مقاومت به خوردگی در ساختمان و اهمیت میلگرد های کامپوزیتی
بزرگترین سهم بازار مصرف مواد مرکب (کامپوزیت) در اختیار صنعت ساختمان است. در این میان آرماتورهای کامپوزیتی به میزان وسیعی در ساختمانسازی بهویژه احداث بناهای ساحلی و یا سازههای مستقرشده در شرایط اقلیمی خوردنده کاربرد یافتهاند. گسترش تکنولوژی ساخت این آرماتورها میتواند علاوه بر مرتفع ساختن نیاز صنعت ساختمان، راهگشای تولید انواع محصولات در صنایع دیگر همچون وسایل ورزشی، خودرو و غیره باشد.
استفاده از آرماتورهای کامپوزیتی چه مزایایی دارد؟: دلیل عمده استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدیده خوردگی و افزایش میرایی ارتعاشات ایجاد شده در سازه در برابر ارتعاش میباشد. هر چند که استفاده از میلگردهای FRP به جای نمونههای فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این میلگردها، مساله کاهش وزن اهمیت ناچیزی نسبت به دو مورد بیانشده دارد. دلیل بالا بودن ضریب میرایی کامپوزیتها، خواص غیرکشسان آنهاست که انرژی جذب شده را میرا میکنند. در حالی که مواد فلزی حالت کشسان داشته و انرژی جذب شده را میرا نمینمایند. بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزهها خواهند بود.
بکارگیری میلگردهای FRP به جای فلزی، بهطور قابل ملاحظهای از زیانهای ناشی از بروز خوردگی جلوگیری میکند. ظهور تخریب ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلحشده با میلگرد فلزی بدین گونه است که نخست میلههای فلزی داخل بتن دچار زنگزدگی شده و اکسید میشوند. سپس این اکسیدها به سمت سطح بیرونی بتن شروع به مهاجرت کرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بین رفتن آن میشوند. بدین ترتیب با خوردهشدن دو جزء فلزی و بتنی سازه، زمینه تخریب کامل سازه بتنی فراهم میگردد. روشهای سنتی گذشته مانند چسباندن صفحات فلزی بر روی سازه یا اضافه کردن ضخامت بتن جهت مقابله با پدیده خوردگی ضمن آنکه مشکل خوردگی فلز را مرتفع نخواهد نمود، سبب افزایش وزن سازه و آسیبپذیرترشدن آن در برابر زلزله نیز خواهد شد. جهت جلوگیری از این امر میتوان با تقویت سطح خارجی سازه بتنی توسط مواد مرکب و استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، هم مشکل خوردگی فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوی مختل شدن کارایی سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت که این بهترین روش مقابله با پدیده خوردگی در یک سازه بتنی میباشد.
کشور ما نیاز بسیار گستردهای به استفاده از کامپوزیتها در قالب آرماتورهای کامپوزیتی دارد. هماکنون بسیاری از سازههای بنا شده در محیطهای خورنده مناطق مختلف کشور همچون پلهای دریاچه ارومیه و یا ساختمانهای جنوب کشور دچار معضل خوردگی هستند که استفاده از کامپوزیتها میتواند پاسخگوی مشکل این قبیل سازهها باشد.
تکنولوژی تولید آرماتورهای کامپوزیتی چیست و لزوم توجه به آن را چگونه ارزیابی میکنید؟: میلگردهای FRP به روش پالتروژن ساخته میشوند. در این روش دستهای از الیاف پس از آغشتهشدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را بهوجود میآورند. از عمدهترین مزایای روش پالتروژن چندمنظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف است. به عبارتی صرفاً با تغییر قالب دستگاه میتوان علاوه بر محصولاتی که در صنعت ساختمان کاربرد دارد، همانند انواع آرماتورها، محصولات گوناگون دیگری در حوزههای مختلف از جمله تسمههای ماشین نساجی، ریلها، محافظ اتوبانها، چارچوب پنجرهها و درها، تیرهای با مقطع I شکل، نبشیها و غیره تولید نمود. عمر محصولات پالتروژنی بسیار بالاست و سرعت تولید یک محصول پالتروژنی نیز نسبتاً زیاد است. از نظر قیمت نیز با وجود اینکه یک تیر پالتروژنی قیمت ظاهری بیشتری نسبت به نمونه مشابه آهنی دارد لیکن مقاومت خوب آن در مصارف خاص ضدخوردگی و زلزله و عمر بالای آن میتواند توجیهگر قیمت اولیه بالای آن باشد. در مصارف عمومی مانند ساخت سازهها اگر نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و زلزله وجود داشته باشد، استفاده از تیرهای پالتروژنی میتواند توجیه اقتصادی نیز داشته باشد.
