تاثیر اعمال حرارت‌های زیاد بر خواص مکانیکی و ریزساختار بتن ژئوپلیمری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار

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

چکیده

سازه‌های بتنی مورد استفاده در منابع مختلف از جمله صنایع ذوب‌آهن، آلومینیوم و دفن زباله‌های خطرناک ممکن است در معرض حرارت زیاد قرار گیرند و تحت تاثیر حرارت عملکرد آنها دچار نقصان شود. از سوی دیگر ژئوپلیمرها به عنوان شاخهای از مواد آلومینوسیلیکاتی رفتار پایدارتری نسبت به بتن معمولی در مقابل حرارت از خود نشان می‌دهند. نانوساختار هیدرات سیلیکات کلسیم    (C-H-S )و هیدرات آلومینوسیلیکات کلسیم (C-A-H-S )از محصولات فرآیند ژئوپلیمرازاسیون است که نقش مهمی در افزایش مقاومت بتن ژئوپلیمری دارد، اما این نانوساختارها تحت تاثیر حرارت دچار تغییرات رفتاری می‌شوند. بر این اساس هدف این مقاله بررسی تاثیر حرارت‌های زیاد بر پارامترهای مقاومتی بتن ژئوپلیمری از منظر ریزساختاری با نگرش به تغییرات نانوساختار C-S-H و C-A-S-H است. در این راستا حدود 300 نمونه به مدت 1 ،3 ،7 ،14و 28 روزه درحمام رطوبت عمل‌آوری شده است. سپس همه آزمونه‌ها به مدت 2 ساعت در دماهای 25 ،50 ،100 ،200 ،300 ،500 ،700 و 900 درجه سلسیوس قرار گرفته است. درصد تغییرات طولی و وزنی، مقاومت فشاری، آزمون امواج فراصوت و رفتار ترک‌خوردگی در تمام آزمونه‌ها مورد بررسی قرارگرفته‌است. همچنین برای ارزیابی رفتار ریزساختاری آزمونه‌ها در دماهای مختلف از تصاویر میکروسکوپ الکترونیکی روبشی (SEM )و طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX )استفاده شد. براساس نتایج پژوهش حاضر به دلیل ماهیت رفتاری نانوساختار C-S-H وC-A-S-H ،تغییرات وزن، طول و مقاومت فشاری نمونه‌ها وابسته به رفتار این نانوساختارها است. با شروع تجزیه نانوساختار C-A-S-H بر اثر حرارت زیاد، افت مقاومت فشاری و افت وزنی مشاهده شده و ترک‌ها نیز گسترده‌تر می‌شود. مقاومت فشاری نمونه 28 روزه تحت دمای 900 درجه سلسیوس 87/58 %کاهش یافته است. ساختار آلومینوسیلیکات با حرارت دیدن بیش از 300 درجه سلسیوس تغییر کرده است. در دمای زیاد این ساختار تبدیل به ساختار سرامیکی متخلخل و نیمه پایدار شده است. همچنین بر اثر دمای بیش از 500 درجه سلسیوس آب درون پیوند شیمیایی حاصل از فرآیند ژئوپلیمریزاسیون تجزیه شده است. نانوساختارهای C-S-H و C-A-S-H که عامل مقاومت است به مرور به اثر حرارت زیاد تخریب می‌شوند. تخریب این نانوساختارها بر روی پایداری و مقاومت بتن ژئوپلیمری نیز تاثیر بسزایی گذاشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of High Temperatures on the Mechanical and Microstructural Properties of Geopolymer Concrete

نویسندگان [English]

  • Mohammad Amiri 1
  • marziyeh aryanpoor 2
1 Assistant Professor, Faculty of Engineering, Hormozgan University, Bandar Abbas, Iran.
2 Master Student, Islamic Azad University of Bandar Abbas, Faculty of Engineering
چکیده [English]

