کاهش خوردگی پل های بتنی با میلگردهای FRP یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر جنبه‌های مختلف زندگی انسان، راه های ارتباطی است که پل، آسیب‌پذیرترین و مهم‌ترین نقطه منطقه، در معرض انواع و اقسام بارها قرار دارد. آب و هوا عوامل آسیب پل به طور کلی به چهار گروه عوامل داخلی، عوامل بار ترافیکی، عوامل محیطی و اقلیمی و عوامل نگهداری تقسیم می شوند.   بیشترین آسیب به فولاد در اثر خوردگی و خوردگی پل های بتنی ایجاد می شود. خوردگی مهم ترین عامل در کاهش ظرفیت و سطح مقطع اجزای فولادی است و شایع ترین علت آن قرار گرفتن فولاد در معرض چرخه های مرطوب و خشک است. در نتیجه، تعمیر و نگهداری پل امروزه در کانون توجه قرار گرفته است، به طوری که نیمی از بودجه اختصاص داده شده توسط وزارت حمل و نقل در کبک، کانادا، صرف تعمیر سازه های آسیب دیده در اثر خوردگی فولاد، و خوردگی سالانه در اروپا می شود. هزینه تعمیر حدوداً 1 میلیارد پوند تخمین زده شده است. یکی از روش هایی که اخیرا برای مقابله با خوردگی سازه استفاده شده است، استفاده از کامپوزیت های FRP است. اغلب در عرشه پل ها و سایر بخش های سازه ای با نتایج خوب استفاده می شود. میلگرد FRP به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و استحکام کششی بالاتر نسبت به میلگرد جایگزین مناسبی برای میلگرد شده است.

تاریخچه رشد و توسعه میلگرد FRP

تاریخچه میلگرد FRP را می توان به دوران پس از جنگ جهانی دوم ردیابی کرد. این محصول به دلیل داشتن مزایایی از جمله استحکام بالا و وزن سبک در صنایع نظامی و هوافضا کاربرد فراوانی داشته است. پس از صنایع نظامی، این محصول برای اولین بار در آمریکا برای ساخت چوب گلف و قلاب مورد استفاده قرار گرفت. تا دهه 1990، ژاپنی ها از ساختار FRP نهایت استفاده را می بردند. در اروپا، آلمان نیز در استفاده از سازه های FRP با پل های معلق سفت و سخت پیشگام بود.

 

 

خوردگی پل

خوردگی را می توان به عنوان از دست دادن فلز در اثر فرآیندهای اکسیداسیون شیمیایی یا الکتروشیمیایی تعریف کرد. خوردگی فلز نوعی اکسیداسیون است که در اثر جریان الکتریسیته از یک قسمت از سطح فلز به قسمت دیگر در همان سطح فلز ایجاد می شود و در نتیجه آهن به اکسید آهن تبدیل می شود. خوردگی سطح مقطع اجزای فولادی را کاهش می دهد و در نهایت منجر به کاهش ظرفیت سازه می شود. برای ایجاد خوردگی در فولاد. عوامل زیر باید با حذف یک یا گروهی از آنها حذف شوند:

• اکسیژن
• الکترولیت که جریان الکتریکی را منتقل می کند
• مساحت سطح فلز با بار مثبت (آند)

تلفات خوردگی به طور کلی با کاهش سطح مقطع باعث افزایش میزان تنش در عضو سازه می شود، در حالی که کاهش سختی عضو باعث افزایش تغییر شکل عضو می شود که باعث تغییر خواص دینامیکی پل ها می شود.

