Design and Control of Concrete Mixtures (14th Edition)

360 Pages·2003·32.778 MB·English

by  Steven H Kosmatka, Beatrix Kerkhoff, William C Panarese

Design and Control
of Concrete
Mixtures
1 4 t h e d i t i o n
ENGINEERING BULLETIN 001
Design and Control of
Concrete Mixtures
FOURTEENTH EDITION
by Steven H. Kosmatka, Beatrix Kerkhoff, and William C. Panarese
5420 Old Orchard Road
Skokie, Illinois 60077-1083 USA
Voice: 847.966.6200
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Internet: www.cement.org
An organization of cement companies to improve and
extend the uses of portland cement and concrete through
market development, engineering, research, education,
and public affairs work.
KEYWORDS: admixtures, aggregates, air-entrained concrete, batching, cement, cold weather, curing, durability, fibers,
finishing, high-performance concrete, hot weather, mixing, mixing water, mixture proportioning, placing, portland cement
concrete, properties, special concrete, standards, supplementary cementing materials, tests, and volume changes.
ABSTRACT: This book presents the properties of concrete as needed in concrete construction, including strength and
durability. All concrete ingredients (cementing materials, water, aggregates, admixtures, and fibers) are reviewed for their
optimal use in designing and proportioning concrete mixtures. Applicable ASTM, AASHTO, and ACI standards are
referred to extensively. The use of concrete from design to batching, mixing, transporting, placing, consolidating, finishing,
and curing is addressed. Special concretes, including high-performance concretes, are also reviewed.
REFERENCE:Kosmatka, Steven H.; Kerkhoff, Beatrix; and Panarese, William C.; Design and Control of Concrete Mixtures,
EB001, 14th edition, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, USA, 2003.
The authors of this engineering bulletin are:
Steven H. Kosmatka, Managing Director, Research and Technical Services, PCA
Beatrix Kerkhoff, Civil Engineer, Product Standards and Technology, PCA
William C. Panarese, former Manager, Construction Information Services, PCA
Cover photos show ready mixed concrete being elevated by bucket and
crane to the 39th floor of a high-rise building in Chicago. (69991, 70015)
Fourteenth Edition Print History
First Printing 2002, Revised 2003
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SIONALPERSONNELwho are competent to evaluate the
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WARNING: Contact with wet (unhardened) concrete,
Kosmatka, Steven H.
mortar, cement, or cement mixtures can cause SKIN
Design and control of concrete mixtures / by Steven H.
IRRITATION, SEVERE CHEMICAL BURNS (THIRD-
Kosmatka, Beatrix Kerkhoff, and William C. Panarese.— DEGREE), or SERIOUS EYE DAMAGE. Frequent expo-
14th ed. sure may be associated with irritant and/or allergic con-
p. cm. tact dermatitis. Wear waterproof gloves, a long-sleeved
ISBN 0-89312-217-3(pbk. : alk. paper) shirt, full-length trousers, and proper eye protection when
1. Concrete. 2. Concrete—Additives. 3. Portland cement. working with these materials. If you have to stand in wet
I. Kerkhoff, Beatrix. II. Panarese, William C. III.Title. concrete, use waterproof boots that are high enough to
TA439 .K665 2002 keep concrete from flowing into them. Wash wet con-
666'.893—dc21 crete, mortar, cement, or cement mixtures from your skin
immediately. Flush eyes with clean water immediately
2001007603
after contact. Indirect contact through clothing can be as
serious as direct contact, so promptly rinse out wet con-
PCAR&D Serial Number SN2561
crete, mortar, cement, or cement mixtures from clothing.
Seek immediate medical attention if you have persistent
or severe discomfort.
Printed in the United States of America
EB001.14
ii
Table of Contents
Preface and Acknowledgements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix Type MH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Type LH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Chapter 1
Hydraulic Slag Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Fundamentals of Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Modified Portland Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Freshly Mixed Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Special Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Mixing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Masonry and Mortar Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Workability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Plastic Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Bleeding and Settlement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Finely-Ground Cements (Ultrafine Cements). . . . . . . . . 35
Consolidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Expansive Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Hydration, Setting Time, and Hardening . . . . . . . . . . . . . 4
Hardened Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Oil-Well Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Curing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Cements with Functional Additions . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Drying Rate of Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Water-Repellent Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Regulated-Set Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Geopolymer Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Permeability and Watertightness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Ettringite Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Abrasion Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Rapid Hardening Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Volume Stability and Crack Control. . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Calcium Aluminate Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Joints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Magnesium Phosphate Cements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Durability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Sulfur Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Resistance to Freezing and Thawing. . . . . . . . . . . . . . . . 12 Selecting and Specifying Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Alkali-Aggregate Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Availability of Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Carbonation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Drinking Water Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Chloride Resistance and Steel Corrosion. . . . . . . . . . . . . 14 Canadian and European Cement
Chemical Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Sulfate Attack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Chemical Compounds and Hydration
Seawater Exposures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 of Portland Cement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Ettringite and Heat Induced Tricalcium Silicate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Delayed Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Dicalcium Silicate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Heat Induced Delayed Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Tricalcium Aluminate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Tetracalcium Aluminoferrite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Calcium Sulfate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Chapter 2
Portland, Blended, and Other Hydraulic Cements. . . 21 Water (Evaporable and Nonevaporable). . . . . . . . . . . . . 42
Physical Properties of Cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
The Beginning of an Industry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Manufacture of Portland Cement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Particle Size and Fineness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Types of Portland Cement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Soundness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Type I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Consistency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Type II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Setting Time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Type III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Early Stiffening (False Set and Flash Set). . . . . . . . . . . . . 46
Type IV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Compressive Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Type V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Heat of Hydration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Air-Entraining Portland Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Loss on Ignition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
White Portland Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Density and Relative Density
Blended Hydraulic Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 (Specific Gravity). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Type IS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Bulk Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Type IPand Type P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Thermal Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Type I(PM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Thermogravimetric Analysis (TGA). . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Type S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Differential Thermal Analysis (DTA). . . . . . . . . . . . . . . . 51
Type I(SM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Differential Scanning Calorimetry (DSC) . . . . . . . . . . . . 51
Hydraulic Cements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Virtual Cement Testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Type GU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Transportation and Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Type HE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Storage of Cement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Type MS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Hot Cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Type HS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
iii
Contents, continued
Chapter 3 Chapter 5
Fly Ash, Slag, Silica Fume, and Aggregates for Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Natural Pozzolans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Characteristics of Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Fly Ash. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Grading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Slag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Fine-Aggregate Grading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Silica Fume. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Fineness Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Natural Pozzolans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Coarse-Aggregate Grading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Effects on Freshly Mixed Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Combined Aggregate Grading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Gap-Graded Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Water Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Particle Shape and Surface Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Workability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Bulk Density (Unit Weight) and Voids. . . . . . . . . . . . . . . 87
Bleeding and Segregation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Relative Density (Specific Gravity) . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Heat of Hydration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Absorption and Surface Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Setting Time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Bulking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Finishability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Resistance to Freezing and Thawing. . . . . . . . . . . . . . . . 89
Pumpability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Wetting and Drying Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Plastic Shrinkage Cracking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Abrasion and Skid Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Curing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Strength and Shrinkage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Effects on Hardened Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Resistance to Acid and Other
Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Corrosive Substances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Impact and Abrasion Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Fire Resistance and Thermal Properties. . . . . . . . . . . . . . 92
Freeze-Thaw Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Potentially Harmful Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Deicer-Scaling Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Alkali-Aggregate Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Drying Shrinkage and Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Alkali-Silica Reaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Permeability and Absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Visual Symptoms of Expansive ASR . . . . . . . . . . . . . . 93
Alkali-Aggregate Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Mechanism of ASR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Factors Affecting ASR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Sulfate Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Test Methods for Identifying ASRDistress. . . . . . . . . 94
Corrosion of Embedded Steel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Control of ASRin New Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Carbonation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Identification of Potentially
