وثيقة

Mechanical and durability properties of blended cement mortar containing calcined clay pozzolan.

عناوين أخرى
الخصائص المیكانیكیة والمتانة للإسمنت المخلوط الذي یحتوي على الطین البوزولاني
الناشر
Sultan Qaboos University.
ميلادي
2023
اللغة
الأنجليزية
الموضوع
الملخص الإنجليزي
Concrete/mortar is the most used building material in the world. Its production requires the use of clinker cement as a binding material, whose manufacturing consumes a large amount of energy leading to the emission of around 8 to 10% of the global carbon dioxide (CO2) released to the atmosphere. Therefore, clinker cement is considered as a significant environmental pollutant and a non-environmentally friendly material. In the last recent decades, extensive research works have been done and are still ongoing in the field of materials and environmental integration. These efforts tend to modify or propose some viable alternative materials to Ordinary Portland Cement. Cementitious/pozzolanic materials (SCMs) derived from natural or industrial resources have been incorporated into concrete/mortar to minimize the environmental charges of cement manufacturing. SCMs and alternative additives in concrete may enhance not only the sustainability of concrete in multiple ways but also its mechanical and durability performances. In this study, raw clay soil was collected from a selected region in Oman called Fanja (FNJ). The clay was ground to a fineness of less than 75 µm and then subjected to a series of chemical, physical, and thermal characterization to assess its pozzolanic or cementing potential as a cement replacement material in mortar. The chemical analysis showed that the sum of (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) of FNJ clay is higher than 93%, which qualifies it as a pozzolanic material. Thermogravimetric and differential thermal analysis were used to select four different most suitable and optimum calcination temperatures (700, 800, 850, and 950 °C). The burnt ground clay was then used as a partial replacement pozzolana of Portland cement in mortar production designed with a constant water-to-cement (w/c) ratio of 0.30. The efficiency of using this calcined FNJ clay as pozzolana in mortar was assessed in two phases. The first phase involves using the four calcined clay in the mortar mixtures as a binary system with different replacement percentages (5, 10, 15, 20, 25, and 30%). The second phase involves using the optimum calcination temperature, and replacement percentage of FNJ based on the crystal structure change and strength results of the binary mortar mixes investigated in the first phase. The optimum mix (10%FNJ850) with a calcination temperature of 850 °C and percentage replacement of 10% was combined with various SCMs. Binary and composite cement mortar mixes were assessed at their fresh and hardened states. The compressive strength test was conducted at different ages (1, 7, 28, and 91) days. After 28 days of wet curing, flexural strength, thermal conductivity, Ultrasonic pulse velocity (UPV), and resistance to elevated temperature were examined. Moreover, the durability performance was assessed in terms of porosity and water absorption, and chloride permeability. Resistance to chemicals was evaluated by submerging mortar samples in a 5% concentration of (sodium sulfate + sodium chloride) solution, as well as acidic solutions, including sulfuric, hydrochloric, and nitric acids. The main findings indicate that using FNJ has delayed the final setting time and increased the normal consistency. The inclusion of FNJ pozzolan reduced the mortar`s flow, which requires a slight increase in the superplasticizer demand as the replacement level of FNJ increases. The fresh and hardened densities of mortars made with FNJ Pozzolana remained mostly the same. However, for both binary and composite cement mortars, the 1-day compressive strength decreased up to -68%, while the longer-term strength measured at 7, 28, and 91 days enhanced by around 111%, 86%, and 66%, respectively. While a slight reduction in the porosity and absorption was recorded when adding FNJ pozzolana to the mortar mix, a negligible effect on the UPV and thermal conductivity values was found. Meanwhile, a tremendous reduction in the chloride permeability was reached as the FNJ content increased. In addition, blended FNJ mortar has improved the mortar's resistance against sulphate and acids attacks compared to the control mortar. Finally, using a combination of local calcined clay as a pozzolanic material to partially substitute Portland cement in mortar mixes resulted in a more economical with higher strength, better durability, long-lasting, and more environmentally friendly material. Keywords: acids resistance, calcined clay, cementitious and pozzolanic material, fineness, strength, durability, porosity, sulphate resistance, thermal conductivity.
الملخص العربي
الخرسانة / الملاط ھي مواد البناء ً الأكثر استخداما في العالم. یتطلب إنتاجھا استخدام الكلنكر كمادة رابطة یستھلك تصنیعھا كمیة كبیرة من الطاقة مما یؤدي إلى انبعاث حوالي 8 إلى ٪10 من ثاني أكسید الكربون العالمي ً ِ (2CO (المنطلق في الغلاف الجوي. لذلك، یعتبر ْس َمْنت معتبرا ومادة غیر صدیقة للبیئة. في العقود ً الكلنكر ملوث ا ً إ ا بیئی الأخیرة، قامت العدید من الأبحاث، وما زالت مستمرة، في مجال المواد والبیئة، والتي تصب جھودھا في تعدیل أو اقتراح بعض المواد كبدیل لاستخدام الإسمنت البورتلاندي العادي. فقد تم دمج المواد الإسمنتیة / البوزولانیة (SCMs(، المشتقة من الموارد الطبیعیة أو الصناعیة في الخرسانة / الملاط، لتقلیل الانبعاثات البیئیة المنبعثة أثناء ً لتعزیز الأداء المیكانیكي وزیادة القوة والمتانة للخرسانة, كذلك تحسین جانب الاستدامة عملیة تصنیع الإسمنت. أیضا ومقاومة العوامل البیئیة للخرسانة / الملاط. في ھذا المشروع، تم جمع تربة طینیة خام من منطقة مختارة في عمان تسمى فنجا (FNJ(. تم طحن التربة إلى درجة نعومة أقل من 75 مایكرومتر، ومن ثم اختبار الخصائص الكیمیائیة والفیزیائیة والحراریة لھذه المادة، وذلك لتقییم خصائصھا البوزولانیة أو الإسمنتیة كمواد بدیلة للإسمنت في الملاط. أظھرت الاختبارات الكیمیائیة أن مجموع (3O2Fe + 3O2Al + 2SiO (لطین (FNJ (أعلى من ٪93 مما یجعل منھ مادة بوزولانیة. وقد تم استخدام التحلیل الحراري والتفاضلي لاختیار أربعة درجات حرارة مختلفة مناسبة ومثلى لحرق الطین (،700 ،800 ،850 950) درجة مئویة. تم استخدام الطین المطحون المحترق كبدیل جزئي عن الإسمنت البورتلاندي في إنتاج الملاط المصمم بنسبة ثابتة من الماء إلى الإسمنت تبلغ .0.30 تم تقییم كفاءة ھذا الطین المحروق (FNJ (على مرحلتین. تتضمن المرحلة الأولى استخدام الأربعة أنواع من الطین المحروق بأربع درجات حرارة مختلفة في خلطات الملاط كنظام ثنائي بنسب استبدال مختلفة (،5 ،10 ،15 ،20 ،25 و30) .٪ وتھدف المرحلة الثانیة للتوصل الى درجة حرارة الحرق المثلى ونسبة استبدال FNJ ً بناء على تغیر البنیة البلوریة ونتائج القوة لمزیج الملاط الثنائي الذي تم فحصھ في المرحلة الأولى (٪10 850FNJ(. ومن ثم استخدامھا مع مجموعة من المواد البوزولانیة والاسمنتیة (SCMs( تم تقییم خلطات الملاط الثنائیة والمركبة في حالتھا الطازجة والمتصلدة، وإجراء مقاومة الانضغاط في أعمار/ فترات مختلفة (،1 ،7 ،28 91 ً ) یوما. بعد 28 ً یوما، تم فحص قوة الانحناء، التوصیل الحراري، سرعة النبض بالموجات فوق الصوتیة، ومقاومة درجات الحرارة المرتفعة. علاوة على ذلك، تم تقییم أداء المتانة من حیث المسامیة وامتصاص الماء ونفاذیة الكلورید. تم تقییم مقاومة المواد الكیمیائیة بغمر عینات الملاط بتركیز ٪5 من محلول (كبریتات الصودیوم + كلورید الصودیوم) وكذلك في محالیل حمضیة بتركیز ٪5 بما في ذلك حامض الكبریتیك والھیدروكلوریك والنتریك. viii تشیر النتائج الرئیسیة إلى أن استخدام FNJ قد أخر زمن الشك النھائي وزاد من لدونة قوام الملاط. كذلك فقد أدى تضمین البوزولان (FNJ (إلى تقلیل انسیابیة الملاط، الأمر الذي تطلب زیادة طفیفة في الملدن الفائق (Superplasticizer (في حال زیادة مستوى استبدال (FNJ(. وبالنسبة الى كثافة الملاط الطازجة والمتصلدة المصنوعة من البوزولان (FNJ(، فلم تتأثر بشكل كبیر. أما بخصوص مقاومة الانضغاط لكل من ملاط الإسمنت الثنائي والمركب، فقد انخفضت مقاومة الانضغاط بعد یوم واحد إلى (٪68-)، في حین لوحظ تعزیز في مقاومة الانضغاط على الأمد الطویل عند 7 و28 و91 ً یوما بحوالي (،٪111 ،٪86 و٪66) على التوالي. في حین تم تسجیل انخفاض طفیف في المسامیة والامتصاص عند إضافة البوزولان FNJ إلى خلیط الملاط، وكذلك تسجیل تأثیر ضئیل على سرعة النبض بالموجات فوق الصوتیة وقیم التوصیل الحراري. وفي الوقت نفسھ، تم الوصول إلى انخفاض ھائل في نفاذیة الكلورید مع زیادة محتوى FNJ. بالإضافة إلى ذلك، عملت الملاط المخلوطة FNJ على تحسین مقاومة الملاط ضد الكبریتات والأحماض مقارنة بالملاط المرجعي (%100 إسمنت بورتلاندي). ًا في خلطات الملاط، ً أخیرا، أدى استخدام الطین المحروق المحلي كمادة بوزولانیة لاستبدال الإسمنت البورتلاندي جزئی إلى الحصول على مادة ذات قوة أعلى ومتانة أفضل وطویلة الأمد وأكثر صداقة للبیئة.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية