روش آزمایش استاندارد برای تعیین مقاومت خمشی ملات سیمان هیدرولیکی

آزمایش شماره 4                                                              ASTM C348-86

روش آزمایش استاندارد برای تعیین مقاومت خمشی ملات سیمان هیدرولیکی

1-   دامنه کاربرد

1-1-        در این آزمایش روش تعیین مقاومت خمشی ملات سیمان شرح داده شده است.

2-       خلاصه روش آزمایش

2-1-        ملات مورد استفاده از یک قسمت وزنی سیمان و 75/2 قسمت وزنی ماسه ساخته می شود. برای سیمان پرتلند یا سیمان پرتلند هوازا نسبت های آب به سیمان مشخصی استفاده می شود.برای سیمان های دیگر مصرف آب باید به اندازه ای باشد که با 25 ضربه میزان سیلان، ملات به اندازه 5±110 سیلان پیدا کند. نمونه های آزمایش منشورهایی به ابعاد 160×40×40 میلیمتر می باشند که در دو لایه در قالب ریخته و کوبیده می شوند. نمونه ها یک روز در قالب و سپس تا موقع آزمایش خارج از قالب نگهداری می شوند.

3-       اهمیت و کاربرد

3-1-        این روش برای تعیین مقاومت خمشی ملات سیمان به کار می رود.پس از شکستن نمونه های خمشی می توان طبق استاندارد ASTM C349 از قطعات آنها برای تعیین مقاومت فشاری ملات استفاده نمود.

3-2-        مقادیر به دست آمده از این آزمایش صرفاَ برای تحقیق می باشند و برای تطبیق ملات با مشخصات خاصی به کار نمی روند.

4-       وسایل مورد نیاز

4-1-        خط کش،ترازو،الک،ظروف شیشه ای مدرج،مخلوط کن.

4-2-        میز سیلان و قالب سیلان.

4-3-        قالب های ساخت نمونه – قالب ها باید برای ساخت نمونه های منشوری به ابعاد 40×40×160 میلیمتر طرح شده باشند. هر قالب باید دارای سه قسمت برای سه نمونه منشوری بوده و طوری طرح شده باشد که محورهای طولی نمونه های قالب گیری شده در حالت افقی قرار بگیرند.

4-4-        تخماق – این وسیله از جنس ماده ای نفوذناپذیر و مقاومدر برابر سائیدگی مانند ترکیبات لاستیک ساخته می شود. سرتخماق باید دارای ابعاد 32×83 میلیمتر باشد.

4-5-        هادی تخماق – هادی تخماق باید از فلزی که به ملات سیمان نمی چسبد ساخته شده و به صورت تخت روی قالب بخوابد. هادی تخماق نباید بیش از 38/0 میلیمتر از لبه های خارجی قالب بیرون بزند. ارتفاع هادی 25 میلیمتر می باشد.

4-6-        ماله – باید دارای سطحی به ابعاد 114×254 میلیمتر بودهولبه های آنمستقیم باشد.

4-7-        دستگاه آزمایش خمش – برای ایجاد خمش روی نمونه های منشوری از روش بارگذاری در وسط نمونه استفاده می شود. دستگاهی که برای آزمایش خمش ملات سیمان به کار می رود باید با درنظر گرفتن شرایط زیر طراحی شده باشد.

4-7-1- در دستگاه بارگذاری باید فاصله بین تکیه گاه ها و نقاط اعمال بار ثابت بماند.

4-7-2- بار باید عمود بر سطح بارگذاری شده نمونه و به نحوی که خروجاز مرکزیت پیدا نکند، اعمال شود.

4-7-3- جهت عکس العمل ها باید در تمام طول آزمایش موازی بار اعمال شده باشد.

4-7-4- بار باید با سرعت یکنواخت و بدون تغییرات ناگهانی اعمال شود.

5-       مصالح

5-1-        ماسه دانه بندی شده

5-2-        ماسه مورد استفاده برای ساخت نمونه های آزمایشی باید ماسه سیلیکاتی طبیعی با مشخصات ASTM C788 باشد.

6-       تعداد نمونه ها

6-1-        برای هر سنی باید حداقل 3 نمونه ساخته شود.

7-       آماده کردن قالبها

7-1-         سطوح داخلی قالب که با ملات در تماس است و سطوحی از قالب که با هم درتماس هستند را با قشر نازکی از روغن معدنی یا گیریس پوشش دهید. قالب ها را روی صفحات پایه غیر جاذب رطوبت که با قشر نازکی از روغن یا گیریس پوشش شده اند قرار دهید. برای آببندی کردن درز های بین قالب و صفحه پایه مخلوطی از سه قسمت وزنی پارافین و پنج قسمت رزین یا واکس میکرو کریستالی مورد استفاده قرار می گیرد. مواد مزبور را تا دمای 110 الی 120 درجه سلسیوس گرم کرده و بر روی درزهای خارجی بین قالب و صفحه پایه بمالید.

8-       روش آزمایش

8-1-        نسبت های اجزاء غلظت و اختلاط ملات - نسبت های اجزاء غلظت و اختلاط ملات استاندارد باید طبق ASTM C109  باشد.

8-2-        تعیین سیلان – سیلان باید طبق ASTM C109  تعیین شود.

8-3-        قالب گیری نمونه ها

8-3-1- ملات هایی که با سیمان پرتلند و سیمان پرتلند هوازا ساخته می شوند، ابتدا به مدت 90 ثانیه با سرعت کم و سپس به مدت 15 ثانیه با دور متوسط در مخلوطکن مکانیکی مخلوط نمائید.

8-3-2- بعد از مخلوط کردن ملات لایه ای به ضخامت 19 میلیمتر از آن را در هر سه قالب به طور یکنواخت پخش کنید. در این حالت هادی تخماق را روی قالب قرار دهید و سپس به کمک تخماق ملات را با 12 ضربه و طی سه مرحله بکوبید. این عمل حدودا باید در 15 ثانیه انجام شود.برای هر ضربه سر تخماق را به حالت افقی در فاصله 25 میلیمتری بالای سطح ملات قرار داده و آن را مستقیما به طرف پائین پرتاب کنید.نیروی پرتاب باید به اندازه ای باشد که مقدار کمی از ملات از زیر تخماق بیرون بزند. بقیه قالب را نیز با یک لایه دیگر مثل لایه اول پر کرده و بکوبید.

8-4-        نگهداری نمونه ها – نمونه ها طبق استاندارد ASTM C109 نگهداری می شوند.

8-5-        تعیین مقاومت خمشی:

8-5-1- نمونه هایی را که باید در سن یک روزه آزمایش شوند به محض خارج کردناز اطاق رطوبت و نمونه های دیگر را بعد از بیرون آوردن ازمنبع آب، مورد آزمایش قرار دهید. تغییرات مجاز زمان شکستن نمونه ها که باید در سن مشخصی شکسته شوند به صورت زیر می باشند:

در مورد نمونه هایی که برای آزمایش در سن بیش از یک روزه از منبع آب خارج می شوند، اگر تعداد نمونه ها بیشاز یکی باشد، لازم است آنها را تا هنگام آزمایش در آبی با دمای 7/1 ± 23 درجه سلسیوس کاملا َ مستغرق نمود.اگر بیش از یک نمونه برای آزمایش در سن یک روزه از اتاق رطوبت خارج شود، لازم است نمونه ها تا هنگام آزمایش زیر یک پوشش پلاستیکی نگهداری گردند.

8-5-2- نمونه های منشوری را خشک نموده و دانه ها و ذرات سست چسبیده به سطوحی از نمونه را که با تکیه گاه ها و نقاط اعمال بار تماس پیدا می کنند، پاک نمائید.به وسیله یک تیغه مستقیم صافی سطوح را کنترل کنید و اگر انحنای قابل توجهی روی سطوح وجود دارد با سمباده ناصافی آن ها را برطرف نموده یا نمونه را از رده خارج کنید.

8-5-3- دستگاه بارگذاری را طوری تنظیم کنید که تیغه بارگذار آن عمود بر طول منشور و موازی با سطح فوقانی آن باشد.مرکز تیغه بارگذار دستگاه باید مستقیما در بالای خط مرکزی نمونه و در وسط دهنه آن قرار داده شود.باید اطمینان حاصل کنید که تماس تیغه بارگذار دستگاه ونمونه هنگام اعمال بار پیوسته است.بارگذاری با سرعت 110±2640 نیوتن در دقیقه انجام می شود. دقت قرائت باراز روی دستگاه باید حداقل 1± درصد باشد.

9-       محاسبات

9-1-        حداکثر بار مشخص شده بوسیله ماشین را ثبت کنید و مقاومت خمشی نمونه را به صورت زیر تعیین کنید:

S_f = 2.8 P

در اینجا

S_f = مقاومت خمشی بر حسب کیلو پاسکال

P = حداکثر بار اعمال شده برحسب نیوتن

10- نمونه های معیوب وتجدید آزمایش

10-1-   نمونه های آزمایشی که به طور آشکار معیوب بوده یا اینکه مقاومت آن ها بیش از 10 درصد با میانگین مقاومت نمونه های همسن خود که از یک ملات ساخته شده اند تفاوت دارد در تعیین مقاومت خمشی شرکت داده نمی شوند. بعد از کنار گذاشتن نمونه ها یا مقادیر مقاومت های غیر قابل قبول اگر کمتر از 2 مقدار مقاومت باقی بماند، باید آزمایش تعیین مقاومت خمشی برای سن مزبور تجدید گردد.

آزمایش تعیین مقاومت خمشی ملات سیمان (نمونه های منشوری به ابعاد 160×40×40)

تاریخ آزمایش:

شماره گروه:

بتن سبک و اثر میکروسیلیس ها در افزایش مقاومت

مقدمه:
تولید سیمان که ماده اصلی چسبندگی در بتن است در سال 1756 میلادی در کشور انگلستان توسط «John smeaton» که مسئولیت ساخت پایه برج دریایی «Eddystone» را بر عهده داشت آغاز شد و درنهایت سیمان پرتلند در سال 1824 میلادی در جزیره ای به همین نام در انگلستان توسط «Joseph Aspdin» به ثبت رسید. مردم کشور ما نیز از سال 1312 با احداث کارخانه سیمان ری با مصرف سیمان آشنا شدند و با پیشرفت صنایع کشور، امروزه در حدود 26 الی 30 میلیون تن سیمان در سال تولید می گردد. با آگاهی مهندسان از نحوه استفاده سیمان در کارهای عمرانی، این ماده جایگاه خودش را در کشورمان پیدا کرد.
یکی از روشهای ساختمان سازی که امروزه در جهان به سرعت توسعه می یابد ساختمانهای بتنی است. بعد از انقلاب اسلامی به علت کمبود تیر آهن در نتیجه تحریمها و نیز گسترش ساخت و سازهای عمرانی در کشور، کاربرد بتن بسیار رشد نمود. علاوه بر این موضوع ساختمانهای بتنی نسبت به ساختمانهای فولادی دارای مزایایی از قبیل مقاومت بیشتر در مقابل آتش سوزی و عوامل جوی (خورندگی) آسان بودن امکان تهیه بتن به علت فراوانی مواد متشکله بتون و عایق بودن در مقابل حرارت و صوت می باشند که توسعه روز افزون این نوع ساختمانها را فراهم می سازد.
یکی از معایب مهم ساختمانهای بتنی وزن بسیار زیاد ساختمان می باشد که با میزان تخریب ساختمان در اثر زلزله نسبت مستقیم دارد. اگر بتوانیم تیغه های جدا کننده و پانل ها را از بتن سبک بسازیم وزن ساختمان و در نتیجه آن تخریب ساختمان توسط زلزله مقدار زیادی کاهش می یابد. ولی کم بودن مقاومت بتن سبک عامل مهمی در محدود نمودن دامنه کاربرد این نوع بتن و بهره گیری از امتیازات آن بوده است. استفاده از میکروسیلیس در ساخت بتن سبک سبب شده است که مقاومت بتن سبک بالا رود و این محدودیت کاهش یابد. در این تحقیق ضمن توضیحاتی در مورد بتن و تاثیر آب بر روی مقاومت بتن، بیشتر در باره بتن سبک و روشهای افزایش مقاومت آن با استفاده از میکروسیلس، خواص مکانیکی و همچنین موارد کاربرد آن بحث می شود.
1-  سیمان
- سیمان تولید شده در کشور ما با سیمان تولید شده در کشورهای صنعتی متفاوت است که لازم است تفاوت آن تا حد ممکن بررسی شود.
- طبقه بندی سیمانها شناسایی شود.
-  عدم تنوع در کیفیت سیمان نشانه ضعفهایی از سیستم ساخت و ساز می باشد.
-  عدم استفاده از سیمان با کیفیت بالا از عوامل اولیه عمر کوتاه ساختمان در بحث مصالح می باشد.
2- شن و ماسه
- معیارها و آئین نامه های تولید کلان شن و ماسه بررسی شود.
- تولید کلان  شن و ماسه در کشور ما از نظر معیار و رعایت آئین نامه های تولید بررسی شود.
-  معایب شن و ماسه تولیدی در کشور در حد کلان بدلائل زیر آنرا در درجه دوم و یا سوم کیفیت قرار می دهد.
الف: وجود گرد و غبار
ب: عدم شستشو
ج: دانه بندی نا صحیح
د: استفاده از شن و ماسه رودخانه ای بجای شن و ماسه شکسته.
ه-  استفاده از شن و ماسه درجه 2 و یا 3 از عوامل ثانوی عمر کوتاه ساختمان در بحث مصالح می باشد.
افزایش مقاومت بتن مد نظر تمام دست اندرکاران صنعت تولید بتن می باشد.
ساختار بتن:
- بتن دارای چهار رکن اصلی می باشد که به صورت مناسبی مخلوط شده اند، این چهار رکن عبارتند از:
الف: شن
ب: ماسه
ج: سیمان
د: آب
- در برخی شرایط برای رسیدن به هدفی خاص مواد مضاف به آن اضافه می شود که جزﺀ ارکان اصلی بتن به شمار نمی آید.
- توده اصلی بتن مصالح سنگی درشت و ریز (شن و ماسه) می باشد.
-  فعل و انفعال شیمیایی بین سیمان و آب موجب می شود شیرابه ای بوجود آید و اطراف مصالح سنگی را بپوشاند و مصالح سنگی را بصورت یکپارچه بهم بچسباند.
-  استفاده از آب برای ایجاد واکنش شیمیایی است.
-  برای ایجاد کار پذیری لازم بتن مقداری آب اضافی استفاده می شود تا بتن با پر کردن کامل زوایای قالب بتواند دور کلیه میلگرد های مسلح کننده را بگیرد.
-  جایگاه استفاده آب در بتن به لحاظ انجام عمل هیدراتاسیون دارای حساسیت بسیار زیادی است.

ویژگیهای آب مصرفی بتن:
- آب های مناسب برای ساختن بتن:
1- آب باران
2- آب چاه
3- آب برکه
4- آب رودخانه در صورتی که به پسابهای  شیمیایی کارخانجات آلوده نباشد و غیره …
بطور کلی آبی که برای نوشیدن مناسب باشد برای بتن نیز مناسب است باستثناﺀ مواردی که متعاقبا توضیح داده خواهد شد.

- آبهای نا مناسب برای ساختن بتن:
1-   آبهای دارای کلر (موجب زنگ زدگی آرماتور می شود)
2-   آبهایی که بیش از حد به روغن و چربی آلوده می باشند.
3-   وجود باقیمانده نباتات در آب.
4- -  آب گل آلود (موجب پایین آوردن مقاومت بتن می شود (
5-   آب باتلاقها و مردابها
6- -  آبهای دارای رنگ تیره و بدبو
7-    آبهای گازدار مانند co2 و…
8-   آبهای دارای گچ و سولفات و یا کلرید موجب اثر گذاری نا مطلوب روی بتن می شوند.

نکته: 1- آبی که مثلا شکر در آن حل شده است برای نوشیدن مناسب است ولی برای ساخت بتن مناسب نیست.
نکته: 2- مزه بو و یا منبع تهیه آب نباید به تنهایی دلیل رد استفاده از آب باشد.
نکته: 3- ناخالصیهای موجود در آب چنانچه از حد معین بیشتر گردد ممکن است بشدت روی زمان گرفتن بتن، مقاومت بتن، پایداری حجمی آن، اثر بگذارد و موجب زنگ زدگی فولاد شود.
نکته: 4- استفاده از آب مغناطیسی بعنوان یکی از چهار رکن اصلی مخلوط بتن می تواند بعنوان تاثیرگذار بر روی یارامترهای مقاومت بتن انتخاب گردد.

تمایز بتن از نظر چگالی:
الف: بتن معمولی: چگالی بتن معمولی در دامنه باریک 2200 تا 2600 kg/m3 قرار دارد زیرا اکثر سنگها در وزن مخصوص تفاوت اندکی دارند (ادامه این مبحث از بحث ما خارج است)
ب: بتن سنگین: از این بتنها در ساختمان محافظهای بیولوژیکی بیشتر استفاده می شود مانند ساختار، آکتورهای هسته ای و پناهگاههای ضد هسته ای که مورد بحث ما نمی باشد که چگالی آن معمولا بیشتر از 2200 تا 2600 کیلوگرم بر متر مکعب می باشد.
ج: بتن سبک: مصرف بتن سبک اصولا تابعی از ملاحظات اقتصادی است ضمن اینکه استفاده از این بتن بعنوان مصالح ساختمانی دارای اهمیت بسیار زیادی است این بتن دارای چگالی کمتر از 2200 تا 2600 کیلوگرم در متر مکعب می باشد. بدلیل اینکه دارای چگالی کمتر از بتن سنگین است دارای امتیاز قابل توجهی از نظر ایجاد بار وارده بر سازه می باشد چگالی بتن سبک تقریبا بین 300 و 1850 کیلوگرم بر متر مکعب می باشد یکی از امتیازات مهم امکان استفاده از مقاطع کوچکتر و کاهش مربوطه در اندازه پی ها می باشد ضمن اینکه قالبها فشار کمتری را از حالت بتن معمولی تحمل می کنند و همچنین در کاهش جابجایی کل وزن مصالح بدلیل افزایش تولید جایگاه ویژه ای دارد.

روش های کلی تولید بتن سبک:
- روش اول: از مصالح متخلخل سبک با وزن مخصوص ظاهری کم بجای سنگدانه معمولی که تقریبا دارای چگالی 6/2 می باشد استفاده می کنند.
-  روش دوم: بتن سبک تولید شده در این روش بر اساس ایجاد منافذ متعدد در داخل بتن یا ملات می باشد که این منافذ باید به وضوح از منافذ بسیار ریز بتن با حباب هوا متمایز باشد که بنام بتن اسفنجی، بتن منفذ دار و یا بتن گازی یا بتن هوادار می شناسند.
- روش سوم: در این روش تولید، سنگدانه ها ی ریز از مخلوط بتن حذف می شوند. بطوریکه منافذ متعددی بین ذرات بوجود می آید و عموما از سنگدانه های درشت با وزن معمولی استفاده می شود. این نوع بتن را بتن بدون سنگدانه ریز می نامند.
نکته: کاهش در وزن مخصوص در هر حالت به واسطه  و جود منافذ یا در مصالح یا در ملات و یا در فضای بین ذرات درشت موجب کاهش مقاومت بتن می شود.
طبقه بندی بتن های سبک بر حسب نوع کاربرد آنها:
- بتن سبک بار بر ساختمان
-  بتن مصرفی در دیوارهای غیر بار بر
-  بتن عایق حرارتی

نکته 1- طبقه بندی بتن سبک بار بر طبق حداقل مقاومت فشاری انجام می گیرد.

مثال: طبق استاندارد 77 – 330 ASTM C در بتن سبک ---- مقاومت فشاری بر مبنای نمونه های استوانه ای استاندارد از    شده پس از 28 روز نباید کمتر از Mpa 17 باشد. و وزن مخصوص آن نباید از 1850 کیلوگرم بر متر مکعب تجاوز نماید که معمولا بین 1400 او 1800 کیلوگرم بر متر مکعب است.
نکته: 2- بتن مخصوص عایق کاری معمولا دارای وزن مخصوص کمتر از 800 کیلوگرم بر متر مکعب و مقاومت بین 7/0 و Mpa 7 می باشد.

انواع سبک دانه هایی که به عنوان مصالح در ساختار بتن سبک استفاده می شود:
الف -  سبک دانه های طبیعی: مانند دیاتومه ها، سنگ پا، پوکه سنگ، خاکستر، توف که بجز دیاتومه ها بقیه آنها منشاﺀ آتشفشانی دارند.
نکته:1- این نوع سبک دانه ها معمولا بدلیل اینکه فقط در بعضی از جاها یافت می شوند به میزان  زیاد مصرف نمی شوند، معمولا از ایتالیا و آلمان اینگونه مصالح صادر می شود.
نکته: 2- از انواعی پوکه معدنی سنگی که ساختمان داخلی آن ضعیف نباشد بتن رضایت بخشی با وزن مخصوص 700 تا 1400 کیلو گرم بر متر مکعب تولید می شود که خاصیت عایق بودن آن خوب می باشد اما جذب آب و جمع شدگی آن زیاد است. سنگ پا نیز دارای خاصیت مشابه است.
ب -  سبک دانه های مصنوعی: این سبک دانه ها به چهار گروه تقسیم می شوند:
- گروه اول: که با حرارت دادن و منبسط شدن خاک رس، سنگ رسی، سنگ لوح، سنگ رسی دیاتومه ای، پرلیت، اسیدین، ورمیکولیت بدست می آیند.
- گروه دوم: از سرد نمودن و منبسط شدن دوباره کوره آهن گدازی به طریقی مخصوص بدست می آید
- گروه سوم: جوشهای صنعتی (سبکدانه های کلینکری) می باشند.
- گروه چهارم: مخلوطی از خاک رس با زباله خانگی و لجن فاضلاب پردازش شده را می توان به صورت گندوله در آورد تا با پختن در کوره تبدیل به سبک دانه شود ولی این روش هنوز به صورت تولید منظم در نیامده است.

الزامات سنگدانه ها بتن سازه ای:
الزامات سبکدانه ها در آیین نامه های ASTM C330-89 (مشخصات سبکدانه ها برای بتن سازه ای در آمریکا) و BS 3797:1990 (مشخصات سبکدانه ها برای قطعات بنایی و بتن سازه ای در بریتانیا) داده شده اند. در استاندارد بریتانیایی مشخصات واحدهای بنایی نیز مورد بحث قرار گرفته است. این آیین نامه ها محدودیتهایی برای افت حرارتی (5% درASTM و4% در BS)و همچنین در BS برای مقدار سولفات  (% 3 so  (به صورت جرمی  را مشخص نموده اند.

ذکر این نکات برای فهم بهتر مفید است:
1-  آیین نامه BS 1047:7983 مشخصات دوباره در هوای سرد شده، که منبسط نشده است را در بر می گیرد.
2-  سبکدانه های به کار رفته در بتن سازه ای، صرفنظر از منشأ آنها تولیداتی مصنوعی می باشند و در نتیجه معمولا یکنواخت تر از سبکدانه طبیعی می باشند. بنابراین سبکدانه را می توان برای تولید بتن سازه ای با کیفیت ثابت مورد استفاده قرار داد.
نکته: سبکدانه ها دارای خصوصیت ویژه ای هستند که سنگدانه های معمولی فاقد آن می باشند و در رابطه با انتخاب نسبتهای  مخلوط و خواص مربوط به بتن حاصل دارای اهمیت ویژه ای می باشند.این ویژگی عبارتست از توانایی سبکدانه ها در جذب مقادیر زیاد آب و همچنین امکان نفوذ مقداری از خمیر تازه سیمان به درون منافذ باز (سطحی) ذرات سبکدانه (مخصوصا ذرات درشت تر) در نتیجه این جذب آب توسط سبکدانه، وزن مخصوص آنها زیادتر از وزن مخصوص ذراتی می شود که در گرمچال خشک شده اند.

روشهای افزایش مقاومت بتن سبک:
کم بودن مقاومت بتن سبک عامل مهمی در محدود نمودن دامنه کاربرد این نوع بتن و بهره گیری از امتیازات آن بوده است برای بدست آوردن بتن سبک با مقاومت زیاد روشهای زیادی مورد توجه قرار گرفته است.
نکته: عامل موثر و مشترک در کلیه این پژوهشها مصرف میکروسیلیس در بتن می باشد. در اینجا اجمالا به چند روش اشاره می گردد:
1- تحقیقات مشترک V.Novokshchenov و W.Whitcomb جهت افزایش مقاومت بتن سبک و بهبود دیگر خواص آن با استفاده از سبکدانه های سیلیسی منبسط شده، به اعتقاد آنان مقاومت بتن سبک تابعی از مقاومت سبکدانه ها و ملات است که این رابطه به صورت ذیل ارائه گردید.

fc = fm (vm)+fa (1-vm)   
=fc مقاومت بتن  =  fa  مقاومت سبکدانه
=fmمقاومت ملات =  vm  حجم نسبی ملات
بدین ترتیب مشاهده می شود که می توان با افزایش مقاومت سبکدانه و مقاومت و حجم ملات مقاومت بتن سبک را افزایش داد.

استفاده از مصالح جدید به جای فولاد در بتن مسلح

 استفاده از مصالح جدید و به خصوص کامپوزیت‌ها به جای فولاد در دهه اخیر در دنیا به شدت مورد علاقه بوده است. کامپوزیت‌ها از یک ماده چسباننده (اکثراً اپوکسی) و مقدار مناسبی الیاف تشکیل یافته است. این الیاف ممکن است از نوع کربن، شیشه، آرامید و... باشند، که کامپوزیت حاصله به ترتیب، به نامAFRP،GFRP،CFRP خوانده می‌شود. مهمترین حسن کامپوزیت‌ها، مقاومت بسیار عالی آنها در مقابل خوردگی است. به همین دلیل کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن ‌آرمه به جای میلگردهای فولادی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. لازم به ذکر است که خوردگی میلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان یک مسئله بسیار جدی تلقی می‌گردد. تاکنون بسیاری از سازه‌های بتن‌آرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، کلرورها و سایر عوامل خورنده دچار آسیب جدی گردیده‌اند، چنانچه فولاد به کار رفته در بتن تحت تنش‌های بالاتر در شرایط بارهای سرویس قرار گیرند، این مسئله به مراتب بحرانی‌تر خواهد بود. یک سازه بتن‌آرمه معمولی که به میلگردهای فولادی مسلح است، چنانچه در زمان طولانی در مجاورت عوامل خورنده نظیر نمک‌ها، اسیدها و کلرورها قرار می‌گیرد، قسمتی از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادی که در داخل بتن زنگ می‌زند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ریختن پوسته بتن می‌گردد.

تاکنون تکنیک‌هایی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد در بتن‌آرمه توسعه داده شده و به کار رفته است که در این ارتباط می‌توان به پوشش میلگردها توسط اپوکسی، تزریق پلیمر به سطح بتن و یا حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود هر یک از این روش‌ها تا حدودی و فقط در بعضی از زمینه‌ها موفق بوده‌اند. به همین جهت به منظور حذف کامل خوردگی میلگردها، توجه محققین و متخصصین بتن‌ آرمه به حذف کامل فولاد و جایگزینی آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. در همین راستا کامپوزیت‌های FRP (پلاستیک‌های مسلح به الیاف) از آنجا که به شدت در محیط‌های نمکی و قلیایی در مقابل خوردگی مقاوم هستند، موضوع تحقیقات گسترده‌ای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.

لازم به ذکر است که اگر چه مزیت اصلی میلگردهای از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر کامپوزیت‌های FRP نظیر مقاومت کششی بسیار زیاد (تا 7 برابر فولاد)، مدول الاستیسیته قابل قبول، وزن کم، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن، مجموعه‌ای از خواص مطلوب را تشکیل می‌دهد که به جذابیت کاربرد FRP در بتن ‌آرمه افزوده‌اند. اگر چه بعضی از مشکلات نظیر مشکلات مربوط به خم کردن آنها و نیز رفتار کاملاً خطی آنها تا نقطه شکست، مشکلاتی از نظر کاربرد آنها فراهم نموده‌اند که امروزه موضوع تحقیقات گسترده‌‌ای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.

با توجه به آنچه که ذکر شد، بسیار به جاست که در ارتباط با کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن‌ سازه‌های ساحلی و دریایی مناطق جنوبی ایران و به خصوص منطقه خلیج‌فارس، تحقیقات گسترده‌ای صورت پذیرد. در همین راستا مناسب است که تحقیقات مناسبی بر انواع کامپوزیت‌های FRP (AFRP, CFRP, GFRP) و میزان مناسب بودن آنها برای سازه‌های دریایی که در منطقه خلیج‌ فارس احداث شده است، صورت پذیرد. این تحقیقات شامل پژوهش‌های گسترده تئوریک بر رفتار سازه‌های بتن‌آرمه متداول در مناطق دریایی (به شرط آنکه با کامپوزیت‌های FRP مسلح شده باشند) خواهد بود. در همین ارتباط لازم است کارهای تجربی مناسبی نیز بر رفتار خمشی، کششی و فشاری قطعات بتن‌آرمه مسلح به کامپوزیت‌های FRP صورت پذیرد.

لازم به ذکر است که چنین تحقیقاتی در 10 سال اخیر در دنیا صورت گرفته که نتیجه این تحقیقات منجمله آئین‌نامه ACI-440 است که در چند سال اخیر انتشار یافته است. با این وجود کامپوزیت‌های FRP در ایران کماکان ناشناخته باقی مانده است و به خصوص کاربرد آنها در بتن‌آرمه در سازه‌های ساحلی و دریایی کاملاً دور از چشم متخصصین و مهندسین ایرانی بوده است. تحقیقاتی که در این ارتباط صورت خواهد گرفت، می‌تواند منجر به تهیه دستورالعمل و یا حتی آئین‌نامه‌ای جهت کاربرد FRP در بتن‌آرمه به عنوان یک جسم مقاوم در مقابل خوردگی در سازه‌های بندری و دریایی ایران گردد. این حرکت می‌تواند فرهنگ کاربرد این ماده جدید در بتن ‌آرمه ایران را بنیان گذارد و از طرفی منجر به صرفه‌جویی‌ میلیاردها ریال سرمایه‌ای ‌شود که متأسفانه همه ساله در سازه‌های بتن‌ آرمه احداث شده در مناطق جنوبی ایران (به خصوص در مناطق بندری و دریایی)، به جهت خوردگی میلگردها و تخریب و انهدام سازه بتنی، به ‌هدر می‌رود.

پی نواری و برخی ایرادات در طراحی اینگونه پی ها

امروزه متداولترین نوع پی در ساختمانها، پی نواری می باشد. اما با وجود استفاده عمومی از این پیها به نظر میرسد که هنوز در روش طراحی این پیها ابهاماتی وجود دارد، که نیاز به بحث و بررسی آنها می باشد. در این مقاله ابتدا به روش معمول در طراحی این پیها توسط همکاران اشاره کوتاهی می شود و در قسمت بعدی ابهامات موجود در این روش طراحی مطرح و مورد بررسی قرار می گیرد.
-روش معمول در طراحی پیهای نواری معمولآ مهندسان محاسب پیهای نواری را با فرض صلبیت نسبی پی در مقایسه با خاک زیر پی و در نتیجه با فرض توزیع یکنواخت و یا خطی تنش در زیر پی و بدون استفاده از برنامه های کامپیوتری مبتنی بر تئوریهای اجزاء محدود (نظیر نرمافزار SAFE) طراحی می کنند. برای طراحی از 2 ترکیب بارگذاری زیر مطابق آیین نامه ACI استفاده می شود1:
1) 1.4D+1.7L
2) 0.75(1.4D+1.7L+1.87E)
(D بار مرده، L بار زنده و E بار زلزله می باشد)
سپس با در نظر گرفتن کل مجموعه پیها به عنوان یک عضو سازه ای گشتاور دوم اینرسی این مجموعه در هر دو جهت اصلی سازه و حول نقطه مرکز سختی پی محاسبه می شود. همچنین با محاسبه مجموع بارهای ثقلی و لنگرهای موجود در مرکز سختی پی، برای هر یک از دو حالت بارگذاری بالا و با استفاده از فرمول زیر توزیع تنش در زیر پی محاسبه می شود:

در فرمول بالا A مجموع مساحت پی، P مجموع بارهای عمودی وارد بر پی، Mx,My مجموع گشتاورهای وارد بر پی حول محورها ی X,Y (گذرنده از مرکز سختی پی)، مقادیر Ix,Iy گشتاور دوم اینرسی مجموعه پی حول محورهای X,Y و مقادیر X,Y فاصله افقی و عمودی هر نقطه دلخواه پی از مرکز سختی مجموعه پی می باشد.
با به دست آمدن توزیع تنشها در زیر پی، هر یک از نوارهای پی به صورت یک تیر چند دهانه یکسره که بار تیر برابر حاضلضرب تنش زیرپی در عرض پی و به صورت گسترده و تکیه گاههای آن در واقع همان ستونها می باشند، توسط برنامه هایی نظیر SAP2000 مورد آنالیز قرار گرفته و با محاسبه مقادیر لنگرها در نقاط مختلف، مقدار آرماتورهای مورد نیاز در بالا و پایین نوارهای پی محاسبه می شود. (معمولآ در جهت اطمینان و راحتی محاسبات تنش وارد بر نوارهای پی به صورت یکنواخت و برابر تنش ماکزیمم زیر پی در نظر گرفته می شود).در مرحله آخر در دهانه های بادبندی شده مقدار آرماتورهای بالا در زیر ستونها و آرماتورهای پایین در وسط دهانه مقداری افزایش داده می شود.(حدود 50 درصد)
-برخی ابهامات و اشکالات موجود در این روش
اما همانطور که در ابتدا نیز اشاره شد، این روش دارای ابهامات و اشکالاتی می باشد؛ اشکالاتی که باعث تفاوت بعضآ بسیار زیاد مابین نتایج روش فوق الذکر با روش طراحی کامپیوتری (بر اساس نرم افزار SAFE) می شود. به این ابهامات در زیر اشاره می شود:

1-     اولین ابهام در فرض صلب بودن پی می باشد. برای آنکه یک پی به صورت صلب فرض شود، باید یکی از دو شرط زیر ارضا شود:
الف- در صورتی که مقدار بار و فاصله ستونهای مجاور تفاوتی بیش از 20 در صد نداشته باشند و میانگین طول دو دهانه مجاور کمتر از باشد.
در این فرمول B عرض پی، Ks مدول عکس العمل زمین، I ممان دوم اینرسی مقطع عرضی پی و E مدول الاستیسیته پی می باشد.
ب- در صورتی که پی نواری، نگهدارنده یک سازه صلب باشد که به خاطر سختی سازه، اجازه تغییر شکلهای نامتقارن به سازه داده نمی شود. برای تعیین سختی سازه باید به کمک یک آنالیز، سختی مجموعه پی، سازه و دیوارهای برشی ُرا با سختی زمین مقایسه نمود.(جزییات و فرمولهای این قسمت درکتب مختلف موجود می باشد).
معمولآ مهندسان محاسب از شرط اول استفاده نموده و صلب بودن پی را نتیجه می گیرند. اما اشکال اساسی آنجاست که اکثریت ساختمانهای متداول، پیش شرط این شرط را دارا نمی باشند و اساسآ این شرط برای این ساختمانها قابل استفاده نمی باشد. زیرا با توجه به آنکه اکثریت ساختمانها دارای سیستم سازه ای بادبندی می باشند، در ترکیب بار زلزله در دو ستون مجاور یک دهانه بادبندی، به علت آنکه در یک ستون نیروی فشاری قابل توجه و در ستون دیگر نیروی کششی قابل توجه به وجود می آید، بار این دو ستون (با در نظر گرفتن علامت بارها) اختلافی بسیار بیشتر از 20 درصد دارند و به این جهت شرط الف به طور کلی غیر قابل استفاده می باشد. و اگر پی دارای شرایط صلبیت باشد، بر اساس شرط دوم می باشد و نه شرط اول.

2-    دومین خطایی که در این روش وجود دارد، محدود کردن ترکیب بارها به تنها دو ترکیب بار می باشد و حداقل یک ترکیب بار مهم دیگر به شرح زیر نادیده گرفته شده می شود:

3) 0.75*(1.2D+1.87E)
این ترکیب بار از آنجا دارای اهمیت می باشد که با توجه به حذف بار زنده و کاهش ضریب بارهای مرده، مقدار نیروی کششی (اصطلاحآ uplift) در ستونهای دهانه های بادبندی به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد، که این مساله سبب بالا رفتن مقدار آرماتور بالا در زیر ستونها در روش محاسبه با نرم افزار SAFE و در نتیجه اختلاف بیشتر مابین نتایج دو روش با همدیگر می شود.
3-اما عمده ترین ابهام و ایراد وقتی به وجود می آید که پس از محاسبه مقادیر تنشها، نوارهای پی به صورت تیرهای یکسره در نظر گرفته شده و تنشهای زیر پی به صورت بار خارجی به تیر واردمی شود و تیر مورد آنالیز قرار می گیرد. این روش تا وقتی که در هر نوار فقط دو ستون وجود داشته باشد (سازه معین باشد)، هیچ ایرادی ندارد. اما ایرادها وقتی ایجاد می شود که در هر نوار تعداد ستونها 3 و یا بیشتر باشد. در این حالت نوارها به صورت تیر نامعین در می آیند. مقادیر واکنشها و تلاشهای داخلی در تیرهای نامعین بستگی کامل به شرایط مرزی تیر و معادلات سازگاری حاصل از شرایط مرزی دارد و در صورت تفاوت شرایط مرزی، صرف آنکه شرایط ظاهری آنها شبیه هم باشد، نمی تواند دلیل قانع کننده ای جهت برابر دانستن نتایج آنالیز برای دو حالت باشد. برای یک تیر چند دهانه یکسره شرایط مرزی به شرح زیر است:

الف- صفر بودن تغیییر مکانها در محل تکیه گاهها
ب- مساوی بودن مقدار دوران ها در حد مرزی چپ و راست هر یک از تکیه گاهها)شرط به هم پیوستگی تیر (اما در نوارهای پی شرط مرزی الف در بالا به شکل دیگری می باشد.با توجه به آنکه پی به صورت تیر بر بستر ارتجاعی در نظر گرفته می شود، مقدار تنش در هر نقطه ضریبی از مدول عکس العمل زمین می باشد((q=Ks.d و به این ترتیب تغییر مکان در محل تکیه گاهها (و هر نقطه دیگر از پی) بر خلاف شرط الف صفر نمی باشد و برابر حاصل تقسیم تنش موجود بر مدول عکس العمل زمین می باشد(d=q/Ks). ضمن آنکه در این حالت اساسآ مقادیر واکنشهای تکیه گاهی (که همان نیروهای موجود در ستونها می باشند) موجود است و مقادیر تلاشهای داخلی تیر باید به گونه ای محاسبه گردند که با این واکنشها همخوانی داشته و در تعادل باشند. این در حالی است که در تحلیل نتایج حاصل از این روش، مقادیر واکنشهای تکیه گاهی با نیروهای موجود در ستونها تفاوت بسیاری دارد که خود نشاندهنده غلط بودن این روش می باشد. به طور مثال در ستونهای پای بادبند که ممکن است یک نیروی کششی قابل توجه وجود داشته باشد بر اساس نتایج این روش معمولآ یک واکنش به صورت یک نیروی فشاری به وجود می آید (بیش از 100 در صد اختلاف!).
اما ابهام آخری که وجود دارد اینست که طرفداران این روش اگر به درست بودن روش خود اطمینان دارند چرا مقادیر میلگردهای به دست آمده برای دهانه های بادبندی را افزایش می دهند؟ و این افزایش طبق چه معیاری می باشد؟ آیا این مساله خود نشان دهنده عدم اطمینان طرفداران این روش به نتایج حاصله نمی باشد؟

کاربرد ذرات نانو در بتن

باتوجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانودر کلیه علوم وصنایع توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عامدر ساخت و ساز شده است ولی اخیراً با توجه به تقویت کننده ها و استحکامدهنده های نانویی در مصالح ساخت و ساز موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعتساخت و ساز را در بر گرفته است.

کاربرد ذرات نانو در بتن:

باتوجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانودر کلیه علوم وصنایع توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عامدر ساخت و ساز شده است ولی اخیراً با توجه به تقویت کننده ها و استحکامدهنده های نانویی در مصالح ساخت و ساز موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعتساخت و ساز را در بر گرفته است.

سیلیسیم دی اکسید یا سیلیکا فراوان‌ترین ماده سازنده پوسته زمین است. اینترکیب با فرمول شیمیایی SiO2 ساختاری شبیه الماس دارد، ماده‌ای بلوری وسفید رنگ است دمای ذوب و جوش آن نسبتاً زیاد است و در طبیعت به دو شکلبلوری و آمورف (بی شکل)‌یافت می‌شود.

کاربرد مهم سیلیس در تولید انواع بتن است که کیفیت و خواص محصول تولید شدهآن بستگی زیادی به نوع و اندازه ذرات سیلیکا دارد. و نانو لوله های کربنیدارای دانسیته بسیار کم نسبت به فولاد و آلومینیوم می باشد. بطوریکهدانسیته آن تقریباً یک پنجم دانسیته فولاد و یک سوم دانسیته آلومینیوم می باشد. از کاربردهای مهم نانو لوله ها در ساخت سازه های سبک و مقاوم درمقابل کشش مطرح است که با کاهش وزن سازه مقاومت آن در مقابل زلزله بدلیلکاهش نیروهای وارده به سازه افزایش می یابد.در اینجا به بررسی اهمیت واثرات استثنایی سیلیسیم در بتن تأکید می‌شود.

