بررسی خصوصیات مکانیکی و ریزساختاری درپوش‌های ‌بتنی‌ تولید‌شده با بتن فوق‏توانمند حاوی الیاف و نانوسیلیس

قوامی جمال, صادق; کریمی, حسین

doi:10.22075/jtie.2026.41251.1765

بررسی خصوصیات مکانیکی و ریزساختاری درپوش‌های ‌بتنی‌ تولید‌شده با بتن فوق‏توانمند حاوی الیاف و نانوسیلیس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

صادق قوامی جمال ¹

حسین کریمی ²^{، 3}

¹ استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران.

² مدیر فنی شرکت راد یاوران سروش (رادیس)، تهران، ایران.

³ دانش‌آموخته دکتری مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ﺗﻬﺮان، تهران، اﯾﺮان.

10.22075/jtie.2026.41251.1765

چکیده

در سال‌های اخیر، استفاده از بتن فوق‏توانمند (UHPC) به دلیل مقاومت مکانیکی بسیار بالا، دوام مناسب و قابلیت بهبود رفتار پس از ترک به عنوان گزینه‌ای مناسب برای تولید قطعات پیش‌ساخته نظیر درپوش‌های منهول، مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، تأثیر انواع مختلف الیاف و نانوسیلیس بر ریزساختار و عملکرد مکانیکی درپوش‌های بتنی تولید شده با بتن فوق‏توانمند بررسی شده است. در گام نخست، عملکرد سه نوع الیاف شامل الیاف فولادی، شیشه‌ای و پلی‌پروپیلن با مقدار یک درصد حجمی در UHPC ارزیابی شد تا الیاف مناسب برای کاربرد در درپوش‌های بتنی تعیین گردد. آزمایش‌های مقاومت فشاری، تعیین ظرفیت باربری و تعیین مقاومت در برابر یخ‌زدگی-ذوب براساس استاندارد ملی ایران روی نمونه‌ها انجام شد. نتایج نشان داد که استفاده از الیاف موجب بهبود مقاومت فشاری و ظرفیت باربری درپوش‌ها می شود و در میان آن‌ها الیاف فولادی بیشترین تأثیر را دارد؛ به طوری که مقاومت فشاری با 19 درصد افزایش به 180 مگاپاسکال و ظرفیت باربری از 6 به 12.5 تُن رسید. در مرحله بعد، 1 درصد نانوسیلیس به مخلوط حاوی الیاف فولادی اضافه شد. حضور نانوسیلیس موجب افزایش مقاومت فشاری تا حدود 200 مگاپاسکال و افزایش ظرفیت باربری درپوش به 14 تُن گردید. نمونه‌های حاوی الیاف فولادی و نانوسیلیس، کاهش مقاومت کمتری پس از چرخه یخ‌زدگی–ذوب داشتند. بررسی‌های ریزساختاری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پراش پرتو ایکس (XRD) نشان داد که نانوسیلیس از طریق اثر هسته‌زایی، واکنش پوزولانی و نقش پُرکنندگی، موجب کاهش تخلخل، افزایش تراکم ماتریس سیمانی و بهبود ناحیه انتقال میان سطحی الیاف و ماتریس می‌شود. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که استفاده همزمان از الیاف فولادی و نانوسیلیس در بتن فوق‌توانمند، ضمن بهبود عملکرد مکانیکی و دوام، راهکاری پایدار و اقتصادی از دیدگاه هزینه چرخه عمر برای تولید درپوش‌های بتنی محسوب می‌شود.

کلیدواژه‌ها

درپوش بتنی منهول

بتن فوق توانمند

نانوسیلیس

الیاف

موضوعات

ابنیه فنی

عنوان مقاله English

Investigation of the Mechanical and Microstructural Properties of Manhole Covers Produced by Using Ultra‑High‑Performance Concrete (UHPC) Containing Fibers and Nanosilica

نویسندگان English

Sadegh Ghavami ¹

Hossein Karimi ² ³

¹ Assistant Professor, Faculty of Civil Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, I. R. Iran.

² Technical Manager in Radis Company, Tehran, I. R. Iran

³ PhD Graduate, School of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, I. R. Iran.

