مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

بررسی کمی گرادیان حرارتی و مدل‌سازی رفتار حرارتی بتن ژئوپلیمری حاوی الیاف فولادی، حافظه‌دار شکلی و شیشه در دماهای بالا

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار، گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد چالوس، چالوس، ایران
2 دانشجوی دکتری، گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد چالوس، چالوس، ایران
3 دانشیار، گروه عمران، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
4 استادیار، گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد چالوس، چالوس، ایران
10.22065/jsce.2026.580141.3963
چکیده
صنعت سیمان سهم قابل‌توجهی در انتشار گازهای گلخانه‌ای دارد و بتن ژئوپلیمری به‌عنوان جایگزینی پایدار مطرح‌ شده است، اما رفتار حرارتی آن در معرض آتش‌سوزی نیازمند بررسی دقیق است. در این پژوهش، گرادیان حرارتی بتن ژئوپلیمری حاوی الیاف مختلف ارزیابی شد. پنج طرح اختلاط شامل شاهد (بدون الیاف)، حاوی 0/5 درصد الیاف فولادی، 0/5 درصد الیاف حافظه‌دار شکلی، ۱ درصد الیاف شیشه و ترکیب هیبریدی (0/25 درصد فولادی + ۱ درصد شیشه) ساخته شد. نمونه‌ها در کوره الکتریکی با نرخ ۵ درجه بر دقیقه تا دماهای ۱۵۰، ۴۰۰، ۶۰۰ و ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده شدند و دما در سه نقطه (داخل کوره، سطح و عمق 7/5 سانتی‌متری) هر ۱۰ دقیقه ثبت گردید. گرادیان حرارتی از رابطه TG = (T0 - T7.5) / d محاسبه شد. نتایج نشان داد که نمونه شاهد به ترتیب در ۳۵، ۲۱۰، ۲۵۰ و ۳۱۰ دقیقه به دماهای ۱۵۰، ۴۰۰، ۶۰۰ و ۹۰۰ درجه رسید. بیشترین گرادیان حرارتی (19/33 درجه بر سانتی‌متر) در دمای ۹۰۰ درجه و ۶۰ دقیقه اول ثبت شد. نمونه حاوی الیاف حافظه‌دار شکلی با کاهش 17/7 درصدی گرادیان حرارتی و ایجاد تأخیر ۲۰ دقیقه‌ای در گرمایش هسته، بهترین عملکرد را داشت. مدل رگرسیون نمایی (R² = 0.97) برای پیش‌بینی گرادیان حرارتی ارائه شد. استاندارد ISO 834 تطابق بیشتری با داده‌های تجربی نسبت به ASTM E119 داشت. آیین‌نامه ACI 216 گرادیان حرارتی بتن ژئوپلیمری را تا ۳۰ درصد کمتر از مقدار واقعی تخمین زد. بر پایه تصاویر SEM در دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، حضور ریزترک‌های گسترده همراه با ریخت سوزنی‌ شکل در بافت نمونه به اثبات رسید که توجیه‌کننده افزایش گرادیان حرارتی است. همچنین آنالیز XRD حاکی از آن است که فازهای C-S-H به‌طور کامل دچار تخریب ‌شده و میزان بلورینگی ساختار افزایش می‌یابد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Quantitative Assessment of Thermal Gradient and Thermal Behavior Modeling of Geopolymer Concrete Containing Steel, Shape Memory Alloy and Glass Fibers at Elevated Temperatures

نویسندگان English

Morteza Jamshidi 1
Muhammed Maleknia 2
Rahmat Madandoust 3
Morteza Biklaryan 4
1 Assistant professor, Department of Civil Engineering, Islamic Azad University of Chalus, Chalus, Iran.
2 Ph.D. student, Department of Civil Engineering, Islamic Azad University of Chalus, Chalus, Iran.
3 Associate Professor, Department of Civil Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran
4 Assistant professor, Department of Civil Engineering, Islamic Azad University of Chalus, Chalus, Iran.
چکیده English

The cement industry significantly contributes to greenhouse gas emissions, and geopolymer concrete has been proposed as a sustainable alternative; however, its thermal behavior under fire exposure requires detailed investigation. In this research, the thermal gradient of geopolymer concrete containing different fibers was evaluated. Five mix designs were prepared: control (without fibers), containing 0.5% steel fibers, 0.5% shape memory alloy fibers, 1% glass fibers, and a hybrid combination (0.25% steel + 1% glass fibers). Specimens were heated in an electric furnace at a rate of 5°C/min to temperatures of 150, 400, 600 and 900°C. Temperatures were recorded every 10 minutes at three points (inside the furnace, on the surface, and at a depth of 7.5 cm). The thermal gradient was calculated using the equation TG = (T0 - T7.5) / d. The results showed that the control specimen reached 150, 400, 600 and 900°C in 35, 210, 250 and 310 minutes, respectively. The maximum thermal gradient (19.33 °C/cm) was recorded at 900°C in the first 60 minutes. The specimen containing shape memory alloy fibers exhibited the best performance, reducing the thermal gradient by 17.7% and creating a 20-minute delay in core heating. An exponential regression model (R² = 0.97) was proposed for predicting the thermal gradient. The ISO 834 standard showed better agreement with experimental data compared to ASTM E119. The ACI 216 code underestimated the thermal gradient of geopolymer concrete by up to 30%.

SEM micrographs at 600°C revealed extensive microcracks and a needle-like morphology, justifying the increase in the thermal gradient. Furthermore, XRD analysis indicated the complete degradation of C-S-H phases and an increase in crystallinity at this temperature.

کلیدواژه‌ها English

Geopolymer concrete
Thermal gradient
Thermal modeling
Shape memory alloy fibers
Elevated temperatures

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 06 تیر 1405

  • تاریخ دریافت 16 اردیبهشت 1405
  • تاریخ بازنگری 18 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 06 تیر 1405