Chemical Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Reactive Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Soundness. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Materials and Methods to Control ASR. . . . . . . . . . . . 95
Concrete Color. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Alkali-Carbonate Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Concrete Mix Proportions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Mechanism of ACR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Availability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Dedolomitization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Test Methods for Identifying ACRDistress. . . . . . . . . 98
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Materials and Methods to Control ACR . . . . . . . . . . . 98
Aggregate Beneficiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Chapter 4
Mixing Water for Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Handling and Storing Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Marine-Dredged Aggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Alkali Carbonate and Bicarbonate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Recycled-Concrete Aggregate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Sulfate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Other Common Salts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Chapter 6
Iron Salts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Admixtures for Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Miscellaneous Inorganic Salts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Air-Entraining Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Water-Reducing Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Seawater. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Mid-Range Water Reducing Admixtures. . . . . . . . . . . . . . 109
Acid Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
High-Range Water Reducing Admixtures. . . . . . . . . . . . . 109
Alkaline Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Plasticizers for Flowing Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Wash Water. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Retarding Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Industrial Wastewater. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Hydration-Control Admixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Waters Carrying Sanitary Sewage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Accelerating Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Organic Impurities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Corrosion Inhibitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Sugar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Shrinkage-Reducing Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Silt or Suspended Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Chemical Admixtures to Reduce Alkali-
Oils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Aggregate Reactivity (ASR Inhibitors). . . . . . . . . . 115
Algae. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Coloring Admixtures (Pigments). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Interaction with Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Dampproofing Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Permeability-Reducing Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
iv
Contents, continued
Pumping Aids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Water-Cementing Materials Ratio
Bonding Admixtures and Bonding Agents . . . . . . . . . . . . 116 and Strength Relationship. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Grouting Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Gas-Forming Admixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Water-Cementitious Material Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Air Detrainers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Fungicidal, Germicidal, and Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Insecticidal Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Mild Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Antiwashout Admixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Moderate Exposure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Compatibility of Admixtures and Severe Exposure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Cementitious Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Storing and Dispensing Chemical Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Cementing Materials Content and Type . . . . . . . . . . . . 156
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Chapter 7 Proportioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Fibers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Proportioning from Field Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Advantages and Disadvantages Proportioning by Trial Mixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
of Using Fibers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Measurements and Calculations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Types and Properties of Fibers and Density (Unit Weight)and Yield. . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Their Effect on Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Absolute Volume. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Steel Fibers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Examples of Mixture Proportioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Glass Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Example 1. Absolute Volume Method
Synthetic Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 (Metric). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Natural Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Conditions and Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Unprocessed Natural Fibers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Wood Fibers (Processed Natural Fibers) . . . . . . . . . . 126 Water to Cement Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Multiple Fiber Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Chapter 8 Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Air-Entrained Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Cement Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Properties of Air-Entrained Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Coarse-Aggregate Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Freeze-Thaw Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Admixture Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Deicer-Scaling Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Fine-Aggregate Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Air Drying . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Moisture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Treatment of Scaled Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Trial Batch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Sulfate Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Batch Adjustments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Resistance to Alkali-Silica Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . 134 Example 2. Absolute Volume Method
(Inch-Pound Units) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Conditions and Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Workability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Air-Entraining Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Water to Cement Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Factors Affecting Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Coarse-Aggregate Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Cement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Coarse Aggregate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Fine Aggregate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Mixing Water and Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Cement Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Slump and Vibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Coarse-Aggregate Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Concrete Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Admixture Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Supplementary Cementitious Materials . . . . . . . . . . . . 142
Fine-Aggregate Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Admixtures and Coloring Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Moisture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Mixing Action. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Trial Batch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Transporting and Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Batch Adjustments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Finishing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Water Reducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Tests for Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Pozzolans and Slag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Air-Void Analysis of Fresh Concrete . . . . . . . . . . . . . . . 145
Example 3. Laboratory Trial Mixture
Recommended Air Contents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Using the PCAWater-Cement
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Ratio Method (Metric). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Chapter 9 Conditions and Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Designing and Proportioning Durability Requirements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Normal Concrete Mixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Strength Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Selecting Mix Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Aggregate Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
v
Contents, continued
Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Special Placing Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Consolidating Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Batch Quantities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Vibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Workability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Internal Vibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Mixture Proportions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 External Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Example 4. Laboratory Trial Mixture Consequences of Improper Vibration. . . . . . . . . . . . . 198
Using the PCAWater-Cement
Concrete Slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Ratio Method (Inch-Pound Units) . . . . . . . . . . . . . 168
Subgrade Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Conditions and Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Subbase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Water-Cement Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Vapor Retarders and
Aggregate Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Moisture-Problem Prevention. . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Rain Protection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Batch Quantities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Placing and Spreading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Workability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Screeding (Strikeoff) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Mixture Proportions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Bullfloating or Darbying. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Mixture Adjustments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Edging and Jointing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Example 5. Absolute Volume Method
Floating. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Using Multiple Cementing Materials
and Admixtures (Metric). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Troweling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Conditions and Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Brooming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Curing and Protection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Water to Cementing Materials Ratio . . . . . . . . . . . . . 173 Placing on Hardened Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Bonded Construction Joints in
Structural Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Preparing Hardened Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Water Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Bonding New to Previously
Cementing Materials Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Hardened Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Coarse-Aggregate Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Making Joints in Floors and Walls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Admixture Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Isolation Joints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Fine-Aggregate Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Contraction Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Moisture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Construction Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Trial Batch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Joint Layout for Floors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Concrete for Small Jobs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Filling Floor Joints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Design Review. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Unjointed Floors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Removing Forms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Chapter 10 Patching Cleaning, and Finishing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Batching, Mixing, Transporting, and
Holes, Defects, and Overlays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Handling Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Curing Patches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Batching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Cleaning Concrete Surfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Mixing Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Finishing Formed Surfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Stationary Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Special Surface Finishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Ready Mixed Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Patterns and Textures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Mobile Batcher Mixed Concrete
Exposed-Aggregate Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
(Continuous Mixer). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Colored Finishes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Remixing Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Stains, Paints, and Clear Coatings . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Transporting and Handling Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Precautions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Delays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Protect Your Head and Eyes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Early Stiffening and Drying Out. . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Protect Your Back. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Segregation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Protect Your Skin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Methods and Equipment for Transporting
and Handling Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Choosing the Best Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Chapter 12
Work At and Below Ground Level. . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Curing Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Work Above Ground Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Curing Methods and Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Ponding and Immersion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Chapter 11 Fogging and Sprinkling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Placing and Finishing Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Wet Coverings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Preparation Before Placing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Impervious Paper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Depositing the Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Plastic Sheets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Placing Concrete Underwater. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Membrane-Forming Curing Compounds. . . . . . . . . . . 223
vi
Contents, continued
Internal Moist Curing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Moisture Changes (Drying Shrinkage)
Forms Left in Place . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 of Hardened Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Steam Curing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Effect of Concrete Ingredients on
Drying Shrinkage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Insulating Blankets or Covers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Effect of Curing on Drying Shrinkage. . . . . . . . . . . . . . 264
Electrical, Oil, Microwave, and
Infrared Curing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Temperature Changes of
Hardened Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Curing Period and Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Low Temperatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Sealing Compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
High Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Curling (Warping). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Chapter 13 Elastic and Inelastic Deformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Hot-Weather Concreting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Compression Strain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
When to Take Precautions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Modulus of Elasticity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Effects of High Concrete Temperatures. . . . . . . . . . . . . . . 230 Deflection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Cooling Concrete Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Poisson’s Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Supplementary Cementitious Materials . . . . . . . . . . . . . . 234 Shear Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Preparation Before Concreting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Torsional Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Transporting, Placing, Finishing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Creep. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Plastic Shrinkage Cracking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Chemical Changes and Effects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Curing and Protection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Carbonation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Sulfate Attack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Heat of Hydration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Alkali-Aggregate Reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Chapter 14 Chapter 16
