change  of  the  cumulative 

distribution  in comparison with normal conditions can be observed. Mix 21 showed an  increase  in 

the  volume  of  pores  in  the  size  range  of  about  50  nm  to  0.8  µm  (capillary  range),  which 

fundamentally affects  the  transport properties  through  concrete. However a  little bit decrease  in 

the size smaller than 60 nm took place. Mix 23 with  low w/b ratio showed a quite  increase  in the 

volume of pores with size larger than about 140 nm. However a considerable decrease of the pores 

with sizes lower than about 140 nm can be significantly observed. The reason for that as explained 

above may be due to the late hydration of non‐hydrated cement particles as well as the acceleration 

of pozzolanic reaction which resulted  in pore refinement and denser microstructure. These results 

are in good agreement with those obtained by [Poon, 2001]. He reported that a significant decrease 

in porosity and average pore diameter was observed by addition of pozzolans as compared to the 

pure OPC concrete.  

 

 

Page 139: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  121 

 

 

              

 

Figure 6.13: The pore size distribution at normal conditions (dotted) and after autoclaving for 50

cycles (continuous)

6.6.3 Durability

6.6.3.1 Permeability

Two methods were used to measure the permeability of concrete; water penetration depth and air 

permeability.  The  results  of  water  penetration  showed  a  significant  increase  in  the  depth  of 

penetrated water for all mixes due to autoclaving. The penetration for mix 18 reached about 80 mm 

after autoclaving for 15 cycles, whereas it was about 18 mm before autoclaving, more than 4 times. 

This  is due to the  increase  in total porosity and the modification of the pores connectivity. Similar 

trends but with  lower values of water penetration depth can be apparently observed for all mixes 

0

5

10

15

20

25

30

35

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Cumulative volume (m

m3/g)

Pore radius (micron)

Mix 5 (III‐M20/10)

0

10

20

30

40

50

60

70

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Cumulative volume (m

m3/g)

Pore radius (micron)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Cumulative volume (m

m3/g)

Pore radius (micron)

0

2

4

6

8

10

12

14

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Cumulative volume (m

m3/g)

Pore radius (micron)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0.001 0.01 0.1 1 10 100

Cumulative volume (m

m3/g)

Pore radius (micron)

Mix 18 (I) 

Mix 19 (I‐M20/10‐SF)  Mix 21 (III‐M20/10‐SF) 

Mix 23 (III‐M20/10) 

Page 140: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  122 

 

even with low w/b ratio after hydrothermal treatment for 15 cycles. An observation here should be 

clarified;  in spite of  the reduction of porosity of mix 23  (for example) with autoclaving,  the water 

penetration depth was  increased. For  this mix, the penetration depth  increased  from 5  to 22 mm 

after  autoclaving  for  15  cycles.  This  could  be  interpreted  as  follow;  the  surfaces  of  pores  are 

normally rough and narrow for penetration while the heating causes smoothening of these surfaces, 

thus the surface energy is decreased. This makes the average width of the necks governing the flow 

to increase many times, and in particular the necks of gel pores to be widened [Bažant, 1997]. This 

influence simplifies the passage of water through the necks, meanwhile, the pore volume of necks 

still remains negligible, and therefore, no remarkable influence of the increased width of the pores 

necks on  the  total porosity can be noticed. Another physical explanation was reported by Bažant, 

the  low density C‐S‐H phases  are  transformed  to  relatively high density C‐S‐H which  shrinks  and 

therefore  opens  free  spaces  for  the  water  penetration  [Bažant,  2005].  Though  the  water 

penetration depth was significantly increased after autoclaving for 15 cycles, some mixes such as 5, 

21  and  23  could  be  evaluated  as  impermeable  concrete  under  aggressive  conditions,  since  the 

penetration depth is less than 30 mm according to Neville [Neville, 2004].   

In the contrary to the results of water penetration, were the results for air permeability, while the 

only exception was mix 18. Spite all mixes showed reduction  in air permeability, mix 18 with OPC 

showed  a  significant  increase  at  all  levels  of  autoclaving.  The  reason  for  that  as mention  in  the 

previous  paragraph was  the  significant  increase  in  porosity,  in  particular  the  capillary  porosity. 

Partial  replacement  of OPC with  silica  fume  and  fly  ash  resulted  in  a  noticeable  decrease  in  air 

permeability.  This may  be  due  to  pozzolanic  reaction  of  fly  ash  and  silica  fume with  CH which 

produces  new  pozzolanic  C‐S‐H.  This  C‐S‐H  blocks  the  pores  and  tightens  the  aggregate‐paste 

interface which leads to a reduction in air permeability. At low w/b ratio, in spite of the increase of 

water penetration depth, very low air permeability has been detected after autoclaving for 15 and 

50 cycles. This could be explained as follow; although the high penetration of water  into concrete 

happened,  that  does  not mean  a  continuous  passage  of water  from  one  side  to  the  other  side 

existed. On  the other hand,  for air permeability measurement,  the passage should be continuous 

from one surface to the other face of the concrete specimens.  

6.6.3.2 Absorption (Capillary suction)

The absorption of concrete  is strongly depending on the size and connectivity of capillary pores  in 

the concrete microstructure [Hilsdorf, 1995]. It is stated that if the total porosity is higher than 20 %, 

the capillary pores become connective, while at lower porosity the transport of fluids and gases into 

concrete  is governed by  the nano‐pores  in  the C‐S‐H microstructure  [Bentz, 2000]. Therefore,  the 

characteristics of the formed C‐S‐H phases have an important role in controlling the movements of 

Page 141: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  123 

 

gases  and  liquids  through  concrete.  The  experimental  results  showed  that most mixes with w/b 

ratio  of  0.42  suffered  an  increase  in  the  absorption  coefficient,  however  some  of  these mixes 

exhibited significant decrease  in capillary porosity with autoclaving. The results of capillary suction 

test of mix 18 showed a  large  increase  in the absorption coefficient after autoclaving for 15 cycles 

from0.32 to 0.50 kg/m2 h0.50. This is due to the presence of high concentration of calcium hydroxide 

in the pore structure which could participate in the transformation of C‐S‐H gel into lime‐rich C‐S‐H 

phases  with  high  porosity.  In  spite  of  the  addition  of  pozzolanic materials, mix  19  showed  an 

increase in absorption coefficient after hydrothermal treatment for 15 cycles from 0.1 to 0.2 kg/m2 

h0.50.  On  the  other  hand,  mixes  with  slag  cement  showed  a  little  bit  increase  in  absorption 

coefficient  after  hydrothermal  exposure.  The  reason  for  that  may  be  lying  in  the  influence  of 

autoclaving process  in altering the pores sizes and modifying their opening without  increasing the 

total porosity volume. At  low w/b  ratio,  the  results showed very small  (negligible) changes  in  the 

absorption coefficient due  to exposing  to autoclaving  for 15 cycles. This  is  totally agreed with  the 

results  of  capillary  porosity.  The  large  number  of  unhydrated  cement  and  pozzolanic materials 

particles of mixes with  low w/b  ratio  (mix 21 and 23) affect  the  capillary porosity and  transport 

properties  intensively. At w/b of 0.42,  the microstructure and  interfacial  transition  zone  contains 

more capillary pores and less unhydrated materials than those with low w/b (0.27). By autoclaving, 

the widening of pores opening  is more dominant with w/b  ratio of 0.42, however, the refinement 

and blocking of pores by accelerated hydration of non‐hydrated particles is more meaningful with w/b 

ratio of 0.27.  In addition, the phases transformation has an  important role  in this concern as will be 

seen in the following chapter.  

6.6.3.3 Chloride diffusion

The  resistance  of  concrete  to  chloride  ion  ingress  is  a  crucial  factor  influencing  the  concrete 

durability  [Yang, 2002]. The  chloride penetration measurement  gives  indirectly  a  good  indication 

about the permeability and pore structure of concrete. The diffusion of chloride took place mainly 

through the porous system. The rate of diffusion depends mainly not only on the porosity volume 

but  also  on  the  physical  characteristics  of  the  capillary  pore  structure  [Stanish,  2000].  The 

experimental  results  of  chloride  ingress  into  concrete  after  hydrothermal  exposure  showed  an 

increase of chloride diffusion coefficient of most mixes;  the only exception  is mix 23. As expected 

and  as  has  been  found  from  aforementioned  experimental  tests,  mix  18  showed  the  highest 

degradation  due  to  hydrothermal  treatment.  After  autoclaving  for  50  cycles,  the  penetration  of 

chloride  increased and reached  the other  face of  the samples, which mean high  rate of diffusion. 

Significant enhancement was observed by addition of fly ash and silica fume as can be seen from the 

results of mix 19 in both cases; at normal conditions and after autoclaving for 50 cycles. The same 

trend can be easily noticed for mix 5. Compared to mix 18 with OPC cement, the use of slag cement 

Page 142: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Effect of hydrothermal conditions on the properties of densely packed concrete  124 

 

combined with  fine  fly  ash  (mix 5)  resulted  in denser microstructure  and  formation of  silica‐rich 

phases or at least reduces the formation of lime‐rich phases to a certain extent, which can explain 

the  high  resistance  to  chloride  diffusion.  In  addition,  hydrothermal  exposure  accelerated  the 

pozzolanic reaction with calcium hydroxide which resulted  in formation of pozzolanic C‐S‐H phases 

with lower porosity compared to normal C‐S‐H phases. Nevertheless, the chloride penetration depth 

was increased for mixes 5 and 19, though the total porosity and capillary porosity were significantly 

reduced. The reason for that as previously mentioned may be due to the enlargement of the pores 

openings which has a negligible effect on  the  total porosity, but have an  important  influence on 

penetration  of water  into  concrete.  At  low w/b  ratio,  silica  fume  concrete  (mix  21)  exhibited  a 

marginal increase in chloride diffusion with autoclaving for 50 cycles. This may be attributed to the 

generation of  some micro‐cracks associated with  the use of  silica  fume at high  temperature. The 

chloride diffusion coefficient of mix 21 is still very low after autoclaving, about 2.47 x 10‐13 M2/sec. 

However, mix 23 with fine fly ash and without silica fume showed very high resistance to ingress of 

chloride before and after autoclaving. This is basically due to the very low content of capillary pores 

as well as the dense and homogenous interfacial zone. Due to its spherical shape and its small size, 

fine  fly  ash  enhances  the  packing  of  particles,  particularly  near  the  aggregate  surfaces.  With 

autoclaving, the hydration of cement and the pozzolanic reaction are significantly accelerated and 

resulted  in much more dense microstructure and homogeneous  interfacial  zone.  In addition,  the 

hydration  of  unhydrated  cement  particles  consumes more  water,  thus  the  capillary  porosity  is 

reduced, the pore sizes are lowered and the capillary pores connectivity is interrupted. As a result, 

concrete with fine fly ash and w/b ratio of 0.27 showed very low chloride diffusion coefficient even 

after hydrothermal treatment, it was 4.9 x 10‐13 M2/sec. 

 

Page 143: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             125 

 

7. Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste

7.1 General

Until now, very little information is available concerning the behavior of HPC with mineral admixture 

under hydrothermal conditions according  to  the author knowledge.  In chapter 6,  the  influence of 

hydrothermal  conditions up  to 200  °C  and 15.5 bars on  the mechanical properties, porosity  and 

durability of densely packed high performance  concrete has been  studied. However,  to obtain  a 

widespread information regarding the concrete behavior in these conditions, one should test  large 

variety  of  concrete  because  the  presence  of  aggregate.  Subsequently,  for  fundamental 

understanding  of  the  concrete  performance,  at  the  first  step,  it  is  reasonable  to  focus  on  the 

ingredients of concrete which is mostly affected by these conditions, namely cement paste. So, this 

chapter  is  focus on  the  effect  of  autoclaving with  a  temperature of  200  °C  and  saturated  vapor 

pressure of 15.5 bars  for  several  cycles on  the properties of  cement paste  incorporating  various 

cementitious materials.    

In this chapter, several systems comprising OPC, CEM III/B, silica fume, normal and fine fly ash and 

quartz powder have been prepared  and  tested  to  analyze  their performance  after hydrothermal 

exposure. Because of  the  sensitivity of  the  testing  conditions  to micro‐cracking  formation due  to 

liberated heat from cement hydration, isothermal calorimeter was used to measure and control the 

hydration heat development of  all  cement pastes  at normal  conditions.  In  addition,  compressive 

strength and porosity of cement pastes have been  implemented  in order to study the  influence of 

autoclaving on  the paste properties. Moreover,  to  investigate  the microstructural changes due  to 

the  hydrothermal  treatment,  scanning  electron  microscopy  (SEM)  has  been  performed. 

Furthermore, an attempt to understand the chemistry of autoclaving process was carried out by the 

help of thermogravimetric analysis (TGA) and energy dispersive X ray spectroscopy (EDX). 

7.2 Mixes and tests

In order to study the behavior of cement paste after hydrothermal exposure, 10 mixes with different 

compositions have been prepared and tested. Table  7.1 shows the composition and proportions of 

different cement pastes. All cement pastes were named with the same names of the concrete mixes 

in  the  previous  chapters  with  the  same  cementitious  materials  compositions.  Details  of  the 

materials properties and tests procedures were explained  in chapter 3. The hydration heat flow of 

all mixes has been determined using  isothermal calorimeter. On  the other hand,  the pastes were 

mixed and the moulds were cast. After 24 hours the specimens were demoulded and cured under 

water  at  20  ±  1  °C  for  56  days.  After  the  designed  curing  period,  samples  were  exposed  to 

Page 144: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             126 

 

autoclaving  for 50  cycles at  temperature of 200  °C and  saturated vapor pressure of 15.5 bars.  In 

addition  to  compressive  strength,  porosity  of  different  mixes  was  measured  using  helium 

pycnometry  at  normal  conditions  and  after  hydrothermal  treatment  for  50  cycles.  Helium 

pycnometry was used also to determine the changes in the pastes density due to autoclaving. SEM, 

EDX, and TGA were also used to study the microstructure changes and calcium hydroxide content in 

both cases; at normal conditions and after autoclaving with 50 cycles. 

Table 7.1: Composition of cement pastes (%)

Mix  Cement type  Cement content   FA   Fine FA  SF  QP   w/b  SP  

Mix 1  CEM III/B  90  10  0.42  0.7 

Mix 2  CEM III/B  63  27  10  0.42  1.5 

Mix 5  CEM III/B  63  27  10  0.42  1.4 

Mix 7  CEM III/B  81  9  10  0.42  0.9 

Mix 18  CEM I  90  10  0.42  0.87 

Mix 19  CEM I  58.5  22.5  9  10  0.42  1.4 

Mix 21  CEM III/B  60.3  22.5  7.2  10  0.27  4 

Mix 23  CEM III/B  63  27  10  0.27  3 

CEM I  CEM I  100  0.30  0.8 

CEMIII  CEM III/B  100  0.30  0.4 

7.3 Hydration of cement paste

7.3.1 Hydration heat

Cement  hydration  is  accompanied  with  release  of  a  considerable  amount  of  heat  and  rise  in 

temperature  (exothermic process). The  rate and amount of hydration heat depend mainly on  the 

chemical composition of the mix. Because of the relatively low thermal conductivity of concrete, it 

acts as  insulator, a  temperature  gradient between  inside and outside  the  concrete member may 

exist. This  could  lead  to  thermal  stresses and undesired  thermal micro‐cracking  [Wang, 2010].  In 

addition, the significant heat  liberation during cement hydration causes thermal shrinkage at early 

ages. The  thermal  shrinkage  is hindered by external  restraints as well as by  the  internal  restraint 

which results from the difference in thermal expansion coefficient between cement and aggregate. 

Thus,  cracking  possibility  is  very  high  because  the  low  tensile  strength of  concrete  and  the  high 

thermal shrinkage [Liwu, 2006]. These detrimental effects associated with the release of hydration 

heat  have  a  crucial  influence  on  durability  and  mechanical  properties  of  concrete.  It  is  also 

responsible  for  loss  of  strength  at  latter  ages  and micro‐cracking  [Sioulas,  2000].  The  generated 

micro‐cracks  are  very  critical when  concrete  subjected  to  high  temperature  because  it works  as 

cracks propagation. Therefore,  it  is  important to exactly study  the hydration heat development of 

different cement mixes in order to select the appropriate mixture for a certain application.  

Page 145: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             127 

 

In  this  investigation,  isothermal  calorimeter  (MC‐CAL/100P) was  used  to  determine  the  rate  of 

hydration heat  flow as well as the cumulative heat of different cement pastes. A small amount of 

each mix (about 10 g) was mixed for 90 seconds and immediately was put in the calorimeter at 20 

°C. The measurement started directly after putting  the specimen  in the calorimeter and extended 

for 7 days. Results of the hydration heat of all cement pastes are illustrated in Figure  7.1. It can be 

observed  that  the  trends  of  heat  evolution  of mixes with  CEM  I  are  similar.  Two  peaks  can  be 

observed. The  initial peak can be attributed  to both exothermic wetting and  the early  reaction of 

cement with water to form ettringite [Taylor, 1997]. A dormant period with very low heat evolution 

followed the initial peak. Thereafter, the reaction is significantly accelerated and the released heat 

was  increased  rapidly until  it  reaches  the main peak, which attributed  to  the  reaction of C3S with 

water to form C‐S‐H and CH. After the main peak, the heat release is gradually decreased due to the 

slow  reaction  at  the  late  stage.  Compared  to  CEM  I,  the  addition  of  10  %  quartz  to  cement 

postponed the peak of mix 18 for about 1.8 hours. The peak of mix 19 was a  little bit higher than 

that of CEM  I and Mix 18. Nevertheless, the arrival time of the highest hydration exothermic rate 

was markedly delayed by 3.56 hours due to the addition of 25 % of fine fly ash and 10 % silica fume. 

