ترمیم سازه بتنی
مقدمه
بتن به دلیل کاربردها و خواص متعددی مانند مقاومت فشاری بالا و دوام بالا، مقرون به صرفه بودن، دسترسی آسان به اجزای تشکیل دهنده آن، سازگاری با میلگرد و ریختهگری در اندازهها و اشکال مختلف، به طور گسترده در صنعت ساختمانسازی در سراسر جهان استفاده میشود. متاسفانه بتن در برابر تخریب دائمی، هوازدگی و انواع آسیبهای ناشی از ترک خوردگی آسیبپذیر است که به برخی از مواد شیمیایی شدید(باران اسیدی و نمک و …) اجازه ورود به بتن را میدهد. مطابق گزارش کارفرمایان، طراحان و پیمانکاران، نفوذ رطوبت ناشی از ترک خوردن یکی از دلایل اصلی فرسودگی، آسیب و حتی تخریب سازههای بتنی میباشد.ترکهای ایجاد شده در بتن را میتوان به دو دسته تقسیم کرد]1[:
1)حالت پلاستیکی یا عوامل غیر سازهای : ناشی از نشست پلاستیکی، حرکت قالب و جمع شدگی پلاستیک است.
2)حالت سخت شده یا عوامل سازهای : که ناشی از تنش حرارتی، واکنش شیمیایی، خطا در جزئیات و طراحی و اضافه بار است.
لازم به ذکر است که بوجود آمدن ترک در سطوح با کرمو شدن بتن کاملا متفاوت است. علل کرمو شدن بتن را به دسته عوامل داخلی و خارجی میتوان تقسیم کرد: عوامل داخلی مانند ترکیبات داخلی بتن، نامناسب بودن دانهبندی بتن یا استفاده از مصالح درشت در بتن و عوامل خارجی از قبیل شرایط محیطی و اکیپ اجرایی بتن هستند.
علل آسیب سازههای بتنی
در حالت کلی آسیب ابنیههای بتنی را میتوان در موارد ذیل خلاصه کرد]2[:
الف- خرابی بتن:
الف-1) رطوبت و آب: آب را میتوان یکی از مهمترین عاملهای آسیبرسان به بتن و سازه بتنی برشمرد. آب عنصر اولیه بوجود آوردن و تخریب کردن بسیاری از انواع فرآیندهای فیزیکی کاهنده کیفیت در اجسام متخلخل شناخته شده است. این ادعا به این دلیل است که بسیاری از عوامل خرابی بتن به حرکت رطوبت در منافذ آن بستگی دارد [3]. نفوذ رطوبت و به تبع نشت آب از قسمتهای مختلف سازه بتن خسارات جبرانناپذیری را به همراه دارد. نخستین اثر ورود آب به ترک یا درز، اعمال باری گسترده بصورت فشاری بر دیوارههای ترک یا درز و در نتیجه افزایش ضریب شدت تنش مود اول شکست در نوک ترک است. این تاثیر فشار آب در درون ترک ((اثر شکاف گوهای)) نامیده میشود [4]. آزمایش نمونههای بسیاری از ملات، نشان داده که فشار آب میتواند تا 80% در فرآیند پیدایش و به دنبال آن گسترش ترک خوردگی نقش داشته باشد[5]. برای مثال در سد قوسی ال آتازار در سال 1977 با رشد باز شدگی ترک به مقدار 3 تا 8 میلیمتر مقدار نشت آب از 1500 به بیش از 9000 لیتر در دقیقه رسید. در این پروژه حساس (به سبب وابستگی شدید آب شرب پایتخت اسپانیا به مخزن آب) چندین بار ترک موجود با رزین خاص توسط یک گروه آمریکایی-اسپانیایی متخصص مورد تزریق قرار گرفت با این حال تزریق منجر به علاج بخشی قطعی نشد[6].
الف-2)عوامل فیزیکی : یخ زدگی و ذوب متوالی، فرسایش و سایش، حریق یا ضربه، شرایط محیطی و حمله باکتریها.
الف-3) خطاهای اجرائی : دانهبندی یکنواخت و نامناسب، خاکدار بودن شن و ماسه، انبار کردن نامناسب مصالح بتن، بکارگیری نوع و مقدار نامناسب سیمان، تراکم نامناسب، عملآوری نامناسب و…..
ب) پدیده افت در بتن و ترک خوردگی متعاقب آن:
دلیل اصلی افت در بتن خروج آب اضافی از بتن و تمایل به جمعشدگی است. نحوه خروج آب اضافی از بتن به رطوبت نسبی محیط بستگی دارد. الگوی ترک خوردگی در بتن با توجه به نوع افت در بتن متغیر است:
ب-1) افت پلاستیک: علت ایجاد ترک پلاستیک، تمایل بتن به جمعشدگی در اثر تبخیر آب سطحی یا کاهش دمای بتن است.تمایل به جمعشدگی باعث ایجاد تنشهای کششی در بتن میشود و با توجه به اینکه مقاومت اولیه بتن ناچیز است ترک ایجاد میشود.
ب-2) افت خشک شدگی: جمع شدگی ناشی از خشک شدن از همان ابتدا یعنی زمانهای اولیه بتنریزی و حتی قبل از افزایش ظرفیت مکانیکی بتن آغاز میشود که بستگی به خواص بتن(طرح اختلاط، طریقه بتنریزی و روشهای عملآوری) و شرایط محیطی دارد. چون جمع شدگی به دلیل کمبود آب درون بتن به سطح اعضا تحمیل میشود کرنش در این قسمت از اعضا ایجاد شده و ترکهایی با منشا جمع شدگی ناشی از خشک شدن از نواحی سطحی که در تماس با محیط هستند آغاز میشود. در نتیجه اعضا با سطح خارجی بالا ( مانند دالها و پانلهای پیشساخته) در تماس با یک محیط مهاجم بیشترین آسیب را در اثر بوجود آمدن ترکها میبینند.
ج) پدیده کربناتاسیون و عوامل شیمیایی:
خوردگی آرماتورها در بتن از جمله رایجترین آسیبهای بتن بخصوص در منطقه خلیج فارس کشور است. دو عامل موجب خوردگی آرماتور میشود: یکی حضور یون کلر و دیگری کاهش PH محیط اطراف آرماتور(کربناتاسیون). در سالهای اخیر تعداد زیادی از سازههای بتنی در مناطق دریایی کشورهای مختلف دنیا در اثر این عوامل دچار آسیبدیدگی و یا خرابی زودرس شده اند. در آمریکا خسارات ناشی از خوردگی بر اثر نمکهای یخزدا و آب دریا در پلهای بتنی 150 میلیارد دلار در سال برآورد شده است. در گزارشی که در سال 1991 در مرکز تحقیقات حمل و نقل آمریکا تهیه گردیده است، هزینه سالانه تعمیر عرشه پلهای خورده شده در برابر نمکهای یخزدا 50 تا 200 میلیون دلار و 100 میلیون دلار نیز برای تعمیر دیگر اجزای سازهای آن تخمین زده شده است. در انگلستان نیز خسارات ناشی از خوردگی پلهای بتن آرمه راهها 615.5 میلیون پوند در سال میباشد.لازم به ذکر است این خسارات فقط مربوط به 10 درصد از پلهای آن کشور میباشد. بنابراین خسارات مالی کل پلهای انگلستان 10 برابر این مبلغ پیشبینی شده است. آمارها در دیگر نقاط دنیا مانند اروپا، آسیا و استرالیا نیز نتایج مشابهی را بیان مینمایند]7[. در کشور ما که دارای خورندهترین محیط دریایی در دنیا است، متاسفانه تحقیقات جامعی در این خصوص صورت نگرفته است. در بررسی 100 سازه بتن آرمه در خلیج فارس مشخص گردید که عمر مفید این سازهها حدود 10 سال خواهد بود، در صورتیکه این سازهها برای عمر مفید 120 سال طراحی شده بودند]8[. شکل (1) فرآیند خوردگی فولاد تحت اثر یون کلر را در بتن نشان میدهد]9[.
شکل (1)
راهکارهای تخصصی و تضمینی شرکت فناوران سدآب جهت ترمیم سازههای بتنی:
شرکت فناوران سدآب برای اولین بار در ایران با بکارگیری یک نگاه تخصصی بر فضای خیس و مرطوب ابتدا عوامل مذکور را به تفکیک با اقتباس از مقررات ملی و آیین نامههای ساختمانی کشورهای پیشرفته مورد تحلیل و مطالعه قرارداده سپس توانسته است راهکارهای علمی تخصصی که نه تنها سبب آببندی کامل بلکه سبب نمزدایی مطلق گردیده و دوام، ماندگاری بلند مدت ،امنیت در ساخت و کیفیت در بهره برداری را به همراه دارد، ارائه دهد:
الف) تخریب سطوح آسیب دیده و اجرای مجدد بتن مسلح به افزودنی کریستال شونده G100: پس از بیش از یک دهه فعالیت، شرکت فناوران سدآب توانسته است با ترکیب افزودنی آببند کریستال شونده GreenSeal که بر پایه سیمان پرتلند است، یک طرح اختلاط جدید برای بتن ارائه دهد. ارائه این روش در تهیه بتن سبب میشود به محض قرار گرفتن بتن در معرض آب و رطوبت، عوامل شیمیایی خاص موجود در آن فعال شده و موجب تشکیل تودههای کریستالین غیر قابل حل در آب میگردد. فرآیند عملکرد کریستالیزاسیون، باعث نه تنها آببندی بلکه نمبندی، خود ترمیمی هوشمندانه کل حجم بتن در دورههای بیش از 30 سال شده، حتی حفرهها و ترکهای مویی انقباضی و کششی با عرض 1 الی 1.5 میلیمتر در بتن را کاملا مسدود مینماید. بتن مسلح به فناوری کریستالیزاسیون در مقابل مخربهای شیمیایی از جمله سولفاتها و نیتراتهای خورنده، مخربهای فیزیکی و مکانیکی و نیز در مقابل آب و تحت شرایط دشواری مانند فشار مثبت و منفی، مواد شیمیایی، بسیار مقاوم هستند. طرح اختلاط ارائه شده توسط این شرکت، مقاومت فشاری بتن را به ترتیب 40% و 120% در نمونه کارگاهی و آزمایشگاهی افزایش میدهد. این طرح اختلاط در پروژهها میتواند سبب کاهش هزینهها و امنیت در طول عمر (افزایش طول عمر 50 ساله بتن) در مقابل آسیبها گردد.
ب) رفع نقص سطوح بتنی با تزریق ملات ترمیمی کریستال شونده injection grout : در این روش ابتدا ناحیه نشت آب با استفاده از اجرای یک لایه آببند غشائی نفوذگر کریستال شونده (متریال GreenSeal 200) بصورت دقیق شناسایی میشود. بدین صورت که مطابق شکل(2) علامتگذاریهای روی سطوح بتنی پس از اجرای GS200 بیانگر ناحیهای است که در آن تزریق نیاز است.
شکل (2): اجرای GS200 روی سطوح بتنی آسیب دیده جهت شناسایی دقیق محل تزریق
پس از شناسایی دقیق محل ترک، پکر گذاری انجام شده و با اتصال به پمپ دوغاب، عملیات تزریق شروع میشود. لوله های مکش پمپ تزریق داخل گالن حاوی مخلوط Injection grout قرار داده شده و لوله تزریق به پمپ دیافراگم وصل میشود. پروسه تزریق می تواند با پمپ کردن Injection grout تحت فشار کم شروع شود تا زمانی که ملات از پشت دیوار از حمل پاشش بیرون بیاید. در طول مفاصل لب به لب دیوارها به وسیله ترکیب Flash set ( آنی گیر) به حالت عمودی و افقی باید پیچ شود تا از نشت ملات به بیرون ممانعت شود. یک روز پس از عملیات تزریق، پکرهای کارگذاشته شده برداشته میشوند و نهایتا دو لایه از آببند غشائی نفوذگر کریستالشونده روی تمامی سطوح اجرا میگردد.
شکل (3): عکس سمت راست، نصب پکر | عکس سمت چپ، اتصال به پمپ تزریق
شکل (4): سمت راست، اتمام عملیات تزریق و سمت چپ، جداسازی شیلنگ تزریق
شکل (5): برداشتن پکرهای کارگذاشته شده
شکل (6): اجرای دو لایه آببند غشائی نفوذگر کریستالشونده
شکل زیر مراحل تزریق Injection Grout و ترمیم سازه بتنی را نشان میدهد:
شکل زیر تصویر میکروسکوپی الکترونی (SEM) از سطح بتنی آسیب دیده قبل و پس از اجرای نفوذگر کریستال شونده GS200 را در مقیاس 4000 برابر نشان میدهد. مطابق تصاویر متریال GS200 پس از 28 روز بصورت کامل در ترک ها نفوذ کرده و متبلور میشود. بدینوسیله ترک های مویی نیز پوشش داده میشوند.