A constitutive model for fly ash-based geopolymer concrete

• Autorzy: Sarker P.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The conventional binding agent in concrete is Ordinary Portland cement (OPC). However, cement production is highly energy-intensive and involved in CO₂ emission to the atmosphere. Therefore, it is important to search for alternative low-emission binder for concrete in order to reduce the environmental impact caused by the production of cement. Geopolymer, also known as inorganic polymer, is an alternative binder that uses by-product material such as fly ash instead of cement. Recent research has shown that fly ash-based geopolymer concrete has suitable properties for its use as a construction material. Since the strength development mechanism of geopolymer is different from that of OPC, it is necessary to obtain a suitable constitutive model for geopolymer concrete. This paper has investigated the suitability of using an existing constitutive model originally proposed by Popovics for OPC concrete. It was found that the equation of Popovics can be used for geopolymer concrete with minor modification to the expression for the curve fitting factor. The modified expression provided better correlation between the experimental and calculated stress-strain curves. The modified constitutive model was then incorporated into a nonlinear analysis for reinforced concrete columns. A good correlation was achieved between the experimental and analytical ultimate loads and corresponding deflections for twelve slender test columns. This shows the suitability of using the modified constitutive model for geopolymer concrete to analyse structural members.

PL

Konwencjonalnym spoiwem betonu jest Cement Portlandzki Zwykły (CPZ). Produkcja cementu jest procesem pochłaniającym dużo energii i wiąże się z emisją dwutlenku węgla do atmosfery. Dlatego tak ważne jest poszukiwanie alternatywnego, nisko-emisyjnego spoiwa do betonu w celu ograniczenia wpływu środowiskowego spowodowanego produkcją cementu. Geopolimer, znany również jako polimer nieorganiczny, jest spoiwem alternatywnym które zamiast cementu jako materiał wykorzystuje produkt uboczny w postaci popiołu lotnego. Niedawne badania pokazały że geopolimerowy beton na bazie popiołów lotnych posiada właściwości odpowiednie do wykorzystania go jako materiału konstrukcyjnego. Ponieważ mechanizm osiągania wytrzymałości geopolimeru jest inny niż dla Cementu Portlandzkiego Zwykłego (CPZ), należy uzyskać odpowiedni model konstytutywny dla betonu geopolimerowego. W artykule przeanalizowano istniejący model zaproponowany przez Popovicsa dla CPZ. Uznano, że równanie Popovicsa może zostać zastosowane dla betonu geopolimerowego z małą modyfikacją wyrażenia dotyczącego współczynnika dopasowania krzywej. Zmodyfikowane wyrażenie zapewniło lepszą współzależność pomiędzy krzywymi naprężnie - odkształcenie otrzymanymi z badań i obliczonymi. Następnie zmodyfikowany model konstytutywny zostal zastosowany do nieliniowej analizy słupów żelbetowych. Osiągnięto dobrą korelację pomiędzy doświadczalnymi i obliczeniowymi obciążeniami niszczącymi, a odpowiadającymi ugięciami dla dwunastu badanych smukłych slupów. Wskazuje to na właściwe wykorzystanie zmodyfikowanego modelu konstytutywnego dla betonu geopolimerowego do analizy elementów konstrukcyjnych.

Słowa kluczowe

EN

column strength; constitutive model; geopolymer concrete; fly ash; inorganic polymer concrete

PL

wytrzymałość słupa; model konstytutywny; beton geopolimerowy; popiół lotny

• Wydawca: Silesian University of Technology
• Czasopismo: Architecture Civil Engineering Environment
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 1, no. 4
• Strony: 113--120
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz.

Twórcy

autor

Sarker P.

• Department of Civil Engineering, Curtin University of Technology, Perth, WA 6845, Australia,