It  is also observed  that,  superplasticizer  content  caused a  retardation effect on hydration. When 

superplasticizer  increases  from  0.8  (CEM  I  paste)  to  1.4  %  (Mix  19),  the  dormant  period  was 

extended  by  4  hours.  Cumulative  heat  hydration  curves  over  a  7  days  period  are  presented  in 

Figure  7.2.  The  total  hydration  heat  of OPC  pastes  varied  as  supplementary materials  added.  It 

reached about 350 J/g after 7 days for mix with neat OPC. Addition of 10 % quartz powder reduced 

the total heat to about 306 J/g (mix 18). For mix 19, combination of 25 % fine fly ash and 10 % silica 

fume resulted in additional decrease in the cumulative liberated heat to about 287 J/g.  

Figure 7.1: The rate of hydration heat development of cement pastes

0

1

2

3

0 10 20 30 40

Heat flow (mW/g)

Time (hours)

CEMI

CEMIII

Mix 1

Mix2

Mix 5

Mix 7

Mix 18

Mix 19

Mix 21

Mix23 (III‐M20/10)

(III‐M20/10‐SF)

(I‐M20/10)

(I) 

(III‐SF)

(III‐M20/10)

(III‐FA)

(III) 

Page 146: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             128 

 

Figure 7.2: Cumulative hydration heat of different cement pastes

The measurement of hydration heat of slag cement pastes showed some interesting features as can 

be observed from Figure  7.1. After the dormant period, the main peak of cement paste made with 

pure CEM III/B was about 40 % of OPC. It was occurred approximately at the same time. Similar to 

mix 18,  the addition of 10 % quartz powder  to slag cement  (Mix 1)  resulted  in a decrease of  the 

height of the main peak, although  it took place at the same time. Compared to mixes with fly ash 

(mix  2  and mix  5),  the  addition  of  10 %  of  silica  fume  (mix  7)  accelerated  the main  peak  and 

significantly decrease the dormant period. Fly ash fineness seemed to have an important influence 

on the hydration heat development. For mix 2 with normal fly ash, the main peak occurs earlier than 

that of mix 5 with fine fly ash. Nevertheless, both mixes have approximately the same peak height. 

At low w/b ratio, the hydration of cement is significantly retarded. In addition to the lack of water, 

high dosage of superplasticizer has a crucial effect on retarding the hydration. The main peak of mix 

21  and  23 was  reached  after  about  21  and  27  hours  respectively.  The  results  of  total  liberated 

hydration heat  for  slag cement pastes can be  shown  in Figure  7.2. The  total heat of slag cement 

paste after 7 days was 240 J/g which represents about 68 % of that of OPC. By partial replacement of 

cement with quartz, silica fume and fly ash, gradual decrease of the cumulative heat was attained (mixes 

1, 2, 5 and 7). Interestingly, mixes 21 and 23 showed very low cumulative heat after 7 days of hydration 

(121 J/g), which represents only 35 % of that of OPC. These results agree with the conclusions reached 

by some other researchers [Kolani, 2012; Merzouki, 2013]. 

7.3.2 Discussion

Predicting the potentiality of thermal cracking of cement‐based materials at early ages as well as the 

development of  thermal  stresses due  to hydration heat of cement  requires a deep knowledge of 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 50 100 150 200

Cumulative heat (J/g) 

Time (hours)

CEM I

CEM III

Mix 1

Mix 2

Mix 5

Mix 7

Mix 18

Mix 19

Mix21

Mix 23

(III‐M20/10)

(III‐M20/10)

(III‐M20/10‐SF)

(III‐SF) 

(I) 

(I‐M20/10‐SF)

(III‐FA) 

(III) 

Page 147: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             129 

 

thermal characteristics of cements. The hydration heat of cement depends mainly on  the particle 

size distribution, w/b ratio, temperature and the chemical composition of the mix [Taylor, 1997]. At 

the first glance, the experimental results showed that the hydration heat of OPC is higher than that 

of slag cement. The main peak of cement paste with 10 % quartz  (Mix 18)  is very close to that of 

neat  OPC.  This  may  be  attributed  to  the  filler  effect  of  quartz  which  may  provide  additional 

nucleation  sites  for  the  hydrates  from OPC  (seeding  effect)    [Deschner,  2012].  However,  partial 

replacement of OPC with fine fly ash and silica fume (mix 19) resulted  in a significant extension of 

the  dormant  period  and quite  shifting of  the main  peak  to  the  right  side.  For mix  19,  the PH  is 

considerably  decreased  due  to  the  absorption  of  calcium  ions  on  both  fly  ash  and  silica  fume 

particles.  Thus,  the  calcium  concentration  in  the  pore  solution  is  reduced  which  retarded  the 

hydration, or by other words extended the dormant period. These results match the consequences 

reported  by  [Langan,  2002].  Further  explanation  can  be  given  by  the  increased  amount  of 

superplasticizer for mix 19 which has significant retardation effect. Superplasticizer does not affect 

the  value of  the peak, but  it extended  the dormant period, and  thus  the main peak  is  retarded, 

shifted to the right direction. The total heat evolution of OPC pastes are approximately proportional 

to the OPC content as can be clearly shown from Figure  7.2. 

Compared to OPC, the blended cement hydration is more complex due to the presence of different 

chemical and physical phenomena  in addition to the hydration of cement such as  filler effect and 

pozzolanic  reaction. Contrary  to  silica  fume and  fly ash,  slag  is a  cementing material  that  can be 

react by itself with water, but its hydration is very slow [Wang, 2010]. Because of its slow hydration 

rate, slag is used in concrete mixes, mass concrete in particular, in order to alleviate the high early 

strength and mitigate  the  risk of  thermal cracking. The  reactivity of slag depends basically on  the 

alkalinity of the pore solution [Lothenbach, 2011]. So, the presence of clinker with slag in CEM III/B 

is of vital  importance to produce suitable structural product. Because of the  low reactivity of slag, 

the hydration of the clinker portion in slag cement is accelerated due to the availability of sufficient 

water  for hydration  [Merzouki, 2013]. The  results of heat  flow  rate  confirm  this assumption. The 

main peak of CEM  III/B occurs roughly at the same time of that of OPC or even quite earlier. The 

heat  flow  flux  revealed  that  the  length  of  dormant  period  is  shortened  and  the main  peak was 

attained rapidly due to the addition of silica fume (mix 7) compared to CEM  III paste. This may be 

attributed to the very small size of silica fume particles which act as nucleation sites [Kadri, 2009]. 

However, by addition of fly ash, two main effects were coexisting. First, due to the spherical shape 

of  its particles,  it works as excellent filler. Thus, more water  liberated and available for accelerate 

the hydration. The second effect  is the  low calcium  ions concentration  in the pore solution due to 

the  increased amount of water. Therefore,  the dormant period  is prolonged. Compared  to  fly ash 

pastes,  the main  peak  of  silica  fume  paste  is  accelerated.  The  influences  of  all  supplementary 

Page 148: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             130 

 

materials  in  the  first day are attributed  to  their  filler effect only, because  the pozzolanic  reaction 

with calcium hydroxide needs more time to take place [Lothenbach, 2011]. 

In  the case of  low w/b  ratio,  it  is clear  that  the hydration  rate  is extremely  reduced. This  is  to be 

expected for several reasons. The free space for the growth of hydration products is limited because 

of the low w/b ratio. Furthermore, due to the low w/b ratio, less water is available for hydration of 

cement particles. Moreover, the use of pozzolanic materials along with low water content reduced 

the contact area between cement particles and water, thus the hydration rate is decreased [Wang, 

2010].  In addition,  the use of  low w/b  ratio  requires high amount of  superplasticizer  in order  to 

achieve desirable workability. This leads to notably retardation of the hydration. Results of mixes 21 

and 23 with w/b ratio of 0.27 showed very long dormant periods and very low peaks. The low peaks 

which mean  low hydration  rate can be attributed  to  the  lake of water available  for hydrating  the 

cement particles, whereas the extension of dormant period may be due to the increased amount of 

superplasticizer  as mentioned  before.  Compared  to mix  23 with  fine  fly  ash  only,  the  dormant 

period of mix 21 with both fine fly ash and silica fume was shortened. This may be due to the effect 

of silica fume as discussed earlier. However, the main peak of mix 23 came very late, after about 27 

hours.  This  is may  be  due  to many  parameters  such  as  low w/b  ratio,  use  of  slag  cement,  high 

amount of superplasticizer and the use of fly ash.  

7.4 The influence of hydrothermal treatment on cement pastes

In this part, the effect of autoclaving for 50 cycles with temperature of 200 °C and saturated vapor 

pressure of 15.5 bars on compressive strength, porosity, density and microstructure of cement paste 

will be presented.  

7.4.1 Compressive strength

Compressive  strength  tests were  carried  out  on  20 mm  cubes.  After  24  hours,  the  cubes were 

demoulded, and then cured for 91 days under water at temperature of 20 ± 1 °C. After 56 days of 

adding the water to the pastes, 3 cubes from each mix were exposed to autoclaving for 50 cycles at 

temperature of 200 °C and saturated vapor pressure of 15.5 bars. Then, the cubes were allowed to 

naturally cool down. Thereafter,  the compressive  strength  test was performed on  the  samples at 

age  of  91  days.  Figure  7.3  shows  the  results  of  compressive  strength  of  cement  pastes without 

autoclaving  (Normal)  and  after  autoclaving  for  50  cycles. Without  autoclaving,  it  is  clear  that  all 

mixes have compressive strength  in  the range of 70 to 80 MPa, the exception  is mixes 21 and 23 

with  low w/b  ratio which have high strength. At w/b  ratio of 0.42,  the addition of normal  fly ash 

reduces the compressive strength as can be seen for mix 2. On contrary, the addition of silica fume 

significantly enhanced the compressive strength (mixes 7 and 19). Mix 21 with w/b ratio of 0.27 and 

Page 149: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying

with  bo

conditio

showed 

After au

noticed. 

dropped

hydrothe

OPC  and

replacem

with  aut

autoclav

made w

seemed 

compres

large de

addition

strength

strength

same  co

autoclav

Figure 7

for 50 cy

0

20

40

60

80

100

120

Compressive stren

gth (MPa)

g the influen

oth  fine  fly 

ns  (about 1

quite lower 

toclaving fo

The  compr

d  (strength  r

ermal  treatm

d  10 %  qua

ment of OPC

toclaving.  It

ving on  com

with neat CE

to be non‐

ssive strengt

ecrease  in  st

 of  fly ash, 

h increase wa

h of mix 21 

omposition b

ving (about 4

7.3: Compre

ycles at age

Mix 1

III 

nce of autocl

ash  and  si

110 MPa). H

compressiv

r 50 cycles, 

ressive  stren

retrogressio

ment  (abou

artz  powder

C with  fine  f

t  increased 

mpressive  str

M  III was a

sufficient  to

th reduced 

trength with

either norm

as gained. A

was  reduce

but without

4 %). It incre

essive stren

e of 91 days

Mix 2 M

III‐MIII‐FA

laving on the

ilica  fume  e

owever mix

ve strength, a

large chang

ngth of  cem

on).  It  reduc

t 68 %). Sim

r,  the  reduc

fly ash and 

from  83  to 

rength  is qu

bout 33 %. 

o prevent  th

from 74  to 

h addition o

mal or  fine, 

At low w/b ra

d  from 109 

t  silica  fume

eased from 9

ngth of cem

s

ix 5 Mix 7

M20/10  III‐SF

e properties

 

exhibited  th

x 23 with  th

about 94 MP

ge in the valu

ment paste m

ced  from 78

milar  influen

ction was  ab

silica  fume 

94 MPa.  Fo

uite  similar. 

The additio

he  strength 

56 MPa wit

of  silica  fum

not only pr

atio, the situ

to 96 MPa 

e exhibited 

94 to 98 MPa

ment pastes

7 Mix 18

I I‐M

s of cement p

he  highest 

he same com

Pa.  

ues of comp

made with p

8 MPa  at no

nce  can be  r

bout  65 %. 

showed an 

or mixes wi

The  strengt

on of 10 % o

retrogressio

th autoclavi

e  (about 33

evented  the

uation is a lit

with autoc

small  increa

a. 

at normal

Mix 19 M

M20/10‐SF III‐M

paste            

compressive

mposition bu

pressive stre

pure OPC  (C

ormal  condit

recognized  f

In  contrast

increase  in 

ith  slag  cem

th  retrogres

of quartz po

on as  can b

ng  for 50 cy

3 %). Contra

e strength  r

ttle bit confu

laving. How

ase  in  comp

conditions

Mix 21 Mix 2

M20/10‐SF I‐M20

                     

e  strength 

ut without s

ength can be

CEM  I) was 

tions  to 25 

for mix 18 m

t, mix  19 w

compressiv

ment,  the  in

ssion  in  cem

owder  to  sla

e  seen  for m

ycles. Mix 7

ary  to  silica 

retrogression

used. The co

wever, mix 2

pressive  stre

and after a

23 CEMI

No

Au

0/10‐SF 

            131

at  normal 

silica  fume 

e obviously 

extremely 

MPa  after 

made with 

with  partial 

ve strength 

nfluence  of 

ment paste 

ag  cement 

mix 1. The 

 showed a 

fume,  the 

n, but also 

ompressive 

3 with  the 

ength with 

 

utoclaving

CEM III

ormal

utoclaved

Page 150: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             132 

 

7.4.2 Porosity

The porosity of cement paste has been measured with two methods; helium pycnometry and water 

porosity. The tests have been performed in two cases, at normal conditions and after autoclaving for 

50 cycles. The pastes were prepared, mixed and  cured under water at  temperature of 20 ± 1  °C. 

After  the  designed  curing  period,  three  samples  from  each mix were  subjected  to hydrothermal 

treatment  in  the  autoclave.  Then,  the  samples were  naturally  cool  down  and  transferred  to  the 

porosity  tests.  All  samples  were  freeze  dried  to  a  constant  weight  in  order  to  preserve  the 

microstructure of the paste without any changes as possible. In addition to the autoclaved samples, 

the porosity of normal specimens  (without autoclaving) has been performed at  the  same age  (91 

days)  in  order  to  compare  the  results.  The  results  of  the measured  porosity  showed  that  both 

methods (water porosity and helium pycnometry) have the same trend as can be seen in Figure  7.4 

and Figure  7.5. Therefore, the following discussion will focus on the porosity measured with helium 

pycnometry only. At normal conditions, the main factor control the porosity is the w/b ratio. Mixes 

21  and  23  showed  the  lowest  porosity  without  autoclaving  which  were  about  21  and  24  % 

respectively. Compared  to mix 18 with OPC only, addition of  fine  fly ash and silica  fume  (mix 19) 

significantly reduced the total porosity from 28 % to about 25 % at normal conditions.  

With  autoclaving  for  50  cycles,  the  porosity  of  paste made with  OPC  (CEM  I)  was  significantly 

increased from 27 to 38 %. The same tendency can be also observed for mix 18 where the porosity 

increased due to autoclaving by about 47 % of its original value at normal conditions. On the other 

hand,  mix  19  with  partial  replacement  of  OPC  with  pozzolanic  materials  showed  an  apparent 

reduction  in porosity after autoclaving for 50 cycles. The porosity reduced from about 25 to 20 %. 

Slag cement showed a higher tendency  to resist the porosity  increase. The  increase  in porosity of 

neat slag cement (CEM  III) was small;  it was  increased from 36 to about 38 %. A slight  increase  in 

porosity has been occurred  for mix 1 with slag cement and 10 % quartz powder,  it was  increased 

from 31 to 32 %. Similar to mix 19, the addition of pozzolanic materials resulted in reduction in the 

porosity after exposing to hydrothermal treatment. Mixes 2, 5 and 7 showed reduction of porosity 

by about 19, 4 and 10 % of their original values respectively. The same tendency has been revealed 

for mixes 21 and 23 with  low w/b ration. After hydrothermal exposure  for 50 cycles, the porosity 

reduced from 21 to about 15 % for mix 21 and from 24 to about 18 % for mix 23.    

Page 151: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying

Figure 7

Figure 7

7.4.3 D

The  den

without 

order to

samples 

measure

conditio

content 

mix with

A  small 

been ob

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Total porosity

0

10

20

30

40

50

Total porosity %

g the influen

7.4: Porosity

7.5: Water p

Density

nsity  of  all  c

autoclaving

o minimize t

were  finely

e  the absolu

ns  and  afte

have  the  h

h OPC (CEM 

increase  in

bserved afte

Mix 1

Mix 1

III 

III 

nce of autocl

y of cement

porosity of d

cement  pas

g  (Normal) a

he microstr

y ground  (< 

ute density. 

er  autoclavin

highest  den

I and mix 18

n density  f

er autoclavin

Mix 2 Mi

Mix 2 Mix

III‐MIII‐FA

III‐M2III‐FA

laving on the

pastes mea

ifferent cem

stes  has  bee

and after au

uctural chan

0.063 mm).

Figure  7.6  i

ng  for 50  cy

nsity  at  nor

8) revealed t

for paste m

ng for 50 cy

ix 5 Mix 7

x 5 Mix 7

III‐SFM20/10 

III‐SF0/10 

e properties

 

asured with

ment pastes

en  determin

toclaving  fo

nges due to 

. Then, the 

llustrates  th

ycles.  It  is  a

mal  conditi

the highest d

made with n

ycles. Howev

7 Mix 18

Mix 18 M

I‐MI 

I‐M2I 

s of cement p

helium pyc

at 91 days

ned  using  h

or 50 cycles.

drying. Afte

samples we

he measured

pparently  s

ions. Howev

density, abou

neat  slag  ce

ver, with pa

Mix 19 M

Normal

Mix 19 Mix

Normal

III‐MM20/10‐SF

III‐M2020/10‐SF

paste            

cnometry

helium  pycn

 All samples

er drying to 

ere sent to h

d density  fo

hown  that 

ver,  after  a

ut 2.61 and 

ement  (CEM

artial replace

Mix 21 Mix 2

Autoclave

x 21 Mix 23

Autoclave

M20/10‐SF III‐M

0/10‐SF III‐M20

                     

ometry  in  t

s were  freez

a constant 

helium pycn

or all pastes 

mixes with 

autoclaving 

2.66 t/m3 re

M  III)  and 

ement of sla

23 CEM I

ed

CEM I C

M20/10 

0/10‐SF 

            133

two  cases; 

ze dried  in 

weight, all 

nometry to 

at normal 

low water 

exposure, 

espectively. 

mix 1 has 

ag cement 

CEM III

CEM III

Page 152: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying

with poz

and  2.52

consider

from 2.5

Figure 7

7.4.4 C

Calcium 

on  the p

measure

measure

after au

area of d

used  for

under ni

the mas

hydroxid

highest 

produce

addition

results o

CH, < 5 %

2.2

2.

