مصالح و سازه های بتنی

مصالح و سازه های بتنی

بهینه‌سازی سه‌هدفه خواص مکانیکی و دوامی خمیر سیمانی‌های ژئوپلیمری با استفاده از الگوریتم NSGA-III و مقایسه با سیمان پرتلند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی ارشد، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی شریف
2 دانشجوی ارشد، دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
3 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
چکیده
با توجه به چالش‌های زیست‌محیطی ناشی از تولید سیمان پرتلند، توسعه و بهبود خواص سیمان‌های ژئوپلیمری به عنوان جایگزینی پایدار، مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، بهینه‌سازی سه‌هدفه خواص مکانیکی و دوام خمیر سیمان‌های ژئوپلیمری، شامل مقاومت فشاری 28 روزه، عمق نفوذ کربناسیون و جذب آب مویینه، با استفاده از الگوریتم NSGA-III مورد بررسی قرار گرفت. داده‌های آزمایشگاهی شامل 27 مخلوط ژئوپلیمری که با استفاده از رس کلسینه، سرباره و سه محلول‌ فعال‌ساز مختلف (سدیم هیدروکسید (NO)، سدیم کربنات (NC) و سدیم سیلیکات (WG)) تولید شده بودند، به‌عنوان ورودی استفاده شدند. سه متغیر تصمیم در این پژوهش عبارتند از نوع ماده فعال‌ساز، نسبت محلول فعال‌ساز به ماده پایه و درصد جایگزینی رس کلسینه با سرباره می‌باشند. با بهینه‌سازی چندهدفه چهار ترکیب بهینه از میان داده‌های آزمایشگاهی استخراج گردید. در همه ترکیبات نسبت جامد محلول فعال‌ساز به ماده پایه برابر با 0.1 بدست آمده است. ترکیب اول حاوی سدیم هیدروکسید با 1.5 درصد جایگزینی رس کلسینه بوده و مقاومت فشاری 25.05 مگاپاسکال، عمق نفوذ کربناسیون 10.58 میلی‌متر و جذب آب مویینه ×10-7 (mm/s0.5) 938 را نشان داده است. ترکیب دوم، با مشخصاتی مشابه ولی با 1 درصد جایگزینی رس کلسینه، کمترین عمق نفوذ کربناسیون معادل 10.07 میلی‌متر را داشته است. ترکیب سوم، حاوی سدیم سیلیکات، بالاترین مقاومت فشاری معادل 63.35 مگاپاسکال و همچنین کمترین میزان جذب آب مویینه معادل×10-7 (mm/s0.5) 195 را ثبت کرده است. این ترکیب به دلیل ساختار متراکم‌تر و واکنش‌های ژئوپلیمریزاسیون بهینه، عملکرد بهتری نسبت به سایر ترکیبات داشته است. ترکیب چهارم حاوی سدیم هیدروکسید و با 2 درصد جایگزینی رس کلسینه، مقاومت فشاری 25.50 مگاپاسکال و جذب آب مویینه ×10-7 (mm/s0.5) 948 را نشان داده است. در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی، ترکیبات ژئوپلیمری بهینه‌شده در برخی موارد، به‌ویژه در مقاومت فشاری و عمق نفوذ کربناسیون، عملکردی مطلوب ارائه نمودند. بااین‌حال، میزان جذب آب مویینه در این ترکیبات بیشتر بوده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Three-objective optimization of mechanical and durability properties of geopolymer cement pastes using NSGA-III algorithm and comparison with Portland cement

نویسندگان English

Ali Eslamifar 1
Amir Ramezani 2
Faramarz Moodi 3
1 Master's Student, Department of Civil and Environmental Engineering, Sharif University of Technology
2 Master's Student, Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology
3 Associate Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Considering the environmental challenges associated with Portland cement production, developing and enhancing the properties of geopolymer cement as a sustainable alternative has attained significant attention. This study investigates the three-objective optimization of mechanical and durability properties of geopolymer cement paste, including 28-day compressive strength, carbonation depth, and capillary water absorption, using the NSGA-III algorithm. Experimental data from 27 different geopolymer mixtures, produced using calcined clay, slag, and three activators (sodium hydroxide (NO), sodium carbonate (NC), and sodium silicate (WG)), served as inputs. The three decision variables in this study are the type of activator, the ratio of activator solution to precursor material, and the percentage replacement of calcined clay with slag. Through multi-objective optimization, four optimal mixtures were extracted from the experimental data. In all combinations, the ratio of solid activator solution to precursor material was determined to be 0.1. The first mixture, containing sodium hydroxide with 1.5% calcined clay replacement, exhibited a compressive strength of 25.05 MPa, carbonation depth of 10.58 mm, and capillary water absorption of 938×10⁻⁷ (mm/s0.5). The second mixture, with similar characteristics but 1% calcined clay replacement, demonstrated the lowest carbonation depth of 10.07 mm. The third mixture, containing sodium silicate, recorded the highest compressive strength of 63.35 MPa and the lowest capillary water absorption of 195×10⁻⁷ (mm/s0.5). This composition showed superior performance due to its denser structure and optimized geopolymerization reactions. The fourth mixture, containing sodium hydroxide with 2% calcined clay replacement, exhibited a compressive strength of 25.50 MPa and capillary water absorption of 948×10⁻⁷ (mm/s0.5). Compared to ordinary Portland cement, the optimized geopolymer mixtures provided desirable performance in certain aspects, particularly in compressive strength and carbonation resistance. However, their capillary water absorption remained higher.

کلیدواژه‌ها English

Geopolymer
Three-objective optimization
NSGA-III
Compressive strength
Durability
Carbonation

  • تاریخ دریافت 12 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 13 فروردین 1404
  • تاریخ پذیرش 14 فروردین 1404