| تعداد نشریات | 282 |
| تعداد نشریات سازمان | 80 |
| تعداد شماره‌ها | 3,254 |
| تعداد مقالات | 35,936 |
| تعداد مشاهده مقاله | 54,764,062 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 93,797,304 |
بررسی اثر درصد جایگزینی و اندازه ذرات لجن کاغذ بر خواص کامپوزیت‌های سیمانی با استفاده از روش سطح پاسخ | ||
| تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران | ||
| مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 07 شهریور 1405 | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwpr.2026.373553.1847 | ||
| نویسندگان | ||
| ایمان رضوانی1؛ مهدی جنوبی1؛ علیرضا عشوری2؛ پیمان احمدی1؛ سیما سپهوند* 3 | ||
| 1گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران. | ||
| 2پژوهشکده فناوری‌های شیمیایی، سازمان پژوهش‌های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران | ||
| 3گروه سامانه‌های زیستی، دانشکده فناوری‌های نوین و مهندسی هوافضا، پردیس زیراب، دانشگاه شهید بهشتی، زیراب | ||
| چکیده | ||
| سابقه و هدف: صنعت خمیر و کاغذ سالانه حجم قابل توجهی لجن کاغذ تولید می‌کند که دفع آن علاوه بر تحمیل هزینه‌های اقتصادی، پیامدهای زیست‌محیطی متعددی به همراه دارد. استفاده مجدد از این پسماند در تولید مصالح ساختمانی می‌تواند ضمن کاهش مصرف سیمان، به مدیریت پایدار پسماندهای صنعتی و کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن ناشی از تولید سیمان کمک کند. با وجود مطالعات متعدد درباره استفاده از لجن کاغذ در مواد سیمانی، هنوز اطلاعات محدودی درباره اثر همزمان درصد جایگزینی و اندازه ذرات این ماده بر خواص مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت‌های سیمانی و همچنین مدل‌سازی این اثرات وجود دارد. ازاین‌رو، هدف این پژوهش بررسی تأثیر درصد جایگزینی و اندازه ذرات لجن کاغذ بر مقاومت فشاری، مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته، جذب آب، چگالی و تخلخل کامپوزیت‌های سیمانی و همچنین ارزیابی قابلیت روش سطح پاسخ (Response Surface Methodology) در مدل‌سازی و تحلیل این رفتارها بود. مواد و روش‌ها: در این پژوهش، کامپوزیت‌های سیمانی با استفاده از لجن کاغذ در سه سطح جایگزینی شامل 10، 20 و30 درصد وزنی سیمان همراه با نمونه شاهد (صفر درصد لجن) و چهار محدوده اندازه ذرات 5/0، ۱، 5/1 و ۲ میلی‌متر تولید شدند. آزمایش‌ها بر اساس طرح فاکتوریل کامل و در سه تکرار انجام شد و در مجموع 48 نمونه مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از عمل‌آوری، مقاومت فشاری، مدول گسیختگی، مدول الاستیسیته، جذب آب ۷۲ ساعته، چگالی و تخلخل اندازه‌گیری شدند. به‌منظور بررسی اثر درصد جایگزینی و اندازه ذرات و ارزیابی اثرات متقابل آن‌ها، تحلیل واریانس (ANOVA) و مدل رگرسیونی درجه دوم در چارچوب روش سطح پاسخ (RSM) به‌کار گرفته شد. معنی‌داری مدل‌ها و اثرات عوامل در سطح 05/0 و کیفیت برازش مدل‌ها با استفاده از ضرایب تعیین (R²) و ضریب تعیین تعدیل‌شده (Adjusted R²) ارزیابی شد. یافته‌ها: نتایج نشان داد که درصد جایگزینی لجن کاغذسازی در بیشتر پاسخ‌های مورد بررسی عامل غالب بود، در حالی که اثر اندازه ذرات در محدوده مورد مطالعه عمدتاً محدود بود و تنها برای مدول الاستیسیته معنی‌دار بود (023/0P=). اثر متقابل درصد جایگزینی و اندازه ذرات نیز برای هیچ‌یک از پاسخ‌ها از نظر آماری معنی‌دار نبود (05/ 0P>). با افزایش درصد جایگزینی، مقاومت فشاری و چگالی روند کاهشی، و جذب آب و تخلخل روند افزایشی نشان دادند. مقاومت فشاری از حدود 34/18 به 26/10 مگاپاسکال کاهش یافت، در حالی که جذب آب از 85/8 به 21/38 درصد و تخلخل از 89/11 به 93/35 درصد افزایش یافت. همچنین، چگالی کامپوزیت‌ها با افزایش میزان لجن کاهش یافت که بیانگر کاهش وزن مخصوص کامپوزیت‌های حاصل بود. در سطوح پایین جایگزینی، به‌ویژه حدود 10 درصد، افزایش نسبی مقاومت فشاری و مدول گسیختگی مشاهده شد؛ با این حال، این روند برای مدول گسیختگی از نظر آماری معنی‌دار نبود. افزایش میزان لجن در سطوح بالاتر با افزایش تخلخل و جذب آب و کاهش کلی عملکرد مکانیکی همراه بود. در تحلیل RSM، مدل جذب آب بهترین برازش را نشان داد (% 9/83 R²=و 5/72 Adjusted R²=)، در حالی که مدل‌های برخی پاسخ‌ها از نظر آماری معنی‌دار نبودند و بنابراین قابلیت پیش‌بینی کمی محدودی داشتند. در مجموع، نتایج نشان داد که درصد جایگزینی لجن عامل مؤثرتری نسبت به اندازه ذرات در تعیین بیشتر خواص کامپوزیت‌های سیمانی بود. نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که درصد جایگزینی لجن کاغذ نقش تعیین‌کننده‌ای در رفتار فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت‌های سیمانی دارد، در حالی که اثر اندازه ذرات در محدوده 5/0 تا ۲ میلی‌متر نسبتاً محدود است. استفاده از مقادیر پایین لجن، به‌ویژه در حدود ۱۰ درصد، موجب حفظ مناسب خواص مکانیکی همراه با کاهش مصرف سیمان شد، اما افزایش بیشتر مقدار لجن باعث افزایش جذب آب و تخلخل و در نتیجه کاهش مقاومت و سختی کامپوزیت گردید. به طور کلی، لجن کاغذ قابلیت استفاده به عنوان یک ماده جایگزین در تولید مصالح سیمانی پایدار را دارد و می‌تواند علاوه بر کاهش مصرف سیمان، به مدیریت ارزشمند پسماندهای صنعت کاغذ و توسعه مصالح سازگار با محیط‌زیست، به‌ویژه در کاربردهای غیرسازه‌ای، کمک کند. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| روش سطح پاسخ؛ پسماند صنعتی؛ کامپوزیت سیمانی؛ مقاومت مکانیکی؛ توسعه پایدار؛ بهینه سازی | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Investigation of the effects of paper sludge replacement ratio and particle size on the properties of cementitious composites using response surface methodology | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Iman Rezvani1؛ Mehdi Jonoobi1؛ Alireza Ashori2؛ Peyman َAhmadi1؛ sima sepahvand3 | ||
| 1Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University College of Agriculture & Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran | ||
| 2Department of Chemical Technologies, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran. | ||
| 3Department of Biosystems, Faculty of New Technologies and Aerospace Engineering, Zirab campus, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran. | ||
| چکیده [English] | ||
| Background and Objectives: The pulp and paper industry generate substantial amounts of paper sludge annually, the disposal of which imposes considerable economic costs and environmental challenges. Recycling this waste in cementitious materials offers a sustainable approach to reducing cement consumption, mitigating CO₂ emissions associated with cement production, and promoting industrial waste valorization. Although numerous studies have investigated the incorporation of paper sludge into cement-based materials, limited information is available regarding the combined effects of paper sludge replacement ratio and particle size on the physical and mechanical properties of cementitious composites, as well as the capability of statistical models to predict these effects. Therefore, the objective of this study was to evaluate the influence of paper sludge replacement ratio and particle size on the compressive strength, modulus of rupture, modulus of elasticity, water absorption, density, and porosity of cementitious composites, and to assess the applicability of Response Surface Methodology (RSM) for modeling and analyzing these responses. Materials and Methods: In this study, cement-based composites were produced using paper mill sludge at three replacement levels of 10%, 20%, and 30% by weight of cement, along with a control sample (0% sludge), and four particle-size ranges of 0.5, 1, 1.5, and 2 mm. The experiments were conducted based on a full factorial design with three replicates, resulting in a total of 48 specimens. After curing, compressive strength, modulus of rupture, modulus of elasticity, 72-h water absorption, density, and porosity were measured. To investigate the effects of replacement percentage and particle size and to evaluate their interaction effects, analysis of variance (ANOVA) and a second-order regression model within the response surface methodology (RSM) framework were employed. The significance of the models and factor effects was evaluated at the 0.05 significance level, while the goodness of fit of the models was assessed using the coefficients of determination (R²) and adjusted coefficients of determination (Adjusted R²). Results: The results showed that the percentage of paper mill sludge replacement was the dominant factor for most of the responses investigated, whereas the effect of particle size was generally limited within the studied range and was significant only for the modulus of elasticity (P = 0.023). The interaction effect between replacement percentage and particle size was not statistically significant for any of the responses (P > 0.05). As the replacement percentage increased, compressive strength and density exhibited decreasing trends, whereas water absorption and porosity increased. Compressive strength decreased from approximately 18.34 to 10.26 MPa, while water absorption increased from 8.85% to 38.21% and porosity from 11.89% to 35.93%. The density of the composites also decreased with increasing sludge content, indicating a reduction in the specific gravity of the resulting composites. At low replacement levels, particularly around 10%, a relative increase in compressive strength and modulus of rupture was observed; however, this trend was not statistically significant for the modulus of rupture. At higher replacement levels, increasing sludge content was associated with increased porosity and water absorption, accompanied by an overall decline in mechanical performance. In the RSM analysis, the water absorption model showed the best fit (R² = 83.9% and Adjusted R² = 72.5%), whereas the models for some responses were not statistically significant and therefore had limited predictive capability. Overall, the results demonstrated that the percentage of paper mill sludge replacement was a more influential factor than particle size in determining most of the properties of the cement-based composites. Conclusions: The findings demonstrate that the paper sludge replacement ratio is the dominant parameter controlling the physical and mechanical performance of cementitious composites, whereas the influence of particle size between 0.5 and 2 mm is relatively limited. Incorporating low amounts of paper sludge, particularly around 10% replacement, maintained satisfactory mechanical performance while reducing cement consumption. In contrast, higher replacement levels increased water absorption and porosity, resulting in lower strength and stiffness. Overall, paper sludge shows considerable potential as a sustainable cement replacement material and can contribute to reducing cement consumption, promoting the valorization of paper industry waste, and supporting the development of environmentally friendly cementitious materials, particularly for non-structural applications. Keywords: Response Surface Methodology; paper sludge; cementitious composites; mechanical properties; sustainable development; optimization. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Response Surface Methodology, Industrial waste, cementitious composites, mechanical properties, sustainable development, optimization | ||
| مراجع | ||
|
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 151 |
||