ساز و کار کنترل کیفیت محصولات مبتنی بر فناوری FRCM

FRCM از جمله فناوری‌های نوظهور صنعت ساختمان است که به سرعت در حال گسترش بوده و جایگزین روش‌های سنتی و قدیمی می‌شود. این فناوری مانند هر محصول ساختمانی دیگری باید معیارهای مشخصی را رعایت کند و سطح مشخصی از کیفیت را دارا باشد تا بتواند عملکرد مورد انتظار را ارائه دهد. بررسی کفایت محصول برای استفاده در صنعت ساختمان نیازمند انجام آزمون‌های متعددی است که جزئیات آن‌ها توسط مراجع معتبر تبیین شده است.

FRCM چیست؟

FRCM مخفف عبارت Fabric-Reinforced Cementitious Matrix به معنای ماتریس سیمانی تقویت شده با الیاف است. FRCM یک سیستم کامپوزیت است که اجزای اصلی آن شامل یک شبکه الیاف (مش) با استحکام بالا و یک ماتریس سیمانی است. مش که معمولاً از الیاف کربن یا شیشه ساخته می‌شود، به عنوان تقویت‌کننده عمل کرده و استحکام کششی سیستم را فراهم می‌کند. ماتریس (ملات) سیمانی، متشکل از سیمان، سنگدانه‌های ریز و سایر مواد افزودنی، به عنوان چسبنده عمل کرده و انسجام و دوام سیستم را تأمین می‌کند.

سیستم‌های ماتریس سیمانی تقویت شده با منسوج (FRCM) به عنوان یک فناوری نوین و با دوام برای تعمیر، تقویت و مهار سازه‌های بتنی و بنایی استفاده می‌شوند و جایگزینی برای روش‌های سنتی مانند پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP)، ژاکت فولادی، افزایش ابعاد مقطع، وال‌پست و غیره هستند. امروزه FRCM در مقاوم‌سازی لرزه‌ای سازه‌ها، مهار لرزه‌ای دیوارها، تقویت خمشی تیرها و دال‌ها، تقویت برشی تیرها، افزایش ظرفیت باربری ستون‌ها، تعمیر و تقویت دیوارهای مصالح بنایی و … کاربرد فراوانی دارند.

با توجه به نقش سازه‌ای کامپوزیت FRCM و عملکرد آن در تقویت و مهار تیر، ستون، دال و دیوارها بسیار مهم است که الزامات فنی در تولید اجزای این سامانه رعایت شود و طراحی و اجرای آن بر اساس ضوابط آیین‌نامه‌های معتبر صورت گیرد. مش فایبرگلاس و پلاستر سیمانی، هر کدام باید خصوصیات مکانیکی و شیمیایی مشخصی داشته باشند و معیارهای مشخص شده در استانداردها را رعایت کنند. در همین راستا، تولیدکنندگان محصولات مبتنی بر سامانه FRCM باید ساز و کاری دقیق و کامل برای کنترل کیفیت محصولات تولیدی خود توسعه دهند.

استانداردهای مرتبط با محصولات مبتنی بر FRCM

یکی از معتبرترین سازمان‌های توسعه‌دهنده استاندارد در صنعت ساختمان، مؤسسه بتن آمریکا است. این مؤسسه در سال 2013 میلادی اقدام به انتشار یک راهنما در خصوص محصولات مبتنی بر سامانه FRCM کرد که امروزه به عنوان مرجعی معتبر در زمینه طراحی، تولید و اجرای این محصولات قابل استناد است. این راهنما که تحت عنوان ACI 549 منتشر شده، به بیان تاریخچه، موارد استفاده از سیستم FRCM، اجزای کامپوزیت و خواص مورد نیاز آن‌ها، کنترل کیفیت محصول، نکات اجرا و بازرسی، نگهداری، مبانی طراحی و … می‌پردازد.

دستورالعمل‌ها در این استاندارد بر اساس تحقیقات تجربی، کار تحلیلی و کاربردهای میدانی نوشته شده‌اند. فصل پنجم از ACI 549 به بیان معیارهای صلاحیت سامانه FRCM و اجزای آن می‌پردازد. تمام محصولات مبتنی بر سامانه FRCM باید تحت آزمایش‌های مختلف قرار گیرند و خصوصیات آن‌ها مطابق ضوابط آیین‌نامه‌ای سنجیده شود.

دو دسته کلی از ویژگی‌هایی که باید سنجیده شوند شامل خصوصیات مکانیکی و خواص دوام محصولات است. ACI 549 آزمون‌های لازم برای سنجش صلاحیت سامانه FRCM و ضوابط این آزمون‌ها را به استانداردی دیگر تحت عنوان AC 434 ارجاع داده است و تولیدکنندگان را ملزم به رعایت الزامات این استاندارد نموده است.

AC 434 استانداردی در زمینه تعیین معیارهای پذیرش تعمیر و تقویت سازه‌های بتنی و مصالح بنایی با استفاده از کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف است که توسط ICC-ES (International Code Council  Evaluation Service) منتشر شده است. ICC یکی از سازمان‌های پیشرو در زمینه انجام ارزیابی‌های فنی محصولات ساختمانی، مصالح و سیستم‌ها برای انطباق آن‌ها با ضوابط استاندارد ملی آمریکا (ANSI)، استاندارد بین‌المللی ساختمان (IBC) و سازمان استاندارد بین‌المللی (ISO) است.

تولیدکنندگان محصولات ساختمانی از انطباق محصولشان با گزارش‌ها و آیین‌نامه‌های ICC به عنوان تأییدیه‌ای که نشان می‌دهد محصولشان الزامات فنی را برآورده کرده و از کیفیت مناسبی برخوردار است استفاده می‌کنند. این مسئله به ویژه در خصوص تولیدکنندگان محصولات جدید و نوآورانه حائز اهمیت است.

انواع آزمون‌های سامانه FRCM از نگاه AC 434

AC 434 انواع خصوصیات قابل اندازه‌گیری سامانه‌های FRCM از جمله خواص فیزیکی، مکانیکی و دوام مواد کامپوزیت همراه با روش‌های آزمایش را در بخش 4 خود توضیح داده است. در ادامه این خصوصیات به طور خلاصه بررسی می‌شوند:

• خصوصیات مکانیکی: این بخش شامل 4 دسته از خصوصیات فیزیکی کامپوزیت است که هر کدام به طور جداگانه توضیح داده شده و روش سنجش آن‌ها نیز بیان شده است. این 4 ویژگی به ترتیب شامل موارد زیر هستند:
• انقباض یا جمع‌شدگی (Drying Shrinkage)
• میزان تخلخل (Void Content)
• مقاومت کششی (Tensile Strength)
• مقاومت برشی بین لایه‌ای کامپوزیت (Composite Interlaminar Shear Strength)
• خصوصیات ملات: طبق این بند، ملات‌های مورد استفاده در FRCM باید منطبق بر ASTM C387 باشند. مقاومت فشاری نمونه 7 و 28 روزه ملات باید به ترتیب حداقل 17 و 24 مگاپاسکال باشد.
• چرخه‌های ذوب و یخ‌زدگی (Freezing and Thawing): کامپوزیت‌های FRCM باید طبق شرایط مشخص شده تحت چرخه‌های ذوب و یخ‌زدگی قرار گیرند و مقاومت کششی و برشی بین لایه‌ای آن‌ها بیش از حدود مشخص شده افت نکند.
• پیری (Aging): نمونه‌های کامپوزیت باید در شرایط تشدیدکننده محیطی مختلف از جمله محیط مرطوب و محیط قلیایی برای مدت زمان‌های مشخص قرار گیرند و میزان مشخصی از خصوصیات مکانیکی اولیه‌شان را حفظ کنند. جزئیات شرایط محیطی و شرایط قبولی نمونه‌ها در آزمون به طور کامل در جداول AC 434 بیان شده است.
• مقاومت شیمیایی (Fuel Resistance): کامپوزیت‌ها باید برای زمان مشخص در معرض سوخت دیزلی (گازوئیل) قرار گیرند و میزان مشخصی از خصوصیات مکانیکی اولیه خود را حفظ کنند.
• مقاومت کششی محل وصله (Lap Tensile Strength): منظور از محل وصله، ناحیه همپوشانی بین دو لایه از FRCM است. در بسیاری از کاربردها، لایه‌های FRCM نیاز به همپوشانی دارند تا یک کامپوزیت یکنواخت ایجاد شود. در محل قطع‌شدگی توری تقویت‌کننده، باید مش‌ها با مقدار مشخصی طول همپوشانی اجرا شوند. مقاومت کششی کامپوزیت در این نواحی باید سنجیده شود.
• مقاومت چسبندگی (Bond Strength): کامپوزیت FRCM باید بتواند اتصالش به لایه زیرین خود را حفظ کند. حفظ این استحکام در طول زمان نیز بسیار مهم است. مقاومت چسبندگی کامپوزیت FRCM باید به روش Pull-off و مطابق استاندارد ASTM C1583 انجام شود.
• مقاومت در برابر حریق (Fire-resistance-rated Construction): مقاومت در برابر حریق کامپوزیت استفاده شده باید مطابق بخش 703 استاندارد بین‌المللی ساختمان (IBC) طبقه‌بندی شود.
• نمای داخلی (Interior Finish): طبقه بندی سیستم کامپوزیت FRCM به عنوان پوشش داخلی باید طبق بخش 803 استاندارد بین‌المللی ساختمان (IBC) تعیین شود.

ارزیابی کیفیت محصولات مبتنی بر فناوری FRCM بر اساس ضوابط ACI 549

همانطور که پیش‌تر اشاره شد، ACI 549 برای بررسی و کنترل کیفیت کامپوزیت‌های FRCM ویژگی‌های مکانیکی و خواص دوام محصولات را مورد بررسی قرار می‌دهد. بند 5-3 این استاندارد خواص مکانیکی و بند 5-4 آزمون‌های سنجش دوام را تشریح کرده است. جهت تنظیم ساز و کاری برای کنترل و تضمین کیفیت محصولات مبتنی بر فناوری FRCM باید از دستورالعمل‌های ذکر شده در این دو بند پیروی کرد. تمامی آزمون‌هایی که این آیین‌نامه برای این منظور در نظر گرفته، بر اساس ضوابط و استانداردهای AC 434 است که در بخش قبلی مورد بررسی قرار گرفت.

خواص فیزیکی و مکانیکی

• انقباض و میزان تخلخل: برای هر سامانه FRCM باید میزان جمع‌شدگی و میزان تخلخل ماتریس سیمانی مشخص شود. همانطور که AC 434 بیان کرده، میزان جمع‌شدگی بر اساس ASTM C157 و میزان تخلخل ملات سیمانی بر اساس ASTM C138 سنجیده می‌شود.
• مقاومت کششی: مقاومت کششی سامانه FRCM باید بر اساس روش بیان شده در پیوست اول AC 434 (Annex A) سنجیده شود.
• مقاومت چسبندگی و مقاومت برشی بین لایه‌ای کامپوزیت: مقاومت چسبندگی سامانه FRCM به زیرلایه بتنی یا دیوار مصالح بنایی باید بر اساس ASTM C1583 سنجیده شود. روش آزمون مقاومت برشی بین لایه مش و ماتریس سیمانی نیز مطابق ASTM D2344 است.
• مشخصات ماتریس سیمانی: برای هر سامانه FRCM مقاومت فشاری باید مطابق اعداد ذکر شده در ASTM C387 باشد. همچنین برای اندازه‌گیری مقاومت فشاری ملات باید از روش آزمون بیان شده در ASTM C109 استفاده کرد.

خواص دوام

• پیری: برای هر سامانه FRCM مقاومت کششی، مقاومت چسبندگی و مقاومت برشی بین لایه‌ای کامپوزیت پس از قرارگیری نمونه محصول در شرایط محیطی زیر باید اندازه‌گیری شود:
• شرایط محیطی (Ambient)
• پیری در محیط مرطوب (رطوبت 100 درصد، 37.7 درجه سانتی‌گراد، مدت زمان 1000 و 3000 ساعت)
• پیری در محیط نمکی (مستغرق، 22 درجه سانتی‌گراد، مدت زمان 1000 و 3000 ساعت)
• پیری در محیط قلیایی (مستغرق، ph بیشتر از 9.5، 22 درجه سانتی‌گراد، مدت زمان 1000 و 3000 ساعت)

پس از اینکه نمونه‌ها در محیط مرطوب، نمکی و قلیایی قرار گرفتند مقاومت کششی، مقاومت چسبندگی و مقاومت برشی بین لایه‌ای کامپوزیت آن‌ها اندازه‌گیری شده و مقادیر اندازه‌گیری شده با مقادیر مربوط به نمونه قرار گرفته در شرایط محیطی مقایسه می‌شود.

در صورتی که نمونه محصول پس از قرارگیری در شرایط تشدیدکننده برای مدت مشخص، میزان مشخصی از مقاومت اولیه‌اش را حفظ کرده باشد، معیارهای دوام آیین‌نامه را رعایت کرده و در طول زمان دچار افت مقاومت محسوسی نخواهد شد. میزان حفظ مقاومت محصول در شرایط مختلف باید مطابق جدول زیر باشد:

• چرخه‌های ذوب و یخ‌زدگی: برای هر سامانه FRCM مقاومت کششی و مقاومت برشی بین لایه‌ای کامپوزیت پس از قرارگیری نمونه محصول در چرخه‌های ذوب و یخ‌زدگی باید اندازه‌گیری شود. هر چرخه شامل قرارگیری نمونه برای حداقل 4 ساعت در دمای 18- درجه سانتی‌گراد و سپس 12 ساعت در رطوبت 100 درصد و دمای 37.7 درجه سانتی‌گراد است.
• مقاومت شیمیایی: برای هر سامانه FRCM مقاومت کششی پس از قرارگیری نمونه محصول در معرض سوخت دیزل (گازوئیل) برای حداقل 4 ساعت باید اندازه‌گیری شود.

سخن پایانی

کنترل کیفیت سیستم‌های FRCM یک مرحله بسیار مهم برای اطمینان از یکپارچگی ساختاری و عملکرد بلندمدت آن‌ها است. با توجه به اهمیت بالای این فناوری در حفظ ایمنی ساختمان‌ها، بررسی سیستماتیک خواص مکانیکی اجزای تشکیل دهنده و طراحی آزمون‌های دوره‌ای مطابق آیین‌نامه‌های معتبر، بخشی ضروری از فرایند تولید این محصولات است. بنابراین تولیدکنندگان محصولات مبتنی بر این فناوری، باید با تدوین چارچوبی برای کنترل کیفیت محصولات تولیدی خود، از استحکام کافی و عمر مفید بالای محصولاتشان اطمینان حاصل کنند.