SUPERVISOR
Mohammad reza Eftekhar
محمدرضا افتخار (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammadreza Rezaei
محمدرضا رضائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Experimental Study on Impact Resistance of Fiber Reinforced Concrete Made with Stone Cutting Industry Waste
Experimental Study on Impact Resistance of Fiber Reinforced Concrete Made with Stone Cutting Industry Waste Mohammadreza rezaei Mohammadreza.rezaei96@cv.iut.ac.ir Date of Submission: October 21,2020 Department of Civil Engineering Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Degree: M.Sc Language: Farsi Supervisor: Dr. Mohammadreza Eftekhar, eft@cc.iut.ac.ir Many structures are subjected to various impact loads during their service life such as the effects of the blast, the traffic loads, and the projectile collision loads. It is necessary that research about the behavior of the construction materials due to the destructive effects of these loads. Concrete is one of the most widely used materials in construction. Therefore, the performance and the reinforcement ways of this material should be investigate. In recent years, environmental concerns have been raised due to the increase in industrial waste. Finding a way of reducing and recycling these wastes is required in the waste management field. Using these wastes in the production of concrete has been created a new concept named green concrete. In addition to solving the environmental problems caused by the waste, green concrete also reduces the use of natural resources. The building stones industry is one of the industries that are faced with the problem of waste materials. In stone cutting industrial units, many unusable stone fragments and sludge due to the stone cutting and shaping operations are produced. In this research, these pieces of stone and sludge have been performed in the production of concrete. In the present study, to achieve the research objectives, the wastes of 3 types of marble, travertine, and granite stones and the sludge of each of these stones have been used as coarse aggregate and partial replacement of cement, respectively. Hybrid fibers (steel-polypropylene) with volume fractions of 0.5% (0.25% steel and 0.25% polypropylene) and 1% (0.5% steel and 0.5% polypropylene) have been used to investigate the behavior of concrete subjected to impact loads as the primary purpose of this research. Nine mix designs have been considered for each type of coarse aggregate (27 mix designs Collectively). The type of sludge used in each design is proportional to the type of consumption coarse aggregate in that design. A control design was considered for each category of mix designs, and the effects of using fibers, sludge, and microsilica was investigated. In some designs, 10% cement was replaced by Sludge of stones, and in others, 20% cement was replaced by 10% sludge and 10% microsilica. Based on the results of experiments, travertine sludge has a positive effect on impact, compressive, and flexural strength of concrete specime But marble and granite sludge decreased the values of the mentioned mechanical properties; So that these sludges decreased the impact resistance of concrete by 33% and 16%, respectively. Simultaneous use of microsilica and sludge has significantly affected the mechanical properties of concrete, which is a kind of positive synergism of these materials to improve concrete performance. Using 0.5% hybrid fibers increases the energy absorption capacity of specimens to 3.3 and 4 times for initial cracking and ultimate failure, respectively, due to the impact. In addition, load-bearing capacity subjected to impact loads would be occurred by the fibers after the initial crack, but the nonfibrous concrete specimens subjected to the impact loads are ruptured after the first crack. Due to using 0.5% fibers, compressive strength and modulus of rupture in contrast to the impact resistance are reduced up to 28.8% and 25.1%, respectively. All the mentioned mechanical properties have been improved by increasing the fiber volume fraction from 0.5% to 1%. However, the effect of increasing fiber volume fraction is very significant on the impact resistance. Compared to the control specimens, the number of required blows increased to 9.7 and 11 times for initial cracking and ultimate failure, respectively. Regarding the effect of coarse aggregate type, it can be said that marble coarse aggregate compared to granite and both of them compared to travertine coarse aggregate provide more compressive strength and modulus of rupture for concrete. In the case of impact resistance, the effect of marble and granite coarse aggregate is almost the same, and the number of required blows of those compared to travertine coarse aggregate increases to 31% for cracking and ultimate failure. Key Words: Impact resistance, Green concrete, Stone cutting sludge, Microsilica, Fibers.
بسیاری از سازهها در طول عمر بهره برداری خود تحت تأثیر اشکال مختلفی از بارهای ضربهای مانند انفجار، اثرات بارهای ترافیکی و برخورد پرتابهها قرار میگیرند. اثرات مخرب این بارها بر سازهها، لزوم بررسی رفتار موادی که به عنوان مصالح ساختمانی در آنها به کار برده میشوند را دو چندان میکند. از آنجاییکه بتن از پرمصرفترین مصالح در ساخت و ساز میباشد، بررسی عملکرد آن در برابر اینگونه از بارها و راههای تقویت آن ضروری است. از طرفی در سالیان اخیر افزایش میزان زبالههای صنعتی نگرانیهای زیادی را در مورد محیط زیست به وجود آورده است. یافتن راهکاری برای استفادهی مجدد از این زبالهها و مواد دور ریز، امری حیاتی برای متولیان امر در حوزهی مدیریت پسماندها است. استفاده از این مواد دور ریز در ساخت بتن باعث به وجود آمدن مفهومی تازه به نام بتن سبز شده است. بتن سبز علاوه بر رفع مشکلات زیست محیطی ناشی از زبالهها، باعث کاهش میزان استفاده از منابع طبیعی نیز میشود. یکی از صنایعی که با مشکل مواد دور ریز مواجه است، صنعت سنگهای ساختمانی میباشد. در واحدهای سنگبری به میزان زیادی قطعات سنگ غیر قابل استفاده و لجن که ناشی از عملیات برش و شکلدهی سنگها است، تولید میشود. در این تحقیق از این قطعات سنگ و لجن در تولید بتن استفاده شده است. در پژوهش حاضر برای نیل به اهداف تحقیق، ضایعات 3 نوع سنگ مرمریت، تراورتن و گرانیت به عنوان درشت دانه، و لجن هرکدام از این سنگها به عنوان بخشی از سیمان مصرفی مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین با توجه به این که هدف اصلی در این پایاننامه بررسی رفتار بتن در برابر ضربه میباشد، از الیاف هیبریدی (فولادی-پلی پروپیلن) با نسبتهای حجمی %5/0 (%25/0 فولادی و %25/0 پلی پروپیلن) و %1 (%5/0 فولادی و %5/0 پلی پروپیلن) استفاده شده است. برای هر نوع درشت دانهی مصرفی، 9 طرح اختلاط که جمعاً 27 طرح میشود، در نظر گرفته شد. نوع لجن استفاده شده در هر طرح مطابق با نوع درشت دانهی مصرفی در طرحها بود. برای هر دسته از طرحهای اختلاط یک طرح شاهد در نظر گرفته شد و اثر استفاده از الیاف، لجن و میکروسیلیس نسبت به طرح شاهد مورد بررسی قرار گرفت. لجن سنگها در برخی از طرحها به تنهایی جایگزین %10 از سیمان شدند و در برخی دیگر، همراه با %10 میکروسیلیس جایگزین %20 از سیمان مصرفی گردید. براساس نتایج آزمایشات لجن سنگ تراورتن تاثیر مثبتی بر روی مقاومت ضربهای، مقاومت فشاری و مقاومت خمشی نمونهها میگذارد؛ اما لجن سنگهای مرمریت و گرانیت باعث افت مقادیر خواص مکانیکی ذکر شده، میشوند؛ به طوری که این لجنها مقاومت ضربهای بتن را با معیار انرژی شکست، به ترتیب به میزان %33 و %16 کاهش میدهند. استفادهی همزمان از میکروسیلیس و لجن سنگها تاثیر چشمگیری بر روی پارامترهای مقاومتی بتن میگذارد که به نوعی نشاندهندهی همافزایی مثبت این مواد با یکدیگر برای ارتقای عملکرد بتن است. استفاده از %5/0 الیاف هیبریدی قابلیت جذب انرژی نمونهها را در اثر ضربه، برای ترک خوردگی و شکست نهایی به ترتیب تا 3/3 و 4 برابر افزایش میدهد. لازم به ذکر است که استفاده از الیاف سبب به وجود آمدن قابلیت تحمل ضربات بعد از ترک اولیه میشود؛ اما نمونههای فاقد الیاف با ایجاد اولین ترک در اثر ضربه گسیخته میشوند. مقاومت فشاری و مدول گسیختگی بر خلاف مقاومت ضربهای در اثر استفاده از %5/0 الیاف به ترتیب تا %8/28 و %1/25 کاهش پیدا میکنند. با افزایش درصد حجمی الیاف هیبریدی از %5/0 به %1 تمامی خواص مکانیکی ذکر شده بهبود پیدا میکنند؛ اما تأثیر افزایش درصد الیاف بر مقاومت ضربهای بتن بسیار زیاد است؛ به طوری که تعداد ضربات لازم برای ایجاد ترک اولیه و شکست نهایی به ترتیب تا 7/9 و 11 برابر نسبت به نمونههای شاهد افزایش پیدا میکند. در مورد تأثیر نوع درشت دانه نیز میتوان گفت که درشت دانهی مرمریت نسبت به گرانیت و هر دوی آنها نسبت به تراورتن مقاومت فشاری و مدول گسیختگی بیشتری را برای بتن فراهم میکنند. در مورد ضربه نیز تأثیر درشت دانههای مرمریت و گرانیت تقریبا به یک اندازه میباشد و نسبت به درشت دانهی تراورتن تعداد ضربات لازم برای ترک خوردگی و شکست نهایی نمونهها را تا %31 افزایش میدهند. کلمات کلیدی : مقاومت ضربهای، بتن سبز، لجن کارخانجات سنگبری، میکروسیلیس، الیاف.