SUPERVISOR
Abdolreza Kabiri,Kiachehr Behfarnia
عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما) کیاچهر بهفرنیا (استاد راهنما)
STUDENT
Maysam Tavakolian
میثم توکلیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Application of Nanosilica on Concrete Durability in Hydraulic Structures
Concrete is the most common material in construction of the hydraulic structures. Dams and the related hydraulic structures are known as long servicing life structures. Their maintenance costs are high thereby their durability is an important issue. Concrete abrasion is one of the most important factors in threatening the durability of hydraulic structures, thus is considered as a primary factor in determination of the servicing life of a hydraulic structure. Concrete abrasion is generally caused by friction and impact of suspended particles such as; sand, gravel, rock, ice and debris. Spillway aprons, stilling basins, sluiceways, culverts and tunnels are vulnerable structures to the concrete abrasion. Former studies have focused on improving the mechanical properties of concrete using different additives and have reported success in their concrete design mixtures. Recently, among different additives, investigators increasingly notice the nano additives. For this purpose, part of the cement in mixture is replaced by nano materials. Former results indicate that nano particles improve the mechanical properties of concrete remarkably. Present study focuses on investigating the effects of nano silica on durability of concrete in hydraulic structures. Experimental study was perfomed on durability of ordinary and self-compacting concrete (SCC) including abrasion resistance, permeability and water absorption containing nano-solica. According to the merits of SCC, it is widely used in hydraulic structures such as; dams, spillways and tunnels, thus this was the main motivation to apply nano silica in SCC as the major focus of the present study. Based on the results, the effects of nano-particles on mechanical and durability aspects of ordinary and self-compacting concrete were compared. Consequently, the optimal amount of silica nano-particles in design mixture for both ordinary and self-compacting concrete was obtained. To achieve a proper concrete mixture, the time and technique of the mixing materials in SCC especially by adding the nano-particles are important issues. Adding nano-silica into the mixture of water and superplasticizer, as well as using high shear disperse mixers lead to a homogeneous mixture of nano-silica in concrete (ordinary concrete and SCC). Results of fresh-phase concrete tests indicated that viscosity and shear stress increased. Thus, the workability and bleeding of the concrete mixture decreased. Mechanical and physical characteristics of the concrete specimens including compressive strength, abrasion resistance, permeability and water absorption improved by means of adding a low percentage of silica nano-particles significantly. However, greater values of nano-silica weakened the concrete expected properties. Negative effects of excessive magnituds of silica nano-particles in self-compacting concrete were more evident compared to the ordinary concrete.The results of compressive strength tests have a logical correlation with the results of abrasion resistance tests. Therefore, a second order polynomial correlation was developed between the 28-day compressive strength and abrasion resistance of concrete. Keyword : Durability, Hydraulic structures, Nano-silica, Self-compacting concrete, Abrasion resistance, Permeability, Water absorption
اهمیت کاربرد بتن به عنوان اصلی ترین ماده در ساخت سازه های هیدرولیکی امری بدیهی به نظر می رسد. سدها و دیگر سازههای هیدرولیکی، سازههایی با عمر بهرهبرداری طولانی هستند که به علت هزینه بالای تعمیرات، مسأله دوام در آنها از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این بین سایش مهم ترین عامل در کاهش دوام سازه های هیدرولیکی است به گونه ای که مقاومت سایشی بتن اولین فاکتور در تعیین عمر سرویس یک سازه هیدرولیکی به حساب می آید. سایش عموماً در اثر دو عامل اصطکاک و ضربه مواد معلق درآب شامل لای، ماسه، شن، قلوه سنگ، یخ و خار و خاشاک به وجود می آید. بستر سرریزها، حوضچه های آرامش، دهانه تخلیه کننده ها، کالورت ها و پوشش تونل ها از جمله سازه های حساس به سایش هستند. از دیرباز محققین و مهندسان عمران و متالوژی به دنبال افزودنی هایی بوده اند تا به کمک آنها خواص مکانیکی بتن را بهبود بخشند و در این زمینه موفقیت های بسیاری نیز به دست آورده اند. افزودنی های نانو از جمله موادی هستند که توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده اند. جایگزین کردن بخشی از سیمان با مواد نانو ایده مشابه بسیاری از تحقیقات اخیر بوده است. گزارش ها ی متعدد حاکی از استفاده از این مواد جهت بهبود خواص مکانیکی بتن است و در این میان بیشتر توجهات به استفاده از Nano-Sio 2 معطوف بوده است. در این پایان نامه هدف بررسی اثر نانوسیلیس بر دوام بتن مصرفی در سازه های هیدرولیکی است. از این رو آزمایش های تأثیرگذار بر دوام بتن به کار رفته در یک سازه هیدرولیکی نظیر مقاومت سایشی، نفوذپذیری و جذب آب روی نمونه های ساخته شده از بتن معمولی و خودمتراکم انجام گرفت. بتن خود متراکم (SCC) علاوه بر بتن معمولی به دلیل امتیازهای ویژه و کاربرد فراوان در سازه های هیدرولیکی به خصوص در ساخت سرریزها و پوشش تونل ها مد نظر قرار گرفته است. نتایج این تحقیق زمینه را برای مقایسه تأثیر کاربرد نانو مواد بر مشخصات بتن معمولی با بتن خودمتراکم فراهم می نماید. ضمناً تأثیر پارامترهای مطرح شده بر مقاومت سایشی نمونه های بتن بررسی و درصد بهینه کاربرد نانو ذرات سیلیس در طرح اختلاط بتن معمولی و بتن خود متراکم جهت کاربرد در سازه های هیدرولیکی پیشنهاد می گردد. در ساخت بتن خودمتراکم به خصوص درصورت استفاده از نانوذرات نحوه اختلاط مصالح و زمان اختلاط بسیاراهمیت دارد. اضافه کردن نانوسیلیس به مخلوط آب و فوق روان کننده و استفاده از مخلوط کن های با قابلیت پراکنده کنندگی بالا، باعث بهتر مخلوط شدن نانوسیلیس با آب و در نهایت تولید بتنی همگن می شود. نتایج در فاز تازه برای بتن معمولی و بتن خودمتراکم نشان دهنده افزایش لزجت و تنش برشی آن است که این پدیده کاهش شدید کارایی را درپی دارد. هرچند مانع آب انداختگی بتن خودمتراکم می شود. مشخصات بتن مانند مقاومت فشاری، مقاومت سایشی، نفوذپذیری و جذب آب نمونه های بتن معمولی وخودمتراکم با مصرف درصد کمی از نانوذرات سیلیس بهبود قابل توجهی می یابد. اما مقادیر بیشتر باعث ضعف در ساختار بتن می شود. اثرات منفی استفاده بیش از اندازه از نانوذرات سیلیس در بتن خودمتراکم نسبت به بتن معمولی مشهودتر است و ویژگی خودتراکمی آن را با رشد مضاعفی تهدید می نماید. به سبب انطباق نتایج حاصل از مقاومت سایشی با مقاومت فشاری، با برقراری ارتباط منطقی بین آن ها و با برازش منحنی بر نتایج حاصله، یک رابطه ریاضی جهت برآورد مقاومت سایشی بتن معمولی و یا بتن خود متراکم حاوی نانو ذرات سیلیس بر اساس مقاومت فشاری 28 روزه آن پیشنهاد شده است. کلید واژه ها : سازه های هیدرولیکی، نانوسیلیس، بتن خودمتراکم، مقاومت سایشی، نفوذپذیری، جذب آب، دوام