كاربرد كامپوزيت‌هاي FRP در سازه‌هاي بتن آرمه

 كاربرد كامپوزيت‌هاي FRP در سازه‌هاي بتن آرمه

 و بررسي دوام آنها

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.

۱ – 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 ]۱[. تعمير و جايگزيني سازه‌هاي بتني آسيب‌ديده ميليون‌ها دلار خسارت در دنيا به دنبال داشته است. در امريكا، بيش از ۴۰ درصد پلها در شاهراهها نياز به تعويض و يا بازسازي دارند ]۲[. هزينة بازسازي و يا تعمير سازه‌هاي پاركينگ در كانادا، ۴ تا ۶ ميليارد دلار كانادا تخمين زده شده است ]۳[. هزينة تعمير پلهاي شاهراهها در امريكا در حدود ۵۰ 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 ۱ تا ۳ تريليون دلار نياز است ]۳[ !

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 ۱۸۹۶ بر مي‌گردد ]۴[. 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.

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 ۲۰ تا ۵۰ درجة سانتيگراد تغيير مي‌كند، در حاليكه گاه اختلاف دماي شب و روز، بيش از ۳۰ درجة سانتيگراد متغير است. اين در حالي است كه رطوبت نسبي اغلب بالاي ۶۰ درصد بوده و بعضاً نزديك به ۱۰۰ درصد است. به علاوه هواي مجاور تمركز بالايي از دي‌اكسيد گوگرد و ذرات نمك دارد [۵]. به همين جهت است كه از منطقة دريايي خليج فارس به عنوان يكي از مخرب‌ترين محيط‌ها براي بتن در دنيا ياد شده است [۶]. 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 [۷-۹]. به همين جهت بسياري از سازه‌‌هاي بتن مسلح در نواحي ساحلي ايران نظير سواحل بندرعباس، در كمتر از ۵ 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.

 

۲ – 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 [۱۰]. 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.

 

۳ – 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 ۵ تا ۲۵ ميكرون مي‌باشد [۱۱].

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 [۳].

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.

۳-۱-  الياف شيشه

فايبرهاي شيشه در چهار دسته طبقه‌بندي مي‌شوند [۱۰]؛

۱ – 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 ).

۲ – Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حملة  قليائيها، كه در توليد بتن اليافي به كار گرفته مي‌شود.

۳ – A-Glass: با مقادير زياد قليايي كه امروزه تقريباً از رده خارج شده است.

۴ – S-Glass: كه در تكنولوژي هوا-فضا و تحقيقات فضايي به كار گرفته مي‌شود و مقاومت و مدول الاستيسيتة بسيار بالايي دارد، ( و).

 

۳-۲- الياف كربن

الياف كربن در دو دسته طبقه‌بندي مي‌شوند؛

۱– 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.

۲ – 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.

 

۳-۳- الياف آراميد

آراميد،يك كلمة اختصاري از آروماتيك پلي‌آميد است [۱۲].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 ۴۹ براي مسلح كردن بتن، طراحي و توليد شده و مشخصات مكانيكي آن بدين قرار است: و.

 

۴- انواع محصولات FRP

۱- 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.

۲- 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.

۳- 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.

۴- 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.

۵- 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.

 

۵– 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 [۱۰-۱۳]؛

۱ – 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 ۱ تا ۱۷ ميليمتر به صورت صاف، و در قطرهاي ۵ تا ۱۷ ميليمتر به صورت آجدار توليد مي‌شوند.

۲ – FiBRA-Rod: اين محصول توسط كمپاني ميتسوي ژاپن و از كولار ۴۹ توليد مي‌شود. خصوصيات مكانيكي اين ميله‌هاي كامپوزيتي AFRP، بدين قرار است:   و.

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

۴ – CFCC: اين محصول،كابل كامپوزيتي CFRP  بوده و توسط شركت توكيوروپ(Tokyo Rope) از فايبرهاي كربنيPAN  توليد مي‌شود. اين محصول در قطرهاي ۳ تا ۴۰ ميليمتر و با مقاومت ۱۰ تا  kN 1100توليد مي‌شود.

۵ – 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:   .

۶ – 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.

 

۶ – مشخصات اساسي محصولات كامپوزيتي FRP

۶-۱- 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 [۱۴]. در قسمت ۷، به صورت مفصل در مورد دوام كامپوزيت‌هاي FRP  بحث خواهد شد.

۶-۲- مقاومت

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 ۱۱۰۰ تا MPa2200، براي ميله‌هاي با الياف شيشه ۹۰۰ تا MPa1100، و براي ميله‌هاي با الياف آراميد ۱۳۵۰ تا MPa  ۱۶۵۰ گزارش شده است [۱۵]. 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 [۳].

 

۶-۳- 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 ۱۰۰ تا GPa 150، GPa   ۴۵ و GPa 60 گزارش شده است [۱۵].

 

۶-۴- 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 [۱۴].

 

۶-۵- 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 [۱۶]، و همچنين در باند فرودگاهها و مراكز رادار بسيار سودمند خواهد بود.

۶-۶- 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 [۱۷].

 

۶-۷- 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 [۱۸].

 

۶-۸ – 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.

