تحلیل آزمایشگاهی دوام و رفتار مکانیکی بتن خودتراکم حاوی متاکائولن در محیط‌های سولفاتی با رویکرد کاهش مصرف سیمان و حفاظت از محیط‌زیست

مقدمه:در سال‌های اخیر، صنعت ساخت‌وساز به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان منابع‌ طبیعی و تولیدکنندگان گازهای گلخانه‌ای شناخته شده است. یکی از مهم‌ترین مصالح مورد استفاده در این صنعت، سیمان پرتلند است که تولید آن نیازمند مصرف قابل توجهی از انرژی بوده و گاز دی‌اکسید کربن (co₂) یکی از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای را به جو آزاد می‌کند. این مسئله نه‌تنها کیفیت هوا و سلامت انسان را تحت تاثیر قرار می‌دهد، بلکه باعث تشدید گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی نیز می‌شود. علاوه بر این، تولید سیمان به‌شدت به مواد اولیه‌ای مانند سنگ‌آهک و خاک رس وابسته است و استخراج بی‌رویه این مواد منجر به کاهش منابع طبیعی غیرقابل تجدید و تهدید پایداری زیست‌محیطی می‌شود.مواد و روش ها: هدف پژوهش بررسی تاثیر جایگزینی جزئی سیمان با متاکائولن در بتن خودتراکم (scc) و ارزیابی عملکرد این بتن در محیط‌های خورنده غنی از یون سولفات بود. برای این منظور، نمونه‌های بتن خودتراکم با سه سطح جایگزینی متاکائولن (5٪، 15٪ و 25٪ وزنی سیمان) تهیه شدند. به‌منظور شبیه‌سازی شرایط خورنده محیطی، نمونه‌ها در معرض چهار محلول سولفات مختلف قرار گرفتند که حاوی یون‌های سولفات حاصل از سولفات‌سدیم (na₂so₄)، سولفات‌منیزیم (mgso₄)، سولفات‌کلسیم (caso₄) و سولفات‌آمونیوم (nh₄)₂so₄)) بودند. این یون‌ها به‌دلیل اثرات مخرب‌شان بر سازه‌های بتنی، به‌ویژه در محیط‌های صنعتی و دریایی انتخاب تا مقاومت بتن تحت شرایط واقعی‌تر ارزیابی شود.نتایج و بحث: نتایج آزمایشگاهی نشان داد که استفاده از متاکائولن تاثیر مثبتی بر ویژگی‌های بتن خودتراکم دارد. در میان نمونه‌های مورد بررسی، مخلوط حاوی 15٪ متاکائولن بهترین عملکرد را نشان داد. این مخلوط افزایش قابل‌توجهی در مقاومت فشاری نسبت به نمونه شاهد (فاقد متاکائولن) داشت. همچنین جذب آب کاهش یافت که نشان‌دهنده کاهش تخلخل و افزایش تراکم ریزساختار بتن است. تصاویر sem پیوستگی بیشتر و خلل و فرج کمتر را در ساختار داخلی بتن تایید کردند. بتن حاوی 15% متاکائولن هم‌چنین مقاومت بیشتری در برابر محیط‌های سولفاتی، به‌ویژه در برابر یون‌های منیزیم و آمونیوم، از خود نشان داد و خرابی سطحی و ترک‌خوردگی کم‌تری مشاهده شد. علاوه بر این، جایگزینی جزئی سیمان با متاکائولن باعث کاهش انتشار co₂ در فرآیند تولید بتن گردید که نقش موثری در کاهش تاثیرات زیست‌محیطی این ماده پرمصرف ساختمانی دارد. آزمایش‌های مقاومت فشاری در سنین مختلف نشان داد که مخلوط %15 متاکائولن نه‌تنها در سن 28 روزه، بلکه در سنین زودهنگام (7 روز) و بلندمدت (90 روز) عملکرد بهتری دارد که بیانگر واکنش‌پذیری پوزولانی مطلوب و توسعه مناسب ریزساختار در بلندمدت است. کاهش جذب آب نیز نشان‌دهنده نفوذپذیری کم‌تر به یون‌های مهاجم و در نتیجه کاهش تخریب در طول زمان می‌باشد. تحلیل تنش-کرنش نشان داد که نمونه‌های حاوی متاکائولن دارای سختی (مدول الاستیسیته) بالاتری هستند که نشان‌دهنده مقاومت بیشتر بتن در برابر تغییر شکل‌های ناگهانی تحت بارهای متناوب است.نتیجه گیری: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، می‌توان نتیجه گرفت که استفاده بهینه از 15% متاکائولن نه‌تنها خواص مکانیکی و دوام بتن خودتراکم را در برابر حمله یون‌های سولفات بهبود می‌بخشد، بلکه نقش مهمی در کاهش آلودگی زیست‌محیطی از طریق کاهش مصرف سیمان ایفا می‌کند. استفاده از متاکائولن با رویکردهای توسعه پایدار همسو بوده و می‌تواند عمر مفید سازه‌ها را در شرایط محیطی سخت افزایش دهد.

experimental analysis of durability and mechanical behavior of self-compacting concrete containing metakaolin in sulfate environments in order to reduce cement consumption and protect environment

in recent years, the construction industry has been recognized as one of the largest consumers of natural resources and producers of greenhouse gases. one of the most important materials used in this industry is portland cement, the production of which consumes significant amounts of energy and emits carbon dioxide (co₂) one of the main greenhouse gases into the atmosphere. this issue not only affects air quality and human health but also accelerates global warming and climate change. moreover, cement production relies heavily on raw materials such as limestone and clay, and excessive extraction of these materials leads to depletion of non-renewable natural resources and threatens environmental sustainability. this study aimed to investigate the effect of partially replacing cement with metakaolin in self-compacting concrete (scc) and to evaluate the performance of this concrete in sulfate-rich corrosive environments. for this purpose, scc samples were prepared with three different metakaolin replacement levels: 5%, 15%, and 25% by weight of cement. to simulate corrosive environmental conditions, samples were exposed to four sulfate solutions containing sulfate ions from sodium sulfate (na₂so₄), magnesium sulfate (mgso₄), calcium sulfate (caso₄), and ammonium sulfate ((nh₄)₂so₄). these sulfate ions were selected due to their destructive effects on concrete structures, particularly in industrial and marine environments, to accurately assess the concrete's resistance under realistic conditions. laboratory results demonstrated that incorporating metakaolin significantly improved the characteristics of self-compacting concrete. among the tested samples, the mixture containing 15% metakaolin exhibited the best performance. this mixture showed a notable increase in compressive strength compared to the control sample (without metakaolin). additionally, water absorption decreased, indicating reduced porosity and increased density of the concrete microstructure. sem images confirmed greater cohesion and fewer voids within the internal structure of the concrete. the 15% metakaolin concrete also exhibited higher resistance to sulfate environments, particularly against magnesium and ammonium ions, with less surface deterioration and cracking observed. furthermore, the partial replacement of cement with metakaolin reduced the co₂ emissions associated with concrete production, contributing effectively to minimizing the environmental impact of this widely used construction material. compressive strength tests at various ages showed that the 15% metakaolin mixture performed better not only at 28 days but also at early (7 days) and late (90 days) stages, indicating good pozzolanic reactivity and long-term microstructural development. reduced water absorption also implies lower permeability to aggressive ions, thereby decreasing long-term degradation. stress–strain analysis showed that metakaolin-containing samples had higher stiffness (elastic modulus), reflecting increased concrete hardness and resistance to sudden deformations under cyclic loads. based on the obtained results, it can be concluded that the optimal use of 15% metakaolin not only enhances the mechanical properties and durability of self-compacting concrete against sulfate ion attack but also plays a significant role in reducing environmental pollution by lowering cement consumption. the use of metakaolin aligns with sustainable development approaches, potentially extending the service life of structures under harsh environmental conditions.