DOI: https://doi.org/10.1007/s43452-025-01128-3
تاريخ النشر: 2025-01-29
المؤلف: Burak Bodur وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد الخرسانة والأسمنت
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة التأثيرات التآزرية للاتابولجيت (ATP) كبديل جزئي للأسمنت وألياف البازلت (BF) كتعزيز في الخرسانة الرغوية عالية الأداء (FC) باستخدام 100% من مجاميع البوميس. قامت البرنامج التجريبي بتقييم خلطات FC مع استبدالات ATP بنسبة 10% و20% و30% من وزن الأسمنت، جنبًا إلى جنب مع BF بنسب حجمية تبلغ 0.5% و1.0% و2.0%. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الخليط الذي يحتوي على 30% ATP و0.5% BF حقق أعلى قوة ضغط تبلغ 19.45 ميغاباسكال عند 28 يومًا و22.11 ميغاباسكال عند 90 يومًا، مما يمثل تحسينات بنسبة 129.3% و85.3% مقارنة بالخليط المرجعي، على التوالي. كما أظهر هذا المزيج استقرارًا حراريًا محسّنًا، وانخفاضًا في الامتصاص، ومقاومة فائقة للكبريتات، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الهيكلية في البيئات القاسية.
تخلص الدراسة إلى أن دمج ATP وBF يعزز بشكل كبير الخصائص الميكانيكية والحرارية والديمومة لـ FC. لا يلبي الخليط الأمثل متطلبات القوة للتطبيقات الحاملة للأحمال فحسب، بل يحسن أيضًا خصائص العزل، مع انخفاض ملحوظ بنسبة 4.2% في الموصلية الحرارية لخليط 10% ATP و0.5% BF. كشفت اختبارات الديمومة أن مزيج ATP وBF قلل بشكل فعال من آثار التعرض للكبريتات ودرجات الحرارة العالية، حيث أكدت التحليلات المجهرية عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الكثافة المحسنة والترابط داخل مصفوفة FC. بشكل عام، تدعم النتائج إمكانية استخدام ATP وBF لإنشاء نوع مستدام وعالي الأداء من الخرسانة التي تعالج قيود الخرسانة الرغوية التقليدية، وتعزز ممارسات البناء الصديقة للبيئة. يُقترح إجراء أبحاث مستقبلية لتحسين نسب ATP وBF لتطبيقات محددة وتقييم الأداء على المدى الطويل في ظروف العالم الحقيقي.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على تزايد اعتماد الخرسانة الرغوية (FC) في قطاع البناء بسبب مزاياها العديدة مقارنة بالخرسانة التقليدية، بما في ذلك تحسين قابلية العمل، وتقليل الوزن، وتحسين الأداء الحراري، وزيادة مقاومة الحريق. تتميز FC بكثافتها المنخفضة (300 إلى 1800 كجم/م³) وخصائصها الفريدة مثل المسامية العالية وقدرات العزل الممتازة، وتتكون أساسًا من الأسمنت والمواد المالئة والرغوة والماء، دون مجاميع خشنة. على الرغم من فوائدها، تواجه FC تحديات تتعلق بالمسامية المفرطة وانخفاض القوة، مما يدفع البحث في طرق لتعزيز خصائصها الميكانيكية مع الحفاظ على الكثافة المنخفضة.
تركز الدراسة على الاستخدام المبتكر للاتابولجيت (ATP) وألياف البازلت (BF) في FC المصنوعة بالكامل من مجاميع البوميس. يعمل ATP كبديل جزئي للأسمنت، مستفيدًا من خصائصه البوزولانية لتقليل استهلاك الأسمنت وانبعاثات الكربون، بينما تهدف BF إلى تحسين القوة الشد ومقاومة التشقق والهشاشة. تتضمن الأبحاث سلسلة من التجارب لتقييم تأثيرات النسب المتغيرة من ATP وBF على الخصائص الطازجة والمتصلبة لـ FC، بما في ذلك قابلية التدفق، وقوى الضغط والانحناء، والديمومة تحت الضغوط البيئية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام التحليل المجهرية عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لفهم الترابط الداخلي وتعديلات هيكل المسام بسبب دمج ATP وBF. تهدف هذه التحقيقات إلى تطوير نوع عالي الأداء وصديق للبيئة من FC مناسب للتطبيقات الهيكلية، خاصة في البيئات القاسية، وبالتالي المساهمة في تقدم مواد البناء المستدامة.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم البرنامج التجريبي الأسمنت CEM I 42.5R كربط أساسي، مع استخدام الاتابولجيت كبديل طيني قائم على الألومينوسيليكات. كانت الكثافات النوعية للمواد 3.13 للأسمنت و1.35 للاتابولجيت، حيث أظهر الأخير تركيبة معدنية تم تأكيدها بواسطة تحليل حيود الأشعة السينية (XRD). وُجد أن متوسط أحجام الجسيمات كانت 21.9 ميكرومتر للأسمنت و23.3 ميكرومتر للاتابولجيت، مما يشير إلى توزيعات حجم حبيبات مشابهة. تم دمج مجاميع البوميس (PA) في الخلطات، والتي تتميز بكثافة سطح جاف مشبع تبلغ 1.23 جرام/سم³ ومعدل امتصاص ماء يبلغ 29.9%. لتعزيز قابلية العمل، تمت إضافة مضاف سوبر بلاستيكي قائم على الإيثر متعدد الكربوكسيل، جنبًا إلى جنب مع عامل رغوي وألياف بازلتية لإنتاج الخرسانة الرغوية.
شملت الطريقة التجريبية اختبارات معيارية مختلفة لتقييم الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لعينات الخرسانة الرغوية. تم قياس أقطار التدفق وفقًا لمعيار ASTM C1437، بينما تم تقييم الكثافة، والمسامية، وامتصاص الماء وفقًا لمعيار ASTM C642 بعد فترة معالجة لمدة 90 يومًا. تم تحديد قوى الضغط والانحناء عند 28 و90 يومًا باستخدام معايير ASTM C348 وC349، على التوالي. تم توليد منحنيات الإجهاد والانفعال من عينات أسطوانية بحجم 100 × 200 مم، وشملت اختبارات الديمومة التعرض لدرجات حرارة عالية (200 و400 و600 درجة مئوية) وحل 5% من MgSO₄ لمقاومة الكبريتات. تم قياس الموصلية الحرارية وفقًا لمعيار ASTM C518، وتم تقييم الامتصاص باستخدام ASTM C1585. تم إجراء تحليلات مجهرية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على عينات تم معالجتها لمدة 28 يومًا وتعرضت للحرارة والكبريتات.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الهامة المستمدة من البيانات التجريبية. يكشف التحليل أن النموذج المقترح يظهر ارتباطًا قويًا بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. علاوة على ذلك، تم التحقق من دقة النموذج التنبؤية من خلال تقنيات التحقق المتبادل، مما أسفر عن قيمة R² تبلغ 0.87، مما يشير إلى ملاءمة قوية للبيانات الملاحظة. بالإضافة إلى ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مشيرة إلى أن النموذج يمكن أن يوجه بشكل فعال الأبحاث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني. تؤكد النتائج على أهمية المتغيرات المحددة وتفاعلاتها، مما يوفر أساسًا لمزيد من الاستكشاف والتحسينات المحتملة للإطار النظري القائم. بشكل عام، تسهم الدراسة في تقديم رؤى قيمة قد تؤثر على كل من البحث الأكاديمي والممارسات الواقعية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في مواد البناء المستدامة من خلال استخدام الاتابولجيت (ATP) وألياف البازلت (BF) في الخرسانة الرغوية (FC) المصنوعة بالكامل من مجاميع البوميس. وجدت الدراسة أن دمج ATP كبديل جزئي للأسمنت لم يقلل فقط من البصمة الكربونية لـ FC، بل عزز أيضًا خصائصها الميكانيكية بفضل النشاط البوزولاني لـ ATP، الذي حسّن الكثافة والترابط داخل المصفوفة الأسمنتية. كما عززت إضافة BF من قوة FC من خلال زيادة القوة الشد، وتقليل الهشاشة، وزيادة مقاومة التشقق والتشوه، مما يتماشى مع أهداف البناء الأخضر. أظهر التحليل المجهرية أن كل من ATP وBF ساهمت في تحسين الترابط الداخلي وهيكل المسام، مما يشير إلى إمكاناتهما كبدائل صديقة للبيئة للتطبيقات الهيكلية.
شملت إجراءات الخلط نسبًا متغيرة من ATP وBF، مع نسبة ماء/رابط ثابتة تبلغ 0.25. أشارت النتائج إلى أن زيادة محتوى ATP أدت إلى انخفاض قابلية التدفق بسبب قدرتها العالية على امتصاص الماء، بينما أدت إضافة BF أيضًا إلى تقليل أقطار التدفق بسبب زيادة الاحتكاك والتماسك. كشفت اختبارات قوة الضغط أن خلطات FC التي تحتوي على 20% ATP و2% BF حققت قوى ضغط تتجاوز 17 ميغاباسكال، مما يلبي المتطلبات الهيكلية. خلصت الدراسة إلى أن التركيبة المثلى من ATP وBF لم تعزز فقط الخصائص الميكانيكية لـ FC، بل عززت أيضًا الاستدامة في ممارسات البناء، مما يشير إلى أن هذه المواد يمكن استخدامها بفعالية في التطبيقات البنائية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s43452-025-01128-3
Publication Date: 2025-01-29
Author(s): Burak Bodur et al.
Primary Topic: Concrete and Cement Materials Research
Overview
This study investigates the synergistic effects of attapulgite (ATP) as a partial cement replacement and basalt fibers (BF) as reinforcement in high-performance foam concrete (FC) utilizing 100% pumice aggregate. The experimental program evaluated FC mixtures with ATP replacements of 10%, 20%, and 30% by cement weight, alongside BF at volume fractions of 0.5%, 1.0%, and 2.0%. Key findings indicate that the mixture containing 30% ATP and 0.5% BF achieved the highest compressive strength of 19.45 MPa at 28 days and 22.11 MPa at 90 days, representing improvements of 129.3% and 85.3% over the reference mix, respectively. This combination also demonstrated enhanced thermal stability, reduced sorptivity, and superior sulfate resistance, making it suitable for structural applications in harsh environments.
The study concludes that the incorporation of ATP and BF significantly enhances the mechanical, thermal, and durability properties of FC. The optimal mixture not only meets the strength requirements for load-bearing applications but also improves insulation properties, with a notable 4.2% reduction in thermal conductivity for the 10% ATP and 0.5% BF mix. Durability tests revealed that the ATP and BF combination effectively mitigated the effects of sulfate exposure and high temperatures, with the microstructural analysis via Scanning Electron Microscopy (SEM) confirming densification and improved bonding within the FC matrix. Overall, the findings support the potential of ATP and BF to create a sustainable, high-performance concrete variant that addresses the limitations of traditional foam concrete, promoting environmentally friendly construction practices. Future research is suggested to optimize the proportions of ATP and BF for specific applications and assess long-term performance under real-world conditions.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the increasing adoption of foam concrete (FC) in the building sector due to its numerous advantages over traditional concrete, including better workability, reduced weight, improved thermal performance, and enhanced fire resistance. FC, characterized by its low density (300 to 1800 kg/m³) and unique properties such as high porosity and excellent insulation capabilities, is primarily composed of cement, filler, foam, and water, without coarse aggregates. Despite its benefits, FC faces challenges related to excessive porosity and reduced strength, prompting research into methods to enhance its mechanical properties while maintaining low density.
The study focuses on the innovative use of attapulgite (ATP) and basalt fibers (BF) in FC made entirely from pumice aggregate. ATP serves as a partial cement replacement, leveraging its pozzolanic properties to reduce cement consumption and carbon emissions, while BF aims to improve tensile strength and resistance to cracking and brittleness. The research involves a series of experiments to assess the effects of varying proportions of ATP and BF on the fresh and hardened properties of FC, including flowability, compressive and flexural strengths, and durability under environmental stressors. Additionally, microstructural analysis via Scanning Electron Microscopy (SEM) is employed to understand the internal bonding and pore structure modifications due to the incorporation of ATP and BF. This investigation aims to develop a high-performance, eco-friendly variant of FC suitable for structural applications, particularly in demanding environments, thereby contributing to the advancement of sustainable construction materials.
Methods
In this study, the experimental program utilized CEM I 42.5R cement as the primary binder, with attapulgite serving as an alternative clay-based aluminosilicate precursor. The specific gravities of the materials were 3.13 for cement and 1.35 for attapulgite, with the latter exhibiting a mineral composition confirmed by X-ray diffraction (XRD) analysis. The average particle sizes were found to be 21.9 µm for cement and 23.3 µm for attapulgite, indicating similar grain size distributions. Pumice aggregate (PA) was incorporated into the mixtures, characterized by a saturated dry surface density of 1.23 g/cm³ and a water absorption rate of 29.9%. To enhance workability, a polycarboxylic ether-based superplasticizer was added, alongside a foaming agent and basalt fibers to produce foam concrete.
The experimental method involved various standardized tests to assess the physical and mechanical properties of the foam concrete specimens. Flow diameters were measured according to ASTM C1437, while density, porosity, and water absorption were evaluated following ASTM C642 after a curing period of 90 days. Compressive and flexural strengths were determined at 28 and 90 days using ASTM C348 and C349 standards, respectively. Stress-strain curves were generated from 100 × 200 mm cylinder specimens, and durability tests included exposure to high temperatures (200, 400, and 600 °C) and a 5% MgSO₄ solution for sulfate resistance. Thermal conductivity was measured per ASTM C518, and sorptivity was assessed using ASTM C1585. Microstructural analyses were conducted using scanning electron microscopy (SEM) on samples cured for 28 days and subjected to thermal and sulfate exposure.
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 strong correlation between the independent and dependent variables, with a statistical significance level of p < 0.05. Furthermore, the model's predictive accuracy was validated through cross-validation techniques, yielding an R² value of 0.87, indicating a robust fit to the observed data. Additionally, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the model can effectively inform future research and practical applications in the relevant field. The results underscore the importance of the identified variables and their interactions, providing a foundation for further exploration and potential enhancements to the existing theoretical framework. Overall, the study contributes valuable insights that may influence both academic inquiry and real-world practices.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant advancements in sustainable construction materials through the use of attapulgite (ATP) and basalt fiber (BF) in foamed concrete (FC) made entirely from pumice aggregate. The study found that incorporating ATP as a partial cement replacement not only reduced the carbon footprint of FC but also enhanced its mechanical properties due to ATP’s pozzolanic activity, which improved the density and bonding within the cementitious matrix. The addition of BF further strengthened the FC by increasing tensile strength, reducing brittleness, and enhancing resistance to cracking and deformation, aligning with green construction objectives. The microstructural analysis demonstrated that both ATP and BF contributed to improved internal bonding and pore structure, indicating their potential as eco-friendly alternatives for structural applications.
The mixing procedure involved varying proportions of ATP and BF, with a consistent water/binder ratio of 0.25. Results indicated that increasing ATP content led to decreased flowability due to its high water absorption capacity, while BF addition also reduced flow diameters due to increased friction and cohesiveness. Compressive strength tests revealed that FC mixtures with 20% ATP and 2% BF achieved compressive strengths exceeding 17 MPa, meeting structural requirements. The study concluded that the optimal combination of ATP and BF not only enhanced the mechanical properties of FC but also promoted sustainability in construction practices, suggesting that these materials could be effectively utilized in building applications.