كاربرد كامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه و بررسی دوام آنها

1 – مقدمه

بسیاری از سازه‌های بتن آرمة موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، كلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مساله هزینه‌های زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه‌های آسیب ‌دیده در سراسر دنیا 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 ]1[. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریكا، بیش از 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند ]2[. هزینة بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پاركینگ در كانادا، 4 تا 6 میلیارد دلار كانادا تخمین زده شده است ]3[. هزینة تعمیر پلهای شاهراهها در امریكا در حدود 50 میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیكه برای بازسازی كلیة سازه‌های بتن آرمة آسیب‌دیده در امریكا در اثر مسالة خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده كه به بودجة نجومی 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است ]3[ !

از مواردی كه سازه‌های بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار می‌گرفته، كاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیط‌های دریایی بوده است. تاریخچه كاربرد بتن آرمه و بتن پیش‌تنیده در كارهای دریایی به سال 1896 بر می‌گردد ]4[. دلیل عمدة این مساله، خواص ذاتی بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابلیت كاربرد آن چه در بتن‌ریزی در جا و چه در بتن پیش‌تنیده بوده است. با این وجود شرایط آب و هوایی و محیطی خشن و خورندة اطراف سازه‌های ساحلی و دریایی همواره به عنوان یك تهدید جدی برای اعضاء بتن آرمه محسوب گردیده است. در محیط‌های ساحلی و دریایی، خاك، آب زیرزمینی و هوا، اكثراً حاوی مقادیر زیادی از نمكها شامل تركیبات سولفور و كلرید هستند.

در یك محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، كه بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجة حرارت‌های بالا و نیز رطوبت‌های بالا همراه شده كه نتیجتاً خوردگی در فولادهای به كار رفته در بتن آرمه كاملاً تشدید می‌شود. در مناطق ساحلی خلیج فارس، در تابستان درجة حرارت از 20 تا 50 درجة سانتیگراد تغییر می‌كند، در حالیكه گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از 30 درجة سانتیگراد متغیر است. این در حالی است كه رطوبت نسبی اغلب بالای 60 درصد بوده و بعضاً نزدیك به 100 درصد است. به علاوه هوای مجاور تمركز بالایی از دی‌اكسید گوگرد و ذرات نمك دارد [5]. به همین جهت است كه از منطقة دریایی خلیج فارس به عنوان یكی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده است [6]. در چنین شرایط، ترك‌ها و ریزترك‌های متعددی در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد شده، كه این مساله به نوبة خود، نفوذ كلریدها و سولفاتهای مهاجم را به داخل بتن تشدید كرده، و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم می‌آورد [7-9]. به همین جهت بسیاری از سازه‌‌های بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحل بندرعباس، در كمتر از 5 سال از نظر سازه‌ای غیر قابل استفاده گردیده‌اند.

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

2 – راه حل مساله

تكنیك‌هایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است كه از بین آنها می‌توان به پوشش اپوكسی بر قطعات فولادی و  میلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت كاتدیك میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یك از این تكنیك‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است [10]. برای حذف كامل مساله، توجه محققین به جانشین كردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده است.

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

3 – ساختار مصالح FRP

مواد FRP  از دو جزء اساسی تشكیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (مادة چسباننده). فایبرها كه  اصولاً الاستیك، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در مادة FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدودة 5 تا 25 میكرون می‌باشد [11].

رزین اصولاً به عنوان یك محیط چسباننده عمل می‌كند، كه فایبرها را در كنار یكدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت كم به صورت چشمگیر بر خواص مكانیكی كامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیك انتخاب كرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان 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 می‌توان از پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوكسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیك از پلی‌وینیل كلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد [3].

فایبر ممكن است از شیشه، كربن، آرامید و یا وینیلون باشد كه در اینصورت محصولات كامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP، CFRP،AFRP  و VFRP شناخته می‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از فایبرهای متداول ارائه خواهد شد.