عنوان پایان‌نامه
مدلسازی انتقال یون کلر در بتن با درنظر گرفتن شرایط دما و رطوبت
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - سازه
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2134;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71332
- تاریخ دفاع
- ۱۰ آذر ۱۳۹۴
- دانشجو
- مهدی نعمتی چاری
- استاد راهنما
- محمد شکرچی زاده
- چکیده
- خوردگی میلگردها ناشی از نفوذ یون‌های کلراید، یکی از عوامل اصلی تخریب سازه‌های بتنی می‌باشد. هنگامیکه این سازه‌ها در معرض چرخه¬های جزر مد قرار دارد، آسیب¬ها تشدید می¬گردد. از اینرو این سازه‌ها باید به نحوی طراحی شوند که قابلیت نفوذ یون‌های کلراید در آنها به حداقل رسیده و دوام لازم را داشته باشند. طراحی سازه‌های بتنی در محیط دریایی (به ویژه شرایط جزر و مدی) بر اساس دوام، مستلزم مدلسازی نفوذ یون‌های کلراید در بتن است. هدف این رساله تبیین روش ترکیبی عددی - آزمایشگاهی است تا بوسیله آن بتوان انتقال یون‌های کلراید در بتن در شرایط جزر و مدی را مدل نمود. برای این منظور، دو مکانیسم همرفت و انتشار به صورت همزمان برای مدل انتقال یون‌های کلراید مورد استفاده قرار گرفته است. با استفاده از روابط فوریه، دارسی و فیک، معادلات دیفرانسیل جزئی حاکم بر فرایند انتقال حرارت، رطوبت و یون‌های کلراید دسته‌بندی شد که در آن ضرایب انتشار حرارت، انتقال رطوبت و انتشار یون‌های کلراید، فرایند انتقال را کنترل می‌نمایند. بدین منظور، ضریب انتشار حرارت از مراجع معتبر استخراج شد و ضریب انتقال رطوبت (در دماهای مختلف) و ضریب انتشار یون‌های کلراید در بتن (با نسبت‌های مختلف آب به مواد سیمانی، همچنین بتن حاوی مواد پوزولانی مانند دوده سیلیس و زئولیت) با استفاده از ترکیبی نتایج آزمایشگاهی و مدل عددی تعیین شد. سپس روابط تجربی ارائه شد که بیانگر اثر طرح مخلوط و دما روی ضریب انتشار یون‌های کلراید و ضریب انتقال رطوبت بود. برای حل معادلات دیفرانسیل جزئی از روش اجزاء محدود استفاده شد که در آن با استفاده از روش گالرکین و توابع شکل تعریف شده، مجموعه معادلات پیوسته به مجموعه معادلات گسسته تبدیل گردید. این معادلات گسسته با استفاده از یک مدل عددی با در نظر گرفتن شرایط مرزی و شرایط اولیه حل شد. به منظور صحت‌سنجی مدل ارائه شده، با استفاده از روابط آزمایشگاهی ارائه شده و شبیه‌سازی شرایط سایت تحقیقاتی دانشگاه تهران در جزیره قشم، خروجی مدل ارائه شده با نتایج آزمایشگاهی حاصل از نمونه‌های قرار گرفته در شرایط واقعی جزر و مدی مقایسه شد. تطابق قابل قبول داده‌های عددی و نتایج آزمایشگاهی صحت مدل ارائه شده را تصدیق نمود. در نهایت اثر عوامل مختلف مانند دما، رطوبت نسبی محیط، طرح مخلوط بتن و ... بر پروفیل یون‌های کلراید در بتن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش دما به مقدار قابل توجهی موجب افزایش مقدار یون‌های کلراید در انتهای منطقه همرفتی و همچنین در اعماق بتن می‌گردد. کاهش رطوبت نسبی محیط اطراف نیز شرایط مشابه با افزایش دما را ایجاد می‌نماید. کاهش نسبت آب به مواد سیمانی به دلیل کاهش ضریب انتقال رطوبت و ضریب انتشار یون‌های کلراید باعث کاهش مقدار یون‌های کلراید در انتهای منطقه همرفتی و همچنین در اعماق بتن می‌گردد. استفاده از مواد پوزولانی مانند دوده سیلیس باعث کاهش ضریب انتقال رطوبت و ضریب انتشار یون‌های کلراید می‌شود. چون اثر کاهشی این مواد روی ضریب انتشار یون‌های کلراید، بیشتر از ضریب انتقال رطوبت است، با افزایش مقدار جایگزینی سیمان با پوزولان، مقدار یون‌های کلراید در انتهای عمق همرفتی افزایش پیدا می‌کند ولی مقدار یون‌های کلراید در اعماق بیشتر کاهش می‌یابد.
- Abstract
- Chloride induced corrosion of reinforcing steel is a major cause of failure of concrete structures. These deteriorations are intensified when concrete structures are exposed to tidal cycles. Therefore, these structures must be designed in such a way that the chloride permeability is minimized to make them durable. Durability-based design of reinforced concrete structures (RCS) exposed to marine environment (particularly tidal conditions) necessitates modeling the chloride ingress into the concrete. The objective of this study was to develop the combined numerical-experimental procedure which successfully models the chloride penetration into concrete subjected to tidal conditions. In this regard, both mechanisms of convection and diffusion were simultaneously employed for modeling the chloride ingress into concrete. Using the Fourier, Darcy and Fick`s lows, the partial differential equations governing the heat diffusion, moisture transfer and chloride diffusion were categorized in which heat diffusion, moisture transfer, and chloride diffusion coefficients control the transfer processes. In this regard, Thermal diffusivity was obtained from reliable references. The moisture transfer and chloride diffusion coefficients of concrete specimens (with various w/cm ratios and various specimens with partial replacements of cement by silica fume and natural zeolite) were determined using a combined experimental-numerical procedure. Afterwards, the experimental relationships were presented, which indicate the influence of concrete mix design and temperature on the chloride diffusion coefficient and moisture transfer coefficient. In order to solve the governing partial differential equations, they were transformed to discrete equations using Galerkin method and desired shape functions. The discrete equations were solved by a numerical model in which initial values and boundary conditions were assigned. The presented model was verified using the test results of specimens subjected to tidal cycles of Qeshm Island. The acceptable compliance of numerical data with experimental results confirmed the validity of the model. As a final point, the effects of various factors such as temperature, relative humidity, and concrete mixture on chloride profiles of concrete were investigated. The results showed that an increase in the temperature considerably increases the chloride concentration at the end of the convection zone as well as in the diffusion zone. A decrease in the relative humidity of the surrounding environment affects the chloride profile in a similar way. A drop in w/cm ratio decreases both the moisture transfer coefficient and the chloride diffusion coefficient, and therefore, the chloride concentration decreases at the full depths of the concrete. Because of stronger lowering effect of silica fume or natural zeolite on the chloride diffusion coefficient compared with the moisture transfer coefficient, when a part of the cement content is substituted with these pozzolanic materials, the chloride concentration increases at the end of the convection zone but decreases as the concrete depth increases.
