SUPERVISOR
Ebrahim Ghasemivarnosfaderani,Lohrasb Faramarzi
ابراهیم قاسمی (استاد راهنما) لهراسب فرامرزی (استاد راهنما)
STUDENT
Vahid Amirkiyaei
وحید امیرکیائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده معدن
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Development of a model for estimating the compressive strength of carbonate building stones after freeze and thaw cycles using non-destructive tests
Stone is one of the most widely used and most common building materials which in the past has been used. Stones have a unique feature that are not comparable to other building materials. One of these features is the uniaxial compressive strength, which is one of the basic parameters in the selection of building stones which has a significant role in their stability. Therefore, the durability and resistance of rocks in different climatic conditions are very important. Climatic conditions in some cold regions of Iran and the occurrence of freeze cycles is one of the most important factors in weathering the rocks which affects the physical and mechanical properties of the rocks to some extent. To achieve this goal, it is necessary to be suggested the resistant and durable stone related to weather conditions. Direct measurement of uniaxial compressive strength after freeze-thaw cycles in the laboratory lead to problems such as sample preparation, cost of test and time-consuming. In order to overcome these problems, in this study, two models were developed to predict uniaxial compressive strength after freeze-thaw cycles (after 25 cycles) using p-wave velocity.Equations were developed based on a database containing information on 22 samples of carbonate building stones (12 types of travertine, 3 types of limestone and 7 types of marble) and using linear and nonlinear multivariate regression analyzes in software. To evaluate the performance of two equations, statistical indices including determination coefficient (R2), normalized mean square error (NRMSE) and variance account for (VAF) were calculated for each equation separately. Then, by comparing the mentioned statistical indices, it was found that the second model is higher ability of predicting uniaxial compressive strength after 25 cycles freeze-thaw compared to the first model. P-wave velocity is one of the most important parameters in geotechnical and rock mechanics projects and it is able to evaluate other non-destructive rock mechanical parameters. Due to the importance of this parameter, a nonlinear multivariate regression was developed to predict the p-wave velocity in each freeze and thaw cycle according to the rate of p-wave velocity changes during the freeze and thaw process. Then by considering and comparing the indices, it showed that the developed equation is a reliable model for predicting the p-wave velocity of carbonate building stone in each freeze and thaw cycle. In addition to the p-wave velocity and the uniaxial compressive strength, the long-term durability of carbonate building stone under freeze and thaw process has been investigated in this study. To investigate the long-term durability, two parameters of decay constant (?) and half-life index (??1/2), which were measured due to the decreasing p-wave velocity changes in the freeze and thaw process, were applied. Measuring decay constant (?) and half-life index (??1/2) is a difficult, tedious, time-consuming, and expensive process. Therefore, two regression models have been developed using statistical techniques CART regression tree to predict the decay constant and the half-life index of carbonate building stone with porosity. Comparison of the predicted values and the consideration of statistical indices showed that the two developed models tree are proper tools for predicting decay constant and half-life index