2.3

2.

2.4

2.

2.5

2.

2.6

2.

Den

sity (t/m

3)

g the influen

zzolanic mat

2  to  2.49, 

rable decrea

51 and 2.59 a

7.6: Specific

Calcium hy

hydroxide is

physical and

e  the  reacti

ed with the 

toclaving  fo

decompositi

r TGA analy

itrogen flow

ss  loss  betw

de content o

CH  content 

d about 16.

 of high am

of mix 19 (ab

%. With auto

25

.3

35

.4

45

.5

55

.6

65

.7

Mix 1III 

nce of autocl

terials, a sig

2.43  and  2

ase  in densi

at normal co

c density (t/m

ydroxide co

s one of the 

d chemical p

ivity  of  diff

help of ther

or 50  cycles.

ion of CH to 

sis. The  sam

w of 2.4 liters

ween  425  an

of all pastes.

as  expecte

2 % of CH. L

ount of poz

bout 4.4 %). 

oclaving, mo

Mix 2 MIIIIII‐FA 

laving on the

gnificant red

2.41  t/m3  fo

ty also due 

nditions to a

m3) of ceme

ontent

major prod

properties o

ferent  pozzo

rmogravime

.  It  can estim

CaO and wa

mples have 

s/hour. Calc

nd  550  °C  [

. Without au

ed,  about 18

Large reduct

zolanic mate

On the othe

ost mixes ga

Mix 5 MixIII‐SI‐M20/10 

e properties

 

duction  in de

or  mixes  2, 

to autoclav

about 2.39 a

ent pastes m

ucts of ceme

of  the concre

olanic  mate

tric analysis

mate CH  in 

ater. Approx

been heate

ium hydroxi

[Taylor,  199

utoclaving (n

8.35 %. Mix

tion of calciu

erials due to

er hand, mix

ained more C

x 7 Mix 18II SF

s of cement p

ensity took 

5  and  7  r

ving process

nd 2.47 t/m3

measured w

ent hydratio

ete. Estimat

erials.  Calciu

 (TGA) for a

hydrated p

ximately 750

d  to 900  °C

ide content 

97].  Figure  7

normal), pas

x 18 with  10

um hydroxid

o their react

xes with slag

CH, the only

Mix 19 M

Norm

I‐M20/10‐SF  III‐

paste            

place.  It red

espectively. 

s  took place3 for mixes 2

ith helium p

on which exe

tion of CH s

um  hydroxid

all mixes at n

roducts by 

0 mg of grou

C with heati

has been ca

7.7  shows  t

ste with nea

0 % of quar

de content h

tion with CH

g cement pro

y exception w

Mix 21 Mix 

mal Autocla

III‐M‐M20/10‐SF

                     

duced from 

  At  low  w/

e. The densit

21 and 23 res

pycnometry

ert an impor

serves as a m

de  content 

normal cond

determining

und, dried pa

ng  rate of 1

alculated by 

he  calculate

at OPC (CEM

rtz  in  additio

has been gain

H, as can be 

oduced low 

was mix 18. 

 23 CEM I

ave

M20/10 

            134

2.55, 2.49 

/b  ratio,  a 

ty  reduced 

spectively. 

rtant effect 

method  to 

has  been 

ditions and 

g  the peak 

astes were 

10  °C  /min 

the use of 

ed  calcium 

M I) has the 

on  to OPC 

ned by the 

seen from 

amount of 

It reduced 

CEM III

Page 153: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying

from 16

between

autoclav

to 12 %.

w/b ratio

Figure 7

7.4.5 C

In this p

results  i

theoreti

ratio of o

Table 7.

Mix 

C/S 

The resu

hydrothe

tempera

Howeve

between

tobermo

0

5

10

15

20

25

Calcium hydroxide content %

g the influen

.2 to about 

n CH and qu

ving for 50 c

 On the oth

o of 0.42. 

7.7: Calcium

C-S-H pha

art, the tran

n 100 %  tra

cal calculati

oxides and t

.2: C/S ratio

Mix 1  M

1.21 

ults of calcu

ermal expos

ature  level  u

r,  for CEM 

n  the  lime‐r

orite, hillebr

Mix 1

III 

nce of autocl

13 % with a

uartz powde

ycles. For pa

er hand, mi

m hydroxide

ses transfo

nsformation

ansformatio

on of C/S  r

the chemica

o of cemet p

Mix 2  Mix

0.76  0.7

lating  the C

sure. At this

up  to  200  °

III/B,  the C/

rich  phases 

randite and 

Mix 2 M

III‐MIII‐FA 

laving on the

autoclaving f

r. However,

aste made w

xes with low

content of c

ormation

 of phases h

n of  the  inp

atio of all c

l compositio

pastes after

x 5  Mix

76  0.93

C/S ratio  ind

s  level and a

C  are  lime‐

/S  ratio afte

and  silica‐r

afwilite can

ix 5 Mix 7

No

M20/10  III‐SF

e properties

 

for 50 cycles

 for pure OP

with CEM III 

w w/b ratio 

cement pas

has been ca

put materia

ement past

on of the bul

autoclaving

Mix 18 

2.1 

icated  that 

according to

rich  phases 

er hydrother

rich  phases,

n be formed

7 Mix 18

ormal Aut

I‐MI 

s of cement p

s. This may 

PC paste (CE

only, the CH

showed low

stes measur

lculated ass

ls  into new 

es has been

lk system. 

g for 50 cycl

Mix 19  M

0.96  0

CEM  I paste

o Figure  2.13

such  as  of

rmal exposu

,  therefore,

. The additio

Mix 19 M

toclaved

III‐MM20/10‐SF

paste            

be due to th

EM I), it reac

H content in

wer content 

red with TGA

uming that 

hydrotherm

n carried ou

les with 200

Mix 21  Mix 

0.66  0.7

e has C/S ra

3, the predo

α  C2SH,  jaf

ure  is about

  combinatio

on of some 

Mix 21 Mix 2

III‐MM20/10‐SF 

                     

he pozzolan

ched about 

ncreased fro

of CH than t

A

the autocla

mal C‐S‐H ph

ut based on 

0 °C and 15

23  CEM I 

76  3.2 

atio of abou

ominant pha

ffeite  and  p

t 1.38. This 

on  of  phase

quartz to C

23 CEM I

M20/10 

            135

ic reaction 

21 % after 

om about 5 

those with 

ve process 

hases. The 

the molar 

.5 bars

CEM III 

1.7 

ut 3.2 after 

ases  in the 

ortlandite. 

value  is  in 

es  such  as 

CEM  I as  in 

CEM III

Page 154: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             136 

 

mix 18 reduces the C/S ratio of the bulk to about 2.1. In this case, hillebrandite and α C2SH may be 

the predominant phases because the C/S ratio is still high. The EDX measurements emphasized this 

claim. The measured C/S ratio of mix 18 after hydrothermal exposure for 50 cycles was about 1.98. 

On the other hand, for mix 19 which contains both fine fly ash and silica fume, the calculated C/S 

ratio  is 0.96.  This  low C/S  ratio  leads  to  formation of  the  low‐lime phases  such  as  xonotlite  and 

tobermorite but  the  formation of  tobermorite phase  is more  likely. The  formation of  xonotlite  is 

relatively unlikely because  the  relatively high alumina  content  (8.34 mass %) which hindered  the 

transformation of tobermorite to xonotlite [Bade, 1992]. In addition, the autoclave temperature of 

200 °C is quite low for xonotlite formation in the presence of alumina and alkalis. Compared to CEM 

III/B  paste,  the  addition  of  10 %  quartz  powder  reduces  the  C/S  ratio  to  about  1.21  as  can  be 

calculated for mix 1 after complete transformation of the bulk materials. At this level, competition 

between  lime‐rich  phases  and  silica‐rich  phases  occur.  So,  for  this  paste  a  mixture  of  αC2SH, 

hillebrandite and tobermorite may be coexisted. By addition of fly ash or fine fly ash to CEM III/B as 

in mixes  2, 5,  and 23,  the C/S  ratio drops  to  about 0.76. Due  to  the  low C/S  ratio  and  the high 

aluminum content of these mixes, the predominant phases could be the formation of tobermorite 

type and gyrolite type. The EDX measurement approximately revealed similar results as can be seen 

in Figure  7.9. For mix 5 after hydrothermal exposure for 50 cycles, the C/S was about 0.83. However, 

the addition of silica fume significantly reduces the C/S ratio to about 0.93 (mix 7) which promotes 

the formation of gyrolite‐type. The formation of gyrolite is more likely than tobermorite because the 

low aluminum content in silica fume compared to fly ash. Finally, the calculated C/S ratio of mix 21 

made with silica fume, fine fly ash  in addition to CEM III/B  is about 0.66 after complete hydration. 

This very  low C/S ratio encourages the formation of  low‐lime phases such as tobermorite, gyrolite 

and truscottite. 

7.5 Discussion

At normal temperature, hydration of OPC produces about 50 % of C‐S‐H and about 15 ‐ 25 % of CH 

[Taylor, 1997]. The produced C‐S‐H  is approximately amorphous with C/S  ratio of about 2  [Hong, 

2004], which  is  strong  binding materials  (by  Van  der Waals  force  of  attraction)  responsible  for 

strength of cement and concrete at  temperature below 110  °C. The experimental  results  confirm 

these claims. The calcium hydroxide of CEM I paste was about 18 %, and increased with autoclaving 

to 21 %. However, after hydrothermal treatment, C‐S‐H is no longer stable, it is substituted by more 

stable phases with higher crystallinity and high specific density [Bezerra, 2011]. The composition and 

properties of the formed phases depends mainly on the C/S ratio, water/solid ratio (W/S) and on the 

period  of  exposing  to  hydrothermal  treatment  [Meducin,  2008].  As  a  result,  the  compressive 

strength  of CEM  I  paste was  reduced  (strength  retrogression)  from  78  to  about  25 MPa.  This  is 

attributed  to  the  formation  of  lime‐rich  phases  such  as  hillebrandite,  jaffeite  and  α  C2SH.  The 

Page 155: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             137 

 

formed phases have high density as has been reported by experimental density tests (Figure  7.6). 

The  increased density  leads to a reduction  in the solid volume and accompanied by an  increase  in 

porosity and reduction  in strength. The high  lime content of C‐S‐H comes from two main sources; 

the  initial C‐S‐H which has high C/S  ratio due  to hydration of  clinker and  the high  content of CH 

which offer a  reservoir  for  the calcium  ions  [Ramachandran, 2003]. The  specific density of CEM  I 

paste is increased from 2.42 to 2.61 t/m3 due to autoclaving for 50 cycles. The increased density can 

be  considered as an  indication  for  the  formation of deleterious  α C2SH and hillebrandite phases, 

which  reported  to have  a density of  about 2.7  t/m3  [Taylor, 1997]. As a  result,  large  increase  in 

porosity  took place due  to  the  increased density. The experimental  results of porosity agree with 

this assumption very well. It has been increased from 29 to 41 % with autoclaving for 50 cycles.  

In spite of addition of 10 % quartz powder  to  the system  (mix 18),  the compressive strength was 

reduced with autoclaving. It was decreased from 77 to 27 MPa after hydrothermal exposure for 50 

cycles. The added siliceous material is not sufficient to prevent the strength retrogression. The C/S 

ratio  is  still  high  and  suitable  to  form  lime‐rich  phases.  Confirmation  for  this  comes  from  the 

calculation of C/S ratio as can be seen in Table  7.2 and the observation of EDX in Figure  7.9. The C/S 

ratio of mix 18 was around 2 after autoclaving for 50 cycles. The formed phase at this level is alpha 

dicalcium silicate hydrate and hillebrandite, which crystallize as dense rectangular tablets with high 

porosity and  low  strength  [Taylor, 1997]. The density of mix 18  increased  from 2.45  to 2.66  t/m3 

with autoclaving for 50 cycles as can be seen  in Figure  7.6. The formed  lime‐rich phases with high 

density increased the shrinkage which resulted in huge increase in porosity as can be shown in the 

results of porosity (Figure  7.4). The SEM images of the surface of the polished specimens at age of 

91 days  in both  cases normal and after autoclaving  for 50  cycles  can be  shown  in  Figure  7.8. At 

normal  conditions, higher  concentration of ettringite, monosulphate  and  the oriented  crystals of 

calcium hydroxide are existed, which is generally considered a weaker component of the hydration 

products. However, after autoclaving, SEM photos clearly showed very porous microstructure.  

The incorporation of large amount of silica‐rich materials, fly ash and silica fume in addition to 10 % 

quartz powder, resulted in not only preventing strength retrogression, but also enhancement in the 

compressive  strength  after  autoclaving  as  can  be  noticed  from  the  results  of  mix  19.  The 

compressive  strength  increased  from  83  to  about  94 MPa  after  hydrothermal  treatment  for  50 

cycles. The density measurement showed  little change due to hydrothermal treatment.  It reduced 

from 2.45  to 2.44  t/m3. These are probably due  to  the  low C/S  ratio of  the bulk  (C/S equals 0.96 

according Table  7.2), which prevents the formation of lime‐rich phases and instead silica‐rich phases 

such as 1.1  tobermorite,  xonotlite and gyrolite are  formed. These phases have quite  low density 

which leads to dense microstructure with low porosity. The porosity of mix 19 is reduced from 25 % 

Page 156: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             138 

 

to about 20 % after autoclaving. The  low CH content also may have an  influence on  reducing  the 

porosity and enhancing the strength, because it was replaced with C‐S‐H. Thus, additional amount of 

C‐S‐H  is  added  to  the  system.  Both  low  clinker  content  in  the  bulk  and  the  incorporation  of 

pozzolanic materials are responsible for reducing the amount of CH which normally associated with 

high  porosity  and  weak  strength.  Compared  to  mix  18,  mix  19  exhibited  lower  porosity  after 

hydrothermal  exposure.  The  porosity  of  mix  19  is  about  the  half  of  mix  18  after  autoclaving. 

Figure  7.8  shows  the  SEM  images which  revealed dense microstructure of mix 19  (normal), with 

non‐reacted spherical fly ash particles embedded in the dense cement paste. After autoclaving, very 

dense and homogeneous microstructure is formed with partially reacted fly ash covered with C‐S‐H 

phases. These observations  indicated how  slow  the pozzolanic  reaction of  fly ash with CH  is. The 

results of calcium hydroxide content of mix 19 showed that it was increased with autoclaving. This 

may  be  because  the  slow  reaction  of  pozzolanic materials  as  well  as  the  low  solubility  of  CH, 

particularly with  increasing the temperature [Taylor, 1997]. On the other hand, the transformation 

of phases depends mainly on the C/S ratio of the bulk. Proof for that is from the results of mixes 18 

and  19.  At  normal  conditions,  both  mixes  have  a  density  of  about  2.45  t/m3.  However  after 

autoclaving, mix 18 with higher C/S  ratio exhibited specific density of about 2.66 t/m3, whereas the 

specific density of mix 19 with lower C/S ratio was reduced to about 2.44 t/m3. These results clarify the 

important  role  of C/S  ratio  on  the  properties  and  transformation  of C‐S‐H  phases  after  autoclaving. 

Similar results on the influence of siliceous materials on the strength of cement paste were reported by 

Jing et al. [Jing, 2008]. Who attributed the enhancement of strength to the formation of tobermorite and 

disappear of lime‐rich phases. 

 

Pure slag cement paste (CEM III/B) showed apparent strength retrogression after autoclaving. It was 

reduced from 71 to about 48 MPa after autoclaving for 50 cycles. Similar results were reported by Xi 

[Xi, 1997]. He found that the compressive strength of slag cement with slag content of about 67 % 

was reduced to about 50 % after autoclaving with 200 °C and 15.5 bars. Despite slag cement (CEM 

III/B) contains relatively high amount of silica, the compressive strength is reduced with autoclaving. 

The C‐S‐H  formed  from  the hydration of  slag  cement has quite high C/S  ratio  (about 1.7).  In  this 

level,  lime‐rich phases such as afwilite, alpha dicalcium silicate and hillebrandite could be  formed 

[Meller, 2005; Bezerra, 2011]. The  strength  retrogression observed  from  the experimental  results 

indicated  the major presence of  the  lime‐rich phases. The quite high C/S and  the alkalinity of  the 

pore  solution are  such  that  αC2SH and hillebrandite are dominant.  Furthermore,  the density and 

porosity measurements  showed  quite  increase  after  hydrothermal  exposure.  This  is  because  the 

high  density  of  the  formed  phases  leads  to  coarsening  the  pore  structure which  increases  the 

Page 157: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             139 

 

porosity and reduces the strength. Similar results but with lower values were noticed for mix 1 with 

addition of 10 % quartz powder to slag cement system. The compressive strength reduced from 74 

to about 56 MPa. The reason for that may be the quite high C/S ratio, although it is lower than that 

of paste made with pure slag cement. The calcium  ions are supplied  from  two main sources: one 

from clinker hydration and the second from the hydration of slag itself [Kolani, 2012]. Regarding CH 

content, both pastes (CEM III and mix 1) have the similar initial CH content, about 5 %. While, after 

hydrothermal  exposure,  the  CH  content  was  about  12  and  8  %  for  mixes  CEM  III  and  mix  1 

respectively.  The  calcium  hydroxide  content  relies mainly  on  both  the  hydration  degree  of  the 

clinker and on the progress of slag hydration. The first produces CH, whereas the latter consumes the 

CH.  The reduced amount of mix 1 is due to the addition of quartz powder. This effect emphasized the 

pozzolanic reactivity of quartz under hydrothermal treatment when it is finely ground. 

The incorporation of fly ash in combination with slag cement significantly enhanced the compressive 

strength after hydrothermal exposure. The compressive strength increased by about 18 % and 10 % 

for mixes 2 and 5 respectively. This may be attributed to the formation of 1.1 tobermorite which has 

been  accelerated with  increasing  the  aluminum  content  [Matsui,  2011].  This  phase  is  known  to 

enhance and stabilize compressive strength [Kyritsis, 2009]. In addition, the strength reducing phase 

αC2SH will not be  formed anymore because of  the  low C/S  ratio. Beaudoin  reported  that  fly ash 

performance at high temperature is similar to that of pure silica, can apparently reduce the C/S ratio 

and prevent the formation of αC2SH [Beaudoin, 1979]. Figure  7.8 shows the SEM of mix 5 before and 

after  autoclaving.  The  non‐reacted  fly  ash  sphere  can  be  clearly  seen.  This  confirms  the  slow 

hydration of slag cement and the very low rate of pozzolanic reaction. This is attributed to the low 

alkalinity in the pore structure, since the reaction of slag is activated by the liberated CH. The results 

from TGA for CH content showed that the amount of liberated CH was about 4 % before autoclaving 

and increased to about 6.5 % after hydrothermal exposure. After autoclaving, SEM of mix 5 showed 

the  formation  of  C‐S‐H,  probably  tobermorite  phase  as  reported  in  literature  [Garbev,  2004]. 

Another  evidence  for  the  possibility  of  tobermorite  formation  can  be  easily  detected  from  the 

results of EDX. The C/S of pore solution was about 0.94 and reduced to 0.83 after autoclaving which 

is suitable for the formation of silica‐rich phases such as tobermorite. Taylor stated that, C/S ratio in 

the range of 0.8 ‐ 1 is optimum for formation 1.1 tobermorite [Taylor, 1997]. In addition, the density 

of  slag  cement  paste was  apparently  reduced  by  addition  of  fly  ash,  either  normal  or  fine.  The 

density of mix 2 and 5 after hydrothermal treatment was 2.49 and 2.43 t/m3. This could be considered 

an evidence for formation of tobermorite which has a specific density of around 2.44 [Taylor, 1986]. 

These  results  reflected  the ability of  fly ash  to prevent  the  strength  retrogression by  formation of 

more stable and strong phases. The main benefit of fly ash comes from the high content of silica and 

aluminum,  that  encourage  the  formation  of  1.1  tobermorite which  responsible  for  reducing  the 

Page 158: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying the influence of autoclaving on the properties of cement paste                                             140 

 

porosity  and  permeability  [Kyritsis,  2009].  These  results  are  in  good  agreement  with  Hilsdorf 

[Hilsdorf, 1986], who confirmed the ability of fly ash to prevent strength retrogression. On the other 

hand,  conflict  results were obtained  about  the behavior of  silica  fume. Despite  the porosity  and 

density  of  paste made with  silica  fume was  reduced,  strength  retrogression  took  place.  Similar 

results  about  the  behavior  of  silica  fume  was  found  by  Luke  [Luke,  2004],  who  reported  that 

undefined phases were formed with the use of silica fume. In addition, alpha dicalcium silicate were 

detected which could explain the strength retrogression in the case of silica fume. These effects can be 

attributed to the low amount of aluminum in the bulk solution, and the possibility of microcracking.  

At low w/b ratio, interesting results were obtained. Considerable strength retrogression for mix 21 

was observed. The strength was decreased from 109 to 96 MPa (about 13 %) due to autoclaving for 

50 cycles. On contrary, mix 23 with  the  same  composition but without  silica  fume exhibited very 

good resistance to strength retrogression. Not only the strength retrogression is prevented, but also 

a little bit increase in the compressive strength was achieved after exposed to 50 autoclaving cycles. 

It was increased from 94 to 98 MPa with autoclaving. This difference in strength can be attributed to 

the formation of different phases in both cases (mixes 21 and 23). At hydrothermal conditions, the 

system and the formed phases were very sensitive to any change in the chemical composition of the 

pore solution. The high content of aluminum  incorporated by the addition of  fly ash enforced the 

formation  of  more  stable  phases  (mix  23).  However,  the  addition  of  silica  fume  resulted  in 

significant  strength  retrogression  which  can  be  attributed  to  the  low  aluminum  content  in  the 

system. In addition,  it can be also attributed to the high probability of micro‐cracking formation  in 

the case of silica fume, particularly with hydrothermal exposure. Although both mixes (21 and 23) 

exhibited difference performance concerning the compressive strength, the density and porosity are 

similar.  The  density  of mix  21  and  23 was  reduced  from  2.51  and  2.59  to  2.39  and  2.47  t/m3 

respectively  after  hydrothermal  exposure.  Similar  trend  can  be  observed  for  porosity  results.  At 

normal conditions, very low porosity was attained due to the low w/b ratio. The low water content 

offered  small  space  for  the  cement  to hydrate.  The C‐S‐H  can  form only  if  enough  free  space  is 

available  [Taylor,  1997].  In  addition,  the  added  pozzolanic  materials  work  as  filler,  thus  more 

reduction  in  porosity  can  be  achieved.  After  autoclaving,  a  significant  decrease  in  porosity  took 

place. The hydrothermal  treatment  lead  to  formation of silica‐rich C‐S‐H phases which  resulted  in 

dense microstructure as can be observed from the results of mixes 21 and 23. The porosity of mixes 

21  and  23  reduced  from  21  and  25 %  at  normal  conditions  to  15  and  18 %  respectively  after 

autoclaving for 50 cycles. On the other hand, the results of calcium hydroxide content of mixes 21 

and 23 shows that  liberated calcium hydroxide  in the pore solution was small, which  indicated the 

low hydration degree. However after hydrothermal treatment, small  increase  in the CH content of 

both mixes with low w/b ratio occurred.  

Page 159: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying

Figure

autoclav

g the influen

7.8: SEM

ving for 50 c

nce of autocl

measurem

cycles (right

laving on the

Mix 

Mix 19

ents for ce

t)

e properties

 

5 (CEMIII‐M

     

Mix 18 (CEM

    

9 (CEMI‐M20

     

ement pas

s of cement p

20/10) 

MI) 

0/10‐SF) 

tes at nor

paste            

rmal condit

                     

 

ions (left)

            141

 

    

 

and after

Page 160: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Studying

Figure 7

g the influen

7.9: EXD an

nce of autocl

alysis of ce

laving on the

ment at nor

M

e properties

 

rmal conditio

Mix 5 (CEMII

Mix 5 (CEM

M

Mix

s of cement p

ons and afte

I‐M20/10) n

MIII‐M20/10)

Mix 18 (CEMI

x 18 (CEMI) a

paste            

er autoclavi

ormal

) autoclaved

I) normal

autoclaved

                     

 

ing for 50 cy

 

            142

ycles

Page 161: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying the optimized concrete in hot water tank  143 

 

8. Applying the optimized concrete in hot water tank

8.1 Introduction

In this investigation and as previously discussed, optimized concrete mixes have been prepared and 

tested  in  the  laboratory  and  they  showed  stable  properties  regarding  concrete  strength  and 

durability after hydrothermal exposure. However, for hot water tank, the concrete has to be tested 

in the real conditions, where it will be implemented and subjected to different loading conditions. In 

addition, it is important from the safety point of view to study the failure mode of concrete tank in 

such aggressive conditions. This chapter presents the experimental results of the preliminary stage 

of producing a concrete tank to store hot water and steam at temperature higher than 100 °C based 

on the results of this thesis.  

8.2 Concrete mixture

In  these preliminary experiments, mix 23 with small modifications has been used  for constructing 

the concrete tank models. This mix has been chosen because of the low amount of hydration heat 

as well as its high durability and stability after hydrothermal exposure for 50 cycles. Table  8.1 shows 

the mix composition and  the properties of  the used concrete. Figure   8.1 and Figure   8.2 show  the 

concrete mixing and the measurement of fresh concrete properties. 

Table 8.1: Composition and properties of the used concrete for prliminary experiments

Composition     

CEM III /B 32.5  (kg/m3)  224 

Fine fly ash  (kg/m3)  96 

Aggregate (4 – 8)  (kg/m3)  885 

Aggregate (2 – 4)  (kg/m3)  546 

Sand (0 – 2)  (kg/m3)  485 

Quartz sand  (kg/m3)  82 

Quartz powder  (kg/m3)  45 

Superplasticizer  (kg/m3)  6 

Water  (kg/m3)  96 

Total  (kg/m3)  2465      

Rheological properties     

Fresh concrete density  (kg/m3)  2470 

Flow diameter  (cm)  47 

Temperature of fresh concrete  (°C)  18.3 

Air content  (%)  1 

Page 162: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying

Hardene

Compre

Splitting

Water p

Total po

 

 

Figure 8

Figure 8

g the optimiz

ed concrete p

essive strengt

g tensile stren

penetration d

orosity (91 da

8.1: Prepara

8.2: Flow dia

zed concrete

properties 

th (91 days) 

ngth (91 days

epth (91 day

ays) 

ation for con

ameter and

e in hot wat

   

(M

)  (M

s)  (m

(%)

ncrete mixin

air content

er tank

 

Pa) 

Pa) 

m) 

g

     

of the usedd concrete

 

85

5.

6.

.2 

 

.9 

144

 

Page 163: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying

8.3 C

A cylindr

has been

As can b

are fixed

surface a

 

 

Figure 8

8.4 Fi

In  the  e

installing

tank  and

outside 

capacity

been use

heating 

surface 

parallel 

tempera

moment

the conc

and  out

g the optimiz

Concrete ta

rical tank m

n built as ca

be seen from

d  in both sid

and steel pla

8.3: Hot wat

irst experi

experiment, 

g the upper 

d  on  the  ou

the  tank.  In

y of 10 KW to

ed to measu

rate (1 ‐ 2 °C

have been o

to each oth

ature  differe

t with high te

crete tensile 

tside  the  co

zed concrete

ank model

odel with di

an be seen in

m the figure,

des.  In addit

ates in order

er concrete

iment

the  concre

steel plate, 

uter  surface

n addition, a

o heat up th

ure the temp

C/min). The 

observed an

her as can b

ences  throug

ensile stresse

strength, th

oncrete  tank

e in hot wat

l

iameter of 8

n Figure  8.3

 both sides 

tion, a dens

r to prevent 

tank mode

ete  tank  mo

thermocoup

e  as well  in 

a pressure g

he water has

perature dis

results of th

nd  the wate

be shown  fro

gh  the  tank 

es on the co

erefore crac

k  reached  7

er tank

 

850 mm, hei

. This tank h

of the tank 

sifying mate

any escape 

  

l

odel  has  be

ples have be

order  to m

gauge has b

s been insta

stribution in

he test show

er began  to 

om Figure   8

wall.  This  t

ncrete wall. 

cking occurre

72  °C  as  m

ght of 600 m

has been co

are opened

rial has bee

of water an

een  partly  f

een fixed on 

measure  the 

been also  im

lled. On the

 the concret

wed that at 9

escape. All 

8.5. These cr

temperature

The generat

ed. The temp

measured  wi

mm and wal

onstructed w

. Therefore,

en  installed b

nd vapour.   

filled  with  w

the bottom

temperatur

mplemented.

 other hand

te wall. The 

90 °C some 

these crack

racks are  fo

e  difference 

ted tensile st

perature diff

th  thermoc

ll thickness o

without reinf

, two thick s

between the

water  (20  °

m and on the

re  changes 

.   Electric h

, infra‐red c

test started

cracks at th

s are  longit

rmed due  t

leads  to  te

tresses are h

ference betw

couples.  The

145

of 125 mm 

forcement. 

steel plates 

e concrete 

 

C).  Before 

 top of the 

inside  and 

eater with 

camera has 

d with high 

e concrete 

udinal and 

o  the high 

emperature 

higher than 

ween inside 

e  Infra‐red 

Page 164: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying

camera 

as can b

been de

been ob

 

Figure 8

Figure 8

g the optimiz

measureme

be seen in fig

etected. Mor

served. 

8.4: Prepara

8.5: Longitud

zed concrete

ents showed

gure 6. Rega

reover, no m

ation for the

dinal cracks i

e in hot wat

 also the hig

arding concr

micro‐cracki

first experim

in the wall of

er tank

 

gh temperat

rete perform

ng or any d

ment

f the concre

ture differe

mance, no d

etrimental  i

ete tank mod

nce through

eterioration

nfluence on

del due to tem

hout the con

n in concrete

n concrete s

 

 

mperature g

146

ncrete wall 

e itself has 

surface has 

gradient

Page 165: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying

Figure 8

8.5 Se

To cope 

two‐laye

23) with

addition,

tempera

thermoc

of heatin

continuo

that poin

widened

plate  cre

energy (t

steam w

stored  e

cracking 

vapour h

g the optimiz

8.6: Temper

econd exp

with the pro

er tank mode

out reinforce

, a thermal i

ature  gradie

couples. In th

ng, the temp

ous heating, 

nt, the steel

d. In addition

eated.  Cons

the height o

was  continuo

energy  inside

has been ob

has been occ

zed concrete

rature distrib

periment

oblem of tem

el has been 

ement, whil

nsulating ma

nt.  The  tem

his experime

perature of w

the tempera

l plate was d

n, the densify

equently,  st

of the steam 

ously escapi

e  the  tank. 

bserved in in

curred.   

e in hot wat

bution on th

mperature g

developed. 

e the outer 

aterial has b

mperature  b

ent, low hea

water inside 

ature was ra

deformed an

ying materia

team with  h

column reac

ng  for more

After  coolin

nternal or ext

er tank

 

e concrete

gradient (tem

The inner la

layer was m

been fixed on

between  the

ting rate has

the tank rea

aised slowly 

nd the dista

l has expand

high  pressur

ched about 1

e  than 15 m

ng  down,  th

ternal concr

tank measu

mperature m

ayer was ma

ade of norm

n the surface

e  two  layers

s been appli

ached 155 °C

to 162 °C an

nce betwee

ded and a ga

re  is  sudden

15 meters as

minutes whic

he  concrete 

rete layers. In

ured using th

moment) and

de of the op

mal concrete 

e of the tank

s  has  been 

ed (10 °C/ho

C as can be s

nd the press

en  it and the

ap between c

nly  escaped 

s can be sho

ch  reflect  th

tank  has  be

n addition, n

he Infra-red

d longitudina

ptimized con

with reinfor

k in order to 

measured 

our). After s

een in Figure

sure reached

e concrete su

concrete wa

with  large  a

own in Figure

he high  amo

een  examin

no diffusion o

147

 

d camera

al cracking, 

ncrete (mix 

rcement. In 

reduce the 

also  using 

ome hours 

e  8.7. With 

d 6 bars. At 

urface was 

ll and steel 

amount  of 

e 8.7). The 

ount of  the 

ed  and  no 

of water or 

Page 166: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying

 

 

g the optimiz

The ta

The te

Figure 8.7

zed concrete

ank is totally

mperature w

Large 

: The secon

e in hot wat

y insulated f

was continu

amount of e

nd prelimina

er tank

 

rom all sides

ously increa

energy and s

ary test on tw

s to reduce t

ased with he

steam has b

wo-layer ho

temperature

ating and re

een released

ot water con

 

e difference

 

eached 155 °

 

d  

crete tank m

148

°C 

model

Page 167: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying

8.6 Fu

Based o

hot wate

large cyl

hot wate

several w

tank, the

problem

optimize

prestres

totally in

the curr

can be s

seen in F

 

Figure 8

g the optimiz

uture work

n the result

er tank mod

lindrical tank

er tank mod

weeks.  It ca

e steel plate

m of the stee

ed  concrete 

sed  steel  in

nsulated fro

ent stage, t

een in Figur

Figure  8.9.  

8.8: Internal

zed concrete

k

ts of this  inv

del, a new re

k model (pro

del will be su

an be also u

 will be repl

el plate.  The

without  re

n  order  to  k

m outside in

he  internal 

e  8.8. Moreo

layer of the

e in hot wat

vestigation a

esearch proje

ototype) wit

ufficient to f

used  for pro

aced with a 

e tank will b

inforcement

keep  the  co

n order to re

layer of the

over, the mo

e future conc

er tank

 

and on the r

ect has been

th dimensio

feed one ho

oducing elec

concrete do

be also two‐

t, while  the

oncrete wall

educe the te

e tank has b

ould for the 

crete tank m

results of th

n planned an

n of 1800 x 

ouse (100 m2

tricity by us

ome (half sp

layered; the

e  outer  one 

ls  under  com

emperature 

been constru

concrete do

model made

he prelimina

nd already s

1250 mm w

2) with the r

sing Peltier 

phere) becau

e internal on

will  be  of 

mpression. 

difference a

ucted with t

ome has bee

e of the optim

ry experime

started. In th

will be perfo

required hot

effect.  In  th

use of the de

ne will be m

normal  con

The  tank w

and therma

thickness of 

en fabricated

 

mized conc

149

ents of the 

his project, 

rmed. This 

t water for 

he planned 

eformation 

ade of the 

crete with 

will  be  also 

l losses. At 

70 mm as 

d as can be 

rete

Page 168: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Applying

Figure 8

 

 

 

 

 

 

g the optimiz

8.9: The fab

 

zed concrete

ricated mou

e in hot wat

uld for concr

er tank

 

    

rete model tto be used iinstead of ssteel plate

150

 

Page 169: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Conclusions and recommendations  151 

 

9. Conclusions and recommendations

9.1 Conclusion

The research project presented within this PhD‐thesis was focused mainly on studying the possibility 

of developing a dense high performance concrete mixture for a concrete tank to store solar thermal 

energy  in hot water and  steam at high  temperature up 200  °C and pressure of 15.5 bars.  In  the 

targeted  tank,  the  leakage of water and  vapour  is prevented by  implementing a very dense high 

performance concrete. The optimized concrete should exhibited high efficiency and stability after 

exposing to various autoclaving cycles. An important subject in this respect  is the stability of C‐S‐H 

phases after hydrothermal exposure with  several  cycles. Many  factors  influence  the behaviour of 

concrete  under  these  hydrothermal  conditions.  Regarding  transport  properties  through  the 

optimized  concrete,  the mineralogical  properties  of  concrete  constituents  are  of more  concern. 

However, chemical composition of the concrete mixture is considered the basic parameter with high 

impact on the stability of C‐S‐H phases. 

 

The  first  step  of  this  investigation  is  to  develop  a  high  density  concrete mixture.  Increasing  the 

packing  density  is  considered  an  excellent  strategy  to  get  an  optimized  concrete mix.  This  can 

achieved  via  three main mechanisms.  The  first  one  is  maximizing  the  packing  density  of  solid 

particles by  applying  the  Ideal  Fuller  curve  for  aggregate  and  fine materials  grading.  The  second 

mechanism  is  designing  a  dense  cement matrix  taking  into  consideration  several  items  such  as 

physical and chemical properties of fine materials. The third mechanism is densifying the interfacial 

transition  zone  which  is  the  locus  of  micro‐cracking  and  affects  the  concrete  durability  and 

mechanical properties.  

 

The  experimental work  has  been  divided  into  three main  parts.  In  the  first  one,  a  high  density 

concrete mixture  has been optimized  and  tested.  In  this  concern,  23 mixes with more  than  560 

standard cubes and 90 standard cylinders have been prepared and tested. The second part of this 

investigation  focused on  the effect of autoclaving with 200  °C and 15.5 bars on properties of  the 

optimized  concrete. Mechanical  properties  including  compressive  strength,  tensile  strength  and 

rebound number as well as concrete porosity have been measured at normal conditions and after 

autoclaving with numerous cycles. Regarding the concrete durability, the main three mechanisms of 

ingress of  gases and  liquids  through  concrete; permeability, absorption and diffusion, have been 

measured before and after autoclaving for 50 cycles.  In the third part, 10 different cement pastes 

have been prepared and tested in order to deeply understand the effect of hydrothermal conditions on 

characteristics and  stability of C‐S‐H phases.  In  this concern, EDX, TGA and SEM measurements have 

been used to study the changes in pastes morphology and properties due to autoclaving for 50 cycles.  

Page 170: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Conclusions and recommendations  152 

 

 

Based on the experimental results, the following conclusions can be drawn: 

 

Concrete mixture optimization: 

The  Ideal  Fuller  curve  is  different  from  the well‐known  Fuller  parabola.  It  has  lower  coarse 

aggregate content and higher fine materials content. 

By applying the Ideal grading curve, it is possible to produce HPC with superior properties using 

only 312 kg/m3 of cementitious materials. 

In spite of the use of low amount of cementitious materials (312 kg/m3), with w/b ratio of 0.27, 

the compressive strength reached about 100 MPa, while the elastic modulus was more than 50 

GPa. This can be directly related to the high packing density of the mixture. 

The  maximum  porosity  of  concrete  mixes  was  10  %  for  mix  with  OPC  and  without  any 

supplementary  materials,  which  reveal  the  important  role  of  packing  density  on  concrete 

porosity. However, with replacing part of OPC with 25 % fine fly ash and 10 % silica fume (mix 

19),  the  total porosity  reduced  to 6 %. On  the other hand, a  total porosity of 3 % has been 

achieved by combination of high packing density and low w/b ratio. 

A  very  low  capillary porosity was obtained  for all mixes  compared  to  tradition  concrete and 

HPC. In particular, mix 21 with w/b ratio of 0.27 has a capillary porosity of lower than 2 % which 

is in the range of UHPC. 

According  to  Neville,  all  concrete  mixes  can  be  considered  impermeable  under  aggressive 

conditions (water penetration depth < 20 mm). For mix 23, it reached 3 mm only. 

The  use  of  supplementary materials with  low w/b  ratio  has  reduced  the  chloride  diffusion 

coefficient of concrete 20 times lower than that of OPC. 

A  strong  relationship  has  been  found  between  the measured  total  porosity  and mechanical 

properties of concrete. However,  the durability aspects were  found  to have clear relations  to 

the capillary porosity of concrete.  

Generally, silica fume  is more effective  in  improving the durability and strength of concrete  in 

systems with low w/b ratio than systems with high w/b ratio. 

Effect of autoclaving with 200 °C and 15.5 bars on the properties of concrete: 

Mixes with pure  cement either OPC or  slag  cement  showed a  large decrease  in  compressive 

strength after autoclaving for 50 cycles. However, the addition of fly ash stabilized the concrete 

and prevented the strength retrogression.  

At  low w/b  ratio,  the  addition  of  supplementary materials  not  only  prevented  the  strength 

retrogression, but also it increased the compressive strength to 130 % of its original value after 

autoclaving for 50 cycles.   

Page 171: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Conclusions and recommendations  153 

 

The porosity of OPC concrete was increased by about 30 % after autoclaving. However, partial 

replacement of cement with  fine  fly ash and silica  fume  reduced  the  increase  in  the porosity 

after autoclaving for 50 cycles.  

Combination  of  fine  fly  ash  and  slag  cement  exhibited  a  decrease  in  total  porosity  after 

autoclaving. It reduced from 7 to 5 % with w/b ratio of 0.42. However, at low w/b ratio, it has 

been decreased from 5 to 2.6 % after hydrothermal treatment for 50 cycles (mix 23).  

The pore size distribution of concrete showed strong alteration due to autoclaving. The volume 

of pores > 10 nm  is  increased with autoclaving  for OPC concrete, while slag cement concrete 

showed an increase in fine pore volume and reduction in big pores volume.  

The  air  permeability  test  showed  a  decrease  in  permeability  of most  concrete mixes  after 

autoclaving  for 15 and 50 cycles. The only exception  is  the OPC concrete mix  (mix 18) which 

exhibited a significant increase in air permeability with autoclaving. 

A slight  increase  in water absorption coefficient of most concrete mixes was occurred due  to 

autoclaving for 50 cycles. Mix 23 with fine fly ash and low w/b ratio was the only exception. It 

showed a slight decrease in absorption coefficient after autoclaving for 15 cycles. 

The  chloride  diffusion  coefficient  of  OPC  concrete  exhibited  a  significant  increase  after 

autoclaving. However, mix  23  showed  a  good  resistance  to  chloride  penetration  before  and 

after  autoclaving.  It  exhibited  a  chloride  diffusion  coefficient  of  4.29  x  10‐13  m2/s  after 

autoclaving  for 50 cycles. Although mix 21 with both  fine  fly ash and silica  fume  showed  the 

lowest value before autoclaving  (2.47 x 10‐13 m2/s),  the chloride diffusion  started  to  increase 

after autoclaving and reached 4 x 10‐13 m2/s. 

Effect of autoclaving with 200 °C and 15.5 bars on properties of cement pastes: 

Similar to the results of concrete, large changes in compressive strength of cement pastes have 

been occurred due to autoclaving for 50 cycles. Significant strength retrogression was found for 

OPC and CEM  III pastes. However,  replacing part of  cement with  fine  fly ash and  silica  fume 

resulted  in  increase  in  compressive  strength  after  hydrothermal  treatment  for  50  cycles.  It 

increased from 83 MPa at normal conditions to 94 MPa after treatment (mix 19).  

Around  50 %  increase  of  porosity  of  OPC  paste  has  been measured  after  autoclaving.  The 

addition of pozzolanic materials significantly prevented the increase in porosity.   

For  OPC  pastes,  the  autoclaving  process  resulted  in  transformation  of  phases  to  lime‐rich 

phases  such  as  portlandite,  α  C2SH  and  hillebrandite.  These  phases  have  high  density,  high 

porosity and very low strength as revealed by the experimental measurements. In addition, the 

EDX measurement confirmed the formation of these phases because of the high C/S ratio of the 

OPC systems. 

Page 172: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Conclusions and recommendations  154 

 

Systems with high amount of supplementary materials have  low C/S ratio of the bulk (< 1). The 

formed phases  in  these systems after hydrothermal exposure are  the silica‐rich phases such as 

tobermorite and xonotlite which have low density, small porosity and high strength.  

Fly ash and fine fly ash exhibited very high efficiency in reducing the porosity and increasing the 

compressive strength of cement paste after autoclaving for 50 cycles.  

SEM measurements of OPC pastes  revealed  the high concentration of CH, monosulphate and 

ettringite before autoclaving, while a porous microstructure has been formed after autoclaving. 

However,  dense microstructure  has been  detected  for mixes with  high  content  of  silica‐rich 

materials even after hydrothermal treatment. 

The experimental results showed the importance role of C/S ratio on the stability and properties of 

the  system. When  it  increases more  than 1, weak  and porous product  is  formed which  can be 

considered as a detrimental for concrete durability and sustainability.  In contrast, the addition of 

silica‐rich materials such as quartz, slag and fly ash reduce the C/S ratio to lower than 1, which can 

be accounted as an advantageous for concrete under hydrothermal conditions.  

The aluminium content in the system has an important role on phase transformation. Materials 

such as  fly ash which contain high amount of  silica and aluminium provoke  the  formation of 

silica‐rich phases with high strength and low porosity such as tobermorite. 

9.2 Recommendations

For the sake of optimizing a high dense high performance concrete, three mechanisms are of main 

concern. The first one  is maximizing the packing density of solid particles. This can be achieved by 

applying the Ideal Fuller curve (Figure 4.1) to enhance the packing of the system and to reduce the 

required cement content  (as discussed  in section 4.2). Basically,  increasing  the packing density of 

aggregate would decrease the volume of paste needed to fill up the voids and increase the amount 

of additional paste that could be utilized to improve the workability. Additionally, the concrete will 

have  less durability problems such as permeability, shrinkage, and thermal degradation. Aggregate 

as  they  come  from  the quarry do not normally have  size distributions  that  fit  the dense packing 

curve,  so  it  is  important  to modify  the aggregate grading  to meet  the dense packing  curve.  Fine 

materials such as quartz powder and quartz sand can be used to modify the grading of aggregate 

especially  in  the  fine zone under  the grading curve. These materials are  required also  to produce 

stable  concrete  in  fresh  state with  good  cohesion  and  low  segregation.  Increasing  the  range  of 

particle size helps to enhance  the packing because systems with wide range of particle sizes have 

higher packing density than systems with narrow range. 

 

Page 173: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Conclusions and recommendations  155 

 

The  second mechanism  to  produce  dense  concrete  is  to make  the  cement matrix  as  dense  as 

possible (as discussed in section 4.3). In this regard, three parameters are very important. First, the 

particle size distribution of cementitious materials. Cement alone has low packing density and high 

porosity because of the narrow particle size distribution which makes the inter‐particle voids bigger. 

However,  the  use  of  various  fine materials  with  different  particles  size  distribution  can  largely 

reduce  the  voids  content  within  the  cementitious  materials  mixture.  The  efficiency  of  these 

materials  in  filling up  the voids and  improving  the packing depends mainly on  their  fineness and 

particle shape. Generally, a broader range of particle size distribution would yield systems with high 

packing density. The second parameter  is the chemical composition of the bulk materials. Many of 

concrete problems especially at high temperature come from the high content of calcium hydroxide 

because it is soluble and very weak compared to calcium silicate hydrates. Therefore, it is important 

to use blended  cement  such  as  slag  cement  as well  as using pozzolanic materials  to densify  the 

microstructure,  reduce  the  porosity  and  to  decrease  the  generated  hydration  heat.  The  third 

parameter  is  controlling  the w/b  ratio  to  achieve  both  the  required workability  and  reduce  the 

capillary porosity. It  is recommended to take the w/b ratio  lower than 0.42 to reduce the porosity 

while the required consistency can be achieved by the use of superplasticizer. 

 

The third mechanism to optimize a durable concrete  is to densify the transition zone which  is the 

weakest zone in concrete and affects all concrete properties (as discussed in section 4.4). This zone 

is formed mainly due to  low packing of cement particles on the aggregate surface and also due to 

the one‐sided growth of cement hydration products. To cope with  the  first problem,  low packing 

density on the aggregate surface, very fine materials such as silica fume and fine fly ash can be used 

to enhance the packing on the aggregate surface. However, for one‐sided growth, we suggested a 

certain  sequence of adding  the materials  to  the  concrete mixer. After addition of  the aggregate, 

some  of  the mixing water  should  be  added  to make  the  aggregate  surface wet  (in  the  site,  the 

aggregate  is  normally  wet),  and  then  the  fine  materials  will  be  added.  By  this  sequence,  fine 

materials can stick well on the aggregate surface and reduce  the one‐sided growth effect. On the 

other hand, during the compaction of fresh concrete, segregation may occur and a thick water film 

could be formed beneath the aggregate particles. Moreover, local bleeding is favoured to happen in 

the transition zone and around the aggregate surface. So, it is important to use the sufficient amount 

of fine materials to prevent these harmful effects by enhancing the packing due to their filler effect.  

Page 174: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Conclusions and recommendations  156 

 

To summarize, the following steps are recommended to design a dense concrete mixture:  

Determination  of  the  maximum  aggregate  size  considering  its  effect  on  water  and  binder 

content as well as on the hardened concrete properties (as discussed in page 56). 

Calculating  the  solid materials  fractions  using  the  Ideal  Fuller  curve which  applied  for  both 

aggregate and binder (Figure 4.1). 

Choose the aggregate grading that fit the curve to achieve the maximum packing density (Figure 4.3). 

Selecting the cement type to control chemistry of the hydration products (as discussed in page 60). 

Optimization  of  the  binder  proportioning  (<  0.125  mm)  by  using  various  supplementary 

materials, type and content, in such a way that maximum packing can be attained (granulometric 

viewpoint), meanwhile, dense and durable cement matrix microstructure as well as thin and dense 

interfacial transition zone can be achieved (chemical viewpoint) (section 4.3.2).  

Determination  of  the  required  fillers  addition  (quartz  sand  and  quartz  powder)  to  fill  the  gaps 

between the mixture and the targeted curve (section 4.2).  

Calculating  the water  content  from  rheological,  physical  and  chemical  points  of  view  (w/b   0.42, in order to reduce the capillary porosity as low as possible). 

Adapting  the  superplasticizer  dosage,  that  is  compatible  with  the  used  cement,  to  get  the 

required consistency, and to enhance the packing density of fine materials. 

 

Regarding the stability of concrete under high pressure and temperature, the chemical composition of 

the bulk materials is very important. The bulk materials should be selected in such a way that the formed 

phases after hydrothermal exposure must be stable and strong. For example, when ordinary Portland 

cement pastes exposed to autoclaving, lime‐rich phases such as alpha dicalcium silicate and hillebrandite 

predominated which increase the porosity and reduce the strength. The formation of these detrimental 

phases can be avoided by adding fine silica (about 30‐40 %). So, silica‐rich materials such as fly ash and 

slag  can  help  to  produce  stable  phases  with  high  strength  and  low  porosity  such  as  tobermorite, 

xonotlite  and  gyrolite.  The  calcium/silicon  ratio  (C/S)  of  the  formed  phases  is  very  important  and 

depends mainly on the chemical composition of the input materials and on its fineness.  

 

The aluminium content plays an  important role  in the  formation of  tobermorite and extending  its 

stability up to higher than 200 °C. The role of aluminium can be clarified by comparing two cases; 

systems with  fly  ash which  contains  high  aluminium with  system of  silica  fume which  has  lower 

aluminium content. In the first case, phases with high strength and low porosity are formed, while 

for the second phases the direction is not clear. Some other studies detected alpha dicalcium silicate 

hydrate  in  systems  with  silica  fume.  So,  more  research  is  needed  to  deeply  understand  the 

behaviour  of  the  systems  containing  silica  fume  under  hydrothermal  treatment.  However,  the 

important role of fly ash on enhancing the concrete properties has been improved by many studied 

as well as by the current investigation.     

Page 175: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  157 

 

10. References  Aïtcin, P.C. (2004). High performance concrete. Taylor & Francis. 

Alexander, M.G. and Mindess, S. (2005). Aggregates in concrete. Taylor & Francis. 

Andersen,  P.J.  and  Johansen,  V.  (1993).  A  guide  to  determining  the  optimal  gradation  of  concrete aggregates, Report No. SHRP‐C‐334. . 

Andreasen,  A.H.M.  (1930).  Ueber  die  Beziehung  zwischen  Kornabstufung  und  Zwischenraum  in Produkten  aus  losen  Körnern  (mit  einigen  Experimenten).  Kolloid‐Zeitschrift,    Vol.  50  (3):  pp. 217‐228. 

Bade,  T.  (1992).  Untersuchungen  zur  Klärung  chemischer  Einflußfaktoren  bei  der  Herstellung  und Alterung aotoklavgehärteter Baustoffe an ausgewählten Beispielen. PhD Thesis, Hochschule für Architektur und Bauwesen, Weimar, Germany. 

Balendran, R.V., Rana, T.M., Maqsood, T. and Tang, W.C. (2002). Strength and durability performance of HPC  incorporating pozzolans at elevated temperatures. Structural Survey,   Vol. 20 (4): pp. 123‐128. 

