بررسی و ارزیابی عملکرد الیافFRP در بهسازی سازه های بتنی

به علت نیاز روزافزون به استفاده از مواد ترکیبی برای دستیابی به خواص و عملکردهای مطلوب استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان رو به رشد بوده و با سرعت فوق العاده در حال توسعه هست. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه 1891 آغاز شد. اما زلزله‌های سال 1990 کالیفرنیا و 1995 کوبه ژاپن عامل مهم و مؤثری جهت بررسی FRP همه جانبه کاربرد کامپوزیت‌های پلیمری ساخته شده از الیاف جهت تقویت و مقاوم سازی بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید. این مطالعات که دامنه و وسعت آن روز به روز در حال افزایش است زمینه‌ای وسیع جهت استفاده از این کامپوزیت‌ها را در سازههای نیازمند به تقویت، بهسازی و یا ترمیم فراهم نموده است. هم اکنون تعداد زیادی از محققان و پژوهشگران صنعت سازه در سراسر جهان در حال بررسی، مطالعه و انجام آزمایشهای تقویت سازهها با می‌باشند. و FRP کامپوزیت‌های وزن کم، انعطافپذیری بالا، سهولت حمل و نقل، سرعت عمل بالا، راحتی برش در اندازههای دلخواه، سادی اجرا و امکان تقویت به ها درترمیم سازههای بتنی FRP صورت خارجی از عمده مزایای به ناحیه کششی FRP نسبت به سایر روش‌ها هست. چسباندن بتن در اعضای خمشی در طول مورد نظر سبب افزایش ظرفیت خمشی مقطع خواهد شد. بحث می‌شود و FRP دراین تحقیق درخصوص مزایای سیستم جهت معرفی و شناساندن این سیستم به مهندسان ارزیابی شده است.

بسیاری از سازه های بتن آرمه موجود در جهان در اثر تماس با سولفات‌ها، کلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب های اساسیشده‌اند. این مسئله هزینههای زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه های آسیب دیده در سراسر دنیا به دنبال داشته است. همچنین عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مساله مهندسی، بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی می‌گردد. تعمیر و جایگزینی سازه های بتنی آسیبدیده میلیون‌ها دلار خسارت در جهان به دنبال داشته است. از مواردی که سازه های بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار می‌گرفته، کاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیط های دریایی هست. در محیط های ساحلی و دریایی، خاک، آب زیرزمینی و هوا، اکثراً حاوی مقادیر زیادی از نمک‌ها شامل ترکیبات سولفور و کلرید هستند. در یک محیط دریایی نظیر سواحل خلیج فارس، دریای عمان و همچنین سواحل دریای خزر، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، که بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجه حرارت‌های بالا و نیز رطوبت های بالا همراه شده، که نتیجتاً خوردگی در فولادهای به کار رفته در بتن آرمه کاملاً تشدید می‌شود. در مناطق ساحلی خلیج فارس، در تابستان درجه حرارت از 20 تا 50 درجه سانتی گراد تغییر می‌کند، در حالیکه گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از 30 درجه سانتی گراد متغیر است. این در حالی است که رطوبت نسبی اغلب بالای60 درصد بوده و بعضاً نزدیک به 100 درصد نیز می‌رسد. به علاوه هوای مجاور تمرکز بالایی از دیاکسید گوگرد و ذرات نمک دارد. به همین جهت است که از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده است. در چنین شرایط، ترک‌ها و ریزترکهای متعددی در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد می شود، که این مسئله به نوبه خود، نفوذ کلریدها و سولفات‌های مهاجم را به داخل بتن تشدید کرده، و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم می‌آوردمحصور نمودن بتن، سبب ایجاد نیروی کششی در اعضای محصور کننده و در نتیجه، اعمال فشار جانبی به هسته بتنی می‌گردد. از جمله اثرات این اقدام، افزایش ظرفیت باربری و ایجاد عملکرد شکل پذیر در ستون بتنی هست. دو تأثیر مذکور، از مهمترین علل محصور نمودن ستون‌های بتنی به منظور تقویت و بهبود رفتار یک سازه هست.

مواد FRP  از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ 1- فایبر (الیاف) و 2- رزین (ماده چسباننده). فایبرها که اصولاً الاستیک، ترد و بسیار محسوب می‌شوند. FRP مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده 5 تا 25 میکرون هست. رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. فایبر ممکن است از شیشه، کربن و یا آرامید باشد که در اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به شناخته می‌شود. AFRP،CFRP،GFRP ترتیب به نام‌های بر این اساس تحقیقات زیادی به منظور تعیین منحنی تنش – کرنش و تدوین یک مدل ریاضی به جهت تبیین و پیش بینی رفتار بتن محصور انجام گرفته است. محققینی همچون صافی و همکاران و سامان و همکاران در سال 1999 سامان و همکاران در سال1998 آزمایشاتی بر روی لوله‌های FRP  پر شده از بتن انجام دادند. همچنین زیائو و وو در سال 2000مدل‌هایی مبتنی بر نتایج آزمایش بر روی استوانه‌های بتنی FRP چسبیده به بتن، ارائه نمودند. لام و تنگ با ارزیابی مدل‌ها و تحقیقات ارائه شده تا آن زمان، مدلی ریاضی با در نظرگیری نوع الیاف به کار رفته در ساخت کامپوزیت، ولی بدون در نظرگیری پارگی زود هنگام کامپوزیت چسبیده به ستون، ارائه نمودند همچنین پسیکی و همکاران در سال 2001، مطالعات پارامتری با ارزشی بر روی ستون های بتن آرمه محصور در کامپوزیت انجام دادند.

مشخصات کلی و مکانیکی کامپوزیت‌های FRP

مقاومت FRP در مقابل خوردگی:

بدون شک برجسته ترین و اساسی ترین خاصیت سیستم‌های کامپوزیتی FRP مقاومت آن‌ها در مقابل خوردگی و خصوصیات فنی بالای الیاف FRP در مقاوم سازی است. در این حقیقت خاصیت ماده FRP تنها دلیل نامزد کردن آن‌ها به عنوان یک گزینه جانشین برای اجزاء فولادی و نیز میلگردهای فولادی است. به خصوص در سازههای بندری، ساحلی و دریایی و همچنین در سازه‌های مرتبط با صنعت نفت، پتروشیمی و پالایشگاهی مشخصات فنی مناسب کامپوزیت در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصه میلگردهای FRP است.

مقاومت کششی FRP:

مصالح FRP معمولاً مقاومت کششی بسیار بالایی دارند، که از مقاومت کششی فولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت کششی بالایمواد FRP کاربرد آن‌ها را برای سازه‌های بتن آرمه، خصوصاً برای سازه‌های پیشتنیده بتنی و مقاوم سازی بسیار مناسب نموده است.مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای FRP بکار رفته در آن‌ها بستگی دارد. مقاومت کششی محصولات FRP برای میله‌های با الیاف کربن 1100 تا 4900 Mpa برای میلههای با الیاف شیشه تا، 2300 MPa و برای میلههای با الیاف آرامید تا Mpa 1650 گزارش شده است. چنین مشخصات فنی بالا اهمیت مقاوم سازی با FRP را بیش از بیش روشن می‌سازد.

مدول الاستیسیته FRP:

مدول الاستیسیته الیاف FRP اکثراً در محدوده قابل قبولی قرار دارند. مدول الاستیسیته FRP ساخته شده از الیاف کربن، شیشه و آرامید به ترتیب در محدوده 200 تا 230، 70 و 60 Gpa گزارش شده است. برای مقاوم سازی و تقویت بتن از این الیاف استفاده می‌شود.

وزن مخصوص FRP:

وزن مخصوص FRP به مراتب کمتر از وزن مخصوص فولاد است. به عنوان نمونه وزن مخصوص کامپوزیت‌های CFRP یک سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در الیاف FRP از مزایای عمده آن‌ها در کاربردشان به عنوان تقویت و مسلح کننده بتن محسوب می‌شود.

عایق بودن FRP:

مصالح FRP خاصیت عایق بودن بسیار عالی دارند. به بیان دیگر، این مواد از نظر مغناطیسی و الکتریکی خنثی بوده و عایق مناسبی محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به FRP به جای استفاده از میلگردهای فولادی در قسمت‌هایی از بیمارستان که نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند. و در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی و همچنین در باند فرودگاه‌ها و مراکز رادار بسیار سودمند خواهد بود.

مقاومت در برابرخستگی FRP:

خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنشهای تناوبی قرار دارند، منجر شود. در مقایسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنشهای کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند و مناسب مقاوم سازی با FRP در بتن می‌باشند.

مقاومت در برابرخزش FRP:

پدیده گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد. با این وجود چنانچه کرنش ناشی از خزش جزء کوچکی از کرنش الاستیک باشد، عملاً مشکلی بوجود نمی‌آید. در مجموع، رفتار خزشی کامپوزیتهای FRP بسیار خوب است. به بیان دیگر، اکثر FRP های در دسترس، دچار خزش نمی‌شوند.

چسبندگی FRP با بتن در مباحث مقاوم سازی:

خصوصیت چسبندگی، برای هر مادهای که به عنوان مسلح کننده بتن بکار رود، بسیار مهم تلقی می‌شود. تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای میلههای کامپوزیتی FRP در مقاوم سازی بتن گزارش می‌کند.

آزمایش و تست FRP:

از جمله آزمایشاتی که قبل از اجرای مقاوم سازی صورت می‌گیرد آزمایش مقاومت کششی الیاف FRP هست. این تست برای بدست آوردن ظرفیت نیروی کششی و کرنش کششی نهایی صورت گرفته و نتایج بدست آمده از این آزمایش برای تعیین مشخصات مصالح، کنترل کیفیت و تضمین، طراحی و تحلیل و … مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تست طبق استاندارد ASTM D 3039  انجام می‌پذیرد.

آزمایش مهم دیگری که بعد از اجرای ورقه‌های CFRP و GFRP جهت کنترل کیفیت و تضمین اجرای تقویت و مقاوم سازی سازه صورت می‌گیرد آزمایش Pull off هست. تست Pull off در مقاوم سازی با FRP برای کنترل کیفیت و یکپارچگی در عملکرد، ناشی از چسبندگی مناسب سیستم FRP به سطح صورت می‌گیرد.

جدول مقایسه‌ای عملکرد انواع الیاف کامپوزیتی:

وضعیت ورق‌های کامپوزیت
عملکرد	شیشه	کربن	آرامید
مقاومت کششی	خیلی خوب	خیلی خوب	خیلی خوب
مقاومت فشاری	خوب	خیلی خوب	نامناسب
ضریب الاستیسیته	مناسب	خیلی خوب	خوب
عملکرد دراز مدت	مناسب	خیلی خوب	خوب
عملکرد در برابر خستگی	مناسب	عالی	خوب
تراکم حجمی	مناسب	خوب	عالی
مقاومت در برابر واکنش قلیایی	نامناسب	خیلی خوب	خوب
قیمت	خیلی خوب	مناسب	مناسب

نتیجه گیری:

مقاومت بتن محصور شده در اصل به حداکثر فشار محصورشدگی که FRP می‌تواند اعمال کند بستگی دارد. محصورکنندگی FRP باعث می‌شود ظرفیت تحمل بار محوری سازه‌های بتنی افزایش یابد. محصور شدگی بهتر زمانی بدست می‌آید که استوانه‌های بتنی به طور کامل با GFRP نسبت به نمونه‌های محصور شدگی جزئی پوشیده شوند.
اثربخشی محصورشدگی با افزایش تعداد لایه / پوشش افزایش می‌یابد. محصورشدگی بهتر زمانی به دست می‌آید که تعداد لایه‌های GFRP افزایش یابد که این خود منجر به افزایش ظرفیت تحمل بار می‌گردد. به این دلیل که منطقه بزرگتری برای عملکرد حلقه‌ای ایجاد می‌شود..
شکست نمونه‌ها در منطقه وسط نمونه صورت گرفت و زمانی که محصور شدگی کامل ایجاد شد و شکست‌ها در بخش بالا و پایین نمونه‌های محصورشده جزئی رخ داد.
اگر چه از لحاظ اقتصادی هزینه رزین و الیاف گرانتر از هزینه آهن و فولاد هست. ولی دستمزد نصب و اجرای FRP ارزان‌تر است.
کامپوزیت‌های CFRP در مقایسه با دو نوع دیگر دارای مقاومت فشاری و کششی بالاتر، ضریب الاستسیته و عملکرد دراز مدت بهتر و مقاومت در برابر محیط‌های قلیایی مناسب‌تری برخوردار هستند.
با توجه به جمیع موارد فوق‌الذکر می‌توان گفت هرچند الیاف پوششی FRP هنوز دارای جزئیات ناشناخته مختلفی هست و استفاده موردی و جزئی از این مواد در پروژه‌های ساختمانی هزینه سنگینی به دنبال دارد ولی واضح است نظر به‌سادگی اجرا و هزینه نسبتاً اندک آن‌ها در مواردی که به‌صورت عمده در تقویت سازه‌ها استفاده می‌گردند، مزیت وبرتری کاربردشان نسبت به روش‌های سنتی موجود غیرقابل‌تردید هست.