DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110858
تاريخ النشر: 2024-09-24
المؤلف: Carlos Sánchez-Mendieta وآخرون
الموضوع الرئيسي: حلول إدارة مياه الأمطار الحضرية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة العلاقات المتبادلة بين الكثافة، المسامية، قوة الضغط، ونفاذية الخرسانة المسامية باستخدام فقط الركام الخشن من مجاري الأنهار الطبيعية والتكسير، دون إضافة الركام الناعم أو المواد المضافة. تلتزم البحث بمعايير ACI 522R-10، مستخدمة نسب الماء إلى الأسمنت 0.35، 0.38، و0.41. تشير النتائج الرئيسية إلى وجود علاقة مباشرة بين الكثافة وقوة الضغط، مع قيم R² تتراوح بين 0.7941 إلى 0.8207، بينما تؤثر المسامية بشكل عكسي على القوة (قيم R² بين 0.8006 و0.944). بالإضافة إلى ذلك، تم إثبات علاقة مباشرة بين المسامية والنفاذية (قيم R² بين 0.7709 و0.9777)، مما يشير إلى أن زيادة المسامية تعزز النفاذية، وهو ما يكون مفيدًا في التطبيقات مثل الأرصفة النفاذة.
تظهر النتائج أن قوة الضغط تتراوح بين 10 إلى 12 ميغاباسكال، والمسامات تتراوح من 26.66% إلى 35.82%، والنفاذيات تتراوح من 13.1 إلى 45.1 مم في الثانية. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانية تحقيق خصائص خرسانية مسامية مرغوبة من خلال الاختيار الدقيق لأنواع وأحجام الركام، مما يبرز أهمية التحكم في نسبة الماء إلى الأسمنت. تستنتج الدراسة أن تحسين هذه المعلمات يمكن أن يبسط تصميم وإنتاج الخرسانة المسامية لمختلف التطبيقات، لا سيما في السياقات التي تتطلب حلول تصريف فعالة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الاهتمام المتزايد في الخرسانة المسامية بسبب فعاليتها في إدارة مياه الأمطار في البيئات الحضرية. تتميز هذه النوعية من الخرسانة بوجود مسامية مترابطة عالية، مما يسهل مرور المياه ولكنه يضر بخصائص أساسية أخرى، لا سيما قوة الضغط. أثبتت الدراسات السابقة وجود علاقة حاسمة بين المسامية والخصائص الميكانيكية للخرسانة المسامية، مما يبرز دور تدرج الركام في التأثير على هذه الخصائص. بينما تعزز المسامية العالية النفاذية، فإنها تقلل في الوقت نفسه من قوة الضغط وخصائص ميكانيكية أخرى، مثل مقاومة الكسر ومقاومة التعب.
تستعرض الورقة مجموعة من الدراسات التي استكشفت تأثيرات معلمات تصميم الخلط المختلفة، بما في ذلك حجم ونوع الركام، ونسبة الماء إلى الأسمنت، والمواد المضافة، على أداء الخرسانة المسامية. تشير النتائج إلى أن التركيبات المثلى من الركام الخشن والناعم يمكن أن تحقق قوى ضغط تتراوح من 5.0 إلى 45.7 ميغاباسكال ومسامات تتراوح من 11.6% إلى 34.6%. ومع ذلك، فإن تعقيد التفاعلات بين هذه العوامل قد أعاق تحديد تصميمات الخلط المثلى. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال اقتراح نهج شامل يأخذ في الاعتبار تدرج الركام ونسبة الماء إلى الأسمنت لتعزيز الأداء الهيكلي واستدامة الخرسانة المسامية. من خلال معالجة هذه التفاعلات، تسعى الدراسة إلى تقديم رؤى قيمة لتحسين تصميمات الخلط المخصصة لمتطلبات الأداء المحددة، مما يساهم في التقدم في هذا المجال.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة للتحقيق في خصائص الخرسانة المسامية. كانت الخرسانة مكونة من الأسمنت البورتلاندي العادي (نوع ASTM I) وثلاثة أنواع من الركام الخشن، بما في ذلك المواد الطبيعية المكسرة والركام المدور، جميعها تتوافق مع مواصفات ASTM. تم تصنيف الركام بناءً على كسوره الحجمية، تحديدًا 2.36/9.5 مم و9.5/19 مم، مع ضمان الحد الأدنى من محتوى الركام الناعم. تم توضيح توزيع حجم الجسيمات وإعداد التجربة في الأشكال المرفقة.
شملت المنهجية استخدام آلة اختبار ضغط أوتوماتيكية وجهاز نفاذية بتحميل ثابت لتقييم قوة الضغط والنفاذية، على التوالي، وفقًا لمعايير ASTM المعمول بها. تم إعداد ما مجموعه 162 عينة أسطوانية (قطر 150 مم، ارتفاع 300 مم)، مع تباينات في نسب الماء إلى الأسمنت (0.35، 0.38، و0.41) ونسب الفراغات (15%، 17%، و19%). تم حساب المسامية باستخدام فرق الوزن قبل وبعد الغمر في الماء، بينما تم اشتقاق معامل النفاذية باستخدام قانون دارسي. تم إجراء اختبارات إضافية، بما في ذلك تحليل الحبيبات ومقاومة التآكل، لتقييم خصائص الركام ومقاومة سطح الخرسانة للتآكل. تم التأكيد على التركيز على قوة الضغط بسبب دورها الحاسم في أداء الأرصفة، مما أدى إلى استبعاد اختبارات أخرى مثل تقييمات معدل التسرب.
النتائج
كشفت تحليل خصائص الركام أن الركام المكسور، بشكله الزاوي وملمسه الخشن، يعزز بشكل كبير من التداخل الميكانيكي وقوة الضغط للخرسانة المسامية. تخلق هذه الجسيمات الزاوية المزيد من نقاط الاتصال والاحتكاك، مما يحسن الالتصاق بمعجون الأسمنت وينتج هيكلًا أكثر كثافة واستقرارًا مع تقليل المسامية. بالمقابل، وُجد أن الركام النهري، الذي هو أكبر وأكثر انسيابية، يقلل من قوة الضغط بينما يزيد من النفاذية بسبب التعبئة الأقل كثافة والمساحات الكبيرة من المسام المترابطة.
كما أظهرت الدراسة أن زيادة نسبة الماء إلى الأسمنت ومحتوى الفراغات أدت باستمرار إلى انخفاض الكثافة وقوة الضغط، بينما زادت المسامية والنفاذية عبر جميع الأنواع الثلاثة من الخرسانة المسامية التي تم فحصها. بالنسبة للخرسانة المسامية من النوع الأول، أدى رفع نسبة الماء إلى الأسمنت من 0.35 إلى 0.41 وزيادة محتوى الفراغات من 15% إلى 19% إلى انخفاض بنسبة 3.8% في الكثافة وانخفاض بنسبة 12.9% في قوة الضغط، إلى جانب زيادة بنسبة 26.3% في المسامية. لوحظت اتجاهات مماثلة في الخرسانة المسامية من النوعين الثاني والثالث، مع انخفاضات ملحوظة في الكثافة وقوة الضغط وزيادات متCorresponding في النفاذية، مما يعزز الدور الحاسم لخصائص الركام وتصميم الخلط في تحديد أداء الخرسانة المسامية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق بشكل منهجي في تأثيرات نسب الماء إلى الأسمنت (w/c) ونسب الفراغات على خصائص الخرسانة المسامية. تم تصميم ثلاثة أنواع من الخرسانة باستخدام أحجام ركام مختلفة: النوع الأول (ركام مكسور بحجم 2.36-9.5 مم)، النوع الثاني (ركام مكسور بحجم 9.5-19 مم)، والنوع الثالث (حصى مدور بحجم 9.5-19 مم). كانت أهداف البحث تحسين التوازن بين النفاذية وقوة الضغط، وهو أمر حاسم لأداء الخرسانة النفاذة. أشارت النتائج إلى أن قوة الضغط عمومًا زادت مع الكثافة، مع قيم R² تتراوح بين 0.7941 إلى 0.8207، بينما لوحظت علاقة عكسية بين المسامية وقوة الضغط، مع قيم R² بين 0.8006 و0.944. بالإضافة إلى ذلك، تم إثبات علاقة مباشرة قوية بين المسامية والنفاذية، مع قيم R² من 0.7709 إلى 0.9777، مما يؤكد أن المسامية الأعلى تعزز النفاذية.
كما سلطت النتائج الضوء على أهمية نوع الركام على الخصائص الميكانيكية والمسامية للخرسانة المسامية. حققت الركامات النهرية الخشنة (9.5-19 مم) والركامات المكسورة (2.36-9.5 مم و9.5-19 مم) قوى ضغط تتراوح بين 10 إلى 12 ميغاباسكال ومسامات تتراوح بين 26.66% إلى 35.82%. توضح هذه الدراسة أن استخدام الركام الخشن فقط دون مواد مضافة يمكن أن يحقق خصائص أداء مرغوبة، مما يبسط عملية التصميم وقد يقلل التكاليف. تتماشى النتائج مع الأبحاث السابقة، مما يعزز الفكرة بأن التفاعل بين نوع الركام، ونسبة الماء إلى الأسمنت، والمسامية أمر حاسم لتحسين تصميم الخرسانة المسامية لتطبيقات مثل الأرصفة النفاذة وإدارة مياه الأمطار.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110858
Publication Date: 2024-09-24
Author(s): Carlos Sánchez-Mendieta et al.
Primary Topic: Urban Stormwater Management Solutions
Overview
This study investigates the interrelationships among density, porosity, compressive strength, and permeability in porous concrete utilizing only coarse aggregates from natural riverbeds and crushing, without the addition of fine aggregates or admixtures. The research adheres to ACI 522R-10 standards, employing water-to-cement ratios of 0.35, 0.38, and 0.41. Key findings indicate a direct correlation between density and compressive strength, with R² values ranging from 0.7941 to 0.8207, while porosity inversely affects strength (R² values between 0.8006 and 0.944). Additionally, a direct relationship between porosity and permeability was established (R² values between 0.7709 and 0.9777), suggesting that increased porosity enhances permeability, which is beneficial for applications like permeable pavements.
The results demonstrate compressive strengths between 10 to 12 MPa, porosities from 26.66% to 35.82%, and permeabilities ranging from 13.1 to 45.1 mm s⁻¹. These findings highlight the feasibility of achieving desirable porous concrete properties through careful selection of aggregate types and sizes, emphasizing the importance of controlling the water-to-cement ratio. The study concludes that optimizing these parameters can simplify the design and production of porous concrete for various applications, particularly in contexts requiring effective drainage solutions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing interest in porous concrete due to its effectiveness in managing stormwater runoff in urban environments. Characterized by high interconnected porosity, this type of concrete facilitates water passage but compromises other essential properties, particularly compressive strength. Previous studies have established a critical relationship between porosity and the mechanical properties of porous concrete, emphasizing the role of aggregate gradation in influencing these characteristics. While higher porosity enhances permeability, it concurrently diminishes compressive strength and other mechanical properties, such as fracture toughness and fatigue resistance.
The paper reviews various studies that have explored the effects of different mix design parameters, including aggregate size and type, water-cement ratio, and additives, on the performance of porous concrete. Findings indicate that optimal combinations of coarse and fine aggregates can yield compressive strengths ranging from 5.0 to 45.7 MPa and porosities from 11.6% to 34.6%. However, the complexity of interactions among these factors has hindered the identification of optimal mix designs. This study aims to fill this gap by proposing a comprehensive approach that simultaneously considers aggregate gradation and water-cement ratio to enhance the structural performance and sustainability of porous concrete. By addressing these interactions, the research seeks to provide valuable insights for optimizing mix designs tailored to specific performance requirements, thereby contributing to advancements in the field.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used to investigate the properties of porous concrete. The concrete was composed of ordinary Portland cement (ASTM Type I) and three types of coarse aggregates, including crushed natural materials and rounded aggregates, all conforming to ASTM specifications. The aggregates were categorized based on their size fractions, specifically 2.36/9.5 mm and 9.5/19 mm, ensuring minimal fine aggregate content. The particle size distribution and experimental setup are illustrated in accompanying figures.
The methodology involved using an automatic compression testing machine and a constant load permeameter to evaluate compressive strength and permeability, respectively, following established ASTM standards. A total of 162 cylindrical samples (150 mm diameter, 300 mm height) were prepared, with variations in water-cement ratios (0.35, 0.38, and 0.41) and void percentages (15%, 17%, and 19%). The porosity was calculated using the weight difference before and after immersion in water, while the permeability coefficient was derived using Darcy’s law. Additional tests, including granulometry and abrasion resistance, were performed to assess the aggregates’ characteristics and the concrete’s surface wear resistance. The focus on compressive strength was emphasized due to its critical role in pavement performance, leading to the exclusion of other tests such as infiltration rate assessments.
Results
The analysis of aggregate characteristics revealed that crushed aggregates, with their angular shape and rough texture, significantly enhance the mechanical interlocking and compressive strength of porous concrete. These angular particles create more contact points and friction, improving adhesion with the cement paste and resulting in a denser, more stable structure with reduced porosity. In contrast, river aggregates, which are larger, rounded, and smoother, were found to decrease compressive strength while increasing permeability due to less dense packing and larger interconnected pore spaces.
The study also demonstrated that increasing the water-to-cement ratio and void content consistently led to decreased density and compressive strength, while porosity and permeability increased across all three types of porous concrete examined. For Type I porous concrete, raising the water-to-cement ratio from 0.35 to 0.41 and increasing void content from 15% to 19% resulted in a 3.8% decrease in density and a 12.9% reduction in compressive strength, alongside a 26.3% increase in porosity. Similar trends were observed in Type II and Type III porous concrete, with notable reductions in density and compressive strength and corresponding increases in permeability, reinforcing the critical role of aggregate properties and mix design in determining the performance of porous concrete.
Discussion
In this study, the effects of varying water-to-cement ratios (w/c) and void percentages on the properties of porous concrete were systematically investigated. Three types of concrete were designed using different aggregate sizes: Type I (2.36-9.5 mm crushed aggregate), Type II (9.5-19 mm crushed aggregate), and Type III (9.5-19 mm rounded gravel). The research aimed to optimize the balance between permeability and compressive strength, critical for the performance of pervious concrete. The results indicated that compressive strength generally increased with density, with R² values ranging from 0.7941 to 0.8207, while an inverse relationship was observed between porosity and compressive strength, with R² values between 0.8006 and 0.944. Additionally, a strong direct relationship between porosity and permeability was established, with R² values from 0.7709 to 0.9777, confirming that higher porosity enhances permeability.
The findings also highlighted the significance of aggregate type on the mechanical properties and porosity of porous concrete. Coarse river aggregates (9.5-19 mm) and crushed aggregates (2.36-9.5 mm and 9.5-19 mm) yielded compressive strengths of 10 to 12 MPa and porosities of 26.66% to 35.82%. This study demonstrates that using only coarse aggregates without admixtures can achieve desirable performance characteristics, simplifying the design process and potentially reducing costs. The results align with previous research, reinforcing the notion that the interplay between aggregate type, water-to-cement ratio, and porosity is crucial for optimizing the design of porous concrete for applications such as permeable pavements and stormwater management.