دانلود رایگان مقاله اثر میدان مغناطیسی بر روی مقاومت فشاری بتن ریزدانه
چکیده
بررسی به منظور کشف امکان استفاده از میدان مغناطیسی متناوب (AMF) به منظور افزایش مقاومت فشاری و ابداع یک سیستم محرک جدید در سازه های هوشمند انجام پذیرفت. از این رو، چندین آزمایش در مقایس کوچک بر روی نمونه های مکعبی ریزدانه انجام شد، که در آن ها از اثر AMF با چگالی 0.5 تسلا (T) و فرکانس 50 Hz به منظور آماده سازی مخلوط بتنی استفاده شد و مقاوممت فشاری بتن سخت شده اندازه گیری شد. علاوه بر این، نقش AMF اعمالی به مخلوط بتنی آماده شده در تغییر رفتار آن مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور قرار دادن نمونه ها در معرض AMF، یک مدار مغناطیسی ویژه طراحی گردید. اما، قرارگیری بتن در معرض آن سبب افزایش مقاومت آن به میزان 7.78 درصد شد. مزایای این اثر از نقطه نظرهای تئوری گوناگون مورد بحث قرار گرفت. این طور نتیجه گیری شد که این روش می تواند به عنوان پایه ای برای کنترل رفتار سازه های بتنی هوشمند در مقیاس بزرگ و در زمان حقیقی، از طریق تنظیم سختی اعضا توسط AMF مورد استفاده قرار گیرد. در نهایت، امکان استفاده از این روش برای سازه های RC در مقیاس بزرگ توضیح داده شده و یک مثال گرافیکی ارائه گردید.
1. مقدمه
افزایش استحکام سازه های بتنی در مهندسی سازه مسئله ای حیاتی است که منجر به بررسی روش های مختلفی مانند ساخت سازه های هوشمند در برابر نیروهای دینامیکی و بهبود خواص فیزیکی بتن شده است. برای دستیابی به این هدف روش های مختلفی مانند استفاده از افزودنی های شیمیایی و مواد ریزدانه به نام ریزذرات به صورت گسترده ای مورد بررسی قرار گرفته است (به عنوان مثال [1](. اخیراً، به منظور بهبود مشخصات بتن استفاده از الکترومغناطیس ها به شکل گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است.
در سازه های هوشمند الکترومغناطیس ها عمدتاً جهت نظارت بر عملکرد سازه [2و3] مورد استفاده قرار گرفته است. سازه های هوشمند عبارتند از برخی از سنسورها و سیستم های هوشمند متشکل از موادی مانند فیبرهای نوری (FOs) [4-6]، فیزوالکتریک ها [7-9]، مواد مغناطیس رئولوژیکی (MR) [10-11]، مواد الکترو رئولوژیکی (ER) [12،13)، آلیاژهای حافظه شکل (حالت) (SMAs) [14و15]. عکلکرد چنین سازه های وابسته به خواص مواد هوشمند دارد. این فناوری ها برای کاربردهایی مانند تشخیص آسیب، کنترل حالت [16 و 17]، کنترل صدا و صوت [19و18]، نظارت بر سلامت [20و21]، کنترل ارتعاش [22و23] و جمع آوری انرژی [24و25] مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال، این روش ها، دارای کاستی های خود می باشند برای مثال موفقیت آمیز نبودن در مراحل اولیه آسیب ها، دشواری نصب سنسورها، کاهش ظرفیت باربری اعضا به دلیل جایگیر بودن، تمایز میان سیستم باربری و سنسور [26].
جهت بهبود خواص (مشخصات) بتن، یک روش جدید استفاده از تعمیر (بهبود) مغناطیسی آب بتن است. این روش بر پایه اثر میدان مغناطیسی بر روی خواص آب بوده که اولین بار در سال 1902 توسط لرنز شرح داده شد. زمانی که آب در معرض میدانی مغناطیسی قرار می گیرد، میزان ثبات میان مولکول های آب کاهش یافته و سایز مولکول ها افزایش می یابد [27]، بنابراین برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی آن تغییر می نماید مانند ویسکوزیته، حلالیت، درجه حرارت، وزن مخصوص، کشش سطحی، هدایت الکتریکی، PH، فشار نفوذپذیری [28و29]. اکثر تحقیقات انجام شده در این زمینه نتیجه گیری کرده اند که استفاده از آب مغناطیسی در ساختار بتن مقاومت فشاری را به میزان 10-25 درصد افزایش داده و کارایی بتن را نیز افزایش می دهد [36-30]. این امر در برخی موارد منجر می شود که، مقدار کمتر سیمان، مقاومت فشاری و کارایی بیشتری را ایجاد نماید. بر اساس یکی از تحقیقات جدید، مقدار سیمان می تواند تا 28 درصد کاهش یابد [30]. علاوه بر این، استفاده از آب مغناطیسی سبب افزایش مقاومت در برابر یخ زدگی و نفوذ شده و شکل پذیری را افزایش می دهد [31]. برخی عوامل مانند مدت زمان ترمیم و قدرت میدان مغناطیسی بر روی این عوامل تاثیر می گذارند. نشان داده شده است که اگر آب در معرض میدان مغناطیسی با چگالی 0.985 T برای 24 ساعت قرار بگیرد، مقاومت فشاری می تواند به مقدار 55 درصد افزایش یافته، علاوه بر این کارایی نیز اندکی افزایش خواهد یافت [37].