کاربرد مواد نانو در ساختمان سازی:

مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن (طول و عرض و ضخامت) زیر 100 nm نانو متر باشد تعریف شده اند. یک نانو متر یک هزارم میکرون یاحدود 100000 برابر کوچکتر از ضخامت موی انسان است. خواص فیزیکی و شیمیاییمواد نانو (در شکل و فرم های متعددی که وجود دارند از جمله ذرات، الیاف، گلوله و غیره) در مقایسه با مواد میکروسکوپی نوع دیگر تفاوت اساسیدارند.تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه ازنظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد.

یکی از چالش هایی که در رشته مصالح ساختمانی به وجود آمده است بتن باعملکرد بالا (HPC) می باشد مثلاً بتن مقاوم و با دوام یک مصالح کامپوزیت وچند فازی مرکب و پیچیده می باشد.

خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه ای بتن وسیمانی داردکه چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد. بنابراینمطالعات ساختار بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانیجدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.

به هر حال روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلفالیاف می باشد. تا اندازه بسیار زیادی، این روش کار اغلب توسط روابط داخلیصنعت ساختمان می باشد که دلیل کندی پیشرفت در صنعت ساختمان عدم درک عمیقاز مفهوم مصالح ساختمانی می باشد. در گسترده جدید علم و تکنولوژی نانودیگر این قبیل فعالیت ها بی معنی بوده و نیاز به شناخت و مطالعه دقیق ازمصالح ساختمانی دارد و این فعالیت باید به روش علمی جهت یافتن مصالح نسلجدید و با عملکرد بالا ونیز اقتصادی کردن آنها دنبال گردد. در مثال هایعملی و به طور مشخص در بتن، این تحقیقات تنها زمانی می تواند به جامعهعمل بپیوندد که درک مناسب از مفهوم ریز ساختار سیمان در مقیاس نانو و دیگرساختار ها وجود داشته باشد.

هدف اصلی و نهایی، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد که آنرا می توان به مصالح با عملکرد بالای چند منظوره اطلاق نمود. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص موادمعمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربرد های گوناگونی را ارائهنمایند.

در خصوص بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد با دوام بهتر و خواص مکانیکیبهتر بتن با عملکرد بالای چند منظوره خواص اضافه دیگری را دارا می باشد. ازجمله این خواص به عنوان مثال می توان خاصیت الکترومغناطیسی بکارگیری درحرارت های بالا و محافظت های اتمی و افزایش مؤثر بودن آن در حفظ انرژیساختمان و غیره را نام برد.

علاوه بر این به کار گیری مصالح نانو می تواند به ساختار های جدیدبیانجامد، به طوری که دیگر به منابع طبیعی در ساخت و ساز وابسته نباشد وبتوان در حفظ این منابع کوشید. این می تواند با اصلاح ساختار ها در مقیلسنانو انجام شود یا با به کارگیری ساختارهای مختلف و ارتقاء واکنش هایاتفاق افتاده به طوری که خواص سطوح مخصوص زیاد آنها یا خواص بنیادین آنها (از جمله) نفوذپذیری، خواص مغناطیسی، الکتریکی هادی حرارت بهبود مییابد.نانو تکنولوژی یک نیاز و رقابتی جهت حفظ محیط زیست و رشد نوآوری درصنعت ساخت و ساز می باشد. درحقیقت یک نوع زندگی و راه جدید برای آینده بشرمی باشد. فکر کردن در اشل نانو راه جدید برای زندگی جدید می باشد.

نانو سیلیس آمورف:

چنانکه دیده می شود، یکی از ترکیبات موجود در بتن سیلیکاتهای مختلفی استکه در ضمن واکنش تولید می شود به همین دلیل می توان گفت سیلیس یکی ازمهمترین بخش بتن است و اهمیت زیادی در چسبندگی،مقاومت و کارایی بتن دارد. اکسید سیلیس با انجام واکنش های شیمیایی با هیدراکسید کلسیم آزاد شدهموجود در بتن را مصرف می کنند و از خاصیت قلیایی آن می کاهند و در کنار آببصورت شوره از بتن خارج می شوند. و از خوردگی آرماتورهای فولادی قرارگرفته در بتن جلوگیری می کند.

محلول نانویی سیلیس (Nanosilica) دی اکسید سیلیس (Sio2) است که اندازهذرات آن در ابعاد نانو متر می باشد. محلول نانو سیلیس متشکل از ذراتیهستند که گلوله شکل با قطر کمتر از 100 nm یا به صورت ذرات خشک پودر یا بهصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند، که مایع آن معمول تریننوع محلول نانو سیلیس معلق کاربرد های چند منظوره مانند خاصیت ضد سایش،ضد حریق، ضد انعکاس سطوح از خود نشان مید هد.

این آزمایشات نشان داده اند که واکنش محلول نانو سیلیس (Ccolloidal silica) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع ترانجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تأثیر پوزولانی مقدار بسیاربالای میکروسیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد. این خاصیت ماده، بدلیلریز بودن ذرات محلول نانو سیلیس معلق می باشد. هیچ جای تعجب نیست که ذراتمیکروسیلیکا نوعاً دارای سطح مخصوص N2 شامل m2g 25-15 می باشد، در صورتیکه ذرات محلول نانو سیلیس 180-m2g می باشند. تحقیقات کاربردی انجام شدهشامل کاربرد نتایج نانو سیلیس (nano silica) به شکل محلول آن در گروت می باشد. آزمایشات خواص ریولوژی فرمول گروت در مقایسه با گروت میکروسیلیکا،هیچ جدا شدگی و آب اندازی از خود نشان نداده و نیز مقاومت فشاری 28 روزهبیش از mpa 155 را بدست می دهد.

اضافه کردن نانوذرات سیلیکا (nano sio2) به ملات سیمان باعث بهبود مقاومتفشاری و خمشی ملات نسبت به ملات معمولی گردیده است. در این طرح خصوصیاتنانوذرات سیلیکا با مشخصات مندرج در جدول زیر در سیمان استفاده شده اند. ودر ضمن به ملات سیمان ماده پراکننده ذرات نانو (UNF) و حباب زدا برای کاهشحبابهای هوا در داخل بتن اضافه می شود.

گزارش آزمایش:

شش نمونه از هر کدام گروهبندی برای هر نوع مخلوط انجام شده و سپس در درجهحرارت 21 (QOC) زیر آب برای 14 و 28 روز نگهداری شدند. سیمان مصرفی درتمام نمونه ها ثابت نگهداشته شده 100 gr و نسبت آب به سیمان 36/0 و w/c=0.33 و برای مخلوط های نانو سیلیکا و نانو تیوب انتخاب شده اند. مصرفسیلیس مایع به صورت سوسپانسیون مخلوط مستقیم به آب مخلوط اضافه شده و سپسپودر سیلیس به سیمان افزوده شده بود.در صورتی که نانو تیوب در آب مخلوطبتن انتشار یافته و هم زده تا 10 دقیقه وسپس برای حدود 30 دقیقهالکتراسونیک شده در حوضچه 400 w و سپس با سیمان مخلوط می گردند.

هیچ فوق روان کننده ای برای مخلوط نانو سیلیکا افزوده نشده بود، به خاطراینکه قصد مطالعه نقش نانو سیلیکای خالص بر خمیر سیمان را داشتیم. درصورتی که در مصرف نانو تیوب هیچ نوع سرفکتنت استفاده نشده به همین خاطر سرفکتنت پیشنهادی برای انتشار نانو تیوب ها با سیمان همخون نیستند.



نتایج :

می توان نتیجه گرفت که مقاومت خمشی و فشاری ملات سیمان با افزودن نانوذرات سیلیکا (Nano-Sio2)بیشتر از مقاومت ملات سیمان معمولی است. در صورتیکه با افزایشنسبت نانوذرات سیلیکا مقاومت فشاری 28 روزه افزایش می یابد. و اینکهنانوذرات بعنوان یک ماده پرکننده حفره های سیمان را پر می کنند و به مانندفوم سیلیکا مقاومت بتن را افزایش می دهند.

علل فرسودگی وتخریب سازه های بتنی

مقدمه:

از آن جا که خوردگی یک پدیده مخرب در ساختمان می باشد  در جوامع امروز بیش از پیش مورد توجه مهندسین ومعماران طراح می باشد ودرس خوردگی  ساختمان که درسی اختصاصی  برای دانشجویان رشته عمران _مرمت است کاملا دانشجویان را با مسائل مخربی ومرمتی  ساختمان  آگاه ساخته وبسیار  مفید است  لذا از تلاش های  آن استاد گرامی  در مراکز آموزش عالی کشور  که خود  گویای  بار علمی غنی در  زمینه  علم  مهندسی  عمران  می باشد کمال  تشکر  وقدردانی  را می شود  وامید  که با  بهره گیری  هر چه بهتر  از حضور آن استاد بزرگواردرآینده ای  نه چندان  دور  با داشتنی ایرانی  آباد  وسربلند در زیر  پرچم سه رنگ جمهوری  اسلامی  گوشه ای  هر چند کوچک از زحمات شما استاد عزیز را جبران  نمائیم. 

بخش اول

خوردگی بتن

1.           علل فرسودگی وتخریب سازه های بتنی

(CAUSES  OF  DETERIORATIONS)

علل مختلفی که باعث فرسودگی  وتخریب  ساز های بتنی  می شود  همراه با علائم  هشدار دهنده  دیگری  که کار  تعمیرات  را الزامی  می دارند  در نخستین  بخش از  تحقیق مورد  بررسی  وتحلیل  قرار می گیرند:

1-1    نفوذ نمکها

(INGRESS  OF  SALTS)

نمکهای ته نشین  شده  که حاصل  تبخیر  ویا جریان  آبهای  دارای  املاح می باشند وهمچنین  نمکهایی که توسط باد در خلل وفرج  وترکها جمع می شوند. هنگام  کریستالیزه شدن  می توانند فشار  مخربی به سازه ها وارد کنند که این عمل  علاوه  بر تسری  وشدید  زنگ زدگی  وخوردگی  آرماتورها به واسطه  وجود مکهات. تر وخشک شدن  متناوب  نیز می تواند  تمرکز  نمکها  را شدت بخشد  زیرا آب دارای  املاح پس از  تبخیر املاح  خود را به جا می گذارد.

1-2-   اشتباهات طراحی

(SPECIFICATIONERRORORS)

به کارگیری استانداردهای  امناسب  ومشخصات  فنی غلط در  رابه  با انتخاب  مواد روشهای  اجرایی وعملکرد  خود سازه  می تواند  ب خرابی  بتن  منجر شود. به عنوان  مثال  استفاده از استانداردهای  اروپایی وآمریکایی  جهت  اجرای  پروژه هایی  در مناطق  خلیج فارس ، جایی که  آب وهوا  ومواد  ومصالح ساختمانی  ومهارت  افراد متفاوت  با همه  این عوامل در شمال اروپا  وآمریکاست، باعث می شود  تا دوام  وپایایی  سازه های بتنی  در مناطق یاد  شده کاهش یافته  ودر بهره برداری از سازه  نیز  با مسائل  بسیار  جدی مواجه  گردیم.

1-3- اشتباهات  اجرایی

(CON STUCTION ERRORS)

کم کاریها آ اشباهات  ونقصهایی که به هنگام  اجرای پروژه ها  رخ می دهد  ممکن است  باعث گرد تا آسیبهایی  چون پدیده ی لانه  زنبوری، حفره های آب انداختگی  جداشدگی، ترکهای جمع شدگی، فضاهای  خالی  اضافی یا بتن  آلوده شده، به وجود آید  که همگی آنها به مشکلات جدی می انجامند.

این گونه نقصها  واشکالات  را می توان  زاییده ی  کارائی  در جه ی فشردگی  سیستم عمل آوری،آب مخلوط آلوده ، سنگدانه های آلوده و استفاده  غلط از افزودنیها به صورت فردی  ویا گروهی  دانست.

وجود کلرید آزاد  در بتن  می تواند  به لایه ی  حافاظتی  غیر فعالی  که در اطراف  آرماتورها قرار دارد  آسیب  وارد نموده  وآن را از بین  ببرد.

خوردگی  کلریدی  آرماتورهایی  که درون  بتن  قرار دارند،  یک عمل  الکتروشیمیایی  است  که بنا به خاصیتش ، جهت  انجام  این فرایند، غلظت مورد  نیاز یون  کلرید،  نواحی  آندی  وکاتدی ،  وجود الکترولیت  ورسیدن اکسیژن  به مناطق  کاتد  در سل (CELL) خوردگی  را فراهم می کند.

گفته می شود که  خوردگی  کلریدی  وقتی حاصل می شود که مقدار  کلرید  موجو  در بتن  بیش از 6/0 کلیوگرم  درهرمتر مکعب  بتن باشد.  ولی این  مقدار  به کیفیت  بتن نیز بستگی دارد.

خوردگی  آبله  رویی  حاصل از کلرید  می تواند  موضعی  وعمیق باشد  که این عمل  در صورت  وجود یک  سطح  بسیار  کوچک  آندی  ویک  سطح  بسیار  وسیع  کاتدی  به وقوع  می پیوندد  که خوردگی  آن نیز  با شدت  بسیار   صورت  می گیرد  از جمله  مشخصات (FEATURES) خوردگی  کلریدی ، می توان  موارد زیر  را نام برد:

(الف) هنگامی  که کلرید در مراحل  میانی  ترکیبات  (عمل  وعکس العمل) شیمیایی  مورد استفاده  قرار گرفته  ولی در  انتها  کلرید  مصرف نشده باشد.

(ب) هنگامی که تشکیل  همزمان  اسید  هیدروکلریک، درجه  PH مناطق  خورده شده را پایین  بیاورد. وجود  کلریدها  هم می تواند  به علت  استفاده از  افزودنیهای  کلرید  باشد  وهم می تواند  ناشی از  نفوذ یابی کلرید از هوای  اطراف باشد. 

فرض بر این است  که مقدار  نفوذ  یونهای  کلریی  تابعیت از قانون  نفوذ  FICK دارد. ولی  علاوه  بر انتشار (DIFFUSION)به نفوذ  (PENETRATION)کلرید  احتمال دارد به خاطر  مکش موئینه  (CAPILARY  SUCTION) نیز  انجام پذیرد.

