بخشی از مقاله
چکیده
خوردگی قطعات فولادي در سازههاي مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهاي فولادي در سازههاي بتن آرمه اي که در معرض محیطهاي خورندة کلروري و کربناتی قرار دارند، یک مساله بسیار اساسی تلقی میشود. در محیطهاي دریایی و مرطوب وقتی که یک سازة بتنآرمه معمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمکها، اسیدها و کلرورها قرار گیرد، میلگردها به دلیل آسیب دیدگی و خوردگی، قسمتی از ظرفیت خود را از دست خواهند داد.
به علاوه فولادهاي زنگ زده بر پوسته بیرونی بتن فشار میآورد که به خرد شدن و ریختن آن منتهی میشود. تعمیر و جایگزینی اجزاء فولادي آسیب دیده و نیز سازة بتن آرمهاي که به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است، میلیونها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار آورده است. به همین دلیل سعی شده که تدابیر ویژهاي جهت جلوگیري از خوردگی اجزاء فولادي و میلگردهاي فولادي در بتن اتخاذ گردد که از جمله میتوان به حفاظت کاتدیک اشاره نمود.
با این وجود براي حذف کامل این مساله، توجه ویژه اي به جانشینی کامل اجزاء و میلگردهاي فولادي با یک مادة جدید مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. از آنجا که کامپوزیتهاي FRP - Fiber Reinforced Polymers/Plastics - بشدت در مقابل محیطهاي قلیایی و نمکی مقاوم هستند که در دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گستردهاي جهت جایگزینی کامل با قطعات و میلگردهاي فولادي بودهاند.
-1مقدمه
بسیاري از سازههاي بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، کلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیبهاي اساسی شدهاند. این مساله هزینههاي زیادي را براي تعمیر، بازسازي و یا تعویض سازههاي آسیب دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مساله مهندسی، بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدي تلقی شده است .[1]
تعمیر و جایگزینی سازههاي بتنی آسیبدیده میلیونها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریکا، بیش از 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازي دارند .[2] هزینه بازسازي و یا تعمیر سازههاي پارکینگ در کانادا، 4 تا 6 میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است .[3] هزینه تعمیر پلهاي شاهراهها در امریکا در حدود 50 میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیکه براي بازسازي کلیه سازههاي بتن آرمه آسیبدیده در امریکا در اثر مساله خوردگی میلگردها، پیشبینی شده که به بودجه نجومی 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است! [3]
از مواردي که سازههاي بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار میگرفته، کاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیطهاي دریایی بوده است. تاریخچه کاربرد بتن آرمه و بتن پیشتنیده در کارهاي دریایی به سال 1896 بر میگردد .[4] دلیل عمدة این مساله، خواص ذاتی بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابلیت کاربرد آن چه در بتنریزي در جا و چه در بتن پیشتنیده بوده است. با این وجود شرایط آب و هوایی و محیطی خشن و خورندة اطراف سازههاي ساحلی و دریایی همواره به عنوان یک تهدید جدي براي اعضاء بتن آرمه محسوب گردیده است.
در محیطهاي ساحلی و دریایی، خاك، آب زیرزمینی و هوا،اکثراً حاوي مقادیر زیادي از نمکها شامل ترکیبات سولفور و کلرید هستند. در یک محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، که بسیاري از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجه حرارتهاي بالا و نیز رطوبتهاي بالا همراه شده کهنتیجتاً خوردگی در فولادهاي به کار رفته در بتن آرمهکاملاً تشدید میشود. در مناطق ساحلی خلیج فارس، در تابستان درجه حرارت از 20 تا 50 درجه سانتیگراد تغییر میکند، در حالیکه گاه اختلاف دماي شب و روز، بیش از 30 درجه سانتیگراد متغیر است.
این در حالی است که رطوبت نسبی اغلب بالاي 60 درصد بوده بعضاًو نزدیک به 100 درصد است. به علاوه هواي مجاور تمرکز بالایی از دياکسید گوگرد و ذرات نمک دارد .[5] به همین جهت است که از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخربترین محیطها براي بتن در دنیا یاد شده است .[6] در چنین شرایط، تركها و ریزتركهاي متعددي در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد شده، که این مساله به نوبه خود، نفوذ کلریدها و سولفاتهاي مهاجم را به داخل بتن تشدید کرده، و شرایط مستعدي براي خوردگی فولاد فراهم میآورد .[9-7] به همین جهت بسیاري از سازههاي بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحل بندرعباس، در کمتر از 5 سال از نظر سازهاي غیر قابل استفاده گردیدهاند.
-2 راه حل مساله
تکنیکهایی چند، جهت جلوگیري از خوردگی قطعات فولادي الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است که از بین آنها میتوان به پوشش اپوکسی بر قطعات فولادي و میلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت کاتدیک میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یک از این تکنیکها فقط تا حدودي موفق بوده است .[10] براي حذف کامل مساله، توجه محققین به جانشین کردن قطعات فولادي و میلگردهاي فولاي با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده است.
مواد کامپوزیتی - Fiber ReinforcedPolymers/Plastics - FRP موادي بسیار مقاوم در مقابل محیطهاي خورنده همچون محیطهاي نمکی و قلیایی هستند. به همین دلیل امروزه کامپوزیتهاي FRP، موضوع تحقیقات توسعهاي وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهاي فولادي و کابلهاي پیشتنیدگی شدهاند. چنین تحقیقاتی به خصوص براي سازههاي در مجاورت آب و بالاخص در محیطهاي دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفتهاند.
-3ساختار مصالح FRP
مواد FRP از دو جزء اساسی تشکیل میشوند؛ فایبر - الیاف - و رزین - مادة چسباننده - . فایبرها کهاصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در مادة FRP محسوب میشوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدودة 5 تا 25 میکرون میباشد .[11] رزیناصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل میکند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه میدارد. با این وجود، ماتریسهاي با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمیگذارند.
ماتریس - رزین - را میتوان از مخلوطهاي ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد. ماتریسهاي ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمیآیند؛ در حالیکه رزینهاي ترموپلاستیک را میتوان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزینهاي ترموست میتوان از پلیاستر، وینیلاستر و اپوکسی، و به عنوان رزینهاي ترموپلاستیک از پلیوینیل کلرید - PVC - ، پلیاتیلن و پلی پروپیلن - PP - ، نام برد .[3] فایبر ممکن است از شیشه، کربن، آرامید و یا وینیلون باشد که در اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهاي GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته میشود. در ادامه شرح مختصري از بعضی از فایبرهاي متداول ارائه خواهد شد.
-4 دوام کامپوزیتهاي FRP
کامپوزیتهاي FRP شاخه جدیدي از مصالح محسوب میشوند که دوام آنها دلیل اصلی و اولیه براي کاربرد آنها در محدودة وسیعی از عناصر سازهاي شده است. به همین جهت است که از آنها نه تنها در صنعت ساختمان، بلکه در فضاپیما، بال هواپیما، درهاي اتومبیل، مخازن محتوي گاز مایع، نردبان و حتی راکت تنیس نیز استفاده میشود. بنابراین از نقطه نظر مهندسی نه تنها مساله مقاومت و سختی، بلکه مساله دوام آنها تحت شرایط مورد انتظار،املاًک مهم جلوه میکند. مکانیزمهایی که دوام کامپوزیتها را کنترل میکنند عبارتند از :
- 1 تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر ،
- 2 از دست رفتن چسبندگی بین فایبر و ماتریس،
- 3 کاهش در مقاومت و سختی فایبر.
محیط نقشکاملاً تعیین کنندهاي در تغییر خواص پلیمرهاي ماتریس کامپوزیت دارد. هر دوي ماتریس و فایبر ممکن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش - UV - ، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه کننده نظیر نمکها و قلیاییها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراري دما ممکن است به صورت سیکلهاي یخزدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و فایبر باعث گردد. از طرفی تحت شرایط بارگذاري مکانیکی، بارهاي تکراري ممکن است باعث خستگی - Fatigue - شوند. همچنین بارهاي وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممکن است مساله خزش - Creep - را به دنبال داشته باشند. مجموعهاي از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام کامپوزیتهاي FRP را تحت تأثیر قرار میدهند.
-5 پیر شدگی فیزیکی ماتریس پلیمر
نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یکی از جنبههاي مهمی است که در مساله دوام کامپوزیتها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیه ماتریس در کامپوزیت انتقال تنش بین فایبرها، محافظت از سطح فایبر در مقابل سائیدگی مکانیکی و ایجاد مانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزائی در انتقال تنش برشی در صفحه کامپوزیت ایفا میکند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمان تغییر دهد، باید تحت توجه خاص قرار گیرد. براي کلیه پلیمرهاکاملاً طبیعی است که تغییر فوقالعاده آهستهاي در ساختار شیمیایی - مولکولی - خود داشته باشند.
این تغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت کنترل میشود. این پروسه تحت نام پیرشدگی - Aging - نامیده میشود. تأثیرات پیر شدگی در اکثر کامپوزیتهاي ترموست متداول، در مقایسه با کامپوزیتهاي ترموپلاستیک، خفیفتر است. در اثر پیرشدگی فیزیکی، بعضی از پلیمرها ممکن است سختتر و تردتر شوند؛ نتیجه این مساله تأثیر بر خواص غالب ماتریس و منجمله رفتار برشی کامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اکثر موارد این تأثیرات بحرانی نیست؛ زیرانهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق فایبرها رخ داده و تأثیرات پیرشدگی بر فایبرها فوقالعاده جزئی است.
-6 تأثیر رطوبت
بسیاري از کامپوزیتهاي با ماتریس پلیمري در مجاورت هواي مرطوب و یا محیطهاي مرطوب، با جذب سطحی سریع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود میگیرندمعمولاً. درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزایش یافته نهایتاًو پس از چندین روز تماس با محیط مرطوب، به نقطه اشباع - تعادل - میرسد. زمانی که طول میکشد تا کامپوزیت به نقطه اشباع برسد به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد.
خشک کردن کامپوزیت میتواند این روند را معکوس کند، اما ممکن است منجر به حصول کامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک - Fick’s Law - تبعیت کرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل و فرج، نوع فایبر، نوع رزین، جهت و ساختار فایبر، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ریزترکها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت را به صورت مجزا بر اجزاء کامپوزیت مورد بحث قرار میدهیم.
-7 تأثیر رطوبت بر فایبرها
اعتقاد عمومی بر آن است که فایبرهاي شیشه چنانچه به صورت طولانی مدت در کنار آب قرار گیرند، آسیب میبینند. دلیل این مساله آن است که شیشه از سیلیکا ساخته شده که در آن اکسیدهاي فلزات قلیایی منتشر شدهاند. اکسیدهاي فلزات قلیایی هم جاذب آب بوده و هم قابل هیدرولیز هستند. با این وجود، در اکثر موارد مصرف در مهندسی عمران، از E-glass و S-glass استفاده میشود که فقط مقادیر کمی از اکسیدهاي فلزات قلیایی را داشته و بنابراین در مقابل خطرات ناشی از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حال کامپوزیتهاي ساخته شده از الیاف شیشه باید به خوبی ساخته شده باشند، بصورتیکه از نفوذ آب به مقدار زیاد جلوگیري کنند؛ زیرا حضور آب در سطح الیاف شیشه انرژي سطحی آنها را کاهش میدهد که میتواند رشد تركخوردگی را افزایش دهد.
