توصيفگر ها :
بتن با عملكرد بسيار بالاي مسلح با الياف , سنگ دانهي سربارهي فولادي كورهي قوس الكتريكي , مقاومت فشاري , مقاومت خمشي , مقاومت در برابر حرارت و آتش , بررسي ريز ساختار بتن با عملكرد بسيار بالاي مسلح به الياف , استفاده از ضايعات صنايع فولاد سازي
چكيده فارسي :
بتن با عملكرد بسيار بالا (UHPC) بتني نوين با ذرات ريز و همگن است كه مقاومت فشاري بالا و دوام بسيار زياد در برابر عوامل مخرب محيطي دارد. براي رفع شكست ترد و افزايش شكلپذيري اين بتن، استفاده از الياف رايج است. همچنين براي كاهش مصرف سيمان و افزايش سازگاري زيستمحيطي، جايگزيني بخشي از سيمان با ميكروسيليس و سربارهي كورهي بلند آهنگدازي مطلوب است.
با توجه به كاربرد گسترده بتن در سازههاي در معرض حرارت بالا، توليد بتن نسوز يا بتن مقاوم در برابر حرارت اهميت زيادي دارد، زيرا بتن معمولي در دماهاي بالا دچار تغييرات فيزيكي و شيميايي شده و باعث افت سريع مقاومت فشاري، كششي، خمشي و مدول الاستيسيته ميشود. سيمان پرتلند معمولي نيز در حدود ℃600 پايدار نيست؛ زيرا Ca(OH)2 حاصل از هيدراتاسيون در اثر حرارت، كربن دياكسيد خود را از دست داده و به آهك شكفته تبديل ميشود كه با رطوبت واكنش داده، منبسط و پودر شده و در نهايت تخريب بتن را در پي دارد. يكي از پديدههاي شايع بتن در معرض حرارت، پوستهشدن بتن است كه به دليل افزايش دما و ايجاد فشار بخار آب منفذي رخ ميدهد.در اين تحقيق براي افزايش مقاومت بتن در برابر حرارت از مصالحي مانند سيمان نسوز، سنگدانهي سربارهي فولادي كورهي قوس الكتريكي، الياف فولادي و الياف پليپروپيلن استفاده شده است. سربارهي فولادي كورهي قوس الكتريكي به عنوان ضايعات انباشته ميشود و چون در دماي بالا توليد ميگردد، مقاومت مناسبي در برابر حرارت دارد.براي بررسي رفتار بتن، 120 نمونهي مكعبي 100 ميليمتر و 20 نمونهي منشوري 350×100 ميليمتر با سيمان پرتلند و 144 نمونهي مكعبي و 24 نمونهي منشوري با سيمان نسوز ساخته شدند. نمونهها تحت دو نوع عملآوري اتوكلاو و آب جوش قرار گرفتند و سپس در معرض دماهاي ℃400 و ℃800 آزمايش شدند. آزمايشها شامل مقاومت فشاري، خمش چهارنقطهاي، درصد جذب آب، بررسي ترك به روش بعد فراكتال و بررسي ريزساختار با آزمايش SEM بود.در دماي محيط، بتن با عملكرد بسيار بالا با 40% جايگزيني سربارهي فولادي به جاي ماسهي سيليسي، مقاومت فشاري براي نمونههاي سيمان پرتلند برابر 167/1 و 153/3 مگاپاسكال (به ترتيب 18 و 13 درصد افزايش مقاومت نسبت به نمونهي بدون سرباره) تحت عملآوري اتوكلاو و آب جوش گزارش شد. همچنين براي نمونههاي سيمان نسوز، مقاومت فشاري برابر 161/8 و 152/4 مگاپاسكال (به ترتيب 13 و 20 درصد افزايش مقاومت نسبت به نمونهي بدون سرباره) تحت عملآوري اتوكلاو و آب جوش گزارش شد.پس از بارگذاري حرارتي تا ℃400، در نمونههاي سيمان پرتلند با 40% سربارهي فولادي، مقاومت فشاري به 137/5 و 116/5 مگاپاسكال (به ترتيب براي اتوكلاو و آب جوش) كاهش يافت و در نمونههاي سيمان نسوز نيز مقاومت فشاري به 152/2 و 145/5 مگاپاسكال (به ترتيب براي اتوكلاو و آب جوش) كاهش پيدا كرد. اين كاهش مقاومت ناشي از تضعيف ماتريس، تضعيف ناحيه انتقال و تجزيهي محصولات معرفي شده است.پس از اعمال حرارت تا ℃800، در نمونههاي سيمان نسوز با 40% جايگزيني سربارهي فولادي، مقاومت فشاري به ترتيب براي عملآوري اتوكلاو و آب جوش به 112/1 و 100/7 مگاپاسكال رسيد كه نشاندهندهي 30/7 و 33/9 درصد كاهش مقاومت نسبت به نمونهي آزمايش شده در دماي محيط است. نتايج نشان ميدهد استفادهي همزمان از سيمان نسوز و سربارهي فولادي در بتن با عملكرد بسيار بالاي مسلح به الياف حتي تا دماي ℃800 مقاوم بوده و بتن تا 112/1 مگاپاسكال را به صورت ايمن تحمل ميكند. اين افت مقاومت به تضعيف ماتريس، تضعيف ناحيه انتقال در سطح مشترك ماتريس و الياف فولادي، سطح مشترك ماتريس و سنگدانهها و تجزيهي محصولات هيدراتاسيون سيمان نسوز نسبت داده شده است.در دماي محيط مقاومت خمشي براي نمونههاي سيمان پرتلند و سيمان نسوز با 40% جايگزيني سربارهي فولادي به ترتيب 20/4 و 12/3 مگاپاسكال گزارش شد. مقاومت باقيماندهي خمشي پس از اعمال حرارت 400 درجهي سانتيگراد به 14/7 و 12/3 مگاپاسكال و پس از اعمال حرارت ℃800 در نمونههاي سيمان نسوز به 7/1 مگاپاسكال رسيد. اين نتايج نشان ميدهد سيمان نسوز در مقاومت خمشي نسبت به سيمان پرتلند ضعيفتر است، اما به دليل زوال بتن با سيمان پرتلند پس از ℃600، استفاده از سيمان نسوز در بتنهاي مقاوم به حرارت ضروري است.
چكيده انگليسي :
Ultra-High Performance Concrete (UHPC) is a novel cementitious material characterized by a dense and homogeneous microstructure, offering superior compressive strength and exceptional durability against aggressive environmental agents. To reduce brittle failure and enhance ductility, fiber reinforcement is commonly employed. According to existing standards and prior research, UHPC is defined by a very low water-to-cement ratio (0.14–0.20), compressive strength exceeding 120 MPa, and flowability in the range of 180–200 mm. Therefore, partial replacement of cement with supplementary cementitious materials (SCMs) such as silica fume and blast furnace slag is considered beneficial for producing environmentally friendly UHPC. Ordinary Portland cement (OPC)-based concrete lacks sufficient thermal stability; upon heating, it undergoes physical and chemical transformations that lead to rapid deterioration in compressive, tensile, and flexural strength, as well as elastic modulus. At approximately 600°C, calcium hydroxide (Ca(OH)₂) releasing CO₂ and forming quicklime (CaO), which reacts with atmospheric moisture, expands, and disintegrates, ultimately causing structural failure. One of the most prevalent phenomena in heated concrete is spalling, attributed to internal vapor pressure buildup due to temperature rise. This study investigates the thermal resistance of UHPC incorporating calcium aluminate cement (CAC), electric arc furnace (EAF) steel slag aggregates, and steel and polypropylene fibers. In this research, 40% of silica sand was replaced with steel slag aggregate (SSA) in UHPC mixtures. The experimental investigation revealed that UHPC incorporating 40% SSA as a partial replacement for silica sand exhibited promising mechanical performance under both ambient and elevated temperature conditions. At ambient temperature, specimens produced with OPC and CAC demonstrate high compressive strength values, with autoclave-cured samples reaching up to 167.1 MPa and 161.8 MPa respectively. Upon thermal exposure to 400°C, a noticeable reduction in compressive strength was observed across all mixes. Specimens with OPC indicate a decline to 137.5 MPa (autoclave-curing) and 116.5 MPa (boiling water-curing), while those with CAC retained higher values of 152.2 MPa and 145.5 MPa respectively. This reduction is attributed to matrix degradation, weakening of the interfacial transition zone (ITZ), and decomposition of hydration products. The superior retention of strength in refractory cement mixes indicates their enhanced thermal stability. Further heating to 800°C resulted in more pronounced strength loss. CAC specimens recorded compressive strengths of 112.1 MPa (autoclave-curing) and 100.7 MPa (boiling water-curing), corresponding to reductions of 30.7% and 33.9% compared to unheated samples. The decline is primarily due to intensified matrix deterioration, breakdown of hydration phases, and damage at the interfaces between matrix-fiber and matrix-aggregate zones. Flexural strength results followed a similar trend. At ambient temperature, OPC specimens exhibited higher flexural strength (20.4 MPa) compared to CAC specimens (12.3 MPa). After exposure to 400°C, the OPC specimen showed a reduction to 14.7 MPa, while the CAC specimen remained unchanged at 12.3 MPa. At 800°C, the CAC specimen further declined to 8.4 MPa. Although CAC demonstrated lower flexural strength overall, its structural integrity beyond 600°C underscores its importance in thermally resistant concrete applications, especially where OPC undergoes severe degradation. These observations correlate with the mechanical performance and validate the influence of elevated temperatures on UHPC microstructure and strength.