 

۶-۹- خم شدن

چنانچه كامپوزيتهاي FRP در بتن مسلح بكار گرفته شوند، به جهت مهار ميلگردهاي طولي، ميلگردهاي عرضي و تنگ‌ها، لازم است در انتها خم شوند. با اين وجود عمل خم كردن ميله‌هاي FRP بسيار دشوارتر از خم كردن ميلگردهاي فولادي بوده و در حال حاضر براي مصالح موجود FRP، نمي‌توان خم كردن را در كارگاه  انجام داد. اگر چه در صورت لزوم، مي‌توان خم ميله‌هاي كامپوزيتي FRP را با سفارش آن به توليد كننده در كارگاه انجام داد.

 

۶-۱۰- انبساط حرارتي

خصوصيات انبساط حرارتي فولاد و بتن بسيار به هم نزديك هستند؛ ضريب انبساط حرارتي اين دو ماده به ترتيب:  و مي‌باشد. ضريب انبساط حرارتي ميله‌هاي FRP اغلب از بتن متفاوت است. به طور خلاصه ضريب انبساط حرارتي مصالح FRP با الياف كربن و شيشه به ترتيب برابر با و  مي‌باشد. بدترين حالت مربوط به آراميد است كه ضريب انبساط حرارتي آن منفي بوده و برابر با مي‌باشد [۱۹].

 

۷- دوام كامپوزيت‌هاي FRP

كامپوزيت‌هاي FRP شاخة جديدي از مصالح محسوب مي‌شوند كه دوام آنها دليل اصلي و اوليه براي كاربرد آنها در محدودة وسيعي از عناصر سازه‌اي شده است. به همين جهت است كه از آنها نه تنها در صنعت ساختمان، بلكه در فضاپيما، بال هواپيما، درهاي اتومبيل، مخازن محتوي گاز مايع، نردبان و حتي راكت تنيس نيز استفاده مي‌شود. بنابراين از نقطه نظر مهندسي نه تنها مسالة مقاومت و سختي، بلكه مسالة دوام آنها تحت شرايط مورد انتظار، كاملاً  مهم جلوه مي‌كند.

مكانيزم‌هايي كه دوام كامپوزيت‌ها را كنترل مي‌كنند عبارتند از :

۱)  تغييرات شيميايي يا فيزيكي ماتريس پليمر

۲)  از دست رفتن چسبندگي بين فايبر و ماتريس

۳)  كاهش در مقاومت و سختي فايبر

محيط نقش كاملاً تعيين كننده‌اي در تغيير خواص پليمرهاي ماتريس كامپوزيت دارد. هر دوي ماتريس و فايبر ممكن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشيد و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نيز حضور بعضي از مواد شيميايي تجزيه كننده نظير نمك‌ها و قليايي‌ها تحت ثأثير قرار گيرند. همچنين تغييرات تكراري دما ممكن است به صورت سيكل‌هاي يخ‌زدن و ذوب شدن، تغييراتي را در ماتريس و فايبر باعث گردد. از طرفي تحت شرايط بار‌گذاري مكانيكي، بارهاي تكراري ممكن است باعث خستگي (Fatigue) شوند. همچنين بارهاي وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممكن است مسالة خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌اي از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام كامپوزيت‌هاي FRP را تحت تأثير قرار مي‌دهند.

 

۷-۱- پير شدگي فيزيكي ماتريس پليمر

نقش ماتريس پليمر و تغييرات آن يكي از جنبه‌هاي مهمي است كه در مسالة دوام كامپوزيت‌ها بايد در نظر گرفته شود. نقش اولية ماتريس در كامپوزيت انتقال تنش بين فايبرها، محافظت از سطح فايبر در مقابل سائيدگي مكانيكي و ايجاد مانعي در مقابل محيط نامناسب است. همچنين ماتريس نقش به سزائي در انتقال تنش برشي در صفحة كامپوزيت ايفا مي‌كند. بنابر اين چنانچه ماتريس پليمر خواص خود را با زمان تغيير دهد، بايد تحت توجه خاص قرار گيرد. براي كلية پليمرها كاملاً طبيعي است كه تغيير فوق‌العاده آهسته‌اي در ساختار شيميايي (مولكولي) خود داشته باشند. اين تغيير با محيط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت كنترل مي‌شود. اين پروسه تحت نام پير‌شدگي (Aging) ناميده مي‌شود. تأثيرات پير شدگي در اكثر كامپوزيت‌هاي ترموست متداول، در مقايسه با كامپوزيت‌هاي ترموپلاستيك، خفيف‌تر است. در اثر پير‌شدگي فيزيكي، بعضي از پليمرها ممكن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتيجة اين مساله تأثير بر خواص غالب ماتريس و منجمله رفتار برشي كامپوزيت خواهد بود. با اين وجود در اكثر موارد اين تأثيرات بحراني نيست؛ زيرا نهايتاً روند انتقال بار اصلي از طريق فايبر‌ها رخ داده و تأثيرات پير‌شدگي بر فايبر‌ها فوق‌العاده جزئي است.

