نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

نشریه علمی-پژوهشی مکانیک سنگ

ارزیابی تأثیر دما بر رفتار شکست کششی نمونه‌های ملات سیمانی با هندسه‌های متفاوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
چکیده
کامپوزیت‌های پایه‌سیمانی، اغلب در معرض تغییرات دمایی گسترده‌ای قرار می‌گیرند که می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر رفتار شکست این مصالح داشته باشد. از آنجا که چقرمگی شکست حالت کششی پارامتری کلیدی در ارزیابی پایداری چنین سازه‌هایی محسوب می‌شود، این پژوهش به بررسی تجربی تأثیر متقابل دما بر چقرمگی شکست حالت کششی در نمونه‌های ملات سیمانی با هندسه‌های مختلف پرداخته است. از این‌روی، چهار هندسه نمونه مختلف (CSTBD، SCB، SECRBB و ENDB) تحت چهار سطح دمایی پس از یک چرخه تکرار مورد آزمایش قرار گرفتند. یافته‌ها الگوی رفتاری دوگانه‌ای را نشان داد. بدین صورت که، در دمای 10- درجه سانتی‌گراد، چقرمگی شکست در تمامی هندسه‌ها به‌طور میانگین 10.9 درصد افزایش یافت که بیش‌ترین آن مربوط به نمونه CSTBD با 14.44 درصد افزایش بود. این امر ناشی از افزایش سختی ماتریس سیمان و محدودیت در گسترش ریزترک‌ها در دمای پایین شناسایی شد. در مقابل، با افزایش دما تا 100درجه سانتی‌گراد، کاهش پیوسته چقرمگی شکست مشاهده شد که به ایجاد ریزترک‌های حرارتی خمیر سیمان نسبت داده شد. در این شرایط، نمونه‌هایی با هندسه ENDB با 33درصد کاهش، بیش‌ترین آسیب‌پذیری را نشان دادند. نتایج به وضوح نشان داد که میزان حساسیت به دما به‌طور معناداری در هندسه‌های مختلف، متفاوت است، به‌طوری‌که هندسه‌های CSTBD و SCB بیش‌ترین واکنش را در دمای منفی و هندسه‌های ENDB و SECRBB بیش‌ترین حساسیت را در برابر دماهای بالا نشان دادند. این مطالعه دید ارزشمندی برای طراحی بهینه سازه‌های پایه‌سیمانی در معرض تغییرت دمایی ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] H. Qiu, Z. Zhu, M. Wang, F. Wang, Y. Ma, L. Lang, P. Ying, Study on crack dynamic propagation behavior and fracture toughness in rock-mortar interface of concrete, Eng Fract Mech 228 (2020) 106798.
[2] H. Molladavoodi, A. Dolatshahi, M. Arash, M.M. Mashayekhi, Experimental study on temperature effect on the tensile fracture toughness of cement mortars containing micro-silica, (2024).
[3] Y. Saadati, J.-F. Chatelain, G. Lebrun, Y. Beauchamp, P. Bocher, N. Vanderesse, A study of the interlaminar fracture toughness of unidirectional flax/epoxy composites, Journal of Composites Science 4 (2020) 66.
[4] T.L. Anderson, T.L. Anderson, Fracture mechanics: fundamentals and applications, CRC press, 2005.
[5] E. Ozdemir, D. Eren Sarici, The effects of some environmental conditions on the mode I fracture toughness of rocks, Acta Geodaetica et Geophysica 59 (2024) 73–91.
[6] Fu, Jinwei, et al. Determination of mode I fracture toughness of brittle materials with a new method. Acta Mechanica Sinica 40.2 (2024): 423236.
[7] Haeri, H. Simulating the crack propagation mechanism of pre-cracked concrete specimens under shear loading conditions. Strength of Materials 47.4 (2015): 618-632.
[8] D. Zhang, G. Lu, Y. Song, W. Nie, P.G. Ranjith, Experimental study of the effect of ultralow temperature on the fracture toughness of sandstone, Eng Fract Mech 296 (2024) 109830. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109830.
[9] T. Zhou, X. Yin, C. Zhou, P. Guo, J. Zhou, Influences of water saturation and strain rate on the mechanical and failure behavior of sandstone under direct shear test with constant normal pressure, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 175 (2024) 105684.
[10] J. Jin, L. Wang, Z. Yan, G. Li, J. Wang, Effects of strain rate and bedding on shale fracture mechanisms, Int J Mech Sci 277 (2024) 109398.
