تأثیر درجه حرارت‌های زیاد بر خواص مکانیکی بتن حاوی سرباره آلومینیوم از منظر ریزساختاری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده فنی، دانشگاه هرمزگان

2 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد بندرعباس

چکیده

سازه‌های بتنی در درجه حرارت‌‌های زیاد دچار تغییر رفتار و ناپایداری می‌شوند. این تغییر رفتار و ناپایداری در اکثر موارد وابسته به تغییرات نانوساختار هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) و هیدرات آلومینوسیلیکات کلسیم (C-A-S-H) از مهم‌ترین بخش‌های فرآیند هیدراتاسیون خمیر سیمان است که در تعیین خواص مقاومتی و مکانیکی بتن نقش اساسی دارند. افزودن سرباره آلومینیوم، به‌عنوان شاخه‌ای از مصالح پوزولانی به ترکیبات سیمانی می‌تواند منجر به بهبود رفتار بتن در درجه حرارت‌‌های زیاد ‌شود. بر این اساس هدف این مقاله بررسی تأثیر درجه حرارت‌های زیاد بر بتن حاوی درصدهای مختلف سرباره آلومینیوم از منظر ریزساختاری است. در این راستا نمونه‌های مکعبی حاوی درصدهای مختلف پودر سرباره آلومینیوم تهیه شده است. آزمونه‌ها به مدت 28 روز در حمام رطوبت عمل‌آوری شده سپس به مدت 60 دقیقه تحت دماهای 25 تا 750 درجه سلسیوس حرارت داده شدند. آزمایش‌های درصد تغییرات وزنی و مقاومت فشاری در نمونه‌های بتن برای ارزیابی خواص مکانیکی مورد استفاده قرارگرفته است. همچنین برای مشاهده خصوصیات ریزساختاری آزمونه‌ها در دماهای متفاوت از SEM استفاده شد. بر اساس نتایج ساختار پرتلندیت در نمونه‌های حاوی کمتر از 10% سرباره در طول فرآیند هیدراتاسیون برای تشکیل نانوساختارهای C-A-S-H و C-A-H، همچنین فعال شدن سرباره مصرف‌شده است و موجب به بهبود مقاومت فشاری شده است. از سوی دیگر با افزایش دما و وقوع فرآیند دی‌هیدروکسیلاسیون آب درون پیوند نانوساختاری C-S-H تجزیه‌شده و درنهایت منجر به تغییر رفتار در مقاومت فشاری می‌شود و مقاومت فشاری آزمونه حاوی 10% پودر سرباره آلومینیوم تحت دمای 750 درجه سلسیوس با کاهش 13% به MPa 1/20 ‌رسیده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Efficacy of Elevated Temperatures on Mechanical Properties of Concrete Containing Aluminum Slag from the Microstructural Perspective

نویسندگان [English]

  • mohammad amiri 1
  • Jahan bakhsh Arzanian karamallah 2
  • Marziyeh Aryanpour 2
1 Assistant Professor, University of Hormozgan, Faculty of Engineering, Bandar Abbas, Iran
2 Master Student, Islamic Azad University of Bandar Abbas, Faculty of Engineering.
چکیده [English]

Concrete structures undergo behavior change and instability at elevated temperatures. In most cases, these behavioral variations and instability are related to the changes in C-S-H and (C-A-S-H nanostructures, which is an important part of the cement paste hydration process and plays a crucial role in determining the strength and mechanical properties of concrete.. Application of aluminum dross as a type of pozzolanic material to cementitious composites can improve concrete behavior at elevated temperatures. Consideringly, this article aims to investigate the effects of elevated temperatures on concrete containing different percentages of aluminum slag from the microstructural perspective. For this purpose, cubic samples containing different percentages of aluminum slag powder were prepared. The specimens were cured in a humidity bath for 28 days and then heated for 60 min at temperatures of 25 to 750 °C. To evaluate the mechanical properties, the percentage of weight and compressive strength changes of concrete samples were investigated. Scanning electron microscopy (SEM) images were also used to observe the microstructural properties of the samples at different temperatures. According to the results, in samples containing slag less than 10% due to its activation as well as the hydration process and the formation of C-A-S-H and C-A-H nanostructures, the portlandite phase was formed which has improved the compressive strength. On the other hand, the elevated temperature and the occurrence of the dehydroxylation process lead to water decomposition within the bonds of C-S-H nanostructure which subsequently results in the change in compressive strength behavior.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Elevated Temperature
  • Aluminum Slag
  • Compressive Strength
  • C-S-H
  • SEM

