حسن عباس نژاد

مدل­سازی عددي جريان بتن تازه به‌صورت دوفازي با استفاده از روش عددي SPH

چكيده

بتن از متداول‌ترين مصالح ساختماني است که متشکل از سنگ‎دانه‌هايي است که با ملاط سيمان  به‌يگديگر متصل مي‌شوند. مقاومت فشاري بتن تحت تأثير ترکيبات و طرح اختلاط آن و عوامل ديگري بوده و تا حدود زيادي به نسبت آب به سيمان (W/C) در خمير آن بستگي دارد. کوچکترين اندازه ذرات بتن در حدود چند ميکرومتر (و يا حتي نانومتر) مي باشد و بزرگترين اندازه ذرات بتن (سنگدانه‌ها)،مي تواند در حدود چند سانتيمتر باشد. نوع و ويژگي‌هاي اجزاي تشکيل دهنده بتن نه‌تنها بر ويژگي‌هاي بتن سخت شده تاثير مي‌گذارد، بلکه بر مشخصات بتن تازه (کارپذيري بتن) نيز تاثير مي‌گذارد. از نشانه‌هاي يک بتن سخت‌شده مطلوب اينست که فضاي کار را به‌طور کامل پرکرده، به ميلگردها خوب بچسبد، خمير آن همگن باشد، توزيع سنگ‎دانه‌ها و فضاهاي متخلخل به‌صورت يکنواخت باشد و همچنين داراي يک سطح صاف و بدون سوراخ‌هاي هوا  باشد. احراز همه اين شرايط نيازمند يک طرح اختلاط مناسب و تمهيدات ويژه‌اي براي قالب ريزي بتن است. بسياري از مشکلاتي که دوام ساختمان‌هاي بتني را تهديد مي‌کند از ناحيه قالب‌ريزي بد بتن مي‌باشد که ممکن است در اثر خالي ماندن قسمتي از فضاي کار، ايجاد تخلخل بيش از حد، جداشدگي دانه‌هاي بتن از مخلوط، تجمع يا ته‌نشيني سنگ‎دانه‌ها و يا انسداد جريان بتن توسط ميلگردها رخ‌دهد. با پيشرفت تکنولوژي و کاربرد قالب‌هاي جديدتر با فرم‌هاي پيچيده‌تر و ميلگردگذاري‌هاي با تراکم بيشتر، روز به روز تهديد اين مشکلات بيشتر مي‌شود. متأسفانه مشاهده و پي بردن به اين مشکلات درصورت بروز، به‌آساني ميسر نمي‌باشد. به عنوان يک راه‌حل براي پيش‌بيني مشکلات مذکور، شبيه‌سازي‌هاي کامپيوتري جريان بتن تازه با استفاده از روش‌هاي عددي مي‌توانند مکمل خوبي براي نتايج تجربي و آزمايشگاهي باشند تا با استفاده از آن‌ها در کنار هم، بتوان از بروز مشکلات محتمل تا حد امکان كاست. همچنين، اين مدل‌ها مي‌توانند روش‌هاي کارامدي براي درک ويژگي‌هاي رئولوژي بتن و ديگر مواد سيماني، و ابزاري براي تخمين نسبت و طرح اختلاط بتن باشند. به جهت رفع مشکلات ذکرشده در بخش‌هاي پيشين راهکارهايي براي پيشگيري از اين مشکلات در استاندارد‌ها ذکر شده است. اکثر اين راهکارها به‌صورت توصيه و يا انجام آزمايشات استاندارد در دسترس سازمان‌هاي اجرايي مي‌باشند. حتي با رعايت اين استانداردها نيز نمي توان اطمينان داشت که مشکلات مذکور در حين قالب‌ريزي بتن اتفاق نمي‌افتند. هدف اين تحقيق بر اين است که با توجه به مکانيزم حرکت بتن به‌صورت دو فاز مجزا (ملات و سنگدانه)، حرکت بتن در قالب‌ريزي پيش‌بيني شده تا بتوان يک گام ديگر به سمت اطمينان بيشتر برداشت.

در اين تحقيق جريان بتن با استفاده از روش عددي SPH به‌صورت دو فاز مايع و جامد شبيه‌سازي شده است، که فاز مايع به‌صورت سيال غير نيوتني در نظر گرفته شده است. براي صحت سنجي نتايج، بخش‌هاي مختلفي در فصل چهارم ارائه شده است. در آغاز مثال‌هايي از سيال همگن نيوتني و غير نيوتني با استفاده از روش SPH حل شده تا صحت روش ارائه شده در شبيه‌سازي نشان داده شود. سپس نمونه مسائلي از حرکت مخلوط بتن تازه بصورت دوفازي انجام گرفته‌است.