دانلود رایگان مقاله نمونه مقدار رطوبت بتن داخلی در سازه های در معرض آب و هوای طبیعی

چکیده

           رطوبت در بتن داخلی به طور مستقیم عامل اصلی مؤثر در پدیده زوال سازه های بتنی است. در این مطالعه، یک روش برای پیش بینی رطوبت محیط طبیعی و بتن داخلی بر اساس رطوبت نسبی(RH)و تراکم بخار آب(WVD)مفاهیم مورد استفاده داده‌های هواشناسی پیشنهاد شده است. تغییرات رطوبت در محیط زیست و بتن داخلی اندازه گیری و مدلسازی شده است. پس از اعتبارسنجی تجربی، مدل رطوبت بمنظور بررسی طیف عمل رطوبت در محیط و طیف واکنش رطوبت در بتن داخلی بر اساس داده‌های هواشناسی ماهانه و سالانه تمدید شد.نتایج نشان می‌دهد که ویژگی‌های RH وWVDاز یکدیگر در هر دو هم محیط زیست و هم بتن داخلی به عنوان یک نتیجه از ویژگیهای ذاتی بتن متفاوت است. در جو،نوسان دوره ای RH با چرخه روزانه، در حقیقت WVDفقط کمی نوسانات را نشان می‌دهد. در بتن داخلی، نوسان دوره ایWVD، در حقیقتRH نسبتا پایدار است و به سمت یک ثابت فراتر از یک عمق بحرانی تمایل دارد. بنابراین، پیشنهاد شده است کهWVD، توسطRH پشتیبانی شود، به لحاظ کمی تشخیص رطوبت مورد استفاده قرار می‌گیرد وRH در تشخیص کیفی رطوبت استفاده می‌شود.

1. معرفی

           در حال حاضر، طراحی دوام و ارزیابی سازه‌های بتنی از یک نسخه در یک رویکرد مبتنی بر عملکرد در حال تغییر است. در این تحقیقات و طراحی محیط زیست، تجزیه و تحلیل کمی و مدل سازی دقیق مکانیسم زوال در سازه‌های بتنی نیاز به مطالعه بیشتر دارد. دقت پیش‌بینی رطوبت بتن برای شرایط مختلف محیطی برای استفاده به عنوان ورودی در طراحی دوام و ارزیابی سازه‌های بتنی ضروری است. این اهمیت ناشی از این واقعیت است که پدیده زوال بتن، مانند کربنات، حمله با کلرید و سولفات، انجماد و یا ذوب، و در برابر خوردگی میلگرد در بتن، عمدتا توسط انتقال جرم از رطوبت ایجاد می‌شود، و سطح رطوبت به طور قابل توجهی تحت تاثیر روش نقل و انتقالات و واکنش‌های درگیر در زوال قرار می‌گیرد.

         تحقیقات گسترده روی اثر رطوبت بر وخامت سازه‌های بتنی انجام شده است. نتایج این مطالعات نشان می‌دهد که نرخ زوال ساختاری، مانند کربنات بتن، نفوذ کلرید و خوردگی میلگرد در بتن، بستگی به شدت در محیط زیست میكرو در بتن داخلی دارد؛ در همین حال، پیش بینی به طور مستقیم زوال بر روی محیط زیست آب و هوای طبیعی اساسی نادرست بوده است. درجه حرارت و رطوبت در بتن سازه داخلی بطورقابل توجهی متفاوت از جو هستند، اما میکرو محیط بتن داخلی به وضوح وابسته به هر دو هم آب و هوا طبیعی و هم خواص ذاتی بتن می باشد.Baroghel-Bounyو همکارانش خواص تعادل و انتقال رطوبت بتن را با استفاده از دفع و جذب آزمایش همدما بررسی كردند و سپس به توصیف تحول زمانی پروفایل رطوبت پرداختند. شین و همکارانش یک روش برای تعیین ضریب نفوذ سخت شدن بتن با اندازه گیری رطوبت نسبی منافذ پروفیل‌های (RH) با استفاده از تجزیه و تحلیل غیر خطی انتشار معکوس پیشنهاد كردند. یوان و همکارانش درجه حرارت آب و هوا وطیف عمل RH و طیف واکنش نسبی در بتن داخلی را بر اساس نتایج تجربی و روش کالبد شکافی شدیداًمتفاوت ساختند. ریو و همکارانش اثر شرایط محیطی شبیه سازی شده بر رویRH و توزیع نسبی رطوبت داخلی بتن را مورد مطالعه قرار دادند.روش الکترود و سنسورهای رطوبت برای توضیح اثرات تغییرات چرخه‌ی روزانه در شرایط محیطی (دما و رطوبت نسبی) و بارش در RHداخلی و نسبت توزیع مقدار رطوبت در معرض بتن مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داده‌اند که دمای خارجی /تنها تغییراتRH و توزیع نسبی رطوبت داخلی RHدر منطقه سطح بتن را تغییر داد؛ مقدار رطوبت با کاهش بسیار آرام فراتر از سطح یافت شد.