. این دستگاه ساختار بسیار پیچیدهای ندارد و میتوان در صورت نیاز از طریق ارتباط با کشورهای خارجی اقدام به انتقال تکنولوژی آن به کشور نمود. نوع غربی آن حدود 350 تا 400 هزار دلار قیمت دارد و نوع روسی و چینی آن با قیمت ارزانتر، تقریباً با نصف این هزینه قابل تهیه میباشند
کامپوزیت ها یا چندسازه های
از اولین کامپوزیت ها یا همان چندسازه های ساخت بشر می توان به کاه گل اشاره کرد. قایق هایی که سرخ پوست ها با قیر و بامبو می ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم بز ساخته می شدمد و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است، از کامپوزیت های نخستین هستند.
بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی، راکتورسازی، الکترونیکی و غیره نمی تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده، برآورده شود. اما قسمتی از آن نیازها، می تواند با استفاده از چند ساه ها یا کامپوزیتها برآورده گردد. چندسازه ها به موادی گفته می شود که از مخلوطی از دو یا چند عنصر ساخته شده باشند. درحالیکه در چندسازه ها، نه فقط خواص هر یک از اجزاء آن برجا باقی می ماند، بلکه درنتیجه پیوستن آنها با یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر هم بدست می آید. مواد مختلط همیشه ناهمگن می باشد.
بررسیها و تحقیقات برای دست یافتن به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر، همواره انجام می گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت صنایع دنبال می گردد. در این بررسیها، اغلب این هدف دنبال می شود که به موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی دست یابند.
انواع چندسازه ها را می توان به گروههای زیر طبقه بندی نمود:
1- کامپوزیت های پایه پلیمری: این مواد اهمیت صنعتی فراوانی دارد و هنوز هم تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. مواد مصنوعی تقویت شده با الیاف شیشه (فایبرگلاس ها) یکی از این مواد می باشد که تاکنون کاربرد صنعتی وسیعی پیدا کرده است.
2- کامپوزیت های پایه فلزی
3- کامپوزیت های پایه سرامیکی
کامپوزیت های پایه پلیمری بیش از 90% کاربرد کامپوزیت ها را به خود اختصاص داده اند و از بقیه مهمتر هستند. سابقه استفاده از کامپوزیت های پیشرفته، به دهه 1940 بازمی گردد. در آن زمان ارتش های آمریکا و شوروی سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر، موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور/ رزین اپوکسی برای استفاده در صنعت هوا فضا شدند. 20 تا 30 سال پس از آن، کامپوزیت های پایه پلیمری به طور گسترده ای به سوی صنایع شهری از جمله ساختمان و حمل و نقل روی آوردند. به طور مثال امروزه خودروهایی ساخته می شود که تماماْْ کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیت ها در این کاربرد به علت ویژگی هایی چون وزن کمتر، درنتیجه سوخت کمتر و عمر طولانی تر آنهاست. با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت های پایه پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط های خورنده، این کامپوزیت ها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده اند که از آن جمله می توان به ساخت بدنه قایق ها و کشتی ها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیت ها در این صنعت، حدود 60% صرفه جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری این مواد است.
صنعت ساختمان پرمصرف ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است.استخرهای شنا، وان حمام، سینک ظرفشویی و دست شویی، کف پوش، نماپوش، سقف پوش، برج های خنک کننده و … همگی کامپوزیت های پایه پلیمری هستند. سبکی، سهولت شکل دهی، مقاوت در برابر خوردگی و قابلیت آب بندی، از ویژگی های کامپوزیت هایی است که در صنعت ساختمان به کار می رود. فایبرگلاس یا الیاف شیشه که پرکاربردترین کامپوزیت ها هستند، فیبرها یا الیاف ساخت بشر است که در آن ، ماده ی تشکیل دهنده ی فیبر، شیشه است. الیاف شیشه ها، موارد استفاده های فراوانی از جمله در: ساخت بدنه ی خودروها و قایق های تندرو و مسابقه ای، کلاه ایمنی موتورسواران، عایقکاری ساختمانها و کوره ها و یخچالها و … دارند. ساختمان و اندازه ی این الیاف شیشه ها بسیار متغیر است. کوچکترین آنها به وسیله ی چشم غیر مسلح دیده نمی شود و بسیار ریز هستند. اندازه های کمی بزرگتر از آن ذراتی هستند که در کارخانجات ساخت فرآورده های الیاف شیشه ها به کمک هوا نقل و انتقال یافته و سبب شوزش پوست و بینی و گلو می شود. الیاف شیشه متداولترین الیاف مصرفی کامپوزیت ها در دنیا و ایران است که متاسفانه در ایران ساخته نمی شود. انواع الیاف شیشه عبارتند از انواع E , C , S و کوارتز. ترکیب الیاف شیشه نوع E یا الکتریکی ، از جنس آلومینوبور و سیلیکات کلسیم بوده و دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالایی است. الیاف شیشه نوع S ، تقریباْْ 40 درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع Eدارند. الیاف شیشه نوع C یا الیاف شیشه شیمیایی، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری به خصوص در محیط های اسیدی دارد. الیاف شیشه کوارتز، بیشتر در مواردی که خاصیت دی الکتریک پایین نیاز باشد، مانند پوشش آنتن ها و یا رادارهای هواپیما استفاده می شوند.
کامپوزیتها در مهندسی عمران
پانل های GRP (پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه)
برخی از سازه های بزرگراهی که از عرشه های بتنی مهار شده توسط تیرهای فولادی تشکیل شده اند، در طول عمرشان چندین بار رنگ آمیزی میشوند. تعمیر، نگهداری و رنگ آمیزی این تیرهای فولادی به ویژه در پل های قدیمی بلند که دسترسی به آنها مشکل است، بسیار هزینه بر است. استفاده از پانل های کامپوزیتی GRP روشی مناسب برای کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری این سازه هاست. این پانل ها از روش هایی همچون لایه چینی دستی و پالتروژن ساخته میشوند. پل وینتر بروک بر روی رودخانه تایمز در انگلستان نمونه ای از کاربرد این پانل هاست. دسترسی دائمی به این پانل ها برای بازبینی و تعمیر و نگهداری بسیار آسان است.
پل های عابر پیاده
پل های عابر پیاده ساخته شده از مواد کامپوزیتی، نمونه های بارز گسترش کاربرد کامپوزیت های GRP در صنعت عمران هستند. چندین پل عابر پیاده مشهور جهان در دهه اخیر با استفاده از کامپوزیت ها ساخته شده اند. پل عابر پیاده باشگاه گلف ابرفلدی بر روی رودخانه تای در اسکاتلند در سال 1992 تکمیل شده است. سازه کابل مهار این پل با طول بیش از 113 متر نخستین پل مهمی بود که به طور کامل از FRP و به روش پالتروژن ساخته شد. پل فایبر لاین در دانمارک، با استفاده از مقاطع استاندارد GRP های پالتروژن شده ساخته شده است. این پل بر روی یک مسیر راه آهن دو ریله کشیده شده و کابل مهاری آن 40 متر طول دارد. برای سادگی حمل و نقل، سازه اصلی این پل در دو بخش در کارخانه ساخته شده و به محل موردنظر انتقال داده شد. موشل پل عابر پیاده دیگری است که به صورت تمام کامپوزیتی طراحی شده و در پایان سال 2000 روی رودخانه تایمز نصب شده است. طرح کامپوزیتی پیشنهاد شده برای این پل، هم در اسکلت پل و هم در فونداسیون های آن حدود 10 برابر سبک تر از نمونه فلزی آن است و باتوجه به هزینه های تعمیر و نگهداری، کل هزینه این پل کامپوزیتی حدود 10 تا 15 درصد کمتر از نمونه فلزی است.
تقویت سازه ها
جدای از ساخت سازه های تمام کامپوزیتی، در صنایع گوناگون ازجمله صنعت ساختمان، کامپوزیت ها برای مقاوم سازی و ترمیم سازه های گوناگون چوبی، فلزی، بتنی و غیره نیز به کار گرفته میشوند. استفاده از مواد کامپوزیتی برای تقویت و احیای پل ها و ساختمان ها در اروپا، آمریکا، کانادا و آسیا به فعالیتی سودآور تبدیل شده و جای روش های سنتی تعمیر و تقویت را گرفته است. امروزه کاربرد عمده کامپوزیت در صنعت ساختمان، استفاده از صفحات پلاستیک تقویت شده با الیاف کربن ( CFRP) به صورت پالترود شده یا الیاف پیش آغشته (پری پرگ)، برای افزایش ظرفیت خمشی و برشی سازه های موجود است. اینگونه ورقهای کامپوزیتی در اغلب کشورهای جهان از جمله انگلستان، وجود داشته و جای مواد سنتی را در تقویت و احیای سازه ها گرفته اند؛ چرا که جدای از استحکام و مقاومت، از نظر هزینه نیز قابل رقابت با مواد سنتی هستند. در 18 ماه گذشته، بیش از 100 پل و سازه دیگر در انگلستان توسط صفحات CFRP تقویت شده اند.
در کار پژوهشی گسترده ای که در انگلستان انجام شده است، اثبات شد که به کارگیری صفحات کامپوزیتی CFRP نسبت به صفحات فلزی اقتصادی تر است. این روش در محدوده گسترده ای از انواع سازه های بتنی، مصالح ساختمانی، سازه های چوبی فلزی و غیره کاربرد دارد و میتوان از آن برای افزایش مقاومت خمشی و برشی سازه ها، حل مشکلات تغییر مکان در ساختمانها، تقویت آنها در برابر بارهای ارتعاشی ناشی از زلزله و باد و غیره استفاده کرد.
پل معروف هایث در آکسفورد، یک سازه فلزی است که در سال 1874 ساخته شده است. این پل با اتصال صفحات CFRP پیش تنیده تقویت شده و کاربری آن از 5/7 تن به 40 تن افزایش داده شده است. این نمونه، نخستین کاربرد این نوع صفحات در تقویت سازه های فلزی در جهان بود. اگرچه رای تقویت این سازه، اتصال صفحات فلزی و CFRP هردو پیشنهاد شد و کاربرد نیز داشت، اما در دراز مدت و برای پروژه های بزرگ، روش CFRP هزینه کمتری در بر خواهد داشت.
پل کانال ردمایل
کاربرد دیگر صفحات CFRP برای ارتعاشات، به ویژه در پل های آهنی است که صفحات با مدول بالا استفاده می شود در انگلستان دو پل آهنی با این صفحات مدول بالا که از روش پیش آغشته سازی (پری پرگ) تهیه شده اند، تقویت شده است. مدول این صفحات از 360 تا 400 گیگا پاسکال تغییر می کند. به علت مدول بال، ضخامت این صفحات نسبت به صفحات فلزی مشابه کمتر است. یک نمونه موفق از کاربرد این صفحات پل ردمایل است. ضخامت صفحات به کار گرفته شده در این پروژه 10 تا 14 میلی متر است. ضخامت 14 میلی متر در مرکز استفاده شده و به تدریج به سمت دو انتها، ضخامت کم شدهو به زیر 2 تا 3 میلی متر میرسد. البته با توجه به گران و پرهزینه بودن این صفحات با مدول بالا، میتوان از صفحات معمولی تهیه شده به روش پالتروژن با مدول 160 تا 200 با ضخامتی بیشتر تا حدود 30 میلی متر بهره جست.
پل کانال اسلتکس
این پل، فلزی و مربوط به سال 1936 است و به تازگی با استفاده از صفحات CFRP، ظرفیت آن از 17 تن به 40 تن افزایش داده شده است. در واقع هزینه بالای روش های سنتی برای انجام تقویت، علت اصلی گزینش این روش بود. این پل از نخستین پل های بزرگراهی تقویت شده با صفحات CFRP در اروپا است.
صفحات مورد استفاده دارای ضخامت 4 میلی متر و طول 5/7 متر بودند و روی تیرهای فلزی نصب شدند.
تقویت ستون ها
تقویت خارجی ستون های موجود با استفاده از کامپوزیت ها، برای افزایش ظرفیت های برشی، فشاری، خمشی و مقاومت در برابر ضربه، به طور گسترده ای در صنعت ساختمان به کار گرفته میشود. این روش برای اصلاح مقاومت لرزه ای ستون های پل ها و ساختمان ها در کشورهای گوناگون از جمله آمریکا، کانادا و ژاپن گسترش داده شده و به اثبات رسیده است. در سال های اخیر بر روی بیش از 150 روش در ژاپن، کانادا و آمریکا کار شده است. در انگلستان نیز، پیچیدن FRP دور ستون های پل های بزرگراه ها برای افزایش مقاومت برشی، خمشی و ضربه ای آنها آزمایش شده است. این روش برای افزایش ظرفیت باربری ستون های پارکینگ ها نیز به کار گرفته شده است.
18