The concrete structures used in various applications including iron and aluminum foundries and hazardous waste disposal lose performance when subjected to heat. As aluminum silicate materials however, geopolymers behave in a much more stable manner than normal concrete when exposed to high temperatures. Calcium silicate hydrate (C-S-H) and calcium-aluminum-silicate-hydrate nanostructures, which are products of the geopolymerization process that strengthens geopolymer concrete, undergo many changes when exposed to heat. The study therefore investigates the effect of high temperatures on geopolymer concrete’s strength parameters from a microstructural perspective and according to nanostructural changes of C-S-H and C-A-S-H. In this regard, about 300 samples were cured in the humidity bath for 1, 3, 7, 14, and 28 days. All samples were then put in of 25, 50, 100, 200, 300, 500, 700, and 900°C temperatures for 2 hours. Length and weight change percentages, compressive strength, and ultrasonic and cracking behavior tests were performed on all samples. Images from the scanning electron microscope (SEM) and the energy-dispersive X-ray (EDX) analysis were also used to evaluate the microstructural behavior of samples in various temperatures. According to the results, sample weight and length changes and compressive strength depended on the behavioral nature of C-S-H and C-A-S-H nanostructures. Nanostructural analysis of C-A-S-H points to high temperatures reducing compressive strength and weight as well as causing more cracks. The compressive strength of the 28 samples in 900°C temperature also decreased from 604 kg/cm2 to 75 kg/cm2. The complete disintegration of the C-S-H and C-A-S-H nanostructures and the decomposition of water from the chemical bond and the OH hydroxyl group are the reasons for this reduction.

کلیدواژه‌ها [English]

  • High Temperatures
  • Geopolymer Concrete
  • Compressive Strengths
  • C-A-S-H
  • SEM

مراجع

[1] H. Caetano, G. Ferreira, J.P.C. Rodrigues, P. Pimienta, Effect of the high temperatures on the microstructure and compressive strength of high strength fibre concretes, Construction and Building Materials, 199 (2019) 717-736.
[2] S. Bakhtiyari, A. Allahverdi, M. Rais-Ghasemi, B. Zarrabi, T. Parhizkar, Self-compacting concrete containing different powders at elevated temperatures–Mechanical properties and changes in the phase composition of the paste, Thermochimica acta, 514(1-2) (2011) 74-81.
[3] A. Standard, Standard test method for measurement of fracture toughness, ASTM, E1820-01,  (2001) 1-46.
[4] M. Farage, J. Sercombe, C. Galle, Rehydration and microstructure of cement paste after heating at temperatures up to 300 C, Cement and Concrete Research, 33(7) (2003) 1047-1056.
[5] M. Amiri, M. Aryanpour, The effect of high temperatures on concrete performance with a view to the changes in the C-S-H nanostructure, Concrete Research, (2019).
[6] H. Su, J. Xu, W. Ren, Mechanical properties of geopolymer concrete exposed to dynamic compression under elevated temperatures, Ceramics International, 42(3) (2016) 3888.8983
[7] H.Y. Zhang, V. Kodur, B. Wu, L. Cao, F. Wang, Thermal behavior and mechanical properties of geopolymer mortar after exposure to elevated temperatures, Construction and Building Materials, 109 (2016) 17-24.
[8] J. Davidovits, Geopolymers: inorganic polymeric new materials,, Journal of Thermal Analysis, 37(8) (1991) 1633-1656.
[9] T. Gourley, P. Duxson, S. Setunge, N. Lloyd, M. Dechsler, W. South, Recommended Practice: Geopolymer
Concrete,  (2011).
[10] P. Duxson, G.C. Lukey, J.S. van Deventer, Physical evolution of Na-geopolymer derived from metakaolin up to 1000 C, Journal of Materials Science, 42(9) (2007) 3044-3054.
[11] A. Palomo, M. Grutzeck, M. Blanco, Alkali-activated fly ashes: a cement for the future, Cement and concrete research, 29(8) (1999) 1323-1329.
[12] H. Rahier, B. Van Mele, M. Biesemans, J. Wastiels, X. Wu, Low-temperature synthesized aluminosilicate glasses, Journal of Materials Science, 31(1) (1996) 71-79.
[13] M. Davidovics, J. Davidovits, J. Orlinski, Geopolymers Form Room Temperature Ceramic Matrix, Materials and Processing Report, 3(1) (1988) 5-5.
[14] W. Lee, J. Van Deventer, Structural reorganisation of class F fly ash in alkaline silicate solutions, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 211(1) (2002) 49-66.
[15] J. Phair, J. Van Deventer, Characterization of fly-ashbased geopolymeric binders activated with sodium aluminate, Industrial & engineering chemistry research, 41(17) (2002) 4242-4251.
[16] J. Van Jaarsveld, J. Van Deventer, The effect of metal contaminants on the formation and properties of wastebased geopolymers, Cement and Concrete Research, .0021-9811 )9991( )8(92
[17] J. Van Jaarsveld, J. Van Deventer, L. Lorenzen, The potential use of geopolymeric materials to immobilise toxic metals: Part I. Theory and applications, Minerals engineering, 10(7) (1997) 659-669.
[18] H. Xu, J.S.J. Van Deventer, The geopolymerisation of alumino-silicate minerals, International Journal of Mineral Processing, 59(3) (2000) 247-266.
[19] C.K. Yip, G. Lukey, J.S. van Deventer, The coexistence of geopolymeric gel and calcium silicate hydrate at the early stage of alkaline activation, Cement and concrete research, 35(9) (2005) 1688-1697.
[20] J. Cabrera, M.F.a. Rojas, Mechanism of hydration of the metakaolin–lime–water system, Cement and Concrete Research, 31(2) (2001) 177-182.
[21] M. Frı́as, J. Cabrera, Influence of MK on the reaction kinetics in MK/lime and MK-blended cement systems at 20 C, Cement and concrete research, 31(4) (2001) 519527.
[22] M. Frıas, M.S. De Rojas, J. Cabrera, The effect that the pozzolanic reaction of metakaolin has on the heat evolution in metakaolin-cement mortars, Cement and concrete research, 30(2) (2000) 209-216.
[23] Z. Liu, D.-w. Zhang, L. Li, J.-x. Wang, N.-n. Shao, D.-m. Wang, Microstructure and phase evolution of alkaliactivated steel slag during early age, Construction and Building Materials, 204 (2019) 158-165.
[24] H.Y. Zhang, V. Kodur, B. Wu, J. Yan, Z.S. Yuan, Effect of temperature on bond characteristics of geopolymer concrete, Construction and Building Materials, 163 (2018) 277-285.
[25] ASTM, American Society for Testing and Materials, in, 1984.
[26] J.L. Provis, J.S.J. Van Deventer, Geopolymers: structures, processing, properties and industrial applications, Elsevier, 2009.
[27] M.A. Yazdi, M. Liebscher, S. Hempel, J. Yang, V. Mechtcherine, Correlation of microstructural and mechanical properties of geopolymers produced from fly ash and slag at room temperature, Construction and Building Materials, 191 (2018) 330-341.
[28] J. Davidovits, Chemistry of geopolymeric systems, terminology, in:  Geopolymer, sn, 1999, pp. 9-39.
[29] G. Brindley, Thermal transformations of clays and layer silicates, in:  Proceedings of International Clay Conference, Applied Publishing Ltd., Wilmette, Illinois, USA, 1975, pp. 129.
[30] O.A. Abdulkareem, A.M. Al Bakri, H. Kamarudin, I.K. Nizar, A.S. Ala’eddin, Effects of elevated temperatures on the thermal behavior and mechanical performance of fly ash geopolymer paste, mortar and lightweight concrete, Construction and building materials, 50 (2014) 377-387.
[31] E. Adesanya, K. Ohenoja, T. Luukkonen, P. Kinnunen, M. Illikainen, One-part geopolymer cement from slag and pretreated paper sludge, Journal of Cleaner Production, 185 (2018) 168-175.
[32] J.L. Provis, J.S.J. Van Deventer, 1 - Introduction to geopolymers, in: J.L. Provis, J.S.J. van Deventer (Eds.) Geopolymers, Woodhead Publishing, 2009, pp. 1-11.
[33] V.R. Ouhadi, M. Pourzafarani, Characteristics change of kaolinite and bentonite due to heat treatment from micro structural aspects. Sharif Civil Engineering, (4.2) (2014) 65-72.
[34] J. Davidovits, Geopolymer chemistry and applications, 2011: Institute Geopolymer, Saint Quentin, France, (2008).
[35] Z. Pan, J.G. Sanjayan, F. Collins, Effect of transient creep on compressive strength of geopolymer concrete for elevated temperature exposure, Cement and concrete research, 56 (2014) 182-189.
[36] P. Behera, V. Baheti, J. Militky, S. Naeem, Microstructure and mechanical properties of carbon microfiber reinforced geopolymers at elevated temperatures, Construction and Building Materials, 160 (2018) 733-743.
[37] D.L. Kong, J.G. Sanjayan, Effect of elevated temperatures on geopolymer paste, mortar and concrete, Cement and concrete research, 40(2) (2010) 334-339.
[38] S.-g. Hu, J. Wu, W. Yang, Y.-j. He, F.-z. Wang, Q.-j. Ding, Preparation and properties of geopolymer-lightweight aggregate refractory concrete, Journal of Central South University of Technology, 16(6) (2009) 914.
[39] J. Temuujin, A. Van Riessen, Effect of fly ash preliminary calcination on the properties of geopolymer, Journal of Hazardous Materials, 164(2-3) (2009) 634-639.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 52، شماره 12
اسفند 1399
صفحه 2987-3002

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار