اتصال بین کامپوزیت های TRM و FRP و بتن در درجه حرارت بالا

امروزه بتن مهمترین و پر مصرف ترین مصالح ساختمانی در ساخت و ساز است. در سراسر دنیا ساختمان هایی وجود دارند که برای سکونت یا حمل و نقل استفاده می شوند، این سازه ها ارای تنوع کیفیت و عملکرد هستند ولی همگی در طول زمان دچار فرسودگی و تخریب می شوند. در عمل این موقعیت زمانی پیش می آید که سازه‌های بتن آرمه موجود و یا بعضی از اجزاء آن در اثر عوامل متعددی نامناسب و نیازمند مقاوم سازی باشند. اخیرا روش های ستنی مقاوم سازی جای خود را به روش جدیدی از مقاوم سازی توسط کامپوزیت های پلیمری مسلح به الیاف (FRP) داده اند.

نیاز روز افزون به ارتقاء سازه های بتنی (RC) موجود هم در مناطق لرزه ای و هم غیر لرزه ای وجود دارد. این به دلیل خسارت ساختارهای RC به علت پیری، تعمیر و نگهداری نامناسب، تخریب ناشی از محیط زیست  و ناشی از افزایش بارهای اعمال شده که نیاز به مطابقت با استانداردهای مدرن وجود دارد. استفاده از (FRP) به عنوان سیستم تقویت خارجی محبوبیت زیادی نسبت به سایر تکنیک ها به دست آورده است اما همواره ضعف این نوع مصالح در درجه حرارت بالا مشکلی پیش روی استفاده کنندگان بوده است.

معرفی

خواص مطلوب ارائه شده توسط FRP به دلیل مانند مقاومت در برابر خوردگی، سهولت و سرعت کاربرد و حداقل تغییر در هندسه است. با این حال، با توجه به رزین های اپوکسی مورد استفاده در این کامپوزیت ها، سیستم های FRP معمولا گران هستند، همچنین استفاده از این رزین های اپوکسی اثربخشی تکنیک FRP را محدود می‌کند و نمی توانند در دماهای پایین و یا سطوح مرطوب استفاده شوند. بنابراین، در صورت عدم ارائه سیستم های حفاظتی (حرارتی)، ظرفیت اتصال در رابطه بتن FRP بسیار پایین تر از دمای انتقال شیشه (Tg) خواهد بود. برای رسیدگی به مشکلات مربوط به اپوکسی‌ها و ارائه هزینه مقرون به صرفه و  دستیابی دوام، مواد جدید کامپوزیت سیمان، یعنی ملات تقویت شده پارچه (TRM) در دهه گذشته توسعه یافته است.

TRM شامل تقویت فیبر پارچه ای همراه با ماتریس های غیر معدنی (به عنوان مثال ملات سیمان) است. TRM کم هزینه، مقاوم در برابر درجه حرارت بالا، سازگار با آثار باستانی و زیر بنایی بوده و همچنین می تواند در سطوح مرطوب نیز اعمال می شود. بنابراین استفاده از TRM برای ترمیم بتن موجود یا ساختان های بنایی بیشتر از استفاده از FRP مورد توجه قرا گرفته است.

این مقاله عملکرد پیوند بین TRM و رابط های بتنی را در دماهای بالا بررسی می‌کند و همچنین پیوند FRP و TRM را برای بتن در دمای محیط و دمای بالا مقایسه می‌کند. پارامترهای کلیدی بررسی شده عبارتند از: الف) ماتریس مورد استفاده برای اشباع الیاف، یعنی رزین یا ملات، در نتیجه دو سیستم تقویت‌کننده (TRM یا FRP)، (ب) سطح درجه حرارت بالا که نمونه‌ها در معرض آن قرار دارند (20، 50، 75، 100 و 150 درجه سانتی‌گراد) برای نمونه‌های تقویت شده FRP و (20، 50، 75، 100، 150، 200، 300، 400 و 500 درجه سانتی‌گراد) برای نمونه‌های تقویت شده TRM تعداد از لایه‌های FRP / TRM   و (ج) شرایط بارگیری (حالت پایدار و شرایط ناپایدار).

آزمایش

در مجموع 68 نمونه 56 نمونه در شرایط حالت پایدار و 12 نمونه آزمایش شده در شرایط ناپایدار ساخته شد، تقویت شده و زیر دو لایه مستقیم برش آزمایش شد. نتیجه نشان داد که به طور کلی TRM عملکرد عالی را در دمای بالا نشان داد. در آزمون های حالت پایدار، نمونه‌های TRM به طور متوسط ​​85 درصد از استحکام باند خود را تا 400 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کردند، درحالی‌که مقدار مربوطه برای نمونه‌های FRP در حدود 150 درجه سانتی‌گراد تنها 17 درصد بود. در شرایط آزمایش ناپایدار، TRM نسبت به FRP از هر دو لحاظ زمان نگهداری و حداکثر دمای شکست بسیار بهتر عمل کرد.

تعدادی از مطالعات نشان داده‌اند که TRM یک روش مؤثر برای تقویت خمشی تیرها و دال‌های یک و دو طرفه، ارتقاء برش تیرها ؛ ارتقاء لرزه‌ای ستون‌های RC می‌باشد. اثربخشی پیوند خارجی سیستم‌های FRP یا TRM بستگی به اتصال بتن و کامپوزیت دارد. در دمای بالا و یا در صورت آتش سوزی، اتصال بین FRP و بتن، ناچیز شده به طرز چشمگیری عملکرد فن آوری FRP کاهش می یابد. در این مطالعات، آزمایشهای برشی دوطرفه بر روی بلوک های بتنی خارجی که با پلیمر فیبر کربن (CFRP) تقویت شده بودند، انجام شد. نمونه ها در معرض دمای پیش بینی شده بین 20 تا 120 درجه سانتیگراد قرار گرفتند و سپس شکست نمونه افزایش داده شد. نشان داده شد که پیوند بین FRP و بتن زمانی که دمای چسب برابر و یا بالاتر از Tg باشد، به طور قابل ملاحظه ای بدتر شده و کیفیت خود را از دست داد.

