Thermal and mechanical properties of lightweight concrete with waste copper slag as fine aggregate

Jaskulski, Roman; Dolny, Piotr; Yakymechko, Yaroslav

doi:10.24425/ace.2021.138057

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Thermal and mechanical properties of lightweight concrete with waste copper slag as fine aggregate

Autorzy

Jaskulski Roman , Dolny Piotr , Yakymechko Yaroslav

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.138057

Warianty tytułu

Właściwości mechaniczne i cieplne betonu lekkiego z odpadowym żużlem pomiedziowym jako kruszywem lekkim

Języki publikacji

Abstrakty

The article presents the results of investigation of mechanical and thermal properties of lightweight concrete with waste copper slag as fine aggregate. The obtained results were compared with the results of concrete of the same composition in which natural fine aggregate (river sand) was used. The thermal properties tests carried out with the ISOMET 2114 device included determination of the following values: thermal conductivity coefficient, thermal volume capacity and thermal diffusivity. After determining the material density, the specific heat values were also calculated. The thermal parameters were determined in two states of water saturation: on fully saturated material and dried to constant mass at 65°C. Compressive strength, open porosity and bulk density are given as supplementary values. The results of the conducted research indicate that replacing sand with waste copper slag allows to obtain concrete of higher ecological values, with similar mechanical parameters and allowing to obtain significant energy savings in functioning of cubature structures made of it, due to a significantly lower value of thermal conductivity coefficient.

W badaniach opisanych w niniejszej pracy określono właściwości termiczne betonu lekkiego oraz jego właściwości mechaniczne (wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie). W części serii zamiast piasku jako kruszywo drobne zastosowano odpadowy żużel pomiedziowy, co umożliwiło określenie wpływu tego materiału na właściwości cieplne betonu lekkiego oraz ocenę, czy wpływ ten jest równie wyraźny jak w przypadku betonu zwykłego i ciężkiego. Zbadano również wpływ ilości użytego cementu (200 kg/m3 i 300 kg/m3) oraz stosunku woda/cement (0,50, 0,55 i 0,60). Wykonano łącznie dwanaście serii betonu. W sześciu z nich jako kruszywo drobne zastosowano piasek rzeczny, a w kolejnych sześciu zastąpiono go odpadowym żużlem pomiedziowym. Wymiany dokonano w stosunku masowym 1:1. Zastosowano cement portlandzki wieloskładniowy CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R. Kruszywo grube składało się z dwóch frakcji kruszywa lekkiego. Frakcją 4-8 mm był kruszywo Certyd, a frakcję 8-16 mm stanowił keramzyt. Całkowita ilość wody zastosowanej w recepturach uwzględniała chłonność kruszywa lekkiego, którą badano przed przygotowaniem receptur. Właściwości cieplne badano na próbkach o średnicy 150 mm i grubości ok. 25-30 mm. W celu zbadania właściwości betonu w dwóch różnych stanach granicznego nasycenia, część próbek przechowywano w wodzie do momentu przeprowadzenia badań, a pozostałą część umieszczono w suszarce w temperaturze 65°C do momentu osiągnięcia stabilnej masy. Wytrzymałość na ściskanie badano na kostkach 100 mm. Wpływ rodzaju zastosowanego kruszywa drobnego nie był w tym przypadku jednoznaczny, gdyż w przypadku połowy serii, wymiana piasku na odpadowy żużel pomiedziowy spowodowała wzrost wytrzymałości, a w przypadku pozostałych serii jej spadek. Określono również porowatość materiału. Analiza wyników wykazała, że zwiększa się ona wraz z ilością cementu w betonie i współczynnikiem w/c. Ponadto beton wykonany z wykorzystaniem odpadowego żużla pomiedziowego wykazuje nieco wyższą porowatość niż beton wykonany z wykorzystaniem piasku o tych samych pozostałych parametrach (stosunek w/c i ilość cementu). Właściwości cieplne zmierzono metodą niestacjonarną za pomocą urządzenia ISOMET 2114 wyposażonego w sondę powierzchniową. Uzyskane wartości właściwości cieplnych poddano analizie statystycznej. Ze względu na dużą ilość danych analizę ograniczono do jednoczynnikowej analizy wariancji (ANOVA). Ponieważ w przypadku każdego z rozpatrywanych wariantów analiza wykazała, że otrzymane różnice między seriami są istotne statystycznie, przeprowadzono następnie analizę post hoc. Niezależnie od wymienionych powyżej czynników różnicujących poszczególne serie analizie poddano również wartości otrzymane w przypadku próbek nasyconych wodą i wysuszonych do stałej masy. Wyniki badania współczynnika przewodności cieplnej wskazują na istotne różnice w wartościach tego parametru w zależności od nasycenia betonu. Próbki wysuszone charakteryzują się niższą wartością współczynnika przewodnictwa cieplnego. Większe zróżnicowanie tego parametru w zależności od poziomu nasycenia betonu wodą dało się zaobserwować w przypadku serii z wykorzystaniem piasku. W tej grupie nie ma również korelacji pomiędzy porowatością a zróżnicowaniem wyników uzyskanych na próbkach nasyconych i wysuszonych. Serie betonu wykonane z wykorzystaniem odpadowego żużla pomiedziowego wykazują korelację pomiędzy spadkiem przewodności cieplnej a porowatością. Korelacja ta jest jednak przeciwna od tej, jakiej należałoby się spodziewać. Wraz ze wzrostem porowatości zmniejsza się wpływ stanu nasycenia próbek.

