بخشی از مقاله
بررسي پديده خوردگي در بتن و جايگزيني آرماتورهاي FRP به عنوان مصالحي براي تقويت سازه هاي بتني
چکيده
سال هاست در صنعت ساختمان از ميلگردهاي فولادي، براي تسليح اعضاي سازه هاي بتني استفاده مي شود. به طور کلي فولاد کاربري مناسب از خود نشان داده اما در شرايط محيطي مهاجم ، به سبب خوردگي فولاد زوال سازه سريع و خطرناک است . کاربرد آرماتورهاي FRP در بتن در سال هاي اخير به عنوان يک راه حل مناسب در حل اين معضل شناخته شده است . در اين مقاله تاريخچه ، مفهوم ، مشخصات و مزاياي اصلي کاربرد ميلگردهاي FRP در بتن ، بررسي امکان سنجي فني استفاده از آرماتورهاي FRP به جاي آرماتورهاي فولادي، دلايل پديده خوردگي در بتن و عملکرد اين ميلگردها در مقابل خوردگي و روش هاي مختلف تقويت سازه هاي بتني مورد بررسي قرار گرفته است .
روش گردآوري اطلاعات از طريق مطالعات کتابخانه اي ميباشد.
کلمات کليدي : سازه بتني، آرماتور فولادي ، آرماتور FRP، خوردگي .
١. مقدمه
بيش از صدسال است که در صنعت ساختمان ، از ميلگردهاي فولادي، به عنوان تسليح سازه هاي بتني استفاد مي شود. به طور کلي فولاد، کاربري مناسبي از خود نشان داده اما در شرايط محيطي خشن به سبب مسئله خوردگي فولاد، زوال سازه بسيار سريع است . خرابي ناشي از پديده خوردگي در بتن مسلح بدين گونه مي باشد که ترکهاي ريز زياد به وجود آمده در اثر انقباض و تغييرات دمايي و رطوبتي در مخازن و سازه هاي بتني در مجاورت آب ، نفوذ کلريدها و سولفات هاي مهاجم را به داخل بتن تشديد نموده و شرايط مستعدي را براي خوردگي فولاد فراهم مي آورد. در مرحله اول ميلگردهاي فلزي داخل بتن دچار زنگ زدگي شده و اکسيد مي شوند. سپس اين اکسيدها به سمت سطح بيروني سازه بتني شروع به حرکت نموده و با انتشار در داخل بتن باعث از بين رفتن آن مي شوند. بدين ترتيب با خورده شدن دو جزء فلزي و بتني سازه ، زمينه تخريب کامل سازه ها و مخازن بتني فراهم مي شود. در شکل ١ روند شروع خوردگي و گسترش آن در بتن نشان داده شده است . براي رويايي با اين پديده تلاش هاي گسترده اي از قبيل استفاده از ميلگردهاي با پوشش اپوکسي و حفاظت کاتدي، صورت گرفته است . در نهايت بهره گيري از آرماتورهاي FRP راه مناسبي براي حل اين معضل شناخته شده زيرا مصالح FRP حتي در محيط هاي کلروي، خورده نمي شوند[١]. با توجه به آمار منتشر شده ، استفاده از FRP مقرون به صرفه به نظر ميرسد. احياي مجدد زيرساخت هاي فرسوده کانادا، ٤٩ بيليون دلار سرمايه مي خواهد. براي بازسازي کليه سازه هاي بتن آرمه دچار خوردگي شده در آمريکا، به بودجه اي معادل ١ تا ٣ تريليون دلار احتياج است . اين هزينه در مورد پل هاي شاهراه هاي آمريکا ٥٠ ميليارد دلار برآورد شده است و در کانادا هزينه بازسازي يا تعمير پارکينگ ها، به تنهايي ٤ تا ٦ ميليارد دلار کانادا تخمين زده شده است . سالانه ١٥٠ تا ٢٠٠ دهانه پل در آمريکا تخريب مي گردد[٢]. در حالي که اگر در ساخت عرشه بتن مسلح ، شبکه هاي ميلگرد بالايي و پاييني از اپوکسي (نوعي رزين که در ساخت مصالح FRP کاربرد دارد) استفاده گردد، انتظار مي رود که پل حداقل ٥٠ سال (در شرايط خشن ) دوام آورد. به دليل اين