این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
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
عنوان صفحه
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 .....................................................................................................................25
2-2-3--مدل ترمودینامیکی......................................................................................................................26
2-2-4- مدل ترمومکانیک واکنش قلیایی................................................................................................27
عنوان صفحه
2-2-5- مدل پارامتریک واکنش قلیایی....................................................................................................28
2-2-6- تحقیقات Romera.................................................................................................................29
2-2-7-تحقیقات seignol.....................................................................................................................32
2-2-8-مدل Larive.............................................................................................................................34
2-2-9- تحقیقات Turanli..................................................................................................................35
2-2-10- تحقیقات Swamy...............................................................................................................37
2-2-11 -تحقیقات Hamada............................................................................................................40
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
3-3- نحوه ساخت تیره ها و درصد آرماتور آن ها ....................................................................................45
3-3-1-نحوه آماده کردن تیرهای بتنی جهت بارگذاری .............................................................................46
3-4-بررسی نتایج آزمایش ها و تجزیه و تحلیل آنها..................................................................................47
3-4-1-مقدمه.............................................................................................................................................47
عنوان صفحه
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-بررسی تعیین ظرفیت خمشی تیرهای بتنی مسلح .............................................................................55
3-9-بررسی 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
عنوان صفحه
فصل ششم : پیشنهادات...............................................................................................................................85
پیشنهادات....................................................................................................................................................86
پیوست الف................................................................................................................................................87
پیوست ب.................................................................................................................................................. 92
فهرست مراجع............................................................................................................................................ 97
چکیده انگلیسی.........................................................................................................................................104
فهرست جداول
عنوان صفحه
جداول فصل اول
جدول 1-1-ضرایب وزنی برای هر یک از نشانه های خرابی حاصل از ASR....................................... 14
جدول1-2-شاخص DRI برای پنج مغزه سد Mactaquace ............................................................ 15
جدول1-3-شاخص DRI برای چند سد ................................................................................................ 16
جدول 1-4 آزمایشهای پیشنهادی ASTM Standard........................................................................17
جداول فصل دوم
جدول 2-1- جابجایی دو نقطه سد mm ............................................................................................. 31
جداول فصل سوم
جدول 3-1- مشخصات نمونه های استوانه ای و تیرهای بتنی مسلح ..................................................46
جدول 3-2- بار نهایی برای تیرهای فعال و غیر فعال...............................................................................56
عنوان صفحه
جداول فصل چهارم
جدول 4 - 1- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای تا مدل و آزمایشگاه در سن 120روزگی................................................................................................................................................. 71
جدول 4-2- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای تا مدل و آزمایشگاه در سن 150روزگی.................................................................................................................................................71
جدول 4-3- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای تا مدل و آزمایشگاه در سن 180روزگی.................................................................................................................................................72
جدول4-4- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای تا مدل و آزمایشگاه در سن 210روزگی................................................................................................................................................72
جدول4-5- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای تا مدل و آزمایشگاه در سن 240روزگی................................................................................................................................................73
جدول4-6- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای تا مدل و آزمایشگاه در سن 270روزگی................................................................................................................................................73
جداول پیوست الف
جدول الف-1-نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر 6 میلیمتر ........................................................... 88
عنوان صفحه
جدول الف-2- نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر 6 میلیمتر......................................................... 89
جدول الف- 3- نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر 10 میلیمتر...................................................... 90
جدول الف-4-نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر 12 میلیمتر....................................................... 91
فهرست اشکال
عنوان صفحه
اشکال فصل اول
شکل1-1-وقوع ترکهای ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها...................................................................... 13
اشکال فصل دوم
شکل 2-1 مدل یک بعدی رفتار بتن تحت اثر AAR .............................................................................24
شکل 2-2- مشخصات تیر مدل شده ........................................................................................................ 25
شکل 2-3- تنش در آرماتور کششی ......................................................................................................... 26
شکل 2-4- مدل سه بعدی برای 4/1 تیر .................................................................................................... 32
شکل 2-5- منحنی کرنش طولی –زمان....................................................................................................... 33
شکل 2-6- منحنی تغییر مکان - زمان........................................................................................................ 33
شکل 2-7- منحنی انبساط آزاد به دست آمده از آزمایش Isotermic...................................................... 34
شکل 2-8 تاثیر افزایش میکروالیافها بر کرنش ناشی از واکنش قلیایی –آزمایش اول....................................35
شکل 2-9- تاثیر افزایش میکروالیافها بر کرنش ناشی از واکنش قلیایی –آزمایش دوم.................................36
شکل 2-10- مشخصات تیر Swamy.......................................................................................................37
عنوان صفحه
شکل 2-11- مدل شکست تیرها...................................................................................................................38
شکل 2-12- منحنی بار تغییر مکان در تیرها..................................................................................................39
شکل 2-13- منحنی بار کرنش بتن در تیرها.................................................................................................. 39
شکل 2-14- - منحنی بار کرنش بتن در تیرها..............................................................................................40
شکل2-15-مشخصات نمونه ها......................................................................................................................41
شکل 2-16 نسبت کرنش طولی حالات 3 تا 8 به حالات 2...........................................................................42
اشکال فصل سوم
شکل 3-1- مشخصات تیر مدل شده و نحوه قرارگیری تیرها جهت اعمال بارگذاری................................. 47
شکل 3-2- کرنش بتن در تیر .......................................................................................................... 48
شکل 3-3- کرنش بتن در تیر ........................................................................................................... 49
شکل3-4- کرنش بتن در تیر ............................................................................................................... 49
شکل 3-5-کرنش بتن در تیر ......................................................................................................... 50
شکل3-6-کرنش بتن در تیر ............................................................................................................... 50
شکل3-7- کرنش بتن در تیر ............................................................................................................. 51
عنوان صفحه
شکل3-8- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر .................................................................................... 52
شکل3-9- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر ...................................................................................... 53
شکل3-10- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر ..................................................................................... 53
شکل 3-11-کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر .................................................................................. 54
شکل 3-12- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر .................................................................................. 54
شکل3-13- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر ..................................................................................... 55
شکل3-14- بارگذاری تیرهای بتنی مسلح..................................................................................................56
اشکال فصل چهارم
شکل 4- 1- نمای سه بعدی از تیر مدل شده ........................................................................................... 60
شکل 4-2-فشار داخلی بتن بدلیل تورم ژل............................................................................................. 61
شکل 4-3-نحوه اعمال نیروی گره ای ناشی از فشار داخلی در هر المان...................................................64
شکل 4-4-منحنی فشار داخلی – کرنش آزاد برای تیر بدون آرماتور....................................................... 65
شکل 4-5-مقایسه نتایج مدل اول و دوم با نتایج آزمایشگاه برای تیر ................................................ 67
عنوان صفحه
شکل 4-6- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر ........................................................... 68
شکل 4-7- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر ........................................................... 68
شکل 4-8- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر ........................................................... 69
شکل 4-9- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر .......................................................... 69
شکل 4-10- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر ......................................................... 70
شکل 4-11-تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر ......................................................... 74
شکل4-12-تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر ............................................................ 75
شکل 4-13- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر ...................................................... 75
شکل 4-14- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر ...................................................... 76
شکل 4-15- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر .........................................................76
شکل 4-16- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر. ........................................................77
شکل 4-17- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر .................................................. 77
شکل 4-18- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ................................................... 78
شکل 4-19- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ................................................ 78
شکل4-20-تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ................................................... 79
عنوان صفحه
شکل 4-21- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ............................................... 79
شکل 4-22- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ............................................... 80
اشکال پیوست الف
شکل 1- نتایج آزمایش کشش آرماتور به قطر 6 میلیمتر.................................................................... 87
شکل 2- نتایج آزمایش کشش آرماتور به قطر 8 میلیمتر......................................................................88
شکل 3- نتایج آزمایش کششی آرماتور به قطر 10 میلیمتر..................................................................89
شکل 4- نتایج آزمایش کششی آرماتور به قطر 12 میلیمتر................................................................ 90
چکیده
بتن را می توان به عنوان یکی از محورهای شاخص سازه و ابنیه معرفی کرد . 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 استفاده از آن میگردد . از جمله می توان به مواردی چون خزش ، فرسایش ،... اشاره کرد . 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 است .
واکنش قلیایی سنگدانه ها ، یک واکنش شیمیایی در سنگدانه های خاص و قلیایی موجود در بتن است 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 شود .
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 بررسی خواهد شد . تیرهای بتن آرمه بر اساس خواص مکانیکی بتن در نظر گرفته شده است . تیرها mm1100 درازا داشت ̨ سپس مدلی به روش اجزاء محدود توسط برنامه ABAQUS برای واکنش قلیایی - سنگدانه ها طراحی شده است . در مدل ارائه شده واکنش قلیایی بصورت فشار داخلی یکنواخت و با معادلات حاکم بر این پدیده منظور گردیدند و نتیجه کلی واکنش قلیایی باعث افزایش تنش آرماتور کششی می گردد که در هنگام طرح تیر بایستی در نظر گرفته شود . همچنین برای بررسی صحت نتایج بدست آمده از مدل با نتایج واقعی با مطالعاتی که در گذشته در این زمینه صورت گرفته است به قیاس گذاشته شده است .
واژه های کلیدی : واکنش قلیایی سیلیسی سنگدانه ها ، انبساط ، تیر بتنی مسلح ، مقاومت خمشی
مقدمه
بدون شک دستیابی بشر به تکنولوژی بتن یکی از مهمترین جهش ها در فعالیتهای عمرانی محسوب می شود . 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 ، استفاده بهینه و ایمن از بتن است . در کنارتمامی ویژگیهای مثبت و منحصر به فرد بتن نیز مانند هرماده دیگری در جهان طبیعت دارای خواص و رفتاری است که منجر به بروز پاره ای چالشها در استفاده از آن میگردد . از جمله می توان به مواردی چون یخ زدگی ، سولفاته شدن ، انقباض ، خزش و فرسایش اشاره کرد . 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 است .
واکنش قلیایی سنگدانه ها پس ار آنکه دراوایل سال 1940 توسط (stanton) شناسایی شد ̨ تا کنون موضوع تحقیق دانشمندان بیشماری در سراسر دنیا بوده و هست . علت تحقیقات گسترده در این زمینه آن است که تاثیرات منفی این واکنش در برخی موارد بسیار جدی و خطرناک بوده و هزینه های زیادی ایجاد کرده است و عملکرد سازه ای متاثر را مختل نموده است . 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 میزان قلیایت سیمان و واکنش پذیری سنگدانه ها و مواردی 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 استفاده 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 ، استفاده از سنگدانه های فعال اجتناب ناپذیر است . در یک چنین شرایطی استفاده از سیمان با قلیایی کم توصیه می شود که آن هم به علت در دسترس نبودن غیر ممکن است . بنا به دلایل ذکر شده وقوع این واکنش در داخل بتن در محیط های مستعد اجتناب ناپذیر است .
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 ولی اثر توام این پدیده با بارگذاری در نظر گرفته نشده است . هدف از این پژوهش ، بررسی 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 است .
در فصل سوم آزمایش مبناء و نتایج و ارزیابی آنها ارائه گردیده است .
در فصل چهارم مدل های عددی ارائه شده مورد بررسی قرار خواهد گرفت و نتایج حاصله از مدل با نتایج آزمایشگاه مقایسه می شود .
در فصل پنجم نتیجه گیری حاصل از تحقیق نهایی صورت گرفته است .
در فصل ششم پیشنهاداتی جهت تحقیقات آینده ارائه گردیده است .
فصل اول
کلیاتی در خصوص پدیده واکنش قلیایی سنگدانه ها
1-1-مقدمه
پدیده واکنش قلیایی سنگدانه ها واکنشی است شیمیایی که بین یون هیدروکسید که به صورت هیدروکسید سدیم و پتاسیم در سیمان پرتلند یافت می شود و در بعضی از انواع سنگدانه های موجود در بتن اتفاق می افتد . آب نیز به عنوان یکی از مواد اصلی بتن نقش یک کاتالیزور را در واکنش ایفا کرده و باعث تسریع واکنش می شود .
این واکنش سبب تورم بتن ، ترکهای ریز و در نهایت ترکهای قابل رویت در بتن می شود . 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 چون 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 .
1-2-انواع واکنش قلیایی سنگدانه ها
1-2-1-واکنش قلیایی سیلیسی¹
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 .
1-Alkali Silica reaction(ASR)
در طی این نوع واکنش یک ژل سیلیکاتی در بتن ایجاد می شود که قابل انبساط است و سبب تورم و ترک بتن می شود . در صورتی که میزان سنگدانه هایی که از موادی چون 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 شود.
1-2-2-واکنش قلیایی سلیس- سیلیکات¹
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 است .
1-2-3-واکنش قلیایی کربنات²
این نوع واکنش بین سنگ آهک دولومیت و یون هیدروکسید اتفاق می افتد . فراوانی این واکنش نسبت به دو نوع قبل کمتر است و در آن ترکهایی پس از حدود 5 سال در بتن قابل رویت است .
1-3-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 است واکنش با حل شدن سیلیس موجود در سنگدانه ها آغاز می شود . 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 طور خلاصه به صورت زیر نشان داده می شود :
1-Alkali-Silica/Silicate reaction(ASR)
2-Alkali Carbonate Reaction(ACR)
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 شود هنوز به خوبی شناخته نشده است . اما به نظر می رسدکه یونهای نامحلول محیط در حفره های ریز و ترک ها پخش شده و محصولاتی چون ژل و رسوب و حتی کریستال تشکیل می دهند .
تشکیل ژل سیلیکاتی باعث به وجود آمدن فشار داخلی فزاینده در بتن می شود . این فشار داخلی می تواند ناشی از جذب آب یا فشار اسمزی باشد . در تمامی موارد همین فشار داخلی است که سبب تورم و انبساط بتن می شود .
واکنشهای فوق الذکر تحت تاثیر عواملی چون حرارت و رطوبت نسبی و قابلیت واکنش پذیری سنگدانه ها قرار دارد که به اختصار توضیح داده خواهند شد . مکانیسم ASR وابسته به دماست . بدین معنی که هر چه دما بالاتر باشد فرایند سریعتر رخ می دهد و در دماهای خیلی پایین ممکن است واکنش متوقف شود .
این اثرناشی ازآن است که هر دو فاز مکانیسم یعنی حل شدن سیلیس و تشکیل ژل سیلیکاتی تحت تاثیر دما قرار دارند .
رطوبت لازمه ASR است . چرا که هم نقش حلال سیلیس را دارد و هم محیطی برای پخش یونها در حین واکنش فراهم می کند که سبب پیشرفت واکنش ASR در سازه می شود .