بررسی تاثیر نانو ذرات بر دوام بتن قلیا فعال سرباره‌ای در برابر چرخه‌های یخ و ذوب

STUDENT

DEGREE

YEAR

Due to the vast application of concrete in construction industry, growing need of cement production, and its harmful environmental effects, it is necessary to provide an alternative production material, such as, alkali activated slag concrete in order to move through sustainable development. Concrete rapidly loses its strength in a priod of time less than the service life considered for it under destructive environmental conditions. This issue is more important in structures with long-term service life, in which the maintenance cost is more than the initial construction cost. Freezing and thawing process is one of the physical destructive factors. If the concrete has not enough durability against freeze-thaw cycles, it will deteriorate in a time period much shorter than its service life. Although concrete with high compressive strength is usually more resistant against physical and chemical harmful environmental attacks, but some other factors such as permeability and internal structure density may have excessive influence in concrete durability. The aim of this research is production of alkali activated slag concrete with less permeable and more freeze–thaw resistance. Researches showed that adding Pozzolans such as, micro silica and Metakaolin and materials such as, Polypropylene fibers and nanoparticles improve the permeability and freeze–thaw resistance of regular concretes. Therefore, nano particles and polypropylene fibers have been used in this research in order to improve freeze–thaw resistance alkali activated slag concrete. Another innovation in this study is the use of nano clay in alkali active slag concrete. In addition to nano-clay, the effects of nano-silica and nano-alumin have also been investigated on the durability of alkali active slag concrete. Alkali-activated slag concrete is a mixture of activated slag by alkaline solution containing sodium hydroxide, sodium silicate and conventional aggregates. According to the goal of this research which is investigating the effect of nano particles and fibers, a constant mixture is used and the only variable parameters are the quantity of nano particles and fibers. A control mixture is used without any ano particles and in the other three mixtures 1, 2 and 3 percentage of nano particles ( nano clay, nano SiO 2 , nano Al 2 O 3 ) are used. Another design is obtained by adding 0.1 volumetric percentage of polypropylene fiber to the four described mixtures. The compressive strength and freeze-thaw cycle tests were done on all mixture designs. The specimens were tested under freezing and thawing conditions according to ASTM C666 B standard. To compare the performance of mixtures under freeze-thaw cycles, changing the length, weight and water absorption ratio and compressive strength of specimens were tested after the completion of freezing and thawing cycles. The results showed that nano-silica and ano clay, respectively, perform better in improving the strength and durability of concrete alkali activated slag under freeze and thaw cycles than the nano alumina. However, the use of nano-clay and nano-aluminum for improvement of the compressive strength and durability of alkali activated slag concrete is not recommended due to the high cost of these particles

بتن به عنوان یکی از مهمترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی ارزان قیمت با شکل¬پذیری مناسب در صنعت ساختمان می‌باشد. با توجه به میزان مصرف بالای بتن و نیاز روزافزون به تولید سیمان و توجه به اثرات مخرب زیست محیطی این ماده ارائه محصولات جایگزین ‌مانند بتن‌های قلیا فعال سرباره‌ای جهت حرکت در مسیر توسعه‌ی پایدار، اصلی ضروری به شمار می‌آید. بتن تحت شرایط محیطی مخرب به سرعت و در مدتی کم‌تر از زمانی‌که به عنوان عمر مفید برای آن در نظر گرفته شده است، آسیب دیده و مقاومت خود را از دست می‌دهد. این مسئله در سازه‌هایی که عمر بهره‌برداری از آن‌ها بسیار زیاد بوده و هزینه تعمیر و نگهداری آن‌ها در بسیاری از موارد از هزینه اولیه ساخت بالاتر است از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. از عوامل مخرب فیزیکی می‌توان به فرآیند یخ و ذوب اشاره نمود. چنانچه بتنی دوام کافی در برابر چرخه‌های یخ و ذوب را نداشته باشد، با قرار گیری در شرایط یخبندان در مدتی بسیار کم‌تر از عمر مفید خود از بین خواهد رفت. هرچند بتن‌هایی با مقاومت فشاری بالا معمولا مقاومت بیش‌تری در برابر حملات فیزیکی و شیمیایی محیط مخرب از خود نشان می‌دهند، اما عوامل دیگری چون نفوذپذیری و تراکم ساختار داخلی بتن و چیدمان حفره‌های داخلی موجود در بتن نیز می‌تواند تاثیر بسزایی در دوام بتن داشته باشد. هدف اصلی از انجام این تحقیق تولید بتن قلیا فعال سرباره‌ای با ساختار متراکم‌تر، نفوذپذیری کم‌تر و دوام بیش‌تر در برابر چرخه‌های یخ و ذوب می‌باشد. تحقیقات نشان داده است که اضافه کردن پوزولان‌هایی هم‌چون خاکستر بادی، میکروسیلیس، سرباره کوره بلند، متاکائولین و موادی هم‌چون الیاف پلی‌پروپیلن و نانو ذرات، نفوذپذیری و دوام بتن معمولی را در برابر چرخه‌های یخ و ذوب بهبود می‌دهند. از این‌رو برای اولین بار در این تحقیق به‌منظور دستیابی به بتن قلیا فعال سرباره‌ای با دوام بیش‌تر در برابر چرخه‌های یخ و ذوب از نانو مواد و نیز الیاف پلی‌پروپیلن استفاده شده است. از دیگر نوآوریهای این تحقیق استفاده از نانو رس در بتن قلیا فعال سرباره‌ای می‌باشد. علاوه بر نانو رس، اثر نانو سیلیس و نانو آلومین نیز بر دوام بتن قلیا فعال سرباره‌ای مورد بررسی قرار گرفته است. بتن قلیا فعال سرباره‌ای از طریق فعال‌سازی سرباره به کمک محلول قلیایی متشکل از هیدروکسید سدیم و سیلیکات سدیم و ترکیب با سنگدانه معمولی تولید شده است. به دلیل این‌که در این تحقیق هدف بررسی تاثیر نانو مواد و الیاف بوده است، در همه طرح‌ها از یک طرح اختلاط ثابت استفاده شده است و تنها پارامترهای متغیر در طرح‌های اختلاط مقادیر نانو مواد و الیاف مورد استفاده می‌باشد. در تهیه طرح‌ها از یک طرح شاهد فاقد نانو مواد و سه طرح با جایگزینی مقادیر 1 و 2 و 3 درصد وزنی نانو مواد ( نانو سیلیس، نانو آلومین و نانو رس) استفاده شده است. طرح دیگری با اضافه کردن 1/0 درصد حجمی الیاف پلی‌پروپیلن به طرح‌های مذکور به دست آمده است. بنابراین با در نظر گرفتن حالت‌های ترکیبی در مجموع از 20 طرح اختلاط استفاده شده است. بر روی نمونه‌ها آزمایش مقاومت فشاری و آزمایش‌های مربوط به چرخه‌های یخ و ذوب انجام شده است. نمونه‌ها مطابق با استاندارد ASTM C666- انجام گردید. برای مقایسه عملکرد طرح‌های اختلاط در برابر چرخه‌های یخ و ذوب آزمایش‌های مقاومت فشاری، تغییر طول، تغییر وزن و تغییر جذب آب بعد از اتمام سیکل‌های یخ و ذوب بر روی نمونه‌ها انجام شد. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که در درجه اول نانو سیلیس و سپس نانو رس در بهبود مقاومت فشاری و دوام بتن قلیا فعال سرباره‌ای تحت سیکل‌های یخ و ذوب نسبت به نانو آلومین عمل‌کرد مطلوب‌تری دارند. با این حال تاثیر نانو رس و نانو آلومین در بهبود مقاومت فشاری و دوام بتن‌ قلیا فعال سرباره‌ای در برابر چرخه‌های یخ و ذوب ناچیز می‌باشد و با توجه به هزینه بالای این ذرات استفاده از آن‌ها توصیه نمی‌شود. اضافه کردن بیش از 1% وزنی نانو سیلیس در بتن‌های الیافی و بتن‌های فاقد الیاف تاثیر چندانی در بهبود مقاومت فشاری و دوام بتن قلیا فعال سرباره‌ای تحت شرایط یخ و ذوب ندارد. کلمات کلیدی: بتن، قلیا فعال سرباره‌ای، چرخه یخ و ذوب، مقاومت فشاری، نانو رس، نانو آلومین، نانوسیلیس، الیاف پلی‌پروپیلن