1-5-حملات سولفاتی

(SULPHATE ATTACK)

محلول  نمکهای  سولفاتی  از قبیل  سولفاتهای  سدیم  ومنیزیم  به دو طریق  می توانند  بتن را مورد  حمله  وتخریب  قرار دهند. در  طریق اول  یون سولفات  ممکن است  آلومینات سیمان  را مورد  حمله  قرار داده  وضمن  ترکیب ، نمکهای  دوتایی  از قبیل: ETTRINGITE  ,  THAUMASITE تولید  نماید  که در  أب محلول  می باشند . وجود  این گونه  نمکها  در حضور  هیدروکسید کلسیم، طبیعت کلوئیدی (COLLOIDL) داشته  که می تواند منبسط شده  وبا از دیاد  حجم،  تخریب  بتن را باعث  گردد. طریق  دومی  که محلولهای  سولفاتی قادر به أسیب  رسانی  به بتن  هستند  عبارتست از:  تبدیل  هیدروکسید  کلسیم  به نمکهای  محلول در آب  مانند گچ (GYPSUM) ومیر ابلیت MIRABILITE  که باعث تجزیه و نرم  شدن  سطوح  بتن  می شود  وعمل  LEACHINGیا خل وفرج دار شدن بتن  به واسطه  یک  مایع  حلال،  به وقوع  می پیوند.

1-6- علل دیگر

(OTHER  CAUSES)

علل بسیار دیگری  نیز باعث آسیب  دیدگی  وخرابی  بتن می شوند  که در سالهای  اخیر  شناسایی شده اند. بعضی  از این عوامل  دارای  مشخصات  خاصی بوده  وکاربرد  بسیار  موضعی  دارند. مانند  تاثیر  مخرب  چربیها  بر حاصله از  عوارض  مخرب فاضلابها  ومورد استفاده  قرار دادن  سازه هایی  که برای  منظورها  ومقاصد  دیگری ساخته شده  باشند ، نه آنچه  که مورد  بهره  برداری  است. مانند تبدیل  ساختمان معمولی به سردخانه،  محل شستشو، انباری، آشپزخانه ، کتابخانه وغیره. با این  همه  اکثر آنها  را می توان  در گروههای  ذیل  طبقه بندی  نمود:

(الف) ضربات  وبارههای  وارده  (ناگهانی  وغیره) در صورتی  که موقع  طراحی  سازه برای این گونه  بار گذاریها  پیش  بینیهای  لازم  صورت نگرفته باشد.

(ب) اثرات  جوی ومحیطی

(پ) اثرات نامطلوب  مواد شیمیایی مخرب

مقدمه

بتن حجیم: هر حجمی  از بتن  با ابعادی  به اندازه  کافی بزرگ  که نیاز  به تمهیداتی  جهت جلوگیری  از ایجاد ترکهای  حرارتی دارد.

درک بتن  حجیم کلید  کنترل  دما  و در نهایت  حفظ  زمن  وهزینه های  مصرفی می باشد.

مشخصات  فنی  عموماً  محدود کننده  دمای  بتن  حجیم  جهت جلوگیری  از ترک حوردگ  ومشکلات  عدیده  دوام آن  می باشد. این طور  که به نظر می رسد  دمای  بتن حجیم  بر اساس  تجربه  وبه طور  دلخواه به صورت  C57 به عنوان داکثر  دمای  مجاز بتن  و C19 (F35)   به عنوان  حداکثر  پیمانکار  باید  تمام مشخصات  فنی  ونیازمندیهای  آنرا  بدون  چون وچرا  رعایت  نماید. ولی  بدون  درک  صحیح  وکامل  از بتن  حجیم  نگهداری  دمای  بتن  در ان محدوده تعیین شده کاری  بسیار دشوار می باشد.

اغلب اوقات  در هر پروژه ای  مشخصات  فنی آن، به خوبی  تمهیدات وسیعی  را در جهت کنترل  دما وپاسخگویی  به نیازهای  آن مطرح کرده است. به هر  حال ،  چنانچه  به این  موضوع  توجه  کافی نشود  یا به خوبی  درک نگردد. معین  به مقدار  قابل  ملاحظه  بیشتر است،  شده ومنجر  به صدمه  دیدن  بتن  وبه تاخیر  افتادن  برنامه  ساختمانی خواهد شد.  به علاوه  در روند  امروزی ،  افزایش  اندازه  سطح  مقطع  بتن  در نتیجه  نیاز به حداقل  مقدار سیمان  مصرفی  زیاد با نسبت  آب  به مواد  سیمانی  پایین  می باشد  وان نیز کنترل  دمای  بتن  را چندین  برابر  دشوارتر  می نماید . درک  بتن  حجیم  کلید  کنترل  دما ودر  نهایت  حفظ زمان  وهزینه های  مصرفی می باشد.

بتن حجیم  چیست؟

سوالی  که اغلب  اوقات  مطرح  می شود  این است  که به طور  مشخص  بتن  حجیم  به چه نوع  بتنی  اطلاق می شو. طبق آئین نامه  موسسه  بین المللی  بتن  Acl کمیته  R116 Acl تعریف بتن  حجیم  بدین گونه است هر حجمی  از بتن  با ابعادی  به اندازه  کافی بزرگ  باشد  که نیاز  به تمهیداتی  جهت  جلوگیری  از ایجاد  ترکهای  حرارتی  که در بتن  حجیم  بر اثر  حرارت  زایی  حاصل  از واکنش  شیمیایی  هیدراسیون  آب با سیمان  وپیامد  تغییرات  حم  شکل  می گیرد  دارد  از آنجایکه که این تعریف  ازنظر  تعدادی سازمانها کافی اطلاق نشده بنابراین  تعریف های خود  را از بتن  حجیم  مطرح نموده اند. به طور مثال  بعضی ها آنرا  بدین گونه  تعریف نموده اند هر قطعه  بتنی  که بعاد آن حداقل  بزرگتر  از 90 سانتی متر  باشد  بتن حجیم  نامیده می شود.طبق این  تعریف  یک پی بتنی  با بزرگی  ضخامت  90 سانتی متر  بتن  حجیم  خوانده نمی شود ، ولی یک پی بتنی  با بزرگی  ضخامت  1 متر بتن  حجیم در نظر گرفته می شود.

در سزمانها، حداقل  ابعاد  بکار گرفته در محدوده های  46/0 متر تا  2متررا در نظر می گیرند که بستگی  به تجارب  کار گاهی  گذشته  آنان  را در نظر  می گیرند  ک بستگی  به تجارب  کارگاهی  گذشته  آنان  دارد  توجه اینکه  هیچ کدام  از این  تعاریف  مقدار  مواد  سیمانی  مصرفی  در بتن  مورد ملاحظه  قرار نداده است.

آن چه با عملکرد  بالا  یا پایین  وزود  مقاومت  رس در یک آلمان  بتنی  استفاده دمای  این المان  بسیار  متفاوت  تر از بتن  مرسوم  یک سازه بتنی  باشد

کنترل دمای بتن الزامی است؟

حرارت  زایی  بتن  به علت  واکنش  شیمیایی هیدراسیون مواد سیمانی  می شد  بیشترین  مقدار حرارت  حاصل  در روزهای  اولیه  استقرار بتن  می باشد  مقاطع  بتنی  نازک  همچون سس روکش  کف ها تقریباً  به مجرد  ایجاد حرارت  بتن  به همان  سرعت  نیز درمحیط اطراف پراکنده می شود  در  مقاطع  بتنی  ضخیم تر  (بتن حجیم ) حرارت  بسیار آهسته  تر از تولید  آن در  اطراف  پراکنده می شود  در مقاطع  بتنی ضخیم تر  (بتن حجیم ) حرارت  بسیار  آهسته تر از  تولید آن در  محیط اطراف پراکنده  می شود ودر نتیجه  گرم شدن  بتن  حجیم را باعث می گردد.

مدیریت  کنترل دما جهت جلوگیری  از صدمات  حاصل  از ترک خوردگی ، به حداقل رساندن  تاخیر  برنامه کاری  ورعایت مشخصات فنی پروژه الزامی می باشد. به خاطر  کمبود تعریف استاندارد  متحد هر المانی  بتنی را که ابعاد آن برابر 90 سانتی متر یا بزرگتر  باشد به عنوان  بتن حجیم  مورد ملاحظه  قرار می دهیم  ملاحظات مشابه  باید  درباره المانهای بتنی  که تحت  چنین  تعریفی  قرار نگرفته ولی دارای  سیمان تیپ ااا با مواد سیمانی بیش از 355 کیلوگرم  در هر متر  مکتن می باشد ، اعمال گردد.

در بسیاری  مواقع، در المانهای بتنی  غیر حجیم  نیز مقدار  قابل  ملاحظه ای حرارت  تولید می شود.

2-1-                حداکثر دمای بتن واختلاف دمای آن

اغلب اوقات  جهت اطمینان  بهتر  وبرنامه ریزی مناسب  قبل از استقرار  بتن  حداکثر دمای  مجاز بتن  واختلاف  دمای آن مشخص می شود. در بسیاری  مواقع  گستره های  مشخص شده به طور  اتفاقی وخود به خود انتخاب  شده ومشخصات فنی  پروژه  را شامل نمی گردد. برای مثال، مشخصات  فنی خاص  از پروژه  حداکثر  دمای بتن را به C75 (135₄(ودمای بتن را به (35₄) C19 محدود  می نماید. محدودیت های دیگر  اغلب  شامل  مواردی  مثل  محدودیت های  حداکثر  وحداقل  دمای بتن  در زمان  تحویل باشد.

حداکثر دمای بتن

دمای  بتن  به دلایل  بسیاری محدود شده  است. دلیل اصلی آن برای جلوگیری  از صدمه دیدن  بتن می باشد. مطالعات  نشان داده است  که چنان چه حداکثر  دمای بتن از  استقرار آن صورت گیرد  وبیش از اندازه محدوده 7تا 68 درجه  سانتیگراد 165به 155 باشد  دوام  طولانی  مدت بتن های  خاصی  مورد  سازش قرار می گیرد. مکانیزم صدمه اولیه، شکل گیری اترینگایت تاخیر  افتاده DFF  می باشد، که باعث  انبساط  داخلی وترک خوردگی  بتن می شود  که امکان مشاهده آن در سالهای متمادی  پس از استقرار بتن موجود می باشد.

از دلایل  دیگر  محدود کننده  حداکثر  دمای بتن  شامل کاهش زمان خنک کردن، تاخیرهای مرتبط وبه حداقل  رساندن  پتانسیل ترک خوردگی  مربوط  به انقباض  وانبساط  حرارتی  است. درجه حرارت  بالای تراز c88 سانتی گراد  (F1950) می تواند  سبب کاهش  مقاوم  فشاری  مورد نظرشود.

حداکثر اختلاف دما

حداکثر اختلاف دمای مجاز  بتن  اغلب مشخص کننده حداقل پتانسیل  ترک خوردگی  حرارتی  می باشد. این  اختلاف دما، تفاوت  بین  دمای گرم ترین  بخش  بتن  وسطح آن می باشد. ترک خوردگی  حرارتی  وفنی  که انقباض  مربوط به خنک شدن  در سطح بتن  باعث تنشهای  کششی بیش از  مقاومت  کششی بتن باشد، ایجاد شود.

حداکثر  اختلاف  دمای  مجاز  c 19 سانتی گراد  (f35)  اغلب  اوقات در اسناد  پیمانکار  مشخص شده  است . این اختلاف  دما یک  راهنمای  تجربی  بر اساس  بتن  حجیم  غیر  مسلحی که در حدود 50 سال پیش  در اروپا  اجرا شده، تعیین  گردیده است. در  بسیاری موارد، محدودیت  اختلاف دمای  C19 سانتی گراد(f35) بیش از  اندازه  محدود شده است وترک خوردگی  حرارتی ممکن است  حتی در اختلاف  دمای  بالا تر بوجود نیابد.

حداکثر  اختلاف دمای  مجاز  تابعی  از خواص  مکانیکی  بتن  همچون انبساط حرارتی ، مقاومت کششی ، مادول الاستیسیته  ونیز اندازه  تنش های  المانهای  بتنی می باشد.  کمیته  R/2/207/AC مهیا  کننده  دستور العمل  جهت  محاسبه حداکثر  اختلاف  دمای مجاز برای  جلوگیری  ترک خوردگی  حرارتی  مبتنی  بر خواص  بتن  برای سازه های  مشخص می باشد.

در زمانیکه  بتن  به مقاومت  طراحی  شده خود  می رسد، حداکثر  اختلاف  دمای  مجاز  محاسبه  شده بسیار  بیشتر  از C19 سانتی گراد  (F35) می باشد. کاربرد  حداکثر  اختلاف  دمای مجاز  محاسبه شده می تواند  سبب کاهش  قابل ملاحظه  مدت  زمان  تمهیدا  محافظتی ، همچون ایزوله  کردن  سطوح  ونگهداری  آن باشد.

2-5- پیش بینی  دمای بتن

اغلب  اوقات مشخصات فنی مربوط به بتن  حجیم  به نوع  سیمان  خاص، حداقل  مقدار سیمان مصرفی  وحداکثر  مواد سیمانی  جایگزین  سیمان  نیاز  دارد به مجرد  اینکه  این اطلاعات جمع آوری  شدند. فرآیند  پیش بینی  لازم  جهت حداکثر  دمای بتن  وحداکثر  اختلاف دمای آن شروع  می شود. چندین  روش پیش بینی  حداکثر دماهای  بتن  موجود می باشد.

یک روش ساده آن که به طورخلاصه  در اسناد  موسسه  سیمان  آمریکا (PCA) یافت می شود  از این قرار است.

کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه

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.

1 – 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 ]1[. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریکا، بیش از 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند ]2[. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در کانادا، 4 تا 6 میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است ]3[. هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در امریکا در حدود 50 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 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است ]3[!

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 1896 بر می‌گردد ]4[. 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 20 تا 50 درجه سانتیگراد تغییر می‌کند، در حالیکه گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از 30 درجه سانتیگراد متغیر است. این در حالی است که رطوبت نسبی اغلب بالای
60 درصد بوده و بعضاً نزدیک به 100 درصد است. به علاوه هوای مجاور تمرکز بالایی از دی‌اکسید گوگرد و ذرات نمک دارد [5]. به همین جهت است که از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده است [6]. 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 [7-9]. به همین جهت بسیاری از سازه‌‌های بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحل بندرعباس، در کمتر از 5 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.