          مطالعات قبلی نشان داده‌اند که به منظور توسعه یک مدل رطوبت کمی بتن داخلی، دقت پیش بینی پدیده زوال ضروری است. با این حال، این مطالعات نشان می‌دهند که این یک مشکل پیچیده است. آن به خوبی شناخته شده است که تغییرات RH در محیط خارجی طبیعی می‌تواند بر رطوبت در بتن تاثیر گذارد، اما هر دو هم درجه حرارت و هم رطوبت نسبی در جو از آنهایی است که در بتن داخلی به دلیل هدایت حرارتی و نفوذ پذیری بتن متفاوت است. علاوه بر این، RH در نوسان محیط طبیعی هم سالانه (با فصل) و هم بیش از دوره‌های کوتاه‌تر (روزانه) است. نوسانات کوتاه مدت که با توجه به عوامل زوال مرتبط با انتقال رطوبت مهمتر هستند. وابستگی زمانی، تصادفی، و تنوع منطقه‌ایRH در محیط طبیعی و پسماند رطوبت در بتن داخلی همه به رفتار پیچیده‌ی رطوبت در بتن، موانع پیش بینی‌های دقیق کمک می‌كنند. بنابراین، مدل ساده رطوبت کمی بتن داخلی در سازه‌های در معرض آب و هوای طبیعی یافت نشده است. مطالب موجود به طور عمده متمرکز بر انتقال خواص رطوبت بتن و آزمون‌های واکنش داخلی ساختار بتن در معرض شبیه سازی به سادگی محیط زیست طبیعی می‌شوند. این هنوز بسیار دشوار برای به دست آوردن به طور موثر رطوبت کمی در بتن داخلی در معرض آب و هوای طبیعی در پیش بینی و شبیه سازی زوال ساختار است.

           برای حل این مشکل، این مقاله یک مدل رطوبت کمی بتن داخلی بر اساس مفاهیمRH و تراکم بخار آب (WVD) با استفاده از اطلاعات هواشناسی را نشان می‌دهد. در ابتدا، یک مدل رطوبت کمی بر اساسRH و WVD، به عنوان مثال، مفهوم رطوبت مطلق، با استفاده از اطلاعات روزانه هواشناسی ساخته شده است. دوم اینكه، تغییر رطوبت در محیط خارجی و اینکه در بتن داخلی اندازه گیری و مدل‌سازی شده است. پس از اعتبار سنجی تجربی، مدل رطوبت به بررسی طیف عمل رطوبت در محیط خارجی و طیف واکنش رطوبت در بتن داخلی بر اساس اطلاعات هواشناسی ماهانه و سالانه توسعه یافته است. به جز این تعریف شده‌ها و دستورالعمل‌ها، خواص اصلی نمونه‌ی مورد مطالعه در نظر گرفته شد بطوریكه یک ثابت و اثرشان بر تغییر رطوبت در بتن در این پژوهش شرکت نداشته بودند.

2. مدل رطوبت کمی آب و هوا و بتن داخلی

           به خوبی شناخته شده است که رطوبت را می‌توان با RH و WVDتوصیف كرد. میزان رطوبت نسبی به صورت نسبت فشار بخار جزئی به فشار بخار اشباع تعریف شده است و در درجه اول تابعی از درجه حرارت است. میزان RH و WVDاز نزدیک مرتبط هستند، اما معانی متفاوتی دارند. در این مطالعه، مدل رطوبت بر اساسRH معمولی وWVDبا استفاده از داده‌های هواشناسی برای توصیف طیف عمل رطوبت در محیط خارجی و طیف واکنش رطوبت در بتن داخلی است.

2.1. مدل رطوبت برای محیط خارجی

          فشار بخار آب اشباع که معمولا از چنین معادلاتیازقبیل Goff-Gratch، وکسلر-گرینسپن و معادلات کلازیوس-کلاپیرونمحاسبه می شود. معادله کلازیوس-کلاپیرون ادغام عملکرد فشار بخار آب با توجه به دما، حجم، و اثر حرارتی می‌باشد و سپس متناسب با معادله به نمایندگی از تعادل فاز، نشان داده شده در معادله (1) به شرح زیر است.

Abstract

         The moisture in interior concrete is the primary factor directly influencing the deterioration phenomena of concrete structures. In this study, a method for predicting the moisture of the natural environment and the interior concrete was proposed based on the relative humidity (RH) and water vapor density (WVD) concepts using meteorological data. The variations of the moisture in the environment and the interior concrete were measured and modeled. After experimental validation, the moisture model was extended to investigate the action spectrum of humidity in the environment and the reaction spectrum of moisture in the interior concrete based on monthly and annual meteorological data. The results show that the characteristics of the RH and WVD differ from one another in both the environment and the interior concrete as a result of the intrinsic properties of the concrete. In the atmosphere, the RH fluctuates periodically with the diurnal cycle, whereas the WVD shows only slight fluctuations. In the interior concrete, the WVD fluctuates periodically, whereas the RH is relatively steady and tends towards a constant beyond a critical depth. Thus, it is proposed that the WVD, supported by the RH, be used to quantitatively characterize the moisture and the RH be used to qualitatively characterize the moisture.

1. Introduction

         Currently, the durability design and assessment of concrete structures is shifting from a prescriptive to a performance-based approach. In this research and design environment, the quantitative analysis and detailed modeling of the deterioration mechanisms in concrete structures require further study [1]. It is essential to accurately predict the moisture content of concrete for various environmental conditions for use as an input in the durability design and assessment of concrete structures. This importance stems from the fact that concrete deterioration phenomena, such as carbonation, attack by chloride or sulfate, freezing or thawing, and the corrosion of rebar in concrete, are mostly caused by mass transfer from the moisture [2–4], and the moisture level significantly affects the rates of the transfers and reactions involved in the deterioration [5].

          Extensive research has been conducted on the effect of moisture on the deterioration of concrete structures. The results of these studies show that the rate of structural deterioration, such as concrete carbonation, chloride diffusion, and the corrosion of rebars in concrete, depends strongly on the micro-environment in the interior concrete; meanwhile, deterioration predictions based directly on the natural climate environment are inaccurate. The temperature and humidity in the interior structural concrete are significantly different from those of the atmosphere, but the micro-environment of interior concrete is obviously dependent on both the natural climate and the intrinsic properties of the concrete [6–9]. Baroghel-Bouny et al. [10] investigated the equilibrium and transfer moisture properties of concretes using isothermal desorption and adsorption experiments and then described the time evolution of the moisture profiles. Xin et al. [11] proposed a method for determining the diffusion coefficient of hardening concrete by measuring the pore relative humidity (RH) profiles using inverse nonlinear diffusion analysis. Yuan et al. [12,13] constructed climate temperature and RH action spectrums and relative reaction spectrums in the interior of concrete based on experimental results and the extreme difference dissection method. Ryu et al. [1] studied the effect of simulated environmental conditions on the internal RH and relative moisture content distribution of concrete. The electrode method and humidity sensors were used to elucidate the effects of cyclic daily changes in the environmental conditions (temperature and RH) and rainfall on the internal RH and relative moisture content distribution within exposed concrete. The results shown that external temperature/RH changes only changed the internal RH and relative moisture distribution in the surface region of the concrete; the moisture content was found to decrease extremely slowly farther from the surface.

          The previous studies have shown that it is essential to develop a quantitative moisture model of interior concrete to accurately predict deterioration phenomena. However, these studies also show that this is a complex problem. It is well known that variations of the RH in the natural external environment can affect the moisture content in the concrete, but both the temperature and the RH in the atmosphere differ from those in the interior concrete because of the thermal conduction and permeability of the concrete. In addition, the RH in the natural environment fluctuates both annually (by season) and over shorter periods (daily). The short-term fluctuations are more important when considering the deterioration factors associated with moisture transfer. The time-dependency, randomness, and regional variation of the RH in the natural environment and the hysteresis of the moisture in the interior concrete all contribute to the complicated behavior of the moisture in the concrete, hampering accurate predictions. Therefore, it is not found the simplify quantitative moisture model of interior concrete in structures exposed to the natural weather. The existing literatures focus on mainly transfer moisture properties of concretes and the interior reaction tests of structure concrete subjected to simulating simply the natural environment. It is still very difficult to acquire effectively the quantitative moisture in the interior concrete exposed to the natural weather in the prediction and simulating of structure deterioration.

         To address this problem, this paper presents a quantitative moisture model of interior concrete based on the concepts of RH and water vapor density (WVD) using meteorological data. First, a quantitative moisture model based on the RH and WVD, i.e., the absolute humidity concept, is built using daily meteorological data. Second, the variation of moisture in the external environment and that in the interior concrete are measured and modeled. After experimental validation, the moisture model is extended to investigate the action spectrum of humidity in the external environment and the reaction spectrum of moisture in the interior concrete based on monthly and annual meteorological data. Except otherwise defined and instructions, the intrinsic properties of studied sample were considered as an constant and their effect on moisture change in concrete weren’t involved in this study.

2. Quantitative moisture model of the climate and the interior concrete

          It is well known that moisture can be described by the RH and WVD. The RH is defined as the ratio of the partial vapor pressure to the saturated vapor pressure and is primarily a function of temperature. The RH and WVD are closely related but have different meanings. In this study, the moisture model is based on the conventional RH and WVD using meteorological data to characterize the action spectrum of the humidity in the external environment and the reaction spectrum of moisture in the interior concrete.

2.1. The humidity model for the external environment

         The saturated water vapor pressure is usually calculated from such equations as the Goff–Gratch, Wexler–Greenspan and Clausius–Clapeyron equations [14]. The Clausius–Clapeyron equation integrates the function of water vapor pressure with respect to temperature, volume, and the thermal effect and then fits the equation to represent the phase equilibrium, shown in Eq. (1) as follows.

چکیده

1. معرفی

2. مدل رطوبت کمی آب و هوا و بتن داخلی

2.1. مدل رطوبت برای محیط خارجی

2.2. مدل رطوبت برای بتن داخلی

3. تنوع رطوبت در محیط خارجی و داخلی بتن

3.1. فرایندهای تجربی

3.2. تنوع رطوبت در محیط خارجی

3.3. تنوع رطوبت در بتن داخلی

4. طیف‌های اقدام و طیف‌های پاسخ رطوبت

4.1. طیف اقدام رطوبت در محیط خارجی

4.2. طیف پاسخ رطوبت در بتن داخلی

منابع

Abstract

1. Introduction

2. Quantitative moisture model of the climate and the interior concrete

2.1. The humidity model for the external environment

2.2. The moisture model for the interior concrete

3. Moisture variation in the external environment and the interior concrete

3.1. Experimental procedures

3.2. Variation of moisture in the external environment

3.3. Variation of moisture in interior concrete

4. Action spectrums and response spectrums of moisture

4.1. Action spectrums of moisture in the external environment

4.2. Response spectrums of moisture in interior concrete

5. Conclusions

References