Service life and life cycle assessment of reinforced concrete systems with limestone calcined clay cement (LC3)

1.  مقدمه

• پس‌زمینه: خوردگی ناشی از کلرایدها یکی از دلایل اصلی تخریب سازه‌های بتنی مسلح است و هزینه‌های زیادی به همراه دارد. استفاده از مواد افزودنی سیمانی مانند خاکستر پرواز (PFA) می‌تواند دوام بتن را افزایش داده و ردپای کربن آن را کاهش دهد.
• هدف‌ها: هدف این مطالعه بررسی عملکرد سیمان LC3 در افزایش عمر مفید سازه‌های بتنی در معرض کلرایدها و مقایسه تأثیرات زیست‌محیطی آن با سیمان پرتلند معمولی (OPC) و بتن‌های حاوی خاکستر پرواز است.

2. برآورد عمر مفید

• عمر مفید به دو مرحله تقسیم می‌شود:
  • مرحله آغاز (زمان شروع خوردگی)
  • مرحله گسترش (زمانی که ساختار دچار خرابی می‌شود)
• پارامترهای مؤثر در عمر مفید عبارتند از ضریب نفوذ کلراید (Dcl)، ضریب پیری (m)، عمق پوشش بتن و حد آستانه کلراید (Clth).

3. مواد و ترکیب‌ها

• در این تحقیق، هفت ترکیب مختلف از دو دسته مقاومت (M35 و M50) از سه نوع سیمان مقایسه شده‌اند:
  • سیمان پرتلند معمولی (OPC)
  • سیمان پرتلند معمولی ترکیب‌شده با خاکستر بادی (PFA)
  • سیمان LC3 (سیمان، خاک رس کلسینه‌شده و آهک)
• ترکیب شیمیایی و نسبت‌های مخلوط این مواد در تحقیق به‌دقت بررسی شده‌اند.

4. نفوذ کلراید و پیری

• ضریب نفوذ کلراید با استفاده از قانون دوم فیک محاسبه شده است. این محاسبات نشان می‌دهند که نرخ نفوذ کلراید در بتن‌های PFA و LC3 کمتر از OPC است.
• ضریب پیری نشان‌دهنده کاهش نفوذ کلراید در طول زمان است که نشان می‌دهد تکامل ریزساختار در سیمان‌های OPC کندتر از PFA و LC3 است.

5. حد آستانه کلراید و برآورد عمر مفید

• با استفاده از نمونه‌های آزمایشی “لاب‌پاپ” (lollipop-type specimens)، حد آستانه کلراید برای ترکیب‌های مختلف تعیین شده است.
• برآورد عمر مفید به‌صورت احتمالاتی انجام شده است که نشان می‌دهد بتن‌های حاوی PFA و LC3 نسبت به OPC عمر مفید بیشتری دارند.

6. ارزیابی چرخه عمر (LCA)

• در این تحقیق، ارزیابی چرخه عمر (LCA) برای محاسبه انتشار CO₂ مرتبط با هر یک از مخلوط‌های بتنی انجام شده است.
• انتشار CO₂ عمدتاً از تولید چسباننده‌ها (Cement) ناشی می‌شود که سیمان LC3 به دلیل ترکیب خود، انتشار CO₂ کمتری نسبت به OPC دارد.

7. نتایج

• نفوذ کلراید: تفاوت‌های واضحی در نرخ نفوذ کلراید میان انواع مختلف بتن‌ها مشاهده شد؛ بتن‌های حاوی PFA و LC3 مقاومت بهتری در برابر نفوذ کلراید نشان دادند.
• عمر مفید: عمر مفید تخمینی برای سازه‌هایی که با PFA و LC3 ساخته شده‌اند، به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از سازه‌هایی است که با OPC ساخته شده‌اند.
• ردپای کربن (CO₂): مخلوط‌های LC3 و PFA ردپای کربن بسیار کمتری نسبت به OPC دارند و این نشان‌دهنده یک گزینه پایدارتر برای تولید بتن است.

8. مطالعات موردی

• دو مطالعه موردی (یک تیر پل و پایه پل) برای بررسی تأثیر نوع چسباننده بر عمر مفید و انتشار CO₂ انجام شده است.
• تحلیل‌ها نشان می‌دهند که بتن‌های ساخته‌شده با LC3 یا PFA می‌توانند عمر مفید طولانی‌تر و انتشار CO₂ کمتری نسبت به بتن‌های ساخته‌شده با OPC داشته باشند.

9. نتیجه‌گیری‌ها

• استفاده از سیمان LC3 می‌تواند مقاومت به نفوذ کلراید را بهبود بخشیده و همچنین انتشار CO₂ کمتری نسبت به سیستم‌های سیمان OPC داشته باشد.
• مطالعه از ضرورت جایگزینی سیمان OPC با LC3 برای تولید سازه‌های بتنی پایدارتر که هم دوام بیشتری دارند و هم اثرات زیست‌محیطی کمتری دارند، حمایت می‌کند.

یافته‌های کلیدی

• استفاده از سیمان‌های ترکیبی شامل LC3 و PFA می‌تواند دوام و عمر مفید بتن را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد و در عین حال ردپای کربن را نسبت به ترکیب‌های سیمان پرتلند معمولی کاهش دهد.
• تحلیل کلی نشان می‌دهد که انتقال به مصالح ساختمانی پایدارتر که اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهند، یک مسیر ضروری در آینده ساخت‌و‌ساز است.