whatsapp call admin

مقاله بررسی پدیده خوردگی در بتن و جایگزینی آرماتورهای FRP به عنوان مصالحی برای تقویت سازه های بتنی

word قابل ویرایش
13 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
10700 تومان
107,000 ریال – خرید و دانلود

بررسی پدیده خوردگی در بتن و جایگزینی آرماتورهای FRP به عنوان مصالحی برای تقویت سازه های بتنی
چکیده
سال هاست در صنعت ساختمان از میلگردهای فولادی، برای تسلیح اعضای سازه های بتنی استفاده می شود. به طور کلی فولاد کاربری مناسب از خود نشان داده اما در شرایط محیطی مهاجم ، به سبب خوردگی فولاد زوال سازه سریع و خطرناک است . کاربرد آرماتورهای FRP در بتن در سال های اخیر به عنوان یک راه حل مناسب در حل این معضل شناخته شده است . در این مقاله تاریخچه ، مفهوم ، مشخصات و مزایای اصلی کاربرد میلگردهای FRP در بتن ، بررسی امکان سنجی فنی استفاده از آرماتورهای FRP به جای آرماتورهای فولادی، دلایل پدیده خوردگی در بتن و عملکرد این میلگردها در مقابل خوردگی و روش های مختلف تقویت سازه های بتنی مورد بررسی قرار گرفته است .
روش گردآوری اطلاعات از طریق مطالعات کتابخانه ای میباشد.
کلمات کلیدی : سازه بتنی، آرماتور فولادی ، آرماتور FRP، خوردگی .

١. مقدمه
بیش از صدسال است که در صنعت ساختمان ، از میلگردهای فولادی، به عنوان تسلیح سازه های بتنی استفاد می شود. به طور کلی فولاد، کاربری مناسبی از خود نشان داده اما در شرایط محیطی خشن به سبب مسئله خوردگی فولاد، زوال سازه بسیار سریع است . خرابی ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلح بدین گونه می باشد که ترکهای ریز زیاد به وجود آمده در اثر انقباض و تغییرات دمایی و رطوبتی در مخازن و سازه های بتنی در مجاورت آب ، نفوذ کلریدها و سولفات های مهاجم را به داخل بتن تشدید نموده و شرایط مستعدی را برای خوردگی فولاد فراهم می آورد. در مرحله اول میلگردهای فلزی داخل بتن دچار زنگ زدگی شده و اکسید می شوند. سپس این اکسیدها به سمت سطح بیرونی سازه بتنی شروع به حرکت نموده و با انتشار در داخل بتن باعث از بین رفتن آن می شوند. بدین ترتیب با خورده شدن دو جزء فلزی و بتنی سازه ، زمینه تخریب کامل سازه ها و مخازن بتنی فراهم می شود. در شکل ١ روند شروع خوردگی و گسترش آن در بتن نشان داده شده است . برای رویایی با این پدیده تلاش های گسترده ای از قبیل استفاده از میلگردهای با پوشش اپوکسی و حفاظت کاتدی، صورت گرفته است . در نهایت بهره گیری از آرماتورهای FRP راه مناسبی برای حل این معضل شناخته شده زیرا مصالح FRP حتی در محیط های کلروی، خورده نمی شوند[١]. با توجه به آمار منتشر شده ، استفاده از FRP مقرون به صرفه به نظر میرسد. احیای مجدد زیرساخت های فرسوده کانادا، ۴٩ بیلیون دلار سرمایه می خواهد. برای بازسازی کلیه سازه های بتن آرمه دچار خوردگی شده در آمریکا، به بودجه ای معادل ١ تا ٣ تریلیون دلار احتیاج است . این هزینه در مورد پل های شاهراه های آمریکا ۵٠ میلیارد دلار برآورد شده است و در کانادا هزینه بازسازی یا تعمیر پارکینگ ها، به تنهایی ۴ تا ۶ میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است . سالانه ١۵٠ تا ٢٠٠ دهانه پل در آمریکا تخریب می گردد[٢]. در حالی که اگر در ساخت عرشه بتن مسلح ، شبکه های میلگرد بالایی و پایینی از اپوکسی (نوعی رزین که در ساخت مصالح FRP کاربرد دارد) استفاده گردد، انتظار می رود که پل حداقل ۵٠ سال (در شرایط خشن ) دوام آورد. به دلیل این که میلگردهای FRP دارای یک رفتار غیر شکل پذیر میباشند، استفاده از میلگردهای FRP باید محدود به سازه هایی شود که مهمترین مشکل آن خوردگی و یا مشکلات الکترومغناطیسی می باشد. رفتار مکانیکی میلگردهای FRP با رفتار میلگردهای فولادی متفاوت می باشد. بنابراین فلسفه طراحی ساختمان های بتنی با استفاده از میلگردهای FRP دارای تغییراتی نسبت به میلگردهای فولادی می باشد. میلگردهای فولادی دارای یک رفتار تقریبا ایزوتروپیک میباشند ولی میلگردهای FRP ناهمسانگرد هستند و دارای خصوصیات برتر( مقاومت کششی بالا ) فقط در جهت اصلی الیاف میباشند. این رفتار ناهمسانگرد در مقاومت برشی و چسبندگی میلگردهای FRP به بتن تاثیر میگذارد. به علاوه مصالح FRP دارای رفتار الاستیک خطی میباشند و از خود رفتار جاری شدن (وارد شدن به مرحله پلاستیک ) مانند فولاد نشان نمی دهند. در روش های طراحی باید کمبود شکل پذیری در سازه های مسلح شده با میلگردهای FRP در نظر گرفته شود.
در این مقاله به بررسی تاریخچه سیستم های FRP و نیز جایگزینی میلگردهای FRP به جای میلگردهای فولادی به جهت جلوگیری از پدیده خوردگی و تقویت سازه ها پرداخته شده است . میلگردهای FRP به دلیل داشتن مقاومت کششی بالایی که در یک جهت دارند جایگزین مناسبی برای میلگردهای فولادی می باشند. البته جایگزینی میلگردهای FRP به جای میلگردهای فولادی، از نظر اقتصادی جای بررسی فراوان دارد.

٢. تاریخچه سیستم های FRP
سیستم هایFRP به صورت پوشش بیرونی و به منظور افزایش مقاومت و بهسازی سازه های بتنی موجود از اواسط دهه ١٩٨٠ تاکنون در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. در سال های اخیر تعداد پروژه هایی که در ارتباط با سیستم های FRP در سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته ، به طور چشمگیری افزایش یافته است . اعضای سازه های تقویت شده با سیستم های FRP به صورت پوشش های بیرونی عبارت از: تیرها، دال ها، ستون ها، دیوارها، اتصالات ، دودکش ها، طاق های گنبدی شکل ، تونل ها، سیلوها، لوله ها و خرپاها می باشند. پوشش های FRP همچنین به منظور مقاوم سازی سازه های بنایی، چوبی، فولادی و چدنی نیز به کار می روند[٣].
٣. پدیده خوردگی در بتن
همانطور که اشاره شد بتن در محیط های خورنده حاوی یون کلر و سولفات به مرور زمان خورده شده و خلل و فرج در آن زیاد میگردد. تصور عمومی بر این است که به دلیل مقاومت بالای آن نیازی به پوشش محافظ ندارد. ولی بایستی اذعان داشت که بتن با خواص قلیایی ذاتی در محیط اسیدی به شدت آسیب می بیند. به طور کلی عوامل موثر در آسیب بتن مسلح در محیط های خورنده شامل این موارد می شود: ١- استفاده نادرست از سازه (بارگذاری بیش از حد، ضربه ، خستگی) ٢- سایش و فرسایش (کف ها، زیرسازیها، موج گیریها) ٣- اثرات محیطی (حرارت ، رطوبت ، کربناسیون ) ۴- مواد اولیه ناسازگار (مصالح سنگی قابل انقباض ، ساختار مرکب ) ۵- شسته شدن (حل شدن با جاری خنثی یا قلیایی) ۵- حمله مواد شیمیایی (سولفات ها، اسیدها، اسیدهای آلی ) ۶- واکنش قلیایی سنگدانه ٧- خوردگی فولاد[۵]. خرابیهای شیمیایی ناشی از عوامل محیطی را میتوان به خرابی سولفاتی و خرابی کلروری تقسیم نمود.
٣-١. خرابی سولفاتی
سولفات های محلول چون سدیم ، پتاسیم ، کلسیم و منیزیم در اغلب نقاط دنیا به طور طبیعی در آب و خاک وجود دارند. معمولا خاکها یا آب هایی که دارای چنین سولفات هایی هستند، قلیایی نامیده می شوند. کلیه این سولفات ها برای بتن مضرند.
حمله سولفات ها به بتن عبارت است از حرکت یونهای سولفات +SO٣ به داخل بتن و ترکیب آنها با آلومینات ها و در نتیجه تورم و ترکیدگی بتن در جایی که واکنش های شیمیایی مضر اتفاق می افتد. بتنی که توسط سولفاتها مورد حمله قرار گرفته ، دارای ظاهری سفید رنگ میباشد . معمولا خرابی در اثر حمله سولفات ها به بتن از لبه ها و گوشه ها شروع شده و با ترک خوردن و تجزیه بتن ادامه می یابد . دلیل بروز این علائم آن است که حمله سولفات ها باعث تشکیل سولفات کلسیم (گچ و سولفو آلومینات کلسیم ) میگردد . هر دوی این محصولات نسبت به ترکیباتی که جایگزین آنها شده اند، دارای حجم بیشتری بوده و باعث انبساط و ریختن بتن سخت شده میگردند.
٣-٢. خرابی کلروری
علاوه بر تأثیر کربناسیون ، مهمترین عامل زنگ زدگی و خوردگی آرماتور در بتن ، وجود یون کلرید در آن است که ممکن است از مصالح آلوده یا مواد افزودنی آغشته به کلر یا در اثر نفوذ منابع خارجی مثل محیط دریا وارد بتن گردد. یون های کلرید تنها در آب وجود دارند از این رو نفوذ کلرید مشروط به حضور آب در سیستم منفذی بتن می باشد. مکانیسم ورود یون کلرید به داخل بتن یا از طریق سیستم مکنده مویینگی است که آب آلوده به کلر وارد بتن میشود یا از طریق نفوذ ساده یون ها ( انتشار) در آب راکد است که وارد منافذ بتن می گردد. حالت اول مختص بتن های خشک میباشد و آب وسیله ای است که یون ها را در داخل بتن حمل می کند. حالت دوم ( انتشار) مختص بتن اشباع شده یا نزدیک به اشباع است (بتن مغروق )، در بتنی که در چرخه متناوب تر و خشک قرار میگیرد، هر دو مکانیسم اجرا می شود. بنابراین تحت چنین شرایطی سرعت خوردگی افزایش یافته و نفوذ بیش تر یون کلرید وجود دارد [۵].
٣-٣. عوامل موثر در سرعت نفوذ یون کلر
عوامل موثر در سرعت نفوذ یون کلر شامل این موارد می باشند : ١- تخلخل پوشش بتنی (ساختار منافذ) ٢- نوع سیمان و مقدار سیمان (اثر شیمیایی بتن ) ٣- شرایط محیطی ۴- ضخامت پوشش روی آرماتور ۵- کربناتی شدن بتن ۶- وجود ترک در بتن به علت انقباض و یا مقاومت کم در مقابل یخ زدگی ٧- استفاده از تسریع کننده های کلروی با درصد بالا در بتن .
۴. مفهوم و ساختار FRP
FRP کلمه ای اختصاری بوده و مخفف عبارت Fiber Reinforced Polymer میباشد. به عبارت دیگر FRP به یک ماده مرکبی اطلاق می شود که از فیبر یا الیاف تقویتی و ماتریس (ماده در برگیرنده ) یا رزین از جنس پلیمر تشکیل شده است . در شکل های (٢) و (٣) شکل ظاهری و اجزاء تشکیل دهنده ترکیبات FRP نشان داده شده است . از جمله متداول ترین رزین ها میتوان به اپوکسیها، وینیل استرها و پلی استرها اشاره کردکه در گستره وسیعی از شرایط محیطی به کار می روند. در تولید رزین خواص این موارد مورد توجه قرار می گیرد. ١- سازگاری و چسبندگی به سطح بتن ٢- سازگاری و چسبندگی با سیستم FRP ٣- مقاومت در برابر عوامل محیطی نظیر رطوبت ، شوری آب ، دمای بالا و محیط های شیمیایی در مجاورت بتن ۴- قابلیت پرکنندگی ۵- کارایی ۶- مدت زمان ماندگاری مواد اختلاط شده متناسب با شرایط اجرایی ٧- سازگاری و چسبندگی با الیاف مسلح کننده ٨- ایجاد خصوصیات مکانیکی مناسب برای کامپوزیت FRP [٣].

شکل ٢: وضعیت ظاهری نمونه ای از میلگرد های FRP [۶]

شکل ٣: اجزاء تشکیل دهنده میلگرد های FRP [٧]
به طور کلی عملکرد اصلی ماتریس را در این عوامل می توان خلاصه نمود: ١- محافظت از فیبر در برابر شرایط محیطی ٢- کنترل کمانش موضعی فیبر تحت فشار ٣- انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور ۴- جلوگیری از خسارت مکانیکی وارده [٨]
۵. میلگردهای FRP
به طور کلی ۴ نوع الیاف FRP برای سیستم مقاوم سازی FRP استفاده میشود که شامل مقاوم سازی با الیاف کربن ، مقاوم سازی با الیاف شیشه ، مقاوم سازی با الیاف آرامید و مقاوم سازی با الیاف بازالت میباشند که در ادامه هر یک مختصرا مورد بررسی قرار میگیرد.
۵-١. آرماتور CFRP با الیاف کربن
دانسیته الیاف کربن ٢٢.٧ کیلونیوتن بر متر مکعب ، اشکال مختلف آن بلوری و دارای قطر ١٠-۶ میکرومتر می باشد (شکل ۴). مزایای اصلی آن استحکام بالا در برابر خستگی، مقاومت در برابر خوردگی، ضریب انبساط حرارتی پایین و معایب آن قیمت بالا و رسانایی الکتریکی میباشند. الیاف کربن در برابر خستگی به مراتب رفتار بهتری نسبت به الیاف شیشه از خود نشان می دهند، لذا در محل هایی که هدف از مقاوم سازی تحمل بارهای زنده متغیر می باشد می توان از الیاف کربن استفاده نمود. اگر چه از الیاف شیشه نیز میتوان جهت افزایش ظرفیت خمشی استفاده نمود ولی به دلیل کمتر بودن مدول ارتجاعی آن بخوبی صاف شده و با استفاده از برس غلتکی که به صورت رفت و برگشت و در جهت الیاف بر روی آن حرکت داده می شود، به زمین چسبانده و حباب های هوا خارج می شوند و سپس مجددا یک لایه رزین نیز بر روی سطح آن کشده می شود [٨].

شکل ۴: الیاف کربن [١١]
۵-٢. آرماتور GFRP با الیاف E or S-Glass
رایج ترین و پر مصرف ترین انواع الیاف مورد استفاده در سقف کامپوزیت الیاف از جنس شیشه می باشد (شکل ۵) و برحسب نوع ترکیب مواد به کار رفته به انواع گوناگون تقسیم می شوند. مزایای این الیاف قیمت پایین ، استحکام کششی و مقاومت شیمیایی بالا و خواص عایقی بالا می باشد و از معایب آن می توان به مدول کششی پایین ، وزن مخصوص نسبتا بالا و کاهش استحکام با دما و رطوبت اشاره نمود[٨].

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 10700 تومان در 13 صفحه
107,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد