مدل‌سازی عددی جریان بتن تازه به‌صورت دوفازی با استفاده از روش عددی SPH

STUDENT

DEGREE

YEAR

ABSTRAC: Concrete consists of aggregates that are cohesived by cement mortar. Characteristics of proper harden concrete are complete filling of molds, good cohesions to bars, homogeneous paste, smooth finished surfaces without hollows, and aggregates and hollows are distributed uniformly. Most of durability problems of concrete structures are caused by improper concrete casting mostly due to void, high porosity, aggregate segregation, bleeding caused by capillarity, concentrating or settlement of aggregates, and dense reinforcement. These problems could be predicted by computer simulation of fresh concrete flow using numerical methods, incorporated with experimental and analytical results, to alleviate such problems. The present investigation is conducted to predicate concrete flow during form filling of concrete using two-phase flow of concrete (cement paste and aggregate). In this study, concrete flow is simulated in two phases (liquid and solid) using SPH numerical method (Smoothed Particle Hydrodynamics). Liquid phase assumed to be a non-Newtonian fluid. Interaction forces between solid and fluid phases are estimated using two different approaches. In the first approach, solids are simulated with accurate boundaries. In the second approach, the solid is considered as a particle. Examples of Newtonian and non-Newtonian homogenous fluid of flow between two parallel plates, flow in a pipe, dam break, and falling suspended solid in fluid are solved by SPH method to verify the presented methods. Then, the interaction between solids and boundaries are investigated to verify the proposed approaches. Finally, some cases of two-phase flow are investigated including the concrete flow during form filling in an I-shape beam, the drag force on sphere dragging viscometer , and temporal spreading diameter of slump test. It is concluded that the first approach predicts the flow field around the solids and the interaction forces with good accuracy. It is also capable of estimating the friction between solids. Results of this investigation show that presented methods are able to predict concrete form filling problems in cases with complex mold or reinforcement systems. Increasing the fracture of aggregate reduces the segregation and settlement of aggregates and distribution of aggregates is more uniform. Increasing the aggregates size increases the possibility of blocking flow by the reinforcement. Increasing the aggregates sharpness also increases the flow friction, viscosity, and yield stress of the concrete. This study shows that the second approach in solid simulation (simulating as particles) does not yield proper results. Keywords : Concrete, Two-Phase, SPH, Interaction, Form Filling.

بتن از متداول‌ترین مصالح ساختمانی است که متشکل از سنگ دانه‌هایی است که با ملات سیمان به‌یگدیگر متصل می‌شوند. از نشانه‌های یک بتن سخت‌شده‌ی مطلوب این است که فضای کار را به‌طور کامل پرکرده، به میلگردها خوب بچسبد، خمیر آن همگن باشد، توزیع سنگ دانه‌ها و فضاهای متخلخل به‌صورت یکنواخت باشد و همچنین دارای یک سطح صاف و بدون سوراخ‌های هوا باشد. بسیاری از مشکلاتی که دوام ساختمان‌های بتنی را تهدید می‌کند، از ناحیه بتن‌ریزی بد می‌باشد که ممکن است در اثر خالی ماندن قسمتی از فضای کار، ایجاد تخلخل بیش از حد، جداشدگی دانه‌های بتن از مخلوط، آب انداختن بتن در اثر مویینگی، تجمع یا ته‌نشینی سنگ دانه‌ها و یا انسداد جریان بتن توسط میلگردها رخ‌دهد. به‌عنوان یک راه‌حل برای پیش‌بینی مشکلات مذکور، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری جریان بتن تازه با استفاده از روش‌های عددی می‌توانند مکمل خوبی برای نتایج تجربی و آزمایشگاهی باشند تا با استفاده از آن‌ها در کنار هم، بتوان از بروز مشکلات محتمل تا حد امکان کاست. هدف این تحقیق بر این است که باتوجه به مکانیزم حرکت بتن به‌صورت دو فاز مجزا (ملات و سنگدانه)، حرکت بتن در حین بتن‌ریزی پیش‌بینی شده تا بتوان یک گام دیگر به سمت اطمینان بیشتر برداشت. در این تحقیق، جریان بتن با استفاده از روش عددی SPH به‌صورت دو فاز مایع و جامد شبیه‌سازی شده است. فاز مایع به‌صورت سیال غیرنیوتنی درنظر گرفته شده است. برای برآورد نیروهای اندرکنش بین اجسام صلب و سیال از دو دیدگاه کلی استفاده شده که دیدگاه اول، اجسام با مرز دقیق شبیه‌سازی شده است. در دیدگاه دوم، هر جسم به‌صورت یک ذره شبیه‌سازی شده است. در آغاز، مثال‌هایی از سیال همگن نیوتنی و غیرنیوتنی در مسائل جریان بین دو صفحه ی موازی، جریان درون لوله، شکست سد و سقوط جسم معلق در سیال با استفاده برنامه‌ی نوشته شده بر اساس روش SPH حل شده تا صحت روش ارائه شده در شبیه‌سازی سیال همگن نشان داده شود. پس از آن نمونه مسائلی از برخورد اجسام صلب با جداره ها صورت گرفته تا صحت روش ارائه شده بررسی شود. سپس نمونه مسائلی از حرکت مخلوط بتن تازه به‌صورت دوفازی برای بررسی نحوه ی حرکت بتن در حین بتن ریزی تیر I-شکل، به‌دست آوردن نیروی وارد بر گلوله در ویسکومتر کششی و به دست آوردن قطر پهن‌شدگی آزمایش اسلامپ نسبت به زمان بررسی شده‌است. با استفاده از نتایج تحقیق می‌توان گفت که دیدگاه اول اندرکنش اجسام معلق (اجسام با مرز دقیق) به‌خوبی قادر به حل میدان جریان حول اجسام بوده و نیروی وارد بر اجسام را به‌درستی محاسبه می‌کند. این دیدگاه به‌خوبی قادر به حل مسأله برخورد اجسام صلب با یکدیگر بوده و اصطکاک را نیز به‌درستی مدل می‌کند. بر اساس نتایج می‌توان گفت که روش‌های مذکور مشکلات مربوط به بتن‌ریزی را پیش‌بینی کرده و می‌توان در مسائل دارای قالب‌ها و آرایش میلگردهای پیچیده بر نتایج آن تکیه کرد. برخی از نتایج به‌دست آمده از تحقیق حاضر از قبل مشخص بوده اند که نشان دهنده ی منطقی بودن نتایج تحقیق است. هرچه شکستگی سنگدانه‌ها بیشتر شود، تمایل به جداشدگی سنگدانه‌ها از ملات کمتر شده، پراکندگی سنگدانه‌ها در بتن یکنواخت‌تر شده و خطر ته‌نشینی سنگدانه‌ها کمتر می‌شود. با درشت‌تر شدن اندازه‌ی سنگدانه‌ها، خطر بلوکه شدن و انسداد جریان توسط میلگردها تشدید می‌شود. هرچه سنگدانه دارای شکستگی بیشتری بوده و تیزگوشه‌تر باشد، مقاومت بیشتری در برابر جریان از خود نشان داده و ویسکوزیته و تنش تسلیم بتن را افزایش می‌دهد. با استفاده از نتایج می‌توان گفت که نتایج خوبی از انجام شبیه‌سازی با دیدگاه دوم اندرکنش اجسام معلق (اجسام به‌صورت یک ذره) به‌دست نیامده است. کلمات کلیدی: بتن، دوفازی، SPH، اندرکنش، بتن‌ریزی