Bibliografia

• [1] Mehta, P. K.; Reducing the environmental impact of concrete. Concrete International, Vol.23, No. 10, 2001; p. 61-66,
• [2] Davidovits, J.; High-Alkali Cements for 21st Century Concretes. Concrete Technology Past, Present and Future, ACІ Special Publication, SP 144, 1994; p. 383-398
• [3] Hardjito, D., Wallah, S. E., Sumajouw, D. M. J., and Rangan, B. V.; On the Development of Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. ACІ Materials Journal, Vol.101, No.6, 2004; p. 467-47.
• [4] Hardjito, D., Wallah, S. E., Sumajouw, D. M. J. and Rangan, B. V.; Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. Australian Journal of structural Engineering, Vol.6, No.1, 2005; p. 77-86.
• [5] Rangan, B. V.; Studies on Low-calcium Fly Ash-based Geopolymer Concrete. Indian Concrete Institute Journal, October - December, 2006; p. 9-17.
• [6] Sarker, P. K.; Making Geopolymer Concrete using Sarawak Fly Ash. Proc., The First International Conference of Asian Concrete Federation, Chiang Mai, Thailand, October 28-29, 2004; p. 633-640.
• [7] Sarker, P. K., Grigg, A. and Chang, E. H. Bond Strength of Geopolymer Concrete with Reinforcing Steel, in Zingoni, A. (ed.), Recent Developments in Structural Engineering, Mechanics and Computation, CD ROM, Millpress, Rotterdam, the Netherlands. 2007; p. 1315-1320.
• [8] Sarker, P. K. and deMeillon, T.; Residual Strength of Geopolymer Concrete after Exposure to High Temperature, in Zingoni, A. (ed.), Recent Developments in Structural Engineering, Mechanics and Computation, CD ROM, Millpress, Rotterdam, the Netherlands, 2007; p. 1566-1571.
• [9] Sumajouw, D. M. J., Hardjito, D., Wallah, S. E., and Rangan, B. V. Fly Ash-Based Geopolymer Concrete: Study of Slender Columns. Journal of Materials Science, Vol.42, No.9, 2007; p. 3124-3130.
• [10] Fernandez-Jimenez, A. M., Palomo, A., and Lopez-Homhrados, C; Engineering Properties of Alkali-Activated Fly Ash Concrete. ACІ Materials Journal, Vol.103, No.2, 2006; p. 106-112.
• [11] Soft, M., van Deventer, J. S. J., Mendis, P. A., and Lukey, G. C; Engineering Properties of Inorganic Polymer Concretes (IPCs). Cement and Concrete Research Vol.37, 2007; p. 251-257.
• [12] Sofi, M., van Deventer, J. S. J., Mendis, P. A., and Lukey, G. C.; Bond Performance of Reinforcing Bars in Inorganic Polymer Concretes (IPCs). Journal of Materials Science, Vol.42, 2007; p. 3107-3116.
• [13] Hardjito, D., and Rangan, B.V.; Development and Properties of Low Calcium Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. Research Report GC1, Faculty of Engineering, Curtin University of Technology, Western Australia, 2005. (available at www.espace.ls.curtin.edu.au)
• [14] Hardjito, D., Wallah, S. E., Sumajouw, M. J., and Rangan, B. V.; The Stress-Strain Behaviour of Fly Ash-Based Geopolymer Concrete. Developments in Mechanics of Structures and Materials, A A Balkema Publishers, The Netherlands, 2005; p. 831-834.
• [15] Popovics, S.; A Numerical Approach to the Complete Stress-Strain Curve of Concrete. Cement and Concrete Research, Vol.3, 1973; p. 583-599.
• [16] Sarker, P K., and Rangan, B. V; Reinforced Concrete Columns under Unequal Load Eccentricities. ACІ Structural Journal, Vol.100, No.4, 2003; p. 519-528.
• [17] AS 1012.17; Determination of Static Chord Modulus of Elasticity and Poisson's Ratio of concrete Specimens. Standards Association of Australia, Sydney, Australia, 1997.
• [18] ACІ Committee 363; State of the Art of High Strength Concrete. American Concrete Institute, Detroit, USA, 1993.
• [19] AS 3600; Concrete Structures. Standards Association of Australia, Sydney, Australia, 2001.
• [20] Carrasquilla, R. L., Nilson, A. S., and Slate, F.O.; Properties of High Strength Concrete Subjected to Short Term Loads. ACІ Journal, Vol.78, 1981, p. 171-178.
• [21] Ahmad, S. H., and Shah, S. P.; Structural Properties of High Strength Concrete and Its Implication for Precast Pre-stressed Concrete. PCI Journal, Vol.30 1985; p. 92-119.
• [22] Thorenfeldt, E., Tomaszewicz, A. and Jensen, J. J.; Mechanical Properties of High Strength Concrete and Application in Design. Proceedings of the Symposium of on Utilization of high strength Concrete, Tapir, Trondheim, 1987; p. 149-159.
• [23] Collins, M. P., Mitchell, D.; Prestressed Concrete Structures. Prentiece-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1991; 766 p.
• [24] Collins, M. P., Mitchell, D., and MacGregor, J. G.; Structural Design Considerations for High-Strength Concrete. Concrete International, Vol.15, No.5, 1993-p. 27-34.
• [25] Pfrang, E. O., Siess, C P., and Sozen, M. A.; Load-Moment-Curvature Characristics of Reinforced Concrete Cross-Sections. ACІ Jorunal Proceedings, Vol.61, No.7, 1964; p. 763-777.
• [26] Warner, R. E, Rangan, B. V, Hall, A. S, and Faulkes, K. P.; Concrete Structures. Addison Wesley Longman, Australia, 1998.
• [27] Kilpalrick, A. E.; The Behaviour of High strength Composite Concrete Columns. PhD Thesis, Curtin University of Technology, Western Australia, 1996.
• [28] Sarker, P. K.; Study of High strength Concrete Columns. PhD Thesis, Curtin University of Technology, Western Australia, 2001, 262 p.