DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32654-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41617735
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: K. Narshimha Raju وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد الخرسانة والأسمنت
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الأداء الميكانيكي والدوام لخرسانة الجيوبوليمر (GPC) التي تحتوي على خبث الحديد السيليكوني (FS) ومسحوق الألمنيوم (AP)، باستخدام تقنيات التعلم الآلي للتحسين. تحدد الدراسة الخلطة المثلى، المعينة M7 (90% FS، 10% AP، مفعلة بـ 9 M NaOH)، التي تظهر خصائص ميكانيكية متفوقة، بما في ذلك قوة ضغط تبلغ 76.29 ميجا باسكال، وقوة انحناء تبلغ 6.11 ميجا باسكال، وقوة شد مقسومة تبلغ 4.04 ميجا باسكال. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر M7 قدرة امتصاص ماء ضئيلة (0.135 مم/√دقيقة) ونفاذية منخفضة جداً (800 كولوم) في اختبارات نفاذية الكلور السريعة (RCPT)، مما يشير إلى دوام معزز مناسب للبيئات العدوانية.
تسلط النتائج الضوء على إمكانية استخدام M7 كمواد بناء مستدامة، متوازنة بين الأداء العالي وبصمة كربونية معتدلة تبلغ حوالي 559 كجم CO₂-eq/m³، وهو أقل بكثير من الخرسانة التقليدية من الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC). حققت نماذج التعلم الآلي، وخاصة الغابة العشوائية، دقة تنبؤية عالية (R² = 0.991) لقوة الضغط، مما يبرز فعالية أدوات الذكاء الاصطناعي في تحسين خلطات GPC. تؤكد الدراسة على أهمية مراعاة توفر المواد المحلية وظروف المعالجة والعوامل المناخية المحددة لضمان تطبيق ناجح في الميدان، مما يساهم في الاقتصاد الدائري من خلال إعادة استخدام المنتجات الثانوية الصناعية.
طرق البحث
استخدمت الدراسة خبث الحديد السيليكوني (FS) المستخرج من الشركة الوطنية للطاقة الحرارية في فيجايوادا، أندرا براديش، كمادة سابقة للجيوبوليمر. تم معالجة FS عن طريق التجفيف في الفرن عند 105 ± 5 °م لمدة 24 ساعة لإزالة الرطوبة، تلاها طحن إلى حجم جزيئات يمر عبر منخل 75 ميكرومتر. أكدت عملية التوصيف من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) تركيب المادة، التي كانت تتكون أساساً من SiO₂ و Al₂O₃، مع كميات ضئيلة من Fe₂O₃ و CaO و MgO.
كان الهدف من البرنامج التجريبي هو تقييم الخصائص الميكانيكية والدوام لخلطات الخرسانة الجيوبوليمرية (GPC). تم تقييم قوة الضغط وفقاً لمعيار ASTM C109 باستخدام عينات مكعبة بحجم 100 مم في 7 و 28 يوماً، بينما تم قياس قوة الشد المقسومة وفقاً لمعيار ASTM C496 على عينات أسطوانية (100 × 200 مم). تم تحديد قوة الانحناء باستخدام عينات هرمية (100 × 100 × 500 مم) وفقاً لمعيار ASTM C78. تم تقييم الدوام من خلال اختبارات الامتصاص (ASTM C1585) لقياس امتصاص الماء الشعري واختبار نفاذية الكلور السريعة (RCPT، ASTM C1202) لتقييم مقاومة اختراق أيونات الكلور. تم إجراء جميع الاختبارات ثلاث مرات لضمان موثوقية إحصائية، مع الإبلاغ عن القيم المتوسطة للدقة.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مسلطاً الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. يكشف التحليل أن النموذج المقترح يظهر تحسناً ملحوظاً في الدقة التنبؤية مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة ملحوظة في قيم معامل التحديد ($R^2$). بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن أداء النموذج قوي عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يقترح قابليته للتعميم وتطبيقه في السيناريوهات الواقعية.
تؤكد المناقشات الإضافية على تداعيات هذه النتائج، خاصة في سياق تعزيز القدرات التنبؤية في المجال المعني. تحدد الدراسة أيضاً القيود المحتملة ومجالات البحث المستقبلية، داعية إلى مزيد من الاستكشاف لمتغيرات النموذج لتحسين الأداء. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتساهم بأفكار قيمة في مجموعة المعرفة الحالية.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة صياغة وتقييم أداء خرسانة الجيوبوليمر (GPC) التي تحتوي على مسحوق الألمنيوم (AP) والحديد السيليكوني (FS) كمكونات رئيسية. تم الحصول على AP من الموردين المحليين، ويبلغ متوسط حجم الجسيمات حوالي 45 ميكرومتر ويستخدم لتعزيز البنية الدقيقة من خلال توليد مسام دقيقة وتعزيز حركية التفاعل. استخدمت الدراسة مزيجاً من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) والسيليكات الصوديوم (Na2SiO3) كمفاعلات قلوية، مع تركيزات مختلفة (6 M و 9 M) لتقييم تأثيرها على حركية الجيوبوليمر. تم تحسين نسب الخلط بناءً على التجارب الأولية، مع تباين محتوى AP من 0% إلى 15% لتحديد الجرعة المثلى التي توازن بين التهوية وتطوير القوة. تشير النتائج إلى أن الخلطة التي تحتوي على 90% FS و 10% AP مفعلة بـ 9 M NaOH (المعينة M7) أظهرت باستمرار خصائص ميكانيكية متفوقة، بما في ذلك قوة الضغط، وقوة الانحناء، وقوة الشد المقسومة، عبر جميع أعمار المعالجة.
أظهر الأداء الميكانيكي لخلطات GPC اعتماداً واضحاً على كل من تركيز هيدروكسيد الصوديوم ومحتوى مسحوق الألمنيوم. بشكل ملحوظ، حققت M7 أعلى قوة ضغط تبلغ 76.29 ميجا باسكال عند 90 يوماً، مما يمثل تحسناً بنسبة 74% مقارنة بالخلطة الأساسية. كما سلطت الدراسة الضوء على تأثير AP على قابلية العمل، حيث أظهرت M7 أفضل قيمة انزلاق، مما يشير إلى تعبئة جزيئية مثالية وانخفاض اللزوجة بسبب التركيز الأعلى لـ NaOH. علاوة على ذلك، كشفت اختبارات الدوام، بما في ذلك امتصاص الماء واختبارات اختراق الكلور السريعة (RCPT)، أن M7 أظهرت أقل نفاذية، مما يؤكد مقاومتها المعززة لاختراق الماء واختراق أيونات الكلور. تتماشى النتائج مع الأدبيات الحالية، مما يشير إلى أن نظام المكونات المزدوجة من FS و AP يمكن أن يحقق أداءً مماثلاً أو متفوقاً مع الحفاظ على بصمة كربونية أقل، وبالتالي يساهم في استدامة إنتاج الخرسانة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32654-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41617735
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): K. Narshimha Raju et al.
Primary Topic: Concrete and Cement Materials Research
Overview
The research investigates the mechanical and durability performance of geopolymer concrete (GPC) incorporating ferrosilicon slag (FS) and aluminum powder (AP), utilizing machine learning techniques for optimization. The study identifies the optimal mix, designated as M7 (90% FS, 10% AP, activated with 9 M NaOH), which exhibits superior mechanical properties, including a compressive strength of 76.29 MPa, flexural strength of 6.11 MPa, and split tensile strength of 4.04 MPa. Additionally, M7 demonstrates minimal water sorptivity (0.135 mm/√min) and Very Low Permeability (800 coulombs) in Rapid Chloride Permeability Tests (RCPT), indicating enhanced durability suitable for aggressive environments.
The findings highlight the potential for M7 to serve as a sustainable construction material, balancing high performance with a moderate carbon footprint of approximately 559 kg CO₂-eq/m³, significantly lower than traditional ordinary Portland cement (OPC) concrete. Machine learning models, particularly Random Forest, achieved high predictive accuracy (R² = 0.991) for compressive strength, underscoring the efficacy of AI tools in optimizing GPC mixes. The study emphasizes the importance of considering local material availability, curing conditions, and climate-specific factors for successful field application, thereby contributing to the circular economy through the reuse of industrial by-products.
Methods
The research employed Ferrosilicon slag (FS) sourced from the National Thermal Power Corporation in Vijayawada, Andhra Pradesh, as a geopolymer precursor. The FS was processed by oven-drying at 105 ± 5 °C for 24 hours to eliminate moisture, followed by grinding to a particle size that passed through a 75 μm sieve. Characterization through X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM) confirmed the material’s composition, which was predominantly SiO₂ and Al₂O₃, with trace amounts of Fe₂O₃, CaO, and MgO.
The experimental program aimed to assess the mechanical and durability properties of the geopolymer concrete (GPC) mixes. Compressive strength was evaluated per ASTM C109 using 100 mm cube specimens at 7 and 28 days, while split tensile strength was measured following ASTM C496 on cylindrical specimens (100 × 200 mm). Flexural strength was determined using prism specimens (100 × 100 × 500 mm) according to ASTM C78. Durability was assessed through sorptivity tests (ASTM C1585) to measure capillary water absorption and the Rapid Chloride Penetration Test (RCPT, ASTM C1202) to evaluate chloride ion penetration resistance. All tests were conducted in triplicate to ensure statistical reliability, with average values reported for accuracy.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a notable increase in the coefficient of determination ($R^2$) values. Additionally, the results indicate that the model’s performance is robust across various datasets, suggesting its generalizability and applicability in real-world scenarios.
Further discussions emphasize the implications of these findings, particularly in the context of enhancing predictive capabilities in the relevant field. The study also identifies potential limitations and areas for future research, advocating for further exploration of the model’s parameters to optimize performance. Overall, the results substantiate the hypothesis and contribute valuable insights to the existing body of knowledge.
Discussion
In this section, the research discusses the formulation and performance evaluation of geopolymer concrete (GPC) incorporating aluminum powder (AP) and ferro-silicon (FS) as key components. The AP, sourced from local suppliers, has an average particle size of approximately 45 μm and is utilized to enhance the microstructure by generating fine pores and promoting reaction kinetics. The study employed a combination of sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) as alkaline activators, with varying molarities (6 M and 9 M) to assess their impact on geopolymerization kinetics. The mix proportions were optimized based on preliminary trials, with AP content varying from 0% to 15% to identify the optimal dosage that balances aeration and strength development. The results indicate that the mix with 90% FS and 10% AP activated with 9 M NaOH (designated as M7) consistently exhibited superior mechanical properties, including compressive strength, flexural strength, and split tensile strength, across all curing ages.
The mechanical performance of the GPC mixes demonstrated a clear dependency on both the molarity of the sodium hydroxide and the content of aluminum powder. Notably, M7 achieved the highest compressive strength of 76.29 MPa at 90 days, representing a 74% improvement over the baseline mix. The study also highlighted the influence of AP on workability, with M7 showing the best slump value, indicating optimal particle packing and reduced viscosity due to the higher molarity of NaOH. Furthermore, durability tests, including water sorptivity and rapid chloride penetration tests (RCPT), revealed that M7 exhibited the lowest permeability, confirming its enhanced resistance to water ingress and chloride ion penetration. The findings align with existing literature, suggesting that the dual precursor system of FS and AP can achieve comparable or superior performance while maintaining a lower carbon footprint, thus contributing to the sustainability of concrete production.