عنوان : مدلسازی واکنش قلیایی در واکاوی بتن با روش اجزاء محدود

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد » عمران «

گرایش: مهندسی عمران – سازه هیدرولیکی

عنوان:

مدلسازی واکنش قلیایی در واکاوی بتن با روش اجزاء محدود

استاد راهنما:

دکتر سعید حاجی قاسمعلی

استاد مشاور:

دکتر محمد هادی علیزاد الیزلیی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
چکیده ………………………………………………………………………………………1
مقدمه……………………………………………………………………………………….2
فصل اول : کلیاتی در خصوص پدیده واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………..5
1-1-مقدمه ………………………………………………………………………………..6
1-2-انواع واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………………………………………6
1-2-1-واکنش قلیایی سیلیسی………………………………………………………..6
1-2-2-واکنش قلیایی سلیس- سیلیکاتی……………………………………………..7
1-2-3-واکنش قلیایی کربناتی…………………………………………………………..7
1-3-مکانیسم واکنش قلیایی سنگدانه ها…………………………………………….7
1-3-1-واکنش قلیایی سیلیسی (ASR ) ………………………………………………7 
 1-3-2-واکنش قلیایی کربناتی (ACR )…………………………………………………..9
1-4-شرایط لازم برای واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………………………..10
1-5-مراحل فرایند واکنش قلیایی………………………………………………………..11
1-5-1-مرحله نهفتگی …………………………………………………………………….11
1-5-2-مرحله ایجاد ترک……………………………………………………………………11
1-5-3-مرحله تثبیت……………………………………………………………………….12
1-6- نشانه های واکنش قلیایی سنگدانه ها…………………………………………12
1-7-ارزیابی نرخ خرابیها………………………………………………………………….14
1-8-پیشگیری از واکنش قلیایی………………………………………………………..16
1-9- مدیریت سازه های تحت تاثیر واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………19
1-10-روشهای بهبود وضعیت سازه متاثر از واکنش قلیایی سنگدانه ها ……………20
1-11-نتیجه گیری………………………………………………………………………..21
فصل دوم : مطالعات علمی و تجربی گذشته…………………………………………..22
2-1-مقدمه…………………………………………………………………………………….23
2-2- تحقیقات در مورد مدلهای ارائه شده……………………………………………..23
2-2-1- مدل دو فازی……………………………………………………………………….24
2-2-2- تحقیقات Wen  ………………………………………………………………..
2-2-3–مدل ترمودینامیکی……………………………………………………………..26
2-2-4- مدل ترمومکانیک واکنش قلیایی………………………………………………27
2-2-5- مدل پارامتریک واکنش قلیایی…………………………………………………..28
2-2-6- تحقیقات Romera………………………………………………………………
2-2-7-تحقیقات seignol………………………………………………………………..
2-2-8-مدل Larive………………………………………………………………………..
2-2-9- تحقیقات Turanli……………………………………………………………….
2-2-10- تحقیقات Swamy…………………………………………………………….
2-2-11 -تحقیقات Hamada…………………………………………………………..
2-3-نتیجه گیری………………………………………………………………………….43
فصل سوم : مروری بر نتایج آزمایش مبناء…………………………………………..44
3-1-مقدمه…………………………………………………………………………………45
3-2-مقاومت  فشاری متوسط نمونه ها……………………………………………….45
3-3چگونگی ساخت تیره ها و درصد آرماتور آن ها ……………………………………45
3-3-1-چگونگی آماده کردن تیرهای بتنی جهت بارگذاری ……………………………….46
3-4-مطالعه نتایج آزمایش ها و تجزیه و تحلیل آنها…………………………………..47
3-4-1-مقدمه…………………………………………………………………………….47
3-4-2 مقایسه کرنش در بتن تیرهای با سنگدانه های فعال و غیر فعال……………48
3-4-3- مقایسه کرنش های ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها در تیرهای بتنی… 52
3-8-مطالعه تعیین ظرفیت خمشی تیرهای بتنی مسلح …………………………..55
3-9-مطالعه نتایج آزمایش مبناء با تحقیقات گذشته………………………………….57
فصل چهارم : مدل کردن تیرها با روش عناصر محدود……………………………………58
4-1-مقدمه ………………………………………………………………………………..59
4-2-مدل سازی……………………………………………………………………………59
4-2-1-مدل کردن فشار داخلی……………………………………………………………..61
4-2-2-مدل کردن آرماتورها (فولاد) ………………………………………………………….66
4-3-مقایسه نتایج مدل و آزمایش………………………………………………………..66
4-4- محدودیتهای مدل عددی …………………………………………………………….81
4-5- روش گام به گام مدل کردن…………………………………………………………….81
4-6-نتیجه گیری……………………………………………………………………………….82
فصل پنجم : نتیجه گیری…………………………………………………………………….83
نتیجه گیری……………………………………………………………………………………..84
فصل ششم : پیشنهادات………………………………………………………………….85
پیشنهادات…………………………………………………………………………………..86
پیوست  الف……………………………………………………………………………….87
پیوست ب………………………………………………………………………………….. 92
فهرست مراجع……………………………………………………………………………… 97
چکیده انگلیسی………………………………………………………………………………104
چکیده:
بتن را  می توان به  عنوان یکی از محورهای شاخص سازه  و ابنیه  معرفی  نمود . در  کنار تمامی ویژگیهای مثبت و منحصر به فرد ،  بتن همانند  هر ماده  دیگری  در  جهان هستی  دارای   پاره ای خواص منفی نیز می باشد که  منجر به  بروز  چالشها  در بهره گیری از آن میگردد . از  جمله  می توان به مورد هایی زیرا خزش ، فرسایش ،… تصریح نمود . یکی دیگر از عواملی که در کنار  عوامل فوق  می تواند روی  بهره برداری  بهینه  از بتن موثر  باشد  تورم  سنگدانه های  موجود  در  بتن تحت تاثیر پدیده ای به نام واکنش قلیایی سنگدانه می باشد .
واکنش قلیایی سنگدانه ها ، یک  واکنش شیمیایی  در  سنگدانه های  خاص و قلیایی موجود  در بتن می باشد که منجر به تشکیل  یک ژل سیلیسی- قلیایی که تولید فشار کرده و در نهایت سبب انبساط و ایجاد ترک و کاهش مقاومت بتن می گردد .
در این  پژوهش اثر این پدیده  در  دراز مدت روی تیر بتنی مسلح  و وضعیت تیر از لحاظ رفتار خمشی ، همچنین تاثیر درصد آرماتورهای کششی و فشاری و ظرفیت  باربری مطالعه خواهد گردید . تیرهای  بتن آرمه  بر اساس خواص مکانیکی  بتن  در  نظر گرفته  شده می باشد . تیرها  mm1100  درازا  داشت  ̨  سپس  مدلی  به  روش  اجزاء  محدود  توسط  برنامه   ABAQUS برای واکنش قلیایی –  سنگدانه ها  طراحی  شده  می باشد  .  در  مدل  ارائه  شده  واکنش  قلیایی  بصورت  فشار  داخلی  یکنواخت  و  با  معادلات  حاکم  بر  این  پدیده  مقصود  گردیدند  و  نتیجه  کلی  واکنش قلیایی  باعث  افزایش  تنش آرماتور کششی  می گردد  که در هنگام طرح تیر بایستی در نظر گرفته گردد . همچنین  برای مطالعه صحت نتایج بدست آمده  از مدل با  نتایج  واقعی  با مطالعاتی که در گذشته در این زمینه صورت گرفته می باشد به قیاس گذاشته شده می باشد .
