کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه

خلاصه

 خوردگی قطعات فولادی در سازه‌های مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهای فولادی درسازه‌های بتن آرمه ای که در معرض محیط‌های خورندة کلروری و کربناتی قرار دارند، یکمسالة بسیار اساسی تلقی می‌شود. در محیط‌های دریایی و مرطوب وقتی که یک سازة بتن‌آرمةمعمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمک‌ها، اسید‌ها و کلرورهاقرار گیرد، میلگردها به دلیل آسیب دیدگی و خوردگی، قسمتی از ظرفیت خود را از دستخواهند داد. به علاوه فولادهای زنگ زده بر پوستة بیرونی بتن فشار می‌آورد که بهخرد شدن و ریختن آن منتهی می‌شود. تعمیر و جایگزینی اجزاء فولادی آسیب دیده و نیزسازة بتن آرمه‌ای که به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است، میلیون‌ها دلار خسارتدر سراسر دنیا به بار آورده است. به همین دلیل سعی شده که تدابیر ویژه‌ای جهتجلوگیری از خوردگی اجزاء فولادی و میلگرد‌های فولادی در بتن اتخاذ گردد که از جملهمی‌توان به حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود برای حذف کامل این مساله، توجهویژه ای به جانشینی کامل اجزاء و میلگردهای فولادی با یک مادة جدید مقاوم در مقابلخوردگی معطوف گردیده است.  از آن‌جا  که  کامپوزیت‌های FRP (Fiber ReinforcedPolymers/Plastics) بشدت در مقابلمحیط‌های قلیایی و نمکی مقاوم هستند که در دو دهة اخیر موضوع تحقیقات گسترده‌ایجهت جایگزینی کامل با قطعات و میلگردهای فولادی بوده‌اند. چنین جایگزینی بخصوص درمحیط‌های خورنده نظیر محیط‌های دریایی و ساحلی بسیار مناسب به نظر می‌رسد. در اینمقاله مروری بر خواص، مزایا و معایب مصالح کامپوزیتی FRP صورت گرفته و قابلیبت کاربردآنها به عنوان جانشین کامل فولاد در سازه‌های مجاور آب و بخصوص در سازة بتن آرمه،به جهت حصول یک سازة کاملاً مقاوم در مقابل خوردگی، مورد بحث قرار خواهد گرفت.

1 – مقدمه

بسیاری از سازه‌های بتن آرمة موجود در دنیا در اثر تماس باسولفاتها، کلریدها 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 یک مسالة مهندسی،بلکه به عنوان یک مسالة اجتماعی جدی تلقی شده است ]1[. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارتدر دنیا به دنبال داشته است. در امریکا، بیش از 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز بهتعویض و یا بازسازی دارند ]2[. هزینة بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در کانادا، 4 تا 6میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است ]3[. هزینة تعمیر پلهای شاهراهها در امریکا در حدود 50 میلیارد دلاربرآورد شده است؛ در حالیکه برای بازسازی کلیة سازه‌های بتن آرمة آسیب‌دیده درامریکا در اثر مسالة خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده که به بودجة نجومی 1 تا 3تریلیون دلار نیاز است ]3[ !

از مواردی که سازه‌های بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفادهقرار می‌گرفته، کاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیط‌های دریایی بوده است.تاریخچه کاربرد بتن آرمه و بتن پیش‌تنیده در کارهای دریایی به سال 1896 بر می‌گردد]4[. دلیل عمدة این مساله، خواص ذاتیبتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابلیت کاربرد آن چه در بتن‌ریزی در جا و چهدر بتن پیش‌تنیده بوده است. با این وجود شرایط آب و هوایی و محیطی خشن و خورندةاطراف سازه‌های ساحلی و دریایی همواره به عنوان یک تهدید جدی برای اعضاء بتن آرمهمحسوب گردیده است. در محیط‌های ساحلی و دریایی، خاک، آب زیرزمینی و هوا، اکثراًحاوی مقادیر زیادی از نمکها شامل ترکیبات سولفور و کلرید هستند.

در یک محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب وهوایی نامناسب، که بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجة حرارت‌هایبالا و نیز رطوبت‌های بالا همراه شده که نتیجتاً خوردگی در فولادهای به کار رفتهدر بتن آرمه کاملاً تشدید می‌شود. در مناطق ساحلی خلیج فارس، در تابستان درجةحرارت از 20 تا 50 درجة سانتیگراد تغییر می‌کند، در حالیکه گاه اختلاف دمای شب وروز، بیش از 30 درجة سانتیگراد متغیر است. این در حالی است که رطوبت نسبی اغلببالای 60 درصد بوده و بعضاً نزدیک به 100 درصد است. به علاوه هوای مجاور تمرکزبالایی از دی‌اکسید گوگرد و ذرات نمک دارد [5]. به همین جهت است که از منطقةدریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده است[6]. در چنین شرایط، ترک‌ها و ریزترک‌های متعددی در اثر انقباض و نیز تغییراتحرارتی و رطوبتی ایجاد شده، که این مساله به نوبة خود، نفوذ کلریدها و سولفاتهایمهاجم را به داخل بتن تشدید کرده، و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم می‌آورد[7-9]. به همین جهت بسیاری از سازه‌‌های بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحلبندرعباس، در کمتر از 5 سال از نظر سازه‌ای غیر قابل استفاده گردیده‌اند.

نظیر این مساله برای بسیاری از سازه‌های در مجاورت آب، کهدر محیط دریایی و ساحلی قرار ندارند نیز وجود دارد. پایه‌های پل، آبگیرها، سدها وکانال‌های بتن آرمه نیز از این مورد مستثنی نبوده و اغلب به دلیل وجود یون سولفاتو کلرید، از خوردگی فولاد رنج می‌برند.

2 – راه حل مساله

تکنیک‌هایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقیبه سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است کهاز بین آنها می‌توان به پوشش اپوکسی بر قطعات فولادی و  میلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت کاتدیک میلگردها اشاره نمود. بااین وجود هر یک از این تکنیک‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است [10]. برای حذف کاملمساله، توجه محققین به جانشین کردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدیدمقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده است.

مواد کامپوزیتی (Fiber ReinforcedPolymers/Plastics) FRP  موادی بسیار مقاوم در مقابل محیط‌های خورنده همچون محیط‌هاینمکی و قلیایی هستند. به همین دلیل امروزه کامپوزیتهای FRP، موضوع تحقیقات توسعه‌ای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهایفولادی و کابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های درمجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

3 – ساختار مصالح FRP

مواد FRP  از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (مادةچسباننده). فایبرها که  اصولاً الاستیک، ترد و بسیارمقاوم هستند، جزء اصلی باربر در مادة FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدودة 5تا 25 میکرون می‌باشد [11].

رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند، کهفایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت کم بهصورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثرنمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیکانتخاب کرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یاروان در نمی‌آیند؛ در حالیکه رزین‌های ترموپلاستیک را می‌توان با اعمال حرارت،مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزین‌های ترموست می‌تواناز پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوکسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیک از پلی‌وینیلکلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد [3].

فایبر ممکن است از شیشه، کربن، آرامید و یا وینیلون باشد کهدر اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP، CFRP،AFRP  و VFRP شناخته می‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از فایبرهای متداولارائه خواهد شد.

7- دوام کامپوزیت‌های FRP

کامپوزیت‌های FRP شاخة جدیدی از مصالح محسوب می‌شوند که دوام آنها دلیل اصلی واولیه برای کاربرد آنها در محدودة وسیعی از عناصر سازه‌ای شده است. به همین جهتاست که از آنها نه تنها در صنعت ساختمان، بلکه در فضاپیما، بال هواپیما، درهایاتومبیل، مخازن محتوی گاز مایع، نردبان و حتی راکت تنیس نیز استفاده می‌شود.بنابراین از نقطه نظر مهندسی نه تنها مسالة مقاومت و سختی، بلکه مسالة دوام آنهاتحت شرایط مورد انتظار، کاملاً  مهم جلوه می‌کند.

مکانیزم‌هایی که دوام کامپوزیت‌ها را کنترل می‌کنند عبارتنداز :

1)  تغییرات شیمیایییا فیزیکی ماتریس پلیمر

2)  از دست رفتنچسبندگی بین فایبر و ماتریس

3)  کاهش در مقاومت وسختی فایبر

محیط نقش کاملاً تعیین کننده‌ای در تغییر خواص پلیمرهایماتریس کامپوزیت دارد. هر دوی ماتریس و فایبر ممکن است با رطوبت، درجه حرارت، نورخورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه کننده نظیر نمک‌ها وقلیایی‌ها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممکن است به صورت سیکل‌هاییخ‌زدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و فایبر باعث گردد. از طرفی تحت شرایطبار‌گذاری مکانیکی، بارهای تکراری ممکن است باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممکناست مسالة خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌ای از تمام مسائل مطرح شده دربالا، دوام کامپوزیت‌های FRP را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

7-1- پیر شدگی فیزیکی ماتریس پلیمر

نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یکی از جنبه‌های مهمی است کهدر مسالة دوام کامپوزیت‌ها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیة ماتریس در کامپوزیتانتقال تنش بین فایبرها، محافظت از سطح فایبر در مقابل سائیدگی مکانیکی و ایجادمانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزائی در انتقال تنش برشیدر صفحة کامپوزیت ایفا می‌کند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمانتغییر دهد، باید تحت توجه خاص قرار گیرد. برای کلیة پلیمرها کاملاً طبیعی است کهتغییر فوق‌العاده آهسته‌ای در ساختار شیمیایی (مولکولی) خود داشته باشند. اینتغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت کنترل می‌شود. این پروسه تحت نامپیر‌شدگی (Aging) نامیده می‌شود. تأثیرات پیر شدگی در اکثر کامپوزیت‌های ترموستمتداول، در مقایسه با کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، خفیف‌تر است. در اثر پیر‌شدگیفیزیکی، بعضی از پلیمرها ممکن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتیجة این مساله تأثیر برخواص غالب ماتریس و منجمله رفتار برشی کامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اکثرموارد این تأثیرات بحرانی نیست؛ زیرا نهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق فایبر‌هارخ داده و تأثیرات پیر‌شدگی بر فایبر‌ها فوق‌العاده جزئی است.

7-2- تأثیر رطوبت

بسیاری از کامپوزیت‌های با ماتریس پلیمری در مجاورت هوایمرطوب و یا محیط‌های مرطوب، با جذب سطحی سریع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود می‌گیرند.معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزایش یافته و نهایتاً پس از چندین روزتماس با محیط مرطوب، به نقطة اشباع (تعادل) می‌رسد. زمانی که طول می‌کشد تاکامپوزیت به نقطة 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 حصولکامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیلة کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک (Fick’s Law) تبعیت کرده وبا جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل وفرج، نوع فایبر، نوع رزین، جهت و ساختار فایبر، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضورریزترکها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت را به صورت مجزا بر اجزاء کامپوزیتمورد بحث قرار می‌دهیم.

ب - تأثیر رطوبت بر فایبر‌ها

اعتقاد عمومی بر آن است که فایبر‌های شیشه چنانچه به صورتطولانی مدت در کنار آب قرار گیرند، آسیب می‌بینند. دلیل این مساله آن است که شیشهاز سیلیکا ساخته شده که در آن اکسیدهای فلزات قلیایی منتشر شده‌اند. اکسیدهایفلزات قلیایی هم جاذب آب بوده و هم قابل هیدرولیز هستند. با این وجود، در اکثرموارد مصرف در مهندسی عمران، از E-glassو S-glass استفاده می‌شود که فقط مقادیر کمی از اکسیدهای فلزات قلیاییرا داشته و بنابراین در مقابل خطرات ناشی از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حالکامپوزیت‌های ساخته شده از الیاف شیشه باید به خوبی ساخته شده باشند، بصورتیکه ازنفوذ آب به مقدار زیاد جلوگیری ‌کنند؛ زیرا حضور آب در سطح الیاف شیشه انرژی سطحیآنها را کاهش می‌دهد که می‌تواند رشد ترک‌خوردگی را افزایش دهد. از طرفی الیافآرامید نیز می‌توانند مقادیر قابل توجهی از آب را جذب کنند که منجر به باد کردن وتورم آنها می‌شود. با این وجود اکثر الیاف با پوششی محافظت می‌شوند، که پیوستگیخوب با ماتریس داشته و نیز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذکر است کهتحقیقات متعدد، نشان می‌دهد که رطوبت هیچگونه تأثیرات سوء شناخته‌شده‌ای را برالیاف کربن به دنبال ندارد [21].

ج- رفتار عمومی کامپوزیت‌های اشباع شده با آب

کامپوزیت‌های با ‌آب اشباع شده معمولاً کمی افزایش شکل‌پذیری(Ductility) در اثر نرم‌شدگی Softening)) ماتریس از خود نشان می‌دهند. این مساله را می‌توان یک جنبةسودمند از جذب آب در کامپوزیت‌های پلیمری بر‌شمرد. همچنین افت محدود مقاومت و مدولالاستیسیته می‌تواند در کامپوزیت‌های با آب اشباع شده اتفاق بیفتد. چنین تغییراتیمعمولاً برگشت‌پذیر بوده و بنابر‌این به محض خشک شدن کامپوزیت‌، ممکن است اثر خواصاز دست رفته مجدداً جبران شود.

شایان توجه است که افزایش فشار هیدرواستاتیک (مثلاً درمواردی که کامپوزیت‌ها در مصارف زیر آب و یا در کف دریا به کار می‌روند)، لزوماًبه جذب آب بیشتر توسط کامپوزیت و افت خواص مکانیکی آن منجر نمی‌شوند. بدین ترتیبانتظار می‌رود که اکثر سازه‌های پلیمری زیر‌ آب، دوام بالایی داشته باشند.  در حقیقت، تحت فشار هیدرواستاتیک، جذب آب به دلیل بسته شدن ریز‌ترک‌ها وضایعات بین سطحی، کمی کاهش می‌یابد [22].

لازم به ذکر است که جذب آب بر خواص عایق بودن کامپوزیت‌هااثر می‌گذارد. حضور آب آزاد در ریزترکها می‌تواند خاصیت عایق بودن کامپوزیت را بهشدت کاهش دهد.

7-3- تأثیرات حرارتی – رطوبتی

درجة حرارت، نقش تعیین‌کننده‌ای در مکانیزم جذب آب کامپوزیت‌هاو تأثیرات متعاقب برگشت‌ناپذیر آن بازی می‌کند. درجة حرارت، بر توزیع آب، میزان آنو سرعت جذب آن، تأثیر می‌گذارد. با افزایش دما، مقدار و سرعت جذب آب سریعاً افزایشمی‌یابد [23]. تحقیقات نشان داده است که ضایعات ناشی از قرار دادن کامپوزیت، در آبجوش به مدت چند ساعت، معادل جداشدن اجزاء کامپوزیت، و ترک‌خوردگی آن در اثر قرارگرفتن آن در آب با دمای <!--[if !vml]--><!--[endif]-->50  به مدت 200 روزمی‌باشد. در دمای معمولی اطاق، نمونه‌های کامپوزیت هیچگونه خرابی و آسیبی را بروزنداده‌اند. چنین مشاهداتی به توسعة تکنیک‌هایی برای آزمایشات تسریع شدة پیرشدگیکامپوزیت‌ها منجر شده است.

7-4- محیط قلیایی

در کاربرد کامپوزیت‌های با الیاف شیشه در محیط قلیایی،ضروری است که از الیاف شیشة با مقاومت بالای قلیایی استفاده نمود؛ زیرا محلولقلیایی با الیاف شیشه واکنش داده و ژل انبساطی سیلیکا تولید می‌کنند. این نکته بهخصوص در کاربرد کامپوزیت‌های با الیاف شیشه به عنوان میلگردهای مسلح کننده بسیارحائز اهمیت می‌باشد. امروزه علاقه به استفاده از میلگردهای FRP از جنس شیشه در رویه‌های بتنی، بهعنوان جانشین میلگردهای فولادی که با نمک‌های یخزدا خورده می‌شوند، و نیز در سازه‌هایدر مجاورت آب افزایش یافته است. با این وجود در فرآیند هیدراسیون سیمان، محلول آببا قلیائیت بالا (pH>12) شده، ایجاد می‌شود. این محلول قلیایی شدید، می‌تواند بر الیافشیشه تأثیر گذاشته و دوام میلگردهای FRP ساخته شده با الیاف شیشه را کاهش دهد. الیاف شیشة از جنس E-glass که اکثراًارزان بوده و به کار گرفته می‌شوند، ممکن است مقاومت کافی در مقابل حملة قلیایی‌هارا نداشته باشند. استفاده از رزین وینیل استر با ایجاد یک مانع مؤثر، تا حدودیحملة قلیایی‌ها را کاهش می‌دهد. مقاومت در مقابل حملة قلیایی‌ها را می‌توان باطراحی عضو سازه‌ای برای تحمل سطح تنش‌های کمتر، بهبود داد. همچنین می‌توان برایبهبود دوام، از الیاف شیشه با مقاومت بسیار خوب در مقابل قلیا استفاده نمود.

شایان ذکر است که FRPهای ساخته شده از الیاف کربن و آرامید، مطلقاً در مقابلمحیط‌های قلیایی از خود ضعفی نشان نمی‌دهند.

7-5- تأثیر دمای پائین

تغییرات شدید دما بر کامپوزیت‌ها چندین اثر عمده به دنبالدارد. اکثر مواد با افزایش دما انبساط پیدا می‌کنند. در کامپوزیت‌های FRP با ماتریس پلیمری، ضریب انبساطحرارتی ماتریس معمولاً در رتبة بالاتری از ضریب انبساط حرارتی الیاف قرار دارد.کاهش دما ناشی از سرد شدن در ضمن مرحلة ساخت و یا شرایط عملکرد کامپوزیت در دمایپایین، باعث انقباض ماتریس خواهد شد. از طرفی انقباض ماتریس با مقاومت الیافنسبتاً سخت که در مجاورت ماتریس قرار گرفته‌اند، روبرو می‌شود؛ که این مساله تنش‌هایپس ماندی را در ریز ساختار ماده به‌جای می‌گذارد. بزرگی تنش‌های پس ماند با اختلافدما در شرایط عمل‌‌آوری و شرایط عملکرد کامپوزیت متناسب خواهد بود. با این وجود،مگر در محیط فوق‌العاده سرد، تنش‌های پس‌ماند ایجاد شده چندان قابل توجه نخواهدبود. در جایی که تغییر دمای بسیار شدید وجود دارد (مثلاً نواحی نزدیک به قطب شمالو قطب جنوب) ممکن است تنش‌های پس‌ماند بزرگی ایجاد شود که منجر به ایجاد ریزترک درماده می‌گردد. چنین ریزترکهایی به نوبة خود سختی کامپوزیت را کاهش داده ونفوذپذیری و ورود آب از طریق لایة مرزی ماتریس و الیاف را افزایش می‌دهند و بدینترتیب در فرآیند تجزیة کامپوزیت شرکت می‌کنند.

تأثیر بسیار مهم دیگر درجه حرارت‌های پایین‌تر، تغییرمتناظر در مقاومت و سختی ماتریس است. اکثر مواد رزین ماتریس، با سرد شدن، سخت‌تر ومقاوم‌تر می‌شوند. چنین تغییراتی بر وضعیت شکست اثر می‌گذارد. برای مثال، نشانداده شده است که شکست فشاری نمونه‌های استوانه‌ای کامپوزیت با قطر 38 میلیمتر دردمای <!--[if !vml]--><!--[endif]-->50 نسبت به شکست نمونه‌های مشابه در دمای اطاق با 6/17 درصد افزایشدر مقاومت فشاری ولی شکست به صورت تردتر، همراه است [24]. بدین ترتیب جذب انرژیقبل از شکست در دمای پایین‌تر نسبت به دمای اطاق، بیشتر خواهد بود. این جنبة ویژهاز نظر آزاد شدن انرژی زیاد در لحظة شکست، در طراحی کامپوزیت‌هایی که تحت بارهایضربه‌ای و در دمای پایین قرار می‌گیرند، باید در نظر گرفته شود.

7-7- تأثیر تشعشع امواج ماوراء بنفش (UV)

تأثیر نور ماوراء بنفش بر ترکیبات پلیمری کاملاً شناخته شدهاست. تحت تابش طولانی مدت نور خورشید، ممکن است ماتریس سخت و یا بی‌رنگ شود.  این مساله را عموماً می‌توان با بکارگیری یک پوشش مقاوم در مقابل اشعة ماوراءبنفش بر کامپوزیت، برطرف نمود. در همین ارتباط از جمله مسائل بسیار قابل توجه،زوال فایبرهای پلیمری مسلح کننده نظیر آرامید است. به عنوان مثال برای آرامیدساخته شده از الیاف نازک پس از پنج هفته قرار گرفتن در نور آفتاب فلوریدا، 50 درصدافت مقاومت گزارش شده است [26]. با این وجود این اثر معمولاً سطحی است؛ بنابرایندر کامپوزیت‌های ضخیم‌تر، تأثیر  این زوال برخصوصیات سازه‌ای جزئی است. در مواردی که خواص سطحی نیز مهم تلقی شوند، لازم استملاحظاتی را جهت کاهش ترک‌خوردگی سطحی تحت اشعة خورشید، منظور نمود.

8- استفاده از مواد FRP به عنوان مسلح‌ کنندة خارجی در سازه‌ها

به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویتسازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانة طراحی، طی دو دهة اخیر تأکید فراوانیبر روی تعمیر و مقاوم‌ سازی سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی،بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. دراین میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب  FRPبه‌عنوان مسلح‌ کنندة خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومتبالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیتویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر،  این تکنیک‌ها بهدلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد مرکب FRP در ابتدا به‌عنوان مواد مقاوم ‌کنندة خمشی برای پل‌های بتن‌آرمه وهمچنین به‌عنوان محصور ‌کننده در ستون‌های بتن آرمه مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛اما به دنبال تلاش‌های تحقیقاتی اولیه، از اواسط دهة 1980 توسعة بسیار زیادی درزمینة استفاده از مواد FRP در مقاوم‌‌سازی سازه‌های مختلف مشاهده می‌شود؛ بطوری‌کهدامنة کاربردهای آن به سازه‌هایی با مصالح بنایی، چوبی و حتی فلزی نیز گسترش یافتهاست. تعداد موارد کاربرد مواد FRP در مقاوم ‌سازی، تعمیر و یا بهسازی سازه‌ها از چند مورد در10 سالپیش، به هزاران مورد در حال حاضر رسیده است. اجزاء سازه‌ای مختلفی شامل تیرها، دال‌ها،ستون‌ها، دیوارهای برشی، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌ها، گنبدها و خرپاها تا کنون توسطمواد  FRP مقاوم شده‌اند.

مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP

مواد مرکب FRP، دامنة وسیعی از کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمهدر مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خوداختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکی از معمول‌ترین تکنیک‌ها برای بهسازی اجزاء بتنآرمه، استفاده از ورق‌های فولادی است که از بیرون به این اجزاء چسبانده می‌شود.این روش، روشی ساده، مقرون به صرفه و کارا است؛ اما از جهات زیر مسئله‌ ساز است:1- زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی می‌شود.

2- مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان. 3-نیاز به نصب داربست.

4- محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی به کارگاه ساخت (درمورد مقاوم ‌سازی خمشی
اجزاء بلند).

نوارها یا صفحات می‌توانند جایگزینی برای صفحات فولادیباشند. مواد FRP  برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرند و می‌تواننددرمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنة وسیعی از دمامقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد وآماده‌کردنسطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRPو نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تراست.

علاوه بر این، الیاف مسلح‌کننده در FRP می‌توانند در موضع معین و در نسبتحجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیش‌ترین کارایی به‌دست آید. مواد حاصلهتنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. آن‌ها همچنینحمل و نقل آسان‌تری داشته، نیازمند داربست کمتری برای نصب می‌باشند، و می‌توانندبرای مکان‌هایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورد استفاده قرار گیرند؛ و پس ازنصب، بار اضافی قابل‌توجهی را به سازه تحمیل نمی‌کنند.

روش مرسوم دیگر در مقاوم ‌سازی اعضای بتن‌آرمه، استفاده ازپوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشیدنی و یا فولاد می‌باشد. این روش تا جایی کهمربوط به مقاومت، سختی و شکل ‌پذیری می‌شود، کاملا مؤثر است؛ اما باعث افزایشابعاد مقاطع و بار مردة سازه می‌شود. همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر وتخلیة ساکنین است و به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه میشود. به‌عنوان یک جایگزین، صفحات FRP می‌توانند به دور اجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجهمقاومت و شکل ‌پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر زیادی در سختیایجاد نمایند. یک نکتة مهم در ارتباط با مقاوم ‌سازی اعضا با استفادة خارجی از FRP آن است کهباید درجة مقاوم‌ سازی (نسبت ظرفیت نهایی عضو مقاوم‌شده به ظرفیت نهایی عضو مقاوم ‌نشده)را محدود کنیم تا حداقل سطح ایمنی در حوادثی مانند آتش ‌سوزی که منجر به از دسترفتن کارایی FRP می‌شوند، حفظ گردد.

امروزه مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و برشی تیرهای بتن آرمه به کار می‌روند . در این شکل ملاحظه می‌شود که با متصلکردن صفحات FRP  به وجه پایینی تیر ظرفیت خمشی مثبت و با متصل کردن آن به وجه بالایی تیرظرفیت خمشی منفی حاصل می‌شود. هم‌چنین می‌توان با اتصال صفحات FRP  به دو وجه کناری تیر، ظرفیتبرشی مناسبی فراهم نمود.

در شکست تیرهای بتن‌آرمة تقویت شده با صفحات FRP مکانیزم‌های مختلف شکست، ازجملهگسیختگی صفحات FRP، خرد شدگی بتن، شکست برشی بتن و ترک ‌خوردگی در محل اتصال چسب بابتن، گزارش شده است. همچنین نشان داده شده است که نوع FRP، ضخامت و طول آن باعث ایجاد انواع مختلفی از شکست نرم یا ترد می‌شود.بخصوص خواص مکانیکی ناحیة اتصال FRP و بتن از اهمیت خاصی برخوردار است. در این میان جدا شدن صفحات FRP از بتن مسالة کاملا حائز اهمیتاست و امروزه توجه زیادی را در دنیا به خود جلب می‌نماید. در این ارتباط به نظر می‌رسدکه استفاده از تقویت‌کننده‌های خارجی حتی به میزان کم، می‌تواند ایمنی قابل ملاحظه‌ایدر برابر جدا شدن صفحات FRP از بتن، و نیز شکست‌های برشی ترد فراهم آورد.

از طرفی مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و فشاری و نیز افزایش شکل پذیری ستون‌هامورد استفاده قرار می‌گیرند. در همین ارتباط محصور شدگی بتن مهم‌ترین خصوصیتی استکه می توان آن را با چسباندن این مواد در اطراف ستون‌ها فراهم نمود. از طرفیاستفاده از مواد کامپوزیتی FRP برای افزایش شکل پذیری اتصالات و رفتار مناسب‌تر آن در زلزله نیزبسیار مطلوب خواهد بود.

9 – خلاصه و نتیجه ‌گیری

خوردگی اعضاء سازه‌ای بتنی که به صورت متداول با میلگردهایفولادی مسلح شده باشند، در محیط‌های خشن و خورنده یک معضل جدی محسوب می‌شود. اینمساله برای اعضاء بتنی سازه‌ای در مجاورت آب و به خصوص در محیط‌های دریایی و ساحلیکه در معرض عوامل نمکی و قلیایی، آب در تماس با خاک، هوا و آب‌های زیرزمینی قراردارند، بسیار جدی‌تر خواهد بود. این مساله هر ساله میلیون‌ها دلار خسارت ر سراسردنیا به بار می‌آورد. اگر چه تا کنون روش‌های مختلفی نظیر حفاظت کاتدیدیک و یاپوشش قطعات فولادی و میلگردها با اپوکسی جهت فائق آمدن بر این مشکل به کار گرفتهشده است، به نظر می‌رسد که جانشینی کامل قطعات فولادی و میلگردهای فولادی با یکمادة  مقاوم در مقابل خوردگی، یک راه حل بسیار اساسی و بدیع، درحذف کامل خوردگی اجزاء فولادی به شمار آید.

محصولات کامپوزیتی FRP  با مقاومت بسیار عالی، در مقابل خوردگی در محیط‌های خشن وخورنده، توجه بسیاری از محققین و مهندسین در سراسر دنیا را به عنوان یک جانشینمناسب قطعات فولادی و میلگردهای فولادی در سازه‌های مجاور آب به خود جلب نمودهاست. اگر چه مزیت اصلی محصولات FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، خواص دیگری از آنها، نظیرمقاومت کششی بالا، مدول الاستیسیتة قابل قبول، وزن کم، مقاومت خوب در مقابل خستگیو خزش، خاصیت عایق بودن و چسبندگی خوب با بتن و نیز دوام بسیار خوب از اهمیتبالایی برخوردار بوده و بر جاذبة آنها افزوده است. با این وجود بعضی از اشکالات ومعایب این ماده نظیر مشکلات مربوط به خم کردن میله‌های FRP در محل آرماتوربندی، تفاوت خواص حرارتی آنها با بتن و نیز رفتارالاستیک خطی آنها تا لحظة شکست را نباید از نظر دور داشت. در مجموع، توجه بیشتر بهکاربرد محصولات کامپوزیتی FRP در سازه‌های بتنی که در محیط‌های خشن و خورنده ساخته می‌شوند،نظیر سازه‌های آبی، ساحلی و دریایی، مشخصاً از آسیب‌های زودرس و ناخواسته و شکستسازه‌های بتنی مسلح در اثر خوردگی میلگردها جلوگیری خواهد نمود.