2 – 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 [10]. 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.

3 – ساختار مصالح FRP

مواد FRP  از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها که  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 یک محیط چسباننده عمل می‌کند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی‌آیند؛ در حالیکه 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 کلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد [3].

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

3-1-  الیاف شیشه

فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند [10]؛

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

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

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

4 – S-Glass: که در تکنولوژی هوا-فضا و تحقیقات فضایی به کار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی دارد، ( و).

3-2- الیاف کربن

الیاف کربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛

1- الیاف کربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I که تردترین آنها با بالاترین مدول  الاستیسیته محسوب می‌شود.  (  و). تیپ II که مقاوم‌ترین الیاف کربن است (  و)؛ و نهایتاً تیپ III  که نرمترین نوع الیاف کربنی با مقاومتی بین تیپ ‌I    و   IIمی‌باشد.

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

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

3-3- الیاف آرامید

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

4- انواع محصولات FRP 

1- میله های کامپوزیتی: میله‌های ساخته شده از کامپوزیت‌های FRPهستند که جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. کاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی، مساله کربناسیون و کلراسیون را که از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمه هستند، به کلی حل خواهند نمود.

  2- شبکه‌های کامپوزیتی: شبکه‌های کامپوزیتی FRP (Grids) محصولاتی هستند که از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از این محصول، شبکه کامپوزیتی NEFMAC است که از فایبرهای کربن، شیشه یا آرامید و رزین وینیل استر تولید می‌شود و منجمله برای مسلح کردن بتن مناسب است.

3- کابل، طناب و تاندن‌های پیش‌تنیدگی: محصولاتی شبیه میله‌های کامپوزیتی FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیده در مجاورت آب نیز بکار گرفته می‌شوند.

4- ورقه‌های کامپوزیتی: ورقه‌های کامپوزیتی Sheets) FRP)، ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحکم 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 شکل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل، نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنین محصولاتی می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.

5– میله‌های کامپوزیتی FRP

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

1 – پ: این محصول توسط کمپانی شیمیایی میتسوبیشی ژاپن از الیاف کربن با اساس قیری تولید می‌شوند. خصوصیات مکانیکی این نوع میلگرد کامپوزیتی عبارت است از:    و. این میله‌ها که از جنس CFRP  هستند، به شکل 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 کمپانی میتسوی ژاپن و از کولار 49 تولید می‌شود. خصوصیات مکانیکی این میله‌های کامپوزیتی AFRP، بدین قرار است:    و.

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

4 – CFCC: این محصول،کابل کامپوزیتی CFRP  بوده و توسط شرکت توکیوروپ(Tokyo Rope) از فایبرهای کربنیPAN  تولید می‌شود. این محصول در قطرهای 3 تا 40 میلیمتر و با مقاومت
10 تا  kN 1100تولید می‌شود.

5 – ISOROD: این محصول توسط شرکت پولترال (Pultrall Inc. of Thetford Mines)  در ایالت کبک از کانادا تولید می‌شود. این محصول از فایبرهای شیشه و رزین پلی‌استر تولید شده و مشخصات مکانیکی آن بدین قرار است:   .

6 – C-Bar: این محصول توسط شرکت کامپوزیت‌های صنعتی مارشال در جکسون ویل از ایالت فلوریدا در امریکا تولید می‌شود. این محصول از فایبرهای شیشه که در رزین وینیل استر قرار گرفته، تولید می‌شود. مشخصات مکانیکی  C-Bar بدین قرار است:   .

توجه شود که امروزه تولید میله‌های کامپوزیتی یک زمینه^ء نو در دنیا محسوب شده و به همین دلیل، متناوباً شرکت‌های جدید تولید کننده در دنیا ایجاد می‌شود. به همین دلیل در این قسمت فقط مروری بر بعضی از این محصولات انجام گردید.

6 – مشخصات اساسی محصولات کامپوزیتی FRP

6-1- مقاومت در مقابل خوردگی

بدون شک برجسته‌ترین و اساسی‌ترین خاصیت محصولات کامپوزیتیFRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است. در حقیقت این خاصیت ماده FRP تنها دلیل نامزد کردن 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 کامپوزیت‌های FRP  بحث خواهد شد.

6-2- مقاومت

مصالح  FRPمعمولاً مقاومت کششی بسیار بالایی دارند، که از مقاومت کششی  فولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت کششی بالای میلگردهای FRP کاربرد آنها را برای سازه‌های بتن آرمه، خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بسیار مناسب نموده است. مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای بکار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت کششی محصولات FRP  برای میله‌های با الیاف کربن 1100 تا MPa2200، 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 که بطور کلی مقاومت فشاری میله‌های کامپوزیتی FRP از مقاومت کششی آنها کمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاری محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت کششی آنها MPa700 است [3].

6-3- مدول الاستیسیته

مدول الاستیسیته محصولات FRP اکثراً در محدوده قابل قبولی قرار دارد؛ اگر چه اصولاً کمتر از مدول الاستیسیته فولاد است. مدول الاستیسیته میله‌های کامپوزیتی 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].

6-4- وزن مخصوص

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

6-5- عایق بودن

مصالح FRP خاصیت عایق بودن بسیار عالی دارند. به بیان دیگر، این مواد از نظر مغناطیسی و الکتریکی 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 مراکز رادار بسیار سودمند خواهد بود.

6-6- خستگی

خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح 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 کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند [17].

6-7- خزش

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

6-8 – چسبندگی با بتن

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

6-9- 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 کردن را در کارگاه  انجام داد. اگر چه در صورت لزوم، می‌توان خم میله‌های کامپوزیتی FRP را با سفارش آن به تولید کننده در کارگاه انجام داد.

6-10- انبساط حرارتی

خصوصیات انبساط حرارتی فولاد و بتن بسیار به هم نزدیک هستند؛ ضریب انبساط حرارتی این دو ماده به ترتیب:  و می‌باشد. 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 با و  می‌باشد. بدترین حالت مربوط به آرامید است که ضریب انبساط حرارتی آن منفی بوده و برابر با می‌باشد [19].

7- دوام کامپوزیت‌های FRP

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

مکانیزم‌هایی که دوام کامپوزیت‌ها را کنترل می‌کنند عبارتند از:

1)  تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر

2)  از دست رفتن چسبندگی بین فایبر و ماتریس

3)  کاهش در مقاومت و سختی فایبر

محیط نقش کاملاً تعیین کننده‌ای در تغییر خواص پلیمرهای ماتریس کامپوزیت دارد. هر دوی ماتریس و فایبر ممکن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه کننده نظیر نمک‌ها و قلیایی‌ها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممکن است به صورت سیکل‌های یخ‌زدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و فایبر باعث گردد. از طرفی تحت شرایط بار‌گذاری مکانیکی، بارهای تکراری ممکن است باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممکن است مساله خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌ای از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام کامپوزیت‌های FRP را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

7-1- پیر شدگی فیزیکی ماتریس پلیمر

نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یکی از جنبه‌های مهمی است که در مساله دوام کامپوزیت‌ها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیه ماتریس در کامپوزیت انتقال تنش بین فایبرها، محافظت از سطح فایبر در مقابل سائیدگی مکانیکی و ایجاد مانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزائی در انتقال تنش برشی در صفحه کامپوزیت ایفا می‌کند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمان تغییر دهد، باید تحت توجه خاص قرار گیرد. برای کلیه پلیمرها کاملاً طبیعی است که تغییر فوق‌العاده آهسته‌ای در ساختار شیمیایی (مولکولی) خود داشته باشند. این تغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت کنترل می‌شود. این پروسه تحت نام پیر‌شدگی (Aging) نامیده می‌شود. تأثیرات پیر شدگی در اکثر کامپوزیت‌های ترموست متداول، در مقایسه با کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، خفیف‌تر است. در اثر پیر‌شدگی فیزیکی، بعضی از پلیمرها ممکن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتیجه این مساله تأثیر بر خواص غالب ماتریس و منجمله رفتار برشی کامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اکثر موارد این تأثیرات بحرانی نیست؛ زیرا نهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق فایبر‌ها رخ داده و تأثیرات پیر‌شدگی بر فایبر‌ها فوق‌العاده جزئی است.

7-2- تأثیر رطوبت

بسیاری از کامپوزیت‌های 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 که طول می‌کشد تا کامپوزیت به نقطه اشباع برسد به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد. خشک کردن کامپوزیت می‌تواند این روند را معکوس کند، اما ممکن است منجر به حصول کامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک (Fick’s Law) تبعیت کرده 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 ریزترکها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت را به صورت مجزا بر اجزاء کامپوزیت مورد بحث قرار می‌دهیم.

الف- تأثیر رطوبت بر ماتریس پلیمری

جذب آب به توسط رزین ممکن است در مواردی بعضی از خصوصیات رزین را تغییر دهد. چنین تغییراتی عمدتاً در دمای بالای 120 درجه ممکن است اتفاق بیفتد و در اثر آن سختی کامپوزیت به شدت کاهش یابد؛ اگر چه چنین وضعیتی عمدتاً در مصارف کامپوزیت‌ها در مهندسی عمران و به خصوص در سازه‌های در مجاورت آب، کمتر پیش می‌آید و مورد توجه نیست. از طرفی جذب رطوبت یک تأثیر سودمند نیز بر کامپوزیت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزین شده که این مساله به نوبه خود تنش‌های پس‌ماند بین ماتریس و فایبر را که در اثر انقباض ضمن عمل‌آوری کامپوزیت ایجاد شده، کاهش می‌دهد. این مساله باعث آزاد شدن تنش‌های بین ماتریس و فایبر شده و ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. از طرفی گزارش شده است که در کامپوزیت‌هایی که 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 مشترک فایبر و ماتریس ممکن 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 تکنیک‌های ساخت، حذف نمود.

ب - تأثیر رطوبت بر فایبر‌ها

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

ج- رفتار عمومی کامپوزیت‌های اشباع شده با آب

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

شایان توجه است که افزایش فشار هیدرواستاتیک (مثلاً در مواردی که کامپوزیت‌ها در مصارف زیر آب و یا در کف دریا به کار می‌روند)، لزوماً به جذب آب بیشتر توسط کامپوزیت و افت خواص مکانیکی آن منجر نمی‌شوند. بدین ترتیب انتظار می‌رود که اکثر سازه‌های پلیمری زیر‌ آب، دوام بالایی داشته باشند.  در حقیقت، تحت فشار هیدرواستاتیک، جذب آب به دلیل بسته شدن ریز‌ترک‌ها و ضایعات بین سطحی، کمی کاهش می‌یابد [22].

لازم به ذکر است که جذب آب بر خواص عایق بودن کامپوزیت‌ها اثر می‌گذارد. حضور آب آزاد در ریزترکها می‌تواند خاصیت عایق بودن کامپوزیت را به شدت کاهش دهد.

7-3- تأثیرات حرارتی – رطوبتی

درجه حرارت، نقش تعیین‌کننده‌ای در مکانیزم جذب آب کامپوزیت‌ها و تأثیرات متعاقب برگشت‌ناپذیر آن بازی می‌کند. 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 که ضایعات ناشی از قرار دادن کامپوزیت، در آب جوش به مدت چند ساعت، معادل جداشدن اجزاء کامپوزیت، و ترک‌خوردگی آن در اثر قرار گرفتن آن در آب با دمای 50  به مدت 200 روز می‌باشد. در دمای معمولی اطاق، نمونه‌های کامپوزیت هیچگونه خرابی و آسیبی را بروز نداده‌اند. چنین مشاهداتی به توسعه تکنیک‌هایی برای آزمایشات تسریع شده پیرشدگی کامپوزیت‌ها منجر شده است.

7-4- محیط قلیایی

در کاربرد کامپوزیت‌های با الیاف شیشه در محیط قلیایی، ضروری است که از الیاف شیشه با مقاومت بالای قلیایی استفاده نمود؛ زیرا محلول قلیایی با الیاف شیشه واکنش داده و ژل انبساطی سیلیکا تولید می‌کنند. این نکته به خصوص در کاربرد کامپوزیت‌های 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 که با نمک‌های یخزدا خورده می‌شوند، و نیز در سازه‌های در مجاورت آب افزایش یافته است. با این وجود در فرآیند هیدراسیون سیمان، محلول آب با قلیائیت بالا (pH>12) شده، ایجاد می‌شود. این محلول قلیایی شدید، می‌تواند بر الیاف شیشه تأثیر گذاشته و دوام میلگردهای FRP ساخته شده با الیاف شیشه را کاهش دهد. الیاف شیشه از جنس E-glass که اکثراً ارزان بوده و به کار گرفته می‌شوند، ممکن است مقاومت کافی در مقابل حمله قلیایی‌ها را نداشته باشند. استفاده از رزین وینیل استر با ایجاد یک مانع مؤثر، تا حدودی حمله قلیایی‌ها را کاهش می‌دهد. مقاومت در مقابل حمله قلیایی‌ها را می‌توان با طراحی عضو سازه‌ای برای تحمل سطح تنش‌های کمتر، بهبود داد. همچنین می‌توان برای بهبود دوام، از الیاف شیشه با مقاومت بسیار خوب در مقابل قلیا استفاده نمود.

شایان ذکر است که FRP های ساخته شده از الیاف کربن و آرامید، مطلقاً در مقابل محیط‌های قلیایی از خود ضعفی نشان نمی‌دهند.

7-5- تأثیر دمای پائین

تغییرات شدید دما بر کامپوزیت‌ها چندین اثر عمده به دنبال دارد. اکثر مواد با افزایش دما انبساط پیدا می‌کنند. در کامپوزیت‌های FRP با ماتریس پلیمری، ضریب انبساط حرارتی ماتریس معمولاً در رتبه بالاتری از ضریب انبساط حرارتی الیاف قرار دارد. کاهش دما ناشی از سرد شدن در ضمن مرحله ساخت و یا شرایط عملکرد کامپوزیت در دمای پایین، باعث انقباض ماتریس خواهد شد. از طرفی انقباض ماتریس با مقاومت الیاف نسبتاً سخت که در مجاورت ماتریس قرار گرفته‌اند، روبرو می‌شود؛ که این مساله تنش‌های پس ماندی را در ریز ساختار ماده به‌جای می‌گذارد. بزرگی تنش‌های پس ماند با اختلاف دما در شرایط عمل‌‌آوری و شرایط عملکرد 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 نزدیک به قطب شمال و قطب جنوب) ممکن است تنش‌های پس‌ماند بزرگی ایجاد شود که منجر به ایجاد ریزترک در ماده می‌گردد. چنین ریزترکهایی به نوبه خود سختی کامپوزیت را کاهش داده و نفوذپذیری و ورود آب از طریق لایه مرزی ماتریس و الیاف را افزایش می‌دهند و بدین ترتیب در فرآیند تجزیه کامپوزیت شرکت می‌کنند.

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

7-6- تأثیرات سیکل‌های 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، تأثیرات یخ‌ زدن و ذوب شدن در محدوده دمایی متداول (30 تا 20-) بر مقاومت، جزئی بوده و حائز اهمیت نیست. کامپوزیت‌های ساخته شده از فایبر‌های شیشه که به طور متداول در دسترس هستند، در حدود 4/0 درصد حفره دارند که اجازه یخ‌زدگی قابل توجهی را نداده و امکان هیچگونه آسیب جدی را فراهم نمی‌کند.

با این وجود، سیکل‌های حرارتی در دمای پایین اثرات دیگری را بر کامپوزیت‌ها می‌گذارد. تنش‌های پس‌ماند در موارد کامپوزیت، بدلیل تفاوت‌های موجود در ضرائب انبساط حرارتی اجزاء موجود در ریز ساختار ماده، ایجاد می‌شود. در شرایط دمایی بسیار پایین، چنین تنش‌هایی می‌تواند منجر به تشکیل ریزترک‌ها در رزین ماتریس و یا در سطح مشترک رزین و فایبر شود. تغییرات رشد ریزترک در محدوده متداول دمای بهره‌برداری (از  30+  تا 20-)، معمولاً جزئی و یا حاشیه‌ای است؛ با این وجود تحت شرایط سیکل‌های حرارتی شدید، مثلاً بین 60+ تا 60-، ریزترک‌ها امکان رشد و بهم پیوستن پیدا کرده که منجر به تشکیل ترک در ماتریس و انتشار آن در ماتریس و یا در اطراف سطح مشترک ماتریس و فایبر می‌شود [25]. چنین ترک‌هایی تحت سیکل‌های حرارتی طولانی مدت، از نظر تعداد و اندازه رشد کرده که می‌تواند منجر به زوال سختی و یا زوال سایر خواص وابسته به ماتریس گردد.

همچنین مشاهده شده است که در دمای بسیار پایین، مقاومت کششی کلیه کامپوزیت‌های پلیمری در جهت الیاف، تمایل به کاهش دارد؛ اگر چه مقاومت‌های کششی در سایر جهات و منجمله در جهت متعامد، افزایش می‌یابد. چنین نتایجی با سخت شدن ماتریس پلیمری در دمای پایین توجیه می‌شود. از طرفی سیکل‌های حرارتی بین دمای حداکثر و حداقل در زمان طولانی، همچنین زوال مقاومت و سختی در کلیه جهات را در پی دارد. چنین تغییرات خصوصیت برای طراحی سازه‌ای در مناطق سرد، مهم تلقی می‌شوند.

7-7- تأثیر تشعشع امواج ماوراء بنفش (UV)

تأثیر نور ماوراء بنفش بر ترکیبات پلیمری کاملاً شناخته شده است. تحت تابش طولانی مدت نور خورشید، ممکن است ماتریس سخت و یا بی‌رنگ شود.  این مساله را عموماً می‌توان با بکارگیری یک پوشش مقاوم در مقابل اشعه ماوراء بنفش بر کامپوزیت، برطرف نمود. در همین ارتباط از جمله مسائل بسیار قابل توجه، زوال فایبرهای پلیمری مسلح کننده نظیر آرامید است. به عنوان مثال برای آرامید ساخته شده از الیاف نازک 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 کامپوزیت‌های ضخیم‌تر، تأثیر  این زوال بر خصوصیات سازه‌ای جزئی است. در مواردی که خواص سطحی نیز مهم تلقی شوند، لازم است ملاحظاتی را جهت کاهش ترک‌خوردگی سطحی تحت اشعه خورشید، منظور نمود.

8- 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 تأکید 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 درمقابل 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 قرارگیرند 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 که 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.

شکل 1- 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 کار می‌روند که نمونه‌ای از آن در شکل 1 نشان داده شده است. در این شکل ملاحظه می‌شود که با متصل کردن صفحات FRP  به وجه پایینی تیر ظرفیت خمشی مثبت و با متصل کردن آن به وجه بالایی تیر ظرفیت خمشی منفی حاصل می‌شود. هم‌چنین می‌توان با اتصال صفحات FRP  به دو وجه کناری تیر، ظرفیت برشی مناسبی فراهم نمود.

در شکست تیرهای بتن‌آرمه تقویت شده با صفحات FRP مکانیزم‌های مختلف شکست، ازجمله 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 کاملا حائز اهمیت است و امروزه توجه زیادی را در دنیا به خود جلب می‌نماید. در این ارتباط به نظر می‌رسد که 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 که 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.

9 – خلاصه و نتیجه ‌گیری

خوردگی اعضاء سازه‌ای بتنی که به صورت متداول با میلگردهای فولادی مسلح شده باشند، در محیط‌های خشن و خورنده یک معضل جدی محسوب می‌شود. این مساله برای اعضاء بتنی سازه‌ای در مجاورت آب و به خصوص در محیط‌های دریایی و ساحلی که در معرض عوامل نمکی و قلیایی، آب در تماس با خاک، هوا و آب‌های زیرزمینی قرار دارند، بسیار جدی‌تر خواهد بود. این مساله هر ساله میلیون‌ها دلار خسارت ر سراسر دنیا به بار می‌آورد. اگر چه تا کنون روش‌های مختلفی نظیر حفاظت کاتدیدیک و یا پوشش قطعات فولادی و میلگردها با اپوکسی جهت فائق آمدن بر این مشکل به کار گرفته شده است، به نظر می‌رسد که جانشینی کامل قطعات فولادی و میلگردهای فولادی با یک ماده  مقاوم در مقابل خوردگی، یک راه حل بسیار اساسی و بدیع، در حذف کامل 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 یک 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 کم، 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 مشکلات مربوط به خم کردن 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 که در محیط‌های خشن و خورنده ساخته می‌شوند، نظیر سازه‌های آبی، ساحلی و دریایی، مشخصاً از آسیب‌های زودرس و ناخواسته و شکست سازه‌های بتنی مسلح در اثر خوردگی میلگردها جلوگیری خواهد نمود.

10- مراجع

 [1] Hamada, H., Fukute, T., and Yamamoto, K., “Bending Behavior of Unbounded Prestressed Concrete Beams Prestressed with CFRP Rods,” Fiber Reinforced Cement and Concrete, Proceedings of the Fourth RILEM International Symposium, Sheffield, 1992, pp. 1015-1026.

[2] Saadatmanesh, H., and Ehsani, M. R., “RC Beams Strengthened with GFRP Plates, I: Experimental Study,” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 117, No. 11, 1991, pp. 3417-3433.

[3] Bedard, Claude, “Composite Reinforcing Bars: Assessing Their Use in Concrete,” Concrete International, 1992, pp. 55-59.

[4] Sharp, B. N., “Reinforced and Prestressed Concrete in Maritime Structures,” Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Structures and Building, Vol. 116, No. 3, 1996, pp. 449-469.

[5] Hamid, Ahmad A., “Improving Structural Concrete Durability in the Arabian Gulf,” Concrete International, July, 1995, pp. 32-35.

[6] Ali, Mohammed Gholam, Dannish, Sami Abdulla, and Al-Hussaini, Adel, “Strength and Durability of Concrete Structures in Bahrain,” Concrete International, July, 1996, pp. 39-45.

[7] Matta, Z., “Chlorides and Corrosion in the Arabian Gulf Environment,” Concrete International, May, 1992, pp. 47-48.

[8] Matta, Z., “Deterioration of Concrete Structures in the Arabian Gulf,” Concrete International, Juky, 1993, pp. 33-36.

[9] Matta, Z., “More Deterioration of Reinforced concrete in the Arabian Gulf,” Concrete International, November, 1993, pp. 50-51.

[10] Razaqpur, A. G., and Kashef, A. H., “State-of-the-Art on Fiber Reinforced Plastics for Buildings,” Submitted to: Institute for Research in Construction – National Research Council of Canada, Carleton University, Ottawa, 1993.

[11] Rostasy, F. S., “FRP Tensile Elements for Prestressed Concrete – State of the Art, Potentials and Limits,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 347-366.

[12] Minosaku, Koichi, “Using FRP Materials in Prestressed Concrete Structures,” Concrete International, 1992, pp.41-45.

[13] Erki, M. A., and Rizkalla, S. H., “Anchorages for FRP Reinforcement,” Concrete International, 1993, pp. 54-59.

[14] Martin, Roderick H., “Fiber Reinforced Plastic Standards for the Offshore Industry,” SAMPE Journal, Society for the Advancement of Material and Process Engineering, 1996, pp. 37-41.

[15] Yamasaki, Y., Masuda, Y., Tanano, H., and Shimizu, A., “Fundamental Properties of Continuous Fiber Bars,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 715-730.

[16]  Tarricone, Paul, “Plastic Potential,” Civil Engineering, 1993, pp. 62-64.

[17] Ehsani, M. R., Saadatmanesh, H., and Tao, S., “Bond of GFRP Rebars to Ordinary- Strength Concrete,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 333-346.

[18] Char, M. S., Saadatmanesh, H., and Ehsani, M. R., “Concrete Girders Externally prestressed with Composite Plates,” PCI Journal, 1994, pp. 40-51.

[19] Mashida, M., and Iwamoto, K., “Bond Characteristics of FRP Rod and Concrete After Freezing and Thawing Deterioration,” Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, 1993, pp. 51-70.

[20] Hahn, H. T., and Kim, R. Y., “Swelling of Composite Laminates,” Advanced Composite Materials-Environmental Effects, ASTM-STP 658, 1978, pp. 98-130.

[21] Mallick, P. K., Fiber Reinforced Composites, Marcel Dekker, Inc., New Yoek, 1988.

[22] Burnsell, A. R., “Long-Term Degredation of Polimeric Matrix Composites,” Concise Encyclopedia of Composite Materials, Pergamon Press, 1989, pp. 165-173.

[23] Dewimille, B., and Burnsell, A. R., “Accelerated Aging of a Glass Fiber Reinforced Epoxy Resin in Water,” Composites, 1983, pp. 14-35.

[24] Dutta, P. K., “Tensile Strength of Unidirectional Fiber Composites at Low Temparatures,” Proceedings, Sixth Japan-U.S. Conference on Composite Materials, June, 1983, Orlando, pp. 782-792.

[25] Lord, H. W., and Dutta, P. K., “On the Design of Polymeric Composite Structures for Cold Region Applications,” Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 7, 1988, pp. 435-450.

[26] Larsson, F., “The Effect of Ultraviolet Light on Mechanical Properties of Kevlar 49 Composites,” Environmental Effects on Composite Materials, Technomic Publishings Co., 1988, pp. 132-135

نحوه اجرای سدهای مخزنی به روش بتن غلتکی

نحوه اجرای سدهای مخزنی به روش بتن غلتکی RCC

38درصد از کل سدهائی که تا سال 1950 به ارتفاع 50 فوت (15 متر) و بیشتر احداث گردید (بدون درنظر گرفتن سدهائی که در چین ساخته شد) بتنی بوده است. از سال 1951 تا 1977 نسبت سدهای بتنی ساخته شده به حدود 25 درصد رسید. این تقلیل طی سالهای 1978 تا 1982 ادامه داشت و نسبت سدهای بتنی به 5/16 درصد رسید اما این کاهش در محبوبیت سدهای بتنی مقارن با زمانی بود که استفاده از سدهای بتنی در دره های تنگ رو به افزایش بود. بنابراین کاهش سدهای بتنی مربوط به دره های عریض می شد که به جای سدهای بتنی وزنی، سدهای خاکی و سنگریزه ای احداث گردید که ارزانتر و بیشتر قابل توجیه بودند دلیل این امر بازده خیلی بالی ماشین آلات، تجهیزات و روش ساخت در این نوع سدها بوده است.

معرفی تکنولوژی سازه های پیش ساخته سبک در صنعت ساختمان

صنعت ساختمان و پروژه­های عمرانی به گواهی آمار و ارقام، از لحاظ سرمایه و حجم نیروی انسانی درگیر، بزرگترین صنعت در کشور می­باشد. رشد سریع جمعیت و افزایش تقاضا، نیاز به کاهش زمان تحویل پروژه­های عمرانی و کاهش زمان برگشت سرمایه سرمایه­گذاران و عواملی از این قبیل باعث شده­اند تا ضرورت ایجاد تحول در شیوه­های سنتی صنعت ساختمان روزبه­روز بیشتر شود. روش­ "سازه­های پیش­ساخته سبک" که یکی از تکنولوژی­های نوپا در عرصه ساخت و ساز­های عمرانی در کشور است موضوع مصاحبه شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران با مهندس احمدی، معاونت اجرایی موسسه سازه­های پیش­ساخته سبک (SAP) است. در زیر نکات مهم آن ملاحظه می­گردد:

صنعت ساختمان در جهان در حدود صد تا صدوده سال قدمت دارد و شروع آن به زمانی برمی­گردد که اولین تیرهای بتونی به صورت T شکل، تولید صنعتی شده و قطعات بتونی با اشکال مختلف در مقیاس صنعتی تولید شد.
اگر تکنولوژی ساختمان را به معنی وارد شدن صنعت در ساختمان­سازی بگیریم، از حدود سال47 تکنولوژی ساختمان وارد ایران شد و اوج آن زمانی بود که ساختمان­سازی به صورت شهرک­سازی در بعضی از شهرهای بزرگ مثل اصفهان(مجتمع ذوب آهن)، اهواز، تبریز، تهران و برخی دیگر از شهرها شروع شد. این صنعت بیشتر از کشورهای اروپایی مانند آلمان، هلند، انگلیس و فنلاند به ایران وارد شد.

تکنولوژی سازه­های پیش­ساخته سبک

تنوع تکنولوژی­های ساختمان بسیار زیاد است و هر کدام ویژگی­ها و قاعدتاً محدودیت­های خاص خود را دارند. سیستم سازه­های پیش ساخته سبک را حدود 34 سال پیش یک آمریکایی ابداع کرد. مرحله صنعتی شدن آن 5 تا 6 سال به طول انجامید. عمده­ترین شرکت­هایی که در دنیا این تکنولوژی را به کار می­گیرند، شرکت E.V.G اتریش و شرکت­های 3D Panel و RAM در آمریکا می­باشند. توجه زیاد صنایع اروپایی به تکنولوژی سازه­های پیش­ساخته سبک به خاطر مشکلاتی بود که در سایر تکنولوژی­های پیش­ساخته وجود داشت. به طور مثال تکنولوژی Large Panel با وجود سرعت بالا و کارخانه­ای بودن آن، با مشکل ضعف اتصالات روبروست و همچنین وزن سنگین ساختمان یک معضل جدی در این تکنولوژی به شمار می­رود. حمل­ونقل قطعات سنگین بتونی، این فرآیندها را دشوار می­کند. در زلزله­ای که چند سال پیش در ترکیه اتفاق افتاد، ساختمان­های زیادی که در آنها از تکنولوژی Large Panel استفاده شده بود به دلیل ضعف اتصالات تخریب شدند.
در تکنولوژی سازه­های پیش­ساخته سبک، اتصالات به صورت یکپارچه است (دیوار به دیوار، سقف به دیوار و دیوار به پی). بر خلاف روش Large Panel که اتصالات به صورت کام و زبانه است، در روش سازه­های پیش ساخته سبک، اتصالات به صورت جوش نقطه­ای است و به جای اینکه ابتدا قطعات سنگین بتن در کارخانه ساخته شده و بعد به هم متصل شوند، ابتدا سازه به صورت شبکه­های میلگردی که بین آنها(بین دو شبکه میلگرد) یک لایه فوم پلی­استایرن قرار می­گیرد ساخته می­شود و پانل­های سبک در محل احداث ساختمان به فنداسیون جوش داده می­شود و همچنین دیوارها و سقف به هم جوش داده می­شوند و ساختمان با پانل­های سبک برپا می­شود. سپس در همان محل دیوارها و سقف و محل، اتصالات به صورت همزمان بتن پاشی می­شوند. بتن از طریق پمپ، با فشار هوا به پانل­ها پاشیده می­شود که اصطلاحاً آن را "شات کریت" گویند.
این روش باعث یکپارچگی در اتصالات شده، استحکام و پایداری ساختمان را در مقابل نیروهای دینامیکی حاصل از زلزله یا طوفان افزایش می­دهد.
بنابراین دلیل انتخاب روش سازه­های پیش ساخته سبک استفاده از امتیازات برتر آن نسبت به سایر تکنولوژیهای پیش ساخته موجود است که هنوز هم از این مزایا برخوردار است.

البته همانند صنایع دیگر، در این صنعت هم ممکن است نوآوری­هایی در دنیا دیده شود. اما با توجه به شرایط اقلیمی، فرهنگی و اجتماعی، روش سازه­های پیش­ساخته سبک، مناسبترین روش برای ایران تشخیص داده شده است. به طور مثال تکنولوژی­های جدید قیمت مسکن را خیلی بالا می­برند که این با نیاز اغلب مردم ما به خانه­های ارزان­قیمت سازگار نیست ولی روش سازه­های پیش­ساخته سبک قیمت را بالا نمی­برد.

ویژگی­های مهم روش سازه­های پیش ساخته سبک

الف) مقاومت در برابر زلزله

در مناطق زلزله­خیز مانند ایران، یکی از پارامترهای مهم در ساختمان­سازی کاهش وزن ساختمان است. چرا که نیروهای زلزله با وزن ساختمان نسبت مستقیم دارد. بنابراین تکنولوژی انتخاب شده باید دارای جهت­گیری کاهش وزن باشد. بر خلاف شیوه سازه­های پیش­ساخته سبک در سایر سیستم­های پیش­ساخته دیگر، اتصالاتشان اکثراً به صورت مفصلی و لولایی است و دارای وزن سنگین هستند. تنها در این روش است که با 8 سانتیمتر بتن می­­توان نیروهای ساختمان 4 طبقه را در طبقه همکف تحمل کرد. وزن نهایی ساختمان با این روش، نسبت به روش­های پیش­ساخته دیگر و همچنین ساختمان­های بتنی، 25 درصد کاهش می­یابد؛ یعنی در هنگام زلزله 25 درصد نیروی کمتر به ساختمان وارد می­شود. امروزه سبک­سازی ساختمان یکی از شعارهای اصلی در صنعت مسکن است.

ب) انعطاف­پذیری در تولید و امکان حفظ جلوه­های معماری اسلامی و ایرانی

مسأله مهم دیگر در صنعت ساختمان حفظ ملاک­­های فرهنگی و جلوه­های معماری اسلامی و ایرانی در طراحی و نماسازی ساختمان­هاست. انحناهای موجود در گنبدهای مساجد، نقش­­ و نگارهای ایرانی و اسلیمی و سایر موارد از نشانه­های معماری اسلامی و ایرانی است که در روش سازه­های پیش­ساخته سبک می­توان آنها را حفظ کرد. چرا که می­توان پانل­های سبک مورد استفاده را به هر طرح دلخواه درآورد و پس از نصب آنها در محل خود، بتن­پاشی روی آنها انجام داد. روش سازه­های پیش ساخته سبک، حتی ساخت گنبدهای بزرگ را که به دلیل زیادی وزن، دشوار است آسان­تر­ می­کند چرا که در این روش وزن سازه­ها بسیار کاهش می­یابد در حالی که مقاومت و استحکام­ آنها بالاتر می­رود.

ج) ایمنی در ساختمان

بحث ایمنی، از مهمترین مسائل صنعت ساختمان است چرا که با سلامتی انسان­ها سر و کار دارد. در ساختمانهای سنتی چون ستونها و اسکلت فلزی، قسمت اعظم بار ساختمان را تحمل می­کنند. با کنار رفتن یک تیر یا ستون، کل ساختمان به طور ناگهانی فرو می­ریزد. در روش سازه­های پیش­ساخته سبک چون به جای استفاده از اسکلت فلزی، از شبکه­های میلگردی که در تمام سطوح دیوارها توزیع شده­­­اند استفاده می­شود، فروریزی ناگهانی پیش نمی­آید. چرا که اتصالات و مواضع تحمل بار به صورت یکپارچه در تمام ساختمان وجود دارند.

د) صرفه­جویی­های ملی و سایر مزایای ناشی از کاربرد روش سازه­ها پیش­ساخته سبک

اگر به صرفه­جویی­هایی که کوچک به نظر می­رسند، در مقیاس ملی نگاه کنیم، به ارقام بالایی تبدیل می­شوند که می­تواند نقشی حیاتی در رشد و شکوفایی کشور ایفا کند. در زیر به مزایای ناشی از کاربرد تکنولوژی سازه­های پیش­ساخته سبک در صنعت ساختمان اشاره می­شود:

1-    کاهش متوسط میزان کاربرد میلگرد فولاد از 38 کیلوگرم در ساختمان­هایLarge Panel و ساختمان سنتی به 34 کیلوگرم در روش سازه­های پیش­ساخته سبک

2-      کاهش استفاده از سیمان در هزینه­های تمام شده ساختمان

3-     ده درصد کاهش در هزینه تمام­شده ساختمان

4-     کاهش وزن ساختمان(بطور مثال فقط در بحث استفاده از فولاد 12 کیلوگرم در هر متر مربع زیربنا، کاهش وزن دیده می­شود(

5-     کاهش زمان برگشت سرمایه از حدود 2 سال در شیوه سنتی به 5 الی 6 ماه در روش سازه­های پیش­ساخته سبک

6-      کاهش ضایعات مواد اولیه و استفاده بهتر از منابع ملی

7-    صرفه­جویی در مصرف انرژی(به دلیل عایق بودن دیوارها، ناشی از کاربرد پل­استایرن در پانل­ها(

8-      افزایش عمر ساختمان و افزایش استحکام آن ایمنی بیشتر ساختمان در برابر زلزله کاهش میزان آلودگی­های صوتی محیط

از محدودیت­های روش سازه­های پیش­ساخته سبک آن است که فعلاً این روش تنها تا 4 طبقه در کشور قابل انجام است. البته در دنیا تا 8 طبقه نیز از آن استفاده شده است.

مزایای استفاده از سازه های گنبدی بتن آرمه:

سرعت در ساخت:

گنبدهای بتن آرمه در مقایسه با دیگر سازه‌های قدیمی با ابعاد محیطی یا حجم یکسان، سریع تر اجرا می‌شوند.

به عنوان مثال:

-اجرای سازه فوقانی یک گنبد بتن آرمه جهت ذخیره‌سازی 15 هزار تن غله ظرف مدت 4 هفته.

- اجرای سازه‌ فوقانی یک گنبد بتن آرمه جهت یک مرکز چند منظوره ورزشی (ژیمنازیوم) به مساحت 1500 متر‌مربع ظرف مدت 3 هفته.
سه دلیل اصلی چنین سرعتی در اجرا به شرح ذیل می باشد:
1-استفاده از بالن پر شده از گاز هزینه و زمان اجرا را در مقایسه با روش قدیمی به نصف تقلیل می‌دهد.

2-یکی از دلایل خوب پائین‌آوردن هزینه نیروی انسانی، استفاده از shotcrete)پاشیدن بتن) می‌باشد.

3-چون اجرای پروژه در داخل بالن انجام می‌شود، تاثیرات آب و هوایی در زمان‌بندی‌ اجرای پروژه تاثیر ندارد. 2) مقاومت و پایداری:
طی قرون متمادی شکل کره به عنوان مقاوم ترین سازه شناخته شده است: پوسته تخم مرغ، خانه اسکیموها، انبارها یا مخازن تحت فشار بالا و غیره.
ساختمان‌های بیضوی ما بهترین مقاومت و پایداری طبیعی را دارا می‌باشند.
گنبدهای بتن آرمه با بهترین مصالح به شرح ذیل ساخته می‌شوند:
1-بالن P.V.C مسلح شده با پلی استر (280 گرم بر متر‌مربع (
2-فوم VETHANE مقاوم در برابر حریق و آتش‌سوزی (با چگالی 55 کیلوگرم بر متر‌مکعب (

3-اجرای بتن شات کریت با میزان سیمان 400 تا 450 کیلوگرم سیمان در هر متر‌مکعب)یا مشابه آن(

4-می توان از اضافه کردن آنتی‌اسیدها و افزودنی ها به بتن، جهت نگهداری محصولاتی چون فسفات، نیترات و آمو‌‌‌‌نیترات و غیره، استفاده نمود.
3) بهینه سازی:

گنبدهای بتن‌آرمه نسبت حجم به سطح را افزایش می‌دهد.

4 عایق حرارتی (VETHANE):

عایق حرارتی، در دوره کیورینگ و عمل‌آوری بتن، آن را در شرایط ایده‌آل نگه می‌دارد. همچنین بتن تحت تاثیر شرایط جوی و نوسانات دمای هوا در روز یا شب قرار نگرفته و عمل‌آوری بتن نیز در محیط بسته و با رطوبت هوا اتفاق می‌افتد. شایان ذکر است در این حالت سازه بتن آرمه از شوک های حرارتی مصون بوده و مقاومت خوبی در مقابل ترک پیدا می کنند. همچنین در بیشتر موارد این عایق حرارتی جمع شدگی های سطح بتن را حذف می نماید.
ضخامت فوم‌ VETHANE حداقل 50 میلیمتر می‌باشد. البته ما می‌توانیم این ضخامت را با توجه به کاربرد آن در سردخانه‌ها، اماکن مذهبی، مدارس و غیره افزایش دهیم.

5) خاصیت ضد آب (waterproof):

ضد آب بودن سازه از اولین مراحل اجرا با باد شدن بالن ایجاد می شود. بالن پس از ساخت سازه در جای خود باقی می ماند و باعث سختی و مقاومتی مضاعف به شرح ذیل می شود:

-مقاومت در برابر آب

-مقاومت در برابر هوا در یک شرایط جوی کنترل شده (اکسیژن، ازت، دی اکسید کربن، خشکی هوا و غیره

(6 هزینه پائین تعمیرات و نگهداری:

سطح خارجی گنبد بتن آرمه کاملاً صیقلی بوده و به راحتی تمیز می گردد و بنابراین هیچگونه خوردگی یا زدگی نمی‌تواند روی این گنبد بتن آرمه ایجاد شود.

 
7) زیبایی:

بجز بخشی از مزایای سازه های گنبدی که عنوان شد، زیبایی و ظرافت این سازه ها نیز از دیگر مزایای قابل ذکر است.
برای اثبات این صحبت کافیست برخی از پروژه های اجرا شده توسط شرکت PIRS مانند مرکز فضایی در تولوز فرانسه و تاتر Imax در Poitiers فرانسه را بررسی نمایید.

8) تنوع:

گنبدهای بتن‌آرمه که جهت ذخیره‌سازی بکار می‌روند اغلب مجهز به درهای بزرگی هستند که اجازه ورود لودرهای بزرگ جهت بارگیری را می دهند. در طی فصول غیر‌کاری می‌توان از آنها به عنوان انبار مواد دیگر استفاده نمود. همچنین گنبدها می توانند دارای پنجره یا سقف شیشه ای نیز باشند.

9) سازگاری:

هیچ استانداردی برای اندازه گنبدها تعیین نشده است. ولی شکل گنبدها می تواند از 4/3 کره تا 3/1 کره و دارای قطرهای 6 الی 85 متر باشد.