Cold-Weather Concreting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Control Tests for Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Effect of Freezing Fresh Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Classes of Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Strength Gain of Concrete at Frequency of Testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Low Temperatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Testing Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Heat of Hydration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Sampling Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Special Concrete Mixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Organic Impurities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Air-Entrained Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Objectionable Fine Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Temperature of Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Grading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Temperature of Concrete as Mixed. . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Moisture Content of Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Aggregate Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Testing Freshly Mixed Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Mixing-Water Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Sampling Freshly Mixed Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Temperature of Concrete as Consistency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Placed and Maintained . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Temperature Measurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Cooling After Protection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Density and Yield. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Control Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Concreting on Ground. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Strength Specimens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Concreting Aboveground. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Time of Setting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Enclosures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Accelerated Compression Tests to
Insulating Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Project Later-Age Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Heaters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Chloride Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Duration of Heating. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Portland Cement Content, Water Content,
Moist Curing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 and Water Cement Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Terminating the Heating Period. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Supplementary Cementitious
Form Removal and Reshoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Materials Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Maturity Concept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Bleeding of Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Testing Hardened Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
Strength Tests of Hardened Concrete. . . . . . . . . . . . . . . 285
Chapter 15
Evaluation of Compression Test Results . . . . . . . . . . 287
Volume Changes of Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Air Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Early Age Volume Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Density, Relative Density (Specific
Chemical Shrinkage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Gravity), Absorption, and Voids. . . . . . . . . . . . . . . 288
Autogenous Shrinkage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Portland Cement Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Subsidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Supplementary Cementitious Material and
Plastic Shrinkage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Organic Admixture Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Swelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Chloride Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Early Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Petrographic Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
vii
Contents, continued
Volume and Length Change. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Specifications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Durability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Mixing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Frost Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Workability and Finishability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Sulfate Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Slump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Alkali-Silica Reactivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Vibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Alkali-Carbonate Reactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Placing, Finishing, and Curing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Corrosion Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Insulating and Moderate-Strength
Abrasion Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Lightweight Concretes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Moisture Testing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Group I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Carbonation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Group II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
pH Testing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Group III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Permeability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Mixture Proportions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Nondestructive Test Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Rebound Number Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Workability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Penetration Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Mixing and Placing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Maturity Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Thermal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Pullout Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Break-Off Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Resistance to Freezing and Thawing. . . . . . . . . . . . . . . 321
Dynamic or Vibration Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Drying Shrinkage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Other Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Expansion Joints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Autoclaved Cellular Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Chapter 17 High-Density Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
High-Performance Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 High-Density Aggregates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
High-Early-Strength Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Additions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
High-Strength Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Properties of High-Density Concrete. . . . . . . . . . . . . . . 322
Cement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Proportioning, Mixing, and Placing. . . . . . . . . . . . . . . . 322
Supplementary Cementing Materials . . . . . . . . . . . . . . 305
Mass Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Aggregates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
Preplaced Aggregate Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Admixtures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
No-Slump Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Proportioning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Roller-Compacted Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Mixing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Placing, Consolidation, and Curing. . . . . . . . . . . . . . . . 307 Water Control Structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Quality Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Pavements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
High-Durability Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Soil-Cement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Abrasion Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Shotcrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Blast Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Shrinkage-Compensating Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Permeability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Pervious Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Diffusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 White and Colored Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Carbonation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
White Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Temperature Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Colored Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Freeze-Thaw Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Dry-Shake Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Chemical Attack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Polymer-Portland Cement Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Alkali-Silica Reactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Ferrocement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Resistivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Self-Compacting Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Reactive Powder Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Chapter 18 ASTMStandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Special Types of Concrete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
AASHTOStandards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Structural Lightweight Concrete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Metric Conversion Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
Structural Lightweight Aggregates . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Cement and Concrete Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Compressive Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Entrained Air. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
viii
Preface and Acknowledgements
Concrete’s versatility, durability, and economy have made Cheryl Taylor, Consultant, for months of desktop layout.
it the world’s most used construction material. The United Additional thanks for technical assistance, references, pho-
States uses about 260 million cubic meters (340 million tography, and editorial reviews goes to: Norm MacLeod,
cubic yards) of ready mixed concrete each year. It is used former Cement Association of Canada; Rick McGrath,
in highways, streets, parking lots, parking garages, Cement Association of Canada; John Bickley, John A.
