مطالعه آزمایشگاهی تاثیر ساختار شیمیایی سنگدانه‌ها بر مشخصات مکانیکی بتن‌های زئولیت دار تحت اثر مخرب توامان کربناسیون- حریق در تونل‌های شهری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی مهندسی، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی، شاهرود، ایران

2 گروه مهندسی عمران، واحد شاهرود، دانشگاه آزاد اسلامی ، شاهرود، ایران

10.22124/jcr.2026.30659.1700

چکیده

در شرایط دشوار تونل‌های شهری، به‌ویژه در مواجهه هم‌زمان با حریق و کربناسیون، بهبود عملکرد مکانیکی بتن از اهمیت بالایی برخوردار است. این پژوهش به بررسی تأثیر ترکیب شیمیایی سه نوع سنگدانه (سیلیکا-آلومینا، اکسید کلسیم و کلسیت) بر رفتار مکانیکی بتن‌های حاوی زئولیت تحت حرارت بالا و کربناسیون تسریع‌شده می‌پردازد. بتن‌ها با نسبت آب به مواد سیمانی 0.45 و درصدهای مختلف زئولیت (0، 5، 10، 15 و 20 درصد) ساخته شدند. نمونه‌ها پس از اختلاط و عمل‌آوری استاندارد، در دمای 800 درجه سانتی‌گراد حرارت داده شده و سپس در معرض محیط اشباع از دی‌اکسیدکربن به مدت 3، 56 و 90 روز قرار گرفتند. عمق کربناسیون با استفاده از محلول فنل‌فتالئین تعیین شد و به‌منظور تحلیل مکانیزم‌های عملکرد، بررسی‌های ریزساختاری با روش‌های SEM و XRD نیز انجام گردید. نتایج نشان داد بتن ساخته‌شده با سنگدانه سیلیکا-آلومینا و 10 درصد زئولیت، بیشترین مقاومت فشاری را داشته و حضور هم‌زمان سیلیس و آلومینا به افزایش تراکم ساختار کمک کرده است. در مقابل، سنگدانه کلسیتی نسبت به کربناسیون آسیب‌پذیرتر بوده و کاهش مقاومت بیشتری نشان داد. تأثیر زئولیت بر مقاومت کششی در تمامی طرح‌ها محدود بود. تحلیل‌های ریزساختاری نشان داد افزایش دما موجب تخریب ژل C-S-H، افزایش تخلخل و کاهش قلیائیت می‌شود که هم‌راستا با نتایج مکانیکی است. در مجموع، ترکیب سنگدانه سیلیکا-آلومینا با 10 درصد زئولیت به‌عنوان گزینه‌ای مناسب برای بتن‌های مقاوم در برابر شرایط مخرب تونل‌های شهری معرفی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of the Impact of Aggregate Chemical Composition on the Mechanical Performance of Zeolite-Modified Concrete under Combined Fire and Carbonation Exposure in Urban Tunnels

نویسندگان [English]

  • Amirhossein Fatemi 1
  • ahmad ganjali 2
  • Reza Babaei Semiromi 1
  • Pejman Aminian 1
1 Department of Civil Engineering, Sha.C., Islamic Azad University, Shahrood, Iran
2 Department of Civil Engineering, Sha.C., Islamic Azad University, Shahrood, Iran
چکیده [English]

carbonation, improving the mechanical performance of concrete is of great importance. This study investigates the effect of the chemical composition of three types of aggregates (silica–alumina, calcium oxide, and calcite) on the mechanical behavior of zeolite-containing concretes subjected to high temperature and accelerated carbonation. Concretes were produced with a water-to-binder ratio of 0.45 and varying zeolite contents (0, 5, 10, 15, and 20%). After mixing and standard curing, the specimens were heated to 800 °C and subsequently exposed to a CO₂-saturated environment for 3, 56, and 90 days. The carbonation depth was determined using a phenolphthalein solution, and microstructural analyses were performed through SEM and XRD techniques to clarify the underlying mechanisms. The results showed that concrete produced with silica–alumina aggregates and 10% zeolite exhibited the highest compressive strength, as the coexistence of silica and alumina contributed to enhanced structural densification. In contrast, concretes with calcitic aggregates were more vulnerable to carbonation, leading to greater strength reduction. The influence of zeolite on tensile strength was limited across all mixes. Microstructural observations confirmed that elevated temperatures caused decomposition of C–S–H gel, increased porosity, and reduced alkalinity, which were consistent with the mechanical test results. Overall, the combination of silica–alumina aggregates with 10% zeolite is recommended as an effective option for producing concretes resistant to the deteriorative conditions of urban tunnels.

