ارزیابی چسبندگی لمینیت‌های FRP به بتن با استاندارد ASTM D7522

در دهه‌های اخیر، استفاده از لمینیت‌های FRP (Fiber Reinforced Polymer) در تقویت و مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی به دلیل وزن سبک، مقاومت کششی بالا و دوام در برابر خوردگی، رشد چشمگیری یافته است. یکی از رایج‌ترین و مؤثرترین روش‌ها، چسباندن لمینیت‌های FRP به سطح خارجی بتن (Externally Bonded FRP Laminates) است. عملکرد مناسب این سیستم به میزان انتقال تنش میان بتن و لمینیت بستگی دارد که توسط لایه چسب (معمولاً اپوکسی) تأمین می‌شود. ضعف در این پیوستگی، پدیده‌ای موسوم به جدایش یا Debonding را به‌ دنبال دارد که از جمله مودهای شکست بحرانی در سازه‌ های تقویت‌ شده با FRP محسوب می‌گردد.

ارزیابی کمی چسبندگی، با روش‌های استانداردی مانند  ASTM D7522 ، به‌عنوان بخشی از کنترل کیفیت و طراحی مهندسی ضروری است.

لمینیت FRP چیست؟ 

لمینیت (Fiber Reinforced Polymer Laminate) FRP مجموعه‌ ای از لایه‌ های فیبر تقویت‌ کننده (معمولاً کربن، شیشه یا آرامید) است که درون ماتریس پلیمری (رزین اپوکسی یا وینیل‌استر) قرار گرفته و پس از سخت شدن، ورقه یا نوار مقاوم و سبک تشکیل می‌دهد.

پس از چسباندن روی سطح بتن، لمینیت FRP نقش مشابه میلگرد کششی را ایفا می‌کند و انتقال نیرو از بتن به  الیاف FRP  از طریق چسب اپوکسی و نیروهای برشی رابط انجام می‌شود. در صورت عدم چسبندگی کافی، جدایش (Debonding) قبل از رسیدن الیاف به مقاومت نهایی رخ می‌دهد.

چسبندگی FRP به بتن

چسبندگی (Bond Strength) به حداکثر تنش کششی نرمال در فصل مشترک FRP–بتن گفته می‌شود که پیش از وقوع جدایش حاصل می‌شود. این تنش نشان‌دهنده کیفیت پیوند مکانیکی و شیمیایی بین چسب و زیرآیند است.
 

چسبندگی در این سیستم معمولا از طریق:

• چسبندگی شیمیایی
• قفل شدگی مکانیکی
• اصطکاک بین سطح بتن و چسب
   

وقتی یک لمینیت FRP (ورق پیش‌ساخته از الیاف و رزین اپوکسی) روی سطح بتن نصب می‌شود، نیروهای کششی در FRP باید از طریق لایه‌ی چسب اپوکسی به بتن منتقل شوند.
 

این انتقال نیرو فقط در صورتی پایدار و مؤثر خواهد بود که سه بخش زیر به‌درستی با هم کار کنند:

1. سطح بتن (زیرلایه) زبر و تمیز باشد؛
2. چسب اپوکسی کیفیت مناسب داشته باشد؛
3. فرآیند نصب و پخت اپوکسی طبق دستورالعمل انجام شود.
    

در غیر این صورت، ممکن است اتصال دچار گسیختگی در سطح تماس، درون لایه‌ی چسب، یا در خود بتن شود.

عوامل مؤثر بر چسبندگی

چسبندگی لمینیت‌های FRP به بتن تابع مجموعه‌ای از عوامل مکانیکی، فیزیکی و اجرایی است. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

1. آماده‌سازی سطح بتن
    

آماده‌سازی مناسب سطح بتن از مهم‌ترین مراحل در افزایش پیوستگی FRP است. زبر کردن سطح توسط روش‌هایی مانند شات‌بلاست، سندبلاست یا ساب‌زنی، موجب افزایش سطح تماس مؤثر و کاهش جدایش زودرس می‌گردد. وجود گرد و غبار، روغن یا رطوبت اضافی روی سطح بتن، موجب افت قابل‌ملاحظه مقاومت چسبندگی می‌شود.

2. نوع و خواص چسب اپوکسی (رزین اپوکسی)
    

خواص مکانیکی چسب، از جمله مدول برشی، مقاومت فشاری و کششی، ویسکوزیته و چسبندگی شیمیایی، زمان پخت تعین کننده ظرفیت نهایی اتصال می باشد. چسب‌هایی با مدول بیش از حد بالا، سبب تمرکز تنش در لبه FRP می‌شوند و این در حالی است که چسب‌های بسیار نرم توان انتقال نیرو را کاهش می‌دهند.

چسب‌های خیلی سخت ممکن است شکننده باشند و در مقابل تغییر شکل بتن، به‌سرعت ترک بخورند؛ در حالی که چسب‌های نرم‌تر رفتار چقرمه‌تری دارند

بنابراین ضخامت بهینه لایه چسب معمولاً در بازه ۰٫۵ تا ۲ میلی‌متر قرار دارد.

3. نوع FRP و ضخامت آن
    

لمینیت‌های کربنی (CFRP) معمولاً مقاومت بالاتری دارند اما تنش برشی بیشتری به چسب وارد می‌کنند، در حالی که لمینیت‌های شیشه‌ای (GFRP) چسبندگی یکنواخت‌تری ارائه می‌دهند. ضخامت FRP نیز بر نحوه‌ی توزیع تنش در لایه‌ی چسب تأثیر مستقیم دارد.

4. شرایط محیطی:
    

دمای زیاد یا رطوبت در زمان نصب و پخت چسب می‌تواند باعث کاهش چسبندگی و ایجاد حفره در فصل مشترک شود. در پروژه‌های بیرونی، کنترل شرایط محیطی اهمیت ویژه‌ای دارد.

5. اجرای نصب
    

نحوه‌ ی آغشته‌ سازی، فشار اعمال‌ شده هنگام چسباندن، و زمان پخت از جمله عواملی هستند که در صورت بی‌ دقتی می‌توانند چسبندگی را تا بیش از ۳۰٪ کاهش دهند.

روش‌ های ارزیابی چسبندگی:

جهت  اطمینان از عملکرد مناسب اتصال FRP–بتن، آزمایش‌های مختلفی در سطح آزمایشگاهی و کارگاهی به کار می‌رود. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:
 

1. آزمایش Pull-Off (آزمایش جداشدگی)

در این روش، با استفاده از دستگاه مخصوص، نیروی کششی عمود  بر سطح به لمینیت وارد می‌شود تا مقاومت چسبندگی اندازه‌گیری شود. در این روش یک پلاگ و یا قطعه از سیستم متصل (شامل FRP، چسب و بتن زیر) می گردد.

هدف از این آزمون شناسایی نقاط صعف چسب-بتن و اندازه گیری مقاومت نهایی ان در شرایط واقعی یا کنترل شده می باشد.

1. آزمایش برشی یک‌طرفه (Single Shear Test):

در سیستم‌های مقاوم‌سازی سازه‌ای با FRP، چسبندگی بین لمینیت و بتن نقشی کلیدی در انتقال تنش و عملکرد نهایی سیستم دارد. یکی از دقیق‌ترین روش‌های آزمایشگاهی برای بررسی این چسبندگی، آزمون برشی یک‌طرفه است.

این روش، با شبیه‌سازی واقعی شرایط تنش در محل اتصال FRP و بتن، رفتار رابط را از شروع لغزش تا گسیختگی نهایی به‌صورت پیوسته نمایش می‌دهد.
 

هدف از آزمون برشی یک‌طرفه عبارت است از:

• تعیین منحنی تنش–لغزش (bond–slip curve) در سطح تماس FRP و بتن.
• شناسایی پارامترهای چسبندگی شامل مقاومت برشی نهایی، مدول اولیه رابط، و انرژی شکست (bond fracture energy).
• تحلیل مدهای گسیختگی محتمل در ناحیه چسبندگی (شکست چسب، شکست بتن سطحی، یا جدایش در رابط.
   

نتیجه‌ی این آزمون امکان تعیین انرژی شکست میان‌سطحی (Gf) و طول مؤثر انتقال نیرو را فراهم می‌کند.

2. آزمایش خمش چهار نقطه‌ای

آزمایش خمش چهار نقطه‌ای (Four-Point Bending Test) یکی از روش‌های استاندارد برای ارزیابی چسبندگی سیستم‌های FRP (پلیمر تقویت‌شده با الیاف) به زیرلایه‌های بتنی است. این آزمون به‌ویژه در استاندارد ASTM D7522/D7522M-15 مطرح شده است که به‌طور خاص برای ارزیابی مقاومت کششی (Pull-Off Strength) سیستم‌های FRP چسبیده به بتن طراحی شده است.

در این روش، تیر بتنی تقویت‌شده با FRP تحت خمش قرار می‌گیرد تا عملکرد پیوند در شرایط واقعی بارگذاری ارزیابی شود. این آزمون برای بررسی نحوه‌ی شروع و گسترش ترک در رابط بتن–FRP مفید است.

هدف از این آزمون، ارزیابی مقاومت کششی سیستم‌های FRP چسبیده به زیرلایه‌های بتنی است. این آزمون به‌ویژه برای کنترل کیفیت و ارزیابی تعمیرات میدانی سازه‌های استفاده‌شده با مواد کامپوزیتی چسبی کاربرد دارد.

نکات اجرایی جهت بهبود چسبندگی

• سطح بتن باید زبر، خشک و عاری از آلودگی باشد.

• از چسب‌های اپوکسی باکیفیت و دارای گواهی فنی معتبر استفاده شود.

• در زمان اجرا، دمای محیط بین ۱۰ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد حفظ شود.

• \چسب باید به‌طور یکنواخت و بدون حباب زیر لمینیت پخش شود.

• پس از نصب، از فشار غلتک لاستیکی برای خروج هوای محبوس استفاده گردد.

• حداقل ۴۸ ساعت زمان پخت (یا مطابق دستور کارخانه) قبل از اعمال بارگذاری لازم است

منابع :
 

• ASTM D7522/D7522M-21, Standard Test Method for Pull-Off Strength for FRP Bonded to Concrete Substrate.
• Kang, T.H.K. et al. (2012). Debonding Failures of FRP Laminates Externally Adhered to Concrete. Int. J. of Concrete Structures and Materials.
• Amin, M. et al. (2022). Bond Strength of FRP Laminates with Concrete. PMC 9656809.
• Wang, L. et al. (2024). Bond Strength Evaluation of FRP–Concrete Interfaces Affected by Hygrothermal and Salt Attack. MDPI Applied Sciences.
• Lu, X.Z. et al. (2005). Bond–Slip Models for FRP–Concrete Interfaces. ASCE Journal of Composites for Construction.

سوالات متداول

1.  لمینیت FRP چیست و نقش آن در تقویت سازه‌های بتنی چگونه است؟
   لمینیت FRP (Fiber Reinforced Polymer Laminate) مجموعه ای ای لایه های فیبر تقویت کننده (کربن، شیشه یا ارامید درون ماتریس پلیمری (معمولا رزین اپوکسی) است. پس از سخت شدن، یک ورقه مقاوم و سبک ایجاد می کند. وقتی روی سطح بتن نصب می شود، مشابه میلگرد کششی عمل کرده و انتقال نیرو از بتن به FRP از طریق لایه چسب انجام می شود. عملکرد مناسب سیستم به چسبندگی بین FRP و بتن بستگی دارد و در صورت ضعف و چسبندگی، جدایش یا Debonding رخ می دهد مه می تواند موجب کاهش ظرفیت باربری و شکست زودرس سازه شود.

   ---

2. عوامل مؤثر بر چسبندگی لمینیت‌های FRP به بتن کدامند؟
   چسبندگی FRP به بتن تابع عوامل مکانیکی، فیزیکی و اجرایی است. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• آماده‌سازی سطح بتن: زبر کردن سطح با شات‌بلست، سندبلاست یا ساب‌زنی و تمیز بودن سطح.
• خواص چسب اپوکسی: مدول برشی، مقاومت مکانیکی، ویسکوزیته، ضخامت مناسب (۰٫۵–۲ میلی‌متر) و زمان پخت.
• نوع و ضخامت FRP: CFRP مقاومت بالا، GFRP چسبندگی یکنواخت‌تر.
• شرایط محیطی: دما و رطوبت هنگام نصب و پخت.
• اجرای نصب: فشار یکنواخت هنگام نصب، غلتک زدن برای خروج هوا و زمان پخت کافی.

3. روش‌های استاندارد ارزیابی چسبندگی FRP به بتن کدامند و هدف هر کدام چیست؟
   مهم‌ترین روش‌های استاندارد ارزیابی چسبندگی FRP به بتن عبارتند از:

• آزمایش Pull-Off: نیروی کششی عمود بر سطح FRP اعمال می‌شود تا مقاومت نهایی چسبندگی و نقاط ضعف رابط شناسایی شود.
• آزمایش برشی یک‌طرفه (Single Shear Test): رفتار رابط FRP–بتن از شروع لغزش تا گسیختگی نهایی شبیه‌سازی می‌شود؛ منحنی تنش–لغزش، انرژی شکست و طول مؤثر انتقال نیرو قابل استخراج است.
• آزمایش خمش چهار نقطه‌ای (Four-Point Bending Test): تیر بتنی تقویت‌شده با FRP تحت خمش قرار می‌گیرد تا عملکرد پیوند و نحوه شروع و گسترش ترک رابط بتن–FRP ارزیابی شود.