مقاله کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه و بررسی دوام آنها

دانلود تحقیق و مقالات رشته عمران با عنوان دانلود مقاله کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه و بررسی دوام آنها در قالب ورد و قابل ویرایش و در ۴۰ صفحه گرد آوری شده است. در زیر به مختصری از آنچه شما در این فایل دریافت می کنید اشاره شده است.

دانلود مقاله کاربرد کامپوزیت‌ های FRP در سازه‌ های بتن آرمه و بررسی دوام آنها

خلاصه

خوردگی قطعات فولادی در سازه‌های مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهای فولادی در سازه‌های بتن آرمه ای که در معرض محیط‌های خورنده کلروری و کربناتی قرار دارند، یک مساله بسیار اساسی تلقی می‌شود. در محیط‌های دریایی و مرطوب وقتی که یک سازه بتن‌آرمه معمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمک‌ها، 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 که به خرد شدن و ریختن آن منتهی می‌شود. تعمیر و جایگزینی اجزاء فولادی آسیب دیده و نیز سازه بتن آرمه‌ای که به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است، میلیون‌ها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار آورده است. به همین دلیل سعی شده که تدابیر ویژه‌ای جهت جلوگیری از خوردگی اجزاء فولادی و میلگرد‌های فولادی در بتن اتخاذ گردد که از جمله می‌توان به حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود برای حذف کامل این مساله، توجه ویژه ای به جانشینی کامل اجزاء و میلگردهای فولادی با یک ماده جدید مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است.  از آن‌جا  که  کامپوزیت‌های FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در مقابل محیط‌های قلیایی و نمکی مقاوم هستند که در دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گسترده‌ای جهت جایگزینی کامل 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 قابلیبت کاربرد آنها به عنوان جانشین کامل فولاد در سازه‌های مجاور آب و بخصوص در سازه بتن آرمه، به جهت حصول یک سازه کاملاً مقاوم در مقابل خوردگی، مورد بحث قرار خواهد گرفت.

مقدمه

بسیاری از سازه‌های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، 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 مساله مهندسی، بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی شده است ]۱[. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریکا، بیش از ۴۰ درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند ]۲[. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در کانادا، ۴ تا ۶ میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است ]۳[. هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در امریکا در حدود ۵۰ میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیکه برای بازسازی کلیه سازه‌های بتن آرمه آسیب‌دیده در امریکا در اثر مساله خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده که به بودجه نجومی ۱ تا ۳ تریلیون دلار نیاز است ]۳[ !

از مواردی که سازه‌های بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار می‌گرفته، کاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیط‌های دریایی بوده است. تاریخچه کاربرد بتن آرمه و بتن پیش‌تنیده در کارهای دریایی به سال ۱۸۹۶ بر می‌گردد ]۴[. دلیل عمده این مساله، خواص ذاتی بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابلیت کاربرد 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، خاک، آب زیرزمینی و هوا، اکثراً حاوی مقادیر زیادی از نمکها شامل ترکیبات سولفور و کلرید هستند.

در یک محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، که بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجه حرارت‌های بالا و نیز رطوبت‌های 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 ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد تغییر می‌کند، در حالیکه گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از ۳۰ درجه سانتیگراد متغیر است. این در حالی است که رطوبت نسبی اغلب بالای ۶۰ درصد بوده و بعضاً نزدیک به ۱۰۰ درصد است. به علاوه هوای مجاور تمرکز بالایی از دی‌اکسید گوگرد و ذرات نمک دارد [۵]. به همین جهت است که از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده است [۶]. در چنین شرایط، ترک‌ها و ریزترک‌های متعددی در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد شده، که این مساله به نوبه خود، نفوذ کلریدها و سولفاتهای مهاجم را به داخل بتن تشدید کرده، و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم می‌آورد [۷-۹]. به همین جهت بسیاری از سازه‌‌های بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحل بندرعباس، در کمتر از ۵ سال از نظر سازه‌ای غیر قابل استفاده گردیده‌اند.

نظیر این مساله برای بسیاری از سازه‌های در مجاورت آب، که در محیط دریایی و ساحلی قرار ندارند نیز وجود دارد. پایه‌های پل، آبگیرها، سدها و کانال‌های 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

تکنیک‌هایی 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 که از بین آنها می‌توان به پوشش اپوکسی بر قطعات فولادی و  میلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت کاتدیک میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یک از این تکنیک‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است [۱۰]. برای حذف کامل مساله، توجه محققین به جانشین کردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای 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 کابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های در مجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

فهرست مطالب

خلاصه ۵
۱ – مقدمه ۷
۲ – راه حل مساله ۹
۳ – ساختار مصالح FRP 10
۳-۱- الیاف شیشه ۱۱
فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند ۱۱
۳-۲- الیاف کربن ۱۱
الیاف کربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند ۱۱
۳-۳- الیاف آرامید ۱۲
۴- انواع محصولات FRP 12
۵– میله‌های کامپوزیتی FRP 14
۶ – مشخصات اساسی محصولات کامپوزیتی FRP 15
۶-۱- مقاومت در مقابل خوردگی ۱۵
۶-۲- مقاومت ۱۶
۶-۳- مدول الاستیسیته ۱۶
۶-۴- وزن مخصوص ۱۶
۶-۵- عایق بودن ۱۷
۶-۶- خستگی ۱۷
۶-۷- خزش ۱۷
۶-۸ – چسبندگی با بتن ۱۸
۶-۹- خم شدن ۱۸
۶-۱۰- انبساط حرارتی ۱۸
۷- دوام کامپوزیت‌های FRP 19
مکانیزم‌هایی که دوام کامپوزیت‌ها را کنترل می‌کنند عبارتند از : ۱۹
۱) تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر ۱۹
۲) از دست رفتن چسبندگی بین فایبر و ماتریس ۱۹
۳) کاهش در مقاومت و سختی فایبر ۱۹
۷-۱- پیر شدگی فیزیکی ماتریس پلیمر ۲۰
۷-۲- تأثیر رطوبت ۲۱
الف- تأثیر رطوبت بر ماتریس پلیمری ۲۱
ب – تأثیر رطوبت بر فایبر‌ها ۲۳
ج- رفتار عمومی کامپوزیت‌های اشباع شده با آب ۲۳
۷-۳- تأثیرات حرارتی – رطوبتی ۲۴
۷-۴- محیط قلیایی ۲۵
۷-۵- تأثیر دمای پائین ۲۵
۷-۶- تأثیرات سیکل‌های حرارتی در دمای پایین (یخ‌زدن- ذوب شدن) ۲۷
۷-۷- تأثیر تشعشع امواج ماوراء بنفش (UV) 28
۸- استفاده از مواد FRP به عنوان مسلح‌ کننده خارجی در سازه‌ها ۲۹
مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP 29
مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان.. ۳۰
۹ – خلاصه و نتیجه ‌گیری ۳۴
۱۰- مراجع ۳۶