تعمیر سازه بتنی زیر آب

مقدمه

بتن زیر آب یکی از انواع خاص بتن با کارایی بالا در صنعت فعلی است که معمولاً برای ساخت پل ها، سدها و سازه هایی که فونداسیون آنها در زیر آب ساخته می شود، استفاده می شود. بر خلاف بتن معمولی، اجرای بتن در زیر آب به دلیل خواص متفاوت بتن به تکنیک های متفاوتی نیاز دارد تا از اجرای موفقیت آمیز اطمینان حاصل شود. اکنون یک ماده جدید به نام ژئوپلیمر به دلیل توانایی آن در جایگزینی سیمان پرتلند معمولی (OPC) به عنوان چسبنده به دلیل فناوری سبز آن به طور گسترده ای تبلیغ می شود. تحقیقات متعدد نشان داده است که ژئوپلیمر دارای استحکام و مقاومت شیمیایی قابل مقایسه با OPC است. با این حال تا به امروز، تنها تحقیقات محدودی برای بررسی استفاده از ژئوپلیمر به عنوان یک ماده بتن ریزی زیر آب انجام شده است. از بررسی های انجام شده می توان نتیجه گرفت که الزامات مصالح بتن ریزی زیر آب علاوه بر مقاومت بالا باید شامل مقاومت در برابر شستشو، کارایی و دوام باشد. این بررسی نشان می‌دهد که ژئوپلیمرها استحکام، دوام و کارایی عالی را مطابق با استاندارد EFNARC ارائه می‌دهند. در نهایت، فرصت های تحقیقاتی آینده نیز در این بررسی با توجه به پتانسیل ژئوپلیمر در جایگزینی OPC به عنوان ماده بتن ریزی زیر آب ارائه شده است.

ژئوپلیمر چیست؟

ژئوپلیمر ها، پلیمرهای معدنی یا آلی، با ساختارهای سه بعدی و خواص مکانیکی و فیزیکی برتر هستند. این پلیمرها، جایگزین های سازگار با محیط زیست برای سیمان پرتلند هستند. یکی از کاربرهای این پلیمرها، باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه ای می شوند.

رشد صنعتی ژئوپلیمرها به چه صورت است؟

با توجه به رشد صنعت، ژئو پلیمرها بخش مهمی از توسعه پایدار در قرن بیست و یکم خواهند بود. صنعت ژئوپلیمر و چالش هایی برای کاربرد این سیمان های جدید مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به مزیت های این ژئو پلیمرها، می توانند جایگزین خوبی برای سیمان پرتلند باشند

مزایای ژئوپلیمر

• افزایش طول عمر سازه های فرسوده به بیش از ۵۰ سال
• عملکرد فیزیکی بهتر نسبت به بتن سنتی پرتلند
• کاهش قابل توجه انتشار گاز گلخانه‌ای
• مقاومت شیمیایی بالاتر در برابر خوردگی، حمله اسیدی و قلیایی
• مقاومت بالا در برابر دما و آتش
• مناسب در بازارهای مختلف صنعتی، از جمله تولید برق، صنایع شیمیایی و نفت و گاز

معرفی

استفاده گسترده از بتن به عنوان مصالح ساختمانی در سراسر جهان عمدتاً به دلیل مزایای مختلفی مانند در دسترس بودن مواد خام، فرمولاسیون ساده و همچنین تولید و انعطاف پذیری برای قالب گیری به اشکال مختلف است. بتن برای ساخت و ساز به طور سنتی بر اساس سیمان پرتلند معمولی (OPC) است. با این حال، به خوبی شناخته شده است که تکلیس سنگ آهک و احتراق سوخت های فسیلی در طول تولید OPC به      5-7٪ از کل انتشار دی اکسید کربن (CO2) در سراسر جهان کمک می کند. همچنین اشاره شده است که فاز اصلی OPC شامل سیلیکات تری کلسیم (C3S)، سیلیکات دی کلسیم (C2S) و تترا کلسیم آلومینوفیریت (C4AF) است. این ترکیبات به هیدراتاسیون زودرس کمک می کنند و حاوی مقدار قابل توجهی هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2)، هیدرات سیلیکات کلسیم (C-S-H) و هیدرات آلومینات کلسیم (C-A-H) هستند که توسط ترکیبات آب دریا (SO42-, Cl-, CO32-) مورد حمله قرار می گیرند. مطالعات گذشته ثابت کرده بود که چرخه زندگی ژئوپلیمر دی اکسید کربن کمتری ساطع می کند و دوام بسیار خوبی در برابر حمله آب دریا دارد. بنابراین به عنوان یک جایگزین مناسب برای OPC  عمل می کند. به همین دلیل یک ماده بایندر جدید به نام ژئوپلیمر به عنوان جایگزینی برای OPC تبلیغ می شود.