خوردگی پل بتنی ایران در خلیج فارس

پل ها اغلب عمر مفیدی بیش از 100 سال دارند. در ایران این بتن ها نفوذپذیری بالایی دارند زیرا نسبت آب به سیمان معمولا از حداکثر تحمل در ساخت پل های بتنی بیشتر است. نزدیکی به دریا که کلرید و رطوبت را از دریا به ساحل می برد و به این بتن های نسبتاً نفوذ پذیر نفوذ می کند، عامل اصلی و مهم خوردگی آرماتورهای این پل های بتنی، ریختن و ریزش است، آرماتورهای زنگ زده ظاهر می شوند و این امر این رویداد در چندین پل طی یک دوره 5-6 ساله رخ داده است. بنابراین اولین و مهمترین مسئله در دوام بتن توجه به نفوذپذیری آن است. در طراحی پل های حاشیه خلیج فارس معمولاً نسبت های بالا و فولاد حجیم مورد توجه قرار می گیرد. نفوذ یونهای کلرید از پوشش کم و رسیدن آنها به فولاد و وجود نسبت زیاد فولاد در سطح مقطع، باعث خوردگی شدید این فولادها و فشار وارده به بتن مجاور و در نهایت وارد بتن می شود. باعث ایجاد ترک و تزریق شد. چنین آسیب هایی در اکثر پل های بتنی در این مناطق گسترده است.

نظارت بر سلامت پل های بتنی در برابر خوردگی

فرآیند پایش خوردگی، کربناسیون و محتوای کلرید با سایر روش‌های پایش متفاوت است. اگرچه اینها پدیده های دائمی هستند، اما دلیل اصلی نتایج نامطلوب با نظارت مداوم این است که عمر مفید سازه ها و سیستم های نظارت بهداشت حداقل 10 برابر متفاوت است. سیستم های بسیار جالبی برای نظارت بر خوردگی سازه های بزرگ با پی های بزرگ که با آب در تماس هستند طراحی و استفاده شده است، مانند پروژه های بزرگ ساخت پل در هنگ کنگ. با این حال، در یک پروژه خوردگی که به خوبی طراحی شده است، سیستم نظارت تنها دقت ملاحظات را نشان می دهد.   مشکل اصلی خوردگی در مورد پل های قدیمی است که پوشش بتنی و کیفیت آن مطابق با الزامات فعلی نیست. روش‌هایی برای تشخیص خوردگی سازه‌های موجود وجود دارد، اما این روش‌ها گران هستند، نیاز به دسترسی نزدیک به عناصر سازه‌ای و اختلال دائمی در ترافیک دارند.   صرف نظر از علت خاص آسیب، توصیه می شود که فرآیند نظارت بر عملکرد کلی سازه متمرکز شود. به عبارت دیگر، مهم نیست که میلگرد در اثر خوردگی یا ترک خوردگی از بین رفته باشد، بلکه مهم این است که کدام عناصر نیاز به تعمیر یا تعویض دارند و این اقدامات تا چه حد فوری انجام می شود. بنابراین، انتظار نمی رود که هیچ یک از سیستم های پایش خوردگی به طور دائم به طور گسترده مورد استفاده قرار نگیرند.

مواد کامپوزیت FRP

 

خواص عمومی الیاف پلیمری (FRP)

استفاده از مصالح FRP (الیاف کربن، …) برای بهسازی روشی است که در حال حاضر در اکثر کشورهای جهان برای بهبود سازه های بتنی شکننده استفاده می شود و به ماشین آلات سنگین نیاز دارد، از این رو محققان FRP را به فولاد تبدیل کرده و جایگزین مناسبی در نظر گرفته اند. مزایای اصلی مواد FRP نسبت وزن به وزن بالا و مقاومت در برابر خوردگی بالا است. قوی و سبک است، اما جابجایی و حمل و نقل آسان است و هزینه استفاده و نیروی کار را کاهش می دهد. مقاوم سازی در برابر خوردگی نیز دوام و پایداری را بهبود می بخشد. محدودیت های استفاده و استفاده از آنها در مهندسی معماری به دلیل قیمت بالای آنها است. البته هزینه و قیمت آنها در حال کاهش است، بنابراین استفاده از آنها در حال افزایش است.

  استفاده از آن در زمینه آرماتور سازه به دلیل هزینه بالا، هزینه نصب کم و سایر مزایای FRP به طور کلی یکی از موثرترین روش های تقویت سازه های بتنی محسوب می شود. FRP بسته به نوع فیبر مورد استفاده به سه نوع CFRP، GFRP و AFRP طبقه بندی می شود.

میلگرد FRP

میلگرد و آرماتور کامپوزیت FRP از نظر ظاهری شبیه به میلگرد سنتی است اما به جای فولاد از الیاف خاصی ساخته شده است که با استفاده از نوعی رزین پلیمری در برابر فولاد بسیار مقاوم است. میلگرد کامپوزیت FRP به عنوان جایگزینی مناسب برای میلگرد در بسیاری از سازه های بتنی استفاده می شود. انواع کامپوزیت‌های FRP شامل تقویت‌کننده‌های کامپوزیت CFRP با استفاده از الیاف کربن، تقویت‌کننده‌های کامپوزیت AFRP با استفاده از الیاف آرامید، تقویت‌کننده‌های کامپوزیت BFRP با استفاده از الیاف بازالت و تقویت‌کننده‌های کامپوزیت GFRP با استفاده از الیاف شیشه هستند. تقویت‌کننده‌ها نسبت به انواع دیگر ارزان‌تر هستند. میلگرد FRP از رزین حاوی الیاف شیشه، کربن و آرامید ساخته شده است و در برابر مغناطیسی مقاوم است، بنابراین دارای خواصی است که در مواد دیگر یافت نمی شود. میلگرد FRP نیز نارسانا است و برای سازه هایی که خطر برق گرفتگی وجود دارد مناسب است. از نمونه های این کاربردها می توان به استفاده از دکل های FRP در ساخت دکل های انتقال بتنی و استفاده از دکل های FRP در ساخت تیرهای انتقال و پست های فشار قوی اشاره کرد. میلگرد FRP بسیار سبک تر از میلگرد سنتی است. این کاهش چگالی می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌های حمل و نقل، حمل آسان‌تر مواد، و کاهش بار ساختاری شود. بنابراین استفاده از میلگرد FRP در بسیاری از پروژه ها منجر به صرفه اقتصادی بیشتر پروژه ها می شود. با وجود مزایای میلگرد FRP، این میلگردها خالی از ضعف نیستند. برخی از مشکلات میلگرد FRP افزایش هزینه اولیه، کاهش استحکام در طول زمان، کاهش مدول و شکست شکننده است.   به دلیل ماهیت رفتار شکننده، میلگرد FRP در سازه هایی که نیاز به شکل پذیری و اتلاف انرژی دارند، به خوبی عمل نمی کند. به عنوان مثال، در زلزله میدان نزدیک، حرکت پالس یک نیرو باعث می شود که نیروی وارد شده به سازه به صورت ضربه ایجاد شود و باعث می شود سازه رفتار شکننده ای داشته باشد. استفاده از میلگرد FRP با رفتار شکننده مشکل را دو چندان می کند. استفاده از آلیاژهای انعطاف پذیر حافظه دار با رفتار الاستیک غیر خطی به عنوان تقویت کننده با میلگرد مرکب (SMA-FRP) می تواند راه حل مناسبی برای این مشکل باشد. با وجود مزایای فراوان میلگرد FRP نسبت به میلگرد، رفتار ارتجاعی شکننده فولاد، کرنش محدود و مدول کم بر شکل پذیری و قابلیت نگهداری سازه تأثیر می گذارد. ، استفاده از میلگرد FRP برای کاربردهای لرزه ای محدود شده است. میلگرد تقویت شده SMA-FRP از رزین پلیمری FRP تقویت شده با الیاف قطری داکتیل حافظه کوچک با خواص فوق الاستیک تشکیل شده است.   بنابراین میلگرد SMA-FRP دارای خاصیت ضد خوردگی هر دو کامپوزیت FRP مانند میلگردهای فولادی با این مزیت است که به دلیل داشتن آلیاژ شکل پذیر، فولادهای زیر به دلیل نداشتن خاصیت حافظه در میلگرد قرار دارند رفتار شکل پذیری را نشان می دهد. اگرچه به دلیل تغییر شکل دائمی به حالت اولیه خود باز نمی گردد، اما می توان آن را با تابع حافظه شکل (SMA) به شکل اولیه خود برگرداند، بنابراین آلیاژهای چکش خوار پس از بارگذاری، کرنش باقیمانده زیادی در شکل اولیه باقی نمی گذارند.   میلگرد FRP استفاده می شود. بدون تغییر شکل مداوم برمی گردد و مقدار قابل توجهی انرژی مصرف می کند. با این حال استفاده از میلگرد SMA-FRP به دلیل هزینه بالای آن هنوز در صنعت ساختمان رواج پیدا نکرده است، اما خواص منحصر به فرد آن محققان را به مطالعه کاربردها در مهندسی عمران سوق داده است.  

کاربرد میلگرد FRP در پل ها و پروژه ها

خرابی عرشه پل یکی از رایج ترین نقاط ضعف سیستم های پل است. عرشه پل بتنی سریعتر از سایر قسمت ها خراب می شود. این امر به این دلیل است که عرشه پل در تماس مستقیم با محیط زیست و بار ترافیکی است. مسائل اصلی روی عرشه پل عبارتند از: خوردگی بیشتر هزینه های بهبود را به خود اختصاص می دهد. در زیر دو پروژه وجود دارد که در آنها از مقاوم سازی ستون با FRP برای تسطیح یک پل بتنی در کبک کانادا استفاده شده است. این تیرها و عرشه های بتنی با میلگرد داخلی FRP تقویت می شوند. پل ها از نظر طول دهانه، ضخامت عرشه و نوع پل متفاوت هستند.

 

پل ماگوگ-کانادا

پل ماجوج بر روی رودخانه ماجوج، درست خارج از شهر ماجوج واقع شده است. طول کل پل 83.7 متر و شامل پنج برج اصلی است.ضخامت دال کف بتنی 220 میلی متر است. میلگردهای CFRP در پایین شبکه میلگرد و میلگردهای GFRP در سایر نقاط شبکه استفاده می شود. این پل در اکتبر 2002 به بهره برداری رسید.

پل کوکشایر-ایتون (کانادا)

پل کوکسیل-ایتون یک پل معروف بر روی رودخانه ایتون در مرکز شهر کوکسیل است. پل دارای یک عرشه با پنج تیر اصلی و یک دال بتنی به ضخامت 200 میلی متر است که با میلگرد GFRP تقویت شده است.ساخت پل در سپتامبر 2003 آغاز شد و در فوریه 2004 شروع به کار کرد. نتیجه گیری این مقاله شکننده بودن پل ها در برابر خوردگی، معرفی الیاف پلیمری (FRP) و نقش میلگرد FRP در بهبود پل های در معرض خوردگی را تشریح کرد.همچنین به ویژگی های میلگرد FRP و برخی پروژه های انجام شده در این منطقه اشاره شد. به طور کلی می توانید نتایج زیر را از موضوعات بالا در نظر بگیرید: نتایج استفاده از میلگرد FRP به عنوان جایگزین میلگرد فولادی برای تقویت عرشه پل از خوردگی در پروژه اجرا شده رضایت بخش بوده و این میلگردها به عنوان جایگزین مناسب برای میلگرد فولادی پیشنهاد شده اند. هزینه اولیه میلگرد FRP بیشتر از میلگرد است، اما استفاده از میلگرد FRP به عنوان یک روش اقتصادی موثر نیازی به صرف هزینه زیادی برای تعمیرات یا بهسازی سازه های ساخته شده از میلگرد ندارد. از ساخت و ساز کاهش یابد. استفاده از میلگرد FRP برای مقاومت در برابر خوردگی باعث کاهش پوشش بتن و حفاظت در برابر خوردگی برای محافظت از میلگرد می شود. عملکرد بهینه میلگرد FRP در کرنش، ترک و صعود نزدیک به میلگرد است و از این نظر هیچ نقطه ضعفی نسبت به میلگرد ندارد. حرکت شکننده میلگرد FRP از نمایش شکل پذیری و اتلاف انرژی سازه جلوگیری می کند. این مشکل با استفاده از میلگرد کامپوزیت SMA-FRP قابل حل است،اما برای استفاده از این میلگردها نیاز به بررسی بیشتر است.