اخیراٌ، اثر اعمال میدان مغناطیسی در ترکیبات بتنی متشکل از پودر آهن کربونیل (به عنوان ماده MR [38]) بر روی خواص بتن تازه مورد مطالعه قرار گرفته است. مشاهده گردید که این شیوه مقاومت بتن را افزایش داده اما تاثیری بر روی مقاومت فشاری ندارد [39]. بر اساس تحقیق جدید دیگری که اثر میدان مغناطیس استاتیک با قدرت های مختلف تا حداکثر 25.37 گاس (یک گاس = (10-4T را بر روی خواص خمیر سیمان در سنین مختلف، تا نمونه های 7 روزه خمیر سیمان را بررسی می کرد، مشاده گردید که هر چه مقدار ژل کلسیم سیلیکات هیدرات (CSH) بیشتر باشد مورفولوژی آن متراکم تر شده و با مقدار تخلخل کمتر قدرت القای الکترومغناطیسی بالاتری ایجاد می شود، میدان مغناطیسی ترکیب کانی های سیمان هیدراته شده را تغییر داده و مقدار مقاومت فشاری خمیر سیمان را در طی 7 روز به مقدار 13 درصد در نمونه های با میدان مغناطیسی 25.37 گاس، افزایش می دهد [40].
با این حال، مطالعات انجام شده در زمینه تاثیر اعمال مستقیم میدان مغناطیسی بر روی خواص فیزیکی مواد سیمانی بسیار محدود بوده است. علاوه بر این، استفاده از میدان های مغناطیسی برای بتن های حاوی مواد هوشمند تقریباً محدود به میدان مغناطیسی اعمالی به مواد سیمانی تازه و خواص حالت تازه آن ها می باشد. بر اساس اطلاعات نویسندگان، هیچ تحقیق انجام نشده است که به بررسی (a) اثر میدان مغناطیسی متناوب (AMF) اعمال شده به مخلوط بتنی، (b) اثر جهت AMF اعمالی به مخلوط بتنی آماده، و (c) اثر اعمال AMF به بتن سخت شده، بر رروی خواص فیزیکی آن بپردازد.
هدف از این تحقیق بررسی این موارد و کشف امکان ایجاد نسلی جدیدی از سازه های بتنی هوشمند با استفاده از AMF، و انجام چند آزمایش در مقیاس کوچک بر روی نمونه های بتنی ریزدانه متفاوت است. این فرایند به دو مرحله تقسیم بندی شده است: I) مرحله حالت تازه شامل اثر بتن قرار گرفته در معرض AMF بر روی مقاومت فشاری؛ و نقش جهت AMF اعمالی به بتن تازه در رفتار بتن سخت شده. II) مرحله حالت تازه شامل اثر AMF اعمالی به بتن سخت شده بر روی مقاومت فشاری.
2. ضرورت تحقیق
روش های متفاومتی برای بهبود خواص فیزیکی بتن ارائه شده است. با این حال، نویسندگان معتقدند که اثر اعمال مستقیم میدان مغناطیسی به بتن بر روی مشخصات مکانیکی آن نظیر استفاده از میدان مغناطیسی در کنترل رفتار سازه ای بتن در زمان حقیقی مورد بررسی قرار نگرفته است. از این رو، تحقیق حاضر برای اولین بار مسائل فوق را مورد بررسی قرار می دهد. نتایج چنین بررسی هایی را می توان در کنترل رفتار حقیقی سازه های هوشمند مورد استفاده قرار داد، و دارای مزایای اقتصادی و عملی نسبت به برخی از روش های موجود مانند عدم نیاز به نصب سیستم های دیسکی در بتن خواهد بود.