ژئوپلیمر با ترکیبی از مواد واکنش‌دهنده آلومینوسیلیکات با محلول‌های قلیایی سنگین، مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) سنتز می‌شود و می‌توان آن را در دمای اتاق پخت کرد. در عین حال ژئوپلیمرها مواد معدنی هستند که سخت، مقاوم در برابر آب و هوا هستند و قادر به تحمل دمای بالا ی 1000 درجه سانتیگراد تا 1200 درجه سانتیگراد هستند. ژئوپلیمر علاوه بر خواصی مانند سطح سخت، پایداری حرارتی و قالب‌گیری دقیق، ماده جدیدی است که امروزه به عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هدف اصلی ژئوپلیمر ارائه یک ماده جایگزین در کنار سیمان پرتلند به عنوان مصالح ساختمانی است. از این رو، دوام و قابلیت مکانیکی بتن ژئوپلیمری نگرانی اصلی است و به ترکیب شیمیایی، پیوند شیمیایی و تخلخل بستگی دارد. بسیاری از تحقیقات انجام شده عمدتاً برای شناسایی طرح اختلاط بهینه یک بتن ژئوپلیمری هستند. این بررسی بر روی کارهای تحقیقاتی قبلی در مورد خواص ژئوپلیمر متمرکز است که پتانسیل مواد ژئوپلیمر را برای استفاده برای کاربرد بتن زیر آب برجسته می‌کند. بنابراین، الزامات بتن زیر آب در این مقاله مورد بحث قرار می گیرد و سپس تحقیقات قبلی در مورد خواص ژئوپلیمرها یعنی قابلیت خودتراکم و دوام آنها در برابر آب دریا مورد بحث قرار می گیرد.

روش های ساخت و ساز

هنگامی که سازه های اصلی در رودخانه ها، بندرگاه ها یا مناطق ساحلی ساخته شده اند، سازه معمولاً نیاز به قرار دادن بتن زیر آب دارد. قرار دادن بتن در زیر آب یکی از مهمترین و پویاترین عملیاتی است که اجرای سازه زیر آب را تعیین می کند. بتن به دلیل قرار گرفتن در زیر آب متلاشی می شود که منجر به ویژگی های لایه ای، ناهمگن و مقاومت کم می شود. بنابراین مهم است که اطمینان حاصل شود که بتن تازه مخلوط نمی شود

مقاومت شستشوی ژئوپلیمر

از نظر رئولوژیکی، ژئوپلیمرها باید تنش تسلیم کم، اما ویسکوزیته پلاستیکی بالا داشته باشند تا در برابر شستشو و جداشدن مقاوم باشند، به ویژه در آب جاری. عمل تلاطم جریان آب و سرعت سطحی بین بتن و آب تأثیر مستقیمی بر سطح شستشو دارد. تحقیقات Hwalla و همکاران و Roviello و همکاران رابطه بین کارایی و از دست دادن شستشو نمونه ژئوپلیمر را شناسایی کرد. ژئوپلیمر با ویسکوزیته بالاتر بود.

خلاصه و کارهای آینده

از بررسی های انجام شده می توان نتیجه گرفت که مصالح بتن ریزی زیر آب علاوه بر مقاومت بالا باید دارای ویژگی های مقاومت در برابر شستشو، کارایی و دوام باشد. این ویژگی ها برای اطمینان از توانایی مواد برای خود ادغام شدن در قالب بدون نیاز به تراکم مورد نیاز است. معمولاً از OPC به عنوان ماده بتن ریزی زیر آب استفاده می شود. اکثر آثار اثرات مواد اضافی مانند مواد پوزولانی و ... هست.

تعمیر سازه بتنی زیر آب

بازرسی سازه های بتنی زیر آب برای کارهای تعمیر و نگهداری مورد نیاز است. روش ها، انواع و اهداف بازرسی سازه بتنی زیر آب مورد بحث قرار می گیرد. عمر مفید هر سازه بتنی زیر آب، به عنوان مثال، پل ها و اسکله ها، و سایر سازه های دریایی، بر اساس حفظ وضعیت فیزیکی روبنا و زیرسازی است. به همین دلیل است که ایجاد و انجام بازرسی، نگهداری و تعمیر کافی کل سازه بتنی زیر آب بسیار مهم است. بازرسی بتن زیر آب معمولاً آسان و مقرون به صرفه نیست. به همین دلیل است که در مقایسه با بخشی از سازه در بالای سطح آب کمتر انجام می شود. با این حال، بازرسی زیر آب بخش عمده ای از ارزیابی ساختار زیر آب است. به عنوان مثال، سازمان‌های مختلف، مانند آژانس‌های حمل‌ونقل و مقامات بندری در ایالات متحده و کانادا، فواصل زمانی را برای انجام بازرسی‌های زیر آب به عنوان بخشی از یک برنامه نگهداری پیشگیرانه در نظر می‌گیرند. در این مقاله دلیل انجام بازرسی زیر آب، عواملی که باید در حین بازرسی در نظر گرفته شوند، هدف بازرسی و سطوح مختلف بازرسی مورد بحث قرار می گیرد.

چرا بازرسی سازه بتنی زیر آب مورد نیاز است؟

جدای از بازرسی برای اهداف تعمیر و نگهداری، ممکن است برای شرایط خاصی مانند شرایط بارگذاری جدید، اصلاح یا گسترش سازه و سازه جدید ساخته شده برای اطمینان از اینکه سازه بر اساس مشخصات و اسناد قرارداد قابل اجرا ساخته شده است، انجام شود. هنگامی که مالک جدید سازه را خریداری می کند، بازرسی زیر آب ممکن است به عنوان یک الزام انجام شود. بازرسی زیر آب زمانی لازم است که فاجعه ای رخ دهد، به عنوان مثال، زلزله، برخورد کشتی، طوفان، و سیل.

تعمیرات زیر آب

هنگامی که سازه های زیر آب شروع به شکستن می کنند، فرستادن غواصان برای تعمیر آنها به جای تخلیه تمام آب اطراف منطقی تر است. غواصان معمولاً با جوشکاری، تعمیرات سدها، پل ها، نیروگاه ها، خطوط لوله و دیوارهای حائل را انجام می دهند. آنها گاهی اوقات کشتی ها را نیز تعمیر می کنند تا کشتی ها بتوانند در دریا بمانند.

دو نوع اصلی جوشکاری زیر آب وجود دارد: مرطوب و هایپرباریک. جوشکاری مرطوب همانطور که از نام آن پیداست شامل جوشکاری کاملا زیر آب می شود. این چالش برانگیزترین شکل جوشکاری است زیرا غواص تحت فشار کار می کند و با حرکت آهسته حرکت می کند.

در جوشکاری هایپرباریک - که به آن جوشکاری خشک نیز می گویند - ناحیه ای که غواص می خواهد تعمیر کند از آب عایق شده است، اغلب در محفظه ای که به محل جوش پایین می آید. مهندسان آب را از محفظه پمپ می کنند تا غواص به طور کامل زیر آب نرود.

غواصان تجاری از ابزارهای مختلفی از جمله مشعل های زیر آب، اره ها و میله های جوشکاری برای انجام کار خطرناک خود استفاده می کنند. آنها اغلب مجبورند در فضاهای تنگ یا آب های آلوده حرکت کنند.

بنابراین، جای تعجب نیست که تبدیل شدن به یک جوشکار زیر آب، سال‌ها آموزش طول می‌کشد، و ابتدا دو تا پنج سال به جوشکاری در خشکی اختصاص داده شده است. تعداد کمی از مردم می توانند بگویند که به تعمیر یک شهر کمک می کنند، اما جوشکاران زیر آب این ادعا را برای شهرت دارند.

شگفتی مهندسی

ساخت سازه های زیر آب در خشکی گران است، اما بسیار ایمن تر از فرستادن غواصان مجهز به مته های برقی به کف دریا است. بنابراین، مهندسان از سدها، کیسون‌ها، شمع‌های رانده و ساختمان‌های خارج از محل برای تکمیل بیشتر ساخت‌وساز خود قبل از افزودن آخرین نکات زیر آب استفاده می‌کنند. هنگامی که سایت های ساخت و ساز زیر آب نیاز به تعمیر دارند، جوشکاران ماهر این کار را انجام می دهند.

حتی با دانستن اینکه ساخت و ساز زیر آب چگونه کار می کند، هنوز هم دیدن یک سازه غوطه ور و فهمیدن اینکه چند مرحله در ساخت آن انجام شده است، واقعاً چشمگیر است.

مرجع:

آ - مرکز عالی ژئوپلیمر و فناوری سبز (CEGeoTech)، دانشگاه مالزی پرلیس (یونی مپ)، پرلیس، مالزی

ب - دانشکده فناوری مهندسی مکانیک، دانشگاه مالزی پرلیس (UniMAP)، پرلیس، مالزی

ج - دانشکده فناوری مهندسی شیمی، دانشگاه مالزی پرلیس (UniMAP)، پرلیس، مالزی

د - دانشکده فناوری مهندسی عمران، دانشگاه مالزی پرلیس (UniMAP)، پرلیس، مالزی

ه - دانشکده مهندسی، دانشگاه پلیموث، پلیموث PL4 8AA، بریتانیا

F - گروه شیمی، موسسه فناوری Sepuluh