مطالعه ی ترمودینامیکی و سینتیکی عملکرد سیمان LC3 طی حمله ی سولفاتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آموزشی سازه و زلزله، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

2 گروه اموزشی ژئوتکنیک و آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

چکیده

بتن از پرکاربردترین و مهم‌‌ترین مصالح در بحث ساخت ‌‌و ساز است. یکی از موضوعات پر اهمیت در طراحی و ساخت سازه‌‌های بتنی، عمر سرویس‌‌دهی آن‌‌ها است. حمله‌‌ی سولفاتی در بتن، از شناخته‌‌شده‌‌ترین خرابی‌‌های بتن است که باعث کاهش عمر سرویس‌‌دهی سازه‌‌های بتنی می‌‌شود. در این مطالعه، سیمان‌‌ LC3 (جایگزینی بخشی از کلینکر با رس‌‌کلسینه‌‌شده و سنگ‌‌ آهک)، به عنوان راه‌‌حل موثری برای افزایش پایایی سیمان در محیط‌‌های غنی از سولفات و همچنین، کمک به مسائل زیست محیطی حاصل از کاهش نیاز به کلینکر مصرفی، مورد توجه قرار گرفته‌‌است. مطالعه‌‌ی ترمودینامیکی در باب ارزیابی عملکرد سیمان‌‌ LC3 در برابر حمله‌‌ی سولفاتی، با در نظر گرفتن پارامتر زمان، با استفاده از نرم‌‌افزار ترمودینامیکی، انجام شده‌‌است. مقایسه‌‌ی نتایج حاصل از شبیه‌‌سازی ترمودینامیکی با سایر مطالعات حاکی از دقت و صحت شبیه‌‌سازی‌‌های انجام شده‌‌است. در این مطالعه، بررسی نتایج منجر به معرفی مراحل مختلف سینتیکی تغییرات فازهای اترینگایت و گچ به عنوان محصولات اصلی حمله‌‌ی سولفاتی شد. بررسی نمودارهای تغییرات سینتیکی فازهای اترینگایت و گچ حاکی از آن است که افزایش دو پارامتر درصد جایگزینی سیمان و نسبت مقدار رس‌‌کلسینه‌‌‌‌شده به مجموع رس‌‌کلسینه‌‌‌‌شده و سنگ‌‌ آهک، سبب کاهش میزان و نرخ تولید دو فاز مخرب اترینگایت و گچ در طی حمله‌‌ی سولفاتی می‌‌شود. . همچنین، مقدار پارامتر نسبت مقدار رس‌‌کلسینه‌‌‌‌شده به مجموع رس‌‌کلسینه‌‌‌‌شده و سنگ‌‌ آهک، برابر با 0.6، به عنوان نسبت بهینه‌‌ی جایگزینی رس‌‌کلسینه‌‌شده و سنگ آهک در سیمان LC3، معرفی شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Thermodynamic and kinetic study of LC3 cement during sulfate attack

نویسندگان [English]

  • Sama Karkhaneh 1
  • Amir Tarighat 2
  • Saeed Ghaffarpour Jahromi 2
1 Shahid Rajaee Teacher Training University
2 Shahid RajaeeTeacher Training University
چکیده [English]

Concrete is the most common materials for the construction. One of the most important issues about the concrete construction design is the service life of structure. The concrete sulfate attack as the well-known concrete deterioration problem reduces the service life of concrete structures. In this study, LC3 cement (limestone calcined clay cement) as an eco-friendly cement due to the reduction of clincker demand, and also as an effective solution for the increasing the cement durability in sulfate-rich environments has been studied. A thermodynamic simulation has been conducted to evaluate the performance of LC3 cement (limestone calcined clay cement) against the sulfate attack, with the consideration of the time parameter, using a thermodynamic software. The simulation results are compared with experimental and modeling results to the confirmation of present model accuracy. The comparison of result shows the suitable conformity. In this study, different kinetics level for ettringite and gypsum (as the main products of sulfate attack) formation has been introduced. Analyzing kinetics diagrams show that high Calcined Clay/ Calcined Clay + Limestone ratio leads to reduction of ettringite and gypsum formation amount and formation rate during the sulfate attack, however Calcined Clay/ Calcined Clay + Limestone ratio of 0.6 could be consider as the optimal ratio because of better kinetics performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • LC3 Cement
  • Sulfate Attack
  • Thermodynamics
  • Ettringite
  • Gypsum

مراجع

[1] A. Neville, The confused world of sulfate attack on concrete, Cement and Concrete research, 34(8) (2004) 1275-1296.
[2] S. Siegesmund and R. Snethlage, Stone in architecture: properties, durability, Springer Science & Business Media, (2011).
[3] R. Tixier and B. Mobasher, Modeling of damage in cement-based materials subjected to external sulfate attack Formulation, Journal of materials in civil engineering, 15(4) (2003) 305-313.
[4] R. Flatt and G. Scherer, Thermodynamics of crystallization stresses in DEF, Cement and Concrete Research, 38(3) (2008) 325-336.
[5]  S. Joseph, S. Bishnoi and S. Maity, An economic analysis of the production of limestone calcined clay cement in India. Indian Concrete Journal, 90(11) (2016) 22-27.
[6]  S. Barbhuiya, J. Nepal and B. Das. Properties, compatibility, environmental benefits and future directions of limestone calcined clay cement (LC3) concrete: A review, Journal of Building Engineering: 107794 (2023).
[7] J. Sun, F. Zunino and K. Scrivener, Hydration and phase assemblage of limestone calcined clay cements (LC3) with clinker content below 50%, Cement and Concrete Research, 177 (2024) 107417.
[8] Z. HUANG, T. LIANG and C. Lijie, Experimental studies on durability performances of ultra-lightweight low-carbon LC3 cement composites against chloride ingression and carbonation. Construction and Building Materials, 395 (2023) 132340.
[9] W. Kunther, Z. Dai and J. Skibsted, Thermodynamic modeling of hydrated white Portland cement–metakaolin–limestone blends utilizing hydration kinetics from 29Si MAS NMR spectroscopy, Cement and Concrete Research, 86 (2016) 29-41.
[10] T. Schmidt, B. Lothenbach, M. Romer, J. Neuenschwander and K. Scrivener, Physical and microstructural aspects of sulfate attack on ordinary and limestone blended Portland cements. Cement and Concrete Research, 39(12) (2009) 1111-1121.
[11] B. Lothenbach, B. Bary, P. Le Bescop, T. Schmidt, and N. Leterrier, Sulfate ingress in Portland cement. Cement and Concrete Research, 40(8) (2010) 1211-1225.
[12] D. Damidot, B. Lothenbach, D. Herfort, and F. Glasser, Thermodynamics and cement science. Cement and Concrete Research, 41(7) (2011) 679-695.
[13] W. Kunther, B. Lothenbach and K. Scrivener, Influence of bicarbonate ions on the deterioration of mortar bars in sulfate solutions. Cement and concrete research, 44 (2013) 77-86.
[14] W. Kunther, B. Lothenbach and K Scrivener, On the relevance of volume increase for the length changes of mortar bars in sulfate solutions. Cement and Concrete Research, 46 (2013) 23-29.
[15] Z. Dai, W. Kunther, S. Ferreiro, D. Herfort and J. Skibsted, Phase Assemblages in Hydrated Portland Cement, Calcined Clay and Limestone Blends From Solid-State 27 Al and 29 Si MAS NMR, XRD, and Thermodynamic Modeling. In Calcined clays for sustainable concrete, (2015) 109-115.
[16] W. Kunther and B. Lothenbach, Improved volume stability of mortar bars exposed to magnesium sulfate in the presence of bicarbonate ions. Cement and Concrete Research, 109 (2018) 217-229.
[17] K. Scrivener, T. Matschei, F. Georget, P. Juilland and A. Mohamed, Advances in hydration and thermodynamics of cementitious systems, Cement and Concrete Research, 174 (2023) 107332.
[18] P. Li, W. Li, K. Wang, J.L. Zhou, A. Castel, S. Zhang and S Shah, Hydration of Portland cement with seawater toward concrete sustainability: Phase evolution and thermodynamic modelling. Cement and Concrete Composites, 138 (2023) 105007.
[19] D. Parkhurst C. Appelo, Description of input and examples for PHREEQC version 3a computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations. US geological survey techniques and methods, 6 (2023) A43.
[20] R. Hay, L. Li and K. Celik, Shrinkage, hydration, and strength development of limestone calcined clay cement (LC3) with different sulfation levels. Cement and Concrete Composites, 127 (2022) 104403.
[21] K. Scrivener, F. Martirena, S. Bishnoi and S. Maity, Calcined clay limestone cements (LC3). Cement and concrete research, 114 (2018) 49-56.
[22] F. Zunino and K. Scrivener, The reaction between metakaolin and limestone and its effect in porosity refinement and mechanical properties. Cement and Concrete Research, 140 (2021) 106307.
[23] D. Kulik, Improving the structural consistency of CSH solid solution thermodynamic models. Cement and Concrete Research, 41(5) (2011) 477-495.
[24] D. Gawin and M. Wyrzykowski, Modelling and experimental study of hydration for ordinary Portland cement. Architecture Civil Engineering Environment, 3(3) (2010) 45-54.
[25] A. Lasaga, J. Soler, J. Ganor, T. Burch and K. Nagy, Chemical weathering rate laws and global geochemical cycles. Geochimicaet Cosmochimica Acta, 58(10) (1994) 2361-2386.
[26] I. Baur, P. Keller, D. Mavrocordatos, B. Wehrli and C.A. Johnson, Dissolution-precipitation behaviour of ettringite, monosulfate, and calcium silicate hydrate. Cement and concrete research, 34(2) (2004) 341-348.
[27] S. Galı, C. Ayora, P. Alfonso, E. Tauler and M. Labrador, Kinetics of dolomite–portlandite reaction: Application to Portland cement concrete. Cement and Concrete Research, 31(6) (2001) 933-939.
[28] T. Tambach, M. Koenen, L. Wasch and F. Van Bergen, Geochemical evaluation of CO2 injection and containment in a depleted gas field. International Journal of Greenhouse Gas Control, 32 (2015) 61-80.
[29] J. Palandri and Y. Kharaka, A compilation of rate parameters of water-mineral interaction kinetics for application to geochemical modeling. Geological Survey Menlo Park CA (2024).
[30] L. Baquerizo, T. Matschei, K.L. Scrivener, M. Saeidpour and L. Wadsö, Hydration states of AFm cement phases. Cement and Concrete Research, 73 (2015) 143-157.
[31] A. Ipavec, R. Gabrovšek, T. Vuk, V. Kaučič, J. Maček and A. Meden, Carboaluminate Phases formation during the hydration of calcite‐containing Portland cement. Journal of the American Ceramic Society, 94(4) (2011) 1238-1242.
[32] B. Lothenbach, G. Le Saout, E. Gallucci and K. Scrivener, Influence of limestone on the hydration of Portland cements. Cement and Concrete Research, 38(6) (2008) 848-860.
[33] Y. Elakneswaran, E. Owaki, S. Miyahara, M. Ogino, T. Maruya and T. Nawa, Hydration study of slag-blended cement based on thermodynamic considerations. Construction and building materials, 124 (2016) 615-625.
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 56، شماره 6
1403
صفحه 729-748

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار