بررسي رفتار هيدروليكي و مكانيكي بتن پارچه‌اي خود ترميم شونده با استفاده از نانو لوله¬هاي كربني (CNTs) به منظور پوشش كانال‌هاي آبياري

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

علوم و مهندسي آب

دكتري

در شرايط بحران آب جهاني و به‌ويژه در كشورهايي با اقليم خشك و نيمه‌خشك مانند ايران، مديريت بهينه منابع آبي به يكي از اولويت‌هاي راهبردي تبديل شده است. كانال‌هاي انتقال آب به‌عنوان شريان‌هاي اصلي تأمين آب كشاورزي، صنعتي و شرب، سالانه مقادير قابل‌توجهي از آب را به دليل نشت از طريق پوشش‌هاي بتني سنتي و فرسايش ديواره‌ها از دست مي‌دهند. از اين‌رو، توسعه پوشش‌هاي بتني بادوام، ناتراوا و مقاوم كه بتوانند راندمان هيدروليكي را افزايش داده و هزينه‌هاي نگهداري را كاهش دهند، به يك ضرورت فني و اقتصادي تبديل شده است. اين پژوهش با هدف طراحي و ساخت يك كامپوزيت سيماني هوشمند براي كاربرد در پوشش كانال‌هاي انتقال آب انجام شده است. در اين راستا، از تركيب هم‌زمان فناوري‌هاي مقياس ماكرو و نانو استفاده شده است، به‌طوري كه پارچه سه‌بعدي اسپيسر به‌عنوان تقويت‌كننده در مقياس ماكرو و نانولوله‌هاي كربني چندديواره (MWCNTs) به‌عنوان تقويت‌كننده در مقياس نانو به ماتريس سيماني افزوده شدند. در كنار MWCNTs، اثر افزودن ميكروسيليس نيز بر خواص مكانيكي بتن پارچه‌اي به صورت مقايسه‌اي مورد بررسي قرار گرفت. نمونه‌ها در دو گروه اصلي شامل بتن معمولي (سري C) و بتن پارچه‌اي (سري TC) با دو ضخامت 10 و 60 ميلي‌متر و درصدهاي مختلف وزني MWCNTs (1، 0/5 و 2 درصد) و ميكروسيليس (0/5، 1 و 2 درصد) با استفاده از روش اختلاط خشك و ترتهيه شدند. نمونه‌هاي شاهد فاقد افزودني نيز به‌عنوان مبنا ساخته شدند. ارزيابي‌هاي تجربي جامعي در سنين 7 و 28 روزه انجام شد كه شامل: آزمون‌هاي مكانيكي (مقاومت خمشي، مدول الاستيسيته، چقرمگي و چقرمگي شكست)، آزمون‌هاي هيدروليكي (تعيين ضريب نفوذپذيري)، آزمون‌هاي دوام (قرارگيري در محلول سولفات منيزيم تا 90 روز و چرخه‌هاي انجماد-ذوب تا 300 سيكل) و مطالعات ريزساختاري (ميكروسكوپ الكتروني روبشي، طيف‌سنجي پراكندگي انرژي و آناليز تخلخل) بود. يافته‌هاي پژوهش نشان داد كه درصد بهينه MWCNTs براي بتن معمولي(سري C)، 0/5 درصد وزني (CNT10_1) و براي بتن پارچه‌اي(سري TC) 1 درصد وزني (TCNT10_2 و TCNT60_2) است. در اين مقادير، مقاومت خمشي 28 روزه به ترتيب 24، 65 و 24 درصد نسبت به نمونه‌هاي شاهد (C10_0، TC10-0 و TCNT60_2) افزايش يافت. هرچند ميكروسيليس نيز منجر به بهبود مقاومت خمشي شد (حداكثر 13 درصد بهبود در نمونه‌هاي حاوي 2 درصد ميكروسيليس)، اما عملكرد MWCNTs در دوزهاي پايين‌تر از نظر ميزان بهبود مقاومت و چقرمگي برتر بود. افزودن MWCNTs فراتر از درصد بهينه به دليل تجمع و كاهش پراكندگي، موجب افت مقاومت شد. در رابطه با ساير خصوصيات مكانيكي نيز اين سه تركيب همچنان پيشرو بودند. نمونه‌هاي بهينه‌شده، نفوذپذيري هيدروليكي را تا 31 درصد و 35 درصد به ترتيب در بتن سري TC و C كاهش دادند، در محيط سولفاتي روند تخريب در نمونه¬هاي سري TC بسيار كمتر از سري C بود. چرخه‌هاي انجماد-ذوب نيز بيانگر برتري نمونه¬هاي سري TC بخصوص در غلظت بهينه MWCNTs بودند. تحليل‌هاي ريزساختاري، پيوستگي كامل ناحيه انتقال بين‌فازي و پراكندگي يكنواخت نانولوله‌ها را تأييد كرد. براي بررسي مكانيسم‌هاي نانومقياس عامل اين بهبودها، از تكنيك‌هاي پيشرفته توصيف ريزساختاري، از جمله تصويربرداري FESEM، آناليز سطح BET و نقشه‌برداري EDS استفاده شد كه توزيع يكنواخت نانولوله‌ها، كاهش تخلخل و تشكيل شبكه‌هاي پل‌زننده در داخل ماتريس در روز بهينه را تأييد كرد.

237772

آبياري و زهكشي

مهندسي كشاورزي

دانشگاه صنعتي اصفهان