3. بررسی تجربی
3.1 مواد
در طی تحقیقات AMF مورد استفاده دارای فرکانس 50 Hz با دامنه 0.5 T بود. سیمان مورد استفاده در تمامی تحقیقات سیمان پورتلند معمولی بوده که خواص فیزیکی و شیمیایی آن در جدول 1 ارائه شده است. دانه بندی مورد استفاده ماسه رودخانه ای با حداکثر اندازه ذرات 2.36 میلیمتر بود (0.093 اینچ). به منظور افزایش کارایی نمونه ها، تمامی نمونه ها با استفاده از مقدار برابری از فوق روان کننده ها تهیه شدند. آب مورد استفاده در مخلوط آب آشامیدنی بود. جهت اجتناب از میزان بالای نشت مغناطیسی به دلیل نفوذپذیری مغناطیسی بالای مواد فولادی، و تقریباً برای تمامی شار مغناطیسی عبوری از بتن تازه در قالب ها، ضخامت قالب های پلاستیکی تمامی نمونه ها برابر با 3 میلیمتر (0.12 اینچ) بود.
3.2 برنامه آزمایش
مقاومت فشاری 15 نمونه بتن ریزدانه مورد ارزیابی قرار گرفت. متغیرهای اصلی در آزمایشات عبارت بودند از: a) زمان های قرارگیری در معرض AMF، b) جهت قرارگیری در معرض AMF و متغیرها عبارت بودند از: a) نمونه ها به سه نوع طبقه بندی شدند، شامل: نمونه های غیر مغناطیسی (NM) که در معرض AMF قرار نگرفتند، نمونه های پیش مغناطیسی (PrM) که AMFبلافاصله پس از ریخته شدن بتن تازه در قالب به اعمال شده بودند و نمونه های پس مغناطیسی (PoM) که بتن پس از سخت شدن در معرض AMF قرار گرفته بود. متغیر (b) همراه با نمونه های PrM بوده و وابسته به جهت مغناطیس، همان طور که در جدول 2 و شکل 1 نشان داده شده است می باشد.
abstract
An exploratory investigation was conducted into the feasibility of using Alternating Magnetic Field (AMF) to enhance concrete compressive strength and to invent a new actuators system in smart structures. Hence, some small-scale experiments were performed on cube fine aggregate concrete specimens, wherein the effect of applying AMF of density 0.5 Tesla (T) and frequency 50 Hz to ready mixed and hardened concrete on the compressive strength was examined. Besides, the role of the direction of AMF applied to ready mixed concrete in changing its physical behavior was evaluated. For exposing the specimens to AMF, a specialized magnetic circuit was designed. It was observed that applying AMF to fresh concrete has a marginal effect on compressive strength. But, exposing hardened concrete enhanced the compressive strength up to 7.78%. The advantage of this effect was discussed theoretically from different aspects. It was found that this method can be a base for behavior controlling of large-scale smart concrete structures in real time, through adjusting element stiffness by AMF. Finally, the feasibility of this method for large-scale RC structures was explained, giving a graphical example.
1. Introduction
Enhancing stability of concrete structures is a vital issue in structural engineering having led to invention of different ways such as making structures smart against dynamic forces and improving physical properties of concrete. To attain these goals various methods such as using chemical admixtures and fine aggregate materials known as nano-particles have been widely investigated (for example [1]). Recently, profiting from electromagnetism has been widely used to improve concrete properties.
As to smart structures, electromagnetism has been used mostly in structure performance monitoring [2,3]. Smart structures include some sensors and actuators systems comprising smart materials such as Fiber Optics (FOs) [4–6], piezoelectrics [7–9], Magneto-Rheological (MR) materials [10,11], Electro-Rheological (ER) materials [12,13], Shape Memory Alloys (SMAs) [14,15]. The performance of such structures depends on the utilized smart material properties. This technology has been used for applications such as damage detection, shape control [16,17], noise and acoustic control [18,19], health monitoring [20,21], vibration control [22,23], and energy harvesting [24,25]. These techniques, however, have their own shortcomings for example unsuccessfulness at early stages of damage, difficulty in sensor installation, reduction in load-bearing capacity of the element due to taking up too much space in it, distinction between the load bearing system and the sensors [26].
Regarding concrete properties improvement, a novel method is magnetic treatment of concrete water. This method is based on the effect of magnetic field on water properties explained by Lorenz in 1902 for the first time. When water is exposed to magnetic field, the consolidation degree between water molecules decreases and the size of the molecules increases [27], thereby changing some of its physical and chemical characteristics such as viscosity, solubility, temperature, specific weight, surface tension, electric conductivity, PH, permeability pressure [28,29]. Most of studies in this field have concluded that using magnetized water in concrete fabrication increases the compressive strength by 10–25 percent and also improves concrete workability [30–36]. This causes that in some cases, with the same compressive strength and workability, the cement content can be reduced. According to one of recent studies, this reduction can fall to 28% [30]. In addition, using magnetic water in concrete makes it more resistant to freezing and permeating and increases its plasticity [31]. Magnitude of such changes is controlled by some factors such as treatment duration and the power of magnetic field. It is shown that if water is subjected to a magnetic field of intensity 0.985 T for 24 h, the compressive strength can increase up to 55% besides a slight increase in workability [37].
Recently, the effect of applying magnetic field to ready mixed concrete comprising carbonyl iron powder (as MR material [38]) on its fresh-state properties was studied. It was found that this method changes the shear resistance of concrete but has no effect on the compressive strength [39]. According to another recent investigation dealing with the effect of static magnetic field of different powers up to 25.37 Gauss, (1 Gauss = 104 T), on cement paste properties, at different ages up to 7 days of hardened cement pastes samples, it was found that the amount of Calcium Silicate Hydrate (CSH) gel is larger and its morphology becomes denser and less porous with higher magnetostatic induction strength; magnetic field changes the mineralogical composition of hydrated cement pastes and enhances mechanical strength of cement pastes where the maximum increase in compressive strength equal to 13% was observed as to the 7-day aged specimens having been treated by magnetic field of strength 25.37 Gauss [40].
However, studies on the effect of directly applying magnetic field to cementitious materials on their physical properties are very scarce in technical literature. Moreover, the use of magnetic fields for concrete containing smart materials is almost limited to the effect of static magnetic field applied to fresh cementitious materials on their fresh state properties. Up to the authors knowledge, there have been no studies dealing with (a) the effect of Alternating Magnetic Field (AMF) applied to ready mixed concrete, (b) the effect of the direction of AMF applied to ready mixed concrete, (c) the effect of applying AMF to hardened concrete, on its physical properties.
This study aims to uncover these facts and explore feasibility of making a new generation of smart concrete structures using AMF, performing some small-scale experiments on different fine aggre gate concrete specimens. The procedure is divided into two phases: I) the fresh-state phase including the effect of exposing fresh concrete to AMF on the compressive strength; the role of the direction of AMF applied to fresh concrete in hardened concrete behavior, II) the hardened-state phase including the effect of applying AMF to hardened concrete on the compressive strength.
2. Research significance
Different ways for promoting physical properties of concrete have been widely dealt with. However, the authors believe that the effect of directly applying magnetic field to concrete on its mechanical properties as well as the use of magnetic fields in controlling concrete structural behaviors in real time have not been addressed. Hence, the present study is to deal with these issues for the first time. The consequence of this exploratory investigation can be used in real time behavior controlling of smart structures, with financial and practical advantages over some existing methods like no need for actuators systems installation in concrete.
3. Experimental investigation
3.1. Materials
Throughout the investigation the AMF used was of frequency 50 Hz with a magnitude of 0.5 T. The cement used in all the specimens was commercial ordinary portland cement the chemical and physical properties of which are given in Table 1. The aggregates used were air dried river sand of maximum particle size 2.36 mm [0.093 in.]. To improve workability of specimens, all the samples were prepared using superplasticizer with the same dosages. The water mixed was tap water. To avoid from a high amount of magnetic leakage because of the high magnetic permeability of steel materials; and for almost all of magnetic flux to pass through molded fresh concrete, for all specimens plastic molds of thickness 3 mm [0.12 in.] were used.
3.2. Test program
Fifteen fine aggregate concrete specimens were examined for compressive strength. The main variables in the test series include: a) AMF exposure occasion, and b) AMF exposure direction. As to variable (a), the specimens were divided into three types including: Non-Magnetized (NM) specimens which were not exposed to AMF, Pre-Magnetized (PrM) specimens which AMF was applied to fresh concrete immediately after casting concrete into molds, Post-Magnetized (PoM) specimens in which the specimen was exposed to AMF after hardening, during the test. Variable (b) is associated with the PrM specimens, depending on magnetizing direction as explained in Table 2 and shown in Fig. 1.
چکیده
1. مقدمه
2. ضرورت تحقیق
3. بررسی تجربی
3.1 مواد
3.2 برنامه آزمایش
3.3 میدان مغناطیسی مورد استفاده: توضیحات و محاسبات
3.4 نمونه ها
3.5 روش آزمون
4. نتایج و بحث
4.1 نتایج تجربی و بحث
4.2 نتایج آزمون مقاومت فشاری نمونه های PoM: بحث نظری
4.3 امکان سنجی این روش برای سازه های RC در مقیاس بزرگ
5. نتیجه گیری
1. Introduction
2. Research significance
3. Experimental investigation
3.1. Materials
3.2. Test program
3.3. The magnetic circuit employed: explanations and calculations
3.4. Specimens
3.5. Test procedure
4. Results and discussion
4.1. Experimental results and discussion
4.2. Compression test results of PoM specimens: theoretical discussion
4.3. Feasibility of this method for large-scale RC structures
5. Conclusions
Acknowledgments
References