ارائه مدل پیش‌بینی مقاومت فشاری ژئوپلیمر‌ ساخته شده با متاکائولن و سرباره با استفاده از روش سطح پاسخ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری فرآورده‌های چندسازه چوبی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی، گرگان

4 گروه سامانه‌های زیستی، تهران، دانشگاه شهید بهشتی، پردیس زیرآب، مازندران

5 دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه سمنان

6 گروه مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه کانکتیکات، آمریکا

10.22124/jcr.2023.23046.1598

چکیده

این مطالعه با هدف بررسی و ارائه مدل پیش‌بینی مقاومت فشاری ژئوپلیمرهای مبتنی بر متاکائولن و سرباره فعال‌شده با فعال‌ساز-های قلیایی با استفاده از روش سطح پاسخ (RSM) و طرح مرکب مرکزی (CCD) مدل‌های پیش‌بینی مقاومت فشاری نمونه‌ها ارائه و شرایط بهینه ساخت بررسی گردید.نسبت‌های (متاکائولن به سرباره، نسبت فعال‌ساز به پیش ماده، مولار سیلیکات سدیم به هیدروکسید سدیم ودرصدآب ) به عنوان عوامل مستقل در 5 سطح و 6 نقطه مرکزی تکرار شده (C0=6) بررسی شدند. نمونه‌های ژئوپلیمری در ابعاد 20×20×20 میلی‌متر ساخته شدند، سپس در دوره‌های زمانی 3، 7 و 28 روز مقاومت فشاری آنها اندازه‌گیری شد. همچنین ارزیابی خواص مواد با استفاده از آزمون (XRD) و (FT-IR) برای بررسی اثر هر کدام از متغیرهای مستقل بر مقاومت فشاری نمونه‌های ژئوپلیمری انجام گرفت. نتایج نشان داد که استفاده از روش سطح پاسخ می‌تواند برآورد مناسب از پاسخ را ارائه دهد، به‌طوری‌‌که مقدار R2 بزرگتر از 90 درصد برای هر پاسخ‌ به دست آمد. بیشترین مقاومت فشاری نمونه‌های ژئوپلیمری پس از ۳ روز 10 مگاپاسکال و پس از 7 و 28 روز به ترتیب 57/16 و 22 مگاپاسکال اندازه‌گیری شد. با افزایش نسبت مولار سیلیکات‌سدیم به هیدروکسیدسدیم تا سطح 5/2 و کاهش نسبت متاکائولن به سرباره باعث افزایش مقاومت فشاری نمونه‌های ژئوپلیمر گردید. نتایج FTIR نشان داد‌ که هنگام تشکیل ژئوپلیمر‌ها ساختارشان نسبت به مواد اولیه به علت تشکیل مونومرها و بسپارش تراکمی تغییر می‌کند. نتایج آنالیز XRD نشان دهنده وجود حالت قله‌مانند در اثر تشکیل محصول آمورف بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Presenting a prediction model for compressive strength of geopolymer made of metakaolin and slag using the response surface method (RSM)

نویسندگان [English]

  • vajihe sadeghipanah 1
  • Mehrab Madhoushi 2
  • Taghi Tabarsa 3
  • morteza nazerian 4
  • Ebrahim Najafi Kani 5
  • Zahra Abdollah nejad 6
1 Ph.D. student of Wood Composite Products, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources,
2 Department of Wood Engineering and Technology,, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Department of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
4 , Department of Biological Systems Engineering, Shahid Beheshti University, Zirab Campus, Mazandaran, Iran
5 Faculty of Chemical, Oil and Gas Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
6 Department of Civil and Environmental Engineering, University of Connecticut, Storrs, United States of America
چکیده [English]

The objective of this study was to investigate the compressive strength of metakaolin-based geopolymers and slag activated with alkaline activators during periods of 3, 7, and 28 days using the response surface method (RSM). X-ray diffraction (XRD) analysis. and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) was performed to investigate the effect of each of the independent variables on the compressive strength of geopolymer samples. Geopolymer samples were made in dimensions of 20×20×20 mm, then they were kept at room temperature for periods of 3, 7 and 28 days and were subjected to mechanical evaluation at the end. The results showed that using the RSM method can provide an appropriate estimation of the response so that the R2 value greater than 90% was obtained for each response. The maximum compressive strength of geopolymer samples was measured as 10 MPa for three days and 16.57 and 22 MPa for 7 and 28 days, respectively. By increasing the molar ratio of sodium silicate to sodium hydroxide to the level of 2.5 and decreasing the ratio of metakaolin to slag, the compressive strength of geopolymer samples increased. The FT-IR results showed that when geopolymers are formed, the structure changes compared to the raw materials due to the formation of monomers and compaction. Also, the results of the XRD analysis showed the presence of a peak-like state due to the formation of an amorphous product.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Geopolymer
  • response surface method
  • metakaolin
  • slag
  • compressive strength

مراجع

[1] Shadab, M., Abdullah, M., Amir, M., Arham, M., & Khan, M. A. Green Concrete or Eco-Friendly Concrete. International Journal for Advance Research and Development. 2017;  2(3). Paper ID: V2I3-1146.
[2] Al-Hamrani, A., Kucukvar, M., Alnahhal, W., Mahdi, E., & Onat, N.C. Green concrete for a circular economy: A review on sustainability, durability, and structural properties. Materials. 2021; 14(2), 351. DOI: 10.3390/ma14020351.
[3] Rehman, M. U., Rashid, K., Zafar, I., Alqahtani, F. K., & Khan, M. I. Formulation and characterization of geopolymer and conventional lightweight green concrete by incorporating synthetic lightweight aggregate. Journal of Building Engineering. 2020; 31, 101363.
[4] Sivakrishna, A., Adesina, A., Awoyera, P. O., & Kumar, K. R. Green concrete: A review of recent developments. Materials Today: Proceedings. 2020; 27: 54-58.
[5] Amran, M., Huang, S. S., Debbarma, S., & Rashid, R. S. Fire resistance of geopolymer concrete: A critical review. Construction and Building Materials. 2022; 324, 126722.
[6] Katzer, J., & Kobaka, J. Harnessing waste fine aggregate for sustainable production of concrete precast elements. Annual Set the Environment Protection (Rocznik Ochrona Środowiska). 2010;12: 33-45.‏
[7] Singh, B., Ishwarya, G., Gupta, M., & Bhattacharyya, S. K. Geopolymer concrete: A review of some recent developments. Construction and building materials, 2015; 85: 78-90.
[8] Silva, G., Kim, S., Aguilar, R., & Nakamatsu, J. (2020). Natural fibers as reinforcement additives for geopolymers–A review of potential eco-friendly applications to the construction industry. Sustainable Materials and Technologies. 2020; 23, e00132.
[9] Madhoushi, M. Green Building Bio-Materials (in Persian). Iranian Students Booking Agency. 2016.
[10] Nosrati, A., Zandi, Y., Shariati, M., Khademi, K., Aliabad, M. D., Marto, A., ... & Khorami, M. Portland cement structure and its major oxides and fineness. Smart structures and systems. 2018; 22(4): 425-432.
[11] Tafheem, Z., Khusru, S., & Nasrin, S. Environmental impact of green concrete in practice. In International Conference on Mechanical Engineering and Renewable Energy. 2011; (Vol. 22, p. 24).
[12] Ayeni, O., Onwualu, A. P., & Boakye, E. Characterization and mechanical performance of metakaolin-based geopolymer for sustainable building applications. Construction and Building Materials. 2021; 272, 121938.
[13] Nawaz, M., Heitor, A., & Sivakumar, M. (2020). Geopolymers in construction-recent developments. Construction and Building Materials. 2020; 260, 120472.
[14] Assi, L. N., Deaver, E. E., & Ziehl, P. Effect of source and particle size distribution on the mechanical and microstructural properties of fly Ash-Based geopolymer concrete. Construction and Building Materials. 2018; 167: 372-380.
[15] Najafi Kani, E., Allahverdi, A., & Provis, J. L. (2012). Efflorescence control in geopolymer binders based on natural pozzolan. Cement and Concrete Composites. 2012; 34(1): 25-33.
[16] Błaszczyński, T., Król, M. Durability of Green-Concretes, Proceedings of the International Conference AMCM, Wrocław, Poland, 2014; 530-540.
[17] Müller, H. S., Breiner, R., Moffatt, J. S., & Haist, M. (2014). Design and properties of sustainable concrete. Procedia Engineering. 2014; 95: 290-304.
[18] Kumar, H., Prasad, R., Srivastava, A., Vashista, M., Khan, M.Z. Utilisation of Industrial waste (Fly ash) in synthesis of copperbased surface composite through friction stir processing route for wear applications. J. Cleaner production. 2018; 19 (20): 460-468.
[19] Ferdous, W., Manalo, A., Khennane, A., & Kayali, O. Geopolymer concrete-filled pultruded composite beams–concrete mix design and application. Cement and concrete composites. 2015; 58: 1-13.
[20] Lloyd, N., & Rangan, V. Geopolymer concrete with fly ash. In Proceedings of the Second International Conference on sustainable construction Materials and Technologies (pp. 1493-1504). UWM Center for By-Products Utilization. 2010.
[21] Imbabi, Mohammed S., Collette Carrigan, and Sean McKenna. Trends and developments in green cement and concrete technology.  International Journal of Sustainable Built Environment. 2012; 1: 194-216.
[22] Mirakhorloo, F., & Najafi Kani, E. (2019). Investigation and Prediction of Physical and Mechanical Properties of Gypsum/Rice Straw Composite Using ANFIS Model. Journal of Modeling in Engineering, 17(58), 267-278.
[23] Hardjito, D., Cheak, C. C., & Ing, C. H. L. (2008). Strength and setting times of low calcium fly ash-based geopolymer mortar. Modern applied science. 2008; 2(4): 3-11.
[24] Hajimohammadi, A., Provis, J. L., & Van Deventer, J. S. One-part geopolymer mixes from geothermal silica and sodium aluminate. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2008; 47(23): 9396-9405.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار