مزاياي استفاده از ميلگردهاي FRP در بتن

 

مزاياي استفاده ازميلگردهاي FRP در بتن

 

1- عضو هیات علمی گروه عمران–  شهرستان پارس آباد ،  دانشگاه آزاد اسلامي واحد پارس آباد مغان

 

چكيده

كاربرد آرماتورهاي غیر فلزی در بتن در سالهای اخیر بصورت محدودی شروع شده و تحقیقات زيادي بر روی کاربرد وسیع‌تر آنها و عملکرد دراز مدت این نوع آرماتورها در حال انجام است.

سوالات تحقيق:

در اين تحقيق، تاریخچه ،مفهوم ، مشخصه ، ترکیبات و مزیتهای اصلی کاربرد میلگردهای از جنس FRP در بتن و  دلایل پدیده خوردگي در بتن و عملکرد این میلگردها در مقابل خوردگی و  روشهای مختلف تقویت و محافظت سازه های بتنی مورد بررسی قرار گرفته است.

.روش تحقیق:

روش گردآوري اطلاعات از طريق انجام مطالعات کتابخانه اي مي باشد

نتیجه گیری:

نتایج نشان داد که كاربرد میلگردهای FRP در بتن علاوه بر مزاياي زيادي مانند کنترل ترک ، کم کردن عرض ،كاهش وزن سازه ،  افزايش مقاومت در برابر خستگی ، ظرفیت بالای تغییر شکل ارتجاعی و  جلوگيري از پديدة خوردگي ، باعث افزايش ميرايي ارتعاشات ايجاد شده در  بتن نيز شده و در نهايت گسیختگی ناگهانی سازه را به حداقل مي رساند همچنین علی رغم مزایای زیاد ، معایبی مانند عدم خاصیت چکش خواری و مقاومت  کم در برابر آتش را دارا می باشندکه در این موارد استفاده از کامپوزیتهای SRP توصیه می شود.

كلمات كليدي : FRP   , الیاف ، میلگرد ، خوردگی

 

 مقدمه

کاربردآرماتورهاي غیر فلزی در بتن در سالهای اخیر بصورت محدودی شروع شده و تحقیقات زيادي بر روی کاربرد وسیع‌تر آنها و عملکرد دراز مدت این نوع آرماتورها در حال انجام است. استفاده از این نوع میلگردها خصوصا در  پل ها و بزرگراههای آمریکا  بصورت شبکه میلگرد در پوشش سقف نیز بخاطر دوام زیاد این مصالح گسترش زیادی  یافته است خرابی ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلح بدین گونه می باشد که تركهایریززیاد بوجود آمده در اثرانقباضوتغييراتدماییورطوبتيدر مخازن و سازه های بتنی در مجاورت آب نفوذ كلريدهاوسولفاتهايمهاجمرابه داخل بتنتشديدنموده وشرايطمستعديرا برايخوردگي فولاد فراهمميآورد و 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 شماره 1 روند شروع خوردگی و گسترش آن در بتن نشان داده شده است راهكارهايزيادي جهتجلوگيريازخوردگيقطعاتفولاديسازه های بتننی مسلح  مانند تزريقپليمربهسطوحداخلی و خارجی مخازن بتني و پوشش اپوكسي بر روی شبکه فولادي  و حفاظتكاتديك مورد توسعهواستفادهقرارگرفتهاست که هر يكازاينروش ها تاحدوديموفقبودهاند ولی جایگزینی میلگردهای فلزی با میلگردهای FRP مشکل فوق را بطور چشمگیری حل و عمر سازه ها را زیاد می کندزیرا از دلایل عمده توسعه استفاده از ترکیباتFRP در مقاوم سازی بتن های مسلح ، مقاومت خوب این مصالح در برابر  پدیده خوردگی (Corrosion) و  وزن کم آن می باشد

 

تاریخچه سیستم های FRP

سیستم های FRP به صورت پوشش های بیرونی و به منظور افزایش مقاومت و به سازی سازه های بتنی موجود از اواسط دهه 1980 تاکنون در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. تعداد پروژه هایی که در ارتباط با سیستم های FRP در سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته، بطور چشمگیری افزایش یافته است ، به طوری که طی ده سال گذشته از تعداد اندک به چندین هزار پروژه در حال حاضر رسیده است . اعضای سازه های تقویت شده با سیستم های FRP به صورت پوشش های بیرونی عبارتند از : تیرها، دال ، ستون دیوارها، اتصالات، دودکش ها، طاق های گنبدی شکل، تونل ها، سیلوها، لولهها و خرپاها  .پوشش های FRP همچنین به منظور مقاوم سازی سازه های بنایی، چوبی، فولادی و چدنی نیز بکار میروند

 

شکل1- روند گسترش خوردگی میلگرد در بتن

 

 پدیده خوردگیدر بتن

همانطور که اشاره شد بتن در محيطهاي خورنده حاوي يون كلر و سولفات به مرور زمان خورده شده و خلل وفرج درآن زياد مي گردد و تصور عمومي بر اين است كه به دليل مقاومت بالاي آن نيازي به پوشش محافظ ندارد ولي بايستي اذعان داشت كه بتن با خواص قليايي ذاتي در محيط اسيدي به شدت آسيب مي بيند. بطور کلی عوامل موثر در آسیب بتن مسلح درمحيط هاي خورنده را می توان به موارد زیر تقسیم بندی نمود:

استفاده نادرست ازسازه(بارگذاري بيش ازحد، ضربه، خستگي)

 سايش و فرسايش( كف ها، زيرسازي ها، موج گيري ها)

 اثرات محيطي(حرارت، رطوبت، كربناسيون)

 مواد اوليه ناسازگار (مصالح سنگي قابل انقباض، ساختار مركب)

 شسته شدن (حل شدن با جاري خنثي يا قليايي)

 حمله مواد شيميايي(سولفات ها، اسيدها، اسيدهاي آلي،)

 واکنشقلياييسنگدانه خوردگيفولادخرابیهايشيمياييناشيازعوامل محیطی را می توان به خرابی سولفاتي و خرابيكلروري تقسیم نمود

 

2-1. خرابيسولفاتی

سولفاتهايمحلولچونسديم،پتاسيم،كلسيمومنيزيم دراغلبنقاطدنيا به طور طبيعيدرآب و  خاكوجوددارند. معمولاًخاكهايا آبهايي كهدارايچنين سولفاتهايیهستند،قليايي ناميدهمیشوند.كليهاينسولفاتها براي بتن مضرند.

2-2. خرابيكلروریا

علاوه بر تأثيركربناسيون، مهمترين عامل زنگ زدگي و خوردگي آرماتور در بتن، وجود يون كلريد در آن است كه ممكن است از مصالح آلوده يا مواد افزودني آغشته به كلر يا در اثر نفوذ منابع خارجي مثل محيط دريا وارد بتن گردد .يونهای كلريد تنها درآب وجود دارند از اين رو نفوذ كلريد مشروط به حضور آب در سيستم منفذي بتن مي باشد .مكانيسم ورود يون كلريد به داخل بتن يا از طريق سيستم مكنده موئينگي است كه آب آلوده به كلر وارد بتن مي شود، يا ازطريق نفوذ ساده يونها( انتشار) در آب راكد ، وارد منافذ بتن مي گردد .حالت اول مختص بتن هاي خشك مي باشد و آب وسيله اي است كه يون ها را در داخل بتن حمل مي كند .حالت دوم ( انتشار) مختص بتن اشباع شده يا نزديك به اشباع است ( بتن مغروق ) دربتني كه در چرخه متناوب تر و خشك قرار مي گيرد، هر دو مكانيسم اجرا مي شود. بنابراين تحت چنين شرايطي سرعت افزايش يافته و نفوذ بیشتر يون كلريد وجود دارد.

 پیشنهاد می‌کنیم محصول اسپیسر های پلاستیکی آرماتور را هم بررسی کنید.

2-3عواملموثردرسرعتنفوذ  يون كلر

2-3. عوامل موثر در سرعت نفوذ يون كلر

-1  تخلخلپوشبتني (ساختار منافذ)

-2  نوع سيمانومقدارسيمان (اثر شيميايي بتن)

-3  شرايطمحيطي

-4  ضخامتپوشش روي آرماتور

-5  كربناتي شدنبتن

-6  وجودتركدر بتن بهعلت انقباض ويامقاومت كمدرمقابل يخزدگي

-7  استفادهازتسريعكنندههايكلروريبادرصدبالادربتن

 

. مفهوم ، مشخصه و ترکیبات  میلگردهایFRP3.

FRP کلمه ای اختصاری بوده و مخفف کلمات Fiber Reinforced Polymer می باشد به عبارت دیگر به یک ماده مرکبی اطلاق می شود که از فیبر  یا الیاف  تقویتی و ماتریس ( ماده در برگیرنده ) یا رزین از جنس پلیمر که در ادامه توضیح داده شدند، تشکیل شده است. در شکل شماره 2 و3  شکل ظاهری و اجزاء تشکیل دهنده ترکیبات FRPنشان داده شده است.

پیشنهاد می‌کنیم محصول الیاف بتن را هم بررسی کنید.

طیفگستردهای ازرزینهای پلیمریشاملاندودها،خمیرها،پرکنندهها، بتونه ها و چسب هادرسیستمهای FRPاستفاده می شوندازجمله متداول ترینرزینها میتوان بهاپوکسیها،وینیلاسترهاوپلیاسترهااشارهکردکهدرگسترهوسیعیازشرایطمحیطیبهکارمیروند.درتولیدرزینخواصزیرموردتوجهقرارمیگیرد:

 

     سازگاریوچسبندگیبهسطحبتنی

        سازگاری وچسبندگیباسیستم FRP

        مقاومتدربرابرعواملمحیطینظیررطوبت،شوریآب،دمایبالاومحیطهایشیمیاییدرمجاورتبتن نمایان

        قابلیتپرکنندگی 

           کارایی

       مدتزمانماندگاریمواداختلاطشدهمتناسبباشرایط اجرا

       سازگاریوچسبندگیباالیافمسلح کننده

        ایجادخصوصیاتمکانیکیمناسببرایکامپوزیت FRP

 

شکل 2- وضعیت ظاهری نمونه ای از میلگردهای الیافی 

 

                                                               

شکل 3- اجزاء تشکیل دهنده میلگردهای الیافی  

 

عملکرد اصليماتريسرادر عوامل زير ميتوانخلاصهنمود:

      1- محافطتاز فیبر دربرابر شرايط محيطي

      2-كنترل كمانشموضعيفيبرتحتفشار

      3-انتقالبرشازفيبرتقويتيبهمادهمجاور

      4- جلوگيريازخسارتمكانيكيوارده   

 

3-1.انواع و ویژگی های الیاف  ها

3-1-1. الیاف کربن

 

3-1-2. الیاف شیشه ای

 رایج ترین و پرمصرف ترین نوع الیاف مورد استفاده در سقف کامپوزیت الیاف از جنس شیشه  می باشد و  بر حسب 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 نسبتاً بالا  و کاهش استحکام  با دما و رطوبت  اشاره نمود

دانسیسته الیاف کربن 7/22 کیلو نیوتن برمتر مکعب می باشد و اشکال مختلف آن بلوری می باشد و دارای قطر ۶-۱۰ میکرومتر می باشد. مزایای اصلی آن استحکام بالا در برابر خستگی،  مقاومت در برابر خوردگی،  ضریب انبساط حرارتی پایین و معایب آن قیمت بالا ،  کرنش در شکست  و  هادی الکتریکی  می باشد.الياف  كربن  برابر خستگی   به   مراتب رفتار بهتري نسبت به الياف شيشه  از خودنشان مي دهد،  لذا  در محل  هايي كه  هدف از مقاوم سازي تحمل  بارهاي زنده متغير ميباشد ميتوان ازالياف كربن استفاده نمود. اگرچه از  الياف شيشه  ميتوان     جهت   افزايش طرفيت خمشي  استفاده نمود ولي به دليل كمتر بودن  مدول  ارتجاعی آن صافشده  و  با استفاده ازبرسغلتكي  که    به  صورت   رفت   و برگشت    و  در     جهت الياف  بر روي  آن حركت داده مي شود،  به زمين  چسبانده و   حباب     هاي   هوا   خارج    مي  شوند  و    سپس   مجددا   يك   لایه  رزين نيز  برروي  سطح آن كشيده  مي   شود .

 

شکل 4- نمای میکروسکوپی از میلگرد با الیاف شیشه

 

 3-1-3. الیاف آرامید                      

پلیمر های آرامید دارای خصوصیاتی مانند نقطه ذوب بالا و پایداری حرارتی عالی و مقاومت در برابر آتش و غیر قابل حل بودن در بسیاری از حلال های آلی شناخته شده می باشد. از ویژگیهای آنها به مقاومت در برابر خوردگی  ، سبک و عایق بودن ، حمل و نصب و نگهداری سریع و آسان ، عدم نیاز به تعمیر و نگهداری در طولانی مدت ، مقاومت مکانیکی بالاتر در برابر ضربه نسبت به مشابه فولادی می توان اشاره نمود. در جدول شماره (1)  مقاومت کششی و مدول ارتجاعی میلگردهای با الیاف مختلف ارائه شده است.

 جدول 1- مشخصات میلگردهای با الیاف مختلف

 

نتیجه گیری

لازم به ذکر است که اگر چه مزیتهای اصلی میلگردهای از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر کامپوزیت های FRP نظیر مقاومت کششی زیاد، مدول ارتجاعی قابل قبول، وزن کم ، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن، مجموعه ای از خواص مطلوب را تشکیل میدهد که به ضرورت کاربرد FRP در سازه های بتن آرمه می افزاید ولی بایستی توجه  داشت  از آنجایی که اغلب مصالح پلیمری مقاومت حرارتی پایینی دارند، لذا در طراحی در برابر آتش از مقاومت سیستم های FRP صرفنظر می شود و در این موارد لازم است اعضای سازه ای بدون در نظر گرفتن سیستم FRP  مقاومت کافی در برابر بارهای وارده حین آتش سوزی را داشته باشند. مقاومت یک عضو بتنی تقویت شده با سیستم FRP در برابر آتش با استفاده از رزین های مخصوص یا پوشش های ضد حریق افزایش می یابد. لذا کامپوزیت های FRP  علی رغم مزایای زیاد  معایبی مانند عدم خاصیت چکش خواری و مقاومت  کم در برابر آتش را دارا می باشندکه در این موارد استفاده از کامپوزیت های SRP که مخلف کلمات  (Steel Reinforced Polymer ) می باشد، توصیه می شود.

 

5.قدرداني

از آقای محسن شریفی کارشناس ارشد زبان انگلیسی که نهایت همکاری را در ترجمه متون داشتند کمال تشکر و قدردانی را دارم.

كاربرد آرماتورهاي غیر فلزی در بتن در سالهای اخیر بصورت محدودی شروع شده و تحقیقات زيادي بر روی کاربرد وسیع‌تر آنها و عملکرد دراز مدت این نوع آرماتورها در حال انجام است. استفاده از این نوع میلگردها خصوصا در  پل ها و بزرگراههای آمریکا  بصورت شبکه میلگرد در پوشش سقف  نیز بخاطر دوام زیاد این مصالح گسترش زیادی  یافته است.[1]

خرابی ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلح بدین گونه می باشد که ترك های ریز زیاد بوجود آمده در اثر انقباض و تغييرات دمایی و رطوبتي در مخازن و سازه های بتنی در مجاورت آب ، نفوذ كلريدها و سولفات هاي مهاجم را به داخل بتن تشديد نموده  و شرايط مستعدي را براي خوردگي فولاد فراهم مي آورد و 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 شماره 1 روند شروع خوردگی و گسترش آن در بتن نشان داده شده است.

راهكارهاي زيادي جهت جلوگيري از خوردگي قطعات فولادي سازه های  بتننی مسلح  مانند تزريق پليمر به سطوح داخلی و خارجی مخازن بتني و پوشش اپوكسي بر روی شبکه  فولادي  و حفاظت كاتديك مورد توسعه و استفاده قرار گرفته است که هر يك از اين روش ها تا حدودي موفق بوده اند ولی جایگزینی میلگردهای فلزی با میلگردهای FRP مشکل فوق را بطور چشمگیری حل و عمر سازه ها را زیاد می کند زیرا از دلایل عمده توسعه استفاده از ترکیبات FRP در مقاوم سازی بتن های مسلح ، مقاومت خوب این مصالح در برابر  پدیده خوردگی (Corrosion) و  وزن کم آن می باشد[2].

 

 

2. تاریخچه سیستم های FRP

 

سیستم های FRP به صورت پوشش های بیرونی و به منظور افزایش مقاومت و بهسازی سازه های بتنی موجود از اواسط دهه 1980 تاکنون در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. تعداد پروژه هایی که در ارتباط با سیستم های FRP در سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته، بطور چشمگیری افزایش یافته است ، به طوری که طی ده سال گذشته از تعداد اندک به چندین هزار پروژه در حال حاضر رسیده است . اعضای سازه های تقویت شده با سیستم های FRP به صورت پوشش های بیرونی عبارتند از : تیرها، دال ها ، ستون ها، دیوارها، اتصالات، دودکش ها، طاق های گنبدی شکل، تونل ها، سیلوها، لولهها و خرپاها  .پوشش های FRP همچنین به منظور مقاوم سازی سازه های بنایی، چوبی، فولادی و چدنی نیز بکار میروند