SUPERVISOR
Mohammad Shekarchizade,Davood Mostofinejad
محمد شکرچی زاده (استاد مشاور) داود مستوفی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Hassan Parsian
حسن پارسیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
TITLE
Feasibility of Modeling Electrical Conductivity of Concrete
The electrolyte nature of concrete, while passing electrical current, causes a close correlation between electrical conductivity and the value of porosity, diffusivity and degree of hydration in concrete. Also electrical conductivity of concrete is widely used to assess the corrosion potential in reinforced concrete. Thus electrical conductivity of concrete could be considered to determine a wide spread of mechanical and durability properties and could be beneficially used to monitor the concrete in product and service steps in a non-destructive manner. As a result, it’s important and determinant to recognize the parameters which affect the electrical conductivity and these parameters’ value of effect; and also to set some regulations out, to offer a mix design with a specified electrical conductivity. The existing models about describe the description of concrete behavior while passing electrical current, and the electrical conductivity prediction, are categorized in two divisions. The first category, is about to describe the behavior with respect of, each components (cement paste and aggregate) electrical conductivity and mix ratios. But in the second category, only the properties of conductive phase (cement paste or evaporable pore water of cement paste) are considered. In this research, studying the both categories, it is attempted to offer some models (using artificial neural network and regression correlations methods) to predict concrete electrical conductivity, based on the properties before mixture, and different parameters effects on concrete electrical conductivity are investigated through this. Considering this fact concretes have produced, cured and tested in two categories. The first set is specified for cement paste and aggregate investigations, including 80 mix designs with parameters of volume, type, sieve analysis and maximum size of aggregates, and their corresponding cement paste. The ages for testing samples electrical conductivity are 3, 7, 28 and 150 days. In addition to, the electrical resistivity of aggregates of these concretes are measured using an innovative method. The second set is specified for the evaporable water of cement paste and cement chemistry, includes 8 concrete mix designs with parameters of aggregate volume, cement type and w/c ratio, and their corresponding cement pastes are tested in 3 and 28 days. The second category tests include testing cement paste and concrete conductivity and measuring the volume of water-permeable pores and evaporable water extraction, analysis and measuring the electrical conductivity. Except this, a device is designed and manufactured to extract the evaporable water of cement paste. The results demonstrate that the concrete behavior description in passing electrical current and prediction of electrical conductivity using each components electrical conductivity had done precisely. In addition to this, the artificial neural networks architecture had carefully offered considering maximum size of aggregates, and electrical conductivity of aggregate and cement paste and their bulk ratios to predict the concrete electrical conductivity, and a regression correlation had offered to predict the concrete electrical conductivity using electrical conductivity of cement paste, aggregate and their bulk ratios. Except this, the investigations prove that fineness and decrease of maximum size of aggregates result in electrical conductivity increase, and the increasing the bulk ratio and electrical resistivity of aggregate would decrease the electrical conductivity of concrete. Key Words: Concrete electrical conductivity, Modeling, Artificial neural network, Regression, Cement paste, Aggregate, Evaporable cement paste pore water.
