DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673249
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Yasin Onuralp Özkılıç وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد الخرسانة والأسمنت
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نتائج تحقيق تجريبي في السلوك الميكانيكي للخرسانة الجيوبوليمرية (GPC) المعالجة تحت ظروف مختلفة، مع التركيز بشكل خاص على تأثيرات تركيز هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، ودرجة حرارة المعالجة، ونسبة خبث الفرن العالي المسحوق (GGBFS). وجدت الدراسة أن زيادة تركيز NaOH من 8M إلى 12M حسنت باستمرار من قوة الضغط، وقوة الشد الانقسامية، وقوة الانحناء، وذلك بسبب زيادة القلوية التي تنشط المواد الأولية من الألومينوسيليكات بشكل أكثر فعالية. ومن الجدير بالذكر أن ظروف المعالجة في درجة حرارة الغرفة أدت إلى تطوير قوة ملحوظة بشكل أساسي من خلال التنشيط الكيميائي، مما يتناقض مع السلوك المعتمد على درجة الحرارة الذي لوحظ في العينات المعالجة في الفرن.
أشارت النتائج إلى أن درجة حرارة المعالجة أثرت بشكل كبير على القوة، مع زيادات مثالية ملحوظة بين 45 درجة مئوية و90 درجة مئوية، تلتها انخفاض عند 120 درجة مئوية. كانت قوى الانحناء والشد أكثر حساسية لتغيرات درجة الحرارة من قوة الضغط. أظهر محتوى GGBFS علاقة غير خطية مع القوة، حيث حسنت نسبة 10-15% من الأداء من خلال زيادة توفر الكالسيوم وتكوين الجل، بينما أدت النسب الأعلى إلى تخفيف المادة الرابطة التفاعلية، مما أدى إلى تقليل القوة. تم تحقيق أعلى قوة مع مزيج 12M المعالج عند 90 درجة مئوية؛ ومع ذلك، وصل مزيج معالج في درجة حرارة الغرفة مع 12M و10% GGBFS إلى أكثر من 75% من تلك القوة دون إدخال طاقة، مما يبرز الإمكانية لأساليب المعالجة المستدامة في درجة حرارة الغرفة. كشفت التحليلات المجهرية عبر FE-SEM عن هيكل مضغوط ومنخفض المسامية في GPC المعالج في درجة حرارة الغرفة، مع مساهمة جلات C-A-S-H وN-A-S-H في القوة الميكانيكية، بينما أبرزت نتائج EDX الفروق في التركيب بين العينات المعالجة في درجة حرارة الغرفة وتلك المعالجة في الفرن، مما يشير إلى هيمنة جل N-A-S-H في الأخيرة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث تأثير طرق المعالجة ودرجات الحرارة على الخصائص الميكانيكية للخرسانة الجيوبوليمرية المعتمدة على الرماد المتطاير (GPC)، مع التركيز بشكل خاص على دور تركيز هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). تشير الدراسات السابقة إلى أن GPC تظهر قوة ضغط محسنة عند المعالجة في درجات حرارة مرتفعة في الفرن، مع ملاحظات مثالية حول 90 درجة مئوية، حيث قد تنخفض القوة بعد ذلك بسبب تلف الهيكل المجهرية. على سبيل المثال، أفاد فورا وديف بقوى ضغط تبلغ 38 ميجا باسكال، 46 ميجا باسكال، و49 ميجا باسكال عند درجات حرارة معالجة تبلغ 60 درجة مئوية، 75 درجة مئوية، و90 درجة مئوية، على التوالي، بينما أشار باروتي وآخرون إلى ذروة القوة عند 90 درجة مئوية قبل انخفاض عند 120 درجة مئوية.
تسلط الورقة الضوء أيضًا على أهمية تركيز المنشط القلوي ونوع مادة الرابطة في عملية الجيوبوليمرization، وهو أمر أساسي لتحقيق قوة ضغط عالية. بينما تعتبر المعالجة في الفرن فعالة، إلا أنها ليست فعالة من حيث التكلفة، مما يثير الاهتمام في المعالجة في درجة حرارة الغرفة. تقترح الأبحاث أن استخدام خبث الفرن العالي المسحوق (GGBFS) بدلاً من الرماد المتطاير يمكن أن يعزز قوة GPC المعالجة في درجات حرارة الغرفة. ومع ذلك، لا تزال الأداء الميكانيكي لـ GPC المعالج في درجة حرارة الغرفة مقارنةً بنظائرها المعالجة حراريًا غير مستكشفة بشكل كافٍ. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في التأثيرات المشتركة لتركيز NaOH، ودرجة حرارة المعالجة، وإدماج GGBFS على السلوك الميكانيكي لـ GPC تحت كلا الشرطين المعالجين، في النهاية سعيًا لتحديد استراتيجيات المعالجة المثلى.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام رماد متطاير من الفئة F منخفض الكالسيوم (FA) يتوافق مع ASTM C618 كمصدر رئيسي للألومينوسيليكات لإنتاج الخرسانة الجيوبوليمرية. تم إدماج خبث الفرن العالي المسحوق (GGBFS) بمستويات استبدال متغيرة (0%، 5%، 10%، 15%، و20%) لتقييم تأثيره على أداء الخرسانة تحت ظروف المعالجة في درجة حرارة الغرفة. كانت المواد المجاميع المستخدمة هي رمل نهر طبيعي وحصى مكسور، مع الحفاظ على نسبة مجاميع دقيقة إلى خشنة تبلغ 0.53. كانت محلول المنشط القلوي يتكون من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) بثلاث تركيزات موليّة (8 M، 10 M، و12 M) وتركيز ثابت من سيليكات الصوديوم (Na₂SiO₃). تم إعداد ما مجموعه 24 تصميم خلط للخرسانة الجيوبوليمرية، مصنفة إلى مجموعتين: خلطات تعتمد على درجة الحرارة للمعالجة في الفرن وخلطات تحتوي على GGBFS للمعالجة في درجة حرارة الغرفة.
تم تقييم قابلية العمل للخرسانة الجيوبوليمرية الطازجة باستخدام اختبار الانحدار، الذي، بينما يوفر رؤى حول قابلية التدفق، لا يلتقط تمامًا جوانب العمل الأخرى مثل اللزوجة والتماسك. لاحظت الدراسة أن السلوك الريولوجي يختلف بشكل كبير مع محتوى المنشط القلوي وتركيز NaOH. تم تمييز طرق المعالجة بناءً على وجود GGBFS؛ حيث خضعت الخلطات بدون GGBFS لمعالجة في درجات حرارة مرتفعة، بينما تم معالجة تلك التي تحتوي على GGBFS في درجة حرارة الغرفة. يسهل إدماج GGBFS، الغني بأكسيد الكالسيوم (CaO)، تشكيل جلات هيدرات الكالسيوم والألومينوسيليكات (C-A-S-H) جنبًا إلى جنب مع هيدرات الألومينوسيليكات الصوديوم (N-A-S-H)، مما يعزز الهيكل المجهرية وقوة الضغط للخرسانة الجيوبوليمرية. بعد المعالجة، تم تخزين العينات حتى الاختبار، مما يسمح بتقييم شامل لخصائص المادة.
نتائج
تشير نتائج تحليل ANOVA إلى أن كل من طريقة المعالجة وتركيز هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) تؤثر بشكل كبير على أداء الخرسانة الجيوبوليمرية (GPC). على وجه التحديد، شكلت طريقة المعالجة جزءًا كبيرًا من التباين، مع قيمة F تبلغ 25.49 وقيمة p تبلغ 0.000061، مما يدل على تأثير كبير على الأداء الميكانيكي (p < 0.001). أظهرت العينات المعالجة في الفرن قوة متفوقة مقارنة بتلك المعالجة في ظروف درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن تركيز NaOH له تأثير كبير على أداء GPC، مع قيمة F تبلغ 4.91 وقيمة p تبلغ 0.018452 (p < 0.05). وهذا يشير إلى أن زيادة تركيز NaOH ترتبط بتحسين خصائص القوة. تم تأكيد موثوقية النموذج من خلال اختبار عدم التناسب الذي أسفر عن قيمة p تبلغ 0.984، مما يدل على توافق جيد مع البيانات التجريبية. بشكل عام، تؤكد النتائج الأدوار الحاسمة لطريقة المعالجة وتركيز NaOH في تحسين أداء الخرسانة الجيوبوليمرية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لدرجة حرارة المعالجة وتركيز هيدروكسيد الصوديوم على قوى الضغط، والشد، والانحناء للخرسانة الجيوبوليمرية (GPC). تم تحقيق أقصى قوة ضغط عند درجة حرارة معالجة تبلغ 90 درجة مئوية، مع ملاحظات لزيادات في القوة كلما ارتفعت درجة الحرارة من 45 درجة مئوية إلى 90 درجة مئوية. ومع ذلك، أدت الزيادات الإضافية إلى 120 درجة مئوية إلى انخفاض في القوة بسبب عوامل مثل التشقق الدقيق والتبخر السريع للماء. لعب تركيز محلول هيدروكسيد الصوديوم أيضًا دورًا حاسمًا؛ حيث زادت التركيزات الأعلى باستمرار من قوة الضغط عبر درجات حرارة المعالجة المختلفة، مع تحقيق محلول 12 M أعلى قيم القوة.
على النقيض من ذلك، كشفت ظروف المعالجة في درجة حرارة الغرفة أن قوة الضغط كانت أكثر حساسية لنسبة خبث الفرن العالي المسحوق (GGBFS) في المزيج. تم تحديد محتوى GGBFS المثالي، حيث انخفضت القوة بعده، مما يشير إلى أن GGBFS الزائد قد يعيق الجيوبوليمرization. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن تحقق المعالجة في درجة حرارة الغرفة خصائص ميكانيكية مرضية، فإن المعالجة في الفرن تحت السيطرة عند 90 درجة مئوية تكون أكثر فعالية في تعظيم القوة، خاصة في التطبيقات الهيكلية. تؤكد الدراسة على أهمية تحسين ظروف المعالجة ونسب المواد لتعزيز الأداء الميكانيكي لـ GPC، مما يضعها كبديل قابل للتطبيق في ممارسات البناء المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673249
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Yasin Onuralp Özkılıç et al.
Primary Topic: Concrete and Cement Materials Research
Overview
This section presents the findings of an experimental investigation into the mechanical behavior of geopolymer concrete (GPC) cured under different conditions, specifically focusing on the effects of NaOH molarity, curing temperature, and the ratio of Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS). The study found that increasing the NaOH molarity from 8M to 12M consistently improved compressive, splitting tensile, and flexural strengths, attributed to enhanced alkalinity that activates aluminosilicate precursors more effectively. Notably, ambient curing conditions yielded significant strength development primarily through chemical activation, contrasting with the temperature-dependent behavior observed in oven-cured specimens.
The results indicated that curing temperature significantly influenced strength, with optimal increases noted between 45 °C and 90 °C, followed by a decline at 120 °C. Flexural and tensile strengths were more sensitive to temperature variations than compressive strength. The GGBFS content exhibited a nonlinear relationship with strength, where 10-15% incorporation improved performance by enhancing calcium availability and gel formation, while higher percentages diluted the reactive binder, leading to reduced strength. The highest strength was achieved with a 12M mix cured at 90 °C; however, an ambient-cured mix with 12M and 10% GGBFS reached over 75% of that strength without energy input, underscoring the potential for sustainable ambient curing methods. Microstructural analysis via FE-SEM revealed a compact, low-porosity structure in ambient-cured GPC, with C-A-S-H and N-A-S-H gels contributing to mechanical strength, while EDX results highlighted the composition differences between ambient and oven-cured samples, indicating a predominance of N-A-S-H gel in the latter.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the influence of curing methods and temperatures on the mechanical properties of fly ash-based geopolymer concrete (GPC), particularly focusing on the role of sodium hydroxide (NaOH) molarity. Previous studies indicate that GPC exhibits enhanced compressive strength when cured at elevated oven temperatures, with optimal results observed around 90°C, beyond which strength may decline due to microstructural damage. For instance, Vora and Dave reported compressive strengths of 38 MPa, 46 MPa, and 49 MPa at curing temperatures of 60°C, 75°C, and 90°C, respectively, while Paruthi et al. noted a peak strength at 90°C before a drop at 120°C.
The paper also highlights the importance of the alkaline activator’s concentration and the type of binder material in the geopolymerization process, which is essential for achieving high compressive strength. While oven curing is effective, it is not cost-efficient, prompting interest in ambient-temperature curing. The research suggests that using granulated blast furnace slag (GGBFS) in place of fly ash can enhance the strength of GPC cured at ambient temperatures. However, the mechanical performance of ambient-cured GPC compared to thermally cured counterparts remains inadequately explored. This study aims to systematically investigate the combined effects of NaOH molarity, curing temperature, and GGBFS incorporation on the mechanical behavior of GPC under both curing conditions, ultimately seeking to identify optimal curing strategies.
Methods
In this study, low-calcium F-class fly ash (FA) conforming to ASTM C618 was utilized as the primary aluminosilicate source for geopolymer concrete production. Ground granulated blast-furnace slag (GGBFS) was incorporated at varying replacement levels (0%, 5%, 10%, 15%, and 20%) to assess its influence on the concrete’s performance under ambient curing conditions. The aggregates used were natural river sand and crushed gravel, maintaining a fine-to-coarse aggregate ratio of 0.53. The alkali activator solution comprised sodium hydroxide (NaOH) at three molar concentrations (8 M, 10 M, and 12 M) and a constant concentration of sodium silicate (Na₂SiO₃). A total of 24 geopolymer concrete mix designs were prepared, categorized into two groups: temperature-dependent mixes for oven curing and GGBFS-containing mixes for ambient curing.
The workability of the fresh geopolymer concrete was evaluated using the slump test, which, while providing insights into flowability, does not fully capture other workability aspects such as viscosity and cohesion. The study noted that rheological behavior varies significantly with alkali activator content and NaOH molarity. Curing methods were differentiated based on GGBFS presence; mixes without GGBFS underwent elevated temperature curing, while those with GGBFS were cured ambiently. The inclusion of GGBFS, rich in calcium oxide (CaO), facilitates the formation of calcium-aluminosilicate hydrate (C-A-S-H) gels alongside sodium aluminosilicate hydrate (N-A-S-H), enhancing the microstructure and compressive strength of the geopolymer concrete. After curing, samples were stored until testing, allowing for a comprehensive evaluation of the material properties.
Results
The results of the ANOVA analysis indicate that both the curing method and sodium hydroxide (NaOH) molarity significantly influence the performance of geopolymer concrete (GPC). Specifically, the curing method accounted for a substantial portion of the variance, with an F-value of 25.49 and a p-value of 0.000061, demonstrating a significant effect on mechanical performance (p < 0.001). Samples cured in an oven exhibited superior strength compared to those cured under ambient conditions. Additionally, the NaOH molarity was found to have a significant impact on GPC performance, with an F-value of 4.91 and a p-value of 0.018452 (p < 0.05). This suggests that increasing NaOH molarity correlates with enhanced strength properties. The model's reliability was confirmed by a lack-of-fit test yielding a p-value of 0.984, indicating a good fit to the experimental data. Overall, the findings underscore the critical roles of curing method and NaOH molarity in optimizing the performance of geopolymer concrete.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant influence of curing temperature and molarity on the compressive, tensile, and flexural strengths of geopolymer concrete (GPC). Optimal compressive strength was achieved at a curing temperature of 90°C, with increases in strength observed as the temperature rose from 45°C to 90°C. However, further increases to 120°C resulted in a decline in strength due to factors such as microcracking and rapid water evaporation. The molarity of the sodium hydroxide solution also played a crucial role; higher molarity consistently enhanced compressive strength across various curing temperatures, with the 12 M solution yielding the highest strength values.
In contrast, ambient curing conditions revealed that the compressive strength was more sensitive to the proportion of ground granulated blast-furnace slag (GGBFS) in the mix. An optimal GGBFS content was identified, beyond which strength declined, suggesting that excessive GGBFS could inhibit geopolymerization. The findings indicate that while ambient curing can achieve satisfactory mechanical properties, controlled oven curing at 90°C is more effective for maximizing strength, particularly in structural applications. The study underscores the importance of optimizing curing conditions and material ratios to enhance the mechanical performance of GPC, positioning it as a viable alternative in sustainable construction practices.