文摘

高性能混凝土(HPC)通过加入硅气体和粉煤灰等矿物掺合料混凝土正常。食用天然材料如砂、天然骨料,石灰石生产环境恶化。同样,工业副产品如粉煤灰、硅灰、渣铁需要安全地处理没有负面影响环境。在这项研究中要解决的问题是需要开发高性能混凝土(HPC)耐用和环保。近年来,天然骨料的使用和铁渣部分替代传统聚合了关注可持续的替代生产混凝土。然而,有限的影响研究这些材料的力学和耐久性HPC在不同养护条件下的性质。在当前的研究中,高性能混凝土M60年级部分替换的粗骨料与铁渣总按照建议成立的美国混凝土协会加入粉煤灰和硅灰。天然粗骨料部分代替了铁渣总比例从0%到40%。部分替代水泥是由15%的粉煤灰和硅气体的10%。普通混凝土混合标本(MF0)和改性铁渣混合骨料混凝土(MF20 MF30, MF40)是准备和受到严峻考验,硫酸测试和替代湿和干燥的抗压强度测试,以评估混凝土混合。 Central composite design (CCD) of RSM modelling was adopted to recommend a regression model to forecast the compressive strength of concrete under wetting drying test, acid test, and sulphate attack. Further, natural aggregate, ferro slag, and duration of curing were considered as basic variables to suggest the model. Regression models for response data were evaluated using analysis of variance (ANOVA) and Pareto charts. The results show that the mix MF30 (30% substitution of natural aggregate by ferro slag aggregate) had higher compressive strength. The residual compressive strength at 270 days under alternate wetting and drying, acid attack, and sulphate attack was obtained as 62 MPa, 62.50 MPa, and 66.50 MPa, respectively. Similarly, the percentage loss of weight was obtained as 12.92%, 12.22%, and 6.60% for alternate wetting and drying, acid attack, and sulphate attack, respectively. The findings of the analysis of variance (ANOVA) indicate that the most significant factors influencing the variables和是天然骨料、铁渣和养护期。的回归模型和是非常重要的,通过方差分析和帕累托图分析如图所示。

1。介绍

混凝土是世界上一个著名的和通用的建筑材料。广泛应用于各种基础设施的开发和建设,如建筑物、桥梁和大坝。具有的品质很重要,明显的在基础设施建设领域,如强度、耐久性,方便放置和经济。结合水泥,沙子细骨料,碎石(粗骨料)和水。随着科学的进步,工程和技术、多种具体的开发。然而,混凝土的生产和使用会产生重大环境影响,包括温室气体的排放,自然资源的枯竭,一代的浪费。为了解决这些环境问题,研究人员一直在探索高性能混凝土(HPC)的发展。HPC设计是一种混凝土的力学和耐久性性能优于传统的混凝土,同时减少对环境的影响。HPC可以产生较低的水泥,降低碳排放,并将回收的材料,如粉煤灰、矿渣、硅灰,减少浪费和节约自然资源。高性能混凝土(HPC)是混凝土,满足特定的性能和一致性标准,往往无法达到使用标准的原料,通常混合,将和固化过程。 Only low w/c, which requires usage of high cement content, may be used to satisfy special performance criteria using standard materials for applications like bridges, windmill towers, utility towers for oil and gas industry, offshore structures, hydraulic structures, and overlay materials. It is characterized by its early high strength, high density, low shrinkage, high modulus of elasticity, and impervious nature [1]。此外,强烈酸性和碱性环境中耐腐蚀和耐用。高性能混凝土中钢筋是兼容的混凝土,从而提供了一个更好的结合。它延长混凝土结构的使用寿命,导致轻微损坏,降低了未来混凝土结构的维修成本。然而,最初的HPC的生产成本是相当高的。混凝土单轴强度的压缩比控制混凝土中产生一个给定的地理位置,可视为高强度混凝土。混凝土圆柱试样的抗压强度28天的年龄由高强混凝土将大于42 MPa。凝聚二氧化硅和微球粉煤灰改善包装密度、流动性、强度方面的低水灰比的混凝土0.35 [2]。超高性能混凝土具有出色的耐冻融由于其浓缩的微观结构。同样,使用钢纤维在UHPC增加承载力3]。UHPC钢渣的含有10%替换显示更高的流量相比,控制混凝土(4]。粗骨料混凝土10%钢的替换钢渣显示抗压强度发展,而没有明显的发展是在分裂中发现抗拉强度和抗弯强度(5]。包含3%的纳米二氧化钛被用作(TiO UHPC₂)和30%的低碳粉煤灰降低强度56岁的时候受到氯离子扩散和硫酸6]。提高混凝土强度对钢渣集料替代所有的混合比例与传统的混凝土。同样,钢渣集料混凝土的吸水能力比传统的混凝土。惰性的存在石灰混凝土混合物膨胀引起的混凝土从长远来看(7]。自密实混凝土包含钢渣增加硬度和脆性替代20%,超过该阈值强度降低。钢渣的加入会影响混凝土的泊松比(8]。混凝土断裂性能的增加10%替代水泥重量的钢渣粉、超越它显示了一个负面影响。这种负面效应可能是由于低胶结的活动(9]。高性能混凝土不仅满足混凝土的强度,而且还会增加水泥的耐久性矩阵暴露在环境影响。高性能混凝土的微观结构安排提供低孔隙度和渗透相比要小得多的普通混凝土10]。半电池电位值通过半电池电位计提供腐蚀和显示等领域的信息嵌入到混凝土中的钢筋腐蚀。一个适当的混凝土保护层按照codal规定更重要在减少腐蚀的钢筋混凝土从长远来看(11]。钢丝网水泥复合材料拥有30%的钢渣细集料的比例显示增加初始裂纹荷载和破坏载荷和挠度(12,13]。响应面方法,统计和数学方法实验设计(DOE),可用于确定独立因素对结果的影响最少的测试数量(14- - - - - -17]。计算混凝土的抗压强度,人工神经网络(ann)使用有三过程建模和响应面方法(RSM)都是有效的技术18]。相对而言,RSM模型的抗压强度预测时使用无损检测具有很高的精确度与其他模型,如电源掉线模型相比,双线性模型、双指数模型、对数模型(19]。当验证与实验结果,实验了地质聚合物混凝土利用Box-Behnken响应面方法显示不准确的2.24% (20.]。抗压强度的UHPC矿渣微粉、粉煤灰和硅气体大于120 MPa。所有的标本都goethite-like结构(腐蚀副产品)可见90天。矿渣微粉相比,粉煤灰的使用加快了合成这类化合物(21]。29 MPa的抗弯强度和抗压强度111 MPa 28天后,标本的粗煤的气化渣含量少于25%非结构化HPC(能满足强度要求22]。HPC的力学特性是稳步提高的结果更大的聚丙烯纤维(PP)的内容。刚形成的优越性能和治愈HPC 46%矿渣微粉在水泥与0.025 - -0.25% PP纤维内容展示了广泛的应用程序对这些混合物(23]。

在这项研究中,高性能混凝土M60年级准备的粉煤灰和硅气体替代水泥重量的15%和10%。此外,粗集料部分取代了铁渣总在不同的比例从0%降至40%。评估混凝土的耐久性性能,严峻考验,硫酸测试和替代湿和干燥进行了测试在不同的养护。为了获得理想的过程变量的组合(天然骨料,铁渣和养护期)和开发一个回归模型预测抗压强度在不同治疗时期,中心复合设计(CCD) rsm统计研究完成。

2。材料

普通硅酸盐水泥(OPC) 53-grade符合是12269 (1987)(24)从当地市场购买和使用的各种具体的混合。低钙粉煤灰(类)比重为2.24被用作部分替代水泥。硅灰是用于填充混凝土的主要毛孔,从而减少大量的孔隙度,提高密实度,改善混凝土的密度。硅灰和粉煤灰的化学成分如表所示1。通过使用的砂4.75 mm筛和符合分级Zone-II是383 (25]。分选良好的花岗岩石头和铁渣总从钢铁渣作为粗骨料。12.5毫米的粗骨料混凝土混合采用。选择天然石骨料符合383 (25]。铁渣聚合和粗骨料的物理性质如表所示2。减水剂,CONPLAST SP 430,用作化学外加剂,提高粉煤灰的火山灰反应。粉煤灰混凝土混合的比重为1.81固体含量为26%。