کلیدواژه‌ها [English]

  • concrete
  • zeolite
  • aggregate chemical structure
  • fire
  • carbonization

مراجع

  1. Pade, C., & Guimaraes, M. (2007). Effect of carbonation on concrete properties: A review. Cement and Concrete Research, 37(4), 593–599. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2006.12.004
  2. Delmotte, P. (2000). Fire in Mont Blanc Tunnel: Lessons learned. Journal of Tunnel Fire Safety, 3(2), 21–34.
  3. De Schutter, G., & Taerwe, L. (1997). Effects of fire and carbonation on concrete strength. Cement and Concrete Research, 27(8), 1227–1239. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(97)00110-8
  4. Jones, M., Smith, R., & Brown, L. (2005). Impact of carbonation on compressive strength of concrete. Journal of Concrete Research, 12(4), 89–103.
  5. Smith, A., Lee, H., & Cooper, D. (2010). Fire effects on the physical properties of concrete. Fire Safety Journal, 45(5), 321–334. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2010.06.004
  6. Liu, Y., Zhang, W., & Chen, X. (2019). Effects of carbonation on fire resistance of reinforced concrete. Construction and Building Materials, 205, 558–569. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.01.049
  7. Chen, X., Zhang, L., & Huang, Y. (2020). Impact of pre-carbonation on concrete's thermal performance. Journal of Building Materials, 45(3), 112–125.
  8. Wang, J., Li, Y., & Yang, F. (2021). Fiber-reinforced concrete behavior under combined carbonation and fire exposure. Materials Science and Engineering, 678, 45–58.
  9. Kim, H. J., Lee, J. S., & Choi, J. K. (2022). Thermal and chemical degradation of carbonated concrete under high temperature. Materials Today: Proceedings, 56, 1123–1130. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.112
  10. Tai, X., Zhou, K., & Chen, M. (2021). Combined deterioration of concrete due to carbonation and fire. Journal of Construction Research, 29(2), 133–144.
  11. Yang, S., Kim, J., & Kwon, S. (2020). Mechanical degradation of concrete after sequential carbonation and fire. Materials, 13(12), 2783.
  12. Li, H., Xu, G., & Zhang, J. (2022). Effects of thermal exposure on pre-carbonated concrete. Advances in Concrete Construction, 13(5), 389–397.
  13. Hu, Y., Sun, L., & Ma, Z. (2023). Influence of environmental CO₂ concentration on concrete carbonation rate. Environmental Materials Research, 11(3), 210–219.
  14. Akca, K., & Ozyurt, N. (2018). Fire resistance of natural zeolite-incorporated concrete. Construction and Building Materials, 173, 370–377.
  15. Henry, M., & Darma, I. S. (2015). Rehydration effect on fire-damaged concrete. Cement and Concrete Composites, 63, 38–44.
  16. Mohammed, A. A., Abbas, A., & Sherif, M. (2019). Mechanical behavior of pozzolanic concrete exposed to high temperature. Construction and Building Materials, 213, 377–386.
  17. Poon, C. S., Shui, Z. H., & Lam, L. (2004). Effect of microstructure of ITZ on chloride-induced corrosion. Cement and Concrete Research, 34(1), 29–36.
  18. Yaqub, M., & Bailey, C. (2017). Behavior of zeolite-based concrete at elevated temperatures. Fire and Materials, 41(4), 399–410.
  19. Jerga, J. (2004). Physico-mechanical properties of carbonated concrete. Construction and Building Materials, 18(8), 645–652.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار