Application of fine-grained waste glass and metakaolin to limit alkaline corrosion in cement mortars

openaccess, Vol. 633 (5) 2025 / czwartek, 22 maja, 2025

Zastosowanie drobno mielonego szkła odpadowego i metakaolinu w celu ograniczenia korozji alkalicznej w zaprawach cementowych

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2025.05.01

citation/cytuj: Kotsay G., Młotkowska M. Application of fine-grained waste glass and metakaolin to limit alkaline corrosion in cement mortars. Materiały Budowlane. 2025. Volume 633. Issue 05. Pages 1-9. DOI: 10.15199/33.2025.05.01

The aim of the present study was to assess the feasibility of using fine-grained waste glass combined with metakaolin in cement mortars containing reactive dolomitic aggregate. The research encompassed an analysis of the activity of the glass and metakaolin additives, as well as cement pastes incorporating these additives in amounts of 10%, 20%, and 30%, alongside investigations into alkali corrosion and the microstructure of the mortars. The results indicate that partially replacing cement with waste glass increases alkali activity and the risk of corrosion, whereas introducing a combined additive (glass + metakaolin) significantly reduces the content of active alkali, limits mortar expansion. The data obtained confirm that metakaolin exerts a stabilizing effect by counteracting the adverse consequences of the high alkalinity of glass, thereby improving the durability and chemical stability of cementitious products. stated, employing this combined additive may provide a valuable solution in the production of cement-based materials.

W artykule zaprezentowano możliwości zastosowania drobno mielonego szkła odpadowego i metakaolinu w zaprawach cementowych zawierających reaktywne kruszywo dolomitowe. Badania obejmowały analizę aktywności dodatków (szkła i metakaolinu) oraz zaczynów cementowych z udziałem tych dodatków w ilości 10, 20 i 30%. Ponadto zbadano korozję alkaliczną oraz mikrostrukturę zapraw. Wyniki wskazują, że zastąpienie części cementu szkłem odpadowym powoduje zwiększenie aktywności alkalicznej i ryzyka korozji, natomiast wprowadzenie kompleksowego dodatku (szkło + metakaolin) redukuje znacznie zawartość aktywnych alkaliów i ogranicza ekspansję zapraw. Uzyskane dane potwierdzają, że metakaolin działa stabilizująco, neutralizując niekorzystne skutki dużej alkaliczności szkła, co przekłada się na zwiększenie trwałości i stabilności chemicznej wyrobów cementowych. W konsekwencji zastosowanie kompleksowego dodatku szkła i metakaolinu może stanowić wartościowe rozwiązanie w produkcji materiałów cementowych.
waste glass; metakaolin; cement; dolomite aggregate; alkaline activity; alkaline corrosion.

szkło odpadowe; metakaolin; cement; kruszywo dolomitowe; aktywność alkaliczna; korozja alkaliczna.
  1. PN-EN 197-5:2021-07 Cement – Część 5: Cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/C-M i Cement wieloskładnikowy CEM VI.
  2. PN-EN 197-6:2023 Cement. Część 6: Cement z materiałów budowlanych pochodzących z recyklingu.
  3.  https://www.feve.org/dostęp 01.04.2025.
  4.  Shayan A, Xu A. Performance of glass powder as a pozzolanic material in concrete: A field trial on concrete slabs. Cem. Concr. Res. 2006; doi: 10.1016/j. cemconres. 2005.12.012.
  5.  Jiang X, Xiao R, Bai Y, Huang B, Ma Y. Influence of waste glass powder as a supplementary cementitious material (SCM) on physical and mechanical properties of cement paste under high temperatures. J. Clean. Prod. 2022; DOIi: 10.1016/j. jclepro. 2022.130778.
  6.  Jochem LF, Casagrande CA, Onghero L, Venâncio C, Gleize PJP. Effect of partial replacement of the cement by glass waste on cementitious pastes. Constr. Build. Mater. 2021; DOI: 10.1016/j.conbuildmat. 2020.121704.
  7. Ismail ZZ, AL-Hashmi EA. Recycling of waste glass as a partial replacement for fine aggregate in concrete. Waste Manag. 2009; DOI: 10.1016/j.wasman. 2008.08.012.
  8.  Steyn ZC, Babafemi AJ, Fataar H, Combrinck R. Concrete containing waste recycled glass, plastic and rubber as sand replacement. Constr. Build. Mater. 2021; DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121242.
  9. Bahadur R, Kumar Parashar A. An investigation of waste glass powder with the substitution of sand on concrete mix. Mater. Today Proc. 2023, DOI: 10.1016/j.matpr. 2023.02.123.
  10. Szewczenko G, Kotsay W. Determination of glass waste allowable amount used as an additive to Portland cement. Czasopismo Wydziału Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury. 2015; vol. 62, no. 3/II, pp. 403–410.
  11. Szewczenko W, Kotsay G. Alkaline Activity of Portland Cement with Additives of Waste Glass. Materials (Basel). 2021; DOI: 10.3390/ma14061346.
  12. Shevchenko VV, Kotsai GN. Alkaline activity of glass powder used as additives to Portland cement. Part II. Glas. Phys. Chem. 2016; DOI: 10.1134/S1087659616030123.
  13.  Zdzisława O. Korozja wewnętrzna betonu. Kielce: Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, 2015.
  14. Glinicki MA. Inżynieria betonowych nawierzchni drogowych. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2023.
  15.  Kurdowski W. Chemia cementu i betonu. Kraków: Stowarzyszenie Producentów Cementu, 2010.
  16.  Leemann A, Lothenbach B. The influence of potassium–sodium ratio in cement on concrete expansion due to alkali-aggregate reaction. Cem. Concr. Res. 2008; DOI: 10.1016/j. cemconres. 2008.05.004.
  17.  Hemstad P et al. Alkali metal distribution in composite cement pastes and its relation to accelerated ASR tests. Cem. Concr. Res. 2023; DOI: 10.1016/j. cemconres. 2023.107283.
  18.  Siddique R, Klaus J. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete: A review. Appl. Clay Sci. 2009; DOI: 10.1016/j.clay.2008.11.007.
  19.  PN-92/B-06714/46 Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie potencjalnej reaktywności alkalicznej metodą szybką.
  20.  RILEM AAR-2. Detection of potential alkali-reactivity of aggregates – The ultra-accelerated mortar-bar test. RILEMAAR-2.
  21.  A. C1260, Standard Test Method for PotentialAlkali Reactivity ofAggregates.
  22.  Test Methods for Chemical Analysis of Hydraulic Cement. ASTM International, West Conshohocken, PA. 2011; DOI: 10.1520/C0114-11B.
dr inż. Galyna Kotsay, Politechnika Warszawska, Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii
ORCID: 0000-0003-3890-1157
mgr inż. Martyna Młotkowska, Politechnika Warszawska, Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii

dr inż. Galyna Kotsay, Politechnika Warszawska, Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii
ORCID: 0000-0003-3890-1157

Correspondence address: galyna.kotsay@pw.edu.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2025.05.01

Article in PDF file

Received:14.01.2025 / Artykuł wpłynął do redakcji: 14.01.2025 r.
Revised:17.02.2025 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 17.02.2025 r.
Published: 22.05.2025 / Opublikowano: 22.05.2025 r.