مقدمه:
بدون  شک  دستیابی  بشر به تکنولوژی  بتن  یکی از مهمترین  جهش ها  در  فعالیتهای عمرانی به شمار می رود . مقاومت بالا و سهل الحصول بودن اجزاء تشکیل دهنده ، بتن را به عنوان یکی از اجزاء شاخص و کلیدی سازه و ابنیه معرفی می کند .
یکی از دغدغه های مهندسین سازه ، بهره گیری  بهینه و ایمن از بتن می باشد . در کنارتمامی ویژگیهای مثبت و منحصر به فرد بتن  نیز مانند هرماده دیگری در جهان طبیعت دارای خواص و رفتاری می باشد که منجر به  بروز  پاره ای چالشها  در بهره گیری از آن میگردد . مانند می توان به مورد هایی زیرا یخ زدگی ، سولفاته شدن ، انقباض ، خزش و فرسایش تصریح نمود . این عوامل می توانند باعث تغییر در خواص بتن شده و سبب پیدایش ترک و یا خرابی در سازه گردند . یکی دیگر از عواملی که در کنار عوامل فوق می تواند روی  بهر برداری بهینه  از بتن موثر باشد  تورم سنگدانه های  موجود در  بتن تحت تاثیر پدیده ای به نام واکنش قلیایی سنگدانه می باشد .
واکنش قلیایی سنگدانه ها پس ار آنکه دراوایل سال 1940 توسط (stanton) شناسایی گردید ̨ تا کنون موضوع پژوهش دانشمندان بیشماری  در سراسر دنیا بوده و هست . علت تحقیقات گسترده در این زمینه  آن می باشد  که تاثیرات منفی این واکنش در  بعضی موردها  بسیار جدی  و خطرناک  بوده و هزینه های زیادی ایجاد  کرده  می باشد  و عملکرد  سازه ای متاثر را مختل  نموده  می باشد . پاره ای  از  محققین در زمینه های آزمایشگاهی و رفتار سنجی  بتن  تحت  تاثیر واکنش ̨ فعالیت داشته و بخش دیگری به یافتن مدلهای  عددی  جهت پیش بینی رفتار  بتن  تحت تاثیر واکنش قلیایی پرداخته اند . بعضی دیگر از محققین  به  یافتن  استانداردهای مناسب ، برای  آزمایشهای  لازم در  تعیین  اندازه  قلیایت  سیمان  و  واکنش پذیری  سنگدانه ها  و  مورد هایی  از  این  قبیل  پرداخته اند  و  همین امر گستردگی زمینه فعالیت در خصوص این پدیده را نشان می دهد .
روش مستقیم جهت کاهش خرابی بتن توسط این پدیده شناسایی پتانسیل فعالیت سنگدانه ها و خودداری از بهره گیری از آنها می باشد . اما در بعضی اوقات به علت فقدان وجود منابع سنگدانه های غیر فعال و هزینه حمل و نقل سنگدانه های مناسب ، بهره گیری  از سنگدانه های فعال اجتناب ناپذیر می باشد . در یک چنین شرایطی بهره گیری از سیمان  با قلیایی کم توصیه می گردد که آن هم به علت در دسترس نبودن  غیر ممکن می باشد . بنا  به علت های ذکر گردیده  وقوع این واکنش در داخل بتن در محیط های مستعد اجتناب ناپذیر می باشد .
تیرهای بتنی در  پل ها  و قطعات  خمشی تحت اثر واکنش قلیایی سنگدانه ها ، یکی از  عناصر سازه ایست که می تواند مورد پژوهش باشد . دراین زمینه  نیز تحقیقاتی انجام گرفته اما اثر توام این پدیده با بارگذاری در نظر گرفته  نشده می باشد . هدف  از  این پژوهش ، مطالعه اثر این  پدیده  همراه  با بارگذاری  با  درصدهای  مختلف آرماتور می باشد .
در فصل اول  نگاهی گذرا  به  ماهیت  پدیده واکنش قلیایی سنگدانه ها و نکات لازم در جهت مدیریت و علاج بخشی سازه های مبتلا به آن خواهیم داشت .
فصل دوم به مطالعات علمی وتجربی که در گذشته صورت گرفته می پردازیم . این مطالعات به دو صورت آزمایشگاهی و مدلسازی ارائه شده می باشد.
در  فصل سوم آزمایش مبناء و نتایج و ارزیابی آنها ارائه گردیده می باشد .
در  فصل  چهارم  مدل های عددی  ارائه شده مورد مطالعه قرار خواهد گرفت و نتایج حاصله از مدل با نتایج آزمایشگاه مقایسه می گردد .
در فصل پنجم نتیجه گیری حاصل از پژوهش نهایی صورت گرفته می باشد .
در فصل ششم پیشنهاداتی جهت تحقیقات آینده ارائه گردیده می باشد .
فصل اول: کلیاتی در خصوص پدیده واکنش قلیایی سنگدانه ها
1-1- مقدمه
پدیده واکنش قلیایی سنگدانه ها واکنشی می باشد  شیمیایی که بین  یون  هیدروکسید که به صورت هیدروکسید  سدیم و پتاسیم  در  سیمان  پرتلند  پیدا نمود  می گردد و در بعضی از انواع سنگدانه های موجود در  بتن اتفاق می افتد . آب  نیز به عنوان یکی  از  مواد  اصلی بتن تأثیر یک  کاتالیزور  را در واکنش اعمال کرده و باعث تسریع واکنش می گردد .
این واکنش سبب تورم بتن ، ترکهای ریز و در نهایت ترکهای قابل رویت  در بتن می گردد . این اثر در  بتن توده  بیشتر قابل ملاحظه  می باشد . این واکنش می تواند  در  دراز  مدت  روی  بهره برداری سازه اثر بگذارد . سازه هایی زیرا  نیروگاههای برق آبی- سدهای بتنی –  پل ها – دال ها – که در شرایط مناسب  برای انجام این  واکنش  قرار دارند و مانند اینها می توانند تحت تاثیر این واکنش قرار گیرند .
2-1- انواع واکنش قلیایی سنگدانه ها
1-2-1- واکنش قلیایی سیلیسی
این نوع واکنش که شایعترین نوع واکنش سنگدانه هاست بین یون هیدروکسید موجود در سیمان و سنگدانه های سیلیسی ̨  سیلیسی چخماقی ̨  بلورهای آتشفشانی ومانند اینها اتفاق می افتد.
در طی  این نوع واکنش یک ژل سیلیکاتی  در بتن ایجاد می گردد  که قابل  انبساط می باشد و سبب تورم و ترک بتن  می گردد . در  صورتی  که  اندازه  سنگدانه هایی که از  موادی  زیرا  شن چرتی تشکیل شده اند در بتن بین 1تا 5 درصد باشد انبساط بتن سریعترشده و پس از 10 سال ترکهایی در بتن دیده می گردد.
2-2-1- واکنش قلیایی سلیس- سیلیکات
این نوع واکنش قلیایی بیشتر به دلیل وجود کوارتز رخ می دهدو طی آن علاوه بر بتن ̨  سنگدانه های درشت  بتن نیز دچار انبساط می شوند . در این نوع واکنش پس از گذشت بیش از  20 سال ترکهای بتن قابل رویت می باشد .
3-2-1- واکنش قلیایی کربنات
این نوع واکنش بین سنگ آهک دولومیت و یون هیدروکسید اتفاق می افتد . فراوانی این واکنش نسبت به دو نوع قبل کمتر می باشد و در آن ترکهایی پس از حدود 5 سال در بتن قابل رویت می باشد .
3-1- مکانیسم واکنش قلیایی سنگدانه ها
