بررسی استفاده از پومیس در بتن خاکی خود‌متراکم از منظر مقاومت مکانیکی، ریزساختار و تحلیل چرخه عمر

خداپرست, افشین; صمیمی, کیانوش; پاکان, مهیار

doi:10.22065/jsce.2024.470374.3479

بررسی استفاده از پومیس در بتن خاکی خود‌متراکم از منظر مقاومت مکانیکی، ریزساختار و تحلیل چرخه عمر

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

افشین خداپرست ¹

کیانوش صمیمی ²

مهیار پاکان ³

¹ دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌ زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

² استادیار - گروه سازه و زلزله، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست - دانشگاه شهید بهشتی - تهران - ایران

³ دانش آموخته دکتری، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.22065/jsce.2024.470374.3479

چکیده

بدیهی است که با افزایش آگاهی نسبت به گرم شدن کره زمین، ساخت و سازهای مبتنی بر خاک مورد توجه مجدد قرار گرفته است. بدین منظور، مطالعه‌ای جامع در جهت امکان سازی استفاده از بتن خاکی خودمتراکم حاوی پومیس به عنوان جایگزین سیمان در بتن با انجام آزمایشات مختلف انجام گردیده است. از این رو، آزمایشاتی جهت مطالعه مقاومت مکانیکی، ریزساختاری و تحلیل چرخه عمر بر روی بتن خاکی خودمتراکم حاوی درصد های مختلف جایگزینی پومیس با سیمان انجام شده است. ابتدا، مخلوط‌هایی حاوی سیمان، پومیس و 3 نوع خاک مختلف جهت تعیین خاک بهینه در جهت ساخت بتن از منظر نتایج مقاومت فشاری، مشخصات شیمیایی، و میزان روان‌کننده مورد نیاز بررسی گردید. نتایج آزمایشات حالت تازه نشان داد، برای حفظ محدوده استاندارد حالت تازه بتن خاکی خود‌متراکم، با افزایش میزان جایگزینی پومیس میزان روان‌کننده مورد نیاز کاهش می‌یابد. همچنین، با افزایش میزان جایگزینی پومیس، میزان مقاومت فشاری در سنین اولیه نگهداری کاهش قابل ملاحظه‌ای به همراه دارد. اما با گذشت زمان بواسطه خواص پوزولانی پومیس، مقامت فشاری افزایش می‌یابد. نتایج آزمایش تنش-کرنش نشان داد، مود شکست نمونه‌ها بواسطه جایگزینی پومیس به جای سیمان در سنین اولیه نگهداری ترد و شکننده می‌باشند. با افزایش میزان پومیس در مدت نگهداری بالاتر، شکل‌پذیری و کرنش قابل تحمل بتن در زمان نگهداری بیشتر، افزایش می‌یابد. بررسی نتایج ریز ساختار نشان داد، در سنین اولیه نگهداری میزان فضای خالی و ترک در نمونه‌ها بواسطه عدم حضور سیمان کافی و تکمیل فرآیند هیدراتاسیون افزایش می‌یابد. همچنین، در مدت زمان نگهداری 90 روز، بواسطه خواص پوزولانی پومیس شاهد افزایش فاز‌های CH و CSH بوده‌ایم. تحلیل چرخه عمر بر اساس روش ReCiPe 2016 نشان می-دهد، افزایش جایگزینی پومیس تاثیر بسزایی در کاهش آسیب‌های محیط زیستی بتن دارد. همچنین بر اساس نتایج، میزان انتشار CO2 در جایگزینی 35%محتوای سیمان با پومیس به میزان 22/31% کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

انتشار گاز CO2

بتن خاکی خود‌متراکم

پومیس

مقاومت مکانیکی

چرخه عمر

موضوعات

نقش مصالح در افزایش دوام و مقاومت سازه ها

عنوان مقاله English

Investigating the substitution of pumice with cement in self-compacting earth concrete in terms of mechanical strength, microstructure and life cycle analysis

نویسندگان English

afshin khodaparast ¹

Kianoosh Samimi ²

Mahyar Pakan ³

¹ PhD student, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

² Assistant Professor, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

³ PhD, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده English

Clearly, with increased awareness of global warming, earth-based construction is gaining renewed interest. Therefore, a comprehensive study has been conducted to evaluate the use of natural pozzolan (pumice) as an alternative to cement in self-compacting earth concrete. In this regard, fresh state, mechanical, microstructural, and life cycle analyses of pumice-containing self-compacting earth concrete are evaluated in this study. To choose the optimal type of earth, compressive strength, chemical analysis, and required SP amount for three different types of earth pastes were investigated. Based on this result, in order to achieve the allowable self-compacting earth concrete fresh state, the amount of SP required decreases as the amount of pumice replacement increases. Based on the results, pumice substitution decreases compressive strength at all curing ages. However, pumice's pozzolanic effects increase compressive strength over time. Stress-strain results indicate that the failure modes of pumice-containing mixtures are more brittle due to the insufficient cementation hydration products at early curing ages. Also, with increasing the proportion of pumice in the SCEC mixtures at long-term curing ages, the ductility and maximum strain of the concrete increase at long-term curing ages. A microstructural analysis indicated that substituting pumice for cement increases voids and cracks at an early curing age due to insufficient hydration products. Long-term pumice pozzolanic reactions also increase CH and CSH phases after 90 days of curing. Furthermore, the life cycle analysis based on the ReCiPe 2016 method indicates that increasing pumice substitution can reduce environmental impact of the SCEC mixtures. Moreover, substituting 35% of cement content for pumice reduces CO2 emissions by 31.22%.

کلیدواژه‌ها English

CO2 emission

Self-Compacting Earth Concrete

Pumice

Mechanical strength

Life cycle

[1] T. Economist. (2017). Summit-mania new life for the Paris climate deal. Economist.

[2] Harvey, F. (2017). Calls for greater fossil fuel divestment at anniversary of Paris climate deal. The Guardian.

[3] Zhang, H., Wang, B., Xie, A. and Qi, Y. (2017). Experimental study on dynamic mechanical properties and constitutive model of basalt fiber reinforced concrete. Construction and Building Materials, Vol. 152, pp. 154-67.

[4] Saidi, M. Cherif, A.S. Zeghmati, B. and Sediki, E. (2018), Stabilization effects on the thermal conductivity and sorption behavior of earth bricks. Construction and Building Materials, Elsevier. Vol. 167, pp. 566–77.

[5] Silva, R. Mendes, N. Oliveira, D. Romanazzi, A. Domínguez-Martínez, O. Miranda, T. (2018). Evaluating the seismic behaviour of rammed earth buildings from Portugal: From simple tools to advanced approaches. Engineering Structures, Elsevier. Vol. 157, pp. 144–56.

[6] Huang, L. Krigsvoll, G. Johansen, F. Liu, Y. Zhang, X. (2018). Carbon emission of global construction sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 81, pp. 1906–16.

[7] Bayat, H. Ramezanianpour, A. Farnood Ahmadi, P. Naghizade, A. (2020). Mechanical and rheological properties of self-compacting concrete containing slag and natural zeolite. AUT Journal of Civil Engineering. Vol. 4, pp. 81–90.

[8] Mohseni pour asl, J. Gholhaki, M. Sharbatdar, M. Pachideh, G. (2022). An experimental investigation into the mechanical performance and microstructure of cementitious mortars containing recycled waste materials subjected to various environments. Journal of Building Engineering. Vol. 13, pp. 12-32.

[9] Khalily, M. Saberi, H. Mansouri, V. Sadeghi, A. Pachideh, G. (2022). An Experimental Study on the Effect of High Temperatures on Performance of the Plastic Lightweight Concrete Containing Steel, Polypropylene and Glass Fibers. Journal of Structural and Construction Engineering, (JSCE). Vol. 2022, pp. 10-21.

[10] Toufigh, V. Pachideh, G. (2020). Cementitious mortars containing pozzolana under elevated temperatures. Structural concrete. Vol. 1, pp. 34–53.

[11] Chambua, G. Safiel, T. Yusuf, A. Naghizade, A. (2021). Strength and durability properties of concrete containing pumice and scoria as supplementary cementitious material. Advances in Materials Science and Engineering. Vol. 2021, pp. 1-13.

[12] Samimi, K. Kamaragi, G. Le Roy, R. (2019). Microstructure, thermal analysis and chloride penetration of self-compacting concrete under different conditions. Magazine of Concrete Research, Thomas Telford Ltd. Vol. 71, pp. 126–43.

[13] Pachideh, G. Ketabdari, H. (2023). Investigation of the mechanical properties of self-compacting concrete containing recycled steel springs; experimental and numerical investigation. European Journal of Environmental and Civil Engineering, Taylor & Francis. Vol. 310, pp. 215.

[14] Kohandelnia, M. Hosseinpoor, M. Yahia, A. and Belarbi, R. (2023). Multiscale investigation of self-consolidating earthen materials using a novel concrete-equivalent mortar approach. Journal of Construction and Building Materials, Elsevier. Vol. 370, pp. 130700.

[15] Khodaparast, A. Samimi, K. Pakan, M. (2024). Investigation of the mechanical properties and microstructure of self-compacting earth concretes for use in low-carbon construction systems. Journal of Structural and Construction Engineering, (JSCE). Vol. 2024, pp. 17-37.

[16] Azizi, M. Samimi, K. (2024). Investigating the mechanical properties, shrinkage and microstructure of self-compacting earth concrete containing silica fume. Journal of Structural and Construction Engineering, (JSCE). Vol. 2024, pp. 11-25.

[17] Rahman, F. Adil, W. Raheel, M. Saberian, M. Li, J. Maqsood, T. (2022). Experimental investigation of high replacement of cement by pumice in cement mortar: A mechanical, durability and microstructural study. Journal of Building Engineering. Vol. 49, pp 104037.

[18] Samimi, K. Kamali-Bernard, S. Akbar Maghsoudi, A. Maghsoudi, M. Siad, H. (2017). Influence of pumice and zeolite on compressive strength, transport properties and resistance to chloride penetration of high strength self-compacting concretes. Construction and Building Materials, Elsevier. Vol. 151, pp. 292–311.

[19] Samimi, K. Pakan, M. Eslami, J. (2023). Investigating the compressive strength and microstructural analysis of mortar containing synthesized graphene and natural pozzolans in the face of alkali-silica reactions. Journal of Building Engineering, Elsevier. Vol. 68, pp. 106126.

[20] Shamas, Y. Nithin, H. Sharma, V. Jeevan, S.D. Patil, S. Imanzadeh, S. et al. (2023). Toughness and Ultimate Compressive Strength of Bio-Based Raw Earth Concrete. RILEM Book series, Springer. p. 310–23.

[21] ASTM C150. (2020). Standard Specification for Portland cement. ASTM Int. p. 1–8.

[22] ASTM C31 / C31M - 21a. (2021). Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Field. ASTM International, Philadelphia. p. 1–7.

[23] ASTM C511-19. (2019). Standard Specification for Mixing Rooms, Moist Cabinets, Moist Rooms, and Water Storage Tanks Used in the Testing of Hydraulic Cements and Concretes. ASTM Stand. Guid. p. 13.

[24] ASTM C109 / C109M-21. (2021). Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic Cement Mortars. ASTM International, Philadelphia. p. 17.

[25] C39/C39M-18, ASTM. (2018). Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. ASTM International, Philadelphia. p. 22.

[26] C496/496M, ASTM (2017). Standard test method for splitting tensile strength of cylindrical concrete specimens. ASTM International, Philadelphia. P. 12.

[27] NGO, D, (2017). Développement d’un nouveau éco-béton à base de sol et fibres végétales – Etude du comportement mécanique et de durabilité, DOCTEUR DE L, UNIVERSITÉ DE BORDEAUX. Vol. 3, p 25.

[28] Association Française du Génil Civil (AFGC). (2002). Bétons fibrés à ultra-hautes performances. AFGC-SETRA. p. 11.

[29] Wei, Y. Zhou, M. Zhao, K. Zhao, K. Li, G. (2020). Stress–strain relationship model of glulam bamboo under axial loading. Advanced Composites Letters, SAGE Publications Sage UK: London, England. Vol. 29, pp. 26.

[30] Samimi, K., Pakan, M., Eslami, J. and Asgharnejad, L. (2022). Investigation of two different water-dispersed graphene on the performance of graphene/cement paste: Surfactant and superplasticizer effect. Construction and Building Materials, Vol.349, p.128756.

[31] Samimi, K. and Zareechian, M., (2022). Chemical resistance of synthesized graphene-modified cement paste containing natural pozzolans to acid attack. Journal of Building Engineering. Vol.60, p.105174.

[32] Samimi, K. Farahani, M. Pakan, M. and Shirzadi Javid, A.A. (2022). Influence of pumice and metakaolin on compressive strength and durability of concrete in acidic media and on chloride resistance under immersion and tidal conditions. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, Vol. 46(2), pp.1153-1175.