Słowa kluczowe

lightweight concrete waste material copper slag fine aggregate thermal properties mechanical properties sustainable material building material

beton lekki materiał odpadowy żużel pomiedziowy kruszywo drobne właściwości cieplne właściwości mechaniczne materiał ekologiczny materiał budowlany

Wydawca

Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej

Czasopismo

Archives of Civil Engineering

Rocznik

2021

Tom

Vol. 67, nr 3

Strony

299--318

Opis fizyczny

Bibliogr. 52 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Jaskulski Roman

roman.jaskulski@pw.edu.pl

Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Płock, Poland

https://orcid.org/0000-0002-2318-9323

autor

Dolny Piotr

piotr.dolny@pw.edu.pl

Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Płock, Poland

https://orcid.org/0000-0002-5384-9257

autor

Yakymechko Yaroslav

yaroslav.yakymechko@pw.edu.pl

Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Płock, Poland

https://orcid.org/0000-0002-4406-0094

Bibliografia

[1] L.H. Hawkins, “The influence of air ions, temperature and humidity on subjective wellbeing and comfort”, Journal of Environmental Psychology 1: pp. 279-292, 1981. https://doi.org/10.1016/S0272-4944(81)80026-6
[2] U. Franck, M. Krüger, N. Schwarz, K. Grossmann, S. Röder, U. Schlink, “Heat stress in urban areas: Indoor and outdoor temperatures in different urban structure types and subjectively reported well-being during a heat wave in the city of Leipzig”, Meteorologische Zeitschrift 22: pp. 167-177, 2013. https://doi.org/10.1127/0941-2948/2013/0384
[3] L. Pérez-Lombard, J. Ortiz, C. Pout, “A review on buildings energy consumption information”, Energy and Buildings 40: 394-398, 2008. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.03.007
[4] H. Oktay, R. Yumrutaş, A. Akpolat, “Mechanical and thermophysical properties of lightweight aggregate concretes”, Construction and Building Materials 96: pp. 217-225, 2015. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.08.015
[5] D. Chwieduk, “Prospects for low energy buildings in Poland", Renewable Energy 16: pp. 1196-1199, 1999. https://doi.org/10.1016/S0960-1481(98)00472-8
[6] R. Baetens, B.P. Jelle, A. Gustavsen, “Aerogel insulation for building applications: A state-of-the-art review”, Energy and Buildings 43: pp. 761-769, 2011. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2010.12.012
[7] A. Soleimani Dorcheh, M.H. Abbasi, “Silica aerogel; synthesis, properties and characterization”, Journal of Materials Processing Technology 199: 10-26, 2008. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.10.060
[8] K. Prałat, W. Kubissa, R. Jaskulski, J. Ciemnicka, “Influence of selected micro additives content on thermal properties of gypsum”, Architecture Civil Engineering Environment 12: pp. 69-79, 2019. https://doi.org/10.21307/ACEE-2019-037
[9] S. Ng, B.P. Jelle, L.I.C. Sandberg, T. Gao, Ó.H. Wallevik, “Experimental investigations of aerogel-incorporated ultra-high performance concrete”, Construction and Building Materials 77: pp. 307-316, 2015. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.12.064
[10] J. Strzałkowski, H. Garbalińska, “Thermal and strength properties of lightweight concretes with the addition of aerogel particles”, Advances in Cement Research 28: pp. 567-575, 2016. https://doi.org/10.1680/jadcr.16.00032
[11] M.G. Gomes, I. Flores-Colen, F. da Silva, M. Pedroso, “Thermal conductivity measurement of thermal insulating mortars with EPS and silica aerogel by steady-state and transient methods”, Construction and Building Materials 172: pp. 696-705, 2018. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.03.162
[12] C. Buratti, E. Moretti, E. Belloni, F. Agosti, “Development of Innovative Aerogel Based Plasters: Preliminary Thermal and Acoustic Performance Evaluation”, Sustainability 6: pp. 5839-5852, 2014. https://doi.org/10.3390/su6095839
[13] K. Łuczaj, P. Urbańska, „Certyd - nowe, lekkie, wysokowytrzymałe kruszywo spiekane”, Materiały Budowlane 1: pp. 44-47, 2015. https://doi.org/10.15199/33.2015.12.13
[14] P. Olszak, „Lekkie kruszywa CERTYD - unikatowym wyrobem budowlanym”, Kruszywa: Produkcja - Transport - Zastosowanie 5: pp. 38-42, 2016.
[15] Z. Suchorab, D. Barnat-Hunek, M. Franus, G. Łagód, “Mechanical and Physical Properties of Hydrophobized Lightweight Aggregate Concrete with Sewage Sludge”, Materials 9: p. 317, 2016. https://doi.org/10.3390/ma9050317
[16] A. Bouguerra, A. Ledhem, F. de Barquin, R.M. Dheilly, M. Quéneudec, “Effect of microstructure on the mechanical and thermal properties of lightweight concrete prepared from clay, cement, and wood aggregates”, Cement and Concrete Research 28: pp. 1179-1190, 1998. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(98)00075-1
[17] D.K. Panesar, “Cellular concrete properties and the effect of synthetic and protein foaming agents”, Construction and Building Materials 44: pp. 575-584, 2013. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.03.024
[18] F.J. Blanco, P. Garciéa, P. Mateos, J.M. Ayala, “Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres”, Cement and Concrete Research 30: pp. 1715-1722, 2000. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(00)00357-4
[19] T. Lecompte, P. Le Bideau, P. Glouannec, D. Nortershauser, S. Le Masson, “Mechanical and thermo-physical behaviour of concretes and mortars containing phase change material”, Energy and Buildings 94: pp. 52-60, 2015. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.02.044
[20] V.D. Cao, S. Pilehvar, C. Salas-Bringas, A.M. Szczotok, J.F. Rodriguez, M. Carmona, N. Al-Manasir, A.-L. Kjøniksen, “Microencapsulated phase change materials for enhancing the thermal performance of Portland cement concrete and geopolymer concrete for passive building applications”, Energy Conversion and Management 133: pp. 56-66, 2017. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.11.061
[21] N.P. Sharifi, A. Sakulich, “Application of phase change materials to improve the thermal performance of cementitious material”, Energy and Buildings 103: pp. 83-95, 2015. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.06.040
[22] P. Sukontasukkul, P. Uthaichotirat, T. Sangpet, K. Sisomphon, M. Newlands, A. Siripanichgorn, P. Chindaprasirt, “Thermal properties of lightweight concrete incorporating high contents of phase change materials”, Construction and Building Materials 207: pp. 431-439, 2019. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.152
[23] P. Bamonte, A. Caverzan, N. Kalaba, M. Lamperti Tornaghi, “Lightweight Concrete Containing Phase Change Materials (PCMs): A Numerical Investigation on the Thermal Behaviour of Cladding Panels”, Buildings 7: p. 35, 2017. https://doi.org/10.3390/buildings7020035
[24] M. Kheradmand, J. Castro-Gomes, M. Azenha, P.D. Silva, J.L.B. de Aguiar, S.E. Zoorob, “Assessing the feasibility of impregnating phase change materials in lightweight aggregate for development of thermal energy storage systems”, Construction and Building Materials 89: pp. 48-59, 2015. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.04.031
