كاربرد كامپوزيت‌هاي FRP در سازه‌هاي بتن آرمه و بررسي دوام آنها

كاربرد كامپوزيت‌هاي FRP در سازه‌هاي بتن آرمه و بررسي دوام آنها

فهرست مطالب

خوردگی قطعات فولادی

 خوردگی قطعات فولادی در سازه‌های مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهای فولادی در سازه‌های بتن آرمه ای كه در معرض محیط‌های خورنده گلرویی و کربناتی قرار دارند، یك مساله بسیار اساسی تلقی می‌شود. در محیط‌های دریایی و مرطوب وقتی كه یك سازه بتن‌آرمه معمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمك‌ها، اسید‌ها و کلرورها قرار گیرد، میلگردها به دلیل آسیب دیدگی و خوردگی، قسمتی از ظرفیت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهای زنگ زده بر پوسته بیرونی بتن فشار می‌آورد كه به خرد شدن و ریختن آن منتهی می‌شود. تعمیر و جایگزینی اجزاء فولادی آسیب دیده و نیز سازه بتن آرمه‌ای كه به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است، میلیون‌ها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار آورده است. به همین دلیل سعی شده كه تدابیر ویژه‌ای جهت جلوگیری از خوردگی اجزاء فولادی و میلگرد‌های فولادی در بتن اتخاذ گردد كه از جمله می‌توان به حفاظت كاتديك اشاره نمود. با این وجود برای حذف كامل این مسئله، توجه ویژه ای به جانشینی كامل اجزاء و میلگردهای فولادی با یك ماده جدید مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است.  از آن‌جا  كه  كامپوزیت‌های FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در مقابل محیط‌های قلیایی و نمکی مقاوم هستند كه در دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گسترده‌ای جهت جایگزینی كامل با قطعات و میلگردهای فولادی بوده‌اند. چنین جایگزینی بخصوص در محیط‌های خورنده نظیر محیط‌های دریایی و ساحلی بسیار مناسب به نظر می‌رسد. در این مقاله مروری بر خواص، مزایا و معایب مصالح کامپوزیتی FRP  صورت گرفته و قابلیت كاربرد آنها به عنوان جانشین كامل فولاد در سازه‌های مجاور آب و بخصوص در سازه بتن آرمه، به جهت حصول یك سازه كاملاً مقاوم در مقابل خوردگی، مورد بحث قرار خواهد گرفت.

بسیاری از سازه‌های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، و کلریدها 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 یک مسئله مهندسی، بلكه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی شده است ]1[. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در آمریكا، بیش از 40 درصد پلها در شاهراه ها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند ]2[. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در كانادا، 4 تا 6 میلیارد دلار كانادا تخمین زده شده است ]3[. هزینه تعمیر پلهای شاهراه ها در آمریکا در حدود 50 میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالی که برای بازسازی کلیه سازه‌های بتن آرمه آسیب‌دیده در امریکا در اثر مسأله خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده كه به بودجه نجومی 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است .

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 کاربرد بتن آرمه و بتن پیش‌تنیده در کارهای دریایی به سال 1896 بر می‌گردد ]4[. دلیل عمده 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 خورنده اطراف سازه‌های ساحلی و دریایی همواره به عنوان یک تهدید جدی برای اعضاء بتن آرمه محسوب گردیده است. در محیط‌های ساحلی و دریایی، خاك، آب زیرزمینی و هوا، اكثراً حاوی مقادیر زیادی از نمک ها شامل ترکیبات سولفور و کلراید هستند.

در یک محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، كه بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجه 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 درجه حرارت از 20 تا 50 درجه سانتیگراد تغییر می‌كند، در حالی که گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از 30 درجه سانتیگراد متغیر است. این در حالی است كه رطوبت نسبی اغلب بالای 60 درصد بوده و بعضاً نزدیک به 100 درصد است. به علاوه هوای مجاور تمركز بالایی از دی‌اكسید گوگرد و ذرات نمك دارد [5]. به همین جهت است كه از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی 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 نوبه 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 کلرید، از خوردگی فولاد رنج می‌برند.

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 اپوکسی بر قطعات فولادی و  میلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت كاتديك 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 فولادی با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده است.

مواد کامپوزیتی (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP  موادی بسیار مقاوم در مقابل محیط‌های خورنده همچون محیط‌های نمکی و قلیایی هستند. به همین دلیل امروزه کامپوزیتهای 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.

ساختار مصالح FRP

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

رزین اصولاً به عنوان یك محیط چسباننده عمل می‌كند، که فایلها را در كنار یكدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت كم به صورت چشمگیر بر خواص مكانيكي كامپوزيت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب كرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی‌آیند؛ در حالی که رزین‌های ترموپلاستیک را می‌توان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزین‌های ترموست می‌توان از پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوکسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیک از پلی‌وینیل كلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد [3].

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

3-1-  الیاف شیشه

فیبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند [10]؛

1 – E-Glass: متداول ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی كم، كه در صنعت ساختمان به كار می‌رود، (با مدول الاستیسیته، مقاومت نهایی، و کرنش نهایی).

2 – Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حمله  قلیایی ها، كه در تولید بتن الیافی به کار گرفته می‌شود.

3 – A-Glass: با مقادیر زیاد قلیایی كه امروزه تقریباً از رده خارج شده است.

4 – S-Glass: كه در تكنولوژي هوافضا و تحقیقات فضایی به كار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی دارد، ( و).

الیاف كربن

الیاف كربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛

1– الیاف کربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I كه تردترین آنها با بالاترین مدول  الاستیسیته محسوب می‌شود.  ( و). تیپ II كه مقاوم‌ترین الیاف كربن است ( و)؛ و نهایتاً تیپ III  كه نرم ترین نوع الیاف کربنی با مقاومت بین تیپ ‌I    و   IIمی‌باشد.

2 – الیاف با اساس قیری(Pitch-based)  كه اساساً از تقطیر زغال سنگ بدست می‌آیند. این الیاف از الیاف PAN  ارزان‌تر بوده و مقاومت و مدول الاستیسیته کمتری نسبت به آنها دارند ( و).

لازم به ذكر است كه الیاف کربن مقاومت بسیار خوبی در مقابل محیط‌های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی كاملاً پایدار هستند.

الیاف آرامید

آرامید،یک کلمه اختصاری از آروماتیک پلی‌آمید است [12].آرامیداساساً الیاف ساخته دست ‌بشر است كه برای اولین بار توسط شركت DuPont در آلمان تحت نام كولار (Kevlar) تولید شد.‌‌چهار‌نوع كولار وجود دارد كه از بین آنها کولار 49 برای مسلح کردن بتن، طراحی و تولید شده و مشخصات مكانیكی آن بدین قرار است: و.

انواع محصولات FRP 

1- میله های کامپوزیتی:

 میله‌های ساخته شده از كامپوزیت‌های FRP هستند كه جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. كاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی، مسئله کربناسیون و کلراسیون را كه از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمه هستند، به كلی حل خواهند نمود.

2- شبكه‌های کامپوزیتی:

 شبكه‌های کامپوزیتی FRP (Grids) محصولاتی هستند كه از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از این محصول، شبكه کامپوزیتی NEFMAC است كه از فیبرهای كربن، شیشه یا آرامید و رزین وینیل استر تولید می‌شود و منجمله برای مسلح کردن بتن مناسب است.

3- كابل، طناب و تاندن‌های پیش‌تنیدگی:

 محصولاتی شبیه میله‌های کامپوزیتی FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، كه در سازه‌های كابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده كاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیده در مجاورت آب نیز بكار گرفته می‌شوند.

4- ورقه‌های کامپوزیتی: 

ورقه‌های کامپوزیتی Sheets) FRP)، ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحكم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. ورقه‌های FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله کردن سازه‌های آبی از محیط خورنده مجاور هستند. همچنین از ورقه‌های کامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شوند.

5- پروفیل‌های ساختمانی:

 مصالح FRP همچنین در شكل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شكل، T شكل، نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنین محصولاتی می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.

میله‌های کامپوزیتی FRP

در حال حاضر،  تولیدکنندگان مختلفی در دنیا میله‌های کامپوزیتی FRP را تولید و عرضه می‌كنند. بعضی از انواع مشهور تولیدات میلگردهای FRP كه به آسانی در بازار دنیا یافت می‌شوند‌، به قرار زیر هستند‌ [10-13]؛

1 – پ: این محصول توسط کمپانی شیمیایی میتسوبیشی ژاپن از الیاف كربن با اساس قیری تولید می‌شوند. خصوصیات مكانیكی این نوع میلگرد کامپوزیتی عبارت است از:  و. این میله‌ها كه از جنس FRP  هستند، به شكل مدور در قطرهای 1 تا 17 میلیمتر به صورت صاف، و در قطرهای 5 تا 17 میلیمتر به صورت آجدار تولید می‌شوند.

2 – FiBRA-Rod: این محصول توسط كمپانی میتسوی ژاپن و از كولار 49 تولید می‌شود. خصوصیات مكانیكی این میله‌های کامپوزیتی FRP، بدین قرار است:  و.

3 – TECHNORA: این محصول توسط شركت تی‌جین (Teijin) ژاپن و از آرامید تولید شد و خواص مكانیكی آن عبارت است از:  و.

4 – CFCC: این محصول،كابل كامپوزيتي FRP  بوده و توسط شركت توکیو روپ(Tokyo Rope) از فیبرهای کربنی PAN  تولید می‌شود. این محصول در قطرهای 3 تا 40 میلیمتر و با مقاومت 10 تا  kN 1100 تولید می‌شود.

5 – ISOROD : این محصول توسط شركت پورتال (Pultrall Inc. of Thetford Mines)  در ايالت كبك از كانادا تولید می‌شود. این محصول از فیبرهای شیشه و رزین پلی‌استر تولید شده و مشخصات مكانیكی آن بدین قرار است:  .

6 – C-Bar: این محصول توسط شرکت كامپوزیت‌های صنعتی مارشال در جکسون ویل از ایالت فلوریدا در آمریکا تولید می‌شود. این محصول از فیبرهای شیشه كه در رزین وینیل استر قرار گرفته، تولید می‌شود. مشخصات مكانیكی  C-Bar بدین قرار است:  .

توجه شود كه امروزه تولید میله‌های كامپوزیتی یك زمینهء نو در دنیا محسوب شده و به همین دلیل، متناوباً شركت‌های جدید تولید كننده در دنیا ایجاد می‌شود. به همین دلیل در این قسمت فقط مروری بر بعضی از این محصولات انجام گردید.

مشخصات اساسی محصولات کامپوزیتی FRP

مقاومت در مقابل خوردگی

بدون شك برجسته‌ترین و اساسی‌ترین خاصیت محصولات کامپوزیتی FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است. در حقیقت این خاصیت ماده FRP تنها دلیل نامزد كردن آنها به عنوان یک گزینه جانشین برای اجزاء فولادی و نیز میلگردهای فولادی است. به خصوص در سازه‌های بندری، ساحلی و دریایی،  مقاومت خوب کامپوزیت FRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصه میلگردهای FRP است [14]. در قسمت 7، به صورت مفصل در مورد دوام كامپوزیت‌های FRP  بحث خواهد شد.

مقاومت

مصالح  FRPمعمولاً مقاومت کششی بسیار بالایی دارند، كه از مقاومت کششی  فولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت كششی بالای میلگردهای FRP كاربرد آنها را برای سازه‌های بتن آرمه، خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بسیار مناسب نموده است. مقاومت كششی مصالح FRP اساساً به مقاومت كششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای بكار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت كششی محصولات FRP  برای میله‌های با الیاف كربن 1100 تا MPa 2200، برای میله‌های با الیاف شیشه 900 تا MPa1100، و برای میله‌های با الیاف آرامید 1350 تا MPa  1650 گزارش شده است [15]. با این وجود، برای بعضی از این محصولات، حتی مقاومت‌های بالاتر از MPa 3000 نیز گزارش شده است. توجه شود كه بطور کلی مقاومت فشاری میله‌های كامپوزیتی FRP از مقاومت كششی آنها كمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاری محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت كششی آنها MPa700 است [3].

مدول الاستیسیته

مدول الاستیسیته محصولات FRP اكثراً در محدوده قابل قبول قرار دارد؛ اگرچه اصولاً کمتر از مدول الاستیسیته فولاد است. مدول الاستیسیته میله‌های کامپوزیت FRP ساخته شده از الیاف کربن، شیشه و آرامید به ترتیب در محدوده 100 تا GPa 150، GPa   45 و GPa 60 گزارش شده است [15].

وزن مخصوص

وزن مخصوص محصولات کامپوزیتی FRP به مراتب کمتر از وزن مخصوص  فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص کامپوزیتهای FRP یک سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در كامپوزیتهایFRP  از مزایای عمده آنها در کاربردشان به عنوان مسلح کننده بتن محسوب می‌شود [14].

عایق بودن

مصالح FRP خاصیت عایق بودن بسیار عالی دارند. به بیان دیگر، این مواد از نظر مغناطیسی و الكتریكی خنثی بوده و عایق محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میله‌های FRP در قسمتهایی از بیمارستان که نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند، و در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی [16]، و همچنین در باند فرودگاهها و مركز رادار بسیار سودمند خواهد بود.

خستگی

خستگی خاصیتی است كه در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممكن است به شكست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی كه در معرض سطح 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 كمتر از یك دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند [17].

خزش

پدیده گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد؛ با این وجود چنانچه كرنش ناشی از خزش جزء كوچكي از كرنش الاستيك باشد، عملاً مشکلی بوجود نمی‌آید. در مجموع، رفتار خزشی كامپوزیت‌ها بسیار خوب است؛ به بیان دیگر، اكثر کامپوزیتهای در دسترس، دچار خزش نمی شوند [18].

چسبندگی با بتن

خصوصیت چسبندگی، برای هر ماده‌ای كه به عنوان مسلح كننده  بتن بكار رود، بسیار مهم تلقی می شود. در مورد میله های کامپوزیتی FRP، اگر چه در بررسی بسیار اولیه، مقاومت چسبندگی ضعیفی برای كامپوزیت‌های از الیاف شیشه گزارش شده بود، تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای میله‌های کامپوزیتی FRP گزارش می کند.

خم شدن

چنانچه کامپوزیتهای FRP در بتن مسلح بکار گرفته شوند، به جهت مهار میلگردهای طولی، میلگردهای عرضی و تنگ‌ها، لازم است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم کردن میله‌های FRP بسیار دشوارتر از خم کردن میلگردهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجود FRP، نمی‌توان خم كردن را در كارگاه  انجام داد. اگر چه در صورت لزوم، می‌توان خم میله‌های کامپوزیتی FRP را با سفارش آن به تولید كننده در كارگاه انجام داد.

انبساط حرارتی

خصوصیات انبساط حرارتی فولاد و بتن بسیار به هم نزدیک هستند؛ ضریب انبساط حرارتی این دو ماده به ترتیب: ومی‌باشد. ضریب انبساط حرارتی میله‌های FRP اغلب از بتن متفاوت است. به طور خلاصه ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP با الیاف کربن و شیشه به ترتیب برابر باو می‌باشد. بدترین حالت مربوط به آرامید است كه ضریب انبساط حرارتی آن منفی بوده و برابر بامی‌باشد [19].

دوام كامپوزیت‌های FRP

كامپوزیت‌های FRP شاخه جدیدی از مصالح محسوب می‌شوند كه دوام آنها دلیل اصلی و اولیه برای کاربرد آنها در محدوده وسیعی از عناصر سازه‌ای شده است. به همین جهت است كه از آنها نه تنها در صنعت ساختمان، بلكه در فضاپیما، بال هواپیما، درهای اتومبیل، مخازن محتوی گاز مایع، نردبان و حتی راكت تنیس نیز استفاده می‌شود. بنابراین از نقطه نظر مهندسی نه تنها مساله مقاومت و سختی، بلكه مسأله دوام آنها تحت شرایط مورد انتظار، كاملاً  مهم جلوه می‌كند.

مكانیزم‌هایی كه دوام كامپوزیت‌ها را كنترل می‌كنند عبارتند از :

1)  تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر

2)  از دست رفتن چسبندگی بین فایبر و ماتریس

3)  كاهش در مقاومت و سختی فایبر

محیط نقش كاملاً تعیین كننده‌ای در تغییر خواص پلیمرهای ماتریس كامپوزیت دارد. هر دوی ماتریس و فایبر ممكن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه كننده نظیر نمك‌ها و قلیایی‌ها تحت تاثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممكن است به صورت سیكل‌های یخ‌زدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و فیبر باعث گردد. از طرفی تحت شرایط بار‌گذاری مكانیكی، بارهای تکراری ممكن است باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممكن است مساله خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌ای از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام كامپوزیت‌های FRP را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

پیرشدگی فیزیکی ماتریس پلیمر

نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یكی از جنبه‌های مهمی است كه در مسأله دوام كامپوزیت‌ها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیه ماتریس در کامپوزیت انتقال تنش بین فایبرها، محافظت از سطح فایبر در مقابل ساییدگی مكانیكی و ایجاد مانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزایی در انتقال تنش برشی در صفحه كامپوزیت ایفا می‌كند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمان تغییر دهد، باید تحت توجه خاص قرار گیرد. برای كلیه پلیمرها كاملاً طبیعی است كه تغییر فوق‌العاده آهسته‌ای در ساختار شیمیایی (مولكولی) خود داشته باشند. این تغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت كنترل می‌شود. این پروسه تحت نام پیر‌شدگی (Aging) نامیده می‌شود. تأثیرات پیر شدگی در اكثر كامپوزیت‌های ترموست متداول، در مقایسه با كامپوزیت‌های ترموپلاستیک، خفیف‌تر است. در اثر پیر‌شدگی فیزیکی، بعضی از پلیمرها ممكن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتیجه این مسئله تاثیر بر خواص قالب ماتریس و منجمله رفتار برشی کامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اکثر موارد این تاثیرات بحرانی نیست؛ زیرا نهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق فایبر‌ها رخ داده و تأثیرات پیر‌شدگی بر فایبر‌ها فوق‌العاده جزئی است.

تاثیر رطوبت

بسیاری از كامپوزیت‌های با ماتریس پلیمری در مجاورت هوای مرطوب 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 روز تماس با محیط مرطوب، به نقطه اشباع (تعادل) می‌رسد. زمانی كه طول می‌كشد تا كامپوزیت به نقطه اشباع برسد به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد. خشك كردن كامپوزیت می‌تواند این روند را معكوس كند، اما ممكن است منجر به حصول كامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک (Fick’s Law) تبعیت كرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل و فرج، نوع فایبر، نوع رزین، جهت و ساختار فایبر، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ریز تركها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت را به صورت مجزا بر اجزاء کامپوزیت مورد بحث قرار می‌دهیم.

تاثیر رطوبت بر ماتریس پلیمری

جذب آب به توسط رزین ممكن است در مواردی بعضی از خصوصیات رزین را تغییر دهد. چنین تغییراتی عمدتاً در دمای بالای 120 درجه ممكن است اتفاق بیفتد و در اثر آن سختی کامپوزیت به شدت کاهش یابد؛ اگرچه چنین وضعیتی عمدتاً در مصارف كامپوزیت‌ها در مهندسی عمران و به خصوص در سازه‌های در مجاورت آب، كمتر پیش می‌آید و مورد توجه نیست. از طرفی جذب رطوبت یك تاثیر سودمند نیز بر کامپوزیت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزین شده كه این مسئله به نوبه خود تنش‌های پس‌ماند بین ماتریس و فایبر را كه در اثر انقباض ضمن عمل‌آوری کامپوزیت ایجاد شده، كاهش می‌دهد. این مساله باعث آزاد شدن تنش‌های بین ماتریس و فایبر شده و ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. از طرفی گزارش شده است كه در كامپوزیت‌هایی كه به صورت نامناسب ساخته شده‌اند، در اثر وجود حفره‌ها در سطح بین فایبر و ماتریس و یا در لایه‌های کامپوزیت، نفوذ آب در داخل حفره‌ها و یا در سطح مشترك فایبر و ماتریس ممكن است به سیلان رزین منجر شود [20]. این مساله را می‌توان با انتخاب مناسب مواد رزین و یا آماده‌سازی مناسب سطح فایبر‌ها و نیز بهبود تكنیك‌های ساخت، حذف نمود.

تاثیر رطوبت بر فایبر‌ها

اعتقاد عمومی بر آن است كه فایبر‌های شیشه چنانچه به صورت طولانی مدت در كنار آب قرار گیرند، آسیب می‌بینند. دلیل این مسئله آن است که شیشه از سیلیس ساخته شده كه در آن اکسیدهای فلزات قلیایی منتشر شده‌اند. اکسیدهای فلزات قلیایی هم جاذب آب بوده و هم قابل هیدرولیز هستند. با این وجود، در اكثر موارد مصرف در مهندسی عمران، از E-glass و S-glass استفاده می‌شود كه فقط مقادیر کمی از اکسیدهای فلزات قلیایی را داشته و بنابراین در مقابل خطرات ناشی از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حال كامپوزیت‌های ساخته شده از الیاف شیشه باید به خوبی ساخته شده باشند، به صورتی که از نفوذ آب به مقدار زیاد جلوگیری ‌كنند؛ زیرا حضور آب در سطح الیاف شیشه انرژی سطحی آنها را كاهش می‌دهد كه می‌تواند رشد ترك‌خوردگی را افزایش دهد. از طرفی الیاف آرامید نیز می‌توانند مقادیر قابل توجهی از آب را جذب كنند كه منجر به باد كردن و تورم آنها می‌شود. با این وجود اكثر الیاف با پوششی محافظت می‌شوند، كه پیوستگی خوب با ماتریس داشته و نیز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذكر است كه تحقیقات متعدد، نشان می‌دهد كه رطوبت هیچگونه تاثیرات سوء شناخته‌شده‌ای را بر الیاف كربن به دنبال ندارد [21].

رفتار عمومی كامپوزیت‌های اشباع شده با آب

كامپوزیت‌های با ‌آب اشباع شده معمولاً کمی افزایش شكل‌پذیری (Ductility) در اثر نرم‌شدگی Softening)) ماتریس از خود نشان می‌دهند. این مساله را می‌توان یك جنبه سودمند از جذب آب در كامپوزیت‌های پلیمری بر‌شمرد. همچنین افت محدود مقاومت و مدول الاستیسیته می‌تواند در كامپوزیت‌های با آب اشباع شده اتفاق بیفتد. چنین تغییراتی معمولاً برگشت‌پذیر بوده و بنابر‌این به محض خشك شدن كامپوزیت‌، ممكن است اثر خواص از دست رفته مجدداً جبران شود.

شایان توجه است که افزایش فشار هیدرواستاتیک (مثلاً در مواردی كه كامپوزیت‌ها در مصارف زیر آب و یا در كف دریا به كار می‌روند)، لزوماً به جذب آب بیشتر توسط کامپوزیت و افت خواص مكانيكي آن منیجر نمی‌شوند. بدین ترتیب انتظار می‌رود كه اكثر سازه‌های پلیمری زیر‌ آب، دوام بالایی داشته باشند.  در حقیقت، تحت فشار هیدرواستاتیک، جذب آب به دلیل بسته شدن ریز‌ترك‌ها و ضایعات بین سطحی، کمی کاهش می‌یابد [22].

لازم به ذكر است كه جذب آب بر خواص عایق بودن كامپوزیت‌ها اثر می‌گذارد. حضور آب آزاد در روز تركها می‌تواند خاصیت عایق بودن کامپوزیت را به شدت کاهش دهد.

 تاثیرات حرارتی – رطوبتی

درجه حرارت، نقش تعیین‌كننده‌ای در مکانیزم جذب آب كامپوزیت‌ها و تأثیرات متعاقب برگشت‌ناپذیر آن بازی می‌كند. درجه حرارت، بر توزیع آب، میزان آن و سرعت جذب آن، تأثیر می‌گذارد. با افزایش دما، مقدار و سرعت جذب آب سریعاً افزایش می‌یابد [23]. تحقیقات نشان داده است كه ضایعات ناشی از قرار دادن کامپوزیت، در آب جوش به مدت چند ساعت، معادل جدا شدن اجزاء کامپوزیت، و ترك‌خوردگی آن در اثر قرار گرفتن آن در آب با دمای 50  به مدت 200 روز می‌باشد. در دمای معمولی اتاق، نمونه‌های كامپوزیت هیچگونه خرابی و آسیبی را بروز نداده‌اند. چنین مشاهداتی به توسعه تكنیك‌هایی برای آزمایشات تسریع شده پیرشدگی كامپوزیت‌ها منجر شده است.

محیط قلیایی

در كاربرد كامپوزیت‌های با الیاف شیشه در محیط قلیایی، ضروری است كه از الیاف شیشه با مقاومت بالای قلیایی استفاده نمود؛ زیرا محلول قلیایی با الیاف شیشه واكنش داده و ژل انبساطی سیلیکا تولید می‌كنند. این نكته به خصوص در كاربرد كامپوزیت‌های با الیاف شیشه به عنوان میلگردهای مسلح کننده بسیار حائز اهمیت می‌باشد. امروزه علاقه به استفاده از میلگردهای FRP از جنس شیشه در رویه‌های بتنی، به عنوان جانشین میلگردهای فولادی كه با نمك‌های یخ زده خورده می‌شوند، و نیز در سازه‌های در مجاورت آب افزایش یافته است. با این وجود در فرایند هیدراسیون سیمان، محلول آب با قلیائیت بالا (pH>12) شده، ایجاد می‌شود. این محلول قلیایی شدید، می‌تواند بر الیاف شیشه تاثیر گذاشته و دوام میلگردهای FRP ساخته شده با الیاف شیشه را كاهش دهد. الیاف شیشه از جنس E-glass كه اكثراً ارزان بوده و به كار گرفته می‌شوند، ممكن است مقاومت کافی در مقابل حمله قلیایی‌ها را نداشته باشند. استفاده از رزین وینیل استر با ایجاد یك مانع مؤثر، تا حدودی حمله قلیایی‌ها را كاهش می‌دهد. مقاومت در مقابل حمله قلیایی‌ها را می‌توان با طراحی عضو سازه‌ای برای تحمل سطح تنش‌های كمتر، بهبود داد. همچنین می‌توان برای بهبود دوام، از الیاف شیشه با مقاومت بسیار خوب در مقابل قلیا استفاده نمود.

شايان ذكر است كه FRP های ساخته شده از الیاف کربن و آرامید، مطلقاً در مقابل محیط‌های قلیایی از خود ضعف نشان نمی‌دهند.

تاثیر دمای پایین

تغییرات شدید دما بر كامپوزیت‌ها چندین اثر عمده به دنبال دارد. اکثر مواد با افزایش دما انبساط پیدا می‌كنند. در كامپوزیت‌های FRP با ماتریس پلیمری، ضریب انبساط حرارتی ماتریس معمولاً در رتبه بالاتری از ضریب انبساط حرارتی الیاف قرار دارد. كاهش دما ناشی از سرد شدن در ضمن مرحله ساخت و یا شرایط عملكرد کامپوزیت در دمای پایین، باعث انقباض ماتریس خواهد شد. از طرفی انقباض ماتریس با مقاومت الیاف نسبتاً سخت كه در مجاورت ماتریس قرار گرفته‌اند، روبرو می‌شود؛ كه این مساله تنش‌های پس ماندی را در ریز ساختار ماده به‌جای می‌گذارد. بزرگی تنش‌های پسماند با اختلاف دما در شرایط عمل‌‌آوری و شرایط عملكرد کامپوزیت متناسب خواهد بود. با این وجود، مگر در محیط فوق‌العاده سرد، تنش‌های پس‌ماند ایجاد شده چندان قابل توجه نخواهد بود. در جایی که تغییر دمای بسیار شدید وجود دارد (مثلاً نواحی نزدیك به قطب شمال و قطب جنوب) ممكن است تنش‌های پس‌ماند بزرگی ایجاد شود كه منجر به ایجاد ریز ترک در ماده می‌گردد. جنین ریز ترك هایی به نوبه خود سختی کامپوزیت را كاهش داده و نفوذپذیری و ورود آب از طریق لایه مرزی ماتریس و الیاف را افزایش می‌دهند و بدین ترتیب در فرایند تجزیه کامپوزیت شركت می‌كنند.

تاثیر بسیار مهم دیگر درجه حرارت‌های پایین‌تر، تغییر متناظر در مقاومت و سختی ماتریس است. اكثر مواد رزین ماتریس، با سرد شدن، سخت‌تر و مقاوم‌تر می‌شوند. چنین تغییراتی بر وضعیت شكست اثر می‌گذارد. برای مثال، نشان داده شده است كه شكست فشاری نمونه‌های استوانه‌ای کامپوزیت با قطر 38 میلیمتر در دمای 50 نسبت به شكست نمونه‌های مشابه در دمای اتاق با 6/17 درصد افزایش در مقاومت فشاری ولی شكست به صورت تردتر، همراه است [24]. بدین ترتیب جذب انرژی قبل از شكست در دمای پایین‌تر نسبت به دمای اتاق، بیشتر خواهد بود. این جنبه ویژه از نظر آزاد شدن انرژی زیاد در لحظه شكست، در طراحی كامپوزیت‌هایی كه تحت بارهای ضربه‌ای و در دمای پایین قرار می‌گیرند، باید در نظر گرفته شود.

تاثیرات سیكل‌های حرارتی در دمای پایین (یخ‌زدن- ذوب شدن)

به جز در مواردی که کامپوزیت درصد قابل توجهی حفره‌های متصل به یکدیگر پر از آب داشته باشد، تاثیرات یخ‌ زدن و ذوب شدن در محدوده دمایی متداول (30 تا20-) بر مقاومت، جزئی بوده و حائز اهمیت نیست. كامپوزیت‌های ساخته شده از فایبر‌های شیشه كه به طور متداول در دسترس هستند، در حدود 4/0 درصد حفره دارند كه اجازه یخ‌زدگی قابل توجهی را نداده و امكان هیچگونه آسیب جدی را فراهم نمی‌كند.

با این وجود، سیكل‌های حرارتی در دمای پایین اثرات دیگری را بر كامپوزیت‌ها می‌گذارد. تنش‌های پس‌ماند در مورد کامپوزیت، به دلیل تفاوت‌های موجود در ضریب انبساط حرارتی اجزاء موجود در ریز ساختار ماده، ایجاد می‌شود. در شرایط دمایی بسیار پایین، چنین تنش‌هایی می‌تواند منجر به تشكیل ریزترك‌ها در رزین ماتریس و یا در سطح مشترك رزین و فایبر شود. تغییرات رشد ریز ترک در محدوده متداول دمای بهره‌برداری (از 30+  تا20-)، معمولاً جزئی و یا حاشیه‌ای است؛ با این وجود تحت شرایط سیكل‌های حرارتی شدید، مثلاً بین60+ تا60- ، ریزترك‌ها امكان رشد و بهم پیوستن پیدا كرده كه منجر به تشکیل ترك در ماتریس و انتشار آن در ماتریس و یا در اطراف سطح مشترك ماتریس و فایبر می‌شود [25]. چنین ترك‌هایی تحت سیكل‌های حرارتی طولانی مدت، از نظر تعداد و اندازه رشد كرده كه می‌تواند منجر به زوال سختی و یا زوال سایر خواص وابسته به ماتریس گردد.

همچنین مشاهده شده است كه در دمای بسیار پایین، مقاومت كششی كلیه كامپوزیت‌های پلیمری در جهت الیاف، تمایل به كاهش دارد؛ اگرچه مقاومت‌های كششی در سایر جهات و منجمله در جهت متعامد، افزایش می‌یابد. چنین نتایجی با سخت شدن ماتریس پلیمری در دمای پایین توجیه می‌شود. از طرفی سیكل‌های حرارتی بین دمای حداکثر و حداقل در زمان طولانی، همچنین زوال مقاومت و سختی در كلیه جهات را در پی دارد. چنین تغییرات خصوصیت برای طراحی سازه‌ای در مناطق سرد، مهم تلقی می‌شوند.

تأثیر تشعشع امواج ماوراء بنفش (UV)

تاثیر نور ماوراء بنفش بر ترکیبات پلیمری كاملاً شناخته شده است. تحت تابش طولانی مدت نور خورشید، ممكن است ماتریس سخت و یا بی‌رنگ شود.  این مساله را عموماً می‌توان با بكارگیری یك پوشش مقاوم در مقابل اشعه ماوراء بنفش بر کامپوزیت، برطرف نمود. در همین ارتباط از جمله مسائل بسیار قابل توجه، زوال فیبرهای پلیمری مسلح كننده نظیر آرامید است. به عنوان مثال برای آرامید ساخته شده از الیاف نازك پس از پنج هفته قرار گرفتن در نور آفتاب فلوریدا، 50 درصد افت مقاومت گزارش شده است [26]. با این وجود این اثر معمولاً سطحی است؛ بنابراین در كامپوزیت‌های ضخیم‌تر، تأثیر  این زوال بر خصوصیات سازه‌ای جزئی است. در مواردی كه خواص سطحی نیز مهم تلقی شوند، لازم است ملاحظاتی را جهت كاهش ترك‌خوردگی سطحی تحت اشعه خورشید، منظور نمود.

استفاده از مواد FRP به عنوان مسلح‌ کننده خارجی در سازه‌ها

به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویت سازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانه طراحی، طی دو دهه اخیر تاکید فراوانی بر 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. در این میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب  FRPبه‌عنوان مسلح‌ کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر،  این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد مرکب FRP در ابتدا به‌عنوان مواد مقاوم ‌کننده خمشی برای پل‌های بتن‌آرمه و همچنین به‌عنوان محصور ‌کننده در ستون‌های بتن آرمه مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛ اما به دنبال تلاش‌های تحقیقاتی اولیه، از اواسط دهه 1980 توسعه بسیار زیادی در زمینه استفاده از مواد FRP در مقاوم‌‌سازی سازه‌های مختلف مشاهده می‌شود؛ بطوری‌که دامنه کاربردهای آن به سازه‌هایی با مصالح بنایی، چوبی و حتی فلزی نیز گسترش یافته است. تعداد موارد کاربرد مواد FRP در مقاوم ‌سازی، تعمیر و یا بهسازی سازه‌ها از چند مورد در10 سال پیش، 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 توسط مواد  FRP مقاوم شده‌اند.

مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP

مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکی از معمول‌ترین تکنیک‌ها برای بهسازی اجزاء بتن آرمه، 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 (در مورد مقاوم ‌سازی خمشی اجزاء بلند).

نوارها یا صفحات می‌توانند جایگزینی برای صفحات فولادی باشند. مواد FRP  برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرند و می‌توانند در مقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد وآماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است.

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

روش مرسوم دیگر در مقاوم ‌سازی اعضای بتن‌آرمه، استفاده از پوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشیدنی و یا فولاد می‌باشد. این روش تا جایی که مربوط به مقاومت، سختی و شکل ‌پذیری می‌شود، کاملا مؤثر است؛ اما باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود. همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر و تخلیه ساکنین است و به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه می شود. به‌عنوان یک جایگزین، صفحات FRP می‌توانند به دور اجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند. یک نکته مهم در ارتباط با مقاوم ‌سازی اعضا با استفاده خارجی از FRP آن است که باید درجه 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 دست رفتن کارایی FRP می‌شوند، حفظ گردد.

نمونه‌هایی از تقویت خمشی و برشی تیر بتن آرمه با ورقه‌های FRP

امروزه مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و برشی تیرهای بتن آرمه به كار می‌روند كه نمونه‌ای از آن در شكل 1 نشان داده شده است. در این شکل ملاحظه می‌شود كه با متصل كردن صفحات FRP  به وجه پایینی تیر ظرفیت خمشی مثبت و با متصل كردن آن به وجه بالایی تیر ظرفیت خمشی منفی حاصل می‌شود. هم‌چنین می‌توان با اتصال صفحات FRP  به دو وجه كناری تیر، ظرفیت برشی مناسبی فراهم نمود.

در شکست تیرهای بتن‌آرمه تقویت شده با صفحات FRP مکانیزم‌های مختلف شکست، از جمله گسیختگی صفحات FRP، خرد شدگی بتن، شکست برشی بتن و ترک ‌خوردگی در محل اتصال چسب با بتن، 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 ناحیه اتصال FRP و بتن از اهمیت خاصی برخوردار است. در این میان جدا شدن صفحات FRP از بتن مساله كاملا حائز اهمیت است و امروزه توجه زیادی را در دنیا به خود جلب می‌نماید. در این ارتباط به نظر می‌رسد كه استفاده از تقویت‌کننده‌های خارجی حتی به میزان کم، می‌تواند ایمنی قابل ملاحظه‌ای در 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 ستون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در همین ارتباط محصور شدگی بتن مهم‌ترین خصوصیتی است كه می توان آن را با چسباندن این مواد در اطراف ستون‌ها فراهم نمود. از طرفی استفاده از مواد کامپوزیتی FRP برای افزایش شکل پذیری اتصالات و رفتار مناسب‌تر آن در زلزله نیز بسیار مطلوب خواهد بود.

خلاصه و نتیجه ‌گیری

خوردگی اعضای سازه‌ای بتنی كه به صورت متداول با میلگردهای فولادی مسلح شده باشند، در محیط‌های خشن و خورنده یك معضل جدی محسوب می‌شود. این مساله برای اعضاء بتنی سازه‌ای در مجاورت آب و به خصوص در محیط‌های دریایی و ساحلی كه در معرض عوامل نمکی و قلیایی، آب در تماس با خاك، هوا و آب‌های زیرزمینی قرار دارند، بسیار جدی‌تر خواهد بود. این مسئله هر ساله میلیون‌ها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار می‌آورد. اگر چه تا كنون روش‌های مختلفی نظیر حفاظت كاتديك و یا پوشش قطعات فولادی و میلگرد ها با اپوکسی جهت فائق آمدن بر این مشکل به كار گرفته شده است، به نظر می‌رسد كه جانشینی كامل قطعات فولادی و میلگردهای فولادی با یك ماده  مقاوم در مقابل خوردگی، یك راه حل بسیار اساسی و بدیع، در حذف كامل خوردگی اجزاء فولادی به شمار آید.

محصولات کامپوزیتی FRP  با مقاومت بسیار عالی، در مقابل خوردگی در محیط‌های خشن و خورنده، توجه بسیاری از محققین و مهندسین در سراسر دنیا را به عنوان یك جانشین مناسب قطعات فولادی و میلگردهای فولادی در سازه‌های مجاور آب به خود جلب نموده است. اگر چه مزیت اصلی محصولات FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، خواص دیگری از آنها، نظیر مقاومت کششی بالا، مدول الاستیسیته قابل قبول، وزن كم، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، خاصیت عایق بودن و چسبندگی خوب با بتن و نیز دوام بسیار خوب از اهمیت بالایی برخوردار بوده و بر جاذبه آنها افزوده است. با این وجود بعضی از اشکالات و معایب این ماده نظیر مشكلات مربوط به خم كردن میله‌های FRP در محل آرماتوربندی، تفاوت خواص حرارتی آنها با بتن و نیز رفتار الاستیک خطی آنها تا لحظه شکست را نباید از نظر دور داشت. در مجموع، توجه بیشتر به کاربرد محصولات کامپوزیتی FRP در سازه‌های بتنی كه در محیط‌های خشن و خورنده ساخته می‌شوند، نظیر سازه‌های آبی، ساحلی و دریایی، مشخصاً از آسیب‌های زودرس و ناخواسته و شكست سازه‌های بتنی مسلح در اثر خوردگی میلگردها جلوگیری خواهد نمود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

محدودیت زمانی مجاز به پایان رسید. لطفا کد امنیتی را دوباره تکمیل کنید.