مراجع

  1. 1. Amiri, M. and M. Aryanpour, The effect of high temperatures on concrete performance with a view to the changes in the C-S-H nanostructure. Concrete Research, 2020. article in press.
  2. 2. Tian, Q. S. Nakama, and K. Sasaki, Immobilization of cesium in fly ash-silica fume based geopolymers with different Si/Al molar ratios. Science of the total environment, 2019. 687: p. 1127-1137.
  3. 3. Crozier, D. and J. Sanjayan, Chemical and physical degradation of concrete at elevated temperatures. Concrete in Australia, 1999. 25 (1): 18-20.
  4. 4. Hertz, K.D. Concrete strength for fire safety design. Magazine of Concrete Research, 2005. 57(8): p. 445-453.
  5. 5. Bellmann, F. T. Sowoidnich, H.M. Ludwig, and D. Damidot, Dissolution rates during the early hydration of tricalcium silicate. Cement and Concrete Research, 2015. 72: p. 108-116.
  6. 6. Tan, H. M. Li, J. Ren, X. Deng, X. Zhang, K. Nie, J. Zhang, and Z. Yu, Effect of aluminum sulfate on the hydration of tricalcium silicate. Construction and Building Materials, 2019. 205: 414-424.
  7. 7. Chen, J.J. J.J. Thomas, H.F. Taylor, and H.M. Jennings, Solubility and structure of calcium silicate hydrate. Cement and concrete research, 2004. 34(9): p. 1499-1519.
  8. 8. Kunther, W. S. Ferreiro, and J. Skibsted, Influence of the Ca/Si ratio on the compressive strength of cementitious calcium–silicate–hydrate binders. Journal of Materials Chemistry A, 2017. 5(33): p. 17401-17412.
  9. 9. Arioz, O. Effects of elevated temperatures on properties of concrete. Fire safety journal, 2007. 42(8): p. 516-522.
  10. 10. Mahinroosta, M. and A. Allahverdi, Hazardous aluminum dross characterization and recycling strategies: A critical review. Journal of environmental management, 2018. 223: p. 452-468.
  11. 11. Li, Z. L. Li, J. Wang, and X. Wu, Effect of Elevated Temperature on Meso-and Micro-Structure and Compressive Strength of High-Strength Concrete and Mortar Containing Blast-Furnace Slag. Journal of Advanced Concrete Technology, 2018. 16(10): p. 498-511.
  12. 12. SatishReddy, M and Neeraja, D, Mechanical and durability aspects of concrete incorporating secondary aluminium slag. Resource-Efficient Technologies, 2017. 4(2): p. 225-232.
  13. 13. bahmani, h. and D. Mostofinejad, Mechanical properties of ultra high performance concrete reinforced by polypropylene fibers and synthetic macro fibers (barchip). concrete Research, 2019. 12(1): p. 15-26.
  14. 14. mousavi, s. and F. Gharedaghi Effect of Carbon Nanotube and Silica Aerogel on Compressive Strength, Durability and Thermal Conductivity of Concrete. Concrete Research, 2019. 12(1): p. 71-79.
  15. 15. Berenjian, J. N. Tila, M.J. Taheri Amiri, and A. Ashrafian, Investigating the Effect of High Temperatures on Long-term Compressive Strength of Self-Compacting Concrete Containing Powdery Binary Admixtures. Concrete Research, 2018. 11(1): p. 119-128.
  16. 16. Alomayri, T. Experimental study of the microstructural and mechanical properties of geopolymer paste with nano material (Al2O3). Journal of Building Engineering, 2019. 25: p. 100788.
  17. 17. ASTM, American Society for Testing and Materials. 1984.
  18. 18. Taylor, P.C. S.H. Kosmatka, and G.F. Voigt, Integrated materials and construction practices for concrete pavement: A state-of-the-practice manual. 2006.
  19. 19. Grattan-Bellew, P. Microstructural investigation of deteriorated Portland cement concretes. Construction and building materials, 1996. 10(1): p. 3-16.
  20. 20. Geng, H. and Q. Li, RETRACTED: Development of microstructure and chemical composition of hydration products of slag activated by ordinary Portland cement. 2014, Elsevier.
  21. 21. Escalante-Garcia, J.I. and J. Sharp, The chemical composition and microstructure of hydration products in blended cements. Cement and Concrete Composites, 2004. 26(8): p. 967-976.
  22. 22. Tarighat, A. and y. modarres, Thermodynamic modeling of sulfate attack on hardened cement paste containing slag and investigation of the effect of various sulfate solutions. 2017.
  23. 23. Raki, L. J. Beaudoin, R. Alizadeh, J. Makar, and T. Sato, Cement and concrete nanoscience and nanotechnology. Materials, 2010. 3(2): p. 918-942.
  24. 24. Gollop, R. and H. Taylor, Microstructural and microanalytical studies of sulfate attack. V. Comparison of different slag blends. Cement and Concrete Research, 1996. 26(7): 1029-1044.
  25. 25. Khaliq, W. and V. Kodur, Thermal and mechanical properties of fiber reinforced high performance self-consolidating concrete at elevated temperatures. Cement and Concrete Research, 2011. 41(11): p. 1112-1122.
  26. 26. Fares, H. A. Noumowe, and S. Remond, Self-consolidating concrete subjected to high temperature: mechanical and physicochemical properties. Cement and Concrete Research, 2009. 39(12): p. 1230-1238.

27.       Brindley, G. Thermal transformations of clays and layer silicates. in Proceedings of International Clay Conference. 1975. Applied Publishing Ltd. Wilmette, Illinois, USA.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار