پاورپوینت کاربرد کامپوزیتهای FRP در سازههای بتن آرمه و بررسی دوام آنها

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

كاربرد كامپوزيتهاي FRP در سازههاي بتن آرمه و بررسي دوام آنها

اسلاید 2 :

خلاصه

خوردگي قطعات فولادي در سازههاي مجاور آب و نيز خوردگي ميلگردهاي فولادي در سازههاي بتن آرمه اي كه در معرض محيطهاي خورندة كلروري و كربناتي قرار دارند، يك مسالة بسيار اساسي تلقي ميشود. در محيطهاي دريايي و مرطوب وقتي كه يك سازة بتنآرمة معمولي به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظير نمكها، اسيدها و كلرورها قرار گيرد، ميلگردها به دليل آسيب ديدگي و خوردگي، قسمتي از ظرفيت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهاي زنگ زده بر پوستة بيروني بتن فشار ميآورد كه به خرد شدن و ريختن آن منتهي ميشود. تعمير و جايگزيني اجزاء فولادي آسيب ديده و نيز سازة بتن آرمهاي كه به دليل خوردگي ميلگردها آسيب ديده است، ميليونها دلار خسارت در سراسر دنيا به بار آورده است.

به همين دليل سعي شده كه تدابير ويژهاي جهت جلوگيري از خوردگي اجزاء فولادي و ميلگردهاي فولادي در بتن اتخاذ گردد كه از جمله ميتوان به حفاظت كاتديك اشاره نمود. با اين وجود براي حذف كامل اين مساله، توجه ويژه اي به جانشيني كامل اجزاء و ميلگردهاي فولادي با يك مادة جديد مقاوم در مقابل خوردگي معطوف گرديده است.

از آنجا كه كامپوزيتهاي FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در مقابل محيطهاي قليايي و نمكي مقاوم هستند كه در دو دهة اخير موضوع تحقيقات گستردهاي جهت جايگزيني كامل با قطعات و ميلگردهاي فولادي بودهاند. چنين جايگزيني بخصوص در محيطهاي خورنده نظير محيطهاي دريايي و ساحلي بسيار مناسب به نظر ميرسد. در اين مقاله مروري بر خواص، مزايا و معايب مصالح كامپوزيتي FRP صورت گرفته و قابليبت كاربرد آنها به عنوان جانشين كامل فولاد در سازههاي مجاور آب و بخصوص در سازة بتن آرمه، به جهت حصول يك سازة كاملاً مقاوم در مقابل خوردگي، مورد بحث قرار خواهد گرفت.

اسلاید 3 :

1 – مقدمه
بسياري از سازههاي بتن آرمة موجود در دنيا در اثر تماس با سولفاتها، كلريدها و ساير عوامل خورنده، دچار آسيبهاي اساسي شدهاند. اين مساله هزينههاي زيادي را براي تعمير، بازسازي و يا تعويض سازههاي آسيب ديده در سراسر دنيا موجب شده است. اين مساله و عواقب آن گاهي نه تنها به عنوان يك مسالة مهندسي، بلكه به عنوان يك مسالة اجتماعي جدي تلقي شده است

تعمير و جايگزيني سازههاي بتني آسيبديده ميليونها دلار خسارت در دنيا به دنبال داشته است. در امريكا، بيش از 40 درصد پلها در شاهراهها نياز به تعويض و يا بازسازي دارند ]2[. هزينة بازسازي و يا تعمير سازههاي پاركينگ در كانادا، 4 تا 6 ميليارد دلار كانادا تخمين زده شده است ]3[. هزينة تعمير پلهاي شاهراهها در امريكا در حدود 50 ميليارد دلار برآورد شده است؛ در حاليكه براي بازسازي كلية سازههاي بتن آرمة آسيبديده در امريكا در اثر مسالة خوردگي ميلگردها، پيشبيني شده كه به بودجة نجومي 1 تا 3 تريليون دلار نياز است

از مواردي كه سازههاي بتن آرمه به صورت سنتي مورد استفاده قرار ميگرفته، كاربرد آن در مجاورت آب و نيز در محيطهاي دريايي بوده است. تاريخچه كاربرد بتن آرمه و بتن پيشتنيده در كارهاي دريايي به سال 1896 بر ميگردد ]4[. دليل عمدة اين مساله، خواص ذاتي بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابليت كاربرد آن چه در بتنريزي در جا و چه در بتن پيشتنيده بوده است. با اين وجود شرايط آب و هوايي و محيطي خشن و خورندة اطراف سازههاي ساحلي و دريايي همواره به عنوان يك تهديد جدي براي اعضاء بتن آرمه محسوب گرديده است. در محيطهاي ساحلي و دريايي، خاك، آب زيرزميني و هوا، اكثراً حاوي مقادير زيادي از نمكها شامل تركيبات سولفور و كلريد هستند.

اسلاید 4 :

در يك محيط دريايي نظير خليج فارس، شرايط جغرافيايي و آب و هوايي نامناسب، كه بسياري از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجة حرارتهاي بالا و نيز رطوبتهاي بالا همراه شده كه نتيجتاً خوردگي در فولادهاي به كار رفته در بتن آرمه كاملاً تشديد ميشود. در مناطق ساحلي خليج فارس، در تابستان درجة حرارت از 20 تا 50 درجة سانتيگراد تغيير ميكند، در حاليكه گاه اختلاف دماي شب و روز، بيش از 30 درجة سانتيگراد متغير است. اين در حالي است كه رطوبت نسبي اغلب بالاي 60 درصد بوده و بعضاً نزديك به 100 درصد است. به علاوه هواي مجاور تمركز بالايي از دياكسيد گوگرد و ذرات نمك دارد

به همين جهت است كه از منطقة دريايي خليج فارس به عنوان يكي از مخربترين محيطها براي بتن در دنيا ياد شده است [6]. در چنين شرايط، تركها و ريزتركهاي متعددي در اثر انقباض و نيز تغييرات حرارتي و رطوبتي ايجاد شده، كه اين مساله به نوبة خود، نفوذ كلريدها و سولفاتهاي مهاجم را به داخل بتن تشديد كرده، و شرايط مستعدي براي خوردگي فولاد فراهم ميآورد [7-9]. به همين جهت بسياري از سازههاي بتن مسلح در نواحي ساحلي ايران نظير سواحل بندرعباس، در كمتر از 5 سال از نظر سازهاي غير قابل استفاده گرديدهاند.

نظير اين مساله براي بسياري از سازههاي در مجاورت آب، كه در محيط دريايي و ساحلي قرار ندارند نيز وجود دارد. پايههاي پل، آبگيرها، سدها و كانالهاي بتن آرمه نيز از اين مورد مستثني نبوده و اغلب به دليل وجود يون سولفات و كلريد، از خوردگي فولاد رنج ميبرند.

اسلاید 5 :

2 – راه حل مساله
تكنيكهايي چند، جهت جلوگيري از خوردگي قطعات فولادي الحاقي به سازه و نيز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است كه از بين آنها ميتوان به پوشش اپوكسي بر قطعات فولادي و ميلگردها، تزريق پليمر به سطوح بتني و حفاظت كاتديك ميلگردها اشاره نمود. با اين وجود هر يك از اين تكنيكها فقط تا حدودي موفق بوده است [10]. براي حذف كامل مساله، توجه محققين به جانشين كردن قطعات فولادي و ميلگردهاي فولاي با مصالح جديد مقاوم در مقابل خوردگي، معطوف گرديده است.

مواد كامپوزيتي (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادي بسيار مقاوم در مقابل محيطهاي خورنده همچون محيطهاي نمكي و قليايي هستند. به همين دليل امروزه كامپوزيتهاي FRP، موضوع تحقيقات توسعهاي وسيعي به عنوان جانشين قطعات و ميلگردهاي فولادي و كابلهاي پيشتنيدگي شدهاند. چنين تحقيقاتي به خصوص براي سازههاي در مجاورت آب و بالاخص در محيطهاي دريايي و ساحلي، به شدت مورد توجه قرار گرفتهاند.

اسلاید 6 :

3 – ساختار مصالح FRP
مواد FRP از دو جزء اساسي تشكيل ميشوند؛ فايبر (الياف) و رزين (مادة چسباننده). فايبرها كه اصولاً الاستيك، ترد و بسيار مقاوم هستند، جزء اصلي باربر در مادة FRP محسوب ميشوند. بسته به نوع فايبر، قطر آن در محدودة 5 تا 25 ميكرون ميباشد

رزين اصولاً به عنوان يك محيط چسباننده عمل ميكند، كه فايبرها را در كنار يكديگر نگاه ميدارد. با اين وجود، ماتريسهاي با مقاومت كم به صورت چشمگير بر خواص مكانيكي كامپوزيت نظير مدول الاستيسيته و مقاومت نهايي آن اثر نميگذارند. ماتريس (رزين) را ميتوان از مخلوطهاي ترموست و يا ترموپلاستيك انتخاب كرد. ماتريسهاي ترموست با اعمال حرارت سخت شده و ديگر به حالت مايع يا روان در نميآيند؛ در حاليكه رزينهاي ترموپلاستيك را ميتوان با اعمال حرارت، مايع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزينهاي ترموست ميتوان از پلياستر، وينيلاستر و اپوكسي، و به عنوان رزينهاي ترموپلاستيك از پليوينيل كلريد (PVC)، پلياتيلن و پلي پروپيلن (PP)، نام برد

فايبر ممكن است از شيشه، كربن، آراميد و يا وينيلون باشد كه در اينصورت محصولات كامپوزيت مربوطه به ترتيب به نامهاي GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته ميشود. در ادامه شرح مختصري از بعضي از فايبرهاي متداول ارائه خواهد شد.

اسلاید 8 :

3-1- الياف شيشه
فايبرهاي شيشه در چهار دسته طبقهبندي ميشوند [10]؛
1 – E-Glass: متداول ترين الياف شيشه در بازار با محتواي قليايي كم، كه در صنعت ساختمان به كار ميرود، (با مدول الاستيسيتة ، مقاومت نهايي ، و كرنش نهايي ).
2 – Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حملة قليائيها، كه در توليد بتن اليافي به كار گرفته ميشود.
3 – A-Glass: با مقادير زياد قليايي كه امروزه تقريباً از رده خارج شده است.
4 – S-Glass: كه در تكنولوژي هوا-فضا و تحقيقات فضايي به كار گرفته ميشود و مقاومت و مدول الاستيسيتة بسيار بالايي دارد، ( و ).

اسلاید 9 :

3-2- الياف كربن
الياف كربن در دو دسته طبقهبندي ميشوند؛
1- الياف كربني از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تيپ I كه تردترين آنها با بالاترين مدول الاستيسيته محسوب ميشود. ( و ). تيپ II كه مقاومترين الياف كربن است ( و )؛ و نهايتاً تيپ III كه نرمترين نوع الياف كربني با مقاومتي بين تيپ I و IIميباشد.
2 – الياف با اساس قيري(Pitch-based) كه اساساً از تقطير زغال سنگ بدست ميآيند. اين الياف از اليافPAN ارزانتر بوده و مقاومت و مدول الاستيسيتة كمتري نسبت به آنها دارند ( و ).
لازم به ذكر است كه الياف كربن مقاومت بسيار خوبي در مقابل محيطهاي قليايي و اسيدي داشته و در شرايط سخت محيطي از نظر شيميايي كاملاً پايدار هستند.

اسلاید 10 :

3-3- الياف آراميد
آراميد،يك كلمة اختصاري از آروماتيك پليآميد است [12].آراميداساساً الياف ساختة دست بشر است كه براي اولين بار توسط شركت DuPont در آلمان تحت نام كولار (Kevlar) توليد شد.چهارنوع كولار وجود دارد كه از بين آنها كولار 49 براي مسلح كردن بتن، طراحي و توليد شده و مشخصات مكانيكي آن بدين قرار است: و .

اسلاید 11 :

4- انواع محصولات FRP
1- ميله هاي كامپوزيتي: ميلههاي ساخته شده از كامپوزيتهاي FRPهستند كه جانشين ميلگردهاي فولادي در بتن آرمه خواهند شد. كاربرد اين ميلهها به دليل عدم خوردگي، مساله كربناسيون و كلراسيون را كه از جمله مهمترين عوامل مخرب در سازههاي بتن آرمه هستند، به كلي حل خواهند نمود.
2- شبكههاي كامپوزيتي: شبكههاي كامپوزيتي FRP (Grids) محصولاتي هستند كه از برخورد ميلههاي FRP در دو جهت و يا در سه جهت ايجاد ميشوند. نمونهاي از اين محصول، شبكة كامپوزيتي NEFMAC است كه از فايبرهاي كربن، شيشه يا آراميد و رزين وينيل استر توليد ميشود و منجمله براي مسلح كردن بتن مناسب است.

اسلاید 13 :

3- كابل، طناب و تاندنهاي پيشتنيدگي: محصولاتي شبيه ميلههاي كامپوزيتي FRP، ولي به صورت انعطافپذير هستند، كه در سازههاي كابلي و بتن پيش تنيده در محيطهاي دريايي و خورنده كاربرد دارند. اين محصولات در اجزاء پيشتنيدة در مجاورت آب نيز بكار گرفته ميشوند.

