کاهش خوردگی پل های بتنی با میلگردهای FRP

از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر جنبه‌های مختلف زندگی بشر راه‌های ارتباطی بوده و در این میان پل‌ها به عنوان آسیب‌پذیرترین و حیاتی‌ترین بخش این حوزه در معرض انواع بارها و نیز اثرات ناشی از عواملی چون آب‌وهوا هستند. عوامل آسیب‌دیدگی پل‌ها به طور کلی در چهار گروه عوامل داخلی، عوامل بارگذاری ترافیکی، عوامل محیطی و آب و هوایی و عوامل نگهداری قرار می‌گیرند . رایج‌ترین آسیب به فولاد، در اثر خوردگی پدید آمده و موجب خوردگی پل های بتنی می شود. خوردگی مهم‌ترین عامل کاهش ظرفیت عضو و سطح مقطع در اعضای فولادی است و معمول‌ترین عامل آن مواجه‌شدن فولاد با سیکل تر- خشک شدن می‌باشد.

لذا امروزه نگهداری و بهسازی پل‌ها بسیار مورد توجه قرار گرفته است، به طوری که در ایالت کبک کانادا نیمی از بودجه تخصیص داده شده وزارت حمل و نقل صرف بهسازی سازه‌های آسیب‌دیده به‌وسیله خوردگی فولاد می‌شود و در اروپا هزینه سالانه بهسازی در برابر خوردگی در حدود یک میلیارد پوند تخمین زده شده است.

یکی از روش‌هایی که اخیراً برای مقابله با خوردگی سازه به کار گرفته شده است استفاده از مواد کامپوزیتی FRP می‌باشد. که در بسیاری موارد در عرشه پل‌ها و سایر اجزای سازه‌ای به کار گرفته شده است و نتایج مطلوبی نیز حاصل‌شده است. میلگردهای FRP با توجه به مقاوم بودن در برابر خوردگی و علاوه بر آن بزرگ بودن مقاومت کششی نسبت به میلگردهای فولادی به جایگزینی مناسب برای میلگردهای فولادی تبدیل‌شده‌اند.

خوردگی در پل ها

خوردگی

خوردگی را می‌توان به صورت از بین رفتن فلز توسط یک پروسه اکسیداسیون شیمیایی و یا الکتروشیمیایی دانست.  خوردگی در فلزات شکلی از اکسیداسیون است که توسط جریان الکتریسیته از یک قسمت از سطح فلز به قسمت دیگری از سطح همان فلز به وجود می‌آید که نتیجه آن تبدیل آهن به اکسید آهن می‌باشد.  خوردگی باعث کاهش سطح مقطع عضو فولادی شده و نهایتاً منجر به کاهش ظرفیت سازه‌ای می‌گردد.

برای اینکه در فولاد خوردگی به وجود آید. باید عوامل زیر وجود داشته باشد که با حذف یک یا گروهی از آن‌ها می‌توان خوردگی را کندتر کرد :

1. اکسیژن
2. یک الکترولیت برای انتقال جریان
3. یک ناحیه روی سطح فلزی با بار الکتریکی مثبت (آند)

ضایعات ناشی از خوردگی به طور کلی از یک طرف موجب افزایش مقدار تنش در اعضای سازه‌ای به دلیل کاهش سطح مقطع می‌گردد و از سوی دیگر کاهش سختی اعضا نیز موجب افزایش تغییر شکل در آن‌ها شده که به‌نوبه خود موجب تغییر خواص دینامیکی پل‌ها می‌گردد.

خوردگی پل های بتنی ایران واقع در خلیج‌فارس

پل‌ها اکثراً عمر مفیدی بیش از 100 سال دارند. در ایران معمولأ در ساخت پل‌های بتنی نسبت آب به سیمان از حداکثر مجاز بالاتر می‌باشد که باعث می‌شود این بتن‌ها نفوذپذیری بالایی داشته باشند. نزدیکی به دریا، حمل کلرید و رطوبت از دریا به ساحل و نفوذ آن در داخل این بتن‌ها که نفوذپذیری نسبتاً بالایی دارند عامل اصلی و مهم در خوردگی آرماتورها در این پل‌های بتنی می‌باشد در نتیجه بروز خوردگی، اغلب پوشش کم بتنی روی آرماتورها ترک خورده و ریخته و آرماتورهای زنگ زده نمایان گشته و این رویداد در بعضی پل‌ها در زمان بین 5 تا 6 سال اتفاق افتاده است. لذا نخستین و مهم‌ترین مسئله در دوام بتن توجه به نفوذپذیری آن است.

