ارزیابی آزمایشگاهی تاثیر الیاف ماکروسنتتیک بر عملکرد روسازی بتنی حاوی سنگدانه بازیافتی و خاکستر بادی

محمدی سفلی پیرکوهی, حامد; عنایتی, حامد; باباگلی, رضوان

doi:10.22075/jtie.2026.40890.1757

ارزیابی آزمایشگاهی تاثیر الیاف ماکروسنتتیک بر عملکرد روسازی بتنی حاوی سنگدانه بازیافتی و خاکستر بادی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

حامد محمدی سفلی پیرکوهی ¹

حامد عنایتی ²

رضوان باباگلی ³

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران، دانشگاه علم و فناوری مازندران، بهشهر، ایران.

² استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه علم و فناوری مازندران، بهشهر، ایران

³ استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه علم و فناوری مازندران، بهشهر، ایران.

10.22075/jtie.2026.40890.1757

چکیده

افزایش روزافزون مصرف بتن در روسازی‌های بتنی با چالش‌های جدی زیست‌محیطی، اقتصادی و فنی همراه است. استفاده از سنگدانه‌های بازیافتی بتن ۱(RCA) به عنوان جایگزین بخشی از سنگدانه‌های طبیعی، راهکاری پایدار محسوب می‌شود، اما به دلیل جذب آب بالا (۵ تا ۱۰ درصد بیشتر از سنگدانه طبیعی)، تخلخل بیشتر و ضعف ناحیه انتقال بین‌مرزی (ITZ)۲ ، مقاومت فشاری بتن را ۱۰ تا ۲۰ درصد کاهش می‌دهد و دوام آن را در برابر عوامل محیطی تضعیف می‌کند. پژوهش حاضر به بررسی اثر هم‌زمان استفاده از سنگدانه‌های بازیافتی بتن (با سطوح جایگزینی ۲۵ و ۵۰ درصد)، خاکستر بادی کلاس F به عنوان مکمل سیمان (با سطوح ۲۵ و ۵۰ درصد) و الیاف ماکروسنتتیک پلی‌پروپیلنی (با درصدهای حجمی ۰٫۴ و ۰٫۶ درصد) بر خواص مکانیکی و دوام بتن روسازی پرداخته است. ده طرح اختلاط شامل نمونه شاهد طراحی و ساخته شد. آزمایش‌های اسلامپ بتن تازه، مقاومت فشاری در سنین ۷ و ۲۸ روز، مقاومت کششی ، مدول الاستیسیته و جذب آب بر روی نمونه‌های مکعبی و استوانه‌ای انجام گرفت. نتایج نشان داد که جایگزینی RCA به تنهایی باعث کاهش مقاومت فشاری و افزایش جذب آب می‌شود، اما افزودن هم‌زمان خاکستر بادی و الیاف ماکروسنتتیک این افت عملکرد را به طور قابل توجهی جبران می‌نماید. ترکیب بهینه طرح (T8)۲۵ درصد +RCA ۲۵ درصد خاکستر بادی + ۰٫۴ درصد الیاف ماکروسنتتیک) بهترین نتایج را ارائه داد؛ به طوری که مقاومت فشاری ۲۸ روزه به ۳۱٫۴۸ مگاپاسکال (۸٫۵ درصد بیشتر از نمونه شاهد)، مقاومت کششی به ۲٫۸۱ مگاپاسکال و جذب آب به ۱٫۴۱ درصد رسید. این ترکیب با ایجاد اثر هم‌افزایی در بهبود ریزساختار خمیر سیمان، تقویت ناحیه انتقال بین‌مرزی و کاهش تخلخل، بتن روسازی پایدار، اقتصادی و مقاوم مناسبی برای شرایط اقلیمی و بارگذاری ترافیکی ایران فراهم می‌آورد.

کلیدواژه‌ها

بتن روسازی

سنگدانه بازیافتی بتن

الیاف ماکروسنتتیک

خاکستر بادی

دوام بتن

موضوعات

روسازی

عنوان مقاله English

Laboratory Evaluation and Optimization of Mechanical Performance and Durability of Concrete Pavement Containing Recycled Aggregate Using Fly Ash and Macrosynthetic Fibers

نویسندگان English

Hamed Mohammadi Sofla Pirkouhi ¹

Hamed Enayati ²

Rezvan Babagoli ³

¹ MSc. Graduated Student, Department of Civil Engineering, University of Science and Technology of Mazandaran, Behshahr, I. R. Iran.

² Assistant Professor, Department of Civil Engineering, University of Science and Technology of Mazandaran, Behshahr, I, R. Iran.

³ Assistant Professor, Department of Civil Engineering, University of Science and Technology of Mazandaran, Behshahr, I. R. Iran.

چکیده English

The increasing use of concrete pavements has raised significant environmental, economic, and technical challenges. The high consumption of Portland cement and natural aggregates leads to the destruction of natural resources, greenhouse gas emissions and waste management problems caused by construction wastes. The use of recycled concrete aggregates (RCA) as a partial replacement for natural aggregates is considered a sustainable solution, but due to high water absorption (5%-10% higher than natural aggregate), higher porosity and weak interfacial transition zone (ITZ), it reduces the compressive strength of concrete by 10%-20% and weakens its durability against environmental factors. The present study investigated the effect of simultaneous use of recycled concrete aggregates (with 25 and 50 percent replacement levels), Class F fly ash as a cement supplement (with 25 and 50 percent levels), and polypropylene macrosynthetic fibers (with 0.4 and 0.6 percent volume percentages) on the mechanical properties and durability of pavement concrete. Ten mix designs including a control sample were designed and manufactured. Fresh concrete slump tests, compressive strength at 7 and 28 days, tensile strength, elastic modulus, and water absorption were performed on cubic and cylindrical samples. Results showed that RCA replacement alone reduced compressive strength and increased water absorption, but simultaneous addition of fly ash and macrosynthetic fibers significantly compensated for this performance loss. The optimal design combination (T8) (25% RCA + 25% fly ash + 0.4% macrosynthetic fibers) provided the best results; So that the 28-day compressive strength reached 31.48 MPa (8.5% higher than the control sample), tensile strength reached 2.81 MPa, and water absorption reached 1.41%. This combination, by creating a synergistic effect in improving the microstructure of the cement paste, strengthening the interfacial transition zone, and reducing porosity, provides a sustainable, economical, and resistant pavement concrete suitable for Iran's climatic conditions and traffic loading.

کلیدواژه‌ها English

Pavement concrete

Recycled concrete aggregate

Macro-synthetic fiber

Fly ash

Concrete durability

Alharthai, M., Ali, T., Qureshi, M. Z., & Ahmed, H. (2024). “Engineering characteristics in recycled aggregates concrete combined effect of fly ash, silica fume and PP fiber”. Alexandria Eng. J., 96: 139–150.

Amin, A., Foster, S. J., & Gilbert, R. I. (2017). “Material characterisation of macro synthetic fibre reinforced concrete”. Cement Concrete Compos., 84: 124–133.

Banthia, N., & Gupta, R. (2007). Test method for evaluation of plastic shrinkage cracking in fiber-reinforced cementitious materials. Experimental Techniques, 31, 44–48.

Bolat, H., Şimşek, O., Çullu, M., Durmuş, G., & Can, Ö. (2014). “The effects of macro synthetic fiber reinforcement use on physical and mechanical properties of concrete”. Compos. Part B: Eng., 61: 64–68.

Daneshfar, M., Hassani, A., Aliha, M. R. M., & Berto, F. (2017). “Evaluating mechanical properties of macro-synthetic fiber-reinforced concrete with various types and contents”. Strength Mater., 49(5): 618–626.

Dopko, M., Najimi, M., Shafei, B., Wang, X., Taylor, P., & Phares, B. M. (2018). “Flexural performance evaluation of fiber-reinforced concrete incorporating multiple macro-synthetic fibers”. Transport. Res. Record, 2672(27): 1–12.

Eisa, M. S., Basiouny, M. E., & Youssef, A. M. (2021a). “Improvement of load carrying capacity of concrete pavement slabs using macro synthetic fibers”. Coatings, 11(7): 833.

Eisa, M. S., Basiouny, M. E., & Youssef, A. M. (2021b). “Effect of macro-synthetic fibers on the drying shrinkage performance of rigid pavement”. Innov. Infrastruct. Solutions, 6(4) 212.

Etxeberria, M., Vázquez, E., Marí, A., & Barra, M. (2007). “Influence of amount of recycled coarse aggregates and production process on properties of recycled aggregate concrete”. Cement Concrete Res., 37(5): 735-742.

Gong, Sh., Bai, L., Tan, Zh., et al. (2023). “Mechanical properties of polypropylene fiber recycled brick aggregate concrete and its influencing factors by gray correlation analysis”. Sustain. 15(14): 11135.

Kazmi, S. M. S., Munir, M. J., Wu, Y. F., & Patnaikuni, I. (2018). “Effect of macro-synthetic fibers on the fracture energy and mechanical behavior of recycled aggregate concrete”. Constr. Build. Mater., 189: 857–868.

Kou, S., & Poon, C. S. (2012). “Enhancing the durability properties of concrete prepared with coarse recycled aggregate”. Constr. Build. Mater., 35: 69-76.

Li, Y., & Dai, D. H. (2012). “Influence of mixing method of mineral admixture on performance of recycled concrete”. Adv. Mater. Res., 598: 612-617.

Liu, G., Tošić, N. & de la Fuente, A. (2023). “Recycling of macro-synthetic fiber-reinforced concrete and properties of new concretes with recycled aggregate and recovered fibers”. Appl. Sci., 13(4): 2029.

Maier, P. L., & Durham, S. A. (2012). “Beneficial use of recycled materials in concrete mixtures”. Constr. Build. Mater., 29: 428-437.

Makul, N., Fediuk, R., et al. (2021). “Use of recycled concrete aggregates in production of green cement-based concrete composites: A review”. Crystals, 11(3): 232.

Marthong, C., & Agrawal, T. P. (2012). “Effect of fly ash additive on concrete properties”. Int. J. Eng. Res. Appl., 2(4): 1986–1991.

Moradikhou, A. B., Esparham, A., & Jamshidi Avanaki, M. (2020). “Physical & mechanical properties of fiber reinforced metakaolin-based geopolymer concrete”. Constr. Build. Mater., 251: 118965.

Nemkumar, B., & Onuaguluchi, O. (2022). “Recycling scrap tire-derived fibers in concrete”. Trans. Indian Nat. Acad. Eng., 7(1): 207-217.

Ozbakkaloglu, T., Gholampour, A., & Xie, T. (2018). “Mechanical and durability properties of recycled aggregate concrete: Effect of recycled aggregate properties and content”. J. Mater. Civ. Eng., 30(2): 04017275.

Pedro, D., J. De Brito, J., & Evangelista, L. (2014). “Influence of the use of recycled concrete aggregates from different sources on structural concrete”. Constr. Build. Mater., 71: 141-151.

Poon, C. S., Shui, Z. H., & Lam, L. (2004). “Effect of microstructure of ITZ on compressive strength of concrete prepared with recycled aggregates”. Constr. Build. Mater., 18(6): 461-468.

Pranav, Sh., Aggarwal, Sh., & Yang, E. H. (2020). “Alternative materials for wearing course of concrete pavements: A critical review”. Constr. Build. Mater., 236: 117609.

Safari, J., Mirzaei, M., Rooholamini, H., & Hassani, A. (2018). “Effect of rice husk ash and macro-synthetic fibre on the properties of self-compacting concrete”. Constr. Build. Mater., 175: 371-380.

Siddique, R. (2004). “Performance characteristics of high-volume Class F fly ash concrete”. Cement Concrete Res., 34(3): 487-493.

Silva, R. V., de Brito, J., & Dhir, R. K. (2014). “Properties and composition of recycled aggregates from construction and demolition waste suitable for concrete production”. Constr. Build. Mater., 65: 201-217.

Swathi, V., & Asadi, S. S. (2021). “An influence of pozzolanic materials with hybrid fibers on structural performance of concrete: A review”. Mater. Today: Proceed., 43(2): 1075–1078.

Tam, V. W. Y., & Tam, C. M. (2007). “Assessment of durability of recycled aggregate concrete produced by two-stage mixing approach”. J. Mater. Sci., 42(10): 3592-3602.

Thomas, M. D. A. (2007). “Optimizing the use of fly ash in concrete”. Vol. 5420, Skokie, IL, USA: Portland Cement Association.

Thomas, C., Setién, J., Polanco, J., Alaejos, P., & Sánchez De Juan, M. (2013). “Durability of recycled aggregate concrete”. Constr. Build. Mater., 40: 1054-1065.

Toghroli, A., Mehrabi, P., Shariati, M., et al. (2020). “Evaluating the use of recycled concrete aggregate and pozzolanic additives in fiber-reinforced pervious concrete with industrial and recycled fibers”. Constr. Build. Mater., 252: 118997.

Tóth, M., Juhasz, K. P., & Pluzsik, A. (2017). “Effect of mixed fibers on the ductility of concrete”. J. Mater. Civ. Eng., 29(9): 04017082.

Wu, Y., Gao, K., & Wu, B. (2019). “Influence of fly ash on the compressive strength of concrete containing recycled aggregate”. Emerg. Mater. Res., 8(3): 483-491.

Xiao, J., Li, L., Shen, L., & Yuan, J. (2015). “Effects of strain rate on mechanical behavior of modeled recycled aggregate concrete under uniaxial compression”. Constr. Build. Mater., 93: 214-222.

Yoo, D. Y., & Banthia, N. (2016). “Mechanical properties of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete: A review”. Cement Concrete Compos., 73: 267-280.