ماهیت الکترولیتی بتن در عبور جریان الکتریکی سبب می شود تا ارتباط تنگاتنگی بین هدایت ویژه ی الکتریکی با میزان تخلخل، انتشار پذیری و درجه ی هیدراسیون در بتن برقرار باشد. هم چنین هدایت ویژه ی الکتریکی بتن به طور گسترده ای در برآورد پتانسیل خوردگی بتن های مسلح مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین هدایت ویژه ی الکتریکی بتن به نوعی مبین طیف وسیعی از خواص مکانیکی و دوامی است و می تواند در پایش مستمر و غیر مخرب بتن در مراحل ساخت و بهره برداری سودمند باشد. از این رو تلاش در راستای شناخت عوامل مؤثر بر هدایت ویژه ی الکتریکی و میزان تأثیر آن ها و تنظیم ضوابطی به منظور ارائه ی طرح مخلوط با هدایت ویژه ی الکتریکی مشخصه، مهم و تعیین کننده است. مدل های موجود در زمینه ی توصیف رفتار بتن در عبور جریان الکتریکی و پیش بینی هدایت ویژه ی الکتریکی در دو دسته تقسیم بندی می شوند. در دسته ی اول توصیف رفتار بر اساس هدایت ویژه ی الکتریکی هر یک از اجزا -خمیر سیمان و سنگ دانه- و نسبت های اختلاط صورت می گیرد، اما در دسته ی دوم تنها مشخصات و ویژگی های فاز هادی (خمیر سیمان و یا آبِ قابل تبخیرِ موجود در منافذ خمیر سیمان) مد نظر می باشد. در این تحقیق با بررسی هر دو دسته، سعی در ارائه ی مدل هایی -به کمک روش شبکه های عصبی مصنوعی و یا برازش تابع- به منظور پیش بینی هدایت ویژه ی الکتریکی بتن بر اساس مشخصات قبل از ساخت نموده و به صورت ضمنی تأثیر عوامل مختلف در طرح مخلوط بر هدایت ویژه ی الکتریکی بتن بررسی شده است. در این راستا بتن هایی در دو مجموعه ساخته، عمل آوری و اندازه گیری شده است. مجموعه ی اول که به منظور بررسی در سطح خمیر سیمان و سنگ دانه می باشد، شامل 80 طرح مخلوط بتن با متغیر های حجم، جنس، دانه بندی و حداکثر اندازه ی سنگ دانه، و طرح مخلوط خمیر سیمان متناظر با آن ها است و در سنین 3، 7، 28 و 150 روزه، هدایت ویژه ی الکتریکی آن ها مورد اندازه گیری قرارگرفته است. علاوه بر این مقاومت ویژه ی الکتریکی سنگ دانه های مورد استفاده در این بتن ها نیز به کمک یک روش ابتکاری اندازه گیری شده است. مجموعه ی دوم که به منظور بررسی در سطح آب قابل تبخیر خمیر سیمان و شیمی سیمان می باشد، شامل 8 طرح مخلوط بتن با متغیرهای حجم سنگ دانه، جنس سیمان و نسبت آب به سیمان، و طرح مخلوط خمیر سیمان متناظر با آن ها است و در سنین 3 و 28 روزه اندازه گیری شده است. آزمایش های مجموعه ی دوم شامل اندازه گیری هدایت ویژه ی الکتریکی بتن و خمیر سیمان، اندازه گیری حجم حفراتی که امکان نفوذ آب در آن ها وجود دارد، استخراج، آنالیز شیمیایی و اندازه گیری هدایت ویژه ی الکتریکی آب قابل تبخیر خمیر سیمان می باشد. هم چنین در این تحقیق دستگاه استخراج آب قابل تبخیر خمیر سیمان طراحی و ساخته شده است. نتایج بررسی ها نشان داد که توصیف رفتار بتن در عبور جریان الکتریکی و پیش بینی هدایت ویژه ی الکتریکی بر اساس هدایت ویژه ی الکتریکی هر یک از اجزا با دقت بالاتری همراه است. هم چنین معماری شبکه های عصبی مصنوعی با دقت بسیار بالایی برای پیش بینی هدایت ویژه ی الکتریکی بتن بر اساس هدایت ویژ ی الکتریکی خمیر سیمان و سنگ دانه و نسبت حجمی آن ها در بتن و حداکثر اندازه ی سنگ دانه، و رابطه ی برازش شده برای پیش بینی هدایت ویژه ی الکتریکی بتن بر اساس هدایت ویژه ی الکتریکی خمیر سیمان و سنگ دانه و نسبت حجمی آن ها در بتن ارائه شد. علاوه بر این، بررسی ها در تأثیر عوامل مختلف بر هدایت ویژه ی الکتریکی بتن نشان داد که افزایش ریزی و کاهش حداکثر اندازه ی سنگ دانه با توجه به ویژگی های مصالح مورد استفاده در این تحقیق، موجب افزایش هدایت ویژه ی الکتریکی در بتن و افزایش حجم نسبی و مقاومت ویژه ی الکتریکی سنگ دانه موجب کاهش هدایت ویژه ی الکتریکی بتن می گردد. کلمات کلیدی: هدایت ویژه ی الکتریکی بتن، مدل سازی، شبکه های عصبی مصنوعی، برازش، خمیر سیمان، سنگ دانه، آب قابل تبخیرِ خمیر سیمان.