SUPERVISOR
Milad Aminzadeh,Mohammad reza Eftekhar
میلاد امین زاده (استاد راهنما) محمدرضا افتخار (استاد راهنما)
STUDENT
MOTAHAREH POURMAND
مطهره پورمند
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Production of ultra-lightweight alkali-activated slag concrete as evaporation suppression floating element
Production of ultra-lightweight alkali-activated slag concrete as a evaporation suppression floating element Motahareh Pourmand m.pourmand@cv.iut.ac.ir Date of submission: 2020/ / Department of Civil Engineering Degree: M.Sc. Language: Farsi Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran Supervisors: Mohammadreza Eftekhar, eft@cc.iut.ac.ir The global freshwater demand has been intensified with population growth, climate change, global warming and change in rainfall patterns in recent decades. Storing water in local reservoirs during rainy seasons is a way to mitigate water scarcity problems in dry spells. The increasing number of water reservoirs highlights the need for efficient measures to suppress evaporative losses. Among different techniques, modular floating elements have shown a reliable performance in mitigating evaporation from water reservoirs. Notwithstanding the high efficiency of these often plastic fabricated floating elements, their effects on water quality parameters and associated environmental issues during production cast doubt on their application. Milad Aminzadeh, m.aminzadeh@cc.iut.ac.ir Lightweight concrete as a unique material with desirable economic and technical properties is an alternative for production of floating elements. However, the use of Portland cement as the key binder of lightweight concrete is often linked with consumption of considerable energy and raw material causing certain environmental issues. Replacing Portland cement in the normal concrete with alkali-activated binders can be considered as an appropriate solution. In the present study, slag and sodium metasilicate pentahydrate as the one-part alkaline binder were invoked to produce modular floating elements using lightweight perlite aggregates. After performing various experiments with variable percentages of lightweight aggregates and slag, the two main values of 130 and 150 kg/m3 were determined for slag. Lime was further used to solve the problem of fracture and fading of the samples. For this purpose, 15, 20 and 30% of lime were replaced with slag. In addition, microsilica with variable percentages of 10, 12 and 15% was introduced to improve mechanical properties of the samples including density, compressive strength, water absorption, permeability, and thermal conductivity. Considering the porous nature and inherent water absorption characteristics of concrete specimens that eventually supply water to the surface of floating elements, glaze coating was used to waterproof the surface of samples. The results showed that lime and microsilica may effectively change mechanical properties of samples. In designs without microsilica, 30 % replacement of lime with slag resulted in desirable density, strength, water absorption, and permeability of samples. In designs with microsilica admixture, increasing the percentage of microsilica generally increased the density, resistance, and thermal conductivity of samples by 26%, 57%, and 12%, respectively. Moreover, the filling properties of microsilica particles caused 10% and 25% reduction in water absorption and permeability, respectively. The density of dry samples was obtained between 340 to 516 kg/m3 with compressive strength of 0.2-0.9 MPa and conductive heat transfer coefficient of 0.067- 0.093 W/mK. The minimum permeability was 3.97× 10-10 m2 and the minimum 48-hour water absorption was 52%. Keywords Evaporation suppression floating element; One-part alkali-activated slag; Microsilica; Ultra-lightweight concrete; Perlite aggregate
افزایش جمعیت، تغییرات اقلیمی، گرمایش جهانی و تغییر الگوهای بارش از جمله موارد تشدید کنندهی بحران آب شیرین در جهان هستند. یکی از راه حلهای غلبه بر کمبود آب، ذخیرهی آب در فصول پر بارش است. گسترش مخازن ذخیرهی آب لزوم استفاده از روشهای کاهش تبخیر را بیش از پیش مطرح کرده است. در میان روشهای مختلف، استفاده از اجسام شناور به عنوان روشی مؤثر برای کاهش تبخیر شناخته میشود. ساخت این پوششها از مواد پلاستیکی و پلیمری با تأثیرات نامطلوب بر کیفیت آب و نیز صدمات قابل توجه زیست محیطی در حین تولید، لزوم استفاده از مواد جایگزین را برجسته نموده است. بتن سبک به عنوان یک مادهی منحصر به فرد با ویژگیهای اقتصادی و فنی مطلوب میتواند برای این منظور مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به میزان روز افزون مصرف بتن و اثرات مخرب تولید سیمان بر محیط زیست، محصولات جایگزینی با نام چسبانندههای قلیا فعال مطرح شدهاند. در پژوهش حاضر از سرباره و متاسیلیکات سدیم 5 آبه به عنوان چسبانندهی قلیا فعال تک جزئی استفاده گردید. با توجه به هدف اصلی این پژوهش در خصوص ساخت قطعات بتنی به عنوان اجسام شناور کاهندهی تبخیر، از سبکدانهی غیر سازهای پرلیت با دانهبندی گسسته برای ساخت نمونهها استفاده گردید. در این تحقیق از دو مقدار 130 و kg/m 3 150 سرباره به عنوان چسباننده در بتن قلیا فعال استفاده شده است. هم چنین از پودر آهک به عنوان جایگزین بخشی از سرباره برای افزایش گیرش و مقاومت نمونهها استفاده گردید. به این منظور درصدهای متغیر 15، 20 و 30 درصد آهک جایگزین سرباره گردید. علاوه بر آن از میکروسیلیس به عنوان پوزولان با درصدهای 10، 12 و 15 به عنوان افزودنی برای بهبود ویژگیهای مکانیکی نمونهها استفاده شد. همچنین با توجه به نفوذ پذیری و ساختار متخلخل بتن و امکان انتقال آب به سطح نمونهها در اثر صعود موئینگی، برای ضد آب کردن سطح از پوشش لعاب گرم استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان دهندهی تأثیر آهک و میکروسیلیس با درصدهای متغیر بر روی ویژگیهای مکانیکی نمونهها اعم از وزن مخصوص، مقاومت فشاری، جذب آب، نفوذ پذیری و انتقال حرارت است. یافتههای تحقیق نشان میدهد که در طرحهای فاقد میکروسیلیس، بهترین درصد جایگزینی آهک با سرباره برای رسیدن به چگالی، مقاومت، جذب آب و نفوذ پذیری مناسب، 30 درصد است. در طرحهای حاوی میکروسیلیس، به طورکلی افزایش درصد میکروسیلیس، چگالی، مقاومت و انتقال حرارت طرحها را افزایش میدهد. این میزان افزایش در وزن، حداکثر 26 درصد، در مقاومت فشاری، 57 درصد و در انتقال حرارت، 12 درصد میباشد. همچنین به دلیل خاصیت پر کنندگی ذرات میکروسیلیس، میزان جذب آب و نفوذ پذیری نمونهها کاهش نشان میدهد. این میزان کاهش برای جذب آب و نفوذ پذیری به ترتیب حداکثر 10 و 25 درصد میباشد. در نهایت نمونههای ساخته شده دارای وزن خشک بین 340 تا kg/m 3 516، مقاومت فشاری بین 2/0 تا MPa9/0 و ضریب انتقال حرارت 067/0 تا W/mK093/0 میباشند. میزان نفوذ پذیری حداقل m 2 10 -10 ×97/3 وکمترین میزان جذب آب 48 ساعته نیز 52 درصد حاصل شده است. کلمات کلیدی: پوشش شناور کاهندهی تبخیر؛ بتن قلیا فعال سربارهای تک جزئی؛ میکروسیلیس؛ بتن فوق سبک؛ سبکدانهی پرلیت