[11] J. Ren, M. Li, Z. Zhao, H. Lu, X. Tong, Y. Xu, D. Li, Effects of moisture contents, fracture modes, and temperatures on fracture toughness and crack distribution of asphalt concrete at low-temperature, Case Studies in Construction Materials 21 (2024) e03647.
[12] H. Wang, L. Zhou, Z. Zhu, J. Chen, L. Ma, X. Shui, H. Zhang, Investigation of fracture characteristics of cracked granite suffered from different thermal treatments and water-cooling time, Journal of Materials Research and Technology 29 (2024) 286–302. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.01.060.
[13] C. Noël, B. Fryer, P. Baud, M. Violay, Water weakening and the compressive brittle strength of carbonates: Influence of fracture toughness and static friction, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 177 (2024) 105736.
[14] H. Rouhani, M. Arash, E. Farrokh, Investigating the effects of confining pressure and loading rate on damage propagation and mode I stress intensity factor of granite using the RHT constitutive model, Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources 11 (2025) 79. https://doi.org/10.1007/s40948-025-00973-z.
[15] A. Dolatshahi, M. Arash, H. Molladavoodi, Experimental investigation on temperature effects on modes II and III fracture toughness of conventional and boosted cement mortars, Theoretical and Applied Fracture Mechanics (2025) 105109.
[16] A. Dolatshahi, M. Arash, H. Molladavoodi, Recycled aggregate size effect on shear and tensile fracture toughness of SCB Eco-friendly cemented specimens, Sci Rep (2025).
[17] J. Justo, J. Castro, S. Cicero, M.A. Sánchez-Carro, Influence of temperature on the fracture toughness of several rocks, in: International Symposium on Energy Geotechnics, Springer, 2018: pp. 352–359.
[18] G. Feng, Y. Kang, T. Meng, Y. Hu, X. Li, The influence of temperature on mode I fracture toughness and fracture characteristics of sandstone, Rock Mech Rock Eng 50 (2017) 2007–2019.
[19] R.D. Dwivedi, A.K. Soni, R.K. Goel, A.K. Dube, Fracture toughness of rocks under sub-zero temperature conditions, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 37 (2000) 1267–1275.
[20] Y. Hu, Y. Hu, G. Zhao, P. Jin, Z. Zhao, C. Li, Experimental investigation of the relationships among P-wave velocity, tensile strength, and mode-I fracture toughness of granite after high-temperature treatment, Natural Resources Research 31 (2022) 801–816.
[21] B. Mahanta, T.N. Singh, P.G. Ranjith, Influence of thermal treatment on mode I fracture toughness of certain Indian rocks, Eng Geol 210 (2016) 103–114.
[22] A. ASTM, C305-06 Standard Practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency, ASTM Int, West Conshohocken (2015).
[23] P.K. Mehta, Advancements in concrete technology, Concrete International 21 (1999) 69–76.
[24] M.R.M. Aliha, A. Bahmani, S. Akhondi, Determination of mode III fracture toughness for different materials using a new designed test configuration, Mater Des 86 (2015) 863–871.
[25] K. Khan, N.A. Al-Shayea, Effect of specimen geometry and testing method on mixed mode I–II fracture toughness of a limestone rock from Saudi Arabia, Rock Mech Rock Eng 33 (2000) 179–206.
[26] C. Atkinson, R.E. Smelser, J. Sanchez, Combined mode fracture via the cracked Brazilian disk test, Int J Fract 18 (1982) 279–291.
[27] F. Mehri Sofiani, B. V Farahani, J. Belinha, Fracture toughness determination on an SCB specimen by meshless methods, Applied Sciences 12 (2022) 2633.
[28] Bazant, Zdenek P., and Jaime Planas. Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. Routledge, (2019).

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 16 خرداد 1405