بخشی از مقاله
چکیده
از دیرباز تاکنون تحقیقات گستردهای در زمینه پیشگیری از خوردگی میلگردهای فولادی مسلحکننده سازههای بتنی صورت پذیرفتهاست. اخیرا جهت جلوگیری از خرابیهای بوجود آمده به علت خوردگی، استفاده از میلگردهای کامپوزیتی به عنوان مصالح جایگزین مطرح شدهاست. موانعی همچون پایین بودن مدول الاستیسیته، کرنش نهایی - یا شکست - و شکلپذیری، استفاده از آنها به عنوان جایگزین قطعی را در هالهای از ابهام باقی گذاشتهاست.
به منظور رفع مشکلات فوق، استفاده از نسل جدیدی از میلگردها با عنوان میلگردهای هیبریدی کامپوزیتی مطرح شدهاست. در برنامه تحقیقاتی حاضر میلگردها به نحوی از ترکیبهای گوناگون الیاف شیشه، کربن و فولاد تولید شدهاند که شرایط شکلپذیری مناسبتری را ایجاد نمایند. به منظور بررسی رفتار مکانیکی میلگردهای کامپوزیتی ساختهشده تحت آزمایش کشش قرار گرفتهاند. در نهایت نمودار تنش-کرنش میلگردهای مختلف تولیدشده با هم مقایسه و شرایط رفتار غیر ترد آنها بررسی شدهاست.
1. مقدمه
طبق برآوردهای انجام پذیرفته توسط [1] fib هزینه تعمیر سازههای موجود در جهان که خرابی بتن و میلگرد در آنها عامل ضعف اصلی میباشد، رقمی بالغ بر 100 میلیارد یورو در سال 2007 تخمین زده میشود. محیط قلیایی بتن، ذاتا مانعی برای خوردگی فولاد محسوب خواهدشد. البته این روند تا وقتی ادامه دارد که محیط بتن از لحاظ شیمیایی به مرور خنثی نشود، چرا که پس از آن فرآیند خوردگی فولاد تسریع یافته و موجبات ریزش لایههای زیرین بتن - پوشش میلگردها - فراهم میگردد. آییننامههای کنونی با پیشنهاد افزایش پوشش بتن و طراحی در جهت حداقلسازی ارتفاع بتن ترک خورده، سعی در تعویق این پدیده دارند.
راهحلهای مختلفی جهت کاهش ریسک زنگزدگی فولاد پیشنهاد گردیده است. ازجمله آنها میتوان ایجاد پوشش بهروی بتن جهت کنترل ورود محلولها، افزایش قلیاییت خمیر سیمان، پوشش اپوکسی زدن بهروی میلگردها، گالوانیزه نمودن میلگردها و یا استفاده از فولاد ضدزنگ را نام برد. روش دیگری که در دهههای اخیر پیشنهاد گردیده است نیز حفاظت کاتدیک از میلگردها میباشد که در آن با استفاده از جریان و یا یک آند قربانی از زنگزدن میلگردهای اصلی جلوگیری خواهدشد. نهایتا تمامی این روشها راه حل نهایی نبوده و یا هزینه بالایی برای عملی شدن در پی خواهندداشت.
استفاده از میلگردهای FRP به عنوان راه حل نهایی جلوگیری از خوردگی مسلحکنندههای فولادی در داخل بتن، هم اکنون بیش از 20 سال است که مد نظر طراحان و سازندگان قرار گرفته و سالانه رقمی بیش از 10 میلیون متر از این مصالح در صنعت ساخت و ساز استفاده میگردد. دلایل و مزیتهای متعددی وجود دارد که باعث میشود مهندسین عمران و سازه به استفاده از سیستم های کامپوزیتی رزین + الیاف، به عنوان مسلح کننده داخلی در سازههای های بتن مسلح روی بیاورند. مهمترین آنها دوام بالای این سیستم میباشد. اگرچه عواملی مانند عایق بودن مغناطیسی و حرارتی و نسبت مقاومت به وزن فوقالعاده بالا نیز مرغب مهندسین طراح میباشند.
رفتار میلگردهای غیر فولادی در کشش به صورت الاستیک خطی تا لحظه شکست دنبال خواهد شد. طبق تحقیقات انجام شده توسط [2]Mallick نشان داده شدهاست، بهترتیب 55%، 78% و 20% از مقاومت کششی میلگردهای GFRP،CFRP وAFRP برابر با مقاومت فشاری آنها میباشد. در ضمن مدول الاستیسیته در فشار نیز چیزی در حدود %50 تا %70 این مدول در کشش میباشد. طبق تحقیقات [3]Wu برای میلگرد های GFRP، با درصد الیاف 60 تا 65 درصد، میزان مدول الاستیسیته در فشار بین 35 تا GPa 48 بدست آمد.
همچنین از عمدهترین نواقص این میلگردها عدم سختی کافی و همچنین عدم وجود تغییر شکل اخطاردهنده قبل از تخریب کامل عضو سازهای میباشد. در فولاد به علت تسلیم و تغییرشکلهای بزرگ قبل از گسیختگی، ساکنین با اخطار نسبی مواجه خواهندشد در حالی که این میلگردها به علت رفتار خطی الاستیک تا نقطه گسیختگی، عملا هیچگونه تغییر شکل بزرگ هشدار گونهای را به بار نخواهند آورد.
[4]Tamuzs and Tepfers به منظور ایجاد اخطار مذکور در میلگردها و بدست آوردن رفتار شبهشکلپذیر1، الیاف مختلف را در سطح مقطع پخش نموده، تا به علت شکستهای مختلف در کرنشهای مختلف، شکست بصورت پلهای اتفاق بیفتد و از شکست آنی جلوگیری شود. البته نتایج کار آنها نشان داد، به علت تمرکز تنش در محل الیاف شکسته شده بقیه الیاف نیز دچار آسیب شده و مراحل شکست برخلاف فرضیات به صورت همزمان اتفاق میافتد. پس از ملاحظات مختلف علت ضعف کار آنها، پخش کردن الیاف در سطح مقطع به صورت نامنظم، تبیین گردید.
[5] Somboong and Harris نیز، اقدام به تولید میلگردهای شبهشکلپذیر نمودهاند. مراحل ساخت آنها بر خلاف دیگران به صورت دو مرحلهای در نظر گرفته شدهاست. در مرحله اول، الیاف مختلف به هم بافته و سپس در مرحله دوم، با استفاده از فرآیند پالتروژن، الیاف بافته شده به رزین آغشته شده و میلگرد تحت حرارت ایجاد شده در قالبهای فرآیند پخته شدهاست. بافت الیاف2 علاوه بر کمک شایان به قفل مکانیکی سطح میلگرد با بتن و ایجاد درگیری مناسب، در جهت افزایش باربری جسم میلگرد در تمام جهات - نه فقط در راستای طولی - نیز کارساز میباشد. [6] Seo و همکاران به منظور افزایش مدول الاستیسیته میلگردهای GFRP، میلگردی با سطح مقطع جدید تعریف نمودهاند. میلگرد هیبریدی ساخته شده توسط این افراد شامل هستهای فولادی - میلگرد فولادی عادی - ، بههمراه الیاف دور آن به عنوان پوسته میباشد. نتایج حاصل حاکی از افزایش سختی میلگرد تا %269 میباشد.
2. مفهوم فیزیکی میلگرد هیبریدی کامپوزیتی
میلگرد هیبریدی کامپوزیتی به معنی عضو میلهای طراحی شده برای مقاومت در برابر کشش بوده که با بکارگیری الیاف گوناگون در داخل سطح مقطع آن، با اتکا به تنش3ها و کرنش4های نهایی مختلف الیاف، شکست شبهشکلپذیری را ارایه دهد. در صورتی که در داخل مقطع الیاف با کرنشهای شکست متفاوت قرار داده شده باشد و میلگرد تحت بارگذاری کششی قرار گیرد، با ازدیاد طول کل جسم میلگرد الیاف نیز ازدیاد طول - کرنش - نشان میدهند. با توجه به اینکه هر کدام از الیاف در یک کرنش مشخص دچار گسیختگی میشوند میتوان فرض نمود که با کرنش کلی میلگرد به ترتیب، الیاف با کرنش گسیختگی کمتر در هر مرحله گسیخته شده و به تبع آن سختی نیز کاهش خواهد یافت.
