تقييم مقاومة الانضغاط للخرسانة نتيجة استبدال رماد الصنوبر بالأسمنت

هاشم جهانگیر1، منصور باقری2*، سید محمد جواد دالوری3

1- طالب دكتوراه في هندسة الهندسة المدنية، جامعة فردوسي مشهد، مشهد، إيران
2- محاضر، كلية الهندسة المدنية، جامعة بيرجند للصناعة، بيرجند، إيران
3- طالب هندسة مدنية، كلية الهندسة المدنية، جامعة بيرجند للصناعة، بيرجند، إيران

الملخص:
يعتبر الخرسانة من أكثر المواد الهندسية المستخدمة في صناعة البناء، ونظراً لوجود الإسمنت كمكون رئيسي في الخرسانة، يعتبر المواد الخام المستخدمة في صناعة الإسمنت مضرة بالبيئة. إن عملية إنتاج الإسمنت تتطلب استهلاك كميات كبيرة من الطاقة وتسبب إضراراً بيئية بحجم إنبعاث كميات كبيرة من الغازات الدفيئة إلى البيئة. يعمل الباحثون على إيجاد أساليب جديدة من الخرسانة الصديقة للبيئة.

في هذه الورقة البحثية، تم استخدام رماد الفاكهة المتولد من مخروط شكل شجرة الصنوبر كبديل وخفض كمية الإسمنت المستخدم في خلط الخرسانة. نظراً لأن رماد الفاكهة المستخدم في هذا البحث يمنع تراكم مخروط شجرة الصنوبر في الطبيعة وبالتالي تلوث البيئة، فإنه يقلل أيضًا من الآثار البيئية الضارة لإنتاج الخرسانة. لهذا الغرض، تم جمع ثمار شجرة الصنوبر وحرقها، وتم استخدام الرماد المتبقي. تم استبدال 20% من وزن الرماد الناتج في العينات الاسطوانية والمكعبية القياسية بالإسمنت المستخدم وتم تقييم تأثيرها على مقاومة الضغط للعينات. أظهرت التقييمات أن استخدام هذه النسبة من رماد شجرة الصنوبر يزيد من مقاومة الخرسانة وبالتالي يمكن أن يكون خطوة هامة في تحقيق أقصى استفادة من المواد والمواد التي قد تبدو غير مجدية في النظرة الأولى.

Estimation of concrete compressive strength by substitution of pinyon pine ash
for cement
Hashem Jahangir1, Mansour Bagheri2*, Seyed Mohammad Javad Delavari3
1

Ph.D. Student of structural engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2

Assistant Professor of civil engineering, Birjand University of Technology, Birjand, Iran
3- Bachelor Student of civil engineering, Birjand University of Technology, Birjand, Iran
ARTICLE INFOABSTRACT
Received: 12/04/2018
Revised: 11/06/2018
Accepted: 07/08/2018
Nowadays, one of the most popular ways to get a more sustainable
cement industry is using additions as cement replacement. However,
there are many civil engineering applications in which the use of
sustainable cements is not extended yet, such as special foundations,
and particularly micro piles, even though the standards do not
restrict the cement type to use. These elements are frequently exposed
to the sulphates present in soils. The purpose of this research is to
study the effects of using pinyon pine ash as a substitution for
ordinary Portland cement and reduce its content in the concrete mix
design. For this reason, 20 % of pinyon pine ash with respect to
cement weight was used and the compressive strength of concrete is
obtained from testing cubic and standard cylinder specimens.
Considering the results obtained, using pinyon pine ash increase the
compressive strength of concrete. On the other hand, more axial
micro cracks were occurred in pinyon included specimens and their
colour were darker comparing to representative specimens without
pinyon pine ash. This study shows that using pinyon pine ash could
be an effective and Eco-friendly alternative for ordinary Portland
cement in industry and construction and could reduce the dangerous
effects of using cement in concrete.
Keywords:
Pinyon Pine ash
Cement
Compressive Strength
Cubic Specimens
Cylinder Specimens
All rights reserved to Iranian Society of Structural Engineering.
doi: 10.22065/jsce. 2018.126900.1517
*Corresponding author: Mansour Bagheri.
Email address: mnsrbagheri@birjandut.ac.ir

1- مقدمة
منذ العصور القديمة وحتى اليوم، تم استخدام مواد بناء متنوعة من قبل الإنسان. ومن بين هذه المواد يمكن ذكر الخشب والحجر والطوب والخرسانة باعتبارها أكثر المواد البنائية استخدامًا. والخرسانة، التي هي في الواقع نوع من الحجر المصنوع بواسطة الإنسان، تعتبر من بين المواد البنائية التي يزداد استخدامها بسبب الخصائص المناسبة لها. ويُعَتَبَر الاسمنت جزءًا رئيسيًا من الخرسانة، ويعتبر من المواد الاستراتيجية والمعروفة بالأضرار البيئية. إن عملية إنتاج هذه المواد مكلفة بالطاقة وتسبب الكثير من الضرر للبيئة، حيث يتم إنتاج كميات كبيرة من غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) والنيتروجين (NO) وأكسيد الكبريت (SO2). ووفقًا لإحصائيات جمعية الاسمنت البورتلاندي، يتم إنتاج حوالي 8.3 مليار متر مكعب من الاسمنت سنويًا، وبسبب ذلك، يتم إدخال حوالي 1.35 مليار طن من غاز ثاني أكسيد الكربون إلى البيئة. ووجود هذه الكمية من غاز ثاني أكسيد الكربون في البيئة يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة وإنتاج غازات الاحتباس الحراري وبالتالي تغيير المناخ والطقس. نظرًا لأن الخرسانة هي واحدة من أكثر المواد البنائية استخدامًا في صناعة البناء، يسعى الباحثون للعثور على طرق للحد من استخدام المواد والمعادن في الخرسانة. وبسبب التكاليف العالية لاستخدام المواد المعدنية والاهتمام بالبيئة بالنسبة للموارد الطبيعية، أجبر الباحثين على إيجاد أفضل الطرق لصناعة المواد البنائية والخرسانية.

2- خصائص المواد المستخدمة
في هذا القسم، سيتم تقديم مواصفات كل من المواد المستخدمة في تحضير عينات المكعبات والأسطوانات القياسية.

2-1- الإسمنت
الإسمنت هو مادة لاصقة تمتلك القدرة على لصق الجسيمات ببعضها البعض وتشكيل جسم متماسك. يمثل الإسمنت حوالي 10-12% من حجم الخرسانة. يتم صنع الإسمنت عن طريق مزج مواد غير عضوية مثل الجير والسيليكا والصلصال والأكاسيد المعدنية عند درجة حرارة تتراوح بين 1400 إلى 1500 درجة مئوية. ووفقًا للوائح والمعايير الفنية لشبكات الري والصرف، يجب أن يكون نوع الإسمنت المستخدم في تحضير الخرسانة هو الإسمنت البورتلاندي النوع 2 أو النوع 5، ما لم يتم تحديد غير ذلك في الدفتر الفني للمواصفات. وفي هذه الدراسة تم استخدام الإسمنت البورتلاندي النوع 2 الشرقي، ويتم توضيح خصائصه في الجدول 1.

2-2- المواد الصخرية
تُصنّف المواد الصخرية إلى فئتين هما الرمل والحصى، وتكون ذات حبيبات كبيرة. تشكل المواد الصخرية حوالي 66 إلى 75 في المئة من حجم الخرسانة. تم الحصول على المواد الصخرية المطلوبة في هذه الورقة البحثية من شركة بنياد بتن خراسان. يتم عرض نموذج لهذه المواد في الشكل رقم 1 وستظهر في القسم التالي.

2-3- الماء
قد تؤثر الشوائب الموجودة في الماء عند خلط الإسمنت ومقاومة الخرسانة وتسبب بمشاكل. في معظم المواصفات، الماء المناسب للخرسانة هو الماء الذي يصلح للشرب. وفقًا للمتطلبات القياسية، يمكن استخدام الماء الذي يكون مستوى pH بين 6 إلى 8 ولا يكون ذو ملوحة، للخرسانة. عمومًا، الماء الذي مناسب للاستخدام في الخرسانة، سيكون مرغوبًا لأيضًا استخدامه في التشغيل. بشكل عام، يُوصى باستخدام ماء لا يحتوي على مواد قد تؤثر على الخرسانة عند التصلب.

2-4- خراش الصنوبر المخروطي
في هذه المقالة، من أجل الحصول على خراش من ثمار الصنوبر المخروطية، تم جمع كمية منها أولاً. ثم، بالتقيد بالإجراءات الأمانية، تم حرق هذه الثمار الجافة في أفران مغلقة في بيئة درجة حرارتها حوالي 350 درجة مئوية، وتم استخدام الرماد الناتج عن الاحتراق. بعد تبرد الرماد المجموع، يتم طحنه لاحتمالية إزالة أي شوائب فيه وتحضيره ليضاف إلى مخلوط الخرسانة. يُعرض جدول 2 خصائص الرماد الناتج عن ثمار الصنوبر المخروطية.

3-خطة الخلط
من خلال توفير المواد المطلوبة من الأسمنت والماء والمواد الحجرية ورماد الصنوبر ، ووفقًا لمقدار استهلاك كل منها لكل وحدة حجم خرسانية وفقًا للجدول 3 ، تم عمل الجدول الزمني المطلوب لصب الخرسانة. عدد العينات المذكورة في هذه المقالة هو عينتان مكعبة وعينتان أسطوانيتان قياسيتان [4].

بعد حساب كمية الاستهلاك لكل مادة من المواد المطلوبة لصب الخرسانة ، يتم وزن كمية الأسمنت والماء والمواد الحجرية وفصلها بشكل منفصل. لتحضير رماد مخاريط الصنوبر قبل وزنها يتم طحنها لإزالة الشوائب المحتملة فيها والحصول على خليط خرساني متجانس يوضح الشكل 1 خطوات تحضير المواد المطلوبة في الخليط الخرساني.

4- اختبارات القوة الانضغاطية
في هذه المقالة ، تم عمل عينتين مكعبتين مقاس 15 سم × 15 سم × 15 سم وعينتين أسطوانيتين مقاس 15 سم × 30 سم لكل نمط من أوضاع تصميم خلط الخرسانة بدون رماد مخروط الصنوبر ومع رماد مخروط الصنوبر. تم حفظ هذه العينات في خزان مياه لمدة 28 يومًا.
يوضح الشكل 2 والشكل 3 على التوالي العينات بعد صب الخرسانة وكيف يتم وضعها في حوض الماء.

بعد 28 يومًا من المعالجة ، تم وضع العينات تحت رافعة لتحديد مقاومة الانضغاط. في اختبار مقاومة الانضغاط ، تم وضع المكعبات في آلة الضغط بطريقة تجعل السطحين المتقابلين ، اللذين كانا متجاورين للقالب أثناء صب الخرسانة ، على اتصال مع الرِّكاب العلوي.
وتوضع تحت الجهاز. بمعنى آخر ، يكون موضع المكعب أثناء الاختبار عموديًا على موضعه عند صب الخرسانة في القالب
يوضح الشكل 4 والشكل 5 على التوالي وضع العينات المكعبة في حالتين بدون رماد (عينات تحكم) ومع رماد الصنوبر ، ويوضح الشكل 6 والشكل 7 على التوالي موضع عينات أسطوانية التحكم مع رماد الصنوبر تحت مقبس اختبار قوة الضغط.

وفقًا للموضوع التاسع من لوائح البناء الوطنية ، فإن المثال القياسي هو عينة من الأسطوانات بأبعاد 300 مم × 150 مم. في حالة استخدام عينات مكعبة ، يجب تحويل مقاومتها إلى نفس المقاومة مثل العينة الأسطوانية القياسية. بالنسبة لهذا التحويل ، من المعاملات 1r (معامل تحويل مقاومة عينة الأسطوانات القياسية إلى مقاومة عينة الأسطوانات غير القياسية) ، 2r (معامل تحويل مقاومة عينة مكعبة بأبعاد 200 مم إلى مقاومة عينة مكعبة بأبعاد غير 200 مم) و 3 r (معامل تحويل مقاومة عينة الأسطوانات القياسية إلى مقاومة عينة مكعبة بأبعاد 200 مم وفقًا للجدول 4 والجدول 5 والجدول 6 هو مستخدم.

تم الإبلاغ عن نتائج اختبارات الانضغاط وقوة الضغط المكافئة للأسطوانات القياسية في حالتين بدون رماد الصنوبر (عينات التحكم) ومع رماد الصنوبر للعينات المكعبة والأسطوانات المحسّنة في الجدول 7 والجدول 8 ، على التوالي ، بوحدات 2 كجم / سم و MPa.

كما يتضح من الجدول 7 ، نظرًا لأن حجم العينات المكعبة 150 × 150 مم ، فإن معامل R2 يساوي 1.00 وفقًا للجدول 5 وتم حساب قيمة معامل R3 عن طريق استيفاء القيم المبلغ عنها في الجدول 6. بالنظر إلى أن عينات الأسطوانات 300 مم × 150 مم ، فإن قيمة المعامل r1 في الجدول 8 ، وفقًا للجدول 4 ، تعتبر 1.00. تم الإبلاغ عن قوة الضغط المكافئة للأسطوانات القياسية جنبًا إلى جنب مع متوسطها في عينات التحكم في الجدول 9 والشكل 8 وفي العينات التي تحتوي على رماد الصنوبر في الجدول 10 والشكل 9.

من أجل إجراء مقارنة أكثر دقة ، تظهر في الشكل 10 قوة الضغط المكافئة للأسطوانات القياسية في عينات التحكم والعينات التي تحتوي على رماد مخروط الصنوبر.

كما يتضح من الشكل 10 ، فإن متوسط ​​مقاومة الانضغاط للأسطوانات القياسية لعينات التحكم متساوٍ
261/75/2 كجم / سم (25/67 ميجا باسكال) وفي العينات مع رماد الصنوبر يساوي 279/279/25 كجم / سم (27/38 ميجا باسكال). لذلك ، من خلال استبدال 20٪ بالوزن من رماد الصنوبر كبديل للأسمنت في عينات الخرسانة ، زادت مقاومة الانضغاط بنسبة 6.68٪. في ما يلي ، يوضح الشكل 11 والشكل 12 كيف تنكسر عينات المكعب في حالتين بدون رماد الصنوبر (عينات التحكم) وبجودة أفضل من رماد الصنوبر المخروطي.

فشل العينات الأسطوانية في حالتين بدون رماد الصنوبر (عينات تحتوي على رماد التحكم) وأفضل مخاريط الصنوبر في
يظهر الشكل 13 والشكل 14.

توضح المقارنة بين الشكل 11 والشكل 12 ، وكذلك الشكل 13 والشكل 14 ، العينات التي تحتوي على رماد مخروط الصنوبر.
إنها محورية أكثر ولونها أغمق مقارنة بالعينات التي لا تحتوي على رماد الصنوبر. من ناحية أخرى ، أظهرت النتائج أن هذا النوع من الخرسانة سريع التماسك أثناء الخلط.

5. الخلاصة
   في هذا المقال ، جرت محاولة لتقليل كمية الأسمنت المستخدمة في خطة خلط الخرسانة باستخدام رماد الفاكهة المخروطي الشكل لشجرة الصنوبر. نظرًا لأن الرماد المستخدم في هذا البحث ، بالإضافة إلى تقليل استهلاك الأسمنت ، لا يمنع تراكم أكواز الصنوبر في الطبيعة وبالتالي يتسبب في تلوث البيئة ، كما أنه يقلل من الآثار الضارة لإنتاج الخرسانة على البيئة. في هذه المقالة ، لوحظ أن العينات التي تحتوي على 20٪ من رماد الصنوبر تحتوي على متوسط ​​مقاومة الانضغاط لمدة 28 يومًا يساوي 279.25 كجم / سم (27.38 ميجا باسكال) ، وهو ما يعادل زيادة بنسبة 6.68٪ مقارنة بالعينات التي لا تحتوي على رماد الصنوبر (عينات التحكم) والتي كان متوسط ​​قوة ضغطها 261.75 كجم / سم ( تم العثور على 25.67 ميجا باسكال). أظهر فحص فشل العينات أن الشقوق المحورية التي تم إنشاؤها في العينات مع مخروط الصنوبر أكثر من عينات التحكم. كما أظهرت النتائج أن استخدام رماد الصنوبر يغير لون الخرسانة ويسبب تماسك معجون الأسمنت بشكل أسرع. لذلك يمكن استخدام هذه المواد كبديل مناسب للأسمنت المستخدم في الخرسانة ومنع تدمير البيئة وخلق غازات الاحتباس الحراري نتيجة إنتاج الأسمنت.

مراجع

[1] Mathur VK. (2006) Composite materials from local resources. Constr Build Mater; 20: 470–477.
[2] Salem ZTA, Khedawi TS, Baker MB, et al. Effect of Waste Glass on Properties of Asphalt Concrete Mixtures. Jordan J
Civ Eng; 11.
[3] Cartuxo F, de Brito J, Evangelista L, et al. (2016) Increased durability of concrete made with fine recycled concrete
aggregates using superplasticizers. Materials (Basel); 9: 98.
[4] Andreu G, Miren E. (2014) Experimental analysis of properties of high performance recycled aggregate concrete. Constr
Build Mater; 52: 227–235.
[5] Bjork F. (1999) Concrete Technology and Sustainable Development. In: CANMET/ACI International Symposium on
Concrete Technology for Sustainable Development.
[6] Aitcin P-C. (2000) Cements of yesterday and today: concrete of tomorrow. Cem Concr Res; 30: 1349–1359.
[7] Berndt ML. (2009) Properties of sustainable concrete containing fly ash, slag and recycled concrete aggregate. Constr
Build Mater; 23: 2606–2613.
[8] Jayapalan AR, Lee BY, Kurtis KE. (2013) Can nanotechnology be green? Comparing efficacy of nano and microparticles
in cementitious materials. Cem Concr Compos; 36: 16–24.
[9] D’Alessandro A, Fabiani C, Pisello AL, et al. (2016) Innovative concretes for low-carbon constructions: a review. Int J
Low-Carbon Technol; 12: 289–309.
[10] Liew KM, Sojobi AO, Zhang LW. (2017) Green concrete: Prospects and challenges. Constr Build Mater; 156: 1063–
1095.
[11] Lothenbach B, Scrivener K, Hooton RD. (2011) Supplementary cementitious materials. Cem Concr Res; 41: 1244–1256.
[12] Wu M, Li C, Yao W. (2017) Gel/space ratio evolution in ternary composite system consisting of Portland Cement, silica
fume, and fly ash. Materials (Basel); 10: 59.
[13] Zhang P, Wan J, Wang K, et al. (2017) Influence of nano-SiO2 on properties of fresh and hardened high performance
concrete: A state-of-the-art review. Constr Build Mater; 148: 648–658.
[14] Ortega JM, Esteban MD, Rodriguez RR, et al. (2017) Long-Term Behaviour of fly ash and slag cement grouts for
micropiles exposed to a sulphate aggressive medium. Materials (Basel); 10: 598.
[15] Velázquez S, Monzó JM, Borrachero M V, et al. (2014) Assessment of pozzolanic activity using methods based on the
measurement of electrical conductivity of suspensions of Portland Cement and pozzolan. Materials (Basel); 7: 7533–7547.
[16] Marks Michałand Glinicki M, Gibas K. (2015) Prediction of the Chloride Resistance of Concrete Modified with High
Calcium Fly Ash Using Machine Learning. Materials (Basel); 8: 8714–8727.
[17] Kalaw ME, Culaba A, Hinode H, et al. (2016) Optimizing and characterizing geopolymers from ternary blend of
Philippine coal fly ash, coal bottom ash and rice hull ash. Materials (Basel); 9: 580.
صاحب امتیازانجمن مهندسی سازه ایران
19 نشریهعلمی–پژوهشیمهندسی سازه و ساخت، دوره5، شمارهویژه2، سال1397،صفحه5تا19
[18] Xu W, Lo TY, Wang W, et al. (2016) Pozzolanic reactivity of silica fume and ground rice husk ash as reactive silica in
a cementitious system: A comparative study. Materials (Basel); 9: 146.
[19] Aprianti E. (2017) A huge number of artificial waste material can be supplementary cementitious material (SCM) for
concrete production–a review part II. J Clean Prod; 142: 4178–4194.
[20] Hemalatha T, Ramaswamy A. (2017) A review on fly ash characteristics–Towards promoting high volume utilization in
developing sustainable concrete. J Clean Prod; 147: 546–559.
[21] Norhasri MSM, Hamidah MS, Fadzil AM. (2017) Applications of using nano material in concrete: A review. Constr
Build Mater; 133: 91–97.
[22] Khatib JM, Negim EM, Sohl HS, et al. (2012) Glass powder utilisation in concrete production. Eur J Appl Sci; 4: 173–
176.
[23] Pereira P, Evangelista L, De Brito J. (2012) The effect of superplasticisers on the workability and compressive strength
of concrete made with fine recycled concrete aggregates. Constr Build Mater; 28: 722–729.
[24] Saikia N, de Brito J. (2014) Mechanical properties and abrasion behaviour of concrete containing shredded PET bottle
waste as a partial substitution of natural aggregate. Constr Build Mater; 52: 236–244.
[25] Ismail S, Ramli M. (2013) Engineering properties of treated recycled concrete aggregate (RCA) for structural
applications. Constr Build Mater; 44: 464–476.
[26] Topcu IB, Canbaz M. (2004) Properties of concrete containing waste glass. Cem Concr Res; 34: 267–274.