2.1。混凝土混合比例

混凝土的混合设计根据ACI标准211.4 r (26)根据M60品位。水的比例混合水泥的混凝土是0.48,比例是1:1.40:2.32。采用粘结剂含量为15%的数量,粉煤灰为10%,硅灰水泥含量的重量。掺合料,即粉煤灰和硅灰,被添加到混凝土混合来实现所需的混凝土的强度。铁渣聚集的数量是不同的基础上替代天然骨料的0%至100%。强塑剂添加到混凝土混合获得和易性100毫米的混合。给出了混合在表的细节3。

3所示。试验研究

3.1。优化的混合比例

上述试验研究涉及到每个案例中提到的表3、混凝土立方体的大小15厘米×15厘米×15厘米M60等级的混凝土将追究抗压强度。演员多维数据集验证了抗压强度,三天后,7天、28天的养护的建议是516 (27]。压缩的强度分析与1000 kN测试压缩机与1000 kN万能试验机测压元件极限。具有较高的抗压强度的最佳混合比例被选中作进一步的耐久性研究。

3.2。耐久性研究

3.2.1之上。替代湿和干燥的测试

另一种湿润和干燥的混凝土立方体测试进行的标准尺寸100毫米×100毫米×100毫米。混凝土试件养护28后暴露在干态和湿态测试通过将多维数据集在水中24小时,然后空气室温24小时按照标准测试程序,这替代干和湿测试在不同的年龄。测试过程按4332:第4部分(28之后,测试混凝土标本。测试过程是重复关于56天,90天,120天,180天,270天的交替湿润和干燥的标本。混凝土标本之前重最初测试它们在压缩,最后替代湿和干燥固化后体重了。混凝土的质量损失样品。混凝土试件的抗压强度替代湿和干测试后确定。

3.2.2。严峻的考验

酸测试的标准尺寸的具体数据集上进行100 mm×100 mm×100 mm的残余抗压强度来确定混凝土试件受到酸暴露。酸解制备5%浓硫酸稀释一升水的容器,需要数量为所有不同的混凝土混合使用。混凝土试件的初始重量了,然后准备的标本都沉浸在稀硫酸溶液。的在整个测试周期,定期更换每段时期的酸溶液14天。在硫酸溶液中浸泡时间的56天,90天,120天,180天,270天,混凝土标本的各种混凝土混合被带出去了。混凝土标本在室温下干燥一小时消除混凝土表面上的表面水分。酸接触后的混凝土标本受到压缩和数字压缩试验机1000 kN的能力。acid测试设置如图1。

3.2.3。硫酸测试

硫酸测试进行的具体数据集标准尺寸100毫米×100毫米×100毫米的残余抗压强度来确定混凝土混合后,数据集被暴露于硫酸盐的攻击。设定的硫酸溶液是溶解30000毫克的钠硫酸盐在一升水和准备的浸没式混凝土标本。每个具体的初始重量标本拍摄,然后具体的标本都沉浸在硫酸准备解决方案。了硫酸的解决方案是刚做好的取代硫酸溶液为14天每一项保持溶液的浓度恒定在整个测试周期。所有混合比例的混凝土标本采用研究年龄在56天,90天,120天,180天,270天。最后具体样本的重量与硫酸袭击是熟人后指出,和混凝土试样的质量损失计算的初始和最终重量的差异具体的标本。混凝土标本在室温下风干一小时把饱和混凝土表面和测试通过使用数字抗压强度试验机,以确定压缩下混凝土受硫酸盐的力量。硫酸的测试设置测试如图2。

3.3。扫描电子显微镜分析的混凝土

打破表面检验是在规模较小的水平通过扫描电子显微镜(SEM) 50 - 100纳米的分辨率和放大到2µm。SEM图像被压缩加载下的样本来确定空间物体的材料特性的变化。

4所示。提出了强度预测模型

可以准确地预测混凝土强度使用响应面方法(RSM)。数量的水泥、骨料、水和添加剂混合,以及固化条件,都会影响混凝土的强度。理解和最大限度地提高这些方面获得所需的混凝土强度,RSM提供了一个有组织的技术。进行一系列实验通过改变相关的元素在预定的范围内,以应用RSM预测混凝土强度。自然总量的比率、铁渣和治疗年龄是这些变量之一。具体的每个实验样本中创建然后进行强度测试。为了建立一个数学模型,解释了输入变量之间的连接和混凝土强度,获得的数据统计分析。回归模型或多项式方程可以用来表达模型。每个因素及其交互作用的重要性可以用RSM确定程序像方差分析(方差分析)29日]。混凝土的强度可以使用数学模型预测一旦被建立了任意给定的一组输入变量在实验范围内下降。此外,RSM优化技术是用于识别的理想因子浓度产生所需的混凝土强度。确定独立在RSM和结果变量之间的联系,采用中心复合设计(30.]。方程(1)用于确定理想的实验。 在哪里k=数量的影响n=数量的中心点(31日]。获得最优的结果,一个二次模型方程所示(2)使用。 在哪里=反应,=常数;=线性系数,=二次系数=互动系数。

5。结果与讨论

5.1。优化混凝土混合物

混凝土试件的抗压强度的混合比例时发现了3天,7天、28天。从实验结果发现,大量的铁渣的重量百分比总体增加了混凝土的抗压强度高达40%替代天然骨料和超越这种更替水平,混凝土结构的强度开始减少略微比参考/控制混凝土的强度。混凝土的强度的增加主要是由于铁渣的强大约束力的行为与自然聚合,聚合和这方面有好的替代40%。人们相信添加粉煤灰和硅灰增强混凝土的强度特性。从表4,三种mixes-MF20 MF30 MF40,有20%,30%,和40%替代铁渣聚合,具有较高的抗压强度为69.50 MPa, 71.20 MPa,和70.50 MPa,分别比所有其他混合的优势。平原天然骨料混凝土显示显著的抗压强度为64.25 MPa。因此,优化混凝土混合MF20, MF30, MF40选择进行进一步的实验研究。混合比例的细节参考混凝土组合和优化混凝土混合显示在表中5。

5.2。扫描电子显微镜分析的混凝土

扫描电子显微镜是一种有用的手段研究内部结构,化学成分、尺寸、形状、取向、粒子和绑定在混凝土混合31日]。标本改性铁渣骨料混凝土(MF30)准备取代天然粗骨料30%铁总添加硅灰和矿渣粉煤灰在扫描电子显微镜下检查。图片2.5 kx 5 kx 7 kx, 25 kx,和50 kx的放大被捕并研究,如图3和4。

硅灰和粉煤灰化学反应(Ca(哦)₂)导致创建一个额外的C-S-H凝胶,从而提高混凝土的强度。由于粉煤灰替代水泥,C-S-H减少养护28天后的分布。在混合,由于未反应的粒子存在,C-S-H较少的发展。晶体沉积在混合物的微观结构是最小的和其它著名的矿物成分包括Ca(哦)₂和方解石(CaCO₃)。强度降低的结果缺乏水化水泥浆的颗粒。这种混合的力量的主要原因是额外C-S-H凝胶的形成之间的化学反应的结果硅灰、粉煤灰和Ca(哦)₂。

SEM图像的修改后的铁渣骨料混凝土说明硅灰和粉煤灰颗粒的性格和突出的良好结合这些铁渣骨料的掺合料。矿物掺合料降低孔隙率,增加混凝土的密度。粉煤灰混凝土发生在矩阵形式的小型空心球形粒子。硅灰是注意到白色固体颗粒破裂。胶结性能,硅灰与其他成分结合,增加的不渗透性混凝土混合物;此外,它增加了高强度和高密度的混凝土。从普通混凝土结构的扫描电镜图像的分析和修改铁矿渣混凝土混合(MF30)拍摄在不同的决议,确定的是修改后的铁矿渣混凝土比普通混凝土混合结构具有更好的强度。

5.3。耐久性试验

具体样品暴露在各种环境条件,和持久性属性评估一段270天。修改后的混凝土的耐久性和化学环境的暴露评估通过替代湿和干燥试验,硫酸酸测试和测试。

5.3.1。替代湿和干燥的测试

混凝土试件的重量尺寸100毫米×100毫米×100毫米的普通混凝土以及混凝土混合物被修改,然后具体标本与食盐(氯化钠被浸泡在水中₂)5 N时期的56天,90天,180天,270天。混凝土的标本被移除,干燥,称重。混凝土样品的抗压强度进行评估。初始裂缝的发展中注意到具体的样品,不管的混合比例32]。然而,普通混凝土试件的裂缝是更广泛的比混凝土标本的观察到修改后的混凝土混合。观测结果表明,混凝土试件的抗压强度与铁渣总显示改善混凝土的强度比普通的名义对所有混合骨料混凝土比例。抗压强度损失百分比如表所示6后,混凝土的抗压强度标本湿和干燥的过程如图5。从图5,30%替代的铁渣显示更高的抗压强度为0,28岁,56和270天。同样,从表7比例,发现重量损失由于替代湿润和干燥过程最小比传统混凝土不分的天数。

5.3.2。严峻的考验

对混凝土立方体抗压强度检验标本用于评价混凝土的抗压强度控制混合和修改后的混凝土混合物。所有的混凝土在水中标本最初治愈28天。混凝土标本被淹没在时间的28天,56天,90天,180天,270天在硫酸的酸性溶液1 N的常态。接触化学侵蚀后,混凝土标本被移除,清洗,检测抗压强度使用压缩2000 kN的测试设备。在整个测试过程中,加载速率保持恒定在2.5 kN /秒(33]。表8和图6展示传统的抗压强度的测试结果和修改的混凝土混合物暴露后不同时期的酸性环境。发现所有修改的具体标本混合表现比普通混凝土的抗压强度值。代替粗骨料30%的铁渣总修改混合产生的抗压强度逐渐增加混合;30%以上的替换,如MF40混合的情况下,抗压强度降低。硅灰和粉煤灰作为掺合料添加改善混凝土的密度混合。硅和火山灰材料中掺合料的混凝土混合的顽强抵抗对酸攻击(10]。这是观察到体重的损失由于酸攻击高对引用的混合(普通混凝土混合没有替代天然骨料)和较低的混合MF30(修改替代天然骨料混凝土混合物准备30%的铁渣总)。力量的分解和降解是由于水化产物的形成,当酸攻击氢氧化钙。失去重量的标本上的数据出现在桌子上9。

5.3.3。硫酸测试

规范混凝土混合和适应混凝土混合混凝土立方体样本淹没在硫酸溶液为各种长度的时间,包括28天、56天,90天,180天。具体的样品被硫酸攻击阶段后,清洗,检测抗压强度使用抗压强度试验机。剩余抗压强度的混凝土接触硫酸袭击了各种时间和具体的减肥是两个不同的指标计算。实验结果显示,硫酸袭击后,修改后的混凝土混合物的具体标本具有较高的残余抗压强度比硫酸浸渍普通混凝土混合(34]。矿物掺合料硅灰和粉煤灰的强度显著提高两种混凝土混合,即。,普通混凝土混合和适应具体的混合。猜测,铁渣、硅灰(35],粉煤灰混凝土和混凝土混合物的成分结合很好,增加了混凝土的密度,归因于标本硫酸攻击的高电阻(36]。硫酸盐侵蚀试验的结果如表所示10和图7。

这是观察从表11的减肥的具体标本普通混凝土与天然粗骨料混合远远高于改性混凝土混合标本制备和部分由铁渣骨料添加天然粗骨料。减肥在修改后的混凝土混合物由于硫酸袭击标本是要少得多,因为好绑定铁渣骨料与水泥和沙子和随之而来的形成密实混凝土矩阵(37,38]。

5.4。RSM模型

在这项研究中,响应面methodology-central复合设计(CCD)是用来识别天然骨料的独立参数的影响,铁渣,和段养护混凝土的强度特性在润湿干燥试验,硫酸酸测试和攻击。基于试验结果,提出了一种简化模型使用回归分析方程所示(3)- (5)预测高性能混凝土的抗压强度。天然骨料、铁渣和养护期被认为是基本变量建立模型。 在哪里 , ,和代表润湿干燥下混凝土的抗压强度测试,酸测试,分别和硫酸测试。NA是天然骨料,FS铁渣,CD养护期。

5.4.1之前。缺乏合适的(值)和帕累托分析

如果变量的各自发展值< 0.005和< 0.001,那么发展变量是重要的。如果过程变量的值> 0.005时,它被认为是微不足道的。从方差分析表12NA的p值< 0.005,清楚地表明,他们在CSWD意义重大。同样从表13看到NA的p值,CD和NACD都小于0.005,这清楚地表明,线性NA, CD,和二次NACD有意义 。从表14的价值,小于0.005线性CD和二次NA,这表示,CD和NA更有意义吗相对于线性NA和FS。

帕累托图赋予8,线性(A)有更高的价值比线性(B和C),表明自然总比铁渣和养护期更重要 。的F线性NA的价值高方差分析(表12)FS和CD相比,它提供了进一步的证据,自然聚集被认为是在确定一个更重要的因素 。从图8 (b),线性A和C的值和二次交流都更重要 。类似的观察表13在哪里F值的线性NA、CD和二次NACD很高,这清楚地表明,自然聚合和养护期导致 。从图8 (c)C、线性和二次AA都高于标准的值为2.28,表明他们是更重要的 。类似的结果在表14随着F值的线性CD和二次NA²是很高的。的反应 , ,和很明显,自然聚合和养护期是最重要的因素,影响抗压强度。

5.4.2。曲面图分析

在数据9- - - - - -11显示、三维(3 d)表面情节发展变量如何影响反应。从图9,很明显,具体为830.59公斤/米³天然骨料混凝土(70%按重量)和355.96公斤/米³由混凝土重量的铁渣(30%)后135天的固化干态和湿态下,硫酸酸固化,固化抗压强度最高。虽然添加铁渣增加了抗压强度在不同养护条件下,添加超过30%替换和270天的固化在干态和湿态条件下抗压强度会降低,但硫酸酸测试和测试。自然聚合的影响,铁渣,固化的日子 , ,和表所示15。

抗压强度的贡献由于交替湿润和干燥,硫酸酸测试和测试由于天然骨料的用量(1186.5公斤/米³949.24公斤/米³830.59公斤/米³和711.94公斤/米³)和铁渣(0,237.51公斤/米³355.96公斤/米³和474.62公斤/米³)治疗年龄0,28岁,56岁,90年、180年和270年天如表所示15。如表所示,NA和FS的贡献和他们的相互作用对混凝土的抗压强度差异很大取决于年龄和固化养护制度。NA的效果在28天42%,降低到38%和21%和 ,分别。另一方面,养护天的贡献是30%,51%,62% ,分别。FS非常最低的百分比贡献相比其他参数。

6。结论

确定粉煤灰的综合效应,硅气体,和铁矿渣高性能混凝土骨料,实验考试。此外,RSM是利用预测混凝土的抗压强度在几个测试,包括润湿干燥、酸和硫酸。重要的结论来自于发现下面列出:(我)观察到的最大抗压强度71.20 MPa替代30%的铁渣比传统混凝土高出大约30%。(2)抗压强度是由于焊接高铁渣骨料与水泥、粉煤灰、硅灰的水化过程。获得了高密实混凝土由于铁渣聚集。(3)酸攻击下的残余抗压强度较高的铁渣聚集,并发现30%替代铁渣作为最佳用量为270天,62.50 MPa,相比传统的混凝土52.60 MPa。(iv)下具体的减肥酸攻击270天周期是8.53%与14.29%的传统的混凝土。(v)在氯化攻击270天时间内,混凝土的残余抗压强度较高的铁渣替代30%的值为65.20 MPa比传统混凝土55.60 MPa。(vi)同样,对混凝土硫酸盐和替代湿和干燥测试时也显示较高的残余抗压强度的混凝土与普通混凝土相关联。(七)根据方差分析结果,天然骨料,铁渣,养护时间的主要因素 , ,和 。方差分析的结果和帕累托图分析表现出的回归模型 ,和非常重要的。(八)考虑到模型的值< 0.005,其输出是高度准确的。天然骨料、铁渣和养护期是最重要的因素 , ,和根据回归分析结果,帕累托图,曲面图分析。(第九)从这项研究中,很明显,铁渣总可以作为粗骨料的部分替代天然粗骨料和相同的实验证明了在不同条件下。因此,使用铁渣聚集在建筑行业将是一个可行的方法来防止对环境的破坏。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。