DOI: https://doi.org/10.1007/s40999-025-01074-4
تاريخ النشر: 2025-01-22
المؤلف: Farhan Ahmad وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص وأستخدامات أكسيد المغنيسيوم
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير خبث الفرن العالي المجروش (GGBFS) والميتاكاولين (MK) على الخصائص الميكانيكية لخرسانة الأسمنت المغنيسيوم أوكسي كلوريد (MOC) المعززة بالألياف الهجينة (FRMOC). تحدد الأبحاث MOC كخليط صديق للبيئة وتبرز قدرات التعزيز لـ GGBFS و MK. تشير النتائج إلى أنه بينما ظلت كثافة FRMOC المتصلبة ثابتة (تتراوح من 1909.3 إلى 1976.0 كجم/م³)، أظهرت القوة الانضغاطية تطورًا مبكرًا ملحوظًا في القوة، حيث حققت 69.1-84.0% من قوة 28 يومًا بعد يوم واحد فقط من المعالجة. أظهر المزيج الأمثل، الذي يتكون من 30% GGBFS والألياف الهجينة، قوة انضغاطية قدرها 73.9 ميجا باسكال، وقوة شد قدرها 8.52 ميجا باسكال، وسعة تشوه قدرها 2.22%.
كشفت التحليلات المجهرية أن إضافة GGBFS و MK لم تغير من تركيب مرحلة الترطيب الأساسية ولكنها عززت تكوين المرحلة 5، مما ساهم في تحسين أداء المركبات. أشارت تحليلات المسح الحراري التفاضلي (DSC) والتحليل الحراري الوزني (TG) إلى فقدان كبير في الكتلة والانحلال الحراري، خاصة في المزيج الأمثل، مما يشير إلى إطلاق فعال للرطوبة يمكن أن يعزز مقاومة الحريق. تختتم الدراسة بأن دمج GGBFS و MK في المركبات المعتمدة على MOC يؤدي إلى تحسين الخصائص الميكانيكية وإمكانيات التطبيقات في البنية التحتية الخفيفة وتخفيف الحريق، بينما تقترح أيضًا اتجاهات البحث المستقبلية لتحسين سلوك التدفق والتحقيق بشكل أكبر في الآليات المعنية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الأسمنت المغنيسيوم أوكسي كلوريد (MOC)، وهو أسمنت غير هيدروليكي يتم إنتاجه من خلال خلط المغنيسيا التفاعلية مع كلوريد المغنيسيوم (MgCl₂). يُعترف بـ MOC لفوائده البيئية مقارنة بأسمنت بورتلاند العادي (OPC)، بما في ذلك انخفاض استهلاك الطاقة واحتجاز ثاني أكسيد الكربون. يظهر مزايا مثل التصلب السريع، وتطور القوة المبكرة، والتوافق مع مختلف المنتجات الثانوية الصناعية والألياف، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات مثل الأرضيات، والتكسية، ولوحات العزل. من الجدير بالذكر أن الرقم الهيدروجيني المنخفض لـ MOC (10) مقارنة بـ OPC (12-13) يسمح بدمج أفضل مع الألياف المعززة دون مشاكل الشيخوخة.
تسلط الورقة الضوء على استخدام المواد الأسمنتية المساعدة (SCMs) لتعزيز المركبات المعتمدة على MOC، مع التركيز بشكل خاص على الرماد المتطاير، والميتاكاولين (MK)، وخبث الفرن العالي المجروش (GGBFS). بينما يُستخدم الرماد المتطاير بشكل شائع، فإنه يقدم تحديات مثل تأخير الترطيب وتقليل القوة عند مستويات محتوى عالية. في المقابل، فإن MK و GGBFS هما بدائل وفيرة ومستدامة أظهرت وعدًا في المركبات المعتمدة على OPC ولكن لم يتم استكشافها بشكل كافٍ في تطبيقات MOC. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات MK و GGBFS، سواء بشكل فردي أو في تركيبات هجينة، على الخصائص الميكانيكية لمركبات MOC المعززة بالألياف (FRMOC). ستقوم بتحليل خصائص فيزيائية وميكانيكية متنوعة، بما في ذلك القوة الانضغاطية وقوة الشد، مع استخدام تقنيات متقدمة لتوصيف المواد لتوضيح الآليات الأساسية لتحسين الأداء.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة لتقييم قابلية التدفق، وأوقات التصلب، والكثافة، والقوة الانضغاطية لمونة FRMOC الطازجة المعدة حديثًا. تم تقييم قابلية التدفق باستخدام اختبار طاولة التدفق وفقًا لمعايير ASTM C1437، قبل وبعد إضافة الألياف. تم استخدام جهاز فيكات لتحديد أوقات التصلب الأولية والنهائية وفقًا لمعايير ASTM C191. تم أخذ قياسات الكثافة باستخدام ميزان تحليلي، وتم إجراء اختبارات القوة الانضغاطية على عينات مكعبة في فترات معالجة مختلفة (من 1 إلى 28 يومًا) باستخدام آلة اختبار انضغاطية من نوع إنستران بسعة 3000 كيلو نيوتن.
لتحسين خصائص التدفق، تم دمج مخفض ماء عالي النطاق (HRWR)، ADVA LS780، بجرعة قدرها 41 لتر/م³ تم تحديدها للخليط الأساسي (G1) بدون ألياف. تم الحفاظ على هذه الجرعة عبر جميع الخلطات (M1، GM1، GM2، و GM3) لضمان الاتساق، على الرغم من متطلباتها العالية لخليط G1. تم توحيد نسبة الرمل إلى الرباط عند 0.23 لجميع التركيبات. لتعزيز القوة، تم استخدام تركيبة هجينة من ألياف البولي إيثيلين (PE) وألياف البازلت، مستفيدة من خصائصها التكميلية لتحسين القوة، والمرونة، والثبات الحراري. تم تطبيق الجرعة الهجينة المثلى من 1.25% حجم. PE و 0.75% حجم. ألياف البازلت، التي تم تحديدها سابقًا في أبحاث المؤلفين، بشكل متسق في هذه الدراسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير مركبات أكسيد المغنيسيوم المعززة بالألياف الهجينة (FRMOC) باستخدام خبث الفرن العالي المجروش (GGBFS) والميتاكاولين (MK) كمواد رابطة. تم تصنيف المواد من خلال مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، مما كشف عن قوام سطحي زاوي وخشن. قامت الدراسة بتغيير نسب GGBFS و MK في خمسة تركيبات (G1، M1، GM1، GM2، GM3) لتقييم تأثيراتها على الخصائص الطازجة والميكانيكية للمركبات. انخفضت قابلية التدفق للخلطات مع زيادة محتوى MK وإضافة الألياف، مما يُعزى إلى المقاومة الناتجة عن شبكة الألياف. أظهرت اختبارات القوة الانضغاطية أن G1 (30% GGBFS) أظهرت أعلى قوة، بينما أظهرت الخلطات الهجينة أداءً متوسطًا، مع ملاحظة اكتساب قوة مبكرة ملحوظة.
كما قيمت الدراسة الخصائص الفيزيائية، بما في ذلك الكثافة ووقت التصلب، ووجدت أن كثافة مركبات FRMOC تتراوح من 1909.3 إلى 1976.0 كجم/م³، وهو أقل من مركبات الأسمنت العادي المعزز بالألياف (OPC). اختلفت أوقات التصلب الأولية والنهائية بناءً على محتوى SCM، حيث أدت مستويات MK الأعلى إلى أوقات تصلب أطول. كشفت الاختبارات الميكانيكية أن G1 كانت لها أداء شد متفوق، مع سعة تشوه قصوى قدرها 2.22%. أكدت التحليلات المجهرية من خلال XRD و SEM وجود المرحلة 5 كمنتج الترطيب الأساسي، مما ساهم في تطوير القوة. أشار التحليل الحراري إلى أن إضافة GGBFS أو MK لم تؤثر سلبًا على مقاومة الحريق للمركبات. بشكل عام، تم تحديد G1 كأفضل مزيج بسبب طبيعته الخفيفة، وقوته الانضغاطية العالية البالغة 73.9 ميجا باسكال، وقوة الشد الملحوظة البالغة 8.52 ميجا باسكال، مما يظهر الإمكانيات لتطبيقات البنية التحتية الخفيفة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40999-025-01074-4
Publication Date: 2025-01-22
Author(s): Farhan Ahmad et al.
Primary Topic: Magnesium Oxide Properties and Applications
Overview
This study explores the impact of ground granulated blast furnace slag (GGBFS) and metakaolin (MK) on the mechanical properties of magnesium oxychloride cement (MOC) based hybrid fibre reinforced cementitious composites (FRMOC). The research identifies MOC as an environmentally friendly matrix and highlights the reinforcing capabilities of GGBFS and MK. The findings indicate that while the hardened density of FRMOC remained consistent (ranging from 1909.3 to 1976.0 kg/m³), the compressive strength exhibited significant early strength development, achieving 69.1-84.0% of the 28-day strength after just one day of curing. The optimal mix, comprising 30% GGBFS and hybrid fibres, demonstrated a compressive strength of 73.9 MPa, tensile strength of 8.52 MPa, and strain capacity of 2.22%.
Microscopic analyses revealed that the addition of GGBFS and MK did not alter the primary hydration phase composition but promoted the formation of phase 5, which contributed to the enhanced performance of the composites. Differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric (TG) analyses indicated significant mass loss and thermal degradation, particularly in the optimal mix, suggesting effective moisture release that could enhance fire resistance. The study concludes that the incorporation of GGBFS and MK in MOC-based composites leads to improved mechanical properties and potential applications in lightweight infrastructure and fire mitigation, while also suggesting future research directions to optimize flow behavior and further investigate the mechanisms at play.
Introduction
The introduction of the research paper discusses Magnesium Oxychloride Cement (MOC), a nonhydraulic cement produced by blending reactive magnesia with magnesium chloride (MgCl₂). MOC is recognized for its environmental benefits over Ordinary Portland Cement (OPC), including lower energy consumption and carbon dioxide sequestration. It exhibits advantages such as rapid setting, early strength development, and compatibility with various industrial by-products and fibers, making it suitable for applications like flooring, cladding, and insulation panels. Notably, MOC’s lower pH (10) compared to OPC (12-13) allows for better integration with reinforcing fibers without aging issues.
The paper highlights the use of supplementary cementitious materials (SCMs) to enhance MOC-based composites, particularly focusing on fly ash, metakaolin (MK), and ground granulated blast furnace slag (GGBFS). While fly ash is commonly used, it presents challenges such as hydration retardation and strength reduction at high content levels. In contrast, MK and GGBFS are abundant and sustainable alternatives that have shown promise in OPC-based composites but are less explored in MOC applications. The study aims to investigate the effects of MK and GGBFS, both individually and in hybrid combinations, on the mechanical properties of fiber-reinforced MOC-based composites (FRMOC). It will analyze various physical and mechanical characteristics, including compressive and tensile strength, while employing advanced material characterization techniques to elucidate the underlying mechanisms of performance enhancement.
Methods
In this section, the methods employed to evaluate the flowability, setting times, density, and compressive strength of freshly prepared FRMOC mortars are detailed. The flowability was assessed using a flow table test in accordance with ASTM C1437 standards, both prior to and following the addition of fibers. The Vicat apparatus was utilized to determine the initial and final setting times as per ASTM C191. Density measurements were taken with an analytical balance, and compressive strength tests were conducted on cubic specimens at various curing intervals (1 to 28 days) using an Instron compressive testing machine with a capacity of 3,000 kN.
To enhance flow characteristics, a high-range water reducer (HRWR), ADVA LS780, was incorporated, with a dosage of 41 L/m³ established for the base matrix (G1) without fibers. This dosage was maintained across all mixes (M1, GM1, GM2, and GM3) for consistency, despite its high requirement for the G1 mix. The sand-to-binder ratio was standardized at 0.23 for all formulations. For reinforcement, a hybrid combination of polyethylene (PE) and basalt fibers was employed, leveraging their complementary properties to improve strength, ductility, and thermal stability. The optimal hybrid dosage of 1.25% vol. PE and 0.75% vol. basalt fibers, previously identified in the authors’ research, was consistently applied in this study.
Discussion
In this study, hybrid fibre-reinforced magnesium oxide (MgO) composites (FRMOC) were developed using ground granulated blast-furnace slag (GGBFS) and metakaolin (MK) as binders. The materials were characterized through energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and scanning electron microscopy (SEM), revealing angular and rough surface textures. The study varied the proportions of GGBFS and MK in five formulations (G1, M1, GM1, GM2, GM3) to assess their effects on the fresh and mechanical properties of the composites. The flowability of the mixes decreased with increasing MK content and the addition of fibres, attributed to the resistance generated by the fibre network. Compressive strength tests indicated that G1 (30% GGBFS) exhibited the highest strength, while the hybrid mixes showed intermediate performance, with significant early strength gain observed.
The study also evaluated the physical properties, including density and setting time, finding that the density of the FRMOC composites ranged from 1909.3 to 1976.0 kg/m³, which is lower than traditional fibre-reinforced ordinary Portland cement (OPC) composites. The initial and final setting times varied based on the SCM content, with higher MK levels leading to longer setting times. Mechanical testing revealed that G1 had superior tensile performance, with a maximum strain capacity of 2.22%. Microstructural analyses through XRD and SEM confirmed the presence of phase 5 as the primary hydration product, contributing to strength development. Thermal analysis indicated that the addition of GGBFS or MK did not adversely affect the fire resistance of the composites. Overall, G1 was identified as the optimal mix due to its lightweight nature, high compressive strength of 73.9 MPa, and notable tensile strength of 8.52 MPa, demonstrating the potential for lightweight infrastructure applications.