پیش‌بینی رفتار فشاری ملات سیمان پوزولانی با استفاده از مدل‌سازی ترکیبی ترمودینامیکی و عددی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
1 استادیار گروه عمران دانشگاه امام حسین (ع)
2 دانشکده عمران دانشگاه سمنان
10.48311/mcej.2026.122441.82937
چکیده
استفاده از مواد پوزولانی می‌تواند مصرف سیمان را کاهش داده و مشخصات مصالح سیمانی را ارتقا دهد. در این پژوهش، یک رویکرد ترمودینامیکی-عددی کوپل‌شده با استفاده از نرم‌افزار GEMS و روش المان مجزا (DEM) برای پیش‌بینی ویژگی‌های هیدراتاسیون و رفتار فشاری ملات‌های سیمان پوزولانی حاوی زئولیت، پومیس و میکروسیلیس توسعه داده شده است. مدل‌سازی ترمودینامیکی با در نظر گرفتن ترکیبات شیمیایی سیمان و پوزولان‌ها، شرایط محیطی و نسبت‌های مخلوط، به‌منظور تعیین محصولات هیدراتاسیون، مجموعه فازهای تشکیل‌شده و pH محلول حفره‌ای در سنین مختلف انجام شده است. سپس، با استفاده از روابط مربوط به خواص مکانیکی خمیر سیمان و ناحیه انتقال بین‌سطحی (ITZ) خمیر و سنگ‌دانه، خواص مکانیکی این نواحی تعیین شده و به‌عنوان پارامترهای ورودی مدل DEM به کار گرفته شده‌است. نتایج ترمودینامیکی نشان داد که افزایش مقدار پوزولان موجب کاهش pH محلول حفره‌ای و افزایش مقدار C–S–H تا جایگزینی 15 درصد شده است. رویکرد ترمودینامیکی-عددی، مقاومت فشاری را با خطای میانگین 77/5 و 32/4 درصد به‌ترتیب در سنین 7 و 28 روز پیش‌بینی کرد و مقادیر MAE،RMSE و R² به‌ترتیب 52/1 مگاپاسکال، 73/1 مگاپاسکال و 95/0 نسبت به نتایج آزمایشگاهی به‌دست آمده است. مدل DEM همچنین الگوی گسیختگی آزمایشگاهی و پاسخ تنش–کرنش فشاری را شبیه‌سازی کرده است؛ به‌طوری‌که خطای کرنش نهایی، کرنش و مقاومت فشاری حداکثری به‌ترتیب حدود 8، 10 و 3 درصد و اختلاف جذب انرژی حدود 3 درصد به‌دست آمده است. منحنی تنش-کرنش فشاری شبیه‌سازی‌شده تطابق مناسبی با نتایج آزمایشگاهی و روابط نشان داده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Prediction of the Compressive Mechanical Behavior of Pozzolanic Cement Mortar Using a Coupled Thermodynamic–Numerical Modeling Approach

نویسندگان English

Mohammad Fayyaz 1
Reza ArabSarhangi 2
1 assistant professor at civil engineering faculty in Imam Hussain university
2 University of Semnan, Department of Civil Eng..
چکیده English

The use of pozzolanic materials, such as fly ash, microsilica, zeolite, and pumice, can reduce cement consumption and enhance the sustainability of cement-based materials. These materials influence cement hydration, setting time, and mechanical properties depending on their chemical composition and reactivity. Thermodynamic modeling using GEMS and the CEMDATA database enables the prediction of stable phases and hydration products. However, thermodynamic models cannot directly capture mesoscopic mechanical behavior, aggregate geometry, the interfacial transition zone (ITZ), or crack initiation and propagation. The Discrete Element Method (DEM) provides a complementary numerical approach for simulating the mesostructure of cement mortar and the mechanical interactions among its constituent phases. It also enables the investigation of nonlinear behavior, fracture, and crack development under loading. Therefore, this study combines thermodynamic modeling with DEM to establish a link between hydration characteristics, microstructural evolution, and the mesoscopic mechanical response of pozzolanic cement mortars, with particular emphasis on predicting compressive strength.

In this study, cement mortar mixtures consisting of a reference mixture and mixtures containing specified amounts of zeolite, pumice, and microsilica were prepared and investigated. First, thermodynamic hydration modeling was performed based on the chemical composition of cement and pozzolans, environmental conditions, and dissolved species. The hydration products, amounts of hydrated phases, and pH of the system were determined at different ages. Based on the modeling results, the mechanical properties of the cement paste and interfacial transition zone (ITZ) were subsequently determined. The effect of pozzolan content on the setting time was also investigated. In the second stage, the mechanical properties obtained from the thermodynamic model were used as input parameters for the discrete element model. Cubic mortar specimens were modeled in PFC2D by considering particle geometry, particle-size distribution, porosity, and the mechanical properties of the constituent phases, and were subjected to compressive loading. For model calibration and validation, the numerically predicted compressive strengths were compared with experimental results obtained at 7 and 28 days.

The thermodynamic modeling results showed that increasing the pozzolan content reduced the pore-solution pH and increased the C–S–H content up to 15% replacement. The initial and final setting times were also evaluated at 23 °C using calibrated C–S–H contents. Increasing zeolite and microsilica contents reduced both setting times, whereas increasing pumice content prolonged them. The numerical predictions agreed well with the experimental results, with a maximum relative error of approximately 3% for the final setting time of sample P10. The thermodynamic–numerical modeling approach predicted compressive strength with mean errors of 5.77% and 4.32% at 7 and 28 days, respectively, and overall MAE, RMSE, and R² values of 1.52 MPa, 1.73 MPa, and 0.95. The DEM model reproduced the experimental failure patterns and compressive stress–strain responses, with errors of approximately 8% in ultimate strain, 10% in peak strain, and 3% in peak compressive strength. The difference in energy absorption was approximately 3%. Furthermore, the compressive behavioral model derived from DEM simulations showed satisfactory agreement with the experimental results and the Kohees equation. Overall, the findings demonstrate the potential of the coupled thermodynamic–numerical framework to predict hydration characteristics, setting times, compressive strength, and mesoscopic mechanical behavior of pozzolanic cement mortars with satisfactory accuracy.

کلیدواژه‌ها English

Cement hydration
Modulus of elasticity
Compressive strength
Ultimate strain
Interfacial transition zone
Particle size distribution

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 06 آبان 1405