۷-۲- تأثير رطوبت

بسياري از كامپوزيت‌هاي با ماتريس پليمري در مجاورت هواي مرطوب و يا محيط‌هاي مرطوب، با جذب سطحي سريع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود مي‌گيرند. معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزايش يافته و نهايتاً پس از چندين روز تماس با محيط مرطوب، به نقطة اشباع (تعادل) مي‌رسد. زماني كه طول مي‌كشد تا كامپوزيت به نقطة اشباع برسد به ضخامت كامپوزيت و ميزان رطوبت محيط بستگي دارد. خشك كردن كامپوزيت مي‌تواند اين روند را معكوس كند، اما ممكن است منجر به حصول كامل خواص اوليه نگردد. جذب آب به وسيلة كامپوزيت از قانون عمومي انتشار فيك (Fick’s Law) تبعيت كرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفي سرعت دقيق جذب رطوبت به عواملي همچون ميزان خلل و فرج، نوع فايبر، نوع رزين، جهت و ساختار فايبر، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ريزتركها بستگي دارد. در ادامه تأثير رطوبت را به صورت مجزا بر اجزاء كامپوزيت مورد بحث قرار مي‌دهيم.

 

الف- تأثير رطوبت بر ماتريس پليمري

جذب آب به توسط رزين ممكن است در مواردي بعضي از خصوصيات رزين را تغيير دهد. چنين تغييراتي عمدتاً در دماي بالاي ۱۲۰ درجه ممكن است اتفاق بيفتد و در اثر آن سختي كامپوزيت به شدت كاهش يابد؛ اگر چه چنين وضعيتي عمدتاً در مصارف كامپوزيت‌ها در مهندسي عمران و به خصوص در سازه‌هاي در مجاورت آب، كمتر پيش مي‌آيد و مورد توجه نيست. از طرفي جذب رطوبت يك تأثير سودمند نيز بر كامپوزيت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزين شده كه اين مساله به نوبة خود تنش‌هاي پس‌ماند بين ماتريس و فايبر را كه در اثر انقباض ضمن عمل‌آوري كامپوزيت ايجاد شده، كاهش مي‌دهد. اين مساله باعث آزاد شدن تنش‌هاي بين ماتريس و فايبر شده و ظرفيت باربري را افزايش مي‌دهد. از طرفي گزارش شده است كه در كامپوزيت‌هايي كه به صورت نامناسب ساخته شده‌اند، در اثر وجود حفره‌ها در سطح بين فايبر و ماتريس و يا در لايه‌هاي كامپوزيت، نفوذ آب در داخل حفره‌ها و يا در سطح مشترك فايبر و ماتريس ممكن است به سيلان رزين منجر شود [۲۰]. اين مساله را مي‌توان با انتخاب مناسب مواد رزين و يا آماده‌سازي مناسب سطح فايبر‌ها و نيز بهبود تكنيك‌هاي ساخت، حذف نمود.

 

ب – تأثير رطوبت بر فايبر‌ها

اعتقاد عمومي بر آن است كه فايبر‌هاي شيشه چنانچه به صورت طولاني مدت در كنار آب قرار گيرند، آسيب مي‌بينند. دليل اين مساله آن است كه شيشه از سيليكا ساخته شده كه در آن اكسيدهاي فلزات قليايي منتشر شده‌اند. اكسيدهاي فلزات قليايي هم جاذب آب بوده و هم قابل هيدروليز هستند. با اين وجود، در اكثر موارد مصرف در مهندسي عمران، از E-glass و S-glass استفاده مي‌شود كه فقط مقادير كمي از اكسيدهاي فلزات قليايي را داشته و بنابراين در مقابل خطرات ناشي از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حال كامپوزيت‌هاي ساخته شده از الياف شيشه بايد به خوبي ساخته شده باشند، بصورتيكه از نفوذ آب به مقدار زياد جلوگيري ‌كنند؛ زيرا حضور آب در سطح الياف شيشه انرژي سطحي آنها را كاهش مي‌دهد كه مي‌تواند رشد ترك‌خوردگي را افزايش دهد. از طرفي الياف آراميد نيز مي‌توانند مقادير قابل توجهي از آب را جذب كنند كه منجر به باد كردن و تورم آنها مي‌شود. با اين وجود اكثر الياف با پوششي محافظت مي‌شوند، كه پيوستگي خوب با ماتريس داشته و نيز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذكر است كه تحقيقات متعدد، نشان مي‌دهد كه رطوبت هيچگونه تأثيرات سوء شناخته‌شده‌اي را بر الياف كربن به دنبال ندارد [۲۱].

 

ج- رفتار عمومي كامپوزيت‌هاي اشباع شده با آب

كامپوزيت‌هاي با ‌آب اشباع شده معمولاً كمي افزايش شكل‌پذيري (Ductility) در اثر نرم‌شدگي Softening)) ماتريس از خود نشان مي‌دهند. اين مساله را مي‌توان يك جنبة سودمند از جذب آب در كامپوزيت‌هاي پليمري بر‌شمرد. همچنين افت محدود مقاومت و مدول الاستيسيته مي‌تواند در كامپوزيت‌هاي با آب اشباع شده اتفاق بيفتد. چنين تغييراتي معمولاً برگشت‌پذير بوده و بنابر‌اين به محض خشك شدن كامپوزيت‌، ممكن است اثر خواص از دست رفته مجدداً جبران شود.

شايان توجه است كه افزايش فشار هيدرواستاتيك (مثلاً در مواردي كه كامپوزيت‌ها در مصارف زير آب و يا در كف دريا به كار مي‌روند)، لزوماً به جذب آب بيشتر توسط كامپوزيت و افت خواص مكانيكي آن منجر نمي‌شوند. بدين ترتيب انتظار مي‌رود كه اكثر سازه‌هاي پليمري زير‌ آب، دوام بالايي داشته باشند.  در حقيقت، تحت فشار هيدرواستاتيك، جذب آب به دليل بسته شدن ريز‌ترك‌ها و ضايعات بين سطحي، كمي كاهش مي‌يابد [۲۲].

لازم به ذكر است كه جذب آب بر خواص عايق بودن كامپوزيت‌ها اثر مي‌گذارد. حضور آب آزاد در ريزتركها مي‌تواند خاصيت عايق بودن كامپوزيت را به شدت كاهش دهد.

 

۷-۳- تأثيرات حرارتي – رطوبتي

درجة حرارت، نقش تعيين‌كننده‌اي در مكانيزم جذب آب كامپوزيت‌ها و تأثيرات متعاقب برگشت‌ناپذير آن بازي مي‌كند. درجة حرارت، بر توزيع آب، ميزان آن و سرعت جذب آن، تأثير مي‌گذارد. با افزايش دما، مقدار و سرعت جذب آب سريعاً افزايش مي‌يابد [۲۳]. تحقيقات نشان داده است كه ضايعات ناشي از قرار دادن كامپوزيت، در آب جوش به مدت چند ساعت، معادل جداشدن اجزاء كامپوزيت، و ترك‌خوردگي آن در اثر قرار گرفتن آن در آب با دماي ۵۰  به مدت ۲۰۰ روز مي‌باشد. در دماي معمولي اطاق، نمونه‌هاي كامپوزيت هيچگونه خرابي و آسيبي را بروز نداده‌اند. چنين مشاهداتي به توسعة تكنيك‌هايي براي آزمايشات تسريع شدة پيرشدگي كامپوزيت‌ها منجر شده است.

 

۷-۴- محيط قليايي

در كاربرد كامپوزيت‌هاي با الياف شيشه در محيط قليايي، ضروري است كه از الياف شيشة با مقاومت بالاي قليايي استفاده نمود؛ زيرا محلول قليايي با الياف شيشه واكنش داده و ژل انبساطي سيليكا توليد مي‌كنند. اين نكته به خصوص در كاربرد كامپوزيت‌هاي با الياف شيشه به عنوان ميلگردهاي مسلح كننده بسيار حائز اهميت مي‌باشد. امروزه علاقه به استفاده از ميلگردهاي FRP از جنس شيشه در رويه‌هاي بتني، به عنوان جانشين ميلگردهاي فولادي كه با نمك‌هاي يخزدا خورده مي‌شوند، و نيز در سازه‌هاي در مجاورت آب افزايش يافته است. با اين وجود در فرآيند هيدراسيون سيمان، محلول آب با قليائيت بالا (pH>12) شده، ايجاد مي‌شود. اين محلول قليايي شديد، مي‌تواند بر الياف شيشه تأثير گذاشته و دوام ميلگردهاي FRP ساخته شده با الياف شيشه را كاهش دهد. الياف شيشة از جنس E-glass كه اكثراً ارزان بوده و به كار گرفته مي‌شوند، ممكن است مقاومت كافي در مقابل حملة قليايي‌ها را نداشته باشند. استفاده از رزين وينيل استر با ايجاد يك مانع مؤثر، تا حدودي حملة قليايي‌ها را كاهش مي‌دهد. مقاومت در مقابل حملة قليايي‌ها را مي‌توان با طراحي عضو سازه‌اي براي تحمل سطح تنش‌هاي كمتر، بهبود داد. همچنين مي‌توان براي بهبود دوام، از الياف شيشه با مقاومت بسيار خوب در مقابل قليا استفاده نمود.

شايان ذكر است كه FRP هاي ساخته شده از الياف كربن و آراميد، مطلقاً در مقابل محيط‌هاي قليايي از خود ضعفي نشان نمي‌دهند.

۷-۵- تأثير دماي پائين

تغييرات شديد دما بر كامپوزيت‌ها چندين اثر عمده به دنبال دارد. اكثر مواد با افزايش دما انبساط پيدا مي‌كنند. در كامپوزيت‌هاي FRP با ماتريس پليمري، ضريب انبساط حرارتي ماتريس معمولاً در رتبة بالاتري از ضريب انبساط حرارتي الياف قرار دارد. كاهش دما ناشي از سرد شدن در ضمن مرحلة ساخت و يا شرايط عملكرد كامپوزيت در دماي پايين، باعث انقباض ماتريس خواهد شد. از طرفي انقباض ماتريس با مقاومت الياف نسبتاً سخت كه در مجاورت ماتريس قرار گرفته‌اند، روبرو مي‌شود؛ كه اين مساله تنش‌هاي پس ماندي را در ريز ساختار ماده به‌جاي مي‌گذارد. بزرگي تنش‌هاي پس ماند با اختلاف دما در شرايط عمل‌‌آوري و شرايط عملكرد كامپوزيت متناسب خواهد بود. با اين وجود، مگر در محيط فوق‌العاده سرد، تنش‌هاي پس‌ماند ايجاد شده چندان قابل توجه نخواهد بود. در جايي كه تغيير دماي بسيار شديد وجود دارد (مثلاً نواحي نزديك به قطب شمال و قطب جنوب) ممكن است تنش‌هاي پس‌ماند بزرگي ايجاد شود كه منجر به ايجاد ريزترك در ماده مي‌گردد. چنين ريزتركهايي به نوبة خود سختي كامپوزيت را كاهش داده و نفوذپذيري و ورود آب از طريق لاية مرزي ماتريس و الياف را افزايش مي‌دهند و بدين ترتيب در فرآيند تجزية كامپوزيت شركت مي‌كنند.

تأثير بسيار مهم ديگر درجه حرارت‌هاي پايين‌تر، تغيير متناظر در مقاومت و سختي ماتريس است. اكثر مواد رزين ماتريس، با سرد شدن، سخت‌تر و مقاوم‌تر مي‌شوند. چنين تغييراتي بر وضعيت شكست اثر مي‌گذارد. براي مثال، نشان داده شده است كه شكست فشاري نمونه‌هاي استوانه‌اي كامپوزيت با قطر ۳۸ ميليمتر در دماي ۵۰ نسبت به شكست نمونه‌هاي مشابه در دماي اطاق با ۶/۱۷ درصد افزايش در مقاومت فشاري ولي شكست به صورت تردتر، همراه است [۲۴]. بدين ترتيب جذب انرژي قبل از شكست در دماي پايين‌تر نسبت به دماي اطاق، بيشتر خواهد بود. اين جنبة ويژه از نظر آزاد شدن انرژي زياد در لحظة شكست، در طراحي كامپوزيت‌هايي كه تحت بارهاي ضربه‌اي و در دماي پايين قرار مي‌گيرند، بايد در نظر گرفته شود.

 

۷-۶- تأثيرات سيكل‌هاي حرارتي در دماي پايين (يخ‌زدن- ذوب شدن)

به جز در مواردي كه كامپوزيت درصد قابل توجهي حفره‌هاي متصل به يكديگر پر از آب داشته باشد، تأثيرات يخ‌ زدن و ذوب شدن در محدودة دمايي متداول (۳۰ تا ۲۰-) بر مقاومت، جزئي بوده و حائز اهميت نيست. كامپوزيت‌هاي ساخته شده از فايبر‌هاي شيشه كه به طور متداول در دسترس هستند، در حدود ۴/۰ درصد حفره دارند كه اجازة يخ‌زدگي قابل توجهي را نداده و امكان هيچگونه آسيب جدي را فراهم نمي‌كند.

با اين وجود، سيكل‌هاي حرارتي در دماي پايين اثرات ديگري را بر كامپوزيت‌ها مي‌گذارد. تنش‌هاي پس‌ماند در موارد كامپوزيت، بدليل تفاوت‌هاي موجود در ضرائب انبساط حرارتي اجزاء موجود در ريز ساختار ماده، ايجاد مي‌شود. در شرايط دمايي بسيار پايين، چنين تنش‌هايي مي‌تواند منجر به تشكيل ريزترك‌ها در رزين ماتريس و يا در سطح مشترك رزين و فايبر شود. تغييرات رشد ريزترك در محدودة متداول دماي بهره‌برداري (از  ۳۰+  تا ۲۰-)، معمولاً جزئي و يا حاشيه‌اي است؛ با اين وجود تحت شرايط سيكل‌هاي حرارتي شديد، مثلاً بين ۶۰+ تا ۶۰- ، ريزترك‌ها امكان رشد و بهم پيوستن پيدا كرده كه منجر به تشكيل ترك در ماتريس و انتشار آن در ماتريس و يا در اطراف سطح مشترك ماتريس و فايبر مي‌شود [۲۵]. چنين ترك‌هايي تحت سيكل‌هاي حرارتي طولاني مدت، از نظر تعداد و اندازه رشد كرده كه مي‌تواند منجر به زوال سختي و يا زوال ساير خواص وابسته به ماتريس گردد.

همچنين مشاهده شده است كه در دماي بسيار پايين، مقاومت كششي كلية كامپوزيت‌هاي پليمري در جهت الياف، تمايل به كاهش دارد؛ اگر چه مقاومت‌هاي كششي در ساير جهات و منجمله در جهت متعامد، افزايش مي‌يابد. چنين نتايجي با سخت شدن ماتريس پليمري در دماي پايين توجيه مي‌شود. از طرفي سيكل‌هاي حرارتي بين دماي حداكثر و حداقل در زمان طولاني، همچنين زوال مقاومت و سختي در كلية جهات را در پي دارد. چنين تغييرات خصوصيت براي طراحي سازه‌اي در مناطق سرد، مهم تلقي مي‌شوند.

۷-۷- تأثير تشعشع امواج ماوراء بنفش (UV)

تأثير نور ماوراء بنفش بر تركيبات پليمري كاملاً شناخته شده است. تحت تابش طولاني مدت نور خورشيد، ممكن است ماتريس سخت و يا بي‌رنگ شود.  اين مساله را عموماً مي‌توان با بكارگيري يك پوشش مقاوم در مقابل اشعة ماوراء بنفش بر كامپوزيت، برطرف نمود. در همين ارتباط از جمله مسائل بسيار قابل توجه، زوال فايبرهاي پليمري مسلح كننده نظير آراميد است. به عنوان مثال براي آراميد ساخته شده از الياف نازك پس از پنج هفته قرار گرفتن در نور آفتاب فلوريدا، ۵۰ درصد افت مقاومت گزارش شده است [۲۶]. با اين وجود اين اثر معمولاً سطحي است؛ بنابراين در كامپوزيت‌هاي ضخيم‌تر، تأثير  اين زوال بر خصوصيات سازه‌اي جزئي است. در مواردي كه خواص سطحي نيز مهم تلقي شوند، لازم است ملاحظاتي را جهت كاهش ترك‌خوردگي سطحي تحت اشعة خورشيد، منظور نمود.

 

۸- استفاده از مواد FRP به عنوان مسلح‌ کنندة خارجي در سازه‌ها

به دنبال فرسوده شدن سازه‌هاي زير‌بنايي و نياز به تقويت سازه‌ها براي برآورده کردن شرايط سخت‌گيرانة طراحي، طي دو دهة اخير تأکيد فراواني بر روي تعمير و مقاوم‌ سازي سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفي، بهسازي لرزه‌اي سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خيز، اهميت فراواني يافته است. در اين ميان تکنيک‌هاي استفاده از مواد مرکب  FRPبه‌عنوان مسلح‌ کنندة خارجي به دليل خصوصيات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکي، مقاومت شيميايي و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازي و احياء سازه‌ها اهميت ويژه‌اي پيدا کرده‌اند. از طرف ديگر،  اين تکنيک‌ها به دليل اجراي سريع و هزينه‌هاي کم جذابيت ويژه‌اي يافته‌اند.

مواد مرکب FRP در ابتدا به‌عنوان مواد مقاوم ‌کنندة خمشي براي پل‌هاي بتن‌آرمه و همچنين به‌عنوان محصور ‌کننده در ستون‌هاي بتن آرمه مورد استفاده قرار مي‌گرفتند؛ اما به دنبال تلاش‌هاي تحقيقاتي اوليه، از اواسط دهة ۱۹۸۰ توسعة بسيار زيادي در زمينة استفاده از مواد FRP در مقاوم‌‌سازي سازه‌هاي مختلف مشاهده مي‌شود؛ بطوري‌که دامنة کاربردهاي آن به سازه‌هايي با مصالح بنايي، چوبي و حتي فلزي نيز گسترش يافته است. تعداد موارد کاربرد مواد FRP در مقاوم ‌سازي، تعمير و يا بهسازي سازه‌ها از چند مورد در۱۰ سال پيش، به هزاران مورد در حال حاضر رسيده است. اجزاء سازه‌اي مختلفي شامل تيرها، دال‌ها، ستون‌ها، ديوارهاي برشي، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌ها، گنبدها و خرپاها تا کنون توسط مواد  FRP مقاوم شده‌اند.

 

مقاوم ‌سازي سازه‌هاي بتن آرمه با مواد FRP

مواد مرکب FRP، دامنة وسيعي از کاربردها را براي مقاوم ‌سازي سازه‌هاي بتن‌آرمه در مواردي که تکنيک‌هاي مرسوم مقاوم‌ سازي ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند. براي نمونه، يکي از معمول‌ترين تکنيک‌ها براي بهسازي اجزاء بتن آرمه، استفاده از ورق‌هاي فولادي است که از بيرون به اين اجزاء چسبانده مي‌شود. اين روش، روشي ساده، مقرون به صرفه و کارا است؛ اما از جهات زير مسئله‌ ساز است: ۱- زوال چسبندگي بين فولاد و بتن که از خوردگي فولاد ناشي مي‌شود. ۲- مشکلات ساخت صفحات فولادي سنگين در کارگاه ساختمان. ۳- نياز به نصب داربست. ۴- محدوديت طول در انتقال صفحات فولادي به کارگاه ساخت (در مورد مقاوم ‌سازي خمشي اجزاء بلند).

نوارها يا صفحات مي‌توانند جايگزيني براي صفحات فولادي باشند. مواد FRP  برخلاف فولاد، تحت تأثير زوال الکتروشيميايي قرار نمي‌گيرند و مي‌توانند درمقابل خوردگي اسيدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنة وسيعي از دما مقاومت کنند. در نتيجه نياز به سيستم‌هاي حفاظت از خوردگي نمي‌باشد وآماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداري از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادي آسان‌تر است.

علاوه بر اين، الياف مسلح‌کننده در FRP مي‌توانند در موضع معين و در نسبت حجمي و جهت خاصي درون ماتريس قرارگيرند تا بيش‌ترين کارايي به‌دست آيد. مواد حاصله تنها با درصدي از وزن فولاد، مقاومت و سختي بالايي در جهت الياف دارند. آن‌ها همچنين حمل و نقل آسان‌تري داشته، نيازمند داربست کمتري براي نصب مي‌باشند، و مي‌توانند براي مکان‌هايي که داراي دسترسي محدود هستند، مورد استفاده قرار گيرند؛ و پس از نصب، بار اضافي قابل‌توجهي را به سازه تحميل نمي‌کنند.

روش مرسوم ديگر در مقاوم ‌سازي اعضاي بتن‌آرمه، استفاده از پوشش‌هايي از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشيدني و يا فولاد مي‌باشد. اين روش تا جايي که مربوط به مقاومت، سختي و شکل ‌پذيري مي‌شود، کاملا مؤثر است؛ اما باعث افزايش ابعاد مقاطع و بار مردة سازه مي‌شود. همچنين اين شيوه نيازمند عمليات پر دردسر و تخلية ساكنين است و به صورت بالقوه باعث افزايش نامطلوب سختي اعضاي بتن‌آرمه مي شود. به‌عنوان يک جايگزين، صفحات FRP مي‌توانند به دور اجزاء بتن‌آرمه پيچيده شوند و افزايش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذيري را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغيير زيادي در سختي ايجاد نمايند. يک نکتة مهم در ارتباط با مقاوم ‌سازي اعضا با استفادة خارجي از FRP آن است که بايد درجة مقاوم‌ سازي (نسبت ظرفيت نهايي عضو مقاوم‌شده به ظرفيت نهايي عضو مقاوم ‌نشده) را محدود کنيم تا حداقل سطح ايمني در حوادثي مانند آتش ‌سوزي که منجر به از دست رفتن کارايي FRP مي‌شوند، حفظ گردد.

شكل ۱- نمونه‌هايي از تقويت خمشي و برشي تير بتن آرمه با ورقه‌هاي FRP

امروزه مواد كامپوزيتي FRP به وفور جهت تقويت خمشي و برشي تيرهاي بتن آرمه به كار مي‌روند كه نمونه‌اي از آن در شكل ۱ نشان داده شده است. در اين شكل ملاحظه مي‌شود كه با متصل كردن صفحات FRP  به وجه پاييني تير ظرفيت خمشي مثبت و با متصل كردن آن به وجه بالايي تير ظرفيت خمشي منفي حاصل مي‌شود. هم‌چنين مي‌توان با اتصال صفحات FRP  به دو وجه كناري تير، ظرفيت برشي مناسبي فراهم نمود.

در شکست تيرهاي بتن‌آرمة تقويت شده با صفحات FRP مکانيزم‌هاي مختلف شکست، ازجمله گسيختگي صفحات FRP، خرد شدگي بتن، شکست برشي بتن و ترک ‌خوردگي در محل اتصال چسب با بتن، گزارش شده است. همچنين نشان داده شده است که نوع FRP، ضخامت و طول آن باعث ايجاد انواع مختلفي از شکست نرم يا ترد مي‌شود. بخصوص خواص مکانيکي ناحية اتصال FRP و بتن از اهميت خاصي برخوردار است. در اين ميان جدا شدن صفحات FRP از بتن مسالة كاملا حائز اهميت است و امروزه توجه زيادي را در دنيا به خود جلب مي‌نمايد. در اين ارتباط به نظر مي‌رسد كه استفاده از تقويت‌کننده‌هاي خارجي حتي به ميزان کم، مي‌تواند ايمني قابل ملاحظه‌اي در برابر جدا شدن صفحات FRP از بتن، و نيز شکست‌هاي برشي ترد فراهم آورد.

از طرفي مواد كامپوزيتي FRP به وفور جهت تقويت خمشي و فشاري و نيز افزايش شكل پذيري ستون‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در همين ارتباط محصور شدگي بتن مهم‌ترين خصوصيتي است كه مي توان آن را با چسباندن اين مواد در اطراف ستون‌ها فراهم نمود. از طرفي استفاده از مواد كامپوزيتي FRP براي افزايش شكل پذيري اتصالات و رفتار مناسب‌تر آن در زلزله نيز بسيار مطلوب خواهد بود.

 

۹ – خلاصه و نتيجه ‌گيري

خوردگي اعضاء سازه‌اي بتني كه به صورت متداول با ميلگردهاي فولادي مسلح شده باشند، در محيط‌هاي خشن و خورنده يك معضل جدي محسوب مي‌شود. اين مساله براي اعضاء بتني سازه‌اي در مجاورت آب و به خصوص در محيط‌هاي دريايي و ساحلي كه در معرض عوامل نمكي و قليايي، آب در تماس با خاك، هوا و آب‌هاي زيرزميني قرار دارند، بسيار جدي‌تر خواهد بود. اين مساله هر ساله ميليون‌ها دلار خسارت ر سراسر دنيا به بار مي‌آورد. اگر چه تا كنون روش‌هاي مختلفي نظير حفاظت كاتديديك و يا پوشش قطعات فولادي و ميلگردها با اپوكسي جهت فائق آمدن بر اين مشكل به كار گرفته شده است، به نظر مي‌رسد كه جانشيني كامل قطعات فولادي و ميلگردهاي فولادي با يك مادة  مقاوم در مقابل خوردگي، يك راه حل بسيار اساسي و بديع، در حذف كامل خوردگي اجزاء فولادي به شمار آيد.

محصولات كامپوزيتي FRP  با مقاومت بسيار عالي، در مقابل خوردگي در محيط‌هاي خشن و خورنده، توجه بسياري از محققين و مهندسين در سراسر دنيا را به عنوان يك جانشين مناسب قطعات فولادي و ميلگردهاي فولادي در سازه‌هاي مجاور آب به خود جلب نموده است. اگر چه مزيت اصلي محصولات FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگي است، خواص ديگري از آنها، نظير مقاومت كششي بالا، مدول الاستيسيتة قابل قبول، وزن كم، مقاومت خوب در مقابل خستگي و خزش، خاصيت عايق بودن و چسبندگي خوب با بتن و نيز دوام بسيار خوب از اهميت بالايي برخوردار بوده و بر جاذبة آنها افزوده است. با اين وجود بعضي از اشكالات و معايب اين ماده نظير مشكلات مربوط به خم كردن ميله‌هاي FRP در محل آرماتوربندي، تفاوت خواص حرارتي آنها با بتن و نيز رفتار الاستيك خطي آنها تا لحظة شكست را نبايد از نظر دور داشت. در مجموع، توجه بيشتر به كاربرد محصولات كامپوزيتي FRP در سازه‌هاي بتني كه در محيط‌هاي خشن و خورنده ساخته مي‌شوند، نظير سازه‌هاي آبي، ساحلي و دريايي، مشخصاً از آسيب‌هاي زودرس و ناخواسته و شكست سازه‌هاي بتني مسلح در اثر خوردگي ميلگردها جلوگيري خواهد نمود.

 

 

 مراجع

[۱] Hamada, H., Fukute, T., and Yamamoto, K., “Bending Behavior of Unbounded Prestressed Concrete Beams Prestressed with CFRP Rods,” Fiber Reinforced Cement and Concrete, Proceedings of the Fourth RILEM International Symposium, Sheffield, 1992, pp. 1015-1026.

 

[۲] Saadatmanesh, H., and Ehsani, M. R., “RC Beams Strengthened with GFRP Plates, I: Experimental Study,” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 117, No. 11, 1991, pp. 3417-3433.

 

[۳] Bedard, Claude, “Composite Reinforcing Bars: Assessing Their Use in Concrete,” Concrete International, 1992, pp. 55-59.

 

[۴] Sharp, B. N., “Reinforced and Prestressed Concrete in Maritime Structures,” Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and Building, Vol. 116, No. 3, 1996, pp. 449-469.

 

[۵] Hamid, Ahmad A., “Improving Structural Concrete Durability in the Arabian Gulf,” Concrete International, July, 1995, pp. 32-35.

 

[۶] Ali, Mohammed Gholam, Dannish, Sami Abdulla, and Al-Hussaini, Adel, “Strength and Durability of Concrete Structures in Bahrain,” Concrete International, July, 1996, pp. 39-45.

 

[۷] Matta, Z., “Chlorides and Corrosion in the Arabian Gulf Environment,” Concrete International, May, 1992, pp. 47-48.

 

[۸] Matta, Z., “Deterioration of Concrete Structures in the Arabian Gulf,” Concrete International, Juky, 1993, pp. 33-36.

 

[۹] Matta, Z., “More Deterioration of Reinforced concrete in the Arabian Gulf,” Concrete International, November, 1993, pp. 50-51.

 

[۱۰] Razaqpur, A. G., and Kashef, A. H., “State-of-the-Art on Fiber Reinforced Plastics for Buildings,” Submitted to: Institute for Research in Construction – National Research Council of Canada, Carleton University, Ottawa, 1993.

 

[۱۱] Rostasy, F. S., “FRP Tensile Elements for Prestressed Concrete – State of the Art, Potentials and Limits,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 347-366.

 

[۱۲] Minosaku, Koichi, “Using FRP Materials in Prestressed Concrete Structures,” Concrete International, 1992, pp.41-45.

 

[۱۳] Erki, M. A., and Rizkalla, S. H., “Anchorages for FRP Reinforcement,” Concrete International, 1993, pp. 54-59.

 

[۱۴] Martin, Roderick H., “Fiber Reinforced Plastic Standards for the Offshore Industry,” SAMPE Journal, Society for the Advancement of Material and Process Engineering, 1996, pp. 37-41.

 

[۱۵] Yamasaki, Y., Masuda, Y., Tanano, H., and Shimizu, A., “Fundamental Properties of Continuous Fiber Bars,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 715-730.

 

[۱۶]  Tarricone, Paul, “Plastic Potential,” Civil Engineering, 1993, pp. 62-64.

 

[۱۷] Ehsani, M. R., Saadatmanesh, H., and Tao, S., “Bond of GFRP Rebars to Ordinary- Strength Concrete,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 333-346.

 

[۱۸] Char, M. S., Saadatmanesh, H., and Ehsani, M. R., “Concrete Girders Externally prestressed with Composite Plates,” PCI Journal, 1994, pp. 40-51.

 

[۱۹] Mashida, M., and Iwamoto, K., “Bond Characteristics of FRP Rod and Concrete After Freezing and Thawing Deterioration,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 51-70.

 

[۲۰] Hahn, H. T., and Kim, R. Y., “Swelling of Composite Laminates,” Advanced Composite Materials-Environmental Effects, ASTM-STP 658, 1978, pp. 98-130.

 

[۲۱] Mallick, P. K., Fiber Reinforced Composites, Marcel Dekker, Inc., New Yoek, 1988.

 

[۲۲] Burnsell, A. R., “Long-Term Degredation of Polimeric Matrix Composites,” Concise Encyclopedia of Composite Materials, Pergamon Press, 1989, pp. 165-173.

 

[۲۳] Dewimille, B., and Burnsell, A. R., “Accelerated Aging of a Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin in Water,” Composites, 1983, pp. 14-35.

 

[۲۴] Dutta, P. K., “Tensile Strength of Unidirectional Fiber Composites at Low Temparatures,” Proceedings, Sixth Japan-U.S. Conference on Composite Materials, June, 1983, Orlando, pp. 782-792.

 

[۲۵] Lord, H. W., and Dutta, P. K., “On the Design of Polymeric Composite Structures for Cold Region Applications,” Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 7, 1988, pp. 435-450.

 

[۲۶] Larsson, F., “The Effect of Ultraviolet Light on Mechanical Properties of Kevlar 49 Composites,” Environmental Effects on Composite Materials, Technomic Publishings Co., 1988, pp. 132-135.

Leave a comment