ارزیابی تأثیر غبار کوره سیمان بر عملکرد ملات قیر امولسیون-سیمان حاوی سرباره کوره آهن‌گدازی و خاکستر بادی برای زیرسازی راه آهن سریع السیر بدون بالاست

جهان بخش, حمید; مبینی, محمد حسین; قوامی جمال, صادق; مقدس نژاد, فریدون

doi:10.22075/jtie.2020.19637.1440

ارزیابی تأثیر غبار کوره سیمان بر عملکرد ملات قیر امولسیون-سیمان حاوی سرباره کوره آهن‌گدازی و خاکستر بادی برای زیرسازی راه آهن سریع السیر بدون بالاست

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ استاد مدعو، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و فرهنگ، تهران

² استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و فرهنگ، تهران

³ دانشجوی دکتری ژئوتکنیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

⁴ استاد، دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

10.22075/jtie.2020.19637.1440

چکیده

خصوصیات میرایی و نیز خصوصیات ترک‌خوردگی ملات قیر امولسیون-سیمان، به عنوان یک لایه‌ی حیاتی در راه‌آهن بدون بالاست، جهت تحمل لرزش‌ها و تغییر‌شکل‌های حاصل از بارگذاری قطار بسیار حائز اهمیت می‌باشد. به دلیل آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از فرآیند تولید سیمان، در سال‌های اخیر محققین به دنبال مصالح جایگزین سیمان با آلودگی کمتر و صرفه‌ی اقتصادی بوده‌اند. این پژوهش، تأثیر استفاده از دو ماده جایگزین سیمان در ملات قیر امولسیون-سیمان شامل خاکستر بادی و نیز سرباره کوره آهن‌گدازی در کنار غبار کوره سیمان را بر خصوصیات عملکردی و ترک‌خوردگی ملات مورد ارزیابی قرار داده است. آزمون‌های استقامت فشاری، استقامت کششی غیرمستقیم، حساسیت رطوبتی و نیز خمش نمونه‌ی نیم‌دایره‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج نشان داد که جایگزینی 30 درصد از سیمان با خاکستر بادی به صورت قابل توجهی استقامت فشاری و نیز استقامت کششی غیرمستقیم ملات را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این مطابق نتایج آزمون حساسیت رطوبتی تمام ملات‌های ساخته شده نسبت استقامت کششی غیرمستقیم بیش از 80 درصد داشتند که معیار آئین نامه را تأیید نموده است. نتایج آزمون ترک‌خوردگی نیز نشان داد که جایگزینی 30 درصد از سیمان با سرباره کوره آهن‌گدازی توانایی مقاومت ملات در برابر ترک خوردگی را به صورت قابل ملاحظه‌ای بهبود داده است. همچنین جایگزینی 50 درصد سیمان با 30 درصد مواد جایگزین سیمان و نیز 20 درصد ماده فعال کننده نشان از این داشت که ملات‌های حاصل استقامت فشاری مناسب، قابلیت مقابله با شروع و نیز رشد ترک در دمای میانی و نیز استقامت مناسبی در برابر خرابی رطوبتی در مقایسه با ملات قیر امولسیون-سیمان حاوی 100 درصد سیمان از خود نشان داده‌اند. در نهایت می‌توان نتیجه گیری نمود که ملات‌های معرفی شده در این پژوهش می‌توانند به عنوان ملات قیر امولسیون-سیمان دوست‌ دار محیط زیست توانایی کافی در تحمل بارهای وارده از قطار و شرایط آب و هوایی را داشته باشند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation the Effect of Cement Kiln Dust on the Mechanical Properties of Cement Emulsified Asphalt Mortar Containing GGBFS and Fly Ash for High-speed Railway Ballastless Track

نویسندگان [English]

Hamid jahanbakhsh ¹
Mohammadhossein Mobini ²
Sadegh Ghavami ³
Fereidoon Moghadas Nejad ⁴

¹ Department of Civil Engineering, University of Science and Culture, Tehran, Iran

² Faculty, Civil Engineering department, university of science and culture, tehran, Iran

³ School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

⁴ Professor, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Cement asphalt emulsion mortar (CEAM) as a critical and complex engineering material for slab ballastless track is widely used in high speed railways and road pavements. Damping and cracking characteristics of CEAM are very important to resist vibration and the deformation caused by repeating loads. Furthermore, Cement is the fundamental constituent of CEAM, which is notorious for the environmental pollutant. Accordingly, reducing cement consumption has been a significant concern. This study evaluated the effects of using two types of supplementary cementitious materials (SCM), i.e. fly ash (FA) and granulated blast furnace slag (BFS) in corporating with cement kiln dust (CKD) as cement replacement, on the mechanical properties and cracking characteristics of cement emulsified asphalt mortar. To reach the objectives of the study, different experimental tests (i.e. Uniaxial Compressive strength (UCS), indirect tensile (IDT) strength, Moisture susceptibility and semicircular bending (SCB)) were conducted. The results showed that the replacement of 30 percent of cement by fly ash leads to significantly improve the compressive strength and indirect tensile strength of prepared CEAM. Furthermore, all the proposed CEAM containing different percentages of SCMs had ITSR more than 0.8 which pass the standard requirement. The consequences of CEAM cracking resistance indicated that the 30 percentage replacement of cement by BFS considerably enhanced the J-integral of CEAM which results the better cracking resistance of prepared mixture. Moreover, the replacement of 50 percent of cement in CEAM by supplementary cementitious materials revealed that the proposed CEAMs had proper unconfined compressive strength, capability to resistance against crack initiation and propagation and also sufficient endurance against moisture failure. Finally, it can be concluded that the examined CEAMs in this study can be presented as eco-friendly CEAM which had enough resistance against the repeated train and varying environmental loadings.

