خلاصه

خوردگي قطعات فولادي در سازه‌هاي مجاور آب و نيز خوردگي ميلگردهاي فولادي در سازه‌هاي بتن آرمه اي كه در معرض محيط‌هاي خورندة كلروري و كربناتي قرار دارند، يك مسالة بسيار اساسي تلقي مي‌شود. در محيط‌هاي دريايي و مرطوب وقتي كه يك سازة بتن‌آرمة معمولي به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظير نمك‌ها، اسيد‌ها و كلرورها قرار گيرد، ميلگردها به دليل آسيب ديدگي و خوردگي، قسمتي از ظرفيت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهاي زنگ زده بر پوستة بيروني بتن فشار مي‌آورد كه به خرد شدن و ريختن آن منتهي مي‌شود. تعمير و جايگزيني اجزاء فولادي آسيب ديده و نيز سازة بتن آرمه‌اي كه به دليل خوردگي ميلگردها آسيب ديده است، ميليون‌ها دلار خسارت در سراسر دنيا به بار آورده است. به همين دليل سعي شده كه تدابير ويژه‌اي جهت جلوگيري از خوردگي اجزاء فولادي و ميلگرد‌هاي فولادي در بتن اتخاذ گردد كه از جمله مي‌توان به حفاظت كاتديك اشاره نمود. با اين وجود براي حذف كامل اين مساله، توجه ويژه اي به جانشيني كامل اجزاء و ميلگردهاي فولادي با يك مادة جديد مقاوم در مقابل خوردگي معطوف گرديده است. از آن‌جا كه كامپوزيت‌هاي FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در مقابل محيط‌هاي قليايي و نمكي مقاوم هستند كه در دو دهة اخير موضوع تحقيقات گسترده‌اي جهت جايگزيني كامل با قطعات و ميلگردهاي فولادي بوده‌اند. چنين جايگزيني بخصوص در محيط‌هاي خورنده نظير محيط‌هاي دريايي و ساحلي بسيار مناسب به نظر مي‌رسد. در اين مقاله مروري بر خواص، مزايا و معايب مصالح كامپوزيتي FRP صورت گرفته و قابليبت كاربرد آنها به عنوان جانشين كامل فولاد در سازه‌هاي مجاور آب و بخصوص در سازة بتن آرمه، به جهت حصول يك سازة كاملاً مقاوم در مقابل خوردگي، مورد بحث قرار خواهد گرفت.

1 – مقدمه

بسياري از سازه‌هاي بتن آرمة موجود در دنيا در اثر تماس با سولفاتها، كلريدها و ساير عوامل خورنده، دچار آسيب‌هاي اساسي شده‌اند. اين مساله هزينه‌هاي زيادي را براي تعمير، بازسازي و يا تعويض سازه‌هاي آسيب ‌ديده در سراسر دنيا موجب شده است. اين مساله و عواقب آن گاهي نه تنها به عنوان يك مسالة مهندسي، بلكه به عنوان يك مسالة اجتماعي جدي تلقي شده است ]1[. تعمير و جايگزيني سازه‌هاي بتني آسيب‌ديده ميليون‌ها دلار خسارت در دنيا به دنبال داشته است. در امريكا، بيش از 40 درصد پلها در شاهراهها نياز به تعويض و يا بازسازي دارند ]2[. هزينة بازسازي و يا تعمير سازه‌هاي پاركينگ در كانادا، 4 تا 6 ميليارد دلار كانادا تخمين زده شده است ]3[. هزينة تعمير پلهاي شاهراهها در امريكا در حدود 50 ميليارد دلار برآورد شده است؛ در حاليكه براي بازسازي كلية سازه‌هاي بتن آرمة آسيب‌ديده در امريكا در اثر مسالة خوردگي ميلگردها، پيش‌بيني شده كه به بودجة نجومي 1 تا 3 تريليون دلار نياز است ]3[ !

از مواردي كه سازه‌هاي بتن آرمه به صورت سنتي مورد استفاده قرار مي‌گرفته، كاربرد آن در مجاورت آب و نيز در محيط‌هاي دريايي بوده است. تاريخچه كاربرد بتن آرمه و بتن پيش‌تنيده در كارهاي دريايي به سال 1896 بر مي‌گردد ]4[. دليل عمدة اين مساله، خواص ذاتي بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابليت كاربرد آن چه در بتن‌ريزي در جا و چه در بتن پيش‌تنيده بوده است. با اين وجود شرايط آب و هوايي و محيطي خشن و خورندة اطراف سازه‌هاي ساحلي و دريايي همواره به عنوان يك تهديد جدي براي اعضاء بتن آرمه محسوب گرديده است. در محيط‌هاي ساحلي و دريايي، خاك، آب زيرزميني و هوا، اكثراً حاوي مقادير زيادي از نمكها شامل تركيبات سولفور و كلريد هستند.

در يك محيط دريايي نظير خليج فارس، شرايط جغرافيايي و آب و هوايي نامناسب، كه بسياري از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجة حرارت‌هاي بالا و نيز رطوبت‌هاي بالا همراه شده كه نتيجتاً خوردگي در فولادهاي به كار رفته در بتن آرمه كاملاً تشديد مي‌شود. در مناطق ساحلي خليج فارس، در تابستان درجة حرارت از 20 تا 50 درجة سانتيگراد تغيير مي‌كند، در حاليكه گاه اختلاف دماي شب و روز، بيش از 30 درجة سانتيگراد متغير است. اين در حالي است كه رطوبت نسبي اغلب بالاي 60 درصد بوده و بعضاً نزديك به 100 درصد است. به علاوه هواي مجاور تمركز بالايي از دي‌اكسيد گوگرد و ذرات نمك دارد [5]. به همين جهت است كه از منطقة دريايي خليج فارس به عنوان يكي از مخرب‌ترين محيط‌ها براي بتن در دنيا ياد شده است [6]. در چنين شرايط، ترك‌ها و ريزترك‌هاي متعددي در اثر انقباض و نيز تغييرات حرارتي و رطوبتي ايجاد شده، كه اين مساله به نوبة خود، نفوذ كلريدها و سولفاتهاي مهاجم را به داخل بتن تشديد كرده، و شرايط مستعدي براي خوردگي فولاد فراهم مي‌آورد [7-9]. به همين جهت بسياري از سازه‌‌هاي بتن مسلح در نواحي ساحلي ايران نظير سواحل بندرعباس، در كمتر از 5 سال از نظر سازه‌اي غير قابل استفاده گرديده‌اند.

نظير اين مساله براي بسياري از سازه‌هاي در مجاورت آب، كه در محيط دريايي و ساحلي قرار ندارند نيز وجود دارد. پايه‌هاي پل، آبگيرها، سدها و كانال‌هاي بتن آرمه نيز از اين مورد مستثني نبوده و اغلب به دليل وجود يون سولفات و كلريد، از خوردگي فولاد رنج مي‌برند.

2 – راه حل مساله

تكنيك‌هايي چند، جهت جلوگيري از خوردگي قطعات فولادي الحاقي به سازه و نيز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است كه از بين آنها مي‌توان به پوشش اپوكسي بر قطعات فولادي و ميلگردها، تزريق پليمر به سطوح بتني و حفاظت كاتديك ميلگردها اشاره نمود. با اين وجود هر يك از اين تكنيك‌ها فقط تا حدودي موفق بوده است [10]. براي حذف كامل مساله، توجه محققين به جانشين كردن قطعات فولادي و ميلگردهاي فولاي با مصالح جديد مقاوم در مقابل خوردگي، معطوف گرديده است.

مواد كامپوزيتي (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادي بسيار مقاوم در مقابل محيط‌هاي خورنده همچون محيط‌هاي نمكي و قليايي هستند. به همين دليل امروزه كامپوزيتهاي FRP، موضوع تحقيقات توسعه‌اي وسيعي به عنوان جانشين قطعات و ميلگردهاي فولادي و كابلهاي پيش‌تنيدگي شده‌اند. چنين تحقيقاتي به خصوص براي سازه‌هاي در مجاورت آب و بالاخص در محيط‌هاي دريايي و ساحلي، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

3 – ساختار مصالح FRP

مواد FRP از دو جزء اساسي تشكيل مي‌شوند؛ فايبر (الياف) و رزين (مادة چسباننده). فايبرها كه اصولاً الاستيك، ترد و بسيار مقاوم هستند، جزء اصلي باربر در مادة FRP محسوب مي‌شوند. بسته به نوع فايبر، قطر آن در محدودة 5 تا 25 ميكرون مي‌باشد [11].

رزين اصولاً به عنوان يك محيط چسباننده عمل مي‌كند، كه فايبرها را در كنار يكديگر نگاه مي‌دارد. با اين وجود، ماتريس‌هاي با مقاومت كم به صورت چشمگير بر خواص مكانيكي كامپوزيت نظير مدول الاستيسيته و مقاومت نهايي آن اثر نمي‌گذارند. ماتريس (رزين) را مي‌توان از مخلوط‌هاي ترموست و يا ترموپلاستيك انتخاب كرد. ماتريس‌هاي ترموست با اعمال حرارت سخت شده و ديگر به حالت مايع يا روان در نمي‌آيند؛ در حاليكه رزين‌هاي ترموپلاستيك را مي‌توان با اعمال حرارت، مايع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزين‌هاي ترموست مي‌توان از پلي‌استر، وينيل‌استر و اپوكسي، و به عنوان رزين‌هاي ترموپلاستيك از پلي‌وينيل كلريد (PVC)، پلي‌اتيلن و پلي پروپيلن (PP)، نام برد [3].

فايبر ممكن است از شيشه، كربن، آراميد و يا وينيلون باشد كه در اينصورت محصولات كامپوزيت مربوطه به ترتيب به نامهاي GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته مي‌شود. در ادامه شرح مختصري از بعضي از فايبرهاي متداول ارائه خواهد شد.

3-1- الياف شيشه

فايبرهاي شيشه در چهار دسته طبقه‌بندي مي‌شوند [10]؛

1 –E-Glass: متداول ترين الياف شيشه در بازار با محتواي قليايي كم، كه در صنعت ساختمان به كار مي‌رود، (با مدول الاستيسيتة ، مقاومت نهايي ، و كرنش نهايي ).

2 –Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حملة قليائيها، كه در توليد بتن اليافي به كار گرفته مي‌شود.

3 –A-Glass: با مقادير زياد قليايي كه امروزه تقريباً از رده خارج شده است.

4 –S-Glass: كه در تكنولوژي هوا-فضا و تحقيقات فضايي به كار گرفته مي‌شود و مقاومت و مدول الاستيسيتة بسيار بالايي دارد، ( و ).

3-2- الياف كربن

الياف كربن در دو دسته طبقه‌بندي مي‌شوند؛

1- الياف كربني از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تيپ I كه تردترين آنها با بالاترين مدول الاستيسيته محسوب مي‌شود.( و ).