کالورت چیست؟

کالورت درواقع سازه‌ای شبیه تونل است که از آن در زیر معابر یا راه آهن استفاده می‌شود. کاربرد این سازه هدایت آب‌های روان و یا آب‌هایی است که از بالادست به سمت پایین جریان دارد به طور معمول از یک طرف جاده به طرف دیگر استفاده می‌شود؛ و شکل دهانه آن‌ها به صورت مقطع شکل، گرد یا بیضوی شکل هستند و اغلب از پیش ساخته هستند. کالورت های بتنی ازنظر ظاهری ساده اما به لحاظ ساختار بسیار پیچیده هستند و اجزای مهم واصلی از بزرگراه‌ها را تشکیل می‌دهند. این سازه تقاطعی بعد از مدتی فرسوده می‌شود و اگر در زمان مناسب نسبت به مقاوم سازی کالورت با FRP اقدام نشود باعث تخریب شدن کامل یا بخشی از آن و ایجادخسارات جبران ناپذیر خواهد شد. تقریباً تمام هرزاب‌ها و جریان‌های سطحی را به‌وسیله کالورت از زیر جاده‌ها و بزرگ‌راه‌ها عبور می‌دهند و به محلی که از قبل تعیین شده هدایت می‌کنند تا از کانال‌های آبیاری در برابر این جریان‌ها محافظت نمایند و می‌تواند به کاهش سیل و کاهش فرسایش کمک کند.

نحوه فرسایش و مقاوم سازی کالورت با FRP

به دلیل فرسوده شدن سازه‌های بتنی و نیاز به تقویت آن‌ها طی دو دهه اخیر تأکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاوم‌ سازی سازه‌ها بخصوص کالورت ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. در این میان استفاده از مواد FRP 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. بتن و فولاد از اجزای جدانشدنی کالورت است و فرسایش و خوردگی هر دوی آن‌ها پس از مدتی باعث آسیب بسیار زیادی به جاده‌ها و بزرگراه بدون پیش آگاهی می‌شود. برای طراحی درست کالورت ها لازم است که پارامترهای مختلف از جمله سرعت، فشار و غیره به درستی شناسایی و تحلیل شوند. با توجه به توضیحات مشخص شد که مقاوم سازی کالورت با FRP بسیار اهمیت دارد. امروزه این مقاوم سازی به وسیله کامپوزیت FRP (پلیمر تسلیح شده با الیاف) انجام می‌شود.

FRP چیست؟

FRP ((Fiber Reinforcement polymer)) نوعی کامپوزیت است. از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی تشکیل شده که این ماده توسط یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است و به دو شکل ورق‌های FRP و میلگردهای FRP عرضه می‌شود.

الیاف بتن یا همان FRP با استفاده کردن الیاف‌هایی که خاصیت تقویت کنندگی داخل بتن را دارند، به بالا رفتن مقاومت فشاری و کششی بتن کمک می‌کنند. این ترکیب مواد، بسیار یکپارچه است و این امکان را به ما می‌دهد که از بتن در سطوحی که نیاز به انحنا و مقاومت بالایی دارند استفاده کنیم. الیاف بتن قابلیت جذب بسیار بالایی از انرژی را دارد و تحت فشار بارهای ضربه‌ای به راحتی از هم پاشیده نمی‌شود. در گذشته نیز هم مشابه این مواد وجود داشته که نمونه بارز آن، کاربرد کاه‌گل در بنای ساختمان است. در واقع مقاوم سازی کالورت با FRP نوع پیشرفته این تکنولوژی است که سیمان جانشین گل و الیاف طبیعی و مصنوعی، جانشین کاه در ترکیب کاه‌گلی شده‌اند که قبلاً در ساخت‌وساز استفاده می‌شد. بتن آرمه بیشترین استفاده را در تمام دنیا دارد و زمانی که در مجاورت عواملی مثل سولفات‌ها، کلریدها و خورنده‌ها قرار بگیرد. دچار آسیب جدی می‌شود. هزینه بازسازی و تعمیر و تعویض سازه‌ها در سراسر دنیا بسیار بالا است. این مسئله باعث مشکلات اقتصادی و اجتماعی بسیار زیادی شده است که مهندسان را بر آن داشته که از الیاف ترکیبی و مصنوعی FRP جایگزین استفاده نمایند.

انواع FRP ها

FRP ها بر اساس فیبر به کار برده شده به چند دسته تقسیم می‌شوند:

1. CFRP با الیاف تشکیل دهنده از جنس کربن
2. -GFRP با الیاف تشکیل دهنده از جنس شیشه
3. AFRP با الیاف تشکیل دهنده از جنس آرامید

انواع الیاف FRP اف آر پی که بیشتر در صنعت بهسازی و مقاوم سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد:

الیاف شیشه GFRP

ترکیباتی که برای تولید الیاف شیشه لازم داریم: سیلیکات و پتاس و اکسیدهای مختلف را ذوب می‌کرده و سپس مواد مذاب شده را از غلاف یا پوسته‌های ریز عبور می‌دهیم. برای تولید تارهای شیشه در محدوده قطر 24-5M آن‌ها را سریعاً سرد می‌کنیم. برای اینکه اثر سایش حین تولید الیاف شیشه را از بین ببریم، آن‌ها را به طور متناوب و منظم با مواد پوش دهنده‌ای که چسبناک است می‌پوشانیم. یکی از کاربردهای الیاف شیشه GFRP در صنعت کامپوزیت است.

الیاف شیشه A-R GLASS: الیاف A-R GLASS از آلکالی - زیرکونیوم سیلیکات تشکیل شده است و در برابر محیط‌های قلیایی مقاومت مناسبی دارند به همین دلیل می‌توان آن‌ها را در سازه‌های مختلف با اطمینان خاطر استفاده کرد. از کاربردهای این الیاف می‌توان به استفاده از آن در بتن‌ها اشاره کرد.

الیاف کربن CFRP

موادی که برای ترکیبات الیاف کربن لازم داریم:

سه ماده اصلی، ابریشم مصنوعی، پلی اکریلونیتریل و قیر حاصل از پالایش نفت خام بدست می‌آید. الیاف کربن نسبت به بقیه الیاف‌های موجود ضریب ارتجاعی بالاتری دارد. ضریب ارتجاعی بالای این الیاف آن را به بهترین ماده برای استفاده در مقاوم سازی کالورت با FRP تبدیل کرده است. از قابلیت‌های دیگر الیاف کربن می‌توان به مقاومت بالای آن در مقابل خستگی نام برد. لازم به ذکر است که این ماده دارای ضریب انبساط گرمایی خطی پایین در دماهای بالا و پایین است. همین ویژگی سبب پایداری ابعادی الیاف کربن در دماهای مختلف می‌شود. از معایب آن هم می‌توان به مقاومت پایین آن در برابر ضربه اشاره کرد که می‌توان آن مشکل را با افزودن الیاف شیشه مرتفع کرد. ابریشم مصنوعی به کار رفته در ترکیبات از مواد اولیه سلولزی بدست می‌آید و بیشترین مقاومت کششی مربوط به پلی اکریلونیتریل در بین مواد تشکیل دهنده الیاف کربن است.

انواع کالورت و فواید آن:

این سازه از دو ماده فلز و بتن ساخته می‌شود و مدل بتنی کاربرد بیشتری دارد و مدلی از آن‌که به صورت پیش ساخته تولید می‌شود باعث به حداقل رسیدن زمان ترمیم خرابی‌های جاده می‌شود. هیچ‌گونه ماده سمی و مضر در ساختار آن به کار برده نشده و همین مسئله موجب می‌شود تا بهترین وسیله برای انتقال آب باشد از مزایای استفاده از مقاوم سازی کالورت با FRP می‌توان کمتر شدن زمان اختلال در جاده‌ و بزرگراه و نصب سریع به‌عنوان روشی اقتصادی برای ایجاد تونل یا مکان‌های مختلف جهت خروج اضطراری و نیز به‌عنوان مسیرهای جایگزین در شرایط بحرانی نام برد.

دو روش مقاوم سازی با FRP:

• قرار دادن ورق کامپوزیت روی سطح بیرونی بتن:

وقتی تصمیم به نصب FRP گرفته شد در مرحله اول باید سطح بیرونی بتن صاف و صیقلی شود و حداقل مقاومت خمشی وبرشی FRP وجود داشته باشد. برای اینکه از مقاومت کشش سطحی بتن مطمئن شویم باید آزمایش را با توجه به استاندارد ASTM انجام دهیم. حداقل مقاومت باید چیزی در حدود 1.4 مگاپاسگال باشد.

• قرار دادن میلگرد نزدیک سطح بیرونی:

برای قرار دادن میلگرد در نزدیک سطح بیرونی نیازی به آزمایش و محاسبه مقاومت بتن نداریم؛ و زمانی که مقاومت پایین بود یا می‌خواستیم ظرفیت خمشی نقاطی که در معرض خوردگی قرار دارند را بهبود ببخشیم، می‌توان از این روش استفاده کرد.

کالورت ها، پایه‌های پل، آبگیرها، سدها و کانال‌های بتن آرمه اغلب به دلیل وجود یون سولفات و کلرید، از خوردگی فولاد رنج می‌برند و حتماً باید به‌موقع با مقاوم سازی کالورت با FRP انجام شود.

مراحل اجرای مقاوم سازی کالورت به روش FRP

1. ایجاد شیار روی بتن
2. پاک کردن سطح بتن از خرده‌های ایجاد شده
3. برای بهتر شدن ظاهر کار شابلون گذاری انجام می‌دهیم.
4. داخل شیار ایجاد شده را با چسب ایپوکسی پرمی کنیم.
5. میلگرد FRP را نزدیک سطح بیرونی بتن قرار می‌دهیم.
6. بخش‌های زنگ زده تعمیر و ترک‌ها پر شوند و مجدداً روی کار را با چسب ایپوکسی می‌پوشانیم.
7. کار را تراز نهایی کرده و در آخر شابلون را از محل ترمیم بر می‌داریم

مزایای مقاوم سازی کالورت با الیاف بتن (FRP)

1. این ماده مقاومت بسیار بالایی از خود در برابر تنش‌های خستگی نشان می‌دهد
2. قابلیت کششی و نفوذناپذیری مغناطیسی دارد
3. تحمل باربری زیاد بعد از ترک‌خوردگی سازه و امکان تقویت به صورت خارجی دارد.
4. بتن معمولی قادر به تحمل در برابر کشش نیست اما الیاف بتن این خاصیت را دارد.
5. ترک خوردگی در مقاوم سازی کالورت با FRP از حالت متمرکز خارج شده و به‌صورت ترک‌های متعدد ظاهر می‌شود.
6. در برابر ضربه بسیار مقاوم است و مقاومت کششی، خمشی و برشی خیلی زیادی دارد.
7. مقاومت برشی در این بتن‌ها به حالتی است که شما می‌توانید آرماتورهای برشی را حذف نمایید.
8. سرعت بالای اجرای آن در عملیات و سبک بودن وزن الیاف

مهم‌ترین و اصلی‌ترین خصوصیت محصولات کامپوزیتی FRP مقاوم بودن آن‌ها در برابر خوردگی است. در حقیقت این ماده FRP به این دلیل به عنوان یک گزینه جانشین برای اجزاء فولادی و نیز میلگردهای فولادی است. به خصوص در سازه‌های بندری، ساحلی و دریایی و مقاوم سازی کالورت، مقاومت خوب کامپوزیت FRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصه میلگردهای FRP است؛ و به لحاظ هزینه مقاوم سازی کالورت با FRP از روش‌های دیگر مقاوم سازی به صرفه‌تر است.