SUPERVISOR
Ebrahim Ghasemivarnosfaderani,Lohrasb Faramarzi
ابراهيم قاسمي (استاد راهنما) لهراسب فرامرزي (استاد راهنما)
STUDENT
Vahid Amirkiyaei
وحيد اميرکيائي
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 يکي از پرکاربردترين و رايجترين مصالح ساختماني است که از گذشته تا کنون مورد استفاده قرار گرفته است. سن گها داراي قابليت منحصر به فردي هستند که قابل مقايسه با ساير مصالح ساختماني نم يباشند. از جمله اين ويژگ يها مقاومت فشاري تکمحوري م يباشد، که يکي از پارامترهاي اساسي در انتخاب سنگهاي ساختماني است که نقش قابل ملاحظهاي در پايداري آنها دارد . از اينرو دوام و مقاومت سنگها در شرايط اقليمي متغير در مناطق مختلف از اهميت زيادي برخوردار م يباشند. شرايط آب و هوايي در برخي از مناطق سردسير ايران و به وجود آمدن چرخههاي يخبندان يکي از مهمترين عوامل مؤثر در هوازدگي سنگها م يباشد که خواص فيزيکي و مکانيکي سنگها را تا حدودي تحت تأثير قرار م يدهد. به همين علت لازم است که سن گهايي مقاوم و با دوام متناسب با شرايط آب و هوايي پيشنهاد شوند . تعيين مستقيم مقاومت فشاري تکمحوري بعد از چرخ ههاي ذوب و انجماد در آزمايشگاه مشکلاتي همچون آماد هسازي نمونه مورد آزمايش بر اساس استاندارد، هزينه بالاي آزمايش و همچنين و قتگير بودن آن را شامل م يشود. به منظور غلبه بر اين مشکلات، در اين تحقيق دو مدل به منظور پيشبيني مقاومت فشاري تکمحوري بعد از چرخههاي ذوب و انجماد )بعد از 25 چرخه( با استفاده از سرعت موج فشاري توسعه داده شدند. روابط توسعه داده شده بر اساس يک پايگاه داده شامل اطلاعات 22 نمونه از سن گهاي ساختماني کربناته ) 12 نوع تراورتن، 3 نوع لايمستون و 7 نوع مرمريت( و با استفاده از تحليلهاي رگرسيون ساده و چند متغيره خطي و غيرخطي در نرم افزار ساخته شدند و عملکرد آ نها مورد ارزيابي قرار گرفت. به منظور ارزيابي عملکرد دو رابطه شاخ صهاي آماري شامل ضريب تعيين ) 2R ،) ميانگين مربعات خطاي نرمال شده ) NRMSE ( و واريانس خطا ) VAF ( براي هر يک از روابط به طور جداگانه محاسبه شدند. سپس با بررسي و مقايسه شاخصهاي ذکر شده مشخص گرديد که مدل دوم نسبت به مدل اول توانايي قابل ملاحظهاي در پيشبيني مقاومت فشاري تک - محوري بعد از 25 چر خه ذوب و انجماد را دارد. سرعت موج فشاري يکي از پارامترهاي مهم در پروژههاي ژئوتکنيکي و مکانيکسنگي م يباشد و همچنين اين پارامتر قابليت ارزيابي ساير پارارمترهاي مکانيک ي سنگها به صورت غيرمخرب دارد. با توجه به اهميت اين پارامتر در اين مطالعه يک رابطه چند متغيره غيرخط ي جهت پيش بيني سرعت موج فشاري در هر چرخه ذوب و انجماد با توجه به ميزان تغييرات سرعت موج فشاري در طي فرآيند ذوب و انجماد توسعه داده شد. سپس با بررسي و مقايسه شاخص مشخص گرديد که رابطه توسعه داده شده، مدلي قابل اعتمادي براي پيشبيني سرعت موج فشاري سنگهاي ساختماني کربناته در هر چرخه ذوب وانجماد م يباشند که قادر هستند با دقت قابل قبولي مورد استفاده قرار گيرند. علاوه بر سرعت موج فشاري و مقاومت فشاري تکمحوري، دوام طولاني مدت سن گهاي ساختماني کربناته تحت فرآيند ذوب و انجماد در اين تحقيق مورد بررسي قرار گرفته است. جهت بررسي دوام طولاني مدت از دو پارامتر ثابت تخريب ) ? ( و شاخص نيمه عمر ) ??????? ( که با توجه به تغييرات نزولي سرعت موج فشاري در طي فرآيند ذوب و انجماد اندازهگيري شدهاند، استفاده شده است. از آنجايي اندازهگيري اين دو پارامتر يک فرآيند سخت، طاقت فرسا، زمانبر و پرهزينه م يباشد، به همين منظور براي ر فع اين مشکلات، با استفاده از تکنيک آماري درخت رگرسيوني CART دو مدل درختي به منظور پيشبيني ثابت تخريب و شاخص نيمه عمر سن گهاي ساختماني کربناته با در نظر گرفتن تخلخل توسعه يافته است. مقايسه مقادير پيشبيني شد ه و اندازهگيري شد ه و بررسي شاخصهاي آمار ي نشان م يدهند که دو مدل درختي توسعه داده ابزار خوبي جهت پيشبيني ثابت تخريب و شاخص نيمه عمر م يباشند