چکیده English

In recent years, Ultra‑High‑Performance Concrete (UHPC) has gained considerable attention as a suitable material for producing precast components such as manhole covers, owing to its very high mechanical strength, excellent durability, and enhanced post‑cracking behavior. In this study, the effects of different types of fibers and nanosilica on the microstructure and mechanical performance of UHPC‑based concrete manhole covers are investigated. First, the performance of three types of fibers—steel, glass, and polypropylene—each at a volume fraction of 1%, was evaluated in UHPC to determine the most suitable fiber for concrete manhole cover applications. Compressive strength, load-bearing capacity, and freeze–thaw resistance tests were conducted on the specimens in accordance with the Iranian National Standard. Results showed that incorporation of fibers improved the compressive strength and load‑bearing capacity of the covers, with steel fibers exhibiting the greatest enhancement, increasing the compressive strength by 19% to about 180 MPa and increasing load capacity from 6 tons to 12.5 tons. In the next stage, 1% nanosilica was added to the mixture containing steel fibers. The presence of nanosilica increased the compressive strength to about 200 MPa and the load‑bearing capacity to 14 tons. Specimens containing steel fibers and nanosilica exhibited a lower reduction in strength after freeze–thaw cycling. Microstructural analyses using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X‑ray Diffraction (XRD) revealed that nanosilica, through nucleation effects, pozzolanic reactions, and filler action, reduced porosity, increased matrix density, and improved the interfacial transition zone (ITZ) between fibers and matrix. The findings indicate that combined use of steel fibers and nanosilica in UHPC enhances mechanical properties and durability, providing a sustainable and economically viable solution for concrete manhole covers from a life-cycle perspective.

کلیدواژه‌ها English

Concrete manhole cover

Ultra‑high‑performance Concrete (UHPC)

Nanosilica

Fibers

Amran, M., Murali, G., Makul, N., Tang, W., & Eid Alluqmani, A. (2023). “Sustainable development of eco-friendly ultra-high performance concrete (UHPC): Cost, carbon emission, and structural ductility”. Constr. Build. Mater., 398, 132477.

Ashokan, A., Rajendran, S., & Dhairiyasamy, R. (2023). “A comprehensive study on enhancing of the mechanical properties of steel fiber-reinforced concrete through nano-silica integration”. Sci. Reports, 13(1): 20092.

Barros, J. A. O., Soltanzadeh, F., de Sousa, C., & Vera, M. O. (2024). “Development of sustainable and innovative manhole covers in fibre-reinforced concrete and GFRP Grating”. Appl. Sci., 14(16): 6903.

Bentur, A., & Mindess, S. (2006). “Fibre reinforced cementitious composites”. CRC Press.

Carneiro, L. D. R. S., Houmard, M., Rocha, V. V., & Ludvig, P. (2022). “The effect of nanosilica incorporation on the properties of cement-based materials with and without other supplementary admixtures–a literature review”. The Open Constr. Build. Technol. J., 16(1).

Chen, J., Ng, P., Xu, L., & Kwan, A. (2024). “Use of nano-silica sol in concrete: Performance and influence mechanisms”. Constr. Build. Mater., 411: 134582.

El Haggar, S., & El Hatow, L. (2009). “Reinforcement of thermoplastic rejects in the production of manhole covers”. J. Clean. Prod., 17(4): 440-446.

Ghavami, S., & Naseri, H. (2025). “Prediction of compressive strength in fine-grained soils stabilized with a combination of various stabilization agents and nano-SiO₂ using machine learning algorithms”. Math. Comput. Appl., 30(6): 137.

Ghavami, S., Naseri, H., Jahanbakhsh, H., & Moghadas Nejad, F. (2021). “The impacts of nano-SiO₂ and silica fume on cement kiln dust treated soil as a sustainable cement-free stabilizer”. Constr. Build. Mater., 285: 122918.

He, J., Chen, W., Zhang, B., Yu, J., & Liu, H. (2021). “The mechanical properties and damage evolution of UHPC reinforced with glass fibers and high-performance polypropylene fibers”. Mater., 14(9): 2455.

Hosseini, P., Booshehrian, A., Delkash, M., Ghavami, S., & Zanjani, M. M. K. (2010). “Improvement interfacial transition zone of green concrete by utilization of nano-SiO₂ particles”. Proc. of 3^rd International Conference on Engineering for Waste and Biomass Valorisation, Beijing, China.

Huang, H., Gao, X., Li, L., & Wang, H. (2018). “Improvement effect of steel fiber orientation control on mechanical performance of UHPC”. Constr. Build. Mater., 188: 709-721.

Hussain, I., Ali, B., Akhtar, T., Jameel, M. S., & Raza, S. S. (2020). “Comparison of mechanical properties of concrete and design thickness of pavement with different types of fiber-reinforcements (steel, glass, and polypropylene)”. Case Stud. Constr. Mater., 13: e00429.

Kang, S., Lee, Y., Park, Y., & Kim, J. (2010). “Tensile fracture properties of an ultrahigh performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) with steel fiber”. Compos. Struct., 92(1): 61-71.

Kim, D. J., Park, S. H., Ryu, G. S., & Koh, K. T. (2011). “Comparative flexural behavior of hybrid ultrahigh performance fiber reinforced concrete with different macro fibers”. Constr. Build. Mater., 25(11): 4144-4155.

Kumar, P. P., & Chaitanya, B. K. (2022). “Performance evaluation of glass fiber reinforced high-performance concrete with silica fume and nano-silica”. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 982: 012018.

Land, G., & Stephan, D. (2012). “The influence of nano-silica on the hydration of ordinary Portland cement”. J. Mater. Sci., 47: 1011-1017.

Li, G. (2004). “Properties of high-volume fly ash concrete incorporating nano-SiO₂”. Cement Concrete Res., 34(6): 1043-1049.

Li, W., Huang, Z., Cao, F., Sun, Z., & Shah, S. P. (2015). “Effects of nano-silica and nano-limestone on flowability and mechanical properties of ultra-high-performance concrete matrix”. Constr. Build. Mater., 95: 366-374.

Liu, B., Lu, X., Meng, H., Pan, G., & Li, D. (2023). “Dispersion of in-situ controllably grown nano-SiO₂ in alkaline environment for improving cement paste”. Constr. Build. Mater., 369: 130460.

Liu, C. Y., Wang, H. Q., Liu, X. F., Niu, M. X., & Wu, J. F. (2024). “Experimental study and numerical simulation of the effect of different fiber types on the basic mechanical properties of shotcrete”. Sci. Reports, 14: 26573.

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

Luo, Z., Dong, K., Guo, M., Liu, K., Lian, Z., Jing, Q., Wei, W., & Zhang, B. (2018). “Composite manhole covers prepared with recycled printed circuit boards as a reinforcing filler”. Polym. Compos., 39(12): 4532-4541.

Mezghani, K. (2012). “Long term environmental effects on physical properties of vinylester composite pipes”. Polym. Test., 31(1): 76-82.

Mostafa, S. A., Faried, A. S., Farghali, A. A., EL-Deeb, M. M., Tawfik, T. A., Majer, S., & Abd Elrahman, M. (2020). “Influence of nanoparticles from waste materials on mechanical properties, durability and microstructure of UHPC”. Mater., 13(20): 4530.

Naaman, A. E., & Reinhardt, H. W. (2006). “Proposed classification of HPFRC composites based on their tensile response”. Mater. Struct., 39: 547-555.

Nasri, M., Aghabayk, K., & Ahmadpoor, T. (2016). “Manhole covers, problems and solutions”. Road, 24(87): 81-92.

Nghia, H. T., Thang, N. C., Tuan, N. V., Hung, C. V., Yang, K. H., & Dong, P. S. (2021). “Experimental study to produce manhole cover using ultra-high performance concrete”. Int. J. GEOMATE, 21(85): 91-98.

Norhasri, M. M., Hamidah, M., & Fadzil, A. M. (2019). “Inclusion of nano metaclayed as additive in ultra high performance concrete (UHPC)”. Constr. Build. Mater., 201: 590-598.

Oh, T., You, I., Banthia, N., & Yoo, D. (2021). “Deposition of nanosilica particles on fiber surface for improving interfacial bond and tensile performances of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete”. Compos. Part B: Eng., 221: 109030.

Sanchez, F., & Sobolev, K. (2010). “Nanotechnology in concrete – A review”. Constr. Build. Mater., 24(11): 2060-2071.

Scrivener, K. L., Juilland, P., & Monteiro, P. J. (2015). “Advances in understanding hydration of Portland cement”. Cement Concrete Res., 78: 38-56.

Siriruk, A., & Penumadu, D. (2014). “Hygrothermal effects on polymeric composite materials and sandwich structures”. In: Hetnarski, R. B. (Eds.) Encyclopedia of Thermal Stresses. Springer, Dordrecht.

Taylor, H. F. W. (1997). “Cement chemistry”. 2nd Edition, Thomas Telford.

Wu, Z., Shi, C., He, W., & Wang, D. (2017). “Static and dynamic compressive properties of ultrahigh performance concrete (UHPC) with hybrid steel fiber reinforcements”. Cement Concrete Compos., 79: 148-157.

Wu, Z., Khayat, K. H., Shi, C., Tutikian, B. F., & Chen, Q. (2021). “Mechanisms underlying the strength enhancement of UHPC modified with nano-SiO₂ and nano-CaCO₃”. Cement Concrete Compos., 119: 103992.

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

Yu, R., Tang, P., Spiesz, P., & Brouwers, H. (2014). “A study of multiple effects of nano-silica and hybrid fibres on the properties of ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) incorporating waste bottom ash (WBA)”. Constr. Build. Mater., 60: 98-110.

Zaid, O., Zamir Hashmi, S. R., El Ouni, M. H., Martínez-García, R., De Prado-Gil, J., & Yousef, S. E. A. (2023). “Experimental and analytical study of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete modified with egg shell powder and nano-silica”. J. Mater. Res. Technol., 24: 7162-7188.

Zhang, D., Jiang, J., Weng, Y., Wang, D., Wu, X., & Fan, S. (2023). “Pull-out behaviour of steel fibres embedded in ultra-high-performance concrete after exposure to high temperatures”. Constr. Build. Mater., 408: 133630.