تأثیر اندازه سنگ‌دانه بر خصوصیات مکانیکی و میزان آسیب‌های وارده به بتن ناشی از وقوع واکنش قلیایی- سیلیسی در گذر زمان

عباسیان طائب, مریم; رضایی, فریدون; قیاسوند, ابراهیم

doi:10.22065/jsce.2023.408846.3183

تأثیر اندازه سنگ‌دانه بر خصوصیات مکانیکی و میزان آسیب‌های وارده به بتن ناشی از وقوع واکنش قلیایی- سیلیسی در گذر زمان

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

مریم عباسیان طائب ¹

فریدون رضایی ²

ابراهیم قیاسوند ³

¹ دانشجوی دکتری عمران، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

² دانشیار گروه عمران، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

³ استادیار گروه عمران، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

10.22065/jsce.2023.408846.3183

چکیده

واکنش قلیایی– سیلیسی به عنوان یکی از دلایل تخریب سازه‌های بتنی در گذر زمان و تهدیدی برای دوام آنها شناسایی شده است. این واکنش موجب انبساط خمیر سیمان، ترک خوردن و به دنبال آن از دست رفتن مقاومت بتن می‌شود. ساده‌ترین راهکار برای جلوگیری از این واکنش، بررسی قابلیت واکنش‌زایی سنگ‌دانه‌ها و عدم مصرف سنگ‌دانه‌ی واکنش‌پذیر در بتن است. هدف از این پژوهش، بررسی میزان تأثیرگذاری سنگ‌دانه‌ی ریز و درشت واکنش‌پذیر بر خصوصیات مکانیکی بتن آسیب‌دیده شامل مقاومت فشاری، کششی و مدول گسیختگی و نیز میزان انبساط رخ‌داده در آن ناشی از وقوع این پدیده‌ی مخرب در گذر زمان است. بدین‌منظور، چهار نوع مخلوط بتنی از ترکیب‌های مختلف سنگ‌دانه‌ی ریز و درشت واکنش‌پذیر و غیر واکنش‌پذیر با نسبت آب به سیمان 5/0 در آزمایشگاه ساخته شد. نمونه‌های مورد مطالعه به مدت 6 ماه در محیط شبیه‌سازی شده و تحت شرایط تسریع‌شده قرار گرفت. نتایج نشان داد، انبساط مخلوط بتنی که بخش واکنش‌پذیر سنگ‌دانه‌های مصرفی آن، فقط ماسه یا فقط شن بود، به ترتیب به مقدار 4/4 و 5/3 برابر طرح مخلوط شاهد (مخلوط بتنی که تمام سنگ‌دانه‌های ریز و درشت آن غیر واکنش‌پذیر می‌باشد) بود. همچنین، مصرف سنگ‌دانه‌ی ریز واکنش‌پذیر در مقایسه با مصرف سنگ‌دانه‌ی درشت واکنش‌پذیر، موجب کاهش بیشتر مقاومت فشاری، کششی و مدول گسیختگی در مخلوط بتن شد. بنابراین، جایگزینی ماسه‌ی واکنش‌پذیر با ماسه‌ی غیر واکنش‌پذیر، در مقایسه با جایگزینی شن واکنش‌پذیر با شن غیر واکنش‌پذیر به عنوان راهکار مؤثرتری برای کنترل واکنش قلیایی – سیلیسی توصیه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

واکنش قلیایی- سیلیسی

اندازه سنگ‌دانه واکنش‌پذیر

مقاومت فشاری

مقاومت کششی

مدول گسیختگی

موضوعات

نقش مصالح در افزایش دوام و مقاومت سازه ها

عنوان مقاله English

The impact of the size of reactive aggregate on the mechanical properties of concrete and the extent of ASR damage over the time

نویسندگان English

Maryam Abbasiyan Taeb ¹

Freydoon Rezaie ²

Ebrahim Ghiasvand ³

¹ Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran

² Associate Professor, Department of Civil Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran

³ Assistance Professor, Department of Civil Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran

چکیده English

Alkali-Silica Reaction (ASR) is identified as one of the reasons for destruction of the concrete structures and poses a threat to its durability. ASR causes the cement paste to expand, crack, and consequently weakens the strength of the concrete. The simplest solution to prevent ASR is to test aggregates' reactivity potential, identify the reactive ones, and then exclude them from the concrete mix. This research aims to examine the impact of fine and coarse reactive aggregate on (1) the mechanical properties of damaged concrete including compressive strength, tensile strength, and modulus of rupture, and (2) the extent of expansion that occurred over time due to the occurrence of this phenomenon. To this aim, four concrete mixtures are made using different combinations of fine and coarse aggregates, that could be reactive or nonreactive, with a water-cement ratio of 0.5. According to the results, the concrete mix whose reactive part was only sand or only gravel expanded 4.4 or 3.5 times over the control mix design (a concrete mixture that is only made of non-reactive aggregates), respectively. Furthermore, using fine reactive aggregates in the concrete mixture reduces compressive strength, tensile strength, and modulus of rupture compared to using coarse reactive aggregates. Therefore, replacing reactive sand with non-reactive sand is recommended as a more effective solution to control the ASR, compared to replacing reactive gravel with non-reactive gravel.

کلیدواژه‌ها English

Alkali-silica reaction

Reactive aggregate size

Compressive strength

Tensile strength

Modulus of rupture

[1] Figueira, R., et al. (2019). Alkali-silica reaction in concrete: Mechanisms, mitigation and test methods. Construction and Building Materials, 222, p. 903-931.

[2] Fanijo, E.O., J.T. Kolawole, and A. Almakrab. (2021). Alkali-silica reaction (ASR) in concrete structures: Mechanisms, effects and evaluation test methods adopted in the United States. Case Studies in Construction Materials, 15, p. e00563.

[3] Diab, S., Soliman, A. and Nokken, M. (2020). Changes in mechanical properties and durability indices of concrete undergoing ASR expansion. Construction and Building Materials, 251, p. 118951.

[4] Mohammadi, A. Ghiasvand, E. and Nili, M. (2020). Relation between mechanical properties of concrete and alkali-silica reaction (ASR); a review. Construction and Building Materials, 258, p. 119567.

[5] Reinhardt, H.W., Ozkan, H, and Mielich, O. (2018). Changes in mechanical properties of concrete due to ASR. Hormigony Acero, 69, p. 15-19.

[6] Binal, A. (2015). The pessimum ratio and aggregate size effects on alkali silica reaction. Procedia Earth and Planetary Science. 15, p. 725-731.

[7] Gautam, B.P., et al. (2017). Effect of coarse aggregate grading on the ASR expansion and damage of concrete. Cement and Concrete Research, 95, p. 75-83.

[8] Kuroda, T., et al. (2004). Effects of particle size grading and content of reactive aggregate on ASR expansion of mortars subjected to autoclave method. In: Proc. 12th Int. Conf. Alkali-Aggregate React. Beijing, China.

[9] Zhang, C., et al. (1999). Influence of aggregate size and aggregate size grading on ASR expansion. Cement and Concrete Research, 29(9), p. 1393-1396.

[10] Multon, S., et al. (2008). Coupled effects of aggregate size and alkali content on ASR expansion. Cement and Concrete Research, 38(3), p. 350-359.

[11] Ramyar, K., Topal, A. and Andic, O. (2005). Effects of aggregate size and angularity on alkali–silica reaction. Cement and Concrete Research, 35(11), p. 2165-2169.

[12] Dunant, C.F. and Scrivener, K.L. (2012). Effects of aggregate size on alkali–silica-reaction induced expansion. Cement and Concrete Research, 42(6), p. 745-751.

[13] Gao, X.X., et al. (2013). Alkali–silica reaction (ASR) expansion: Pessimum effect versus scale effect. Cement and Concrete Research, 44, p. 25-33.

[14] Yang, L., et al. (2022). Computational modelling of expansion and deterioration due to alkali–silica reaction: Effects of size range, size distribution, and content of reactive aggregate. International Journal of Solids and Structures, 234, p. 111220.

[15] Pan, J., et al. (2022). Influence of coarse aggregate size on deterioration of concrete affected by alkali-aggregate reaction. Construction and Building Materials, 329, p. 127228.

[16] Joo, H.E. and Y. Takahashi. (2021). Development of alkali-silica reaction model considering the effect of aggregate size. Cement and Concrete Composites, 122, p. 104149.

[17] Ministry of Housing and Urban Development of Iran, (2008). The National Method For Concrete Mix Design. Tehran: Road, Housing and Urban Development Research Center, p.3-21

[18] Chéruel, A. and M.B. Ftima. (2023). Unrestrained ASR volumetric expansion for mass concrete structures: Review and experimental investigation using 3d laser scanning. Construction and Building Materials, 399, p. 132565.

[19] ASTM C1260, Standard. (2007). Test method for potential alkali reactivity of aggregates (mortar-bar method). Section, 4, p. 676-680.

[20] Gautam, B.P. and D.K. Panesar. (2017). The effect of elevated conditioning temperature on the ASR expansion, cracking and properties of reactive Spratt aggregate concrete. Construction and Building Materials, 140, p. 310-320.

[21] RILEM TC 219-ACS, RILEM Recommended Test Method: AAR-4.1. (2011). Detection of Potential Alkali-Reactivity – 60 C Test Method for Aggregate Combinations Using Concrete Prisms (Draft). Bagneux, France.

[22] ASTM C1293, Standard. (2008). Test method for determination of length change of concrete due to alkali–silica reaction. West Conshohocken, PA: ASTM International.

[23] BS EN 12390-3, Standard. (2009). Testing hardened concrete—compressive strength of test specimens, British Standard: London, UK.

[24] ASTM C496, Standard. (2011). Standard test method for splitting tensile strength of cylindrical concrete specimens. West Conshohocken, PA: ASTM International.

[25] ASTM C78-02, Standard. (2003). Standard test methods for flexural strength of concrete (using simple beam with third-point loading). West Conshohocken, PA: ASTM International.

[26] Ahmed, T., et al. (2003). The effect of alkali reactivity on the mechanical properties of concrete. Construction and Building Materials, 17(2), p. 123-144.

[27] Hafci, A., Turanli, L. and Bektas, F. (2021). Effect of ASR expansion on mechanical properties of concrete. Cement-Wapno Beton, 26(1), p. 12-23.

[28] Thomas, M.D., Fournier, B. and Folliard, K.J. (2013) Alkali-aggregate reactivity (AAR) facts book. United States. Federal Highway Administration. Office of Pavement Technology.

[29] Giaccio, G., et al. (2008). Mechanical behavior of concretes damaged by alkali-silica reaction. Cement and Concrete Research, 38(7), p. 993-1004.