مقاوم سازی با الیاف FRP

 سیستم  FRP یکی از مواد کامپوزیت تشکیل شده از دو بخش فیبر یا الیاف است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. پروفیل ها و میلگردها به روش پالتروژن (Pultrution) تولید می گردند که در این روش دسته های الیاف پس از آغشته شدن با رزین و پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می آورد. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه ها به شکل ورق، میلگرد، مش و پروفیل های FRP وجود دارد. از این محصولات برای ساخت و تقویت سازه ها استفاده می شود.

الیاف FRP اغلب از جنس شیشه، کربن یا کولار هستند، الیاف بازالت نیز اخیرا مورد توجه قرار گرفته است.

الیاف کربن

الیاف شیشه

الیاف بازالت

الیاف کولار

روش های آزمایش و ارزیابی های غیرمخرب

حال به روش هایی برای ارزیابی خواص مختلف الیاف FRP که به عنوان سیستم تقویت داخلی یا خارجی در سازه مورد استفاده قرار میگیرد می پردازیم.

روش های آزمایشی مختلفی در استانداردهای ASTM  برای الیاف FRP و تعیین خواص فیزیکی آن وجود دارد، مواردی مانند وزن مخصوص ، ضریب حرارتی انبساط و کسر حجم فیبر که در زیر به بررسی برخی از آنها می پردازیم.

خواص معمولی موجود در الیاف  FRP

با توجه به پیشرفت فناوری در صنعت ، تولید و استفاده از الیاف FRP  افزایش چشم گیری پیدا کرده است . همه محصولات FRP ، دارای خواص متفاوتی هستند.. بسته به فرمول خاص هر یک از انواع الیاف ، اجزاء و روش تولید خواص مواد FRP  بسیار زیاد است و بستگی به کارایی آنها دارد. خارج از محور ویژگی ها به طور معمول تفاوت قابل توجهی با ویژگی های موجود در جهت فیبر، محصولات به طور معمول نمایش رفتار کشسانی خطی تا خرابی ، اما ترکیباتی مانند کربن و شیشه یا کربن و آرامید .

تست کشش الیاف FRP

تست کشش، مشخصات کششی از مواد کامپوزیت تقویت شده توسط الیاف با مدول بالا را مشخص می کند. اشکال مواد کامپوزیت محدود به الیاف پیوسته یا کامپوزیت های تقویت شده ناپیوسته هستند که در آنها لمینیت با توجه به جهت آزمون متعادل است.

یکی از روش های تست FRP ، تست کشش می باشد.از الزامات آماده سازی نمونه تک جهته و دو جهته خارجی را برای مقاوم سازی سازه های بتنی توصیف می کند. از این روش برای تعیین خواص های کششی و لمینت های مسطح استفاده می شود.

در استاندارد ASTM D3039 نیز با روش آزمون استاندارد برای مشخصات کششی مواد کامپوزیت ماتریس پلیمری، برای تعیین مشخصات مکانیکی الیاف FRP استفاده می کند.

 اغلب این روش آزمون برای رسیدن به مقاومت کششی، مدول الاستیسیته و ازدیاد طول نهایی نمونه و برای استفاده در تست های آزمایشگاهی و صحرایی مورد استفاده قرار میگیرد که در آن متغیر اصلی، اندازه یا نوع لمینیت های FRP است. از مشخصات کششی بدست آمده می توان برای مشخصات مصالح، تحقیق و توسعه، کنترل و تضمین کیفیت و طراحی و تحلیل سازه استفاده کرد.

تست کشش لمینت FRP

این روش تست روی لیمینیت های FRP متمرکز است. پس، شکست در یک قسمت مهاری باید نادیده گرفته شود و خروجی های آزمون فقط باید بر اساس نمونه های آزمایشی باشد که در بخش گیج خراب می شوند. مشخصات کششی لمینیت های FRP از فاکتورهای مهمی است که باید در طراحی لمینیت های FRP به عنوان مقاوم سازی کننده سطحی بتن در نظر گرفته شود.

نواری نازک و تخت که مواد بر روی آن آغشته می شود و به شکل مقطع مستطیل شکل است در داخل دستگاه مکانیکی در قسمت چنگال آن نصب شده و بصورت اعمال بار ، یکنواخت در کشش بارگذاری می شود. مقاومت نهایی ماده را می توان از حداکثر بار اعمال شده قبل از خرابی تعیین نمود. اگر کرنش با مبدل های کرنش یا جابجایی کنترل می گردد، می توان رفتار تنش-کرنش ماده را تعیین کرد که از آن مقاومت نهایی کششی، مدول الاستیسیته کششی، نسبت پواسون و کرنش انتقالی بدست می آید.

این روش برای ایجاد اطلاعات خصوصیات کششی برای مشخصات مواد، تحقیق و تضمین کیفیت توسعه و طراحی و تحلیل سازه، طراحی شده است. عواملی که بر رفتار کششی تأثیر می گذارند و بنابراین باید گزارش شوند شامل موارد زیر است: مصالح، روش های آماده سازی و چیدمان مصالح ، تعداد لایه های روی هم، آماده سازی نمونه ها، محیط آزمایش ، تراز نمونه ها، سرعت آزمایش، زمان در دمای مشخص، مقدار حفره ها و درصد آرماتورها خصوصیاتی است که از این روش آزمون بدست آید، شامل موارد زیر است:  مقاومت کششی نهایی، کرنش نهایی کشش، مدول الاستیسیته کشش، نسبت پواسونريال کرنش انتقالی

تست مقاومت الیاف FRP

در مطالعه تجربی و تحلیلی ای که بر روی رفتار استوانه های بتنی استاندارد که بر روی سطح خارجی با کامپوزیت های پلیمری تقویت شده پیچیده شده اند، مورد بررسی قرار گرفته است. برای انجام این آزمایش از 51 استوانه با ابعاد 150*300 میلی متر استفاده میشود که در آن از شن محلی و سیمان پرتلند و با مقاومت بالا (52.5 MPa) نیز استفاده می شود.. استوانه های بتنی تحت فشار خالص (تراکم محوری) با نسبت های مختلف محصورکنندگی قرار می گیرند. پارامترهایی که در این آزماش مورد بررسی قرار میگیرند در خصوص شکست ناشی از پارگی الیاف و خرد شدن بتن را نشان می دهد. مقاومت استوانه های بتنی محصور شده توسط کامپوزیت های (FRP) را در سه حالت مختلف بررسی می کند. ابتدا رابطه بین تعداد لایه های کامپوزیت و مقاومت استوانه بتنی محصور شده مورد آزمایش قرار می گیرد.

نتایج تجربی نشان می دهد که مقاومت استوانه بتنی محصور شده نسبت مستقیم با تعداد لایه های کامپوزیت افزایش می یابد. همچنین جهت الیاف یکی از پارامترهای مهمی است که بر مقاومت و شکل پذیری CFRP تعریف شده تأثیر می گذارد.

تست کشش Pull-off الیاف FRP

این روش، الزامات آزمایش مقاومت چسبندگی کششی لمینیت های FRP متصل به سطح یک عضو بتنی را برای تعیین مقاومت کششی بتن بستر یا هر دو مشخص می کند. روش آزمون استاندارد ASTM-D4541 روشی برای تعیین مقاومت  pull-off  پوشش هایی است که از چسب های قابل حمل استفاده می کنند.

آزمون pull-off بر روی یک سطح 25 تا 40 میلی متر مربعی یا یک صفحه دایره ای چسبیده به سطح FRP یا بتن با چسب متصل کننده انجام می شود. پس از عمل آوری چسب، دستگاه مخصوصی به محل بارگذاری متصل شده و برای اعمال کشش عمود بر بتن تراز می شود. نمونه تا زمانی که دستگاه چسبندگی از سطح جدا شود، بارگذاری می شود.

مقاومت pull-off بر اساس حداکثر بار نشان داده شده، اطلاعات کالیبراسیون دستگاه و سطح تحت تنش اصلی محاسبه می شود. جدا شدن صفحه چسبیده به FRP نشانه ای از آماده سازی نامناسب سطح یا چسب کم مقاومت است. شکل زیر تصویر شماتیک یک تست بر pull-off است.

این آزمون روشی ساده و راحت برای استفاده در محیط کارگاه و آزمایشگاه می باشد. با توجه به اینکه استفاده از لمینیت های FRP افزایش پیدا کرده است از این رو ارزیابی رفتار کشش الیاف نیز بیشتر مورد بررسی قرار میگیرد.

از مشخصات اصلی مواد بدست آمده از این روش آزمون می توان در کنترل کیفیت چسب ها و روابط تئوری طراحی لمینیت های FRP به عنوان مقاوم سازی کننده خارجی برای مقاوم سازی سازه موجود استفاده کرد.

آماده سازی

طبق روش های توصیه شده سازنده، FRP روی سطح بتن اعمال شود. دستورالعمل های سازنده باید برای زمان سپری شده بین استفاده از FRP و آزمایش اجرا شود. برای اندازه گیری چسبندگی، روش زیر، هنگام رعایت دستورالعمل های سازنده، باید دنبال شود.

شرایط آزمایش

آزمایش در محیط آزمایشگاه استاندارد با دمای 20-26 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 40-60%، مگر اینکه محیط دیگری (مانند دما یا محلول قلیایی) به عنوان بخشی از آزمایش مشخص شود.

روش آزمایش

مطابق با برنامه زمان بندی، یک قسمت مسطح برای اندازه گیری انتخاب کنید. سطح FRP برای اتصال فیکسچر آماده شود. سطح FRP باید با حلال تمیز شود، با کاغذ سنباده متوسط زده شود، با حلال شستشو داده شده و اجازه داده شود تا سطح مربوطه خشک شود.

ایجاد حفره ای با مته یا برش مربعی از لمینیت FRP در بتن بستر، با توجه به اندازه و شکل دستگاه، با هسته الماس یا چرخ برش ایجاد شود. درون بتن به عمق 6 تا 12 میلی متر برش داده شود. چسب به سطح بستر و لمینیت اعمال شده و مطابق با دستورالعمل های سازنده لمینیت عمل آوری انجام شود. بارگذاری دستی یا مکانیکی اعمال می شود تا حرکتی مداوم با سرعت کمتر از 1 مگاپاسکال بر ثانیه را تا زمان جداشدن به وجود آورد. حداکثر مقدار بار باید در کمتر از 100 ثانیه بدست آید. سپس نیروی pull-off اندازه گیری می شود.

تست ازدیاد طول Pull-Off الیاف FRP 

این روش آزمون (ASTM D7205) برای ایجاد اطلاعات مقاومت کششی و ازدیاد طولی طراحی شده است. از یک تست کشش، داده های مختلفی بدست می آید که برای اهداف طراحی مورد نیاز است. عوامل مرتبط با مصالح که بر پاسخ کششی میلگردها تأثیر می گذارند و باید گزارش شوند شامل موارد زیر است: مواد تشکیل دهنده، میزان حفره ها، درصد حجمی آرماتورها و روش های ساخت.

به طور مشابه، عوامل آزمون مربوط به پاسخ کششی میلگردها شامل تهیه نمونه، شرایط نمونه، محیط آزمایش، تراز کردن نمونه و سرعت آزمایش می باشد. خصوصیاتی که ممکن است از این روش بدست آید شامل موارد زیر است:

مقاومت کششی نهایی ،کرنش نهایی کششی ،مدول الاستیک یال کششی ،منحنی تنش – فشار

این روش آزمون خصوصیات کششی شبه استاتیک و خواص کششی میلگردهای کامپوزیت ماتریس پلیمر مقاوم سازی شده با الیاف (FRP) را تعیین می کند که معمولاً به عنوان اعضای کششی در بتن مسلح، پیش تنیده یا  پس کشیده استفاده می شود.

مولفه های خطی مورد استفاده برای مقاوم سازی بتن با سیمان پرتلند بسته به نوع کاربرد میلگرد یا تاندون گفته می شود. این روش آزمون در محدودیت های ذکر شده در روش برای کلیه این مدل از مقاوم سازی کننده ها قابل اجرا است. به طور کلی، میلگردها دارای مقطع عرضی توپر و الگوی منظمی از عاج های سطحی هستند که باعث ایجاد اتصال مکانیکی بین میلگرد و بتن می شود.  مقادیر مقاومت ارائه شده توسط این روش نقاط مقاومت استاتیک کوتاه مدت هستند که برای بارگذاری استاتیک یا خستگی حساب نمی شوند.

روند ارزیابی بازرسی و بازدید شامل مصالح استفاده شده، مطابقت با برنامه طراحی مقاوم سازی و بازرسی محصول نهایی پس از اجرا برای شناسایی هرگونه نقص از جمله لایه لایه شدن، حباب های هوا ، موج دار شدن الیاف و مقاومت چسبندگی است. ارزیابی نقص ها، در صورت وجود، براساس ضوابط پذیرش انجام می شود که بین انحرافات جزئی قابل قبول و نواقصی که نیاز به ترمیم های اصلاحی دارند، محدودیت هایی را تعیین می کند.

استاندارد ACI

 ACI اظهار دارد که سیستم های FRP باید مطابق با نقشه ها و مشخصات طراحی ارزیابی و تایید یا رد شوند. مشخصات مصالح سیستم FRP، نصب و اجرا با تلرانس مشخص، وجود لایه لایه شدگی، عمل آوری رزین ها و چسبندگی به سطح بستر باید در ارزیابی لحاظ شود. تلرانس های اجرایی از جمله جهت الیاف، ضخامت عمل آوری شده، جهت لایه ها، عرض و فاصله، شعاع گوشه ها و طول وصله ها باید ارزیابی شوند. برای تایید رفتار عضو مقاوم سازی شده با FRP می توان از آزمایش بار ثابت در محل نیز استفاده کرد.

مجری پروژه موظف است تمامی مشخصات مواد و مصالح frp را قبل از شروع پروژه ارائه دهد. آزمایش مصالح و الیاف frp ممکن است شامل آزمون مقاومت در برابر کشش ، آنالیز طیف مادون قرمز، دمای انتقال شیشه، زمان ژل شدن و مقاومت برشی چسب باشد. در صورتی که حداقل شرایط تعیین شده توسط متخصص طراحی مجاز را ندارند، باید رد شوند.

جهت الیاف یا لمینیت ها به صورت دقیق باید با بررسی بصری ارزیابی شود. عدم انطباق جهت گیری الیاف یا لمینیت ها بیش از 5 درجه (80 میلی متر بر متر) از مقدار مشخص شده باید برای ارزیابی و پذیرش به مهندس گزارش شود.

سیستم FRP عمل آوری شده باید از نظر لایه لایه شدن یا خلاهای هوا بین چندین لایه یا بین سیستم های FRP و بتن ارزیابی شود. روش های بازدید باید بتواند لایه لایه شدن هایی به اندازه حداقل 5 سانتی متر را تشخیص دهد و ممکن است شامل صدای آکوستیک (صدای چکش)، التراسونیک و ترموگرافی باشد. اندازه، محل و مقدار لایه لایه شدن نسبت به ناحیه کاربرد باید در ارزیابی در نظر گرفته شود.

در شرکت آبادگران محصول چسب کامپوزیت FRP با نام ABABOND FRP-H25 چسب دو جزیی بدون حلال بر پایه رزین اپوکسی و هاردنر پلی آمین اصلاح شده می باشد که برای اتصال انواع الیاف مقاوم سازی به زیرآیند بتنی طراحی شده است. این چسب دارای مقاومت مکانیکی و شیمیایی عالی و چسبندگی بسیار زیاد می باشد و با توجه به طراحی منحصر به فرد آن، بر روی سطوح خشک و مرطوب قابل اجرا است. همچنین به واسطه خواص رئولوژی ویژه آن، سطح الیاف به طور کامل اشباع شده و الیاف بدون لغزش بر روی سطح متصل میشوند.

منابع:

ACI 440R-07

ACI 440.2R-17