• صفحه اصلی
  • تحلیل آزمایشگاهی دوام و رفتار مکانیکی بتن خودتراکم حاوی متاکائولن در محیط‌های سولفاتی با رویکرد کاهش مصرف سیمان و حفاظت از محیط‌زیست

اشتراک گذاری

آدرس مقاله


کد مقاله : 140403221209742 بازدید : 9 صفحه: 52 - 72

نوع مقاله: پژوهشی

تحلیل آزمایشگاهی دوام و رفتار مکانیکی بتن خودتراکم حاوی متاکائولن در محیط‌های سولفاتی با رویکرد کاهش مصرف سیمان و حفاظت از محیط‌زیست

محورهای موضوعی : فنآوری های نوین در منابع طبیعی و محیط زیست

کرار عبدالامیر ناهی 1 , محمد امیر شرافتی 2 * , هادی فاطمی 3

1 - عمران ، مهندسی ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز ، شیراز ، ایران
2 - گروه عمران دانشگاه ازاد اسلامی شیراز
3 - عمران ، مهندسی ، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شیراز ،شیراز، ایران

تاریخ دریافت : 1404/02/16 تاریخ پذیرش : 1404/03/22 تاریخ انتشار : 1404/03/29

کلید واژه: سیمان, متاکائولن, بتن خودتراکم, محیط سولفاتی, ریزساختار, توسعه پایدار و محیط زیست,

چکیده مقاله :

مقدمه: در سال‌های اخیر، صنعت ساخت‌وساز به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان منابع‌ طبیعی و تولیدکنندگان گازهای گلخانه‌ای شناخته شده است. یکی از مهم‌ترین مصالح مورد استفاده در این صنعت، سیمان پرتلند است که تولید آن نیازمند مصرف قابل توجهی از انرژی بوده و گاز دی‌اکسید کربن (CO₂) یکی از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای را به جو آزاد می‌کند. این مسئله نه‌تنها کیفیت هوا و سلامت انسان را تحت تأثیر قرار می‌دهد، بلکه باعث تشدید گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی نیز می‌شود. علاوه بر این، تولید سیمان به‌شدت به مواد اولیه‌ای مانند سنگ‌آهک و خاک رس وابسته است و استخراج بی‌رویه این مواد منجر به کاهش منابع طبیعی غیرقابل تجدید و تهدید پایداری زیست‌محیطی می‌شود.

مواد و روش‌ها: هدف پژوهش بررسی تأثیر جایگزینی جزئی سیمان با متاکائولن در بتن خودتراکم (SCC) و ارزیابی عملکرد این بتن در محیط‌های خورنده غنی از یون سولفات بود. برای این منظور، نمونه‌های بتن خودتراکم با سه سطح جایگزینی متاکائولن (۵٪، ۱۵٪ و ۲۵٪ وزنی سیمان) تهیه شدند. به‌منظور شبیه‌سازی شرایط خورنده محیطی، نمونه‌ها در معرض چهار محلول سولفات مختلف قرار گرفتند که حاوی یون‌های سولفات حاصل از سولفات‌سدیم (Na₂SO₄)، سولفات‌منیزیم (MgSO₄)، سولفات‌کلسیم (CaSO₄) و سولفات‌آمونیوم (NH₄)₂SO₄)) بودند. این یون‌ها به‌دلیل اثرات مخرب‌شان بر سازه‌های بتنی، به‌ویژه در محیط‌های صنعتی و دریایی انتخاب تا مقاومت بتن تحت شرایط واقعی‌تر ارزیابی شود.

  

نتایج و بحث: نتایج آزمایشگاهی نشان داد که استفاده از متاکائولن تأثیر مثبتی بر ویژگی‌های بتن خودتراکم دارد. در میان نمونه‌های مورد بررسی، مخلوط حاوی ۱۵٪ متاکائولن بهترین عملکرد را نشان داد. این مخلوط افزایش قابل‌توجهی در مقاومت فشاری نسبت به نمونه شاهد (فاقد متاکائولن) داشت. همچنین جذب آب کاهش یافت که نشان‌دهنده کاهش تخلخل و افزایش تراکم ریزساختار بتن است. تصاویر SEM پیوستگی بیشتر و خلل و فرج کمتر را در ساختار داخلی بتن تأیید کردند. بتن حاوی ۱۵% متاکائولن هم‌چنین مقاومت بیشتری در برابر محیط‌های سولفاتی، به‌ویژه در برابر یون‌های منیزیم و آمونیوم، از خود نشان داد و خرابی سطحی و ترک‌خوردگی کم‌تری مشاهده شد. علاوه بر این، جایگزینی جزئی سیمان با متاکائولن باعث کاهش انتشار CO₂ در فرآیند تولید بتن گردید که نقش مؤثری در کاهش تأثیرات زیست‌محیطی این ماده پرمصرف ساختمانی دارد. آزمایش‌های مقاومت فشاری در سنین مختلف نشان داد که مخلوط %۱۵ متاکائولن نه‌تنها در سن ۲۸ روزه، بلکه در سنین زودهنگام (۷ روز) و بلندمدت (۹۰ روز) عملکرد بهتری دارد که بیانگر واکنش‌پذیری پوزولانی مطلوب و توسعه مناسب ریزساختار در بلندمدت است. کاهش جذب آب نیز نشان‌دهنده نفوذپذیری کم‌تر به یون‌های مهاجم و در نتیجه کاهش تخریب در طول زمان می‌باشد. تحلیل تنش-کرنش نشان داد که نمونه‌های حاوی متاکائولن دارای سختی (مدول الاستیسیته) بالاتری هستند که نشان‌دهنده مقاومت بیشتر بتن در برابر تغییر شکل‌های ناگهانی تحت بارهای متناوب است.

نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، می‌توان نتیجه گرفت که استفاده بهینه از 15% متاکائولن نه‌تنها خواص مکانیکی و دوام بتن خودتراکم را در برابر حمله یون‌های سولفات بهبود می‌بخشد، بلکه نقش مهمی در کاهش آلودگی زیست‌محیطی از طریق کاهش مصرف سیمان ایفا می‌کند. استفاده از متاکائولن با رویکردهای توسعه پایدار همسو بوده و می‌تواند عمر مفید سازه‌ها را در شرایط محیطی سخت افزایش دهد.

  

چکیده انگلیسی:

Introduction: In recent years, the construction industry has been recognized as one of the largest consumers of natural resources and producers of greenhouse gases. One of the most important materials used in this industry is Portland cement, the production of which consumes significant amounts of energy and emits carbon dioxide (CO₂) one of the main greenhouse gases into the atmosphere. This issue not only affects air quality and human health but also accelerates global warming and climate change. Moreover, cement production relies heavily on raw materials such as limestone and clay, and excessive extraction of these materials leads to depletion of non-renewable natural resources and threatens environmental sustainability.

Materials and Methods: This study aimed to investigate the effect of partially replacing cement with metakaolin in self-compacting concrete (SCC) and to evaluate the performance of this concrete in sulfate-rich corrosive environments. For this purpose, SCC samples were prepared with three different metakaolin replacement levels: 5%, 15%, and 25% by weight of cement. To simulate corrosive environmental conditions, samples were exposed to four sulfate solutions containing sulfate ions from sodium sulfate (Na₂SO₄), magnesium sulfate (MgSO₄), calcium sulfate (CaSO₄), and ammonium sulfate ((NH₄)₂SO₄). These sulfate ions were selected due to their destructive effects on concrete structures, particularly in industrial and marine environments, to accurately assess the concrete's resistance under realistic conditions.

  

Results and Discussion: Laboratory results demonstrated that incorporating metakaolin significantly improved the characteristics of self-compacting concrete. Among the tested samples, the mixture containing 15% metakaolin exhibited the best performance. This mixture showed a notable increase in compressive strength compared to the control sample (without metakaolin). Additionally, water absorption decreased, indicating reduced porosity and increased density of the concrete microstructure. SEM images confirmed greater cohesion and fewer voids within the internal structure of the concrete. The 15% metakaolin concrete also exhibited higher resistance to sulfate environments, particularly against magnesium and ammonium ions, with less surface deterioration and cracking observed. Furthermore, the partial replacement of cement with metakaolin reduced the CO₂ emissions associated with concrete production, contributing effectively to minimizing the environmental impact of this widely used construction material. Compressive strength tests at various ages showed that the 15% metakaolin mixture performed better not only at 28 days but also at early (7 days) and late (90 days) stages, indicating good pozzolanic reactivity and long-term microstructural development. Reduced water absorption also implies lower permeability to aggressive ions, thereby decreasing long-term degradation. Stress–strain analysis showed that metakaolin-containing samples had higher stiffness (elastic modulus), reflecting increased concrete hardness and resistance to sudden deformations under cyclic loads.

  

Conclusion: Based on the obtained results, it can be concluded that the optimal use of 15% metakaolin not only enhances the mechanical properties and durability of self-compacting concrete against sulfate ion attack but also plays a significant role in reducing environmental pollution by lowering cement consumption. The use of metakaolin aligns with sustainable development approaches, potentially extending the service life of structures under harsh environmental conditions.

  

منابع و مأخذ:

1. IPCC.. Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change. (2022)
2. Wang, Y., Zhang, M., & Long, W.. Toward sustainable concrete: The role of supplementary cementitious materials in reducing carbon footprint. Construction and Building Materials, (2021) 270, 121371.
3. Ghasemi, T., & Ramezanianpour, A. A.. Influence of metakaolin on the durability and mechanical properties of self-compacting concrete under aggressive environments. Journal of Building Engineering, (2020) 32, 101586.
4. Soutsos, M. N., & Le, T. T.. Effect of metakaolin on concrete durability and performance. Materials and Structures, (2019)52(1), 1–13.
5. Okamura, H., & Ouchi, M.. Self-compacting concrete: development, present use and future. Journal of Advanced Concrete Technology, (2020),18(4), 141–150.
6. Bakhshi, M., & Allahverdi, A.. Sulfate attack on concrete: Mechanisms, effects and preventive strategies. Cement and Concrete Research, (2021) 146, 106449.
7. Abdollahzadeh, M., & Hosseini, S. A.. Metakaolin-based SCC: Resistance to sulfate environments and long-term performance. Journal of Cleaner Production, (2023) 381, 135188.
8. Zhang, Y., & Shi, C.. Influence of supplementary cementitious materials on the stress–strain behavior of concrete under compression. Construction and Building Materials, (2022) 314, 125677.
9. Kamyar Nabighods, Ashkan Sarada, Mohammad Mohtasham Moein, Mir Alimohammad Mirgozar Langaroudi, Juliana Byzyka, Moses Karakouzian, Evaluation of self‑compacting concrete containing pozzolan (zeolite, metakaolin & silica fume) and polypropylene fiber against sulfate attacks with different PH: an experimental study, Practice-Oriented Paper, 2023,
10. Hocine Siad, Siham Kamali-Bernard, H.A. Mesbah, G. Escadeillas, Mohamed Mouli, H. Khelafi , Characterization of the degradation of self-compacting concretes in sodium sulfate environment: Influence of different mineral admixtures, Construction and Building Materials, 2013, Volume 47, Pages 1188-1200
11- آتش بند، شهام، صابر ماهانی ، محسن، الهی حمید رضا، بررسی آزمایشگاهی اثرات سیمان ضد سولفات وترکیبات باریم بر مقاومت خاک-سیمان در محیط سولفاته ، نشریۀ زمین شناسی مهندسی 1400 ، جلد پانزدهم، شمارۀ 2
12- آدرسی، مصطفی ، مرادی باصری، حامد، مروري بر روش هاي آزمايشگاهي و تحليلي در خصوص بررسي رفتار بتن تحت حملات سولفاته و اسيدي ، فصلنامه علمي جاده ، 1402، سال بيست و يكم، دوره چهارم، شماره 117 ،
13- امیری، محمد، تنیده، پریسا، ارزیابی ریز ساختاری تاثیر محیط های سولفاته بر خواص مکانیکی بتن ژئوپلیمری، تحقیقات بتن، سال 99، سال سیزدهم شماره 2.
14- احمدی، جمال، بیگدلو ، احمد، سلیمانی راد، مهدی، تأثير استفاده از زئوليت، ميکروسيليس و متاکائولن بر کارايی و مقاومت بتن خود متراکم ، نشريه مهندسی عمران و محيط زيست 1396، جلد 74 ، شماره 3
15- انتظاری، علیرضا، اسماعیلی، جمشید، بررسی منحنی تنش وکرنش بتن سبک سازه ای غیر محصور، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، سال 1389، جلد 40 شماره 3.
16- حسن زاده، محسن، کیاچهر، بهفرنیا، ربانی، شهاب، بررسی تاثیر محیط سولفاته بر مقاومت فشاری ملات های حاوی پوزولان میکروسیلیس، اولین همایش ملی سازه زلزله ژئوتکنیک، سال 1389.
17- رمضانیان پور، علی اکبر ، میرولد سید سجاد، آرامون ، احسان، پیدایش، منصور، بررسي اثر چهار نوع از پوزولانهاي طبيعي ايران بر دوام بتنهاي سازه اي دربرابر حمله سولفاتي ، نشريه علمي پژوهشي اميرکبير )مهندسي عمران و محيط زيست( ، سال 1393، دوره چهل ششم، شماره 2
18- ربانی، شهاب، حسن زاده، محسن، کیاچهر، بهفرنیا، بررسی اثرپوزولان های مختلف برعملکرد ملات درمحیط سولفاته، چهارمین کنفرانس ملی ایران، 1391
19- فرخ زاد، رضا، یاسری، سجاد، انتظاریان ، محمد حسین، یاوری، امیر، بررسی تاثیرات سولفات ها بر مقاومت فشاری انواع بتن های پوزولانی و اندازه گیری میزان نفوذ با آزمون فراصوت در سنین مختلف، تحقیقات بتن 1395، سال نهم شماره اول
20- نادری، محمود، رشوند آوه، ابولفضل، صابری ورزنه، علی، بررسی پایایی بتن های خود متراکم ساخته شده از سنگ دانه¬های مختلف تحت اثر محیط سولفاته با استفاده از آزمون پیچش، مهندسی عمران، 1401، شماره 1.
متن کامل:


مقاله پژوهشی

 

فصلنامه پژوهش های نوین در مهندسی محیط زیست

دوره سوم، شماره 9، بهار 1404 ، صفحات 72-52

شاپا الکترونیکی: 0930-2981

img0 

 

تحلیل آزمایشگاهی دوام و رفتار مکانیکی بتن خودتراکم حاوی متاکائولن در محیط‌های سولفاتی با رویکرد کاهش مصرف سیمان و حفاظت از محیط‌زیست

کرار عبدالامیر ناهی

دانشجوی کارشناسی ارشد عمران، دانشکده صنعت ساختمان و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شیراز، ایران

محمد امیر شرافتی*

استادیار گروه عمران، دانشکده صنعت ساختمان و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شیراز، ایران

هادی فاطمی

کارشناس ارشد عمران، دانشکده صنعت ساختمان و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شیراز، ایران

 

چکیده مبسوط

 

 

 

تاریخ دریافت: 16/02/1404

 

تاریخ پذیرش: 22/03/1404

 

مقدمه: در سال‌های اخیر، صنعت ساخت‌وساز به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان منابع‌ طبیعی و تولیدکنندگان گازهای گلخانه‌ای شناخته شده است. یکی از مهم‌ترین مصالح مورد استفاده در این صنعت، سیمان پرتلند است که تولید آن نیازمند مصرف قابل توجهی از انرژی بوده و گاز دی‌اکسید کربن (CO₂) یکی از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای را به جو آزاد می‌کند. این مسئله نه‌تنها کیفیت هوا و سلامت انسان را تحت تأثیر قرار می‌دهد، بلکه باعث تشدید گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی نیز می‌شود. علاوه بر این، تولید سیمان به‌شدت به مواد اولیه‌ای مانند سنگ‌آهک و خاک رس وابسته است و استخراج بی‌رویه این مواد منجر به کاهش منابع طبیعی غیرقابل تجدید و تهدید پایداری زیست‌محیطی می‌شود.

مواد و روش‌ها: هدف پژوهش بررسی تأثیر جایگزینی جزئی سیمان با متاکائولن در بتن خودتراکم (SCC) و ارزیابی عملکرد این بتن در محیط‌های خورنده غنی از یون سولفات بود. برای این منظور، نمونه‌های بتن خودتراکم با سه سطح جایگزینی متاکائولن (۵٪، ۱۵٪ و ۲۵٪ وزنی سیمان) تهیه شدند. به‌منظور شبیه‌سازی شرایط خورنده محیطی، نمونه‌ها در معرض چهار محلول سولفات مختلف قرار گرفتند که حاوی یون‌های سولفات حاصل از سولفات‌سدیم (Na₂SO₄)، سولفات‌منیزیم (MgSO₄)، سولفات‌کلسیم (CaSO₄) و سولفات‌آمونیوم (NH₄)₂SO₄)) بودند. این یون‌ها به‌دلیل اثرات مخرب‌شان بر سازه‌های بتنی، به‌ویژه در محیط‌های صنعتی و دریایی انتخاب تا مقاومت بتن تحت شرایط واقعی‌تر ارزیابی شود.

 

 

 

واژه‌های کلیدی: بتن خودتراکم، متاکائولن، دوام بتن، کاهش انتشار CO₂، توسعه پایدار، خوردگی سولفات

نتایج و بحث: نتایج آزمایشگاهی نشان داد که استفاده از متاکائولن تأثیر مثبتی بر ویژگی‌های بتن خودتراکم دارد. در میان نمونه‌های مورد بررسی، مخلوط حاوی ۱۵٪ متاکائولن بهترین عملکرد را نشان داد. این مخلوط افزایش قابل‌توجهی در مقاومت فشاری نسبت به نمونه شاهد (فاقد متاکائولن) داشت. همچنین جذب آب کاهش یافت که نشان‌دهنده کاهش تخلخل و افزایش تراکم ریزساختار بتن است. تصاویر SEM پیوستگی بیشتر و خلل و فرج کمتر را در ساختار داخلی بتن تأیید کردند. بتن حاوی ۱۵% متاکائولن هم‌چنین مقاومت بیشتری در برابر محیط‌های سولفاتی، به‌ویژه در برابر یون‌های منیزیم و آمونیوم، از خود نشان داد و خرابی سطحی و ترک‌خوردگی کم‌تری مشاهده شد. علاوه بر این، جایگزینی جزئی سیمان با متاکائولن باعث کاهش انتشار CO₂ در فرآیند تولید بتن گردید که نقش مؤثری در کاهش تأثیرات زیست‌محیطی این ماده پرمصرف ساختمانی دارد. آزمایش‌های مقاومت فشاری در سنین مختلف نشان داد که مخلوط %۱۵ متاکائولن نه‌تنها در سن ۲۸ روزه، بلکه در سنین زودهنگام (۷ روز) و بلندمدت (۹۰ روز) عملکرد بهتری دارد که بیانگر واکنش‌پذیری پوزولانی مطلوب و توسعه مناسب ریزساختار در بلندمدت است. کاهش جذب آب نیز نشان‌دهنده نفوذپذیری کم‌تر به یون‌های مهاجم و در نتیجه کاهش تخریب در طول زمان می‌باشد. تحلیل تنش-کرنش نشان داد که نمونه‌های حاوی متاکائولن دارای سختی (مدول الاستیسیته) بالاتری هستند که نشان‌دهنده مقاومت بیشتر بتن در برابر تغییر شکل‌های ناگهانی تحت بارهای متناوب است.

نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، می‌توان نتیجه گرفت که استفاده بهینه از 15% متاکائولن نه‌تنها خواص مکانیکی و دوام بتن خودتراکم را در برابر حمله یون‌های سولفات بهبود می‌بخشد، بلکه نقش مهمی در کاهش آلودگی زیست‌محیطی از طریق کاهش مصرف سیمان ایفا می‌کند. استفاده از متاکائولن با رویکردهای توسعه پایدار همسو بوده و می‌تواند عمر مفید سازه‌ها را در شرایط محیطی سخت افزایش دهد.

نویسنده مسئول: محمد امیر شرافتی

نشانی: استادیار گروه عمران، دانشکده صنعت ساختمان و محیط‌زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد شیراز، ایران  تلفن: 09173870014  پست الکترونیکی: MA.Sherafati@iau.ac.ir 

استناد: عبدالامیر ناهی کرار، شرافتی محمد امیر، فاطمی هادی. تحلیل آزمایشگاهی دوام و رفتار مکانیکی بتن خودتراکم حاوی متاکائولن در محیط‌های سولفاتی با رویکرد کاهش مصرف سیمان و حفاظت از محیط‌زیست. پژوهش‌های نوین در مهندسی محیط زیست. 1404؛ 3(9): 72-52.

img0 

حقوق نویسندگان محفوظ است. این مقاله با دسترسی آزاد و تحت مجوز مالکیت خلاقانه     http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 در فصلنامه پژوهش‌های نوین در مهندسی محیط زیست منتشر شده است. هرگونه استفاده غیرتجاری فقط با استناد و ارجاع به اثر اصلی مجاز است.

 

مقدمه

 

افزایش مصرف مصالح ساختمانی سنتی، به‌ویژه سیمان پرتلند، در دهه‌های اخیر منجر به تشدید انتشار گازهای گلخانه‌ای و اثرات منفی زیست‌محیطی شده است (ژانگ و همکاران 2024). طبق گزارش IPCC 1(هیئت بین‌دولتی تغییر اقلیم)، حدود ۷ تا ۸ درصد از کل انتشار جهانی دی‌اکسیدکربن به صنعت سیمان اختصاص دارد. از منظر زیست‌محیطی، کاهش مصرف سیمان به ‌واسطه جایگزینی آن با متاکائولن، منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، به‌ویژه CO₂ و کاهش استخراج منابع غیرتجدیدپذیر می‌شود. این راهکار در راستای اصول توسعه پایدار، به‌ویژه هدف شماره ۹ (زیرساخت‌های مقاوم و پایدار)، هدف شماره ۱۱ (شهرها و جوامع پایدار) و هدف شماره ۱۳ (مقابله با تغییرات اقلیمی) از اهداف توسعه پایدار سازمان ملل متحد قرار دارد (بخشی و همکاران 2021). علاوه بر این، کاهش عمر سازه‌های بتنی در اثر تأثیرات منفی یون‌های سولفات، موجب تشدید این روند می‌گردد. با توجه به نقش کلیدی صنعت ساخت‌وساز در آلودگی زیست‌محیطی، توسعه مصالح پایدار و دوست‌دار محیط‌زیست به‌عنوان یک ضرورت جهانی مطرح شده است. یکی از راهکارهای مؤثر در کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی بتن، استفاده از مواد پوزولانی جایگزین سیمان است. در این میان، متاکائولن به‌عنوان یک پوزولان فعال، با ساختار ریزدانه و واکنش‌پذیری بالا، قابلیت بهبود خواص مکانیکی و دوام بتن را داراست. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که جایگزینی بخشی از سیمان با متاکائولن می‌تواند منجر به کاهش مصرف انرژی، کاهش تولید CO₂ و ارتقاء ریزساختار بتن شود (رمضانیان‌پور و همکاران 1393). این ویژگی‌ها باعث شده است متاکائولن به‌عنوان یک گزینه مطلوب در تولید بتن پایدار و کم‌کربن شناخته شود. بتن خودتراکم (SCC) نیز به‌دلیل روانی بالا و عدم نیاز به ویبره، علاوه بر کاهش آلودگی صوتی و مصرف انرژی، در افزایش کیفیت ساخت‌وساز نقش مهمی ایفا می‌کند. با این‌حال، دوام این نوع بتن در محیط‌های مهاجم، به‌ویژه در برابر حملات سولفاتی، یک نگرانی اساسی به‌شمار می‌رود. یون‌های سولفاتی با ترکیبات هیدراته‌ شده سیمان واکنش داده و منجر به تشکیل فازهای مخربی نظیر اترینگایت و ژیپس می‌شوند که در نهایت باعث ترک‌خوردگی، افزایش تخلخل و کاهش عمر مفید سازه می‌گردند (نادری و همکاران 1401). تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که استفاده از متاکائولن در بتن خودتراکم می‌تواند مقاومت بتن در برابر حملات سولفاتی را به‌طور معناداری افزایش دهد، به‌ویژه هنگامی‌که درصد بهینه‌ای از جایگزینی لحاظ شود. هم‌چنین، این ترکیب می‌تواند کاهش نفوذپذیری، افزایش مقاومت فشاری و بهبود رفتار تنش-کرنش بتن را در پی داشته باشد. بتن خودمتراکم نوعی بتن با قابلیت جریان‌پذیری بالا است که بدون نیاز به لرزاننده‌های مکانیکی، قالب را پر کرده و متراکم می‌شود. این بتن دارای خواص رئولوژیکی ویژه‌ای است که از جمله آن‌ها می‌توان به گرانروی مناسب، قابلیت عبور از موانع و حفظ همگنی در طول اجرا اشاره کرد. از مهم‌ترین مزایای بتن خودمتراکم می‌توان به افزایش کیفیت سطحی، کاهش نیروی انسانی، بهبود دوام و کاهش نفوذپذیری اشاره کرد. این بتن در پروژه‌های با تراکم زیاد آرماتور، سازه‌های زیرزمینی و پروژه‌های زیرآبی کاربرد گسترده‌ای دارد. متاکائولن یک نوع پوزولان فعال است که از کلسینه کردن کائولن در دمای 600 تا 800 درجه سانتی‌گراد به دست می‌آید. این ماده به‌عنوان جایگزین جزئی سیمان در بتن استفاده می‌شود و تأثیر قابل توجهی بر خصوصیات مکانیکی، دوام و رئولوژی بتن دارد. یکی از چالش‌های مهم در دوام بتن، حملات سولفاتی است. سولفات‌ها به‌طور طبیعی در خاک، آب‌های زیرزمینی، فاضلاب صنعتی و برخی محیط‌های دریایی وجود دارند. تماس مداوم بتن با این ترکیبات می‌تواند موجب تخریب ساختار آن و کاهش مقاومت مکانیکی شود (احمدی و همکاران1396،1401).

 

فرضیات تحقیق:

- افزودن میزان بهینه پوزولان طبیعی (متاکائولن) به بتن خودمتراکم، باعث کاهش نفوذ یون کلر و میزان جذب آن در بتن می‌شود.

- افزودن متاکائولن در درصد بهینه، مقاومت بتن خودمتراکم را در محیط سولفات افزایش می‌دهد.

- بهبود مقاومت و دوام بتن خودمتراکم با افزودن درصد بهینه متاکائولن در محیط‌های خورنده سولفاتی حاصل می‌شود.

- میزان تنش و کرنش بتن خودمتراکم با افزودن متاکائولن بهبود قابل توجهی پیدا می‌کند.

 

اهداف تحقیق:

تعیین درصد بهینه جایگزینی متاکائولن طبیعی در بتن خودمتراکم جهت دست‌یابی به حداکثر مقاومت مکانیکی و دوام در برابر محیط‌های سولفاتی.

بررسی تأثیر جایگزینی متاکائولن بر کاهش نفوذپذیری و جذب یون‌های کلر در بتن خودمتراکم.

تحلیل رفتار تنش-کرنش بتن خودمتراکم حاوی متاکائولن در شرایط حمله سولفاتی.

ارزیابی نقش متاکائولن در بهبود ریزساختار و افزایش طول عمر بتن خودمتراکم با رویکردی محیط‌زیستی و توسعه پایدار.

بر این اساس، پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر جایگزینی متاکائولن طبیعی بر دوام و خواص مکانیکی بتن خودتراکم در محیط‌های خورنده سولفاتی انجام شده است و تلاش دارد با رویکردی محیط‌زیستی، گامی مؤثر در جهت توسعه پایدار و حفاظت از محیط‌زیست در صنعت ساخت‌وساز بردارد.

[1] -Intergovernmental Panel on Climate Change 

 

مواد و روش‌ها                

در این تحقیق بررسی منحنی تنش و کرنش و بهبود دوام بتن خود‌متراکم آزمایشگاهی حاوی پوزولان طبیعی متاکائولن در محیط‌های سولفاتی متفاوت مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور ابتدا طرح اختلاط بتن خود متراکم تهیه گردید. متاکائولن با درصدهای 5، 15 و 25 درصد وزنی جایگزین سیمان مصرفی جهت ساخت بتن خود‌متراکم استفاده گردید. در هر مرحله خواص بتن تازه مورد بررسی قرار گرفته شد. جهت آزمایش تنش و کرنش از نمونه استوانه‌ای 30×15 سانتی‌متر، جهت آزمایش تست یون‌کلر تسریع‌ شده از استوانه 10×20 سانتی‌متر و جهت تست جذب آب از نمونه مکعبی 10×10×10 استفاده گردید (شکل 1). پس از ساخت نمونه‌ها در چهار مخزن با محلول‌های مختلف سولفات با غلظت 5 درصد قرارداده شد (شکل 2). آزمایشات در سه بازه زمانی 28، 90 و120 روزه انجام پذیرفت و نتایج استخراج گردید. پس از این مرحله جهت بررسی ریز ساختار از میکروسکوپ الکترونی استفاده می‌شود. در جدول 1، لیست نمونه‌های بتن خودمتراکم ساخته شده با چهار درصد مختلف متاکائولن (0%، 5%، 15% و %25) در چهار محیط سولفاتی مختلف (سولفات سدیم، سولفات منیزیم، سولفات کلسیم و سولفات آمونیوم) ارائه شده است. کد نمونه شامل پیشوند "SC"1 به‌همراه درصد متاکائولن و محیط سولفاتی S1 تا S4 است.

[1] - Self-Compacting

 

G:\pppppp\ppp1\پایان نامه انجام شده\پایان نامه های انجام شده\دکتر رجبیان\مطبوعی-دکتر رجبیان\پایان نامه\pic\۲۰۲۰۱۰۲۱_۱۰۲۰۴۲.jpg 

شکل 1- نمونه‌ها قبل از قرار گرفتن در محلول سولفات

G:\pppppp\ppp1\پایان نامه انجام شده\پایان نامه های انجام شده\دکتر رجبیان\مطبوعی-دکتر رجبیان\پایان نامه\pic\IMG_20210105_090137.jpgG:\pppppp\ppp1\پایان نامه انجام شده\پایان نامه های انجام شده\دکتر رجبیان\مطبوعی-دکتر رجبیان\پایان نامه\pic\IMG_20210105_090110.jpg 

 


 

شکل 2 – نمونه‌ها بعد از قرار گرفتن در محلول سولفات

 

جدول 1- معرفی نمونه‌های بتن خودمتراکم حاوی درصدهای مختلف متاکائولن در چهار محیط سولفاتی

کد نمونه

درصد متاکائولن

(بر حسب درصد سیمان)

محیط سولفاتی

توضیحات

SC-01-c1

%0

سولفات سدیم

نمونه مرجع بدون متاکائولن در محیط سولفات سدیم

SC-01-m2

%0

سولفات منیزیم

نمونه مرجع بدون متاکائولن در محیط سولفات منیزیم

SC-01-k3

%0

سولفات کلسیم

نمونه مرجع بدون متاکائولن در محیط سولفات کلسیم

SC-01-a4

%0

سولفات آمونیوم

نمونه مرجع بدون متاکائولن در محیط سولفات آمونیوم

SC-02-c1

%5

سولفات سدیم

مخلوط بتن با 5% متاکائولن در محیط سولفات سدیم

SC-02-m2

%5

سولفات منیزیم

مخلوط بتن با 5% متاکائولن در محیط سولفات منیزیم

SC-02-k3

%5

سولفات کلسیم

مخلوط بتن با 5% متاکائولن در محیط سولفات کلسیم

SC-02-a4

%5

سولفات آمونیوم

مخلوط بتن با 5% متاکائولن در محیط سولفات آمونیوم

SC-03-c1

%15

سولفات سدیم

مخلوط بتن با 15% متاکائولن در محیط سولفات سدیم

SC-03-m2

%15

سولفات منیزیم

مخلوط بتن با 15% متاکائولن در محیط سولفات منیزیم

SC-03-k3

%15

سولفات کلسیم

مخلوط بتن با 15% متاکائولن در محیط سولفات کلسیم

SC-03-a4

%15

سولفات آمونیوم

مخلوط بتن با 15% متاکائولن در محیط سولفات آمونیوم

SC-04-c1

%25

سولفات سدیم

مخلوط بتن با 25% متاکائولن در محیط سولفات سدیم

SC-04-m2

%25

سولفات منیزیم

مخلوط بتن با 25% متاکائولن در محیط سولفات منیزیم

SC-04-k3

%25

سولفات کلسیم

مخلوط بتن با 25% متاکائولن در محیط سولفات کلسیم

SC-04-a4

%25

سولفات آمونیوم

مخلوط بتن با 25% متاکائولن در محیط سولفات آمونیوم

 

آزمایش مقاومت فشاری و میزان تنش وکرنش

آزمایش مقاومت فشاری بتن یکی از مهم‌ترین آزمایشات در ارزیابی کیفیت بتن است. در این آزمایش نمونه‌های بتن به شکل مکعب یا استوانه‌ای ساخته شدند. پس از ریختن بتن در قالب‌ها، نمونه‌ها باید به مدت ۲۴ ساعت در دمای اتاق نگهداری شوند. سپس، نمونه‌ها برای عمل‌آوری به مدت ۲۸، 90 و 120 روز در محلول 5 درصد سولفات متفاوت نگهداری گردیدند. پس از عمل‌آوری نمونه‌ها، نمونه‌های بتن در دستگاه فشار قرار می‌گیرند. دستگاه فشار نیروی فشاری را به‌طور یکنواخت و با سرعت مشخص به نمونه بتن وارد می‌کند. و پس از شکست نمونه‌ها میزان نهایی نیرو و میزان تغییر طول مشخص گردید.

 

آزمایش درصد جذب آب

آزمایش جذب آب یکی از روش‌های مهم برای ارزیابی دوام و نفوذپذیری بتن است. میزان جذب آب در بتن به کیفیت و تراکم ساختار آن بستگی دارد. نمونه‌های بتنی (مکعبی) پس از عمل‌آوری 28 روزه تهیه می‌شود. نمونه‌ها را در گرم‌خانه با دمای 100 تا 110 درجه سانتی‌گراد به مدت 24 ساعت قرار می‌دهند تا رطوبت آن‌ها کاملاً تبخیر شود. سپس نمونه‌ها را وزن کرده و مقدار آن را به‌عنوان وزن خشک ثبت می‌کنند. سپس نمونه‌ها در یک ظرف حاوی آب مقطر قرار می‌گیرند. نمونه‌ها به مدت 48 ساعت در آب می‌مانند. پس از این مدت، نمونه‌ها را از آب خارج کرده و با یک پارچه مرطوب سطح آن‌ها را تمیز می‌کنند. وزن نمونه‌ها را مجدداً اندازه‌گیری کرده و مقدار آن را به‌عنوان وزن اشباع ثبت شد.

 

آزمایش RCMT (آزمایش تسریع‌شده مهاجرت یون کلر)

آزمایش RCMT 1 یکی از روش‌های تسریع‌شده برای اندازه‌گیری میزان نفوذ یون کلر در بتن است. نمونه‌های بتنی مطابق استاندارد تهیه شده و در شرایط استاندارد 28،90 و 120 روزه عمل‌آوری می‌شوند. سطح بتن صاف و تمیز شده و برای قرارگیری در سلول آزمایش آماده می‌شود. نمونه استوانه‌ای بتن بین دو مخزن حاوی محلول NaCl و NaOH قرار داده شد. ولتاژ 10 تا 60 ولت بین دو الکترود اعمال می‌شود. پس از 6 ساعت، نمونه بتن از دستگاه خارج شده و برش داده می‌شود. عمق نفوذ یون کلر با استفاده از محلول نیترات نقره (AgNO₃) مشخص می‌شود. رنگ محلول نیترات نقره نشان‌دهنده مرز نفوذ یون کلر است.

 

میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی ( FE-SEM)

میکروسکوپ الکترونی (روبشی) گسیل میدانی2 با ویژگی محفظه بسیار بزرگ و سرعت خلاء بالا یکی از جدیدترین و پیشرفته‌ترین دستگاه FESEM موجود در است. اساس کار این میکروسکوپ به این شکل است که از طریق تفنگ الکترونی، باریکه‌ای از الکترون‌ها ساطع می‌شوند و این پرتو با عبور از لنز‌های مختلف، هم‌راستا شده و به سمت نمونه ارسال می‌شود. با بررسی برهم‌کنش‌های بین این پرتو الکترونی و سطح ماده، تصویر تشکیل می‌شود. این میکروسکوپ با کمک سه آشکارساز تصویری، امکان تصویربرداری تا بزرگ‌نمایی 1 میلیون برابر را دارد و امکان بررسی‌های ساختاری، آنالیز مورفولوژی و شناسایی ترکیبات در مقیاس نانومتری را به ما می‌دهد.

[1] - Rapid Chloride Migration Test

[2] 4- Sem field emission

 

نتایج و بحث

 

 

نتایج آزمایش اسلامپ و کارپذیری بتن خود متراکم نمونه شاهد

 و نمونه‌ها با افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن مطابق جدول 2 و شکل 3 استخراج گردید.

جدول 2- نتایج آزمایش جریان اسلامپ

تحلیل نتایج

زمان T50 ثانیه

جریان اسلامپ (mm) 

درصد متاکائولن

ردیف

روانی بسیار خوب، بدون افزایش چسبندگی

2-3

780

%0

1

کمی کاهش روانی، افزایش مقاومت فشاری، کارایی مناسب

4-5/2

750

%5

2

کاهش بیشتر روانی، افزایش گرانروی، نیاز به فوق روان‌کننده

3-5

700

%15

3

کاهش شدید روانی، سختی در اجرا، نیاز به اصلاح طرح اختلاط

5-7

650

%25

4

 

 

شکل 3 – نمودار نتایج آزمایش جریان اسلامپ

 

 

 

تفسیر آزمایش جریان اسلامپ

شکل 3 نشان می‌دهد که با افزایش مقدار مواد افزودنی از صفر درصد (بتن بدون افزودنی) تا حدود 25 درصد، میزان جریان‌پذیری به‌صورت خطی و یکنواخت کاهش یافته است. به‌عبارتی، افزودن مواد باعث کاهش روانی و قابلیت جریان بتن خودتراکم شده است. در حالت بدون افزودنی، جریان‌پذیری حدود 95/0 میلی‌متر است که نسبتاً بالاترین مقدار است. با افزایش افزودنی‌ها، جریان‌پذیری به حدود 7/0 میلی‌متر در 25 درصد مواد می‌رسد که کاهش قابل توجهی است. کاهش جریان‌پذیری با افزایش درصد مواد افزودنی می‌تواند به‌دلیل افزایش چسبندگی مخلوط، افزایش ریزدانه‌ها، یا تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی بتن باشد. مواد افزودنی مانند متاکائولن معمولاً باعث افزایش چسبندگی و کاهش روانی می‌شوند که این امر می‌تواند بر قابلیت جریان بتن تاثیر بگذارد. جریان‌پذیری مناسب برای بتن خودتراکم اهمیت حیاتی دارد تا بتن بتواند بدون نیاز به ویبره به راحتی در قالب‌ها جاری شود و تمام فضاهای قالب را پر کند. کاهش زیاد جریان‌پذیری می‌تواند باعث مشکلاتی در اجرای بتن شود، از جمله نیاز به افزودنی‌های روان‌کننده بیشتر یا تغییر در ترکیب مخلوط شود. در شکل 4 آزمایش جریان اسلامپ نشان داده شده است.

img0 

شکل 4 - آزمایش جریان اسلامپ

 

نتایج آزمایش L BOX

 

نتایج میزان کارپذیری بتن خود متراکم نمونه شاهد و نمونه‌ها با

افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن مطابق جدول 3 و شکل 5 حاصل شده است.

 

 

جدول3 - نتایج آزمایش L BOX

تحلیل نتایج

نسبت انسداد H2/H1

درصد متاکائولن

ردیف

جریان مناسب، انسداد کم

95/0

%0

1

کاهش جزئی روانی، اما هنوز در محدوده استاندارد

90/0

%5

2

افزایش چسبندگی، احتمال انسداد میلگردها

80/0

%15

3

بتن به سختی از میان میلگردها عبور می‌کند، مشکل در اجرا

70/0

%25

4

 

 

شکل 5 - نمودار آزمایش L BOX

 

 

تفسیر آزمایش آزمایش L BOX

نمودار بالا تأثیر درصد متاکائولن بر نسبت انسداد (H2/H1) در آزمون L-Box بتن خودتراکم را نشان می‌دهد. این نسبت شاخصی برای قابلیت عبور بتن از میان میلگردهاست و هرچه مقدار آن به ۱ نزدیک‌تر باشد، نشان‌دهنده روانی و عبورپذیری بهتر بتن است.

- درصد متاکائولن %0: بتن دارای روانی عالی است و به‌راحتی از بین میلگردها عبور می‌کند. عملکرد ایده‌آل برای بتن خودتراکم در اجراهای پیچیده.

- درصد متاکائولن %5 :کاهش جزئی در روانی دیده می‌شود اما هم‌چنان در محدوده قابل‌قبول استاندارد (8/0–0/1) است.

- درصد متاکائولن %15: به مرز پایین استاندارد روانی نزدیک شده است. نشانه‌هایی از افزایش چسبندگی و احتمال انسداد مشاهده می‌شود.

- درصد متاکائولن %25 :افت چشم‌گیر در روانی بتن. بتن به‌سختی از میان میلگردها عبور می‌کند. 

در شکل 6 آزمایش L BOX نشان داده شده است.  

img0 

شکل 6 - آزمایش L BOX

 

 

 

نتایج آزمایش U BOX

 

نتایج میزان کارپذیری بتن خود متراکم نمونه شاهد و نمونه ها با

 افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن مطابق جدول 4 و شکل 7 می‌باشند.

 

 

        جدول 4 - نتایج آزمایش U BOX

تحلیل نتایج

H_fill (mm)

درصد متاکائولن

ردیف

پرشدگی مناسب

30

%0

1

روانی کمی کمتر، اما پرشدگی خوب

40

%5

2

افزایش چسبندگی، پرشدگی دشوار

50

%15

3

بتن کاملاً چسبنده و سخت در عبور، نیاز به اصلاح

70

%25

4

 

 

شکل 7- نمودار آزمایش U BOX

 

 

 

 

تفسیر آزمایش آزمایش BOX U

شکل 7 نشان می‌دهد که با افزایش درصد متاکائولن در بتن خودتراکم، ارتفاع پرشدگی در آزمون U-box نیز به‌طور پیوسته افزایش می‌یابد. افزایش درصد متاکائولن، باعث کاهش روانی و افزایش چسبندگی بتن شده و در نتیجه عبور بتن از میان میلگردها دشوارتر می‌شود. بنابراین، هرچند متاکائولن برای دوام مفید است، اما مصرف آن باید به‌صورت کنترل‌شده و با افزودنی مناسب (مانند فوق روان‌کننده‌ها) تنظیم شود تا از بروز مشکلات اجرایی جلوگیری شود. درصد بهینه برای استفاده در بتن خودتراکم، در محدوده ۵ تا ۱۵ درصد توصیه می‌شود.

در شکل 8  آزمایش L BOX نشان داده شده است.

 

img0 

 

شکل 8 - آزمایش L BOX

 

نتایج آزمایش V BOX

 

نتایج میزان روانی بتن خود متراکم نمونه شاهد و نمونه‌ها با

 افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن مطابق جدول 5 و شکل 9 ارائه شده است.

 

 

جدول 5- نتایج آزمایش V BOX

تحلیل نتایج

T_flow  ثانیه

درصد متاکائولن

نمونه

جریان روان، گرانروی مناسب

6 

%0

نمونه شاهد

کمی افزایش گرانروی اما همچنان مطلوب

7

%5

نمونه 1

افزایش گرانروی، احتمال مشکل در پمپ شدن

9

%15

نمونه 2

جریان بسیار کند، احتمال انسداد

12

%25

نمونه 3

 

شکل 9 - نمودار آزمایش V BOX

 

 

 

 

 

تفسیر آزمایش آزمایش BOX V

 

با افزایش درصد متاکائولن، گرانروی نمونه‌ها افزایش یافته و زمان لازم برای جریان سیال بیش‌تر می‌شود. این تغییرات باعث کاهش

قابلیت پمپ شدن و احتمال گرفتگی سیستم می‌گردد. بنابراین، درصد متاکائولن باید در حد معقولی نگه داشته شود تا از مشکلات عملکردی جلوگیری شود.

- نمونه شاهد (0% متاکائولن): زمان جریان ۶ ثانیه است که نشان‌دهنده جریان روان و گرانروی مناسب می‌باشد. یعنی سیال به ‌راحتی جریان دارد و مشکلی در پمپ شدن ندارد.
- نمونه 1 (5% متاکائولن): زمان جریان به ۷ ثانیه افزایش یافته که کمی گرانروی بیش‌تر را نشان می‌دهد. با این وجود، گرانروی هنوز در حد مطلوب است و جریان سیال بدون مشکل ادامه دارد.
- نمونه 2 (15% متاکائولن): زمان جریان به ۹ ثانیه رسیده که افزایش قابل توجهی نسبت به نمونه شاهد دارد. این افزایش گرانروی می‌تواند باعث ایجاد مشکل در پمپ شدن سیال شود و احتمال ایجاد انسداد جزئی وجود دارد.
- نمونه 3 (25% متاکائولن): زمان جریان به ۱۲ ثانیه افزایش یافته که نشان‌دهنده جریان بسیار کند و گرانروی بالا است. این وضعیت احتمال انسداد و مشکلات جدی در پمپ شدن را بسیار زیاد می‌کند. در شکل 10 آزمایش V BOX نشان داده شده است.

 


img0 

شکل 10 - آزمایش V BOX

آزمایش مقاومت فشاری

 

نتایج مقاومت فشاری بتن خود متراکم نمونه شاهد و نمونه ها با افزودن 5 و 15 و 25 درصد متاکائولن در سه بازه زمانی 28 و 90 و 120 روزه در چهار محیط سولفاتی متفاوت مطابق جدول 6 و اشکال  11 و 12 و 13 ارایه می گردند.

 

جدول 6- نتایج آزمایش مقاومت فشاری (MPa) 

120 روز

90 روز

28 روز

درصد متاکائولن

محیط سولفاتی

ردیف

43

3/42

5/38

%0

سولفات سدیم

1

45

5/44

2/41

%5

 

2

49

2/48

8/44

%15

 

3

8/46

46

3/42

%25

 

4

8/43

43

39

%0

سولفات کلسیم

5

5/45

45

7/41

%5

 

6

2/50

49

2/45

%15

 

7

47

2/46

6/42

%25

 

8

5/41

41

8/37

%0

سولفات منیزیم

9

8/43

2/43

5/40

%5

 

10

48

5/47

2/44

%15

 

11

7/45

2/45

8/41

%25

 

12

40

5/39

2/36

%0

سولفات آمونیوم

13

8/42

2/42

39

%5

 

14

5/46

46

8/42

%15

 

15

44

5/43

1/40

%25

 

16

 

شکل 11 - نمودار مقاومت فشاری 28 روزه

 

شکل 12- نمودار مقاومت فشاری 90 روزه

 

 

شکل 13- نمودار مقاومت فشاری 120 روزه

 

نتایج حاصل از مقاومت فشاری را به‌صورت زیر می‌توان تفسیر نمود:

- بیش‌ترین کاهش مقاومت در محیط سولفات آمونیوم اتفاق می‌افتد. این موضوع می‌تواند به‌دلیل تخریب شدید و واکنش سولفات آمونیوم با محصولات هیدراتاسیونی، ایجاد ترکیبات ناپایدار و افزایش انبساط داخلی باشد.

- کاهش قابل‌توجه مقاومت در محیط سولفات سدیم ناشی از تشکیل اترینگایت1 اضافی و گسترش ریزترک‌ها در بتن، که به مرور موجب کاهش مقاومت و افزایش نفوذپذیری شد.

- کاهش متوسط در محیط سولفات منیزیم به‌دلیل تخریب بتن به‌دلیل جایگزینی یون‌های کلسیم با منیزیم و تشکیل ترکیباتی که باعث کاهش چسبندگی و مقاومت بتن می‌شود.

- کم‌ترین تأثیر مخرب و کم‌ترین کاهش مقاومت در محیط سولفات کلسیم مشاهده شد، درنتیجه سولفات کلسیم برخلاف سایر سولفات‌ها واکنش‌های تخریبی کم‌تری با بتن دارد.

هم‌چنین تغییرات مقاومت در بازه‌های زمانی مختلف به شرح زیر است:

- در سن 28 روزه: مقاومت فشاری اولیه در تمامی نمونه‌ها بالا بود و تأثیر سولفات‌ها هنوز محسوس نبود.

- در سن 90 روزه: اثر مخرب سولفات‌ها، به‌ویژه سولفات آمونیوم و سولفات سدیم، آشکار شد و مقاومت در این محیط‌ها کاهش یافت.

- در سن 120 روزه: کاهش مقاومت ادامه یافت، اما نرخ کاهش در نمونه‌های حاوی 15% متاکائولن کم‌تر از بقیه موارد بود.

آزمایش درصد جذب آب

نتایج درصد جذب آب در بتن خود متراکم نمونه شاهد و نمونه‌ها با افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن در سه بازه زمانی 28، 90 و 120 روزه در چهار محیط سولفاتی متفاوت مطابق جدول 7 و اشکال 14، 15 و16 می‌باشد.

 

[1] - Ettringite

جدول 7- نتایج درصد جذب آب

120 روز

90روز

28 روز

درصد متاکائولن

محیط سولفاتی

ردیف

7/4 %

7/4 %

2/5 %

%0

سولفات سدیم

1

1/4 %

3/4 %

8/4 %

%5

 

2

8/3 %

9/3 %

3/4 %

%15

 

3

4 %

1/4 %

5/4 %

%25

 

4

4/4 %

6/4 %

5 %

%0

سولفات کلسیم

5

22/4 %

3/4 %

7/4 %

%5

 

6

7/3 %

8/3 %

2/4 %

%15

 

7

9/3 %

4 %

4/4 %

%25

 

8

8/4 %

4 %

5/5 %

%0

سولفات منیزیم

9

5/4 %

7/4 %

2/5 %

%5

 

10

2/4 %

3/4 %

7/4 %

%15

 

11

4/4 %

6/4 %

5 %

%25

 

12

1/5 %

33/5 %

8/5 %

%0

سولفات آمونیوم

13

7/4 %

9/4 %

3/5 %

%5

 

14

2/4 %

4/4 %

8/4 %

%15

 

15

5/4 %

7/4 %

1/5 %

%25

 

16

 

شکل 14- نمودار درصد جذب آب 28 روزه

 

شکل 15- نمودار درصد جذب آب 90 روزه

 

 

شکل 16- نمودار درصد جذب آب 120 روزه

 

 

تأثیر محیط‌های سولفاتی بر درصد جذب آب به شرح زیر بوده است.

- بیش‌ترین میزان جذب آب در محیط سولفات آمونیوم بود. این موضوع بیش‌ترین آسیب را به ساختار بتن وارد کرد و خود منجر به افزایش جذب آب در طول زمان شد. دلیل این افزایش واکنش شدید یون‌های آمونیوم با ترکیبات سیمانی که باعث انبساط و ترک‌خوردگی شده و تخلخل بتن را افزایش داده است.

- افزایش جذب آب در محیط سولفات سدیم به‌دلیل واکنش‌های سولفاتی و تشکیل اترینگایت که خود باعث افزایش تخلخل شده و جذب آب را افزایش داد. میزان افزایش جذب آب کمتر از سولفات آمونیوم بوده اما بیش‌تر از سایر محیط‌های سولفاتی است.

- جذب آب متوسط در محیط سولفات منیزیم مشاهده گردید. جذب آب در نمونه‌های حاوی متاکائولن کم‌تر از نمونه شاهد بود، اما هم‌چنان نسبت به سایر محیط‌ها زیاد است. واکنش منیزیم با فازهای سیمانی و تشکیل محصولات ضعیف می‌تواند باعث افزایش جذب آب باشد.

- کم‌ترین افزایش جذب آب در محیط سولفات کلسیم مشاهده شد. در این محیط، تغییرات جذب آب نسبت به سایر محیط‌های سولفاتی کم‌تر است. سولفات کلسیم اثر مخرب کم‌تری داشته و ساختار بتن را کم‌تر تخریب می‌نماید. هم‌چنین تغییرات درصد جذب آب در بازه‌های زمانی مختلف این گونه بوده است.

- در سن 28 روزه: جذب آب در تمامی نمونه‌ها نسبتاً پایین بود و تأثیر محیط‌های سولفاتی هنوز شدید نبود.

- در سن 90 روزه: افزایش جذب آب در محیط‌های سولفات آمونیوم و سولفات سدیم مشاهده شد. نمونه‌های حاوی %15 متاکائولن هم‌چنان جذب آب پایین‌تری داشتند.

- در سن 120 روزه: جذب آب در تمامی نمونه‌ها افزایش یافت، اما این افزایش در نمونه‌های دارای 15% متاکائولن، کم‌تر از سایر نمونه‌ها بود. بیشترین افزایش جذب آب در نمونه‌های 25% متاکائولن و محیط سولفات آمونیوم مشاهده شد.

 

نتایج درصد نفوذ تسریع شده یون کلر

نتایج درصد جذب آب در بتن خود متراکم نمونه شاهد و نمونه‌ها با افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن در سه بازه زمانی 28، 90 و 120 روزه در چهار محیط سولفاتی متفاوت مطابق جدول 8 و اشکال 17، 18 و19 می باشد.

 

جدول8 - نتایج درصد نفوذ یون کلر تسریع شده

 

120 روز  (mm)

90 روز  (mm)

28 روز (mm) 

درصد متاکائولن

محیط سولفاتی

ردیف

4/4

8/4

5/5

%0

سولفات سدیم

1

4

4/4

1/5

%5

 

2

3/3

7/3

4/4

%15

 

3

8/3

4

7/4

%25

 

4

3/4

6/4

2/5

%0

سولفات کلسیم

5

4

3/4

9/4

%5

 

6

3/3

6/3

3/4

%15

 

7

7/3

4

6/4

%25

 

8

7/4

5

7/5

%0

سولفات منیزیم

9

5/4

8/4

4/5

%5

 

10

8/3

1/4

7/4

%15

 

11

2/4

4/4

5

%25

 

12

5

3/5

6

%0

سولفات آمونیوم

13

7/4

9/4

5/5

%5

 

14

9/3

2/4

9/4

%15

 

15

4/4

6/4

3/5

%25

 

16

 

 

شکل 17- نمودار درصد نفوذ یون کلر 28 روزه

 

شکل 18- نمودار درصد نفوذ یون کلر 90 روزه

 

 

شکل 19- نمودار درصد نفوذ یون کلر 120روزه

 

 

 

همانگونه که مشاهده گردید تأثیر محیط‌های سولفاتی بر نفوذ یون کلر این گونه بود.

- بیش‌ترین میزان نفوذ کلریدها در محیط سولفات آمونیوم مشاهده گردید. واکنش شدید سولفات آمونیوم با ترکیبات سیمانی باعث گسترش ترک‌های داخلی و افزایش نفوذپذیری بوده است. نمونه‌های قرار گرفته در این محیط، بیشترین میزان نفوذ یون کلر را نشان دادند.

- افزایش نفوذ کلریدها در محیط سولفات سدیم ناشی از تشکیل اترینگایت اضافی و افزایش ریزترک‌ها است. این موضوع باعث افزایش نفوذ یون کلر شد. میزان نفوذ در این محیط کمتر از سولفات آمونیوم بوده اما بیشتر از سایر محیط‌ها است.

- نفوذ متوسط کلرید در محیط سولفات منیزیم ناشی از واکنش‌های مخرب با ترکیبات سیمانی و باعث جایگزینی یون‌های کلسیم با منیزیم شد، که نهایتا منجر به افزایش میزان نفوذ یون کلر گردید.

- کمترین میزان نفوذ یون کلر در محیط سولفات کلسیم مشاهده گردید. سولفات کلسیم اثر تخریبی کمتری داشته و ساختار بتن را کمتر آسیب زده است. در این محیط، نفوذ یون کلر کمترین مقدار را در بین چهار محیط سولفاتی داشت.

علاوه بر این تغییرات نفوذ یون کلر در بازه‌های زمانی مختلف چنین می باشد.

- در سن 28 روزه: تأثیر سولفات‌ها هنوز محسوس نبود و نفوذ یون کلر در تمامی نمونه‌ها کمتر بود.

- در سن 90 روزه: اثر مخرب سولفات‌ها به‌ویژه در محیط سولفات آمونیوم و سولفات سدیم افزایش یافت. نمونه‌های دارای 15% متاکائولن مقاومت بهتری در برابر نفوذ کلریدها نشان دادند.

- در سن 120 روزه: نفوذ کلرید در تمامی نمونه‌ها افزایش یافت، اما این افزایش در نمونه‌های دارای 15% متاکائولن کمتر از سایر نمونه‌ها بود. بیشترین نفوذ یون کلر در نمونه‌های 25% متاکائولن و محیط سولفات آمونیوم مشاهده شد.

آزمایش های تنش وکرنش نهایی

نتایج آزمایش‌های تنش وکرنش نهایی در بازه زمانی 28 روزه بتن خود متراکم در نمونه شاهد و نمونه ها با افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن در چهار محیط سولفاتی متفاوت مطابق جدول 9 می‌باشد.

 

 

جدول 9- نتایج تنش و کرنش نهایی 28 روزه

کرنش (mm/mm)

تنش (MPa)

محیط سولفاتی

 

ردیف

0038/0

2/21

سولفات سدیم

شاهد

1

0043/0

1/23

 

%5 متاکائولن

2

0065/0

3/25

 

%15 متاکائولن

3

0057/0

9/23

 

%25 متاکائولن

4

004/0

22

سولفات کلسیم

شاهد

5

0047/0

6/23

 

%5 متاکائولن

6

0069/0

5/25

 

%15 متاکائولن

7

0062/0

1/24

 

%25 متاکائولن

8

0039/0

4/21

سولفات منیزیم

شاهد

9

0041/0

9/22

 

%5 متاکائولن

10

0065/0

25

 

%15 متاکائولن

11

0054/0

6/23

 

%25 متاکائولن

12

0035/0

4/20

سولفات آمونیوم

شاهد

13

0041/0

22

 

%5 متاکائولن

14

0061/0

2/24

 

%15 متاکائولن

15

0044/0

7/22

 

%25 متاکائولن

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نتایج تنش و کرنش نهایی بتن خود متراکم در نمونه شاهد و نمونه‌ها با افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن در بازه زمانی 90

 روزه و در چهار محیط سولفاتی متفاوت مطابق جدول 10 می‌باشد.

 

جدول10- نتایج تنش و کرنش نهایی 90 روزه

 

کرنش (mm/mm)

تنش (MPa)

محیط سولفاتی

نمونه

ردیف

0057/0

9/23

سولفات سدیم

شاهد

1

0066/0

1/25

 

%5 متاکائولن

2

0078/0

2/27

 

%15 متاکائولن

3

007/0

26

 

%25 متاکائولن

4

0062/0

3/24

سولفات کلسیم

شاهد

5

0065/0

4/25

 

%5 متاکائولن

6

0081/0

7/27

 

%15 متاکائولن

7

007/0

1/26

 

%25 متاکائولن

8

0043/0

2/23

سولفات منیزیم

شاهد

9

0061/0

4/24

 

%5 متاکائولن

10

0076/0

8/26

 

%15 متاکائولن

11

0069/0

5/25

 

%25 متاکائولن

12

0042/0

3/22

سولفات آمونیوم

شاهد

13

0049/0

8/23

 

%5 متاکائولن

14

007/0

26

 

%15 متاکائولن

15

0061/0

6/24

 

%25 متاکائولن

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نتایج تنش و کرنش نهایی خود متراکم نمونه شاهد و نمونه ها با افزودن 5، 15 و 25 درصد متاکائولن در بازه زمانی 120 روزه و

در چهار محیط سولفاتی متفاوت در جدول 11 ارایه شده است.

 

 

جدول 11- نتایج تنش و کرنش نهایی 120 روزه

کرنش (mm/mm)

تنش (MPa)

محیط سولفاتی

نمونه

ردیف

0062/0

3/24

سولفات سدیم

شاهد

1

0069/0

4/25

 

%5 متاکائولن

2

0081/0

7/27

 

%15 متاکائولن

3

0076/0

4/26

 

%25 متاکائولن

4

0061/0

7/24

سولفات کلسیم

شاهد

5

0069/0

7/25

 

%5 متاکائولن

6

0088/0

4/28

 

%15 متاکائولن

7

0076/0

6/26

 

%25 متاکائولن

8

0043/0

4/23

سولفات منیزیم

شاهد

9

0061/0

7/24

 

%5 متاکائولن

10

0078/0

1/27

 

%15 متاکائولن

11

0069/0

8/25

 

%25 متاکائولن

12

0042/0

6/22

سولفات آمونیوم

شاهد

13

0062/0

2/24

 

%5 متاکائولن

14

007/0

3/26

 

%15 متاکائولن

15

0061/0

9/24

 

%25 متاکائولن

16

 

 

همان‌گونه که مشاهده شد تأثیر محیط‌های سولفاتی بر تنش و کرنش نهایی این‌گونه است.

- محیط سولفات کلسیم کم‌ترین اثر تخریبی را بر بتن داشت، زیرا نمونه‌ها در این محیط نمونه‌ها بالاترین مقدار حفظ مقاومت را در طول زمان داشتند.

- در مقابل، محیط سولفات آمونیوم بیش‌ترین تخریب را ایجاد کرد، به‌طوری‌که نمونه‌های بتن در این محیط بیش‌ترین کاهش مقاومت و افزایش کرنش را نشان دادند.

- سولفات منیزیم و سولفات‌سدیم اثرات تخریبی متوسطی داشتند، اما هم‌چنان باعث افت مقاومت در طول زمان مشاهده شد.

رابطه بین تنش و کرنش در محیط‌های خورنده سولفاتی نشان می‌دهد که بتن‌هایی که مقاومت فشاری بالاتری داشتند (خصوصاً نمونه‌های حاوی 15% متاکائولن)، کرنش کم‌تری را تجربه کردند. اما افزایش کرنش در نمونه‌های با 25% متاکائولن نشان‌دهنده کاهش سختی بتن و افزایش تغییرشکل در بارگذاری است.

 

نتایج ریز ساختار

شکل 20 ریز ساختار بتن با افزودن 15 درصد متاکائولن جایگزین سیمان در شکل 18 شده است.