کلیدواژه‌ها [English]

Cement Emulsified Asphalt Mortar
Cement kiln Dust
Fly Ash
granulated blast furnace slag
Cracking

مراجع

El-Attar, M. M., Sadek, D. M. and Salah, A. M. 2017. “Recycling of high volumes of cement kiln dust in bricks industry”. J. Clean. Prod., 143: 506-515.

Ghavami, S., Farahani, B., Jahanbakhsh, H. and Moghadas Nejad, F. 2018a. “Effects of silica fume and nano-silica on the engineering properties of kaolinite clay”. Amirkabir J. Civ. Eng., 2(2): 135-142.

Ghavami, S., Jahanbakhsh, H. and Moghadasnezhad, F. 2018b. “Laboratory study on stabilization of kaolinite clay with cement and cement kiln dust”. Amirkabir J. Civ. Eng., Doi: 10.22060/ceej.2018. 15100.5829.

Ghavami, S., Jahanbakhsh, H., Saeedi Azizkandi, A. and Moghadas Nejad, F. 2020. “Influence of sodium chloride on cement kiln dust-treated clayey soil: Strength properties, cost analysis, and environmental impact”. Environ., Dev. Sustain., Doi: 10.1007/s10668-020-00603-6.

Ghavami, S., Nematpour, H., Rajabi, M. and Mobini, M. H. 2019. “Evaluation of the strength characteristics of clayey soils stabilized with rice husk ash and cement”. The 4^th Iranian Conference on Geotechnical Engineering.

Jahanbakhsh, H., Hosseini, P., Moghadas Nejad, F. and Habibi, M. 2019. “Intermediate temperature fracture resistance evaluation of cement emulsified asphalt mortar”. Constr. Build. Mater., 197: 1-11.

Jahanbakhsh, H., Karimi, M. M., Jahangiri, B. and Moghadas Nejad, F. 2018. “Induction heating and healing of carbon black modified asphalt concrete under microwave radiation”. Constr. Build. Mater., 174: 656-666.

Leiben, Z., Wang, X., Wang, Z., Yang, B., Tian, Y. and He, R. 2018. “Damping characteristics of cement asphalt emulsion mortars”. Constr. Build. Mater., 173: 201-208.

Liu, B. and Liang, D. 2017. “Effect of mass ratio of asphalt to cement on the properties of cement modified asphalt emulsion mortar”. Constr. Build. Mater., 134: 39-43.

Lothenbach, K. Scrivener, K. and Hooton, R. D. 2011. “Supplementary cementitious materials”. Cement Concrete Res., 41(12): 1244-1256.

Moghadas Nejad, F., Habibi, M., Hosseini, P. and Jahanbakhsh, H. 2017. “Investigating the mechanical and fatigue properties of sustainable cement emulsified asphalt mortar”. J. Clean. Prod., 156: 717-728.

Naseri, H., Jahanbakhsh, H., Moghadas Nejad, F. and Golroo, A. 2019. “Developing a novel machine learning method to predict the compressive strength of fly ash concrete in different ages”. Amirkabir J. Civ. Eng., Doi: 10.22060/ajce.2019.16124.5569.

Peng, J., Deng, D., Huang, H., Yuan, Q. and Peng, J. 2015. “Influence of superplasticizer on the rheology of fresh cement asphalt paste”. Case Stud. Constr. Mater., 3: 9-18.

Rutherford, T., Wang, Z., Shu, X., Huang, B. and Clarke, D. 2014. “Laboratory investigation into mechanical properties of cement emulsified asphalt mortar”. Constr. Build. Mater., 65: 76-83.

Shehata, M. H. and Thomas, M. D. 2000. “The effect of fly ash composition on the expansion of concrete due to alkali–silica reaction”. Cement Concrete Res., 30(7): 1063-1072.

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

Wang, Q., Yan, P., Kong, X. and Yang, J. 2011. “Compressive strength development and microstructure of cement-asphalt mortar”. J. Wuhan Univ. Technol.-Mater. Sci. Ed., 26(5): 998-1003.

Wang, Z., Shu, X., Rutherford, T., Huang, B. and Clarke, D. 2015. “Effects of asphalt emulsion on properties of fresh cement emulsified asphalt mortar”. Constr. Build. Mater., 75, 25-30.

Xie, Y. J., Fu, Q., Long, G. C., Zheng, K. R. and Song, H. 2014. “Creep properties of cement and asphalt mortar”. Constr. Build. Mater., 70: 9-16.

Yang, K. H., Jung, Y. B., Cho, M. S. and Tae, S. H. 2015. “Effect of supplementary cementitious materials on reduction of CO₂ emissions from concrete”. J. Clean. Prod., 103: 774-783.

Zhang, T., Cai, G. and Liu, S. 2017. “Application of lignin-based by-product stabilized silty soil in highway subgrade: A field investigation”. J. Clean. Prod., 142: 4243-4257.