DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34746-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501170
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Prabhu Gurunathappa Sheelavantar وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد الخرسانة والأسمنت
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث تطوير وتقييم الخرسانة المنشّطة بالقلويات ذات الجزء الواحد (OPAAC) كبديل مستدام للأسمنت البورتلاندي التقليدي وأنظمة المنشّطة بالقلويات ذات الجزئين. تستخدم OPAAC المنتجات الثانوية الصناعية مثل الرماد المتطاير والخبث المسحوق من أفران الصهر (GGBS) لتعزيز كفاءة الموارد وتقليل انبعاثات الكربون. تقيّم الدراسة الخصائص الطازجة والمتصلبة لـ OPAAC المعتمد على FA-GGBS، مع التركيز على قابلية العمل، والقوة الانضغاطية، والقوة الشد، وقوة الانحناء، بالإضافة إلى مؤشرات المتانة مثل الامتصاص ونفاذية أيونات الكلوريد. تم استخدام نهج تحسين متعدد الاستجابات يعتمد على مصفوفة Taguchi L9 وتحليل العلاقات الرمادية (GRA) لتحديد نسبة الربط المثلى (FA:GGBS)، ونسبة الماء إلى الربط (w/b)، ونسبة المنشط إلى الربط (A/b). تشير النتائج إلى أن نسبة الربط 70:30، وw/b بمقدار 0.35، وA/b بمقدار 14% تنتج خرسانة من الدرجة M40، مع انتقال من مصفوفة N-A-S-H المسامية إلى شبكة هلامية أكثر كثافة من C-A-S-H/N-C-A-S-H مع زيادة محتوى GGBS، مما يتماشى مع تعزيز القوة والمتانة.
في الختام، يقدم نظام OPAAC بديلاً سهل الاستخدام ومستدامًا للأنظمة التقليدية ذات الجزئين، مما يلغي الحاجة إلى التعامل مع القلويات السائلة المسببة للتآكل ويسهل الخلط في الموقع. لا يحسن هذا النهج “فقط أضف الماء” سلامة العمال فحسب، بل يعزز أيضًا الإمكانية للتوسع التجاري في صناعة البناء. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية للتحقيق في المتانة على المدى الطويل لـ OPAAC تحت ظروف بيئية قاسية، بالإضافة إلى استكشاف التوسع لتطبيقات هيكلية، واستخدام منتجات صناعية بديلة، وإجراء تقييمات دورة الحياة وتحليلات التكلفة والفائدة لتعزيز دمجه في ممارسات البناء السائدة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاستخدام السائد للخرسانة المصنوعة من الأسمنت البورتلاندي في صناعة البناء، مع التأكيد على موثوقيتها ومتانتها عبر مجموعة من التطبيقات الهيكلية. على الرغم من الاعتماد الواسع على هذه المادة، فإن القسم يهيئ الساحة لمناقشة التقدم المحتمل أو البدائل التي يمكن أن تعزز الأداء أو الاستدامة في إنتاج الخرسانة. يبرز التركيز على المتانة أهمية اختيار المواد في ضمان طول عمر وسلامة البيئات المبنية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام الرماد المتطاير من الفئة F (FA) من محطة الطاقة الحرارية في أودوبي والخبث المسحوق من أفران الصهر (GGBS) من JSW، كارناتاكا، كمواد ربط أساسية وثانوية، على التوالي. تم تحليل توزيع حجم الجسيمات لـ FA وGGBS باستخدام تشتت الليزر، مما أسفر عن قيم D10 وD50 وD90 بمقدار 2.23 و16.07 و52.93 ميكرومتر لـ FA، و2.94 و18.43 و46.44 ميكرومتر لـ GGBS. تم تحديد التركيب الكيميائي عبر الفلورية بالأشعة السينية (XRF)، مما كشف عن نسب أكسيد كبيرة، حيث يحتوي FA على 46.7% SiO₂ و26.3% CaO، بينما يتكون GGBS من 37.3% SiO₂ و34.7% CaO.
استخدمت منهجية تصميم الخلط طريقة الحجم المطلق، التي تسمح بتوزيع دقيق للحجوم من المواد، مما يضمن إمكانية إعادة إنتاج الخلطات المحسّنة من الخرسانة المنشّطة بالقلويات (OPAAC). كما استخدمت الدراسة طريقة Taguchi لتقييم تأثير عوامل مختلفة على خصائص OPAAC، باستخدام المتوسطات ونسب الإشارة إلى الضوضاء (S/N) للتقييم. تم إجراء تحليلات الميكروهيكل من خلال المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD) للتحقق من النتائج الميكانيكية ومتانة الخرسانة، مما يوفر رؤى حول الشكل والتركيب الطوري لخلطات الخرسانة.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الأساليب التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، مما يشير إلى فعاليته.
علاوة على ذلك، يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الأوسع، مقارنًا إياها بالدراسات السابقة ومعالجة الآثار المحتملة للبحث المستقبلي. يؤكد المؤلفون على أهمية هذه النتائج في تعزيز الفهم للموضوع المقصود ويقترحون طرقًا لمزيد من الاستكشاف للتحقق من استنتاجاتهم وتوسيعها. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة قد تفيد كل من الأطر النظرية والتطبيقات العملية في هذا المجال.
النقاش
يسلط النقاش الضوء على التأثير البيئي الكبير لصناعة الأسمنت، التي تساهم بحوالي 7% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية بسبب إنتاج الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC). لمعالجة تحديات الاستدامة، يقوم الباحثون بالتحقيق في مواد بديلة مثل الخبث المسحوق من أفران الصهر (GGBS)، والرماد المتطاير (FA)، وغيرها المستمدة من المنتجات الثانوية الصناعية. يمكن أن تقلل هذه المواد من البصمة الكربونية للخرسانة؛ ومع ذلك، يجب حل القضايا المتعلقة بالتخلص والدفن للاستفادة الكاملة من فوائدها. تؤكد الدراسة على مخاوف المتانة لهياكل الخرسانة المسلحة (RC)، خاصة بسبب تآكل الحديد، الذي يتسبب في تكاليف اقتصادية كبيرة، خاصة في دول مثل الهند.
تستكشف الأبحاث أيضًا تطوير الخرسانة المنشّطة بالقلويات ذات الجزء الواحد (OPAAC) كبديل قابل للتطبيق للخرسانة التقليدية. تُظهر OPAAC، التي تستخدم المنتجات الثانوية الصناعية وتتطلب تحضيرًا أقل كثافة للطاقة، انخفاضًا كبيرًا في الطاقة المتجسدة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون مقارنةً بـ OPC. تستخدم الدراسة طريقة Taguchi وتحليل العلاقات الرمادية (GRA) لتحسين معلمات تصميم الخلط، مع التركيز على نسب الربط، ونسب الماء إلى الربط، ونسب المنشط. تشير النتائج إلى أن نسبة الربط 70:30 من FA إلى GGBS تحقق خصائص ميكانيكية مثلى، بما في ذلك القوة الانضغاطية والمتانة، بينما تقلل أيضًا من نفاذية الكلوريد والامتصاص. تؤكد النتائج على إمكانية تحويل OPAAC للمواد المهدرة إلى حلول بناء مستدامة، على الرغم من التحديات في توحيد إجراءات تصميم الخلطات.
القيود
في هذا القسم، يعترف المؤلفون بوجود قيد كبير في دراستهم: تم الحفاظ على نظام المعالجة ثابتًا عبر جميع الخلطات للتحقيق بشكل محدد في أداء الأسمنت القائم على الرماد المتطاير (FA) والخبث المسحوق من أفران الصهر (GGBS) المنشّط بالقلويات العضوية (OPAAC). بينما يسمح هذا القرار بإجراء تحليل مركز، فإنه يقيّد استكشاف كيفية تأثير ظروف المعالجة المتنوعة على خصائص أداء المادة. وبالتالي، قد لا تمثل النتائج بشكل كامل التباين المحتمل في الأداء تحت سيناريوهات معالجة مختلفة، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من البحث لتقييم تأثير ظروف المعالجة المتنوعة على فعالية تركيبات OPAAC المعتمدة على FA-GGBS.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34746-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501170
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Prabhu Gurunathappa Sheelavantar et al.
Primary Topic: Concrete and Cement Materials Research
Overview
This research paper section discusses the development and evaluation of one-part alkali-activated concrete (OPAAC) as a sustainable alternative to traditional Portland cement and two-part alkali-activated systems. OPAAC utilizes industrial byproducts such as fly ash and ground granulated blast furnace slag (GGBS) to enhance resource efficiency and reduce carbon emissions. The study assesses both fresh and hardened properties of FA-GGBS-based OPAAC, focusing on workability, compressive, tensile, and flexural strengths, as well as durability indicators like sorptivity and chloride ion permeability. A multi-response optimization approach employing a Taguchi L9 array and Grey Relational Analysis (GRA) was used to determine the optimal binder ratio (FA:GGBS), water-to-binder ratio (w/b), and activator-to-binder ratio (A/b). The findings indicate that a 70:30 binder ratio, w/b of 0.35, and A/b of 14% yield an M40 grade concrete, with a transition from a porous N-A-S-H matrix to a denser C-A-S-H/N-C-A-S-H gel network as GGBS content increases, correlating with enhanced strength and durability.
In conclusion, the OPAAC system presents a user-friendly and sustainable alternative to conventional two-part systems, eliminating the need for handling corrosive liquid alkalis and simplifying on-site mixing. This “just-add-water” approach not only improves worker safety but also enhances the potential for commercial scalability in the construction industry. Future research is recommended to investigate the long-term durability of OPAAC under harsh environmental conditions, as well as to explore scaling up for structural applications, the use of alternative industrial byproducts, and conducting life-cycle assessments and cost-benefit analyses to promote its integration into mainstream construction practices.
Introduction
The introduction highlights the prevailing use of concrete made from Portland cement in the construction industry, emphasizing its reliability and durability across a range of structural applications. Despite the widespread adoption of this material, the section sets the stage for discussing potential advancements or alternatives that could enhance performance or sustainability in concrete production. The focus on durability underscores the importance of material selection in ensuring the longevity and safety of constructed environments.
Methods
In this study, Class F fly ash (FA) from the Udupi Thermal Power Plant and ground granulated blast-furnace slag (GGBS) from JSW, Karnataka, were utilized as primary and secondary binders, respectively. The particle size distribution of FA and GGBS was analyzed using laser diffraction, yielding D10, D50, and D90 values of 2.23, 16.07, and 52.93 µm for FA, and 2.94, 18.43, and 46.44 µm for GGBS. Chemical compositions were determined via X-ray fluorescence (XRF), revealing significant oxide percentages, with FA containing 46.7% SiO₂ and 26.3% CaO, while GGBS comprised 37.3% SiO₂ and 34.7% CaO.
The mix design methodology employed the absolute volume method, which allows for precise volumetric proportioning of materials, ensuring reproducibility in the development of optimized alkali-activated concrete (OPAAC) mixes. The study further applied the Taguchi method to assess the influence of various factors on OPAAC properties, utilizing means and signal-to-noise (S/N) ratios for evaluation. Microstructural analyses were conducted through scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) to validate mechanical and durability findings, providing insights into the morphology and phase composition of the concrete mixes.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the targeted outcomes, suggesting its efficacy.
Furthermore, the discussion contextualizes these findings within the broader literature, comparing them with previous studies and addressing potential implications for future research. The authors emphasize the importance of these results in advancing understanding of the subject matter and propose avenues for further exploration to validate and expand upon their conclusions. Overall, the findings contribute valuable insights that may inform both theoretical frameworks and practical applications in the field.
Discussion
The discussion highlights the significant environmental impact of the cement industry, which contributes approximately 7% of global CO₂ emissions due to the production of Ordinary Portland Cement (OPC). To address sustainability challenges, researchers are investigating alternative materials such as ground granulated blast furnace slag (GGBS), fly ash (FA), and others derived from industrial by-products. These materials can potentially reduce the carbon footprint of concrete; however, issues related to disposal and landfilling must be resolved to fully leverage their benefits. The study emphasizes the durability concerns of reinforced concrete (RC) structures, particularly due to rebar corrosion, which incurs substantial economic costs, particularly in countries like India.
The research further explores the development of one-part alkali-activated concrete (OPAAC) as a viable alternative to traditional concrete. OPAAC, which utilizes industrial by-products and requires less energy-intensive preparation, demonstrates a significant reduction in embodied energy and CO₂ emissions compared to OPC. The study employs the Taguchi method and Grey Relational Analysis (GRA) to optimize mix design parameters, focusing on binder ratios, water-to-binder ratios, and activator ratios. Results indicate that a 70:30 binder ratio of FA to GGBS yields optimal mechanical properties, including compressive strength and durability, while also minimizing chloride permeability and sorptivity. The findings underscore the potential of OPAAC to transform waste materials into sustainable construction solutions, although challenges in standardizing mix design procedures remain.
Limitations
In this section, the authors acknowledge a significant limitation of their study: the curing regime was held constant across all mixes to specifically investigate the performance of an ambient-curable fly ash (FA) and ground granulated blast-furnace slag (GGBS)-based organic polymeric alkali-activated cement (OPAAC). This decision, while allowing for a focused analysis, restricts the exploration of how varying curing conditions could influence the material’s performance characteristics. Consequently, the findings may not fully represent the potential variability in performance under different curing scenarios, suggesting a need for further research to assess the impact of diverse curing conditions on the effectiveness of FA-GGBS-based OPAAC formulations.