سنگ یکی از پرکاربردترین و رایجترین مصالح ساختمانی است که از گذشته تا کنون مورد استفاده قرار گرفته است. سن گها دارای قابلیت منحصر به فردی هستند که قابل مقایسه با سایر مصالح ساختمانی نم یباشند. از جمله این ویژگ یها مقاومت فشاری تکمحوری م یباشد، که یکی از پارامترهای اساسی در انتخاب سنگهای ساختمانی است که نقش قابل ملاحظهای در پایداری آنها دارد . از اینرو دوام و مقاومت سنگها در شرایط اقلیمی متغیر در مناطق مختلف از اهمیت زیادی برخوردار م یباشند. شرایط آب و هوایی در برخی از مناطق سردسیر ایران و به وجود آمدن چرخههای یخبندان یکی از مهمترین عوامل مؤثر در هوازدگی سنگها م یباشد که خواص فیزیکی و مکانیکی سنگها را تا حدودی تحت تأثیر قرار م یدهد. به همین علت لازم است که سن گهایی مقاوم و با دوام متناسب با شرایط آب و هوایی پیشنهاد شوند . تعیین مستقیم مقاومت فشاری تکمحوری بعد از چرخ ههای ذوب و انجماد در آزمایشگاه مشکلاتی همچون آماد هسازی نمونه مورد آزمایش بر اساس استاندارد، هزینه بالای آزمایش و همچنین و قتگیر بودن آن را شامل م یشود. به منظور غلبه بر این مشکلات، در این تحقیق دو مدل به منظور پیشبینی مقاومت فشاری تکمحوری بعد از چرخههای ذوب و انجماد )بعد از 25 چرخه( با استفاده از سرعت موج فشاری توسعه داده شدند. روابط توسعه داده شده بر اساس یک پایگاه داده شامل اطلاعات 22 نمونه از سن گهای ساختمانی کربناته ) 12 نوع تراورتن، 3 نوع لایمستون و 7 نوع مرمریت( و با استفاده از تحلیلهای رگرسیون ساده و چند متغیره خطی و غیرخطی در نرم افزار ساخته شدند و عملکرد آ نها مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور ارزیابی عملکرد دو رابطه شاخ صهای آماری شامل ضریب تعیین ) 2R ،) میانگین مربعات خطای نرمال شده ) NRMSE ( و واریانس خطا ) VAF ( برای هر یک از روابط به طور جداگانه محاسبه شدند. سپس با بررسی و مقایسه شاخصهای ذکر شده مشخص گردید که مدل دوم نسبت به مدل اول توانایی قابل ملاحظهای در پیشبینی مقاومت فشاری تک - محوری بعد از 25 چر خه ذوب و انجماد را دارد. سرعت موج فشاری یکی از پارامترهای مهم در پروژههای ژئوتکنیکی و مکانیکسنگی م یباشد و همچنین این پارامتر قابلیت ارزیابی سایر پارارمترهای مکانیک ی سنگها به صورت غیرمخرب دارد. با توجه به اهمیت این پارامتر در این مطالعه یک رابطه چند متغیره غیرخط ی جهت پیش بینی سرعت موج فشاری در هر چرخه ذوب و انجماد با توجه به میزان تغییرات سرعت موج فشاری در طی فرآیند ذوب و انجماد توسعه داده شد. سپس با بررسی و مقایسه شاخص مشخص گردید که رابطه توسعه داده شده، مدلی قابل اعتمادی برای پیشبینی سرعت موج فشاری سنگهای ساختمانی کربناته در هر چرخه ذوب وانجماد م یباشند که قادر هستند با دقت قابل قبولی مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر سرعت موج فشاری و مقاومت فشاری تکمحوری، دوام طولانی مدت سن گهای ساختمانی کربناته تحت فرآیند ذوب و انجماد در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است. جهت بررسی دوام طولانی مدت از دو پارامتر ثابت تخریب ) ? ( و شاخص نیمه عمر ) ??????? ( که با توجه به تغییرات نزولی سرعت موج فشاری در طی فرآیند ذوب و انجماد اندازهگیری شدهاند، استفاده شده است. از آنجایی اندازهگیری این دو پارامتر یک فرآیند سخت، طاقت فرسا، زمانبر و پرهزینه م یباشد، به همین منظور برای ر فع این مشکلات، با استفاده از تکنیک آماری درخت رگرسیونی CART دو مدل درختی به منظور پیشبینی ثابت تخریب و شاخص نیمه عمر سن گهای ساختمانی کربناته با در نظر گرفتن تخلخل توسعه یافته است. مقایسه مقادیر پیشبینی شد ه و اندازهگیری شد ه و بررسی شاخصهای آمار ی نشان م یدهند که دو مدل درختی توسعه داده ابزار خوبی جهت پیشبینی ثابت تخریب و شاخص نیمه عمر م یباشند