[25] P. Suttaphakdee, N. Dulsang, N. Lorwanishpaisarn, P. Kasemsiri, P. Posi, P. Chindaprasirt, “Optimizing mix proportion and properties of lightweight concrete incorporated phase change material paraffin/recycled concrete block composite”, Construction and Building Materials 127: pp. 475-483, 2016. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.10.037
[26] R. Ji, Y. He, Z. Zhang, L. Liu, X. Wang, “Preparation and modeling of energy-saving building materials by using industrial solid waste”, Energy and Buildings 97: 6-12, 2015. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.02.015
[27] Ł. Majewski, R. Jaskulski, W. Kubissa, Influence of partial replacement of sand with copper slag on the thermal properties of hardened concrete, in: Selected Papers of the 13th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques”, 16-17 May, 2019, Vilnius, Lithuania, 2019: pp. 94-101. https://doi.org/10.3846/mbmst.2019.131
[28] R. Jaskulski, P. Reiterman, W. Kubissa, Investigation of thermal properties of concrete with recycled aggregate and concrete with copper slag and supplementary cementing materials, in: I. Hager (Ed.), Energy Efficient, Sustainable Building Materials and Products, Cracow University of Technology, Cracow, 2017: pp. 283-302.
[29] W. Kubissa, R. Jaskulski, D. Gil, I. Wilińska, “Holistic Analysis of Waste Copper Slag Based Concrete by Means of EIPI Method”, Buildings 10: 1, 2019. https://doi.org/10.3390/buildings10010001
[30] R. Jaskulski, W. Kubissa, Mechanical properties of copper slag waste based CLSM mixtures, in: Selected Papers of the 13th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques”, 16-17 May, 2019, Vilnius, Lithuania, Vilnius, Lithuania, 2019: pp. 67-73. https://doi.org/10.3846/mbmst.2019.021
[31] W. Kubissa, R. Jaskulski, “Improving of concrete tightness by using surface blast-cleaning waste as a partial replacement of fine aggregate”, Periodica Polytechnica Civil Engineering 63: pp. 1193-1203, 2019. https://doi.org/10.3311/PPci.14512
[32] W. Kubissa, R. Jaskulski, J. Szpetulski, A. Gabrjelska, E. Tomaszewska, Utilization of fine recycled aggregate and the calcareous fly ash in CLSM manufacturing, in: Advanced Materials Research, 2014: pp. 199-204. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1054.199
[33] R. Jaskulski, W. Kubissa, Lightweight concrete with copper slag waste as sand substitution, in: MATEC Web of Conferences, 2018. https://doi.org/10.1051/matecconf/201816303006
[34] W. Kubissa, R. Jaskulski, T. Simon, “Surface blast-cleaning waste as a replacement of fine aggregate in concrete”, Architecture Civil Engineering Environment 3: pp. 89-94, 2017. https://doi.org/10.21307/acee-2017-038
[35] R. Siddique, M. Singh, M. Jain, “Recycling copper slag in steel fibre concrete for sustainable construction”, Journal of Cleaner Production, 122559, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122559
[36] K. Murari, R. Siddique, K.K. Jain, “Use of waste copper slag, a sustainable material”, Journal of Material Cycles and Waste Management 17: pp. 13-26, 2015. https://doi.org/10.1007/s10163-014-0254-x
[37] S.K. Kirthika, S.K. Singh, A. Chourasia, “Alternative fine aggregates in production of sustainable concrete- A review”, Journal of Cleaner Production, 122089, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122089
[38] C. Tasdemir, O. Sengul, M.A. Tasdemir, “A comparative study on the thermal conductivities and mechanical properties of lightweight concretes”, Energy and Buildings 151: pp. 469-475, 2017. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.07.013