4- ورقههاي كامپوزيتي: ورقههاي كامپوزيتي Sheets) FRP)، ورقههاي با ضخامت چند ميليمتر از جنس FRP هستند. اين ورقهها با چسبهاي مستحكم و مناسب به سطح بتن چسبانده ميشوند. ورقههاي FRP پوشش مناسبي جهت ايزوله كردن سازههاي آبي از محيط خورندة مجاور هستند. همچنين از ورقههاي كامپوزيتي FRP جهت تعمير و تقويت سازههاي آسيب ديده (ناشي از زلزله و يا ناشي از خوردگي آبهاي يوندار) استفاده ميشوند.

5- پروفيلهاي ساختماني: مصالح FRP همچنين در شكل پروفيلهاي ساختماني به صورت I شكل، T شكل، نبشي و ناوداني توليد ميشوند. چنين محصولاتي ميتوانند جايگزين بسيار مناسبي براي قطعات و سازههاي فولادي در مجاورت آب تلقي شوند.

اسلاید 14 :

5– ميلههاي كامپوزيتي FRP
در حال حاضر،توليدكنندگان مختلفي در دنيا ميلههاي كامپوزيتي FRP را توليد و عرضه ميكنند. بعضي از انواع مشهور توليدات ميلگردهاي FRP كه به آساني در بازار دنيا يافت ميشوند، به قرار زير هستند[10-13]؛

1 – پ: اين محصول توسط كمپاني شيميايي ميتسوبيشي ژاپن از الياف كربن با اساس قيري توليد ميشوند. خصوصيات مكانيكي اين نوع ميلگرد كامپوزيتي عبارت است از: و . اين ميلهها كه از جنس CFRP هستند، به شكل مدور در قطرهاي 1 تا 17 ميليمتر به صورت صاف، و در قطرهاي 5 تا 17 ميليمتر به صورت آجدار توليد ميشوند.

2 – FiBRA-Rod: اين محصول توسط كمپاني ميتسوي ژاپن و از كولار 49 توليد ميشود. خصوصيات مكانيكي اين ميلههاي كامپوزيتي AFRP، بدين قرار است: و .

3 – TECHNORA: اين محصول توسط شركت تيجين (Teijin) ژاپن و از آراميد توليد شد و خواص مكانيكي آن عبارت است از: و .

4 – CFCC: اين محصول،كابل كامپوزيتي CFRP بوده و توسط شركت توكيوروپ(Tokyo Rope) از فايبرهاي كربنيPAN توليد ميشود. اين محصول در قطرهاي 3 تا 40 ميليمتر و با مقاومت 10 تا kN 1100توليد ميشود.

اسلاید 15 :

5 – ISOROD : اين محصول توسط شركت پولترال (Pultrall Inc. of Thetford Mines) در ايالت كبك از كانادا توليد ميشود. اين محصول از فايبرهاي شيشه و رزين پلياستر توليد شده و مشخصات مكانيكي آن بدين قرار است: .

6 – C-Bar: اين محصول توسط شركت كامپوزيتهاي صنعتي مارشال در جكسون ويل از ايالت فلوريدا در امريكا توليد ميشود. اين محصول از فايبرهاي شيشه كه در رزين وينيل استر قرار گرفته، توليد ميشود. مشخصات مكانيكي C-Bar بدين قرار است: .

توجه شود كه امروزه توليد ميلههاي كامپوزيتي يك زمينهء نو در دنيا محسوب شده و به همين دليل، متناوباً شركتهاي جديد توليد كننده در دنيا ايجاد ميشود. به همين دليل در اين قسمت فقط مروري بر بعضي از اين محصولات انجام گرديد.

اسلاید 16 :

6 – مشخصات اساسي محصولات كامپوزيتي FRP

6-1- مقاومت در مقابل خوردگي

بدون شك برجستهترين و اساسيترين خاصيت محصولات كامپوزيتيFRP مقاومت آنها در مقابل خوردگي است. در حقيقت اين خاصيت مادة FRP تنها دليل نامزد كردن آنها به عنوان يك گزينة جانشين براي اجزاء فولادي و نيز ميلگردهاي فولادي است. به خصوص در سازههاي بندري، ساحلي و دريايي، مقاومت خوب كامپوزيت FRP در مقابل خوردگي، سودمندترين مشخصة ميلگردهاي FRP است [14]. در قسمت 7، به صورت مفصل در مورد دوام كامپوزيتهاي FRP بحث خواهد شد.

اسلاید 17 :

6-2- مقاومت کششی
مصالح FRPمعمولاً مقاومت كششي بسيار بالايي دارند، كه از مقاومت كششي فولاد به مراتب بيشتر است. مقاومت كششي بالاي ميلگردهاي FRP كاربرد آنها را براي سازههاي بتن آرمه، خصوصاً براي سازههاي پيشتنيده بسيار مناسب نموده است. مقاومت كششي مصالح FRP اساساً به مقاومت كششي، نسبت حجمي، اندازه و سطح مقطع فايبرهاي بكار رفته در آنها بستگي دارد. مقاومت كششي محصولات FRP براي ميلههاي با الياف كربن 1100 تا MPa2200، براي ميلههاي با الياف شيشه 900 تا MPa1100، و براي ميلههاي با الياف آراميد 1350 تا MPa 1650 گزارش شده است [15]. با اين وجود، براي بعضي از اين محصولات، حتي مقاومتهاي بالاتر از MPa 3000 نيز گزارش شده است. توجه شود كه بطور كلي مقاومت فشاري ميلههاي كامپوزيتي FRP از مقاومت كششي آنها كمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاري محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت كششي آنها MPa700 است [3].

اسلاید 18 :

6-3- مدول الاستيسيته
مدول الاستيسيتة محصولات FRP اكثراً در محدودة قابل قبولي قرار دارد؛ اگر چه اصولاً كمتر از مدول الاستيسيتة فولاد است. مدول الاستيسيتة ميلههاي كامپوزيتي FRP ساخته شده از الياف كربن، شيشه و آراميد به ترتيب در محدودة 100 تا GPa 150، GPa 45 و GPa 60 گزارش شده است [15].

6-4- وزن مخصوص
وزن مخصوص محصولات كامپوزيتي FRP به مراتب كمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص كامپوزيتهاي CFRP يك سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالاي مقاومت به وزن در كامپوزيتهايFRP از مزاياي عمدة آنها در كاربردشان به عنوان مسلح كنندة بتن محسوب ميشود [14].

اسلاید 19 :

6-5- عايق بودن
مصالح FRP خاصيت عايق بودن بسيار عالي دارند. به بيان ديگر، اين مواد از نظر مغناطيسي و الكتريكي خنثي بوده و عايق محسوب ميشوند. بنابراين استفاده از بتن مسلح به ميلههاي FRP در قسمتهايي از بيمارستان كه نسبت به امواج مغناطيسي حساس هستند، و در مسيرهاي هدايتي قطارهاي شناور مغناطيسي [16]، و همچنين در باند فرودگاهها و مراكز رادار بسيار سودمند خواهد بود.

 6-6- خستگي
خستگي خاصيتي است كه در بسياري از مصالح ساختماني وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممكن است به شكست غير منتظره، خصوصاً در اجزايي كه در معرض سطوح بالايي از بارها و تنشهاي تناوبي قرار دارند، منجر شود. در مقايسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پديدة خستگي بسيار عالي است؛ به عنوان نمونه براي تنشهاي كمتر از يك دوم مقاومت نهايي، مواد FRP در اثر خستگي گسيخته نميشوند [17].

اسلاید 20 :

6-7- خزش
پديدة گسيختگي ناشي از خزش اساساً در تمام مصالح ساختماني وجود دارد؛ با اين وجود چنانچه كرنش ناشي از خزش جزء كوچكي از كرنش الاستيك باشد، عملاً مشكلي بوجود نميآيد. در مجموع، رفتار خزشي كامپوزيتها بسيار خوب است؛ به بيان ديگر، اكثر كامپوزيتهاي در دسترس، دچار خزش نمي شوند [18].

6-8 – چسبندگي با بتن
خصوصيت چسبندگي، براي هر مادهاي كه به عنوان مسلح كنندة بتن بكار رود، بسيار مهم تلقي مي شود. در مورد ميله هاي كامپوزيتي FRP، اگر چه در بررسي بسيار اوليه، مقاومت چسبندگي ضعيفي براي كامپوزيتهاي از الياف شيشه گزارش شده بود، تحقيقات اخير در دنيا مقاومت چسبندگي خوب و قابل قبولي را براي ميلههاي كامپوزيتي FRP گزارش مي كند.