bridges, high-rise buildings, dams, homes, floors, side- Bickley Associates, Ltd.; Hamid Farzam, Construction
walks, driveways, and numerous other applications. Technology Laboratories (CTL); Colin Lobo, National
Design and Control of Concrete Mixtures has been the Ready Mixed Concrete Association; Linda Hills, CTL
cement and concrete industry’s primary reference on con- (SEM); Connie Field, PCA; Bill Burns, PCA; John Shaw,
crete technology for over 75 years. Since the first edition PCA; Basile Rabbat, PCA; Arlene Zapata, PCA (cover
was published in the early 1920s, the U.S. version has been design); Wes Ikezoe, PCA; Richard Small, PCA; Bruce
updated 14 times to reflect advances in concrete technolo- McIntosh, PCA; Susan Pepitone, PCA; Dale McFarlane,
gy and to meet the growing needs of architects, engineers, PCA; Paul Tennis, PCA; John Melander, PCA; Jamie Farny,
builders, concrete producers, concrete technologists, PCA; Carmaline Spurrier, PCA; Martin McGovern, PCA;
instructors, and students. Terry Collins, PCA; Michelle Wilson, PCA; Tony Fiorato,
This fully revised 14th edition was written to provide CTL; Vagn Johansen, CTL; Wally Klemm, formerly of CTL;
a concise, current reference on concrete, including the Peter Marlo, CTL; Ron Bard, CTL; Manoj Bharucha, CTL;
many advances that occurred since the last edition was Javed Bhatty, CTL; Jennifer DeStrampe, Ground Heaters,
published in 1988. The text is backed by over 85 years of Inc.; Jim Shilstone, Shilstone Companies, Inc.; Robert E.
research by the Portland Cement Association. It reflects the Neal, Lehigh Portland Cement Co.; Gregory S. Barger, Ash
Grove Cement Co.; Mark Luther, Holcim (US) Inc.; Fred Cohrs,
latest information on standards, specifications, and test
Florida Rock Industries, Inc.; Phil Zacarias, Lafarge
methods of the American Society for Testing and Materials
Canada, Inc.; Terry Holland, Silica Fume Association;
(ASTM), the American Association of State Highway and
Oscar Manz, Consultant; Jon Mullarky, FHWA; Karen
Transportation Officials (AASHTO), and the American
Gruber, Hercules, Inc.; Mike Pistilli, Prairie Group; Sam
Concrete Institute (ACI).
Tyson, American Coal Ash Association; Craig Plunk,
Besides presenting a 50% increase in new information
Mineral Solutions; Jim Jensen, Mineral Solutions; John
over the previous edition, this edition has added metric
Rivisto, AVR, Inc.; Charlie Misslin, County Concrete Corp.;
units that are currently required on most federal govern-
Jamison Langdon, Cemstone; Kerry Smith, James Cape &
ment projects and many state projects; AASHTO stan-
Sons Co.; David Meyer, Lafarge North America, Inc.; Lew
dards commonly used by many state departments of
Kollmansberger, Mead & Hunt, Inc.; Tim Roble, Midway
transportation are provided alongside ASTM standards;
Concrete Corp.; George Barker, River Valley Testing Corp.;
internet addresses are provided for many references for
Dan Large, SI Concrete Systems; EJ Streu, Streu
instant access; new photographs have been added to illus-
Construction; Len Swederski, Swederski Concrete Const.,
trate modern technology; and included are appendices on
Inc.; Pat Bauer, W. R. Grace Co.; Darrin G. Stanke, Zenith
metric unit conversion, ASTM and AASHTO standards,
Tech, Inc.; Scott Zignego, Zignego Ready Mix, Inc.; Peter
and a listing of key concrete organizations and their web
Waisamen, Trow Engineers; Mette Geiker, Technical Uni-
addresses. New chapters on supplementary cementing
versity of Denmark; and numerous others who have pro-
materials, fibers, and high-performance concrete have also
vided comments and suggestions on EB001 over the past
been added.
several years. Thanks also goes to ASTM, AASHTO, and
Acknowledgements. The authors wish to acknowledge ACI for the use of their material and documents referenced
contributions made by many individuals and organiza- throughout the book.
tions who provided valuable assistance in the writing The authors have tried to make this edition of Design
and publishing of the 14th edition. A special thanks to and Control of Concrete Mixturesa concise and current ref-
Ken Hover, Cornell University, for extensive technical erence on concrete technology. Readers are encouraged to
recommendations; Howard “Buck” Barker, RVT En- submit comments to improve future printings and edi-
gineering Services, for photography and text edits; and tions of this book.
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