شبیه‌سازی عددی انبساط غیرهمسانگرد ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه‌ها در اعضای بتنی

Abstract

واکنش قلیایی سنگدانه‌ها نوعی فرایند شیمیایی مخرب و وابسته به زمان است که بین ­یون­ های قلیایی موجود در سیمان و مواد معدنی موجود در انواع مشخصی از سنگدانه­ ها که دارای سیلیس واکنش‌پذیر یا کربنات می‌باشند رخ می­ دهد. این واکنش سبب ایجاد نوعی ژل در بتن می­ گردد که تمایل به جذب آب داشته و در صورت جذب رطوبت از محیط اطراف بصورت غیریکنواخت منبسط می‌شود. این انبساط غیریکنواخت سبب وقوع تنش‌های کششی بزرگتر از مقاومت کششی بتن و در نتیجه ترک‌خوردگی آن می‌شود. با وقوع چنین ترک‌هایی، بسیاری از پارامترهای رفتار مکانیکی بتن نظیر مقاومت فشاری، مقاومت کششی و مدول الاستیسیته تغییر کرده و در نتیجه­ی آن­، پایداری و قابلیت سرویس‌دهی سازه به طور جدی تحت تاثیر قرار می­گیرند. برای شبیه­سازی رفتار سازه­ها در برابر این واکنش­ها، یکی از مهمترین محاسبات، توزیع جهتی صحیح انبساط حجمی ناشی از این واکنش­ ها می­ باشد، که بر پیش­ بینی تنش­ ها و کرنش ­های موجود در سازه اثر قابل توجهی دارد. در پژوهش حاضر، با استفاده از قابلیت سابروتین­ نویسی در نرم افزار اجزای محدود آباکوس، یک مدل ریاضی برای شبیه‌سازی انبساط مرتبط با واکنش­ های قلیایی سنگدانه ­ها و خسارت ناشی از آن در المان‌ها و اعضای بتن مسلح توسعه داده شد. مدل مورد اشاره با توجه به وضعیت تنش در بتن در هر گام زمانی تحلیل، کرنش آزاد حجمی را بصورت غیرهمسانگرد در بتن توزیع می‌کند. به‌منظور صحت‌سنجی مدل توسعه داده شده، نتایج حاصل از آن تحت شرایط مختلف آرماتورگذاری و بارگذاری با توجه به نتایج آزمایشگاهی مورد سنجش قرار گرفت. مقایسه با نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که مدل عددی توسعه داده شده قادر است با دقت مناسب توزیع جهتی انبساط غیرهمسانگرد ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه‌ها را در بتن مسلح و غیرمسلح شبیه‌سازی کند. نتایج حاصل از مدل اجزای محدود همچنین حاکی از آن است که اصلاح مشخصات مکانیکی بتن طی شبیه‌سازی، تاثیر اندکی بر توزیع جهتی انبساط دارد. بعلاوه مشاهده شد که مدل مورد استفاده تسلیم آرماتورها را در انبساط کلی متناظر با کرنش تسلیم فولاد (حدود 2/0 درصد) نشان می­دهد که پیرو آن تغییرات تنش الگوی متفاوتی را دنبال می­ نماید. چارچوب عددی معرفی شده در این مقاله می­تواند به نحو موثری در مدل­سازی سازه ­های تحت اثر واکنش­های قلیایی سنگدانه­ ها مورد استفاده قرار گرفته و به منظور تعیین تنش­ ها و خسارات ناشی از پیشرفت این واکنش استفاده شود.