1-3-1- واکنش قلیایی سیلیسی (ASR )
واکنش ASR  یک  فرایند  چند مرحله ایست . از آنجا که  سیلیس در PH  بالا  ناپایدار می باشد واکنش با حل شدن سیلیس موجود  در سنگدانه ها آغاز  می گردد . در این مرحله یون هیدروکسید موجود در قلیای سیمان  به گروه سیانول Si-OH  و  پیوندهای Si-O-Si  شبکه کریستال سیلیکا حمله می کند . فرایند مرحله اول واکنش به گونه اختصار به صورت زیر نشان داده می گردد :
در واکنش اول پیوند سیلیکسان  شکسته  و پیوندهای سیانول  شکل میگیرد . این پیوندها با یون هیدروکسید واکنش میدهند . در محیطی که یون   کم باشد  بار منفی حاصل از  واکنش دوم با یون های قلیایی  و  توازن ایجاد می کند . مکانیسم مرحله  دوم  واکنش که  سبب تولید مواد قابل تورم می گردد هنوز به خوبی شناخته نشده می باشد . اما به نظر می رسدکه یونهای نامحلول محیط در حفره های  ریز و ترک ها  پخش شده و محصولاتی زیرا ژل و رسوب و حتی کریستال تشکیل می دهند .
تشکیل ژل سیلیکاتی باعث به وجود آمدن فشار داخلی فزاینده در بتن می گردد . این فشار داخلی می تواند ناشی  از  جذب آب یا فشار اسمزی باشد . در تمامی موردها  همین  فشار داخلی می باشد که سبب تورم و انبساط بتن می گردد .
واکنشهای  فوق  الذکر تحت  تاثیر عواملی  زیرا  حرارت  و رطوبت نسبی  و  قابلیت  واکنش پذیری سنگدانه ها قرار دارد  که  به  اختصار  تبیین داده خواهند گردید . مکانیسم ASR وابسته به دماست . بدین معنی که هر چه دما بالاتر باشد فرایند سریعتر رخ می دهد و در دماهای خیلی پایین ممکن می باشد واکنش متوقف گردد .
این اثرناشی ازآن می باشد که هر دو  فاز مکانیسم  یعنی حل  شدن  سیلیس و تشکیل ژل  سیلیکاتی تحت تاثیر دما قرار دارند .
رطوبت لازمه ASR می باشد . زیرا که  هم تأثیر  حلال  سیلیس را دارد  و هم محیطی برای پخش یونها در حین واکنش فراهم می کند که سبب پیشرفت واکنش ASR در سازه می گردد .
میکرو ترکهای ناشی از تورم ASR  آغاز  پیشاپیش  جبهه  موثر واکنش دیده  می گردد . فشاری که تورم ASR در پشت این بخش به وجود  می آورد با تنشهای کششی که در سازه ایجاد می گردد خنثی می گردد . در نهایت این تنشهای کششی بر مقاومت کششی بتن غلبه کرده و پاره ای خرابیها در سازه ایجاد می کند .
پس مکانیسم کلی ASR به صورت زیر اظهار می گردد:
1- حل شدن مشتقات سیلیس که در محیط قلیایی (PH بالا ) ناپایدار هستند.
2- انجام یک سری واکنش و رسیدن سیستم به پایداری شیمیایی
3- به وجود آمدن محصولاتی نظیر ژل سیلیکاتی و میکرو کریستال ناشی از واکنش 
4- تورم بتن و یا سنگدانه ها در اثر جذب محلول حاوی ژل و نیز تورم خود ژل
5- به وجود آمدن فشار زیاد در حدود 5 تا 6 مگا پاسکال در سیمان مجاور
6- ایجاد ریز ترک در سیمان بتن
7- انبساط بتن
8- ترک در بتن
تعداد صفحه : 129
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه ارشد: مطالعه موردی به‌کارگیری شاخص فقر آبی درمقیاس محلی در خصوص حوضه آبریز زهره و جراحی

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

دسته‌ها: عمران