که ميلگردهاي FRP داراي يک رفتار غير شکل پذير ميباشند، استفاده از ميلگردهاي FRP بايد محدود به سازه هايي شود که مهمترين مشکل آن خوردگي و يا مشکلات الکترومغناطيسي مي باشد. رفتار مکانيکي ميلگردهاي FRP با رفتار ميلگردهاي فولادي متفاوت مي باشد. بنابراين فلسفه طراحي ساختمان هاي بتني با استفاده از ميلگردهاي FRP داراي تغييراتي نسبت به ميلگردهاي فولادي مي باشد. ميلگردهاي فولادي داراي يک رفتار تقريبا ايزوتروپيک ميباشند ولي ميلگردهاي FRP ناهمسانگرد هستند و داراي خصوصيات برتر( مقاومت کششي بالا ) فقط در جهت اصلي الياف ميباشند. اين رفتار ناهمسانگرد در مقاومت برشي و چسبندگي ميلگردهاي FRP به بتن تاثير ميگذارد. به علاوه مصالح FRP داراي رفتار الاستيک خطي ميباشند و از خود رفتار جاري شدن (وارد شدن به مرحله پلاستيک ) مانند فولاد نشان نمي دهند. در روش هاي طراحي بايد کمبود شکل پذيري در سازه هاي مسلح شده با ميلگردهاي FRP در نظر گرفته شود.
در اين مقاله به بررسي تاريخچه سيستم هاي FRP و نيز جايگزيني ميلگردهاي FRP به جاي ميلگردهاي فولادي به جهت جلوگيري از پديده خوردگي و تقويت سازه ها پرداخته شده است . ميلگردهاي FRP به دليل داشتن مقاومت کششي بالايي که در يک جهت دارند جايگزين مناسبي براي ميلگردهاي فولادي مي باشند. البته جايگزيني ميلگردهاي FRP به جاي ميلگردهاي فولادي، از نظر اقتصادي جاي بررسي فراوان دارد.
٢. تاريخچه سيستم هاي FRP
سيستم هايFRP به صورت پوشش بيروني و به منظور افزايش مقاومت و بهسازي سازه هاي بتني موجود از اواسط دهه ١٩٨٠ تاکنون در سراسر دنيا مورد استفاده قرار مي گيرد. در سال هاي اخير تعداد پروژه هايي که در ارتباط با سيستم هاي FRP در سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته ، به طور چشمگيري افزايش يافته است . اعضاي سازه هاي تقويت شده با سيستم هاي FRP به صورت پوشش هاي بيروني عبارت از: تيرها، دال ها، ستون ها، ديوارها، اتصالات ، دودکش ها، طاق هاي گنبدي شکل ، تونل ها، سيلوها، لوله ها و خرپاها مي باشند. پوشش هاي FRP همچنين به منظور مقاوم سازي سازه هاي بنايي، چوبي، فولادي و چدني نيز به کار مي روند[٣].
٣. پديده خوردگي در بتن
همانطور که اشاره شد بتن در محيط هاي خورنده حاوي يون کلر و سولفات به مرور زمان خورده شده و خلل و فرج در آن زياد ميگردد. تصور عمومي بر اين است که به دليل مقاومت بالاي آن نيازي به پوشش محافظ ندارد. ولي بايستي اذعان داشت که بتن با خواص قليايي ذاتي در محيط اسيدي به شدت آسيب مي بيند. به طور کلي عوامل موثر در آسيب بتن مسلح در محيط هاي خورنده شامل اين موارد مي شود: ١- استفاده نادرست از سازه (بارگذاري بيش از حد، ضربه ، خستگي) ٢- سايش و فرسايش (کف ها، زيرسازيها، موج گيريها) ٣- اثرات محيطي (حرارت ، رطوبت ، کربناسيون ) ٤- مواد اوليه ناسازگار (مصالح سنگي قابل انقباض ، ساختار مرکب ) ٥- شسته شدن (حل شدن با جاري خنثي يا قليايي) ٥- حمله مواد شيميايي (سولفات ها، اسيدها، اسيدهاي آلي ) ٦- واکنش قليايي سنگدانه ٧- خوردگي فولاد[٥]. خرابيهاي شيميايي ناشي از عوامل محيطي را ميتوان به خرابي سولفاتي و خرابي کلروري تقسيم نمود.
٣-١. خرابي سولفاتي
سولفات هاي محلول چون سديم ، پتاسيم ، کلسيم و منيزيم در اغلب نقاط دنيا به طور طبيعي در آب و خاک وجود دارند. معمولا خاکها يا آب هايي که داراي چنين سولفات هايي هستند، قليايي ناميده مي شوند. کليه اين سولفات ها براي بتن مضرند.
حمله سولفات ها به بتن عبارت است از حرکت يونهاي سولفات +SO٣ به داخل بتن و ترکيب آنها با آلومينات ها و در نتيجه تورم و ترکيدگي بتن در جايي که واکنش هاي شيميايي مضر اتفاق مي افتد. بتني که توسط سولفاتها مورد حمله قرار گرفته ، داراي ظاهري سفيد رنگ ميباشد . معمولا خرابي در اثر حمله سولفات ها به بتن از لبه ها و گوشه ها شروع شده و با ترک خوردن و تجزيه بتن ادامه مي يابد . دليل بروز اين علائم آن است که حمله سولفات ها باعث تشکيل سولفات کلسيم (گچ و سولفو آلومينات کلسيم ) ميگردد . هر دوي اين محصولات نسبت به ترکيباتي که جايگزين آنها شده اند، داراي حجم بيشتري بوده و باعث انبساط و ريختن بتن سخت شده ميگردند.
٣-٢. خرابي کلروري
علاوه بر تأثير کربناسيون ، مهمترين عامل زنگ زدگي و خوردگي آرماتور در بتن ، وجود يون کلريد در آن است که ممکن است از مصالح آلوده يا مواد افزودني آغشته به کلر يا در اثر نفوذ منابع خارجي مثل محيط دريا وارد بتن گردد. يون هاي کلريد تنها در آب وجود دارند از اين رو نفوذ کلريد مشروط به حضور آب در سيستم منفذي بتن مي باشد. مکانيسم ورود يون کلريد به داخل بتن يا از طريق سيستم مکنده مويينگي است که آب آلوده به کلر وارد بتن ميشود يا از طريق نفوذ ساده يون ها ( انتشار) در آب راکد است که وارد منافذ بتن مي گردد. حالت اول مختص بتن هاي خشک ميباشد و آب وسيله اي است که يون ها را در داخل بتن حمل مي کند. حالت دوم ( انتشار) مختص بتن اشباع شده يا نزديک به اشباع است (بتن مغروق )، در بتني که در چرخه متناوب تر و خشک قرار ميگيرد، هر دو مکانيسم اجرا مي شود. بنابراين تحت چنين شرايطي سرعت خوردگي افزايش يافته و نفوذ بيش تر يون کلريد وجود دارد [٥].
٣-٣. عوامل موثر در سرعت نفوذ يون کلر
عوامل موثر در سرعت نفوذ يون کلر شامل اين موارد مي باشند : ١- تخلخل پوشش بتني (ساختار منافذ) ٢- نوع سيمان و مقدار سيمان (اثر شيميايي بتن ) ٣- شرايط محيطي ٤- ضخامت پوشش روي آرماتور ٥- کربناتي شدن بتن ٦- وجود ترک در بتن به علت انقباض و يا مقاومت کم در مقابل يخ زدگي ٧- استفاده از تسريع کننده هاي کلروي با درصد بالا در بتن .
٤. مفهوم و ساختار FRP
FRP کلمه اي اختصاري بوده و مخفف عبارت Fiber Reinforced Polymer ميباشد. به عبارت ديگر FRP به يک ماده مرکبي اطلاق مي شود که از فيبر يا الياف تقويتي و ماتريس (ماده در برگيرنده ) يا رزين از جنس پليمر تشکيل شده است . در شکل هاي (٢) و (٣) شکل ظاهري و اجزاء تشکيل دهنده ترکيبات FRP نشان داده شده است . از جمله متداول ترين رزين ها ميتوان به اپوکسيها، وينيل استرها و پلي استرها اشاره کردکه در گستره وسيعي از شرايط محيطي به کار مي روند. در توليد رزين خواص اين موارد مورد توجه قرار مي گيرد. ١- سازگاري و چسبندگي به سطح بتن ٢- سازگاري و چسبندگي با سيستم FRP ٣- مقاومت در برابر عوامل محيطي نظير رطوبت ، شوري آب ، دماي بالا و محيط هاي شيميايي در مجاورت بتن ٤- قابليت پرکنندگي ٥- کارايي ٦- مدت زمان ماندگاري مواد اختلاط شده متناسب با شرايط اجرايي ٧- سازگاري و چسبندگي با الياف مسلح کننده ٨- ايجاد خصوصيات مکانيکي مناسب براي کامپوزيت FRP [٣].
شکل ٢: وضعيت ظاهري نمونه اي از ميلگرد هاي FRP [٦]
شکل ٣: اجزاء تشکيل دهنده ميلگرد هاي FRP [٧]
به طور کلي عملکرد اصلي ماتريس را در اين عوامل مي توان خلاصه نمود: ١- محافظت از فيبر در برابر شرايط محيطي ٢- کنترل کمانش موضعي فيبر تحت فشار ٣- انتقال برش از فيبر تقويتي به ماده مجاور ٤- جلوگيري از خسارت مکانيکي وارده [٨]
٥. ميلگردهاي FRP
به طور کلي ٤ نوع الياف FRP براي سيستم مقاوم سازي FRP استفاده ميشود که شامل مقاوم سازي با الياف کربن ، مقاوم سازي با الياف شيشه ، مقاوم سازي با الياف آراميد و مقاوم سازي با الياف بازالت ميباشند که در ادامه هر يک مختصرا مورد بررسي قرار ميگيرد.
٥-١. آرماتور CFRP با الياف کربن
دانسيته الياف کربن ٢٢.٧ کيلونيوتن بر متر مکعب ، اشکال مختلف آن بلوري و داراي قطر ١٠-٦ ميکرومتر مي باشد (شکل ٤). مزاياي اصلي آن استحکام بالا در برابر خستگي، مقاومت در برابر خوردگي، ضريب انبساط حرارتي پايين و معايب آن قيمت بالا و رسانايي الکتريکي ميباشند. الياف کربن در برابر خستگي به مراتب رفتار بهتري نسبت به الياف شيشه از خود نشان مي دهند، لذا در محل هايي که هدف از مقاوم سازي تحمل بارهاي زنده متغير مي باشد مي توان از الياف کربن استفاده نمود. اگر چه از الياف شيشه نيز ميتوان جهت افزايش ظرفيت خمشي استفاده نمود ولي به دليل کمتر بودن مدول ارتجاعي آن بخوبي صاف شده و با استفاده از برس غلتکي که به صورت رفت و برگشت و در جهت الياف بر روي آن حرکت داده مي شود، به زمين چسبانده و حباب هاي هوا خارج مي شوند و سپس مجددا يک لايه رزين نيز بر روي سطح آن کشده مي شود [٨].
شکل ٤: الياف کربن [١١]
٥-٢. آرماتور GFRP با الياف E or S-Glass
رايج ترين و پر مصرف ترين انواع الياف مورد استفاده در سقف کامپوزيت الياف از جنس شيشه مي باشد (شکل ٥) و برحسب نوع ترکيب مواد به کار رفته به انواع گوناگون تقسيم مي شوند. مزاياي اين الياف قيمت پايين ، استحکام کششي و مقاومت شيميايي بالا و خواص عايقي بالا مي باشد و از معايب آن مي توان به مدول کششي پايين ، وزن مخصوص نسبتا بالا و کاهش استحکام با دما و رطوبت اشاره نمود[٨].
