Mathematical model for the prediction of cement compressive strength at the ages of 7 and 28 days within 24 hours

Abstract

In this study 450 cement mortar cubes were cast from 50 different cement samples taken from 9 different cement factories, to develop a mathematical model that can predict Portland cement compressive strength at ages 7 and 28 days within 24 hours only. This is in order to save time and expense, that is lost in waiting for such a long period, and for quality control assurance for both produced cement (in cement factories), and concrete mixes in constructions.

In addition, attention has been made on the right choice of variables of the cement itself (phase composition and fineness). In addition, an attempt has been made to use other variables that are believed to affect compressive strength of Portland cement as the minor oxides MgO, SO₃ and soundness. Other variables obtained from chemical analysis of the cement as LOI, IR, and LSF were also included in the model.

The most important thing in this study is to get use of the concept of using early age strength to predict Portland cement strength at later ages for the first time. An attempt was made to combine both accelerated strength testing (as an early strength and UPV of cement mortar specimens), with the characteristics of the cement mentioned above, in predicting the compressive strength of cement. It was found that the accelerated strength yields good and high correlation with the compressive strength of cement, especially at the age of 28 days.

In this work too, the importance of the ultrasonic pulse velocity (UPV) and mortar density were evident and the usefulness of using these variables in predicting the compressive strength of the cement was proved (because of fixing most of the factors affecting this property). Thus, it is possible to have good results that can be used in the prediction of compressive strength of cement. It was found that using each of the accelerated compressive strength f_acc, UPV and density of the mortar cubes yielded high correlation with the compressive strength than any of the other variables. Different combinations of variables were introduced into the model, in order to choose the variables that can significantly predict the cement compressive strength.

In this work, it was possible to obtain a model that can predict the cement strength with standard errors of only 1.887 and 1.904 MPa and coefficients of correlation of 0.903 and 0.928, for cement strengths at 7 and 28 days respectively.

Résumé

Dans cette étude, 450 cubes de mortier de ciment ont été coulés à partir de 50 échantillons différents de ciment provenant de 9 cimenteries différentes, dans le but de développer un modèle mathématique capable de prévoir la résistance à la compression du ciment Portland à des âges de 7 et 28 jours, seulement en l’espace de 24 heures. Le but est de gagner du temps et de l’argent, à cause de la très longue période d’attente, et d’assurer un meilleur contrôle de qualité à la fois pour le ciment produit (dans les cimenteries), et pour les mélanges de bétons dans les constructions.

En outre, il faut faire attention à bien choisir les variables impliquées dans ce modèle, notamment les caractéristiques du ciment lui-même (composition de phase et finesse). On a également essayé d’utiliser d’autres variables qui sont censées affecter la résistance à la compression du ciment Portland comme les oxydes mineurs MgO, SO₃ et la solidité. D’autres variables obtenues de l’analyse chimique du ciment comme LOI, IR et LSF ont aussi été inclues dans le modèle.

La chose la plus importante dans cette recherche est de faire usage du concept de résistance au jeune âge pour prévoir la résistance du ciment Portland à des âges plus avancés pour la première fois. On a essayé de combiner les essais de caractérisation de la résistance accélérée (comme une résistance au jeune âge et la vitesse de l’impulsion ultrasonore des échantillons de mortiers de ciment), avec les caractéristiques du ciment mentionnées ci-dessus, afin de prévoir la résistance à la compression du ciment. Il s’est révélé que cette résistance accĺérée offrait une forte corrélation avec la résistance à la compression du ciment, surtout à l’âge de 28 jours.

Dans ce travail également, l’importance de la vitesse de l’impulsion ultrasonore et la densité du mortier étaient évidentes et l’utilité d’employer ces variables pour prévoir la résistance à la compression du ciment a été prouvée (pour déterminer la plupart des facteurs affectant cette propriété). Ainsi, il est possible d’obtenir de bons résultats qui peuvent être utilisés pour prévoir la résistance à la compression du ciment. Il a été trouvé que la résistance à la compression accélérée f_acc, la vitesse de l’impulsion ultrasonore et la densité des cubes de mortier offraient une plus forte corrélation avec la résistance à la compression que toute autre variable. Différentes combinaisons de variables ont été introduites dans le modèle, afin de choisir les variables pouvant prévoir de façon significative la résistance à la compression du ciment.

Il a été possible dans cette étude d’obtenir un modèle capable de prévoir la résistance à la compression du ciment avec des écarts-type de seulement 1,887 et 1,904 MPa et des coefficients de variation de 0,903 et 0,928, pour des résistances à 7 et 28 jours respectivement.