مدلسازی عددی نفوذپذیری بتن مسلح به گرافن اکساید با استفاده از رویکرد تحلیل چندمقیاسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه بین المللی امام خمینی

2 دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

چکیده

نفوذپذیری را می‌توان از عوامل مهم و تأثیرگذار بر دوام بتن دانست. در این مطالعه، از نانوذرات گرافن‌اکساید (GONPs) به منظور کاهش حجم نفوذ آب در بتن استفاده شده است. GONPs محصول لایه برداری شیمیایی گرافیت بوده و شامل طیف وسیعی از گروه‌های عاملی اکسیژن فعال می-باشند. در این پژوهش به منظور مطالعه‌ی خواص انتقال بتن غیراشباع تقویت شده با GONPs از رویکرد تحلیل چند‌مقیاسی استفاده شده است. در مقیاس نانو، پارامترهای انتقال در کلسیم سیلیکات هیدراته‌ی تقویت شده با GONPs از طریق شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD) تعیین می‌شوند. در مقیاس میکرو مدل‌سازی سیمان هیدراته انجام گرفته و مشخصه‌های نفوذپذیری آن مشخص می‌شود. در آخر و در مقیاس مزو، یک مدل سه فازی از بتن شامل سنگدانه، خمیر سخت‌شده‌ی سیمان و ناحیه‌ی انتقال بین دو سطح (ITZ) مدل‌سازی شده تا شبیه‌سازی جریان اشباع‌نشده تحت اثرات توأم مکش موئینه، فشار هیدرواستاتیک خارجی و گرانش انجام گیرد. به منظور صحت‌سنجی و تأیید قابلیت اطمینان مدل چند‌مقیاسی، نتایج عددی با داده‌های آزمایشگاهی انجام گرفته در این مطالعه جهت پیش‌بینی خواص انتقال آب در بتن اشباع نشده مقایسه شدند. مقایسه‌ی نتایج آزمایشگاهی و عددی نشان داد که روش پیشنهادی می‌تواند پیش‌بینی قابل قبولی از پارامترهای نفوذپذیری در بتن را ارائه دهد. نتایج مدل-سازی عددی نیز نشان داد که اختلاط درصد بسیار کمی از GONPsها می‌تواند به طور مؤثری از ورود مولکول‌های آب به بتن جلوگیری کند. درواقع با افزودن GONPs خواص انتقال بتن ارتقاء یافته که متعاقباً دوام آن نیز بهبود می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental and numerical study on unsaturated water transport properties of graphene oxide reinforced-concrete by the multiscale approach

نویسندگان [English]

  • mahna safarkhani 1
  • Mahmood Naderi 2
1 Imam Khomeini International University
2 Department of civil engineering, Faculty of engineering, International Imam Khomeini university, Qazvin, Iran
چکیده [English]

Durability is an important property that determines the long-term behavior of cement-based materials. In this study, graphene oxide nanoparticles (GONPs) are proposed to prevent the ingress of water in the concrete. GONPs are the product of chemical exfoliation of graphite and contain a range of reactive oxygen functional groups that enable it as a suitable candidate for reaction in cementitious materials through physical functionalization. The multiscale approach is adopted to study the unsaturated transport properties of GONPs-reinforced concrete. At the nanoscale, the most important parameters for unsaturated mass transport analysis of GONPs-reinforced cement paste are determined through the molecular dynamic (MD) simulation. At the microscale, a hydrated cement model is adopted and its permeability characteristics are calculated. At the mesoscale, a three-phase mesoscale model of concrete is presented, which considers particles, cement paste, and the interfacial transition zone (ITZ) as separate constituents to simulate the unsaturated flow under the mixed actions of capillary suction, external hydrostatic pressure, and gravity. The proposed approach is validated by comparing the numerical result with those of the available experimental data taken from this paper to verify the reliability and efficiency of multiscale model for predicting the unsaturated water transport properties. Experimental and numerical results indicate that the incorporation of a very low fraction of GONPs (0.1% by weight of cement) can effectively hinder the ingress of water molecules. It can be concluded that adding GONPs improve the transport properties of concrete which subsequently improves its durability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Graphene oxide nanoparticles (GONPs)
  • Unsaturated water transport
  • Multiscale approach
  • Durability