بررسی تاثیر افزودن الیاف مختلف بر مقاومت بتن در برابر فرسایش ناشی از سایش در سازه¬های هیدرولیکی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Concrete is the most common materials used in hydraulic structures because of its high standing resistance against hydrostatics forces. Erosion is one of the main causes of hydraulic structures failure which decreases the service life and reduces the durability of the concrete. Abrasion erosion usually occurs in spillway aprons, stilling basins, sluice ways, culverts, etc. Abrasion erosion is a long term process caused by the friction and the impact of high velocity turbulent jet of water - suspended solid particle flow. Fiber is one of the additives that can improve the abrasion resistant of concrete. The present study is aimed to investigate the effects of adding different kinds of fibers on abrasion resistance of the concrete, including steel, polypropylene and hybrid steel – polypropylene fibers. Experiments are conducted to measure the mechanical properties of the concrete including the compressive and the tensile strengths. The water – sand apparatus was built in the Hydraulic Laboratory at Isfahan University of Technology to measure the abrasion characteristics. Two different plane jet water nozzles with flow velocity of 5 and 10 m/s were used. The scour hole patterns in the lateral and longitudinal cross sections were measured. To evaluate the abrasion erosion, two indexes were used; Intensity abrasion rate (IAR) and the maximum scour depth. An analytical model has been derived to predict the maximum scour depth based on the plain turbulent jet theory. The maximum increase of compressive strength is obtained by adding 1% hybrid steel – polypropylene fiber to the concrete. Adding 1.5% steel fiber increases the tensile strength of the concrete by 70%. It is found that an appropriate method to evaluate the IAR index is to weight the concrete specimen in Saturated Surface Dried (SSD) condition. Results of IAR index show that the highest abrasion resistant can be obtained by mixtures of 1% steel fiber and of 1% hybrid steel – polypropylene fiber. Ordinary concrete has the maximum scour depth while using a mixture with 1% of hybrid steel – polypropylene fiber decreases the maximum scour depth 40%. By analyzing and plotting the scour hole profiles, the effect of adding different fibers on scour depth pattern was left; LINE-HEIGHT: 107%; TEXT-INDENT: 0in; MARGIN: 0in 0in 8pt; unicode-bidi: embed; DIRECTION: ltr" align=left Key Words: Hydraulic structures, Abrasion erosion, Fiber, Idensity Abrasion Rate, Depth scour, Concrete

به علت استحکام مناسب در برابر بار ناشی از وزن و نیروی هیدرواستاتیکی آب، بتن همواره به‌عنوان اصلی‌ترین ماده در ساخت سازه‌های هیدرولیکی به شمار می‌رود. با توجه به عمر بهره‌برداری طولانی و اهمیت سازه‌های بتنی، بحث دوام حائز اهمیت است. پدیده‌ی فرسایش همواره یکی از مهم‌ترین پدیده‌های مخرب در کاهش عمر بهره‌برداری و دوام بتن سازه‌های هیدرولیکی مطرح بوده است. یکی از انواع فرسایش، فرسایش ناشی از سایش است که اغلب در سازه‌هایی نظیر سرریزها، کالورت ها، حوضچه‌های آرامش و غیره مشاهده می‌گردد. فرسایش ناشی از سایش فرایندی است که در درازمدت در اثر اصطکاک و ضربه‌ی ناشی از جت با سرعت زیاد جریان مخلوط آب و مواد معلق جامد باعث خرابی سطح بتن می‌شود. یکی از مهم‌ترین مواد افزودنی که می‌تواند تأثیر مناسبی در بهبود مقاومت بتن در برابر فرسایش سایشی داشته باشد، الیاف است. الیاف با داشتن مقاومت کششی بسیار زیاد و جذب انرژی بالا، به بهبود مقاومت کششی و مقاومت ضربه‌ای بتن کمک می‌کند. در این پایان‌نامه به بررسی تأثیر استفاده از الیاف‌های فولادی، پلی‌پروپیلن و الیاف هیبریدی فولادی- پلی‌پروپیلن بر مقاومت بتن در برابر فرسایش ناشی از سایش در سازه‌های هیدرولیکی پرداخته شده است. تأثیر افزودن الیاف مختلف بر کارایی بتن و نیز مشخصات مکانیکی بتن از جمله مقاومت فشاری و مقاومت کششی با آزمایش‌های مختلف بررسی شده است. برای ارزیابی دقیق تر پارامترهای هیدرولیکی اثرگذار بر فرایند فرسایش ناشی از سایش، دستگاه جت جریان مخلوط آب و مواد ماسه‌ای معلق در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه صنعتی اصفهان ساخته شد. از دو نازل جت آب با سرعت‌های 5 و 10 متر بر ثانیه در آزمایش سایش فرسایشی استفاده شد. الگوی چاله فرسایش یافته در مقاطع طولی و عرضی و عمق بیشینه فرسایش یافته برداشت شد. برای بررسی فرسایش ناشی از سایش نمونه‌ها، از دو شاخص نرخ شدت فرسایش یافته و عمق فرسایش نمونه‌ها استفاده گردید. هم چنین، مدلی تحلیلی برای به‌دست آوردن عمق بیشینه فرسایش یافته بر اساس تئوری جت آشفته مسطح ارائه گردید. بیشترین میزان افزایش در مقاومت فشاری در بین طرح های اختلاطی، با افزودن 1 درصد الیاف هیبریدی فولادی – پلی پروپیلن به بتن مشاهده گردید. با انجام آزمایش مقاومت کششی بر روی نمونه ها مشخص گردید که تسلیح بتن با 5/1 درصد الیاف فولادی، باعث افزایش بیش از 70 درصدی در میزان مقاومت کششی نسبت به بتن معمولی می شود. انجام آزمایش‌های متعدد مشخص شد که مناسب‌ترین روش توزین نمونه‌ها در آزمایش فرسایش ناشی از سایش، توزین به کمک ترازو در حالت اشباع با سطح خشک (SSD) است. تحلیل نتایج حاصله از آزمایش سایش با استفاده از شاخص شدت نرخ فرسایش یافته مشخص کرد که افزودن الیاف فولادی با نسبت 1 درصد حجمی و الیاف هیبریدی فولادی- پلی‌پروپیلن با نسبت 1 درصد حجمی به بتن، بیشترین مقاومت در برابر سایش ایجاد می‌گردد. نتایج حاصل از برداشت عمق فرسایش یافته نمونه‌ها نشان داد که بیشترین میزان عمق فرسایش سایشی را بتن معمولی دارد. با مسلح کردن بتن با الیاف هیبریدی فولادی - پلی‌پروپیلن با نسبت 1 درصد حجمی، عمق بیشینه ی فرسایش 40 درصد نسبت به عمق بیشینه ی فرسایش بتن معمولی کاهش یافته است. با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی و ترسیم پروفیل چاله فرسایش یافته به‌صورت 2D و 3D با نرم‌افزار Techplot، تأثیر الیاف مختلف بر عمق فرسایش یافته در سه دسته کلی طبقه‌بندی شد. برای توصیف الگوی فرسایش و عمق بیشینه در ناحیه فرسایش یافته، روابطی بی‌بعد از برازش داده‌های آزمایشگاهی ارائه گردید. با ارزیابی نتایج دو شاخص نرخ شدت فرسایش و عمق فرسایشی، می توان دریافت که تسلیح بتن با الیاف فولادی و یا الیاف هیبریدی فولادی – پلی‌پروپیلن به دلیل مقاومت بالای ضربه‌ای و محافظت مناسب الیاف فولادی از ملات زیرین، سبب کاهش محسوس عمق فرسایش در نمونه و بیش ترین افزایش مقاومت بتن در برابر فرسایش ناشی از سایش می‌گردد. کلمات کلیدی: سازه‌های هیدرولیکی، فرسایش ناشی از سایش، الیاف، نرخ شدت فرسایش، عمق فرسایش