 

11-3 

شکل 20- تصویر ریز ساختار بتن با افزودن 15 درصد متاکائولن

 

 

تصاویر میکروسکوپی نشان می‌دهند که نمونه‌های بتنی حاوی متاکائولن 15% دارای ساختاری متراکم‌تر نسبت به سایر نمونه‌ها هستند. این به‌دلیل واکنش‌های پوزولانی متاکائولن با هیدروکسید کلسیم آزاد در بتن است که منجر به تشکیل سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) بیش‌تر و کاهش فضای خالی می‌شود. در هر محیط جداگانه می‌توان این‌گونه گفت:

محیط سولفات سدیم: باعث تشکیل ژیپس در داخل ساختار بتن شده که منجر به افزایش حجم و ترک‌های ریز در ماتریس سیمانی شده است. این عامل موجب کاهش مقاومت بتن در طول زمان شده است.

محیط سولفات کلسیم: نسبت به سایر محیط‌ها تأثیر مخرب کم‌تری داشته و ساختار بتن کم‌تر دچار تغییر شده است.

محیط سولفات آمونیوم: بیش‌ترین آسیب را ایجاد کرده و در تصاویر میکروسکوپی، مناطق دارای فازهای ضعیف شده و حفره‌های ریز میکروسکوپی به وضوح دیده می‌شوند.

محیط سولفات منیزیم: باعث تخریب شدیدتر خمیر سیمان و انحلال فاز C-S-H شده که منجر به تضعیف اتصال بین سنگدانه‌ها و ماتریس سیمانی شده است.

درخصوص تأثیر مقدار متاکائولن مشاهده گردید که در نمونه‌های با 5% متاکائولن، بهبود در ساختار بتن نسبت به نمونه شاهد مشاهده شد، اما میزان واکنش پوزولانی به اندازه کافی نبود که بهبود قابل‌توجهی در دوام ایجاد کند. نمونه‌های 15% متاکائولن بیشترین تراکم و کمترین تخلخل را نشان دادند، که باعث افزایش دوام بتن شد. در نمونه‌های 25% متاکائولن، با وجود تراکم بیشتر، میزان فضاهای خالی ناشی از کاهش سیمان افزایش یافته و در برخی مناطق، میکروترک‌ها و افت چسبندگی بین سنگدانه و خمیر سیمان مشاهده شده است.

 

 

نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌ها                

در دهه‌های اخیر، دغدغه‌های زیست‌محیطی ناشی از مصرف بیش از حد انرژی، انتشار گازهای گلخانه‌ای، و بهره‌برداری بی‌رویه از منابع طبیعی، به‌ویژه در صنعت سیمان، موجب شده است تا پژوهشگران و مهندسان به‌دنبال راهکارهایی جهت توسعه مصالح ساختمانی پایدار باشند. یکی از مهم‌ترین اهداف در این زمینه، کاهش مصرف سیمان پرتلند از طریق استفاده از مواد جایگزین پوزولانی است که هم عملکرد فنی مناسبی داشته باشند و هم از نظر اقتصادی و زیست‌محیطی توجیه‌پذیر باشند. در همین راستا، متاکائولن به‌عنوان یک پوزولان طبیعی فعال، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. مطالعه حاضر با هدف بررسی تأثیر جایگزینی بخشی از سیمان با متاکائولن در بتن خودتراکم (SCC) انجام شد تا عملکرد بتن از نظر مقاومت مکانیکی، دوام در برابر محیط‌های خورنده سولفاتی، خواص بتن تازه و ملاحظات زیست‌محیطی ارزیابی شود. بتن خودتراکم، به‌دلیل ویژگی‌های ممتاز در کارایی، کاهش نیروی انسانی در اجرا و افزایش کیفیت سطحی، در پروژه‌های عمرانی بزرگ و پیچیده به‌طور گسترده استفاده می‌شود. با این حال، افزودن مواد جایگزین به این نوع بتن ممکن است خواص تازه و سخت‌شده آن را تحت تأثیر قرار دهد که بررسی هم‌زمان این ویژگی‌ها ضرورت دارد. یکی از جنبه‌های مهم بررسی‌شده در این تحقیق، تأثیر متاکائولن بر خواص بتن تازه بود. نتایج نشان داد که افزودن متاکائولن با درصدهای مختلف بر اسلامپ جریان، زمان جریان، پایداری در برابر جداشدگی و ویسکوزیته بتن تازه تأثیرگذار است. درصدهای پایین متاکائولن (۵ تا ۱۵ درصد) منجر به بهبود یکنواختی، کاهش جداشدگی و بهبود پایداری بتن تازه شد. دلیل این امر، ذرات بسیار ریز متاکائولن است که مانند یک فیلر عمل کرده و فضای خالی بین ذرات را پر می‌کند. همچنین، سطح ویژه بالای متاکائولن موجب جذب بیشتر آب آزاد شده و در نتیجه ویسکوزیته بتن افزایش می‌یابد. این افزایش ویسکوزیته، پایداری بتن تازه را در برابر جداشدگی بهبود می‌بخشد. از سوی دیگر، در درصدهای بالاتر (۲۵ درصد)، به‌دلیل افزایش شدید سطح جذب آب، میزان روانی بتن کاهش پیدا کرد و نیاز به فوق روان‌کننده بیشتر شد. قابلیت پرکنندگی و عبورپذیری بتن خودتراکم نیز تحت تأثیر حضور متاکائولن بهبود یافت، به‌ویژه در درصد ۱۵٪ که به‌عنوان مقدار بهینه در این پژوهش شناخته شد. در این مقدار، بتن توانست بدون انسداد در میان میلگردها جریان یابد و سطحی یکنواخت و بدون حفره ایجاد کند. زمان گیرش اولیه و نهایی نیز با افزایش درصد متاکائولن اندکی کاهش یافت، که این امر به فعالیت پوزولانی بالای متاکائولن و واکنش سریع آن با هیدروکسید کلسیم تولیدشده در فرآیند هیدراتاسیون سیمان بازمی‌گردد. این ویژگی می‌تواند در شرایط سرد یا برای بتن‌ریزی سریع مفید باشد. از نظر خواص مکانیکی، نتایج نشان داد که جایگزینی ۱۵٪ سیمان با متاکائولن بیشترین افزایش مقاومت فشاری را در سنین ۲۸، ۹۰ و ۱۲۰ روزه فراهم کرد. این افزایش مقاومت به واکنش‌های پوزولانی فعال و تشکیل ترکیبات ثانویه ژل C-S-H نسبت داده می‌شود که موجب انسجام بیشتر خمیر سیمان و کاهش فضای خالی در بتن می‌شود. در بررسی دوام بتن در محیط‌های حاوی یون‌های سولفات مختلف (سدیم، منیزیم، کلسیم و آمونیوم)، مشخص شد که نمونه‌های حاوی متاکائولن مقاومت بالاتری نسبت به نمونه شاهد از خود نشان دادند. به‌ویژه در مواجهه با سولفات آمونیوم که بیشترین اثر مخرب را داشت، بتن‌های اصلاح‌شده با متاکائولن ترک‌خوردگی، تورم و تخریب سطحی بسیار کمتری داشتند. ریزساختار متراکم این نمونه‌ها در تصاویر SEM  نیز تأیید شد. کاهش تخلخل و افزایش تراکم مانع از نفوذ یون‌های مهاجم به عمق بتن گردید. از نظر رفتار تنش–کرنش نیز مشخص شد که نمونه‌های دارای متاکائولن، به‌ویژه در درصد %15، مدول الاستیسیته بالاتری داشته و مقاومت به تغییر شکل‌های ناگهانی بیشتری دارند. این خاصیت در افزایش مقاومت سازه در برابر بارهای لرزه‌ای یا ضربه‌ای اهمیت زیادی دارد. از منظر زیست‌محیطی، استفاده از متاکائولن موجب کاهش مصرف سیمان پرتلند و در نتیجه کاهش انتشار گاز دی‌اکسید کربن گردید. با توجه به این‌که هر تن سیمان حدود یک تن CO₂ منتشر می‌کند، جایگزینی ۱۵٪ از سیمان با متاکائولن تأثیر مستقیمی بر کاهش اثرات گلخانه‌ای دارد. همچنین این جایگزینی به حفظ منابع طبیعی نظیر سنگ آهک و خاک رس کمک می‌کند و از استخراج بی‌رویه این مواد جلوگیری می‌نماید. از نظر اقتصادی نیز، گرچه قیمت متاکائولن نسبت به سیمان ممکن است بالاتر باشد، اما به‌دلیل افزایش دوام، کاهش نیاز به تعمیرات و افزایش عمر مفید سازه، هزینه چرخه عمر سازه به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در پروژه‌های زیربنایی مانند پل‌ها، مترو، سدها و سازه‌های دریایی، این صرفه‌جویی مالی بسیار قابل توجه خواهد بود. با توجه به نتایج حاصل‌شده در این پژوهش، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که جایگزینی بهینه‌ی ۱۵ درصد سیمان با متاکائولن در بتن خودتراکم، نه‌تنها موجب بهبود خواص بتن تازه (روانی، پایداری، زمان گیرش) و سخت‌شده (مقاومت فشاری، دوام، ریزساختار) می‌گردد، بلکه نقش بسیار مؤثری در کاهش اثرات زیست‌محیطی و افزایش پایداری در صنعت ساخت‌وساز دارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

References

 

1.       John O. Eze, Chika A. Nwosu, Ifeanyi M. Obi, Performance of Concrete Using Metakaolin as Cement Partial Replacement Material, ARID ZONE JOURNAL OF ENGINEERING, TECHNOLOGY AND ENVIRONMENT, 2025

2.       Chuheng Zhong, DongpingWang, Lijuan Zhang , Weiqi Mao, Sijia Xing , Jinhui Chen & Yuan Xiao,  Durability analysis of metakaolin recycled concrete under sulphate dry and wet cycle Scientifc Reports 2024

3.       Shweta Patel, Ravi Kumar, Meenakshi Singh, Experimental Investigation of Mechanical and Durability Performances of Self-Compacting Concrete Blended with Bagasse Ash, Metakaolin, and Glass Fiber, Frontiers in Materials, 2024

4.       Irfan Majeed، Mir Suhail Ahmed, Experimental Study and Analysis of Strength Properties and Sulfate Resistance of Self-Compacting Concrete Using Different Admixtures, IJRASET Journal,2024

5.       Mohammadyan-Yasouj , Seyed Saeid Rahimian Koloor, Utilization of metakaolin on the properties of self-consolidating concrete: A review,   Seyed Esmaeil Construction and Building MaterialsVolume 389, 31 July 2023, 131605

6.       Ali R. Rajabi, Saeed Yousefi, Mohammad A. Sadeghi, Experimental Investigation on the Durability of Metakaolin-Based Geopolymer Concrete in Aggressive Environments, Asian Journal of Civil Engineering, 2023

7.       Abdollahzadeh, M., & Hosseini, S. A.. Metakaolin-based SCC: Resistance to sulfate environments and long-term performance. Journal of Cleaner Production, (2023) 381, 135188.

8.       Ming Li, Yifan Zhao, Hao Chen, Jun Wang, Investigation on the Sulfate Attack of Metakaolin Blended Recycled Concrete Based on Percolation Theory, Journal of Materials Research and Technology, 2023

9.       Kamyar Nabighods, Ashkan Sarada, Mohammad Mohtasham Moein, Mir Alimohammad Mirgozar Langaroudi, Juliana Byzyka, Moses Karakouzian, Evaluation of self‑compacting concrete containing pozzolan (zeolite, metakaolin & silica fume) and polypropylene fiber against sulfate attacks with different PH: an experimental study, Practice-Oriented Paper, 2023,

10.       Wei Zhang, Jiawei Liu, Xiaolong Wang, Qiang Li, Performance of Alkali-Activated Self-Compacting Concrete with Incorporation of Nanosilica and Metakaolin, Sustainability, 2022

11.       Fatemeh Khodabakhshian, Zahra Sadeghi, Ali Rezaei, Cement with Fly Ash and Metakaolin Blend—Drive towards a More Sustainable Construction, Energies, 2022

12.       IPCC.. Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change. (2022)

13.       Zhang, Y., & Shi, C.. Influence of supplementary cementitious materials on the stress–strain behavior of concrete under compression. Construction and Building Materials, (2022) 314, 125677.

14.       Bakhshi, M., & Allahverdi, A.. Sulfate attack on concrete: Mechanisms, effects and preventive strategies. Cement and Concrete Research, (2021) 146, 106449.

15.       Wang, Y., Zhang, M., & Long, W.. Toward sustainable concrete: The role of supplementary cementitious materials in reducing carbon footprint. Construction and Building Materials, (2021) 270, 121371.

16.       Okamura, H., & Ouchi, M.. Self-compacting concrete: development, present use and future. Journal of Advanced Concrete Technology, (2020),18(4), 141–150

17.       Ghasemi, T., & Ramezanianpour, A. A.. Influence of metakaolin on the durability and mechanical properties of self-compacting concrete under aggressive environments. Journal of Building Engineering, (2020) 32, 101586.

18.       Soutsos, M. N., & Le, T. T.. Effect of metakaolin on concrete durability and performance. Materials and Structures, (2019)52(1), 1–13.

19.       Hocine Siad, Siham Kamali-Bernard, H.A. Mesbah, G. Escadeillas, Mohamed Mouli, H. Khelafi , Characterization of the degradation of self-compacting concretes in sodium sulfate environment: Influence of different mineral admixtures, Construction and Building Materials, 2013, Volume 47, Pages 1188-1200

 

20.       آتش‌بند، شهام، صابر ماهانی، محسن، الهی حمیدرضا، بررسی آزمایشگاهی اثرات سیمان ضد سولفات وترکیبات باریم بر مقاومت خاک-سیمان در محیط  سولفاته‌، نشریۀ زمین شناسی مهندسی 1400، جلد پانزدهم، شمارۀ 2 

21.       آدرسی، مصطفی، مرادی باصری، حامد، مروري بر روش‌هاي آزمايشگاهي و تحليلي درخصوص بررسي رفتار بتن تحت حملات سولفاته و اسيدي، فصلنامه علمي جاده ، 1402،  سال بيست و يكم، دوره چهارم، شماره 117 

22.       امیری، محمد، تنیده، پریسا، ارزیابی ریز ساختاری تاثیر محیط‌های سولفاته بر خواص مکانیکی بتن ژئوپلیمری، تحقیقات بتن، سال 99، سال سیزدهم شماره 2

23.       احمدی، جمال، بیگدلو، احمد، سلیمانی‌راد، مهدی، تأثير استفاده از زئوليت، ميکروسيليس و متاکائولن بر کارايی و مقاومت بتن خود متراکم‌، نشريه مهندسی عمران و محيط زيست 1396، جلد 74‌، شماره 3

24.       انتظاری، علیرضا، اسماعیلی، جمشید، بررسی منحنی تنش وکرنش بتن سبک سازه ای غیر محصور، نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، سال 1389، جلد 40 شماره 3.

25.       حسن زاده، محسن، کیاچهر، بهفرنیا، ربانی، شهاب، بررسی تاثیر محیط سولفاته بر مقاومت فشاری ملات‌های حاوی پوزولان میکروسیلیس، اولین همایش ملی سازه زلزله ژئوتکنیک، سال 1389.

26.       رمضانیان پور، علی‌اکبر‌، میرولد سید سجاد، آرامون ، احسان، پیدایش، منصور، بررسي اثر چهار نوع از پوزولان‌هاي طبيعي ايران بر دوام بتن‌هاي سازه‌اي در برابر حمله سولفاتي‌، نشريه علمي پژوهشي اميرکبير )مهندسي عمران و محيط‌زيست(‌، سال 1393، دوره چهل ششم، شماره 2

27.       ربانی، شهاب، حسن زاده، محسن، کیاچهر، بهفرنیا، بررسی اثرپوزولان های مختلف برعملکرد ملات درمحیط سولفاته، چهارمین کنفرانس ملی ایران، 1391

28.       فرخ زاد، رضا، یاسری، سجاد، انتظاریان ، محمد حسین، یاوری، امیر، بررسی تاثیرات سولفات ها بر مقاومت فشاری انواع بتن های پوزولانی و اندازه گیری میزان نفوذ با آزمون فراصوت در سنین مختلف، تحقیقات بتن 1395، سال نهم شماره اول

29.       نادری، محمود، رشوند آوه، ابولفضل، صابری ورزنه، علی، بررسی پایایی بتن های خود متراکم ساخته شده از سنگ دانه­های مختلف تحت اثر محیط سولفاته با استفاده از آزمون پیچش، مهندسی عمران، 1401، شماره 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Experimental Analysis of Durability and Mechanical Behavior of Self-Compacting Concrete Containing Metakaolin in Sulfate Environments in order to Reduce Cement Consumption and Protect Environment

 

Karrar AbdulAmir Nahi

Master's Student of Civil Engineering, Faculty of Building Industry and Environment, Islamic Azad University, Shiraz Branch, Iran

MohammadAmir

Sherafati*

Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Shi.C., Islamic Azad University, Shiraz, Iran

Hadi Fatemi

M.Sc. in Civil Engineering, Faculty of Building Industry and Environment, Islamic Azad University, Shiraz Branch, Iran

 

Extended Abstract

 

 

 

Received: 6 May 2025

 

Accepted: 12 June 2025

Introduction: In recent years, the construction industry has been recognized as one of the largest consumers of natural resources and producers of greenhouse gases. One of the most important materials used in this industry is Portland cement, the production of which consumes significant amounts of energy and emits carbon dioxide (CO₂) one of the main greenhouse gases into the atmosphere. This issue not only affects air quality and human health but also accelerates global warming and climate change. Moreover, cement production relies heavily on raw materials such as limestone and clay, and excessive extraction of these materials leads to depletion of non-renewable natural resources and threatens environmental sustainability.

Materials and Methods: This study aimed to investigate the effect of partially replacing cement with metakaolin in self-compacting concrete (SCC) and to evaluate the performance of this concrete in sulfate-rich corrosive environments. For this purpose, SCC samples were prepared with three different metakaolin replacement levels: 5%, 15%, and 25% by weight of cement. To simulate corrosive environmental conditions, samples were exposed to four sulfate solutions containing sulfate ions from sodium sulfate (Na₂SO₄), magnesium sulfate (MgSO₄), calcium sulfate (CaSO₄), and ammonium sulfate ((NH₄)₂SO₄). These sulfate ions were selected due to their destructive effects on concrete structures, particularly in industrial and marine environments, to accurately assess the concrete's resistance under realistic conditions.

 

Keywords: Self-Compacting Concrete, Metakolin, CO₂ Emission Reduction, Concrete Durability,             Sustainable Development, Corrosion Sulfate

Results and Discussion: Laboratory results demonstrated that incorporating metakaolin significantly improved the characteristics of self-compacting concrete. Among the tested samples, the mixture containing 15% metakaolin exhibited the best performance. This mixture showed a notable increase in compressive strength compared to the control sample (without metakaolin). Additionally, water absorption decreased, indicating reduced porosity and increased density of the concrete microstructure. SEM images confirmed greater cohesion and fewer voids within the internal structure of the concrete. The 15% metakaolin concrete also exhibited higher resistance to sulfate environments, particularly against magnesium and ammonium ions, with less surface deterioration and cracking observed. Furthermore, the partial replacement of cement with metakaolin reduced the CO₂ emissions associated with concrete production, contributing effectively to minimizing the environmental impact of this widely used construction material. Compressive strength tests at various ages showed that the 15% metakaolin mixture performed better not only at 28 days but also at early (7 days) and late (90 days) stages, indicating good pozzolanic reactivity and long-term microstructural development. Reduced water absorption also implies lower permeability to aggressive ions, thereby decreasing long-term degradation. Stress–strain analysis showed that metakaolin-containing samples had higher stiffness (elastic modulus), reflecting increased concrete hardness and resistance to sudden deformations under cyclic loads.

 

Conclusion: Based on the obtained results, it can be concluded that the optimal use of 15% metakaolin not only enhances the mechanical properties and durability of self-compacting concrete against sulfate ion attack but also plays a significant role in reducing environmental pollution by lowering cement consumption. The use of metakaolin aligns with sustainable development approaches, potentially extending the service life of structures under harsh environmental conditions.

Corresponding author: MohammadAmir Sherafati

Address: Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Shi.C., Islamic Azad University, Shiraz, Iran 

Tel: +989173870014         Email: MA.Sherafati@iau.ac.ir        

Citation: AbdulAmir Nahi K, Sherafati MA, Fatemi H. Experimental Analysis of Durability and Mechanical Behavior of Self-Compacting Concrete Containing Metakaolin in Sulfate Environments in order to Reduce Cement Consumption and Protect Environment.Journal of New Researches in Environmental Engineering. 2025; 3(9): 52-72.

img0 

© 2024, This article published in Journal of New Researches in Environmental Engineering (JNREE) as an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0). Non-commercial use, distribution and reproduction of this article is permitted in any medium, provided the original work is properly cited. 

 


مقالات مرتبط

حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات دانشگاه آزاد اسلامی است.
حق نشر © 1404-1400

صفحه اصلی| عضویت/ ورود| درباره سند| تماس با ما|
[English] [العربية] [en] [ar]