در طراحی پل‌ها در حاشیه خلیج‌فارس اغلب فولاد با درصد بالا و به‌صورت انبوه در نظر گرفته شده است. نفوذ یون کلرید از پوشش کم و رسیدن آن به فولادها و وجود درصد بالای فولاد در مقطع سبب خوردگی شدید این فولادها و ایجاد فشار به بتن مجاور و نهایتاً بروز ترک و ریختن بتنی که روی آن است گشته است. چنین خرابی به صورت وسیع در اکثر پل‌های بتنی در این مناطق اتفاق افتاده است .

پایش سلامت پل‌های بتنی در برابر خوردگی

فرآیند پایش خوردگی ، کربناته شدن و میزان کلرید متفاوت با سایر روش‌های پایش توسعه یافته است. گرچه این‌ها پدیده‌های دائمی هستند اما انجام پایش دائمی نتایج رضایت بخشی تولید نمی‌کند دلیل اصلی این موضوع آن است که عمر مفید سازه و عمر مفید سیستم پایش سلامت حداقل ده برابر با هم اختلاف دارند.  سیستم‌های بسیار جالبی برای پایش خوردگی سازه‌های بزرگی که دارای پی‌های عظیم در تماس با آب هستند طراحی و به کار رفته‌اند به عنوان مثال پروژه‌های بزرگ پل‌سازی هنگ‌کنگ. با این وجود در پروژه‌هایی که به خوبی طراحی شده و بحث خوردگی در آن‌ها به شکل مناسبی لحاظ شده است سیستم پایش تنها نشانگر صحت ملاحظات است. عمده مسائل خوردگی در مورد پل‌های قدیمی است که پوشش و کیفیت بتن، الزامات کنونی را ارضاء نمی‌کند .روش‌هایی برای تشخیص خوردگی در سازه‌های موجود وجود دارد اما این روش‌ها پر هزینه بوده و نیازمند دسترسی نزدیک به المان‌های سازه‌ای هستند و مستلزم اختلال مداوم در ترافیک لذا توصیه‌شده است که فرآیند پایش بروی عملکرد کلی سازه بدون توجه به دلیل وقوع یک آسیب خاص تمرکز شود. به عبارت دیگر این که یک میلگرد به دلیل خوردگی یا دلیل ترک‌های ناشی از خستگی آسیب‌دیده یا از بین رفته باشد چندان مهم نیست بلکه آن چیزی که اهمیت دارد این است که چه المان‌هایی نیاز به تعمیر و یا تعویض دارند و این اقدامات با چه فوریتی انجام شود. لذا انتظار نمی‌رود هیچ یک از سیستم‌های پایش خوردگی به صورت دائمی مورد استفاده وسیع قرار گیرند.

مواد کامپوزیت FRP

خصوصیات کلی الیاف پلیمری  (FRP)

استفاده از مواد کامپوزیت FRP برای بهسازی روشی است که هم اکنون در اکثر کشورهای جهان برای بهسازی سازه‌های بتنی آسیب‌پذیر به کار می‌رود.از آنجا که صفحات فولادی دچار خوردگی شده و منجر به تخریب چسبندگی بین فولاد و بتن می‌شوند و همچنین نصب آن‌ها بسیار مشکل است و احتیاج به تجهیزات سنگینی دارند، محققان FRP را به عنوان جایگزینی مناسب برای فولاد در نظر گرفتند. مزیت اصلی مصالح FRP، نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت زیاد آن در برابر خوردی است. مقاومت زیاد آن‌ها در عین حال که وزن کمی دارند، باعث می‌گردد که جابجایی و حمل‌ونقل آن‌ها راحت تر باشد و هزینه استفاده از آن‌ها و نیروی کار، کاهش یابد. همچنین مقاوم بودن آن‌ها در برابر خوردگی، سبب دوام و پایا بودن عملکرد آن‌هاست. محدودیت استفاده و کاربرد آن‌ها در مهندسی ساختمان به دلیل قیمت زیاد آن‌هاست. البته هزینه و قیمت آن‌ها رو به کاهش است و به این ترتیب استفاده از آن‌ها بیشتر خواهد شد.  استفاده از آن‌ها در زمینه مقاوم‌سازی سازه‌ها، هر چند پر هزینه بوده اما با توجه به هزینه اجرای کم و نیز سایر مزایای FRP، در کل به عنوان یکی از مؤثرترین راه‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی به شمار می‌رود.

بسته به نوع الیاف مصرفی FRP به سه نوع CFRP، GFRP و AFRP دسته‌بندی می‌شوند.

جدول 1 : مقایسه کیفی بین الیاف شیشه، کربن با مقاومت زیاد و آرامید

میلگردهای FRP

میلگردهای کامپوزیتی FRP از نظر شکل ظاهری مشابه میلگردهای متداول هستند ولی به جای فولاد از الیاف مخصوص با مقاومت بسیار بالا نسبت به فولاد به همراه یک نوع رزین پلیمری ساخته شده‌اند. میلگردهای کامپوزیت FRP به عنوان جایگزینی مناسب برای میلگردهای فولادی در بسیاری از سازه‌های بتنی به کار می‌روند .

انواع میلگردهای کامپوزیت FRP شامل میلگردهای کامپوزیت یا آرماتور CFRP با الیاف کربن، میلگرد کامپوزیت AFRP با الیاف آرامید و میلگرد کامپوزیت BFRP با الیاف بازالت و میلگرد کامپوزیت GFRP با الیاف شیشه می‌باشد که نوع آخر ارزان‌تر از انواع دیگر است و از انواع دیگر متداول‌تر می‌باشد.

میلگردهای FRP خصوصیاتی را دارا هستند که در سایر مصالح وجود ندارد به دلیل اینکه این کامپوزیت‌ها از رزین‌های همراه با الیاف شیشه ، کربن و آرامید ساخته شده‌اند در برابر نیروهای مغناطیسی ایمن می‌باشند. به علت خصوصیات غیر مغناطیسی بودن استفاده از میلگردهای FRP در سازه‌های تحت تأثیر میدان‌های الکترومغناطیسی نظیر رآکتورها، فرودگاه‌ها، بخش‌های MRI بیمارستان‌ها و لابراتوارها توصیه می‌شوند. همچنین میلگردهای FRP نارسانا هستند که این امر آن‌ها را به گزینه مناسبی برای سازه‌هایی که در آن‌ها خطرات برق‌گرفتگی وجود دارد تبدیل می‌کند. نمونه‌هایی از این کاربردها عبارت‌اند از استفاده از میلگردهای FRP در ساخت دکل‌های بتنی انتقال نیرو، استفاده از میلگردهای FRP در ساخت تیرهای انتقال برق و پایه پست ولتاژ بالا و… .

میلگردهای FRP بسیار سبک‌تر از میلگردهای رایج هستند. این کاهش چگالی می‌تواند منجر به کاهش هزینه حمل‌ونقل، آسانی درجابجایی مصالح و همچنین کاهش بار مرده سازه گردد. لذا استفاده از میلگردهای FRP در بسیاری از پروژه‌ها منجر به اقتصادی‌تر شدن پروژه می‌گردد. با وجود مزایای میلگردهای FRP این میلگردها خالی از ضعف نیستند از جمله مشکلات میلگردهای FRP عبارتند از هزینه اولیه بیشتر، کاهش مقاومت باگذشت زمان، مدول الاستیسیته کمتر و شکست ترد. میلگردهای FRP به دلیل ماهیت رفتار ترد خود در سازه‌هایی که به شکل‌پذیری و قابلیت استهلاک انرژی نیاز دارند عملکرد مناسبی ندارد. به‌عنوان مثال در زلزله‌های حوزه نزدیک که به علت حرکت پالس گونه نیروی واردشده برسازه به صورت ضربه‌ای می‌باشد که باعث بروز رفتار ترد در سازه می‌شود استفاده از میلگردهای FRP با رفتار ترد مشکل را دو چندان خواهد کرد. به کارگیری آلیاژهای شکل پذیر حافظه‌دار با رفتار غیرخطی الاستیک خود به عنوان مسلح کننده همراه با میلگردهای به صورت ترکیبی (SMA-FRP) می‌تواند راه‌حل مناسبی برای این مشکل باشد.

با وجود مزایای بسیار میلگردهای FRP نسبت به میلگردهای فولادی رفتار ترد الاستیک، کرنش گسیختگی محدود و مدول الاستیسیته کمتر نسبت به فولاد، شکل‌پذیری و قابلیت بهره‌برداری سازه‌ها را تحت تأثیر قرار داده در این مورد عملکرد رضایت بخشی ندارد که همین فقدان شکل‌پذیری و قابلیت استهلاک انرژی، استفاده از میلگردهای FRP را در کاربردهای لرزه‌ای محدود کرده است. میلگردهای مسلح کننده SMA-FRP متشکل از رزین‌های پلیمری FRP است که بوسیله الیاف قطری آلیاژ شکل‌پذیری حافظه‌دار کوچک با خاصیت فوق ارتجاعی مسلح شده است. از این رو میلگردهای SMA-FRP هم خاصیت ضدخوردگی مواد کامپوزیت FRP را دارا می‌باشد و هم به واسطه آلیاژ شکل‌پذیر حافظه‌دار، همانند میلگرد فولادی رفتار شکل‌پذیر از خود نشان می‌دهد با این مزیت که در میلگردهای فولادی به علت عدم وجود خاصیت حافظه داری، فولاد بعد از اعمال تغییر شکل ماندگار به حالت اولیه خود باز نمی‌گردد اما در آلیاژهای شکل‌پذیر به واسطه ویژگی حافظه داری شکلی (SMA) به معنی قابلیت برگشت به شکل اولیه، میلگرد SMA-FRP  بعد از باربرداری بدون باقی گذاشتن کرنش پسماند قابل توجه به شکل اولیه خود باز خواهد گشت و مقدار قابل توجهی انرژی را بدون تغییر شکل ماندگار مستهلک خواهد کرد. با وجود این استفاده از میلگردها SMA-FRP به دلیل قیمت بالای آن هنوز در صنایع ساختمان‌سازی به طور گسترده مرسوم نگشته است، اما ویژگی‌های منحصر به فرد آن محققان را تشویق به مطالعه کاربرد آن‌ها در مهندسی عمران کرده است.

جدول 2 : مقایسه خصوصیات مکانیکی میلگردهای FRP و فولادی

کاربرد میلگردهای FRP در پل ها و پروژه های انجام گرفته

خرابی عرشه پل‌ها یکی از رایج‌ترین نقطه‌ضعف‌ها در سیستم یک پل می‌باشد. عرشه پل بتنی نسبت به سایر اجزای آن زودتر دچار خرابی می شود که این به دلیل این می‌باشد که عرشه پل در تماس مستقیم با محیط می‌باشد و همچنین از دلایل دیگر می‌توان به بار ترافیکی اشاره کرد مشکل اصلی در مورد عرشه پل مربوط به خوردگی می‌باشد که سهم بزرگی از هزینه بهسازی را در بر می‌گیرد. در ادامه دو مورد از پروژه‌هایی که در آن‌ها از میلگردهای FRP در تسطیح پل بتنی مورد استفاده قرار گرفته است آورده شده است که این پل‌ها در کبک کانادا می‌باشند.

عرشه این پل‌های تیر و شاه‌تیر بتنی به وسیله میلگردهای FRP داخلی مسلح شده‌اند. پل‌ها در طول دهانه، ضخامت عرشه و نوع پل متفاوت هستند. مشخصات کششی میلگردهای فولادی و FRP (CFRP و GFRP) که در عرشه این پل‌ها به کاررفته‌اند در جدول ( 3)نمایش داده‌شده‌اند .

جدول 3 : مشخصات میلگردهای FRP و فولادی به کار رفته در این پل ها

پل ماگوگ – کانادا

پل ماگوگ واقع بر رودخانه ماگوگ در خارج از شهر ماگوگ می‌باشد. طول کلی شاه‌تیر این پل 83.7 متر بوده که شامل 5شاه‌تیر اصلی می‌باشد. ضخامت دال بتنی عرشه 220 mm می‌باشد. میلگردهای CFRP در پایین شبکه میلگردگذاری و میلگردهای GFRP در سایر جهات این شبکه به کار رفته‌اند. این پل در اکتبر 2002 مورد بهره‌برداری قرار گرفت.

شکل 1 : جزئیات میلگرد گذاری و ابعاد پل ماگوگ

پل کوک شایر – ایتون (کانادا)

پل کوک شایر – ایتون پلی شاه‌تیری بوده که بروی رودخانه ایتون در مرکز شهر کوک شایر واقع شده است. پل دارای 5 شاه‌تیر اصلی بوده به همراه عرشه با دال بتنی با ضخامت 200mm که به وسیله میلگردهای GFRP مسلح شده است. ساخت این پل در سپتامبر 2003 شروع و فوریه 2004 مورد بهره‌برداری قرار گرفت. که جزئیات میلگرد گذاری و ابعاد این پل در شکل ( 2) نشان داده شده است.

شکل 2 : جزئیات میلگرد گذاری و ابعاد پل کوک شایر – ایتون

نتیجه گیری

در این مقاله به موضوع آسیب‌پذیری پل‌ها در برابر خوردگی و معرفی الیاف پلیمری (FRP) و نقش میلگردهای FRP در بهسازی پل‌های در معرض خوردگی پرداخته شد. همچنین در مورد ویژگی‌های میلگرد FRP و نیز برخی پروژه‌های اجرا شده در این زمینه اشاره گردید. به طور کلی می‌توان از مباحث گفته‌شده نتایج زیر را بر شمرد :

1. خوردگی به عنوان مهم‌ترین عامل در خرابی عرشه پل‌ها باید مورد توجه ویژه قرار گرفته و طراحان و مجریان طرح باید نسبت به مقاوم ساختن پل در برابر خوردگی توجه ویژه مبذول دارند .
2. نتایج استفاده از میلگردهای FRP به عنوان جایگزین میلگردهای فولادی برای مقاوم ساختن عرشه پل‌ها در برابر خوردگی در پروژه‌های اجرا شده رضایت بخش بوده و این میلگردها را به عنوان جایگزین مناسبی برای میلگردهای فولادی مطرح نموده است .
3. با اینکه هزینه اولیه میلگردهای FRP از میلگردهای فولادی بیشتر است ولی با استفاده از میلگردهای FRP به عنوان یک روش اقتصادی مؤثر، دیگر نیازی به صرف هزینه بسیار برای تعمیر و بهسازی اساسی سازه‌های ساخته شده با میلگردهای فولادی نیست لذا هزینه تمام شده ساخت و مراقبت بعد از ساخت، کاهش می‌یابد .
4. استفاده از میلگردهای FRP به علت مقاوم بودن در برابر خوردگی باعث کاهش پوشش بتنی و محافظ خوردگی که صرف محافظت از میلگردهای فولادی می‌شد می‌گردد .
5. عملکرد مطلوب میلگردهای FRP در کرنش، ترک خوردگی و خیز به میلگردهای فولادی نزدیک بوده و از این لحاظ ضعفی نسبت به میلگردهای فولادی ندارد.
6. رفتار ترد میلگردهای FRP مانع از نشان دادن شکل‌پذیری و استهلاک انرژی از طرف سازه شده که این مشکل را می‌توان با استفاده از میلگردهای ترکیبی SMA-FRP بر طرف نمود لیکن استفاده از این میلگردها نیازمند تحقیقات بیشتر است که باید صورت گیرد.

منابع

1. کاربرد میلگردهای FRP در کاهش آسیب پذیری پل های بتنی در مقابل خوردگی؛ امیر مظفر بن شمس ، محمد صالح لباف زاده ، مصباح سایبانی، فرزاد حاتمی.
2. بررسی عملکرد آسیب پذیری و بهسازی پل ها ؛ رهایی، علیرضا، فیروزی، افشین؛ انتشارات دانشگاه صنعتی امیر کبیر ؛ 1384.
3. Zafar, A.Andwares,B.,Seismic Behavior of shape Memory composite Bars in RC Moment frames, 15th world conference of earthquake engineering, Lisbon,2012.1.