TRM می‌تواند سیستم FRP را در دماهای بالا یا آتش به دلیل تنفس، غیر قابل اشتعال بودن، به‌وسیله ملات سیمانی پایه معدنی به عنوان مواد اتصال دهنده، بهبود بخشد. تا به حال، پیوند بین مواد TRM و بستر بتنی فقط در دمای محیط صورت می‌گرفت و هیچ مطالعه در دمای بالا یا آتش وجود ندارد. به طور کلی، تحقیق در مورد عملکرد سیستم‌های TRM در دمای بالا یا آتش‌سوزی و مقایسه بین سیستم‌های TRM و FRP در دمای بالا یا آتش‌سوزی بسیار محدود است. این امر به مشکلات آزمایشی ذاتی مرتبط با بارگذاری هم‌زمان و دمای بالا، حتی برای نمونه‌های متوسط ​​و کوچک نیز مربوط می‌شود.

آزمون کششی یکسانی بر روی قطعه‌های TRM ساخته شده از شیشه، کربن و بازالت انجام شد. روش آزمون شامل مراحل زیر است: (1) قرار گرفتن در معرض دمای بالا 20، 200، 400، و 600 درجه سانتی‌گراد؛ 20، 100، 150، 200، 400، و 600 درجه سانتی‌گراد؛ و 20، 75، 150، 200، 300، 400، 600 و 1000 درجه سانتی‌گراد؛ (2) قرار دادن نمونه در این دماها برای: 2، 3 و 1 ساعت (مرحله تثبیت)؛ (3) خنک کردن نمونه‌ها تا دمای محیط؛ و (4) انجام آزمون کششی یک محوری تا شکست.

نتیجه‌گیری اصلی این مطالعات نشان می‌دهد که قطعه‌های TRM مقاومت کششی خود را تا دمای بالای 200 و 150 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کنند. با این حال، در بالاتر از این درجه حرارت، مقاومت کششی باقی‌مانده به تدریج به دلیل زوال استحکام کششی در الیاف نساجی کاهش می‌یابد.

نتایج آزمایش

در این مقاله ابتدا پیوند بین TRM و FRP و سطح بتنی در دماهای بالا بررسی می‌شود. پارامترهای مورد بررسی شامل سیستم تقویت (TRM & FRP)، درجه حرارت در نظر گرفته شده، تعداد لایه FRP / TRM و شرایط بارگیری بود. برای این منظور، 68 نمونه ساخته شده، تقویت شده و تحت برش مستقیم دو لبه در محیط و درجه حرارت بالا آزمایش شده است. یافته های اصلی این مطالعه در زیر خلاصه شده است:

1. پیوند بین سیستم تقویت TRM و بستر بتنی در دمای بالا بسیار عالی است.
2. در آزمون‌های حالت پایدار، کاهش استحکام پیوند از نمونه‌های تقویت شده FRP به طور معنی داری بیشتر از نمونه‌های ارتقاء یافته TRM با افزایش دما بود. میانگین کاهش مقاومت بین FRPو بتن زمانی که درجه حرارت به 150 درجه سانتی‌گراد رسید، حدود 83٪ بود. در حالی که مقادیر مربوطه در رابط بتنی TRM زمانی که درجه حرارت 400 درجه سانتی‌گراد رسید، حدود 15٪ بود.
3. در دو نوع حالت‌های شکست در نمونه‌های تقویت شده FRP مورد آزمایش مشاهده شد. در دمای محیط و متوسط ​​(50 درجه سانتی‌گراد)، شکستگی یکسانی در قسمت‌هایی از پوشش بتن باقی‌مانده به چسب مشاهده شد. در حالی که در دمای بالا (یعنی 75، 100 و 150 درجه سانتی‌گراد) شکست چسبندگی در رابطه با رزین و بتن رخ داد. از سوی دیگر، برای نمونه‌های TRM تحت شرایط دمایی (تا 500 درجه سانتی‌گراد)، شکست به علت جدا شدن TRM از پوسته پوشش بتنی بود.
4. استحکام پیوند خط اتصال باند بتن و FRP تقریباً برای یک درجه حرارت بدون در نظر گرفتن شرایط بارگیری (حالت ناپایدار یا پایدار) یکسان بود. برعکس، رفتار پیوند در خط اتصال بتن و TRM نسبت به شرایط بارگیری یکسان نبوده و در تست‌های ناپایدار به طور قابل توجهی افزایش یافته است (برای تقریباً همان دما). به‌طورکلی تحقیقات بیشتری برای بررسی پیوند بین TRM ساخته شده از انواع مختلف مواد الیاف نساجی و بتن در دمای بالا مورد نیاز است.

منابع

Saad M. Raoof , Dionysios A. Bournas ؛ Bond between TRM versus FRP composites and concrete at high Temperatures, 2017.

2.رفتار حرارتی نمونه‌های خمشی تقویت شده با چسب‌ها و الیاف FRP  مختلف؛ حمیدرضا کرامتی، بهزاد طهمورسی، علی صدر ممتازی؛ نشریه علمی و ترویجی مصالح و سازه های بتنی، انجمن علمی بتن ایران، سال دوم، 1396.