Barnes, P. and Bensted, J. (2002). Structure and performance of cements. Taylor & Francis. 

Bauer, D., Marx, R., Nußbicker,  L.J., Ochs, F., Heidemann, W. and Müller, S.H.  (2010). German  central solar heating plants with seasonal heat storage. Solar Energy,  Vol. 84 (4): pp. 612‐623. 

BAW  (2012).  Resistance  of  concrete  to  chloride  penetration.  BAW  Codes  of  Practice  and  Guidlines Publisher. Bundesanstatalt für Wasserbau. 

Bažant, Z.P.  (1997). Analysis of pore pressure,  thermal  stress and  fracture  in  rapidly heated  concrete. Proceeding  of  International  Workshop  on  Fire  Performance  of  High  Strength  Concrete. Gaithersburg, Maryland, USA.  Nist Special Publication 919: pp. 155‐164. 

Bažant, Z.P.  and S. and Prasannan (1986). High‐temperature triaxial torsional creep tests of concrete at various hygral conditions. Nuclear Engineering and Design,  Vol. 94 (2): pp. 137‐151. 

Bažant, Z.P. and Cusatis, G. (2005). Concrete creep at high temperature and its interaction with fracture: recent  progress.  Concreep  7,  International  conference  on  Creep,  Shrinkage  and  Durability  of Concrete and Concrete Structures. Nantes, France. pp. 449‐460. 

Bažant,  Z.P.  and  Kaplan,  M.F.  (1996).  Concrete  at  high  temperatures:  material  properties  and mathematical models. Longman Group Limited. 

Bažant, Z.P. and Thonguthai, W. (1979). Pore pressure  in heated concrete walls: theoretical prediction. Magazine of Concrete Research,  Vol. 31 (107): pp. 67‐76. 

Beaudoin, J.J. and Feldman, R.F. (1979). Partial replacement of cement by fly ash in autoclaved products ‐ theory and practice. Journal of Materials Science,  Vol. 14 (7): pp. 1681‐1693. 

Page 176: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  158 

 

Bentz,  D.P.  (2000).  Influence  of  silica  fume  on  diffusivity  in  cement‐based  materials:  II. Multi‐scale modeling of concrete diffusivity. Cement and Concrete Research,  Vol. 30 (7): pp. 1121‐1129. 

Bentz, D.P., Hansen, A.S. and Guynn,  J.M.  (2011). Optimization of cement and  fly ash particle  sizes  to produce sustainable concretes. Cement and Concrete Composites,  Vol. 33 (8): pp. 824‐831. 

Bentz, D.P., Jensen, O.M., Coats, A.M. and Glasser, F.P. (2000).  Influence of silica fume on diffusivity  in cement‐based materials:  I.  Experimental  and  computer modeling  studies  on  cement  pastes. Cement and Concrete Research,  Vol. 30 (6): pp. 953‐962. 

Bezerra,  U.T.,  Martinelli,  A.E.,  Melo,  D.M.A.,  Melo,  M.A.F.  and  Oliveira,  V.G.  (2011).  The  strength retrogression of special class Portland oilwell cement. Cerâmica,  Vol. 57: pp. 150‐154. 

Brandenburger,  D.,  Herten,  Hüttl,  R.  (2006).  Hochleistungsbeton  mit  Feinstflugasche  als Betonzusatzstoff. Beton,  Vol. 56 (5): pp. 198‐200. 

Brandt,  A.M.  (2009).  Cement‐based  composites: materials, mechanical  properties  and  performance. Taylor & Francis. 

Brouwers, H.J.H. and Radix, H.J.  (2005). Self‐compacting concrete:  theoretical and experimental study. Cement and Concrete Research,  Vol. 35 (11): pp. 2116‐2136. 

Busch, D., Haselwander, B., Hillemeier, B.  and  Strauß,  J.  (1999).  Innovative Betontechnologie  für den Kühlturmbau. Beton Vol. 49 ( 4): pp. 108‐109. 

Chan, S.Y.N., Peng, G. and Chan, J.K.W. (1996). Comparison between high strength concrete and normal strength  concrete  subjected  to high  temperature. Materials  and  Structures,   Vol. 29  (10): pp. 616‐619. 

Cheng,  F.,  Kodur, V.  and Wang,  T.  (2004).  Stress‐strain  curves  for high  strength  concrete  at  elevated temperatures. Journal of Materials in Civil Engineering,  Vol. 16 (1): pp. 84‐90. 

Chindaprasirt,  P.,  Jaturapitakkul,  C.  and  Sinsiri,  T.  (2005).  Effect  of  fly  ash  fineness  on  compressive strength and pore size of blended cement paste. Cement and Concrete Composites,  Vol. 27 (4): pp. 425‐428. 

Consolazio, G.R., McVay, M. and Rish  III J.W. (1998). Measurement and prediction of pore pressures  in saturated cement mortar  subjected  to  radiant heating. ACI Materials  Journal,   Vol. 95  (5): pp. 525‐536. 

Därr, G.M. and Ludwig, U. (1973). Determination of permeable porosity. Matériaux et Construction,  Vol. 6 (3): pp. 185‐190. 

Dehn, F. (2004). Temperature behaviour of ultra high‐performance concrete (UHPC) ‐ a micro analytical reflect. First International Symposium on Ultra High Performance Concrete. Kassel, Germany. pp. 731 ‐ 742. 

Deschner,  F.,  Winnefeld,  F.,  Lothenbach,  B.,  Seufert,  S.,  Schwesig,  P.,  Dittrich,  S.,  Goetz,  N.F.  and Neubauer,  J.  (2012). Hydration of Portland cement with high  replacement by  siliceous  fly ash. Cement and Concrete Research,  Vol. 42 (10): pp. 1389‐1400. 

Page 177: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  159 

 

Dewar, J. (2002). Computer modelling of concrete mixtures. Taylor & Francis. 

Diamond, S.  (2000). Mercury porosimetry: an  inappropriate method  for  the measurement of pore size distributions in cement‐based materials. Cement and Concrete Research,  Vol. 30 (10): pp. 1517‐1525. 

Dias, W.P.S., Khoury, G.A. and Sullivan, P.J.E.  (1990). Mechanical properties of hardened cement paste exposed to temperature up to 700 °C (1292 F). ACI Materials Journal,  Vol. 87 (2): pp. 160‐166. 

Dinku, A.  (1996). Gas permeability as a means  to assess  the performance properties of concrete. PhD Thesis, Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart. 

Droll, K. (2004). Influence of additions on ultra high performance concretes ‐ grain size optimization. First International Symposium on Ultra High Performance Concrete. Kassel, Germany. pp. 285‐301. 

England,  G.L.  and  Khoylou,  N.  (1995).  Moisture  flow  in  concrete  under  steady  state  non‐uniform temperature states: experimental observations and  theoretical modelling. Nuclear Engineering and Design,  Vol. 156 (1–2): pp. 83‐107. 

Erdem, S., Dawson, A.R. and Thom, N.H. (2012). Influence of the micro‐ and nanoscale local mechanical properties of the interfacial transition zone on impact behavior of concrete made with different aggregates. Cement and Concrete Research,  Vol. 42 (2): pp. 447‐458. 

Farage, M.C.R., Sercombe, J. and Gallé, C. (2003). Rehydration and microstructure of cement paste after heating at  temperatures up  to 300  °C. Cement and Concrete Research,   Vol. 33  (7): pp. 1047‐1056. 

Fennis‐Huijben,  S.A.A.M.  (2010).  Design  of  ecological  concrete  by  particle  packing  optimization.  PhD Thesis, Technische Universiteit Delft. 

Fujii,  K.,  Kondo, W.  (1983).  Estimation  of  thermochemical  data  for  calcium  silicate  yydrate  (C‐S‐H). Journal of the American Ceramic Society,  Vol. 66 (12): pp. 220‐221. 

Fuller, W.B. and Thompson, S.E. (1907). The laws of proportioning concrete. ASCE J. Transport,  Vol. 59: pp. 67‐143. 

Furnas, C.C.  (1931). Grading aggregates: mathematical relations for beds of broken solids of maximum density. Industrial & Engineering Chemistry,  Vol. 23 (9): pp. 1052‐1058. 

Gallé,  C.  and  Sercombe,  J.  (2001).  Permeability  and  pore  structure  evolution  of  silicocalcareous  and hematite  high‐strength  concretes  submitted  to  high  temperatures. Materials  and  Structures,  Vol. 34 (10): pp. 619‐628. 

Garbev,  K.  (2004).  Struktur,  Eigenschaften  und  quantitative  Rietveldanalyse  von  hydrothermal kristallisierten Calciumsilikathydraten (C‐S‐H‐Phasen). PhD Thesis, Forschungszentrum Karlsruhe. 

GCEP (2006). An assessment of solar energy conversion technologies and research opportunities. Global Climate & Energy Project, Stanford University. 

Ghosh, S. and Nasser, K. (1996). Effects of high temperature and pressure on strength and elasticity of lignite fly ash and silica fume concrete. ACI Materials Journal,  Vol. 93 (1): pp. 41‐50. 

Page 178: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  160 

 

Glasser, F.P. and Hong, S.Y. (2003). Thermal treatment of C‐S‐H gel at 1 bar H2O pressure up to 200 °C. Cement and Concrete Research,  Vol. 33 (2): pp. 271‐279. 

Gluth, G.J.  (2011). Die Porenstuktur von Zementstein und seine Eignung  zur Gastrennung. PhD Thesis, Technische Universität Berlin. 

Goltermann,  P.,  Johansen,  V.  and  Palbol,  L.  (1997).  Packing  of  aggregates:  an  alternative  tool  to determine the optimal aggregate mix. ACI Materials Journal,  Vol. 94 (5): pp. 435‐443. 

Granger,  L.,  Fleury,  F.  and Touret,  J.P.  (2001). Mechanical  and  leakrate predictions  for nuclear power plant containments  in accidental conditions. Nuclear Engineering and Design,   Vol. 203  (1): pp. 39‐55. 

Grutzeck, M.W.,  Shi,  D.,  Liu,  G.  and  Kwan,  S.  (1993).  Computer  simulation  of  interfacial  packing  in concrete. Journal of Materials Science,  Vol. 28 (13): pp. 3444‐3450. 

Güneyisi,  E.  and Gesoğlu, M.  (2008). A  study  on  durability  properties  of  high‐performance  concretes incorporating high replacement levels of slag. Materials and Structures,  Vol. 41 (3): pp. 479‐493. 

Hackley, V.A., Lum, L.S., Gintautas, V. and Ferraris C.F.  (2004). Particle size analysis by  laser diffraction spectrometry: application to cementitious powders. U.S. Department of Commerce, NISTIR 7097, National Institute of Standards and Technology (NIST). 

Hainz, D., Dehn, F. and Urbonas, L. (2004). Fire resistance of ultra high performance concrete (UHPC)  ‐ testing of  laboratory samples and columns under  load. First  International Symposium on Ultra High Performance Concrete. Kassel, Germany. pp. 703‐715. 

Hales, T. C. (2005). A proof of the Kepler conjecture. Annals of Mathematics,  Vol. 162 (3): pp. 1065‐1185. 

Hamami, A. A., Turcry, P. and Mokhtar, A. (2012). Influence of mix proportions on microstructure and gas permeability of  cement pastes  and mortars. Cement  and Concrete Research,   Vol. 42  (2): pp. 490‐498. 

He,  H.  (2010).  Computational  modelling  of  particle  packing  in  concrete,  PhD  Thesis,  Technische Universiteit Delft. 

Hewlett, P. (2003). Lea's chemistry of cement and concrete. Elsevier Science. 

High‐Combi  (2008).  High  solar  fraction  heating  and  cooling  systems  with  combination  of  innovative components  and  methods.  EU  Project  High‐Combi,  Workpackage  WP2.2,  Delivery  D6, www.highcombi.eu. 

Hillemeier, B. and Hilsdorf, H.K. (1977). Fracture mechanics studies on concrete compounds. Cement and Concrete Research,  Vol. 7 (5): pp. 523‐535. 

Hilsdorf, H.K., and Kropp, J. (1995). Performance criteria for concrete durability. Taylor & Francis. 

Hilsdorf, H.K., Kropp, J. and Seeberger, J. (1986). Chemical and physical properties of cement paste and concrete containing fly ash after hydrothermal exposure. ACI Materials Journal,  Vol. 91 (Special Publication): pp. 201‐218. 

Page 179: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  161 

 

Hong, S.Y. and Glasser, F.P. (2004). Phase relations  in the CaO–SiO2–H2O system to 200 °C at saturated steam pressure. Cement and Concrete Research,  Vol. 34 (9): pp. 1529‐1534. 

Hunger, M.  (2010).  An  integral  design  concept  for  ecological  self‐compacting  concrete.  PhD  Thesis, Eindhoven University of Technology. 

Hüsken,  G.  and  Brouwers,  H.J.H.  (2008).  A  new  mix  design  concept  for  earth‐moist  concrete:  a theoretical  and  experimental  study.  Cement  and  Concrete  Research,    Vol.  38  (10):  pp.  1246‐1259. 

Hüsken, G. and Brouwers, H.J.H. (2012). On the early‐age behavior of zero‐slump concrete. Cement and Concrete Research,  Vol. 42 (3): pp. 501‐510. 

Hüttl,  R.  and  Hillemeier,  B.  (2000).  Hochleistungsbeton‐Beispiel  Säureresistenz.  Betonwerk  und Fertigteiltechnik,  Vol. 66 (1): pp. 52‐60. 

IEA (2010). Technology roadmaps: concentrating solar power. International Energy Agency. 

IEA (2012). CO2 emissions from fuel combustion. International Energy Agency. 

IEA (2012). Key world energy statistics. International Energy Agency. 

IEA (2012). Solar heating and cooling. International Energy Agency. 

IRENA (2012). Renewable energy technologies: cost analysis series: concentrating solar power, Volume 1: Power Sector, Issue: 2/5, International Renewable Energy Agency. 

Jing, Z.,  Jin, F., Hashida, T., Yamasaki, N. and  Ishida, E.  (2008).  Influence of  tobermorite  formation on mechanical  properties  of  hydrothermally  solidified  blast  furnace  slag.  Journal  of  Materials Science,  Vol. 43 (7): pp. 2356‐2361. 

Jones,  M.R.  Zheng,  L.  and  Newlands,  M.D.  (2002).  Comparison  of  particle  packing  models  for proportioning concrete constitutents for minimum voids ratio. Materials and Structures,  Vol. 35 (5): pp. 301‐309. 

Jooß,  M.  (2001).  Dichtheit  von  Heißwasser‐Langzeitspeichern  aus  Hochleistungsbeton.  PhD  Thesis, Universität Stuttgart. 

Jooß, M. and Reinhardt, H.W. (2002). Permeability and diffusivity of concrete as function of temperature. Cement and Concrete Research,  Vol. 32 (9): pp. 1497‐1504. 

Jupe, A.C., Wilkinson, A.P., Luke, K. and Funkhouser, G.P. (2008). Class H cement hydration at 180 °C and high pressure  in the presence of added silica. Cement and Concrete Research,   Vol. 38  (5): pp. 660‐666. 

Kadri, E.  and Duval, R.  (2009). Hydration heat  kinetics of  concrete with  silica  fume. Construction  and Building Materials,  Vol. 23 (11): pp. 3388‐3392. 

Kalousek, G.L. (1957). Crystal chemistry of hydrous calcium silicates: I‐ substitution of aluminum in lattice of tobermorite. Journal of the American Ceramic Society,  Vol. 40 (3): pp. 74‐80. 

Page 180: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  162 

 

Khan, M.S. and Prasad, J. (2010). Fly ash concrete subjected to thermal cyclic loads. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures,  Vol. 33 (5): pp. 276‐283. 

Khoury, G.A. (2000). Effect of fire on concrete and concrete structures. Progress in Structural Engineering and Materials,  Vol. 2 (4): pp. 429‐447. 

Kikuma, J., Tsunashima, M., Ishikawa, T., Matsuno, S., Ogawa, A., Matsui, K. and Sato, M. (2011). Effects of quartz particle size and water‐to‐solid ratio on hydrothermal synthesis of tobermorite studied by in‐situ time‐resolved X‐ray diffraction. Journal of Solid State Chemistry,  Vol. 184 (8): pp. 2066‐2074. 

Kodur,  V.K.R.  (1999).  Fire  performance  of  high‐strength  concrete  structural  members.  Construction Technology Update, NRCC,  Vol. 31. 

Kolani, B., Buffo‐Lacarrière, L., Sellier, A., Escadeillas, G., Boutillon, L. and Linger, L. (2012). Hydration of slag‐blended cements. Cement and Concrete Composites,  Vol. 34 (9): pp. 1009‐1018. 

Krus, M., Hansen, K.K. and Künzel, H.M. (1997). Porosity and liquid absorption of cement paste. Materials and Structures,  Vol. 30 (7): pp. 394‐398. 

Kyritsis, K., Hall, C., Bentz, D.P., Meller, N. and Wilson, M.A.  (2009). Relationship between engineering properties, mineralogy,  and microstructure  in  cement‐based  hydroceramic materials  cured  at 200 °–350 °C. Journal of the American Ceramic Society,  Vol. 92 (3): pp. 694‐701. 

Laing,  D.  (2008).  Solar  thermal  energy  storage  technologies.  Energy  Forum,  10000  Solar  Gigawatts. Hannover, Germany. 

Lamond,  J.F.  and  Pielert,  J.H.  (2006).  Significance  of  tests  and  properties  of  concrete  and  concrete‐making materials, Issue 169, Part 4. Astm International. 

Langan, B.W., Weng, K. and Ward, M.A. (2002). Effect of silica fume and fly ash on heat of hydration of Portland cement. Cement and Concrete Research,  Vol. 32 (7): pp. 1045‐1051. 

Lange, F., Mörtel, H. and Rudert, V. (1997). Dense packing of cement pastes and resulting consequences on mortar properties. Cement and Concrete Research,  Vol. 27 (10): pp. 1481‐1488. 

Larrard, F.de (1999). Concrete mixture proportioning: a scientific approach. Taylor & Francis. 

Lawson, J.R., Phan, L.T. and Davis, F. (2000). Mechanical properties of high performance concrete after exposure  to  elevated  temperatures.  U.S  Department  of  Commerce.  NISTIR  6475,  National Institute of Standards and Technology (NIST). 

Lee,  K.K.  (2008).  Evaluation  of  concrete  behavior  under  high  temperature.  PhD  Thesis, University  of Colorado at Boulder. 

Lees,  G.  (1967).  The  design  of  aggregate  to  minimum  and  controlled  porosity  ‐  study  of  packing charactersitics and void charachteristics in aggregates, PhD Thesis, University of Birmingham. 

Lehmann,  C.,  Fontana,  P.  and  Müller;  U.  (2009).  Evolution  of  phases  and  micro  structure  in hydrothermally cured ultra high performance concrete  (UHPC). Third  International Symposium on Nanotechnology in Construction (NICOM3). Prage, Czech Republic. pp. 287‐293. 

Page 181: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  163 

 

Li, X.J.,  Li,  Z.J., Onofrei, M., Ballivy, G.  and Khayat, K.H.  (1999). Microstructural  characteristics of HPC under different thermo ‐ mechanical and thermo‐hydraulic conditions. Materials and Structures,  Vol. 32 (10): pp. 727‐733. 

Libby,  C.  and  Key,  T.  (2009).  Program  on  technology  innovation:  evaluation  of  concentrating  thermal energy storage systems, Electric Power Research Institute, USA. 

Liwu, M. and Min, D. (2006). Thermal behavior of cement matrix with high‐volume mineral admixtures at early hydration age. Cement and Concrete Research,  Vol. 36 (10): pp. 1992‐1998. 

Lothenbach, B., Scrivener, K. and Hooton, R.D.  (2011). Supplementary cementitious materials. Cement and Concrete Research,  Vol. 41 (12): pp. 1244‐1256. 

Luke, K.  (2004). Phase studies of pozzolanic stabilized calcium silicate hydrates at 180  °C. Cement and Concrete Research,  Vol. 34 (9): pp. 1725‐1732. 

Maibaum, C., Herten and Hüttl R. (2004). Neuer Zusatzstoff für Hochleistungsbetone. Beton,  Vol. 54 (3): pp. 132‐133. 

Mangold, D. (2007). Seasonal storage ‐ a German success story. Sun&Wind Energy,  1/2007: 48‐58. 

Marchuk, V. (2004). Dispersibility of the silica fume slurry in cement paste and mortar. Betontechnische Berichte, Concrete Technology Reports 2001‐2003, Verlag Bau + Technik, Düsseldorf, Germany: pp. 125‐132. 

Matsui, K., Kikuma, J., Tsunashima, M.,  Ishikawa, T. Matsuno, S., Ogawa, A. and Sato, M. (2011).  In situ time‐resolved  X‐ray  diffraction  of  tobermorite  formation  in  autoclaved  aerated  concrete: Influence of silica source reactivity and Al addition. Cement and Concrete Research,  Vol. 41 (5): pp. 510‐519. 

McGeary,  R.K.  (1961).  Mechanical  packing  of  spherical  particles.  Journal  of  the  American  Ceramic Society,  Vol. 44 (10): pp. 513‐522. 

Medrano, M., Gil, A., Martorell, I., Lázaro, A., Dolado, P., Zalba, B. and Cabeza, L.F. (2010). State of the art on  high‐temperature  thermal  energy  storage  for  power  generation.  Part  2  ‐  Case  studies. Renewable and Sustainable Energy Reviews,  Vol. 14 (1): pp. 56‐72. 

Medrano, M., Martorell,  I., Lázaro, A., Dolado, P., Zalba, B. and Cabeza, L.F. (2010). State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation. Part 1 ‐ Concepts, materials and modellization. Renewable and Sustainable Energy Reviews,  Vol. 14 (1): pp. 31‐55. 

Meducin,  F.,  Zanni, H., Noik,  C., Hamel, G.  and  Bresson,  B.  (2008).  Tricalcium  silicate  (C3S)  hydration under high pressure at ambient and high temperature (200 °C). Cement and Concrete Research,  Vol. 38 (3): pp. 320‐324. 

Mehta,  P.K.  (2004).  High  performance  concrete,  high  volume  fly  ash  concrete  for  sustainable development.  International  Workshop  on  Sustainable  Development  &  Concrete  Technology Beijing, China. pp. 3‐14. 

Page 182: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  164 

 

Mehta, P.K. and Monteiro, P.J.M. (2006). Concrete: microstructure, properties and materials. McGraw‐Hill. 

Meller, N. Hall, C. and Phipps, J.S. (2005). A new phase diagram for the CaO‐Al2O3‐SiO2‐H2O hydroceramic system at 200 °C. Materials Research Bulletin,  Vol. 40 (5): pp. 715‐723. 

Meller, N., Hall,  C.,  Kyritsis,  K.  and Giriat, G.  (2007).  Synthesis  of  cement  based CaO–Al2O3–SiO2–H2O (CASH) hydroceramics at 200 and 250 °C: Ex‐situ and  in‐situ diffraction. Cement and Concrete Research,  Vol. 37 (6): pp. 823‐833. 

Meller,  N.  Kyritsis,  K.  and  Hall,  C.  (2009).  The  mineralogy  of  the  CaO–Al2O3–SiO2–H2O  (CASH) hydroceramic system from 200 to 350 °C. Cement and Concrete Research,  Vol. 39 (1): pp. 45‐53. 

Merzouki,  T.,  Bouasker, M.,    Khalifa,  N.  and Mounanga,  P.  (2013).  Contribution  to  the modeling  of hydration and chemical shrinkage of slag‐blended cement at early age. Construction and Building Materials,  Vol. 44: pp. 368‐380. 

Mindeguia,  J.C., Pimienta, P., Noumowé, A. and Kanema, M.  (2010). Temperature, pore pressure  and mass  variation  of  concrete  subjected  to  high  temperature  ‐  experimental  and  numerical discussion on spalling risk. Cement and Concrete Research,  Vol. 40 (3): pp. 477‐487. 

Mindess, S., Young, J.F. and Darwin, D. (2003). Concrete Prentice Hall PTR. 

Moosberg, B.H., Lagerblad, B. and Forssberg, E. (2004). The function of fillers in concrete. Materials and Structures,  Vol. 37 (2): pp. 74‐81. 

Müller, U., Kühne, H.C., Meng, B., Nemecek,  J.  and  Fontana P.  (2008). Micro  texture  and mechanical properties  of  heat  treated  and  autoclaved  ultra  high  performance  concrete  (UHPC).  Second International Symposium on Ultr High Performance Concrete. Kassel, Germany. pp. 213‐220. 

Naus, D.J. (2006). The effect of elevated temperature on concrete materials and structures: a literature review. Oak Ridge National Laboratory, U.S. Nuclear Regulatory Commission. Office of Nuclear Regulatory Research. Division of Engineering Technology. 

Nehdi, M.  (1998). Microfiller  Effect  on  rheology, microstructure,  and mechanical  properties  of  high‐performance concrete. PhD Thesis, University of British Columbia. 

Nelson, E.B. (1990). Well Cementing. Elsevier Science. 

Neville, A.M. (2004). Properties of concrete. John Wiley & Sons. 

Neville, A.M. (2008). Concrete Technology. Pearson Education. 

Newlands, M.D. (2001). Development of a simulated natural carbonation test and durability of selected CEM II concrete. PhD Thesis, University of Dundee. 

Nischer,  P.  and Macht,  J.  (2007).  Powder  optimization  to  improve  the  quality  of  hardened  concrete. Betonwerk + Fertigteiltechnik,  Vol. 73 (3): pp. 22‐33. 

Page 183: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  165 

 

Noumowe,  N.A.  and  Debicki,  G.  (2002).  Effect  of  elvated  temperature  from  200  to  600  °C  on  the permeability of high performance concrete. 6th  International Symposium on Utilization of high strength/high performance concrete. Leipzig, Germany. pp. 431‐444. 

Novo, A.V., Bayon, J.R., Castro F.D. and Rodriguez H.J. (2010). Review of seasonal heat storage  in  large basins: water tanks and gravel‐water pits. Applied Energy,  Vol. 87 (2): pp. 390‐397. 

Paksoy, H.Ö.  (2007). Thermal energy  storage  for  sustainable energy  consumption:  fundamentals,  case studies and design. Springer. 

Peng, Y., Hu,  S.  and Ding, Q.  (2009). Dense packing properties of mineral  admixtures  in  cementitious material. Particuology,  Vol. 7 (5): pp. 399‐402. 

Phan, L.T. and Carino, N.J. (2002). Effect of test conditions and mixtures proportions on behaviour of high strength concrete exposed to high temperatures. ACI Materials Journal,  Vol. 99 (1): pp. 54‐56. 

Phan,  L.T.,  Lawson,  J.R.  and Davis,  F.L.  (2001).  Effects  of  elevated  temperature  exposure  on  heating characteristics,  spalling,  and  residual  properties  of  high  performance  concrete. Materials  and Structures,  Vol. 34 (2): pp. 83‐91. 

Phan, T.L. (2002). High strength concrete at high temperature: an overview. 6th International Symposium on Utilization of high strength/high performance concrete, Leipzig, Germany. pp. 501‐518. 

Philibert, C. (2011). Solar energy perspectives. OECD/International Energy Density. 

Piasta, J., Sawicz, Z. and Rudzinski, L. (1984). Changes in the structure of hardened cement paste due to high temperature. Matériaux et Construction,  Vol. 17 (4): pp. 291‐296. 

Poon,  C.S.,  Azhar,  S.,  Anson, M.  and Wong,  Y.L.  (2001).  Comparison  of  the  strength  and  durability performance  of  normal‐  and  high‐strength  pozzolanic  concretes  at  elevated  temperatures. Cement and Concrete Research,  Vol. 31 (9): pp. 1291‐1300. 

Popovics, S. (2011). Another look at the relationship between strength and composition of concrete. ACI Materials Journal,  Vol. 108 (2): pp. 115‐119. 

Powers, T.C. (1968). The properties of fresh concrete. New Yourk, Wiley. 

Puntke,  W.  (1990).  Grundlagen  für  die  Matrixoptimierung  und  Ausführung  in  der  Praxis, Matrixoptimerung mikroskopisches Analysieren von Beton. Technische Akademie Esslingen, TAE Lehrgange Nr. 12889/81.035. 

Puntke, W. (2002). Wasseranspruch von feinen Kornhauf‐werkrn. Beton,  Vol. 52 (5): pp. 242‐248. 

Quiroga,  P.N.  (2003).  The  effect of  aggregate  characteristics on  the performance of portland  cement concrete. PhD Thesis, The University of Texas at Austin. 

Rached, M., Michael  D.M.  and  Fowler,  D.W.  (2009).  Utilizing  aggregates  characteristics  to minimize cement  content  in  Portland  cement  concrete,  Report  no.  ICAR  401,  International  Center  for Aggregates Research (ICAR), The University of Texas at Austin, Construction Materials Research Group. 

Page 184: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  166 

 

Ramachandran, V.S. (1996). Concrete admixtures handbook; properties, science and technology. Elsevier Science. 

Ramachandran,  V.S.  (2003).  Handbook  of  thermal  analysis  of  construction  materials.  Noyes Publications/William Andrews Publishing. 

Ramachandran, V.S. and Beaudoin, J.J. (2001). Handbook of analytical techniques in concrete science and technology: principles, techniques and applications. Noyes Publications. 

Rashad, A.M., Bai, Y., Basheer, P.A.M., Collier, N.C. and Milestone, N.B. (2012). Chemical and mechanical stability of sodium sulfate activated slag after exposure  to elevated  temperature. Cement and Concrete Research,  Vol. 42 (2): pp. 333‐343. 

Reschke, T., Siebel, E. and Thielen, G. (2000). Influence of the granulometry and reactivity of cement and additions  on  the  development  of  the  strength  and  microstructure  of  mortar  and  concrete. Concrete  Technology  Reports  1998‐200, German  Cement Works  Association Düsseldorf:  Verl. Bau Technik 2004: pp. 25‐38. 

Richardson, D.N.  (2005). Aggregate gradation optimization:  literature search,  report No. RDT 05  ‐ 001, Missouri Department of Transportation, Research, Development and Technology, University of Missouri. 

Schmidt,  T.  and  Mangold,  D.  (2006).  New  steps  in  seasonal  thermal  energy  storage  in  Germany. Proceedings of Ecostock 2006, The Tength International Conference on Thermal Energy Storage. Pomona, USA. 

Schmidt, T., Mangold, D. and Müller, S.H.  (2004). Central solar heating plants with seasonal storage  in Germany. Solar Energy,  Vol. 76 (1–3): pp. 165‐174. 

Seleem, H., Rashad, A.M. and Elsokary, T. (2011). Effect of elevated temperature on physico‐mechanical properties of blended  cement  concrete. Construction  and Building Materials,   Vol. 25  (2): pp. 1009‐1017. 

Shaw,  S.,  Clark,  S.M.  and  Henderson,  C.M.B.  (2000).  Hydrothermal  formation  of  the  calcium  silicate hydrates,  tobermorite  (Ca5Si6O16(OH)2∙4H2O)  and  xonotlite  (Ca6Si6O17(OH)2):  an  in  situ synchrotron study. Chemical Geology,  Vol. 167 (1–2): pp. 129‐140. 

Shekarchi, M., Debicki, G., Billard, Y. and Coudert, L. (2003). Heat and mass transfer of high performance concrete for reactor containment under severe accident conditions. Fire Technology,  Vol. 39 (1): pp. 63‐71. 

Shekarchi,  M.,  Debicki,  G.,  Granger,  L.  and  Billard,  Y.  (2002).  Study  of  leaktightness  integrity  of containment wall without  liner  in  high performance  concrete under  accidental  conditions  ‐  I. Experimentation. Nuclear Engineering and Design,  Vol. 213 (1): pp. 1‐9. 

Shilstone, J.Sr. (1990). Concrete mixture optimization. Concrete International,  Vol. 12 ( 6): pp. 33‐39. 

Siauciunas,  R.  and  Baltakys,  K.  (2004).  Formation  of  gyrolite  during  hydrothermal  synthesis  in  the mixtures of CaO and amorphous SiO2 or quartz. Cement and Concrete Research,  Vol. 34 (11): pp. 2029‐2036. 

Page 185: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  167 

 

Siddique, R. and Khan, M.I. (2011). Supplementary cementing materials. Springer  

Sinsiri, T., Chindaprasirt, P. and Jaturapitakkul, C. (2010). Influence of fly ash fineness and shape on the porosity  and  permeability  of  blended  cement  pastes.  International  Journal  of  Minerals, Metallurgy, and Materials,  Vol. 17 (6): pp. 683‐690. 

Sioulas, B. and Sanjayan,  J.G.  (2000). Hydration  temperatures  in  large high‐strength concrete columns incorporating slag. Cement and Concrete Research,  Vol. 30 (11): pp. 1791‐1799. 

Sobolev, K. and Amirjanov, A.  (2004). The development of a simulation model of the dense packing of large particulate assemblies. Powder Technology,  Vol. 141 (1–2): pp. 155‐160. 

Solucar  (2006). 10 MW  solar  thermal power plant  for  southern  spain.  Final  technical progress  report, Project N°: NNE5‐1999‐356. 

Stanish,  K.D.,  Hooton,  R.D.  and  Thomas,  D.A.  (2000).  Testing  the  chloride  penetration  resistance  of concrete:  a  literature  review.  FHWA  contract DTFH61  1997. Department  of  Civil  Engineering, University of Toronto, Canada. 

Steinmann, W. and Eck, M. (2006). Buffer storage for direct steam generation. Solar Energy,  Vol. 80 (10): pp. 1277‐1282. 

Tamme, R. (2010). Optimised industrial process heat and power generation with thermal energy storage. Final report, IEA ECES Annex 19. 

Tamme, R., Bauer, T., Buschle, J., Laing, D., Müller, S.H. and Steinmann, W. (2008). Latent heat storage above 120 °C for applications  in the  industrial process heat sector and solar power generation. International Journal of Energy Research,  Vol. 32 (3): pp. 264‐271. 

Taylor,  H.F.W.  (1986).  Proposed  structure  for  calcium  silicate  hydrate  gel.  Journal  of  the  American Ceramic Society,  Vol. 69 (6): pp. 464‐467. 

Taylor, H.F.W. (1997). Cement chemistry. Thomas Telford. 

Teichmann,  T.  (2007).  Einfluss  der  Granulometrie  und  des  Wassergehaltes  auf  die  Festigkeit  und Gefügedichtigkeit von Zementstein. PhD Thesis, Kassel University. 

Teichmann, T. and   Schmidt, M.  (2004).  Influence of  the packing density of  fine particles on structure, strength  and  durability  of  UHPC.  First  International  Symposium  on  Ultra  High  Performance Concrete. Kassel, Germany. pp. 313‐323. 

Thomas, M.D.A., Hooton, R.D., Scott, A. and Zibara, H. (2012). The effect of supplementary cementitious materials on chloride binding  in hardened cement paste. Cement and Concrete Research,   Vol. 42 (1): pp. 1‐7. 

Torquato,  S.,  Truskett,  T.M.  and  Debenedetti,  P.G.  (2000).  Is  random  close  packing  of  spheres well defined ?. Physical Review Letters,  Vol. 84 (10): pp. 2064‐2067. 

Trieb,  F.  (2005).  Concentrating  solar  power  for  the  mediterranean  region.  MED‐CSP,  Final  Report. German Aerospace Center (DLR). 

Page 186: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  168 

 

Trieb,  F., Massimo M.,  Jürgen  S., Marie  L.T.,  Jürgen  K.,  Thomas  N.,Nicolas  C.  and  Pinhas  G.  (2009). Combined  solar  power  and  desalination  plants:  techno‐economic  potential  in mediterranean partner countries‐WP1: technology review and selection of CSP and desalination configurations adapted for application in the southern and eastern mediterranean region. MED‐CSD,  DLR Final Report  

Tsuji, M., Komarneni, S. and Malla, P.  (1991). Substituted  tobermorites:  27Al and  29Si MASNMR, cation exchange, and water sorption studies. Journal of the American Ceramic Society,  Vol. 74 (2): pp. 274‐279. 

Virgalitte,  S.J.,  Luther  M.D.,  et  al.  (1995).  Ground  granulated  blast  furnace  slag  as  a  cementitious constituents in concrete and mortar: ACI Report 233R‐95. ACI Materials Journal, 18 pp. 

Vogt, C. (2010). Ultrafine particles in concrete: influence of ultrafine particles on concrete properties and application to concrete mix design. PhD Thesis, Royal Institute of Technology, Sweden. 

Wang, X.Y. and Lee, H.S. (2010). Modeling the hydration of concrete incorporating fly ash or slag. Cement and Concrete Research,  Vol. 40 (7): pp. 984‐996. 

Weaire, D. and Aste, T. (2008). The pursuit of perfect packing. Taylor & Francis. 

Xi,  Y.,  Siemer,  D.D.  and  Scheetz,  B.E.  (1997).  Strength  development,  hydration  reaction  and  pore structure  of  autoclaved  slag  cement with  added  silica  fume.  Cement  and  Concrete Research,  Vol. 27 (1): pp. 75‐82. 

Xu,  Y., Wong,  Y.L.,  Poon,  C.S.  and  Anson, M.  (2001).  Impact  of  high  temperature  on  PFA  concrete. Cement and Concrete Research,  Vol. 31 (7): pp. 1065‐1073. 

Yang, C.C., Cho, S.W. and Huang, R. (2002). The relationship between charge passed and the chloride‐ion concentration  in  concrete  using  steady‐state  chloride  migration  test.  Cement  and  Concrete Research,  Vol. 32 (2): pp. 217‐222. 

Yu, N., Wang, R.Z. and Wang, L.W. (2013). Sorption thermal storage for solar energy. Progress in Energy and Combustion Science,  Articles in Press: pp. 1‐26. 

Zheng,  J.,  Johnson,  P.F.  and    Reed,  J.S.  (1990).  Improved  equation  of  the  continuous  particle  size distribution for dense packing. Journal of the American Ceramic Society,   Vol. 73 (5): pp. 1392‐1398. 

  

Standards 

DIN EN 197‐1:2011:  Zement  –  Teil  1:  Zusammensetzung,  Anforderungen  und 

Konformitätskriterien  von  Normalzement;  Deutsche  Fassung  EN  197‐

1:2011. 

DIN EN 450‐1:2012:  Flugasche  für  Beton  –  Teil  1:  Definition,  Anforderungen  und 

Konformitätskriterien; Deutsche Fassung EN 450‐1:2012. 

DIN EN 13263‐1:2009:  Silikastaub  für  Beton  –  Teil  1:  Definitionen,  Anforderungen  und 

Konformitätskriterien; Deutsche Fassung EN 13263‐1: 2005+A1:2009. 

Page 187: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  169 

 

DIN EN 12620:2013:  Gesteinskörnungen für Beton; Deutsche Fassung EN 12620:2013. 

DIN EN 934‐2:2012:  Zusatzmittel  für  Beton,  Mörtel  und  Einpressmörtel  –  Teil  2: 

Betonzusatzmittel  –  Definitionen;  Anforderungen,  Konformität, 

Kennzeichnung  und  Beschriftung;  Deutsche  Fassung  EN  934‐

2:2009+A1:2012. 

DIN EN 12390‐2:2009:  Prüfung  von  Festbeton  –  Teil  2:  Herstellung  und  Lagerung  von 

Probekörpern  für  Festigkeitsprüfungen;  Deutsche  Fassung  EN  12390‐

2:2009. 

DIN 1045‐2:2008:  Tragwerke  aus  Beton,  Stahlbeton  und  Spannbeton  –  Teil  2:  beton  – 

Festlegung,  Eigenschaften,  Herstellung  und  Konformität‐

Anwendungsregeln zu DIN EN 206‐1. 

DIN EN 12390‐1:2012:  Prüfung von Festbeton – Teil 1: Form, Maße und andere Anforderungen 

für Probekörper und Formen; Deutsche Fassung EN 12390‐1:2012. 

DIN EN 12350‐5:2009:  Prüfung  von  Frischbeton  –  Teil  5:  Ausbreitmaß;  Deutsche  Fassung  EN 

12350‐5:2009. 

DIN EN 12350‐7:2009:  Prüfung von Frischbeton – Teil 7: Luftgehalt – Druckverfahren; Deutsche 

Fassung EN 12350‐7:2009. 

DIN EN 12350‐6:2009:  Prüfung von Frischbeton – Teil 6: Frischbetonrohdichte; Deutsche Fassung 

EN 12350‐6:2009. 

DIN EN 12390‐3:2009:  Prüfung  von  Festbeton  –  Teil  3:  Druckfestigkeit  von  Probekörpern; 

Deutsche Fassung EN 12390‐3:2009. 

DIN 1048‐5:1991:  Prüfverfahren für Beton, Festbeton, gesondert hergestellte Probekörper. 

DIN EN 12390‐6:2010:  Prüfung  von  Festbeton  –  Teil  6:  Spaltzugfestigkeit  von  Probekörpern; 

Deutsche Fassung EN 12390‐6:2009. 

DIN EN 12390‐7:2009:  Prüfung von Festbeton – Teil 7: Dichte von Festbeton; Deutsche Fassung 

EN 12390‐7:2009. 

DIN EN 12504‐2:  Prüfung  von  Beton  in  Bauwerken  –  Teil  2:  Zerstörungsfreie  Prüfung  – 

Bestimmung der Rückprallzahl; Deutsche Fassung EN 12504‐2:2012. 

DIN EN 12390‐8:2009:  Prüfung  von  Festbeton  –  Teil  8:  Wassereindringtiefe  unter  Druck; 

Deutsche Fassung EN 12390‐8:2009. 

DIN EN ISO 15148:2002:  Bestimmung  des  Wasseraufnahmekoeffizienten  bei  teilweisem 

Eintauchen; Deutsche Fassung EN ISO 15148:2002 

DIN EN 206‐1:2001:  Beton – Teil 1:  Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität; 

Deutsche Fassung EN 206‐1:2000. 

TGL 21094‐12:1975:  Prüfung  des  erhärteten  Betons,  Bestimmung  der  spezifischen 

Gasdurchlässigkeit.  

Page 188: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

References  170 

 

Page 189: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  171 

 

 

11. Appendices

Composition of concrete mixes

Mix 

Cementitious materials composition (wt.%) 

SP (wt.%)

Aggregatekg/m3 

QP kg/m3 

QS kg/m3 

 w/b ratio  

Cement FA  M20  M10 SF 

Type  % 

1  CEM III/B  100          0.7  1854  46  84  0.42 

2  CEM III/B  70  30        1  1854  46  84  0.42 

3  CEM III/B  70    30      1  1854  46  84  0.42 

4  CEM III/B  70      30    1  1854  46  84  0.42 

5  CEM III/B  70    15  15    1  1854  46  84  0.42 

6  CEM III/B  70  20  5  5    0.9  1854  46  84  0.42 

7  CEM III/B  90        10  0.7  1854  46  84  0.42 

8  CEM III/B  65  25      10  1.1  1854  46  84  0.42 

9  CEM III/B  65    12.5  12.5 10  1  1854  46  84  0.42 

10  CEM III/B  65  15  5  5  10  1  1854  46  84  0.42 

11  CEM I 42.5 N  100          0.87  1854  46  84  0.42 

12  CEM I 42.5 N  70  20  5  5    1  1854  46  84  0.42 

13  CEM I 42.5 N  70    15  15    1.8  1854  46  84  0.42 

14  CEM I 42.5 N  65    12.5  12.5 10  2.2  1854  46  84  0.42 

15  CEM I 42.5 N  65  15  5  5  10  1.9  1854  46  84  0.42 

16  CEM I 42.5 N  90        10  1.2  1854  46  84  0.42 

17  CEM III/A  65    12.5  12.5 10  1.7  1854  46  84  0.42 

18  CEM I 32.5 R  100          0.87  1854  46  84  0.42 

19  CEM I 32.5 R  65    12.5  12.5 10  1.4  1854  46  84  0.42 

20  CEM III/B  67    12.5  12.5 8  1.8  1887  45  86  0.36 

21  CEM III/B  67    12.5  12.5 8  4  1947  48  88  0.27 

22  CEM III/B  70    15  15    3  1885  47  86  0.36 

23  CEM III/B  70    15  15    4  1947  48  88  0.27 

FA: fly ash M20: fine fly ash M10: fine fly ash SF: silica fume SP: superplasticizer 

 

Page 190: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendi

 

Append

several 

A‐1:  Co

cycle 

 

 

Compressive stren

gth (Mpa)

Compressive strength (Mpa)

ices 

dix A:  Mech

cycles 

ompressive 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Mix 1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Mix 1

hanical prop

strength of

Mix 2

1 Mix 12

0

20

40

60

80

100

120

Compressive stren

gth (MPa)

perties of co

f concrete m

Mix 3 Mix 4

Mix 13 M

Mix 20

 

oncrete at n

mixes at nor

4  Mix 5

Mix 14 Mix 1

Mix 21

normal cond

rmal condit

Mix 6 Mix 

15 Mix 16

Mix 22

ditions and 

tions and af

7 Mix 8

Mix 17

Mix 23

28 days

after 1 cycle

after autoc

fter autocla

 

Mix 9 Mix

28 

afte

Mix 18 Mix

28 day

after 1

e

172

claving for 

aving for 1 

 

x 10

days

er 1 cycle

x 19

ys

1 cycle

Page 191: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  173 

 

 

A‐2:  Compressive  strength  of  concrete  samples  at  normal  conditions  (0  cycles)  and  after 

autoclaving for several cycles up to 15  

     

     

     

 

  

      

50

55

60

65

70

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 1

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 2

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 3

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 4

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 5

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15

Compressive stren

gth 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 6

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 7

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 8

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive stren

gth 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 9

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15

Compressive stren

gth 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 10

Page 192: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  174 

 

 

      

       

 

              

      

       

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(MPa)

Number of autoclaving cycles

Mix 11

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 12

70

75

80

85

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 13

0

50

100

150

0 5 10 15Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 14

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15

Compressive stren

gth 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 15

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 16

70

80

90

100

110

120

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 17

60

70

80

90

100

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 18

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 19

70

80

90

100

110

120

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 20

Page 193: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  175 

 

 

      

  

A‐3:  Results  of  rebound  hammer  for  concrete mixes  at  normal  conditions  and  autoclaving  for several cycles   

     

     

     

70

80

90

100

110

120

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 21

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 22

70

80

90

100

110

120

0 5 10 15

Compressive strength 

(Mpa)

Number of autoclaving cycles

Mix 23

36

37

38

39

40

41

42

43

44

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 1

38

40

42

44

46

48

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 2

38

40

42

44

46

48

50

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 3

40

42

44

46

48

50

52

54

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 4

363840424446485052

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 5

38

40

42

44

46

48

50

52

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 6

Page 194: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  176 

 

 

    

      

      

      

 

     

 

38

40

42

44

46

48

50

52

0 5 10 15 20

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 7

38

40

42

44

46

48

50

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 8

42

44

46

48

50

52

54

0 5 10 15

rebound number

Number of autoclaving cycles

Mix 13

42

44

46

48

50

52

54

56

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 14

40

42

44

46

48

50

52

54

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 15

40

42

44

46

48

50

52

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 16

44

46

48

50

52

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 17

40

42

44

46

48

50

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 18

42

44

46

48

50

52

0 5 10 15

Reb

oumd number

Number of autoclaving cycles

Mix 19

40

42

44

46

48

50

52

54

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 20

Page 195: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  177 

 

 

     

     

A‐4: Splitting  tensile  strength at 91 days at normal  conditions and after autoclaving  for 

several cycles in MPa 

Mix  Normal  1 cycle  15 cycles 

1  3.4  3.2  2 

2  4.5  4.5  4.2 

3  4.6  4.6  ‐ 

4  5  5.1  ‐ 

5  5  4.8  4.5 

6  3.6  3.6  ‐ 

7  4.3  2.6  2.57 

8  4.4  3.1  ‐ 

9  4.8  3.7 3.5 

10  4.7  3.1  ‐ 

11  4.2  3  ‐ 

12  5.2  4.2  ‐ 

13  5.1  5.1  ‐ 

14  5.7  5.5  ‐ 

15  3.8  4.2  ‐ 

16  5.5  4.2  ‐ 

17  4.4  3.8  ‐ 

18  3.8  3.4  2.8 

19  4.7  5  5.3 

20  5.5  5.6  ‐ 

21  5.9  5.6  5.5 

22  5.7  5.7  ‐ 

23  5.9  5.7  5.9 

42

44

46

48

50

52

54

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 21

42

44

46

48

50

52

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 22

40

42

44

46

48

50

52

54

0 5 10 15

Reb

ound number

Number of autoclaving cycles

Mix 23

Page 196: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  178 

 

 

Appendix B: Results of concrete durability 

B1: Capillary suction of concrete mixes 

1‐ The increase in concrete mass with time due to capillary suction 

At normal conditions (mixes 1 – 10) 

      

 

 

After autoclaving for 15 cycles (mixes 1 – 10) 

       

 

 

 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 1 2 3 4 5

Increase in

 concrete mass (kg/m

2)

Square root of time (hours)

Mix 1 Mix 2

Mix 3 Mix 4

Mix 5 Mix 6

Mix 7 Mix 8

Mix 9 Mix 10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 1 2 3 4 5

Incraese in

 mass per unit area (kg/m

2)

Square root of time (hours)

Mix 1 Mix 2

Mix 3 Mix 4

Mix 5 Mix 6

Mix 7 Mix 8

Mix 9 Mix 10

Page 197: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  179 

 

 

At normal conditions (mixes 11 ‐ 23) 

 

 

 

 

After autoclaving for 15 cycles (mixes 11 – 23) 

 

 

 

 

 

 

0

0.5

1

1.5

2

0 1 2 3 4 5

Increase in concreate mass (kg/m

2)

Square root of time (hours)

Mix 11 Mix 12Mix 13 Mix 14Mix 15 Mix 16Mix 17 Mix 18Mix 19 Mix 20Mix 21 Mix 22Mix 23

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

0 1 2 3 4 5

Increase in m

ass per unit area (kg/m

2)

Square root of time (hours)

Mix 11 Mix 12Mix 13 Mix 14Mix 15 Mix 16Mix 17 Mix 18Mix 19 Mix 20Mix 21 Mix 22Mix 23

Page 198: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendi

 

2‐ Wat

15 cy

 

Absorption coefficien

t (kg/m

2hr0

.5)

Absorption coefficien

t (kg/m

2hr0

.5)

ices 

er absorptio

ycles at age 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Mix 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Mix 11

Absorption coefficient 

(kg/m

2hr0

.5)

on coefficien

of 91 days 

Mix 2

1 Mix 12

0

0.04

0.08

0.12

0.16

0.2

(kg/m

2hr0

.5)

nt of concre

Mix 3 Mix

Mix 13

Mix 20

 

ete mixes at 

 

x 4 Mix 5

Mix 14 Mix

Mix 21

normal con

Mix 6 M

x 15 Mix 16

Mix 22

ditions and 

Mix 7 Mix 

6 Mix 17

Mix 23

Norm

15 cy

after autoc

 

8 Mix 9

Normal

Mix 18

N

1

3

mal

cles

180

laving for 

 

 

Mix 10

15 cycles

Mix 19

Normal

15 cycles

Page 199: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendices  181 

 

 

 

Appendix  C:  Thermogravimetric  analysis  of  cement  pastes  at  normal  conditions  and  after 

autoclaving for 50 cycles at the age of 91 days 

 

 

 

 

 

                  

 

 

74767880828486889092949698

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (°C)

NormalAutoclaved

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (° c)

NormalAutoclaved

80828486889092949698100102

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (°C)

NormalAutoclaved

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (°C)

Normal

Autoclaved

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (° C)

Normal

Autoclaved

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (° C)

Normal

Autoclaved

767880828486889092949698100102

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (° C)

Normal

Autoclaved

70

75

80

85

90

95

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (°C)

NormalAutoclaved

84

86

88

90

92

94

96

98

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (°C)

Normal

Autoclaved

86

88

90

92

94

96

98

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

wgt %

Temperature (°C)

Normal

Autoclaved

CEM I  CEM III/B

Mix 1 Mix 2

Mix 5 

  Mix 18 

Mix 7

Mix 19

Mix 21  Mix 23

Page 200: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendi

 

 

Append

 

               

               

               

   

ices 

dix D: SEM fo

       Normal 

     Normal   

      Normal  

or cement p

                      

                      

                      

pastes at no

                     

                      

                      

 

ormal cond

Mix 5 

             Auto

   

Mix 11

              Auto

   

 

Mix 14

              Auto

   

itions and a

oclaved 

oclaved 

oclaved 

after autoclaving for 50

 

 

 

182

0 cycles 

Page 201: Hot water concrete tank to store solar generated …...Mohamed Attia Mohamed Abd Elrahman aus Ägypten von der Fakultät VI – Planen Bauen Umwelt der Technischen Universität Berlin

Appendi

 

Append

 

 

ices 

dix E: Rene LLCPC calculaations of th

 

e dry mixtuures porositty 

183