تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی با الیاف Frp

الیاف های تقویتی یا frp

بسیاری از سازه‌های بتن آرمة موجود در دنیا در اثر تماس باسولفاتها، كلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مسالههزینه‌های زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه‌های آسیب ‌دیده در سراسردنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یك مسالة مهندسی،بلكه به عنوان یك مسالة اجتماعی جدی تلقی شده است . تعمیر و جایگزینی سازه‌هایبتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریكا، بیشاز 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند . هزینة بازسازی ویا تعمیر سازه‌های پاركینگ در كانادا، 4 تا 6 میلیارد دلار كانادا تخمین زده شدهاست . هزینة تعمیر پلهای شاهراهها در امریكا در حدود 50 میلیارد دلار برآورد شدهاست؛ در حالیكه برای بازسازی كلیة سازه‌های بتن آرمة آسیب‌دیده در امریكا در اثرمسالة خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده كه به بودجة نجومی 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است! درمناطق مختلف ایران نیز اثرات مخرب كلریدها و سولفاتهای مهاجم در محیط های دریایی وساحلی بر پایه‌های پل، آبگیرها، سدها و كانال‌های بتن آرمه که باعث ایجاد خوردگیفولاد بتن میشود سبب اعمال هزینه های سنگین جهت مرمت ویا بازسازی ابنیه ها خواهدبود.

حال اگر بخواهیم تمامی این ابنیه ها را از نو بسازیم متحملهزینه های گزافی خواهیم گشت فلذا با اعمال تمهیداتی جهت مرمت و ترمیم سازه ها میتوان هزینه ها را پایین آورد.

تكنیك‌هایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقیبه سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است كهاز بین آنها می‌توان به:

پوشش اپوكسی بر قطعات فولادی ومیلگردها، تزریق پلیمر بهسطوح بتنی و حفاظت كاتدیك میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یك از این تكنیك‌هافقط تا حدودی موفق بوده است محققان امروزه به جانشین كردن قطعات فولادی ومیلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده اند.

مواد كامپوزیتی(Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادیبسیار مقاوم در مقابل محیط‌های خورنده همچون محیط‌های نمكی و قلیایی هستند به همیندلیل امروزه كامپوزیتهای FRP، موضوع تحقیقات توسعه‌ای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهایفولادی و كابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های درمجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

آشنائی با FRP

FRP (Fiber Reinforcement polymer ) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتیاست که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. که به دو شکل ورق هایFRP و میلگردهای FRP وجود دارد.

نقش اصلی ماتریس عبارت است از :

·       انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور

·       محافظت از فیبر در شرایط محیطی

·       جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف

·       کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار

به طور کلیFRP  ها براساس فیبر تشکیل دهنده ی آنها به چند دسته زیر تقسیم می شوند:

·         CFRP با الیافی از جنسکربن

·       GFRP  با الیافی از جنسشیشه

·        AFRP با الیافی از جنسآرامید

مزایای استفاده از FRP :

·       وزن کم (چگالی آن در حدود 20% فولاد است .

·       مقاومت در برابر خورندگی

·       نفوذناپذیری مغناطیسی

·       امکان تقویت به صورت خارجی

·       حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم

مواد   FRP از دو جزء اساسیتشكیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (مادة چسباننده  .  (فایبرها كه اصولاً الاستیك، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزءاصلی باربر در مادة FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدودة5 تا 25میكرون می‌باشد.

رزین اصولاً به عنوان یك محیط چسباننده عمل می‌كند، كهفایبرها را در كنار یكدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت كم بهصورت چشمگیر بر خواص مكانیكی كامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثرنمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیكانتخاب كرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یاروان در نمی‌آیند؛ در حالیكه رزین‌های ترموپلاستیك را می‌توان با اعمال حرارت،مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزین‌های ترموست می‌تواناز پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوكسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیك از پلی‌وینیلكلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد .
فایبر ممكن است از شیشه، كربن، آرامید و یا وینیلون باشد كهدر اینصورت محصولات كامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP، CFRP،AFRP وVFRP شناخته می‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی ازفایبرهای متداول ارائه خواهد شد.

1-الیاف شیشه:

فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند :

 : E-Glass متداول ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی كم، كهدر صنعت ساختمان به كار می‌رود، ( با مدول الاستیسیتة، مقاومت نهایی ، و كرنشنهایی ).

  :Z-Glass با مقاومت بالادر مقابل حملة قلیائیها، كه در تولید بتن الیافی به كار گرفته می‌شود.

 :  A-Glass  با مقادیر زیاد قلیایی كه امروزه تقریباً از رده خارج شده است.

: S-Glass كه در تكنولوژی هوا-فضا و تحقیقاتفضایی به كار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیتة بسیار بالایی دارد،

2-الیاف كربن:

الیاف كربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند:

الیاف كربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I كه تردترین آنها با بالاترین مدول الاستیسیته محسوب می‌شود. ( و). تیپ II كه مقاوم‌ترین الیاف كربن است ( و)؛ و نهایتاً تیپ III كه نرمترین نوع الیاف كربنیبا مقاومتی بین تیپ ‌Iو IIمی‌باشد.

الیاف با اساس قیری(Pitch-based) كه اساساً ازتقطیر زغال سنگ بدست می‌آیند. این الیاف از الیافPAN ارزان‌تر بوده ومقاومت و مدول الاستیسیتة كمتری نسبت به آنها دارند ( و).
لازم به ذكر است كه الیاف كربن مقاومت بسیار خوبی در مقابلمحیط های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی كاملاً پایدارهستند.

3- الیاف آرامید:

آرامید،یك كلمة اختصاری از آروماتیك پلی‌آمید است[12].آرامیداساساً الیاف ساختة دست ‌بشر است كه برای اولین بار توسط شركت DuPont در آلمان تحت نام كولار (Kevlar)تولید شد.‌‌چهار‌نوع كولار وجود دارد كه از بین آنها كولار49 برای مسلح كردن بتن، طراحی و تولید شده و مشخصات مكانیكی آن بدین قرار است: و.

انواع محصولات FRP

میله های كامپوزیتی:

میله‌های ساخته شده از كامپوزیت‌های FRPهستند كه جانشین میلگردهایفولادی در بتن آرمه خواهند شد. كاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی، مسالهكربناسیون و كلراسیون را كه از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمههستند، به كلی حل خواهند نمود.

شبكه‌های كامپوزیتی:

شبكه‌های كامپوزیتی FRP (Grids) محصولاتی هستندكه از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از اینمحصول، شبكة كامپوزیتیNEFMAC است كه از فایبرهای كربن، شیشه یاآرامید و رزین وینیل استر تولید می‌شود و منجمله برای مسلح كردن بتن مناسب است.

كابل:

طناب و تاندن‌های پیش‌تنیدگی: محصولاتی شبیه میله‌هایكامپوزیتی FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، كه در سازه‌های كابلی و بتن پیشتنیده در محیط‌های دریایی و خورنده كاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیدةدر مجاورت آب نیز بكار گرفته می‌شوند.

ورقه‌های كامپوزیتی:

ورقه‌های كامپوزیتی Sheets) FRP)، ورقه‌های باضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌هایمستحكم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. ورقه‌های FRP پوشش مناسبی جهتایزوله كردن سازه‌های آبی از محیط خورندة مجاور هستند. همچنین از ورقه‌هایكامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یاناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شوند.

پروفیل‌های ساختمانی:

مصالح FRP همچنین در شكل پروفیل‌های ساختمانیبه صورت I شكل، T شكل، نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنینمحصولاتی می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورتآب تلقی شوند.