[39] K. Lo-shu, S. Man-qing, S. Xing-sheng, L. Yun-xiu, “Research on several physico-mechanical properties of lightweight aggregate concrete”, International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete 2: pp. 185-191, 1980. https://doi.org/10.1016/0262-5075(80)90036-6
[40] S.E. Gustafsson, “A Non-Steady-State Method of Measuring the Thermal Conductivity of Transparent Liquids”, Zeitschrift Für Naturforschung A 22: pp. 1005-1011, 1967. https://doi.org/10.1515/zna-1967-0704
[41] S.E. Gustafsson, “Transient plane source techniques for thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of solid materials”, Review of Scientific Instruments 62: pp. 797-804, 1991. https://doi.org/10.1063/1.1142087
[42] M.G. Gomes, I. Flores-Colen, H. Melo, A. Soares, “Physical performance of industrial and EPS and cork experimental thermal insulation renders”, Construction and Building Materials 198: pp. 786-795, 2019. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.11.151
[43] N. Latroch, A.S. Benosman, N.-E. Bouhamou, Y. Senhadji, M. Mouli, “Physico-mechanical and thermal properties of composite mortars containing lightweight aggregates of expanded polyvinyl chloride”, Construction and Building Materials 175: pp. 77-87, 2018. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.173
[44] M. Záleská, M. Pavlíková, J. Pokorný, O. Jankovský, Z. Pavlík, R. Černý, “Structural, mechanical and hygrothermal properties of lightweight concrete based on the application of waste plastics”, Construction and Building Materials 180: pp. 1-11, 2018. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.05.250
[45] R. Jaskulski, M.A. Glinicki, W. Kubissa, M. Dąbrowski, “Application of a non-stationary method in determination of the thermal properties of radiation shielding concrete with heavy and hydrous aggregate”, International Journal of Heat and Mass Transfer 130: pp. 882-892, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.07.050
[46] R. Jaskulski, W. Kubissa, P. Reiterman, O. Holčapek, Thermal properties of heavy concrete for small pre-cast shielding elements, in: Special Concrete and Composites 2019: 16th International Conference, 2020: p. 20011. https://doi.org/10.1063/5.0000358
[47] H. Uysal, R. Demirboğa, R. Şahin, R. Gül, “The effects of different cement dosages, slumps, and pumice aggregate ratios on the thermal conductivity and density of concrete”, Cement and Concrete Research 34: pp. 845-848, 2004. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2003.09.018
[48] J. Kuterasińska, A. Król, „Żużel pomiedziowy jako surowiec w produkcji alkalicznie aktywowanych spoiw żużlowych”, Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych 7: pp. 21-36, 2014.
[49] P. Gambal, Wpływ struktury żużla pomiedziowego z pieca elektrycznego na wybrane cechy matrycy cementowej, Politechnika Poznańska, 2013.
[50] L. Janecka, B. Weryński, „Wykorzystanie odpadu przemysłowego - zużytego ścierniwa POLGRIT do produkcji cementu”, Prace Instytutu Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych I Budowlanych 1: pp. 39-50, 2008.
[51] J. Rzechuła, Gospodarcze wykorzystanie odpadowego ścierniwa z żużla pomiedziowego, in: A. Łuszczkiewicz (Ed.), Fizykochemiczne Problemy Mineralurgii, Z. 28, Politechnika Wrocławska, Wrocław, 1994: pp. 207-218.
[52] A. Duszyński, W. Jasiński, A. Pryga-Szulc, „Aggregates from granulated copper slag as a component for road construction mixtures”, Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego pp. 85-92, 2017. https://doi.org/10.5604/01.3001.0010.0074

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-c254dfaa-8c4f-46c8-a3b6-8a6d5670f339