بررسی اثر سرباره فولاد و مصالح خرده آسفالتی بر خصوصیات مکانیکی و آلایندگی روسازی بتن غلتکی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، واحد سوادکوه، دانشگاه آزاد اسلامی، سوادکوه، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

10.22075/jtie.2020.19754.1444

چکیده

در سال­های اخیر، به­دلیل هزینه­های زیاد ساخت روسازی و ملاحظات زیست­محیطی، از مصالح ضایعاتی و بازیافتی مختلفی در مخلوط‏های بتنی و بتن غلتکی استفاده شده است. این پژوهش، به بررسی خصوصیات مکانیکی و زیست­محیطی بتن غلتکی حاوی سرباره فولاد به عنوان محصول جانبی و پسماند صنعت فولاد و مصالح خرده آسفالتی به عنوان پسماند صنعت ساخت راه­ جهت جایگزینی بخشی یا تمام مصالح سنگی در روسازی راه­ها می­پردازد. بدین منظور، آزمایش­های مقاومت فشاری، کشش غیرمستقیم و خمش سه‏نقطه­ای روی نمونه­های 7 و 28 روزه انجام شد. آزمایش خمش سه‏نقطه­ای جهت به­دست آوردن مقاومت خمشی، چقرمگی و قابلیت جذب انرژی استفاده شد. همچنین،آزمایش سایش کانتابرو و آزمایش تراوش مواد آلاینده روی نمونه­های 28 روزه انجام شد. نتایج نشان داد که جایگزینی مصالح سنگی طبیعی با سرباره فولاد و مصالح خرده آسفالتی باعث کاهش مقاومت­های فشاری، کششی و خمشی روسازی بتن غلتکی می­شود. در این میان، تأثیر مصالح خرده آسفالتی در کاهش خصوصیات مکانیکی بارزتر است. با افزایش مقدار سرباره فولاد و مصالح خرده آسفالتی، علی­رغم کاهش در میزان بار حداکثر، میزان چقرمگی و قابلیت جذب انرژی نمونه­ها افزایش می­یابد. از طرفی، با افزایش سرباره فولاد، مقاومت سایشی مخلوط بتن غلتکی افزایش می­یابد. همچنین، بر اساس نتایج این تحقیق، با جایگزینی تا 50% مصالح سنگی طبیعی با سرباره فولاد یا ترکیب سرباره فولاد و مصالح خرده آسفالتی، حداقل معیارهای قابل قبول مطابق استانداردهای مربوطه حاصل شد. نمونه حاوی 25% سرباره فولاد و 25% مصالح خرده آسفالتی جایگزین مصالح سنگی طبیعی، مقاومت­های فشاری، کششی و خمشی را نسبت به نمونه شاهد، به ترتیب تا 24%، 34% و 21% کاهش و چقرمگی را تا 13% افزایش داد. بدین­ترتیب، مصالح ضایعاتی استفاده شده در این پژوهش، به دلیل نتایج رضایت­بخش، اثرات زیست­محیطی مثبت و صرفه اقتصادی، قابلیت استفاده در بتن غلتکی را دارا هستند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Assessing the Effect of Steel Slag and Reclaimed Asphalt Pavement on Mechanical Properties and Pollution of Roller Compacted Concrete Pavement

نویسندگان [English]

  • Mohsen Amouzadeh Omrani 1
  • Mehraveh Hasirchian 2
1 Faculty member, Islamic azad university, Savadkouh branch, civil engineering department, Savadkouh. Iran
2 Ph.D Candidate, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In recent years, due to the higher cost of pavement construction and environmental considerations, various waste and recycled materials have been used in concrete and Roller Compacted Concrete (RCC) mixtures. This study investigates the effect of partial and full replacement of natural aggregates with steel slag as a by-product of the steel industry and Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) as a waste of the road pavement construction industry, on the mechanical and environmental properties of RCC pavements. For this purpose, compressive strength, indirect tensile strength and three-point bending tests were conducted on 7 and 28-day samples. Three-point bending test was used to obtain flexural strength, toughness, and energy absorbency. Also Cantabro abrasion test and Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) were conducted on 28-day samples. The results showed that the compressive strength, tensile strength and flexural strength of RCC pavement reduced by replacing natural aggregates with steel slag and RAP. In the meantime, the effect of RAP on reducing mechanical properties of roller concrete is more pronounced. Increasing the content of steel slag and RAP increases the toughness, as well as the energy absorbency capacity of the specimens despite the decrease in the maximum load. On the other hand, the abrasion resistance of the roller concrete mixture increases, with increasing steel slag. Also, according to the results of this study, the mixtures containing up to 50% steel slag or combined steel slag and RAP, met the regulatory requirements. By incorporating 25% steel slag and 25% RAP as substitutes for natural aggregates, compressive, tensile and flexural strengths decreased and toughness increased up to 24%, 34%, 21% and 13%, respectively. Thus, the waste materials used in this study, are usable in RCC because of their satisfactory results and economic-environmental advantages.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Roller compacted concrete
  • Steel Slag
  • Reclaimed asphalt pavement
  • Mechanical properties
  • Toxicity characteristic leaching procedure
مدرس، ا. 1393. "بررسی مواد باطله زغال سنگ موجود در کارخانه زغال سنگ البرز مازندران برای بکارگیری در لایه­های زیرسازی و روسازی راه". گزارش طرح پژوهشی برون دانشگاهی، اداره کل راه و شهرسازی استان مازندران.

مستوفی نژاد، د. و نظری منفرد، ح. 1385. "افزودن سرباره و پودر سنگ آهک به بتن جهت افزایش دوام آن در محیط سولفاتی". پژوهشنامه حمل و نقل، 3(2): 139-145.

Abut, Y. and Yildirim, S. T. 2017. “Structural design and economic evaluation of roller compacted concrete pavement with recycled aggregates”. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 245(2): 022064, IOP Publishing.

ACI 207.5R-99. 2004. “Roller compacted mass concrete”. ACI Manual of Concrete Practice.

ACI 325.10R. 1999. “Roller compacted concrete pavements”. American Concrete Institute.

ASTM C1747/C1747M-13. 2013. “Standard test method for determining potential resistance to degradation of pervious concrete by impact and abrasion”.

Benouadah, A., Beddar, M. and Meddah, A. 2017. “Physical and mechanical behaviour of a roller compacted concrete reinforced with polypropylene fiber”. J. Fund. Appl. Sci., 9(2): 623-635.

Berry, J. R. 2001. “Report on roller-compacted concrete pavements”. ACI Committee Report, Farmington Hills, MI.

Bílý, P., Fládr, J. and Haase, M. 2015. “Experimental verification of properties of roller-compacted concrete for pavements”. In: Advanced Materials Research, 1124: 307-312, Trans Tech Publications Ltd.

Boussetta, I., El Euch Khay, S. and Neji, J. 2018. “Experimental testing and modelling of roller compacted concrete incorporating RAP waste as aggregates”. Eur. J. Environ. Civ. Eng. https://doi.org/10.1080 /19648189.2018.1482792

Cortez, E. R. and Eaton, R. A. 1991. “Environmental monitoring and performance evaluation of roller-compacted concrete pavement: Conley Terminal, Boston, Massachusetts”. CRREL-SR-91-25, US Army Corps of Engineers, Cold Regions Research and Engineering Lab.

Courard, L., Michel, F. and Delhez, P. 2010. “Use of concrete road recycled aggregates for roller compacted concrete”. Constr. Build. Mater., 24(3): 390-395.

Debbarma, S., Singh, S. and Ransinchung RN, G. D. 2019. “Laboratory investigation on the fresh, mechanical, and durability properties of roller compacted concrete pavement containing reclaimed asphalt pavement aggregates”. Transport. Res. Record J. Transport. Res. Board, 2673(10):  652-662.

Debbarma, S., Ransinchung RN, G. D. and Singh, S. 2019. “Feasibility of roller compacted concrete pavement containing different fractions of reclaimed asphalt pavement”. Constr. Build. Mater., 199: 508-525.

Environmental Protection Agency. 2005. “Using coal ash in highway construction: A guide to benefits and impacts. Report Number EPA-530-K-002: ID: 151, USA.

Fakhri, M. and Amoosoltani, E. 2017. “The effect of reclaimed asphalt pavement and crumb rubber on mechanical properties of roller compacted concrete pavement”. Constr. Build. Mater., 137: 470-484.

Fakhri, M., Amoosoltani, E. and Aliha, M. R. M. 2017. “Crack behavior analysis of roller compacted concrete mixtures containing reclaimed asphalt pavement and crumb rubber”. Eng. Fract. Mech., 180: 43-59.

Halsted, G. E. 2009. “Roller-compacted concrete pavements for highways and streets”. In: 2009 Annual Conference and Exhibition of the Transportation Association of Canada-transportation in a Climate of Change.

Hesami, S., Modarres, A., Soltaninejad, M. and Madani, H. 2016. “Mechanical properties of roller compacted concrete pavement containing coal waste and limestone powder as partial replacements of cement”. Constr. Build. Mater., 111: 625-636.

Hossiney, N., Wang, G., Tia, M. and Bergin, M. J. 2008. “Evaluation of concrete containing RAP for use in concrete pavement”. In: Proceedings of the Transportation Research Board Annual Meeting (Cdrom), Transportation Research Board, Washington, DC.

Huang, B., Li, G., Pang, S. S. and Eggers, J. 2004. “Investigation into waste tire rubber-filled concrete”. J. Mater. Civ. Eng., 16(3): 187-194.

Huang, B., Shu, X. and Li, G. 2005. “Laboratory investigation of portland cement concrete containing recycled asphalt pavements”. Cement Concrete Res., 35(10): 2008-2013.

Huang, B., Shu, X. and Burdette, E. G. 2006. “Mechanical properties of concrete containing recycled asphalt pavements”. Mag. Concrete Res., 58(5): 313-320.

Lam, M. N. T., Le, D. H. and Jaritngam, S. 2018a. “Compressive strength and durability properties of roller-compacted concrete pavement containing electric arc furnace slag aggregate and fly ash”. Constr. Build. Mater., 191: 912-922.

Lam, M. N. T., Jaritngam, S. and Le, D. H. 2018b. “EAF slag aggregate in roller-compacted concrete pavement: Effects of delay in compaction”. Sustain., 10(4): 1122.

Lam, M. N. T., Jaritngam, S. and Le, D. H. 2017. “Roller-compacted concrete pavement made of electric arc furnace slag aggregate: Mix design and mechanical properties”. Constr. Build. Mater., 154: 482-495.

Li, Q., Zhang, F., Zhang, W. and Yang, L. 2002. “Fracture and tension properties of roller compacted concrete cores in uniaxial tension”. J. Mater. Civ. Eng., 14(5): 366-373.

Lopez-Uceda, A., Agrela, F., Cabrera, M., Ayuso, J. and López, M. 2018. “Mechanical performance of roller compacted concrete with recycled concrete aggregates”. Road Mater. Pavement Design, 19(1): 36-55.

Meddah, A., Beddar, M. and Bali, A. 2014. “Use of shredded rubber tire aggregates for roller compacted concrete pavement”. J. Clean. Prod., 72: 187-192.

Meddah, A., Bensaci, H., Beddar, M. and Bali, A. 2017. “Study of the effects of mechanical and chemical treatment of rubber on the performance of rubberized roller-compacted concrete pavement”. Innov. Infrastruct. Solut., 2(1): 17.

Modarres, A., Hesami, S., Soltaninejad, M. and Madani, H. 2018. “Application of coal waste in sustainable roller compacted concrete pavement-environmental and technical assessment”. Int. J. Pavement Eng., 19(8): 748-761.

Modarres, A. and Hosseini, Z. 2014. “Mechanical properties of roller compacted concrete containing rice husk ash with original and recycled asphalt pavement material. Mater. Design, 64: 227-236.

Portland Cement Association. 2003. “Structural design of roller-compacted concrete for industrial pavements”. Portland Cement Association.

Rooholamini, H., Hassani, A. and Aliha, M. R. M. 2018. “Fracture properties of hybrid fibre-reinforced roller-compacted concrete in mode I with consideration of possible kinked crack”. Constr. Build. Mater., 187: 248-256.

Rooholamini, H., Sedghi, R., Ghobadipour, B. and Adresi, M. 2019. “Effect of electric arc furnace steel slag on the mechanical and fracture properties of roller-compacted concrete”. Constr. Build. Mater., 211: 88-98.

Tayabji, S. D., Sherman, T. W., Keifer, O., Nanni, A., Piggott, R. W., Pittman, D., ... and Scott, J. A. 1995. “State-of-the-art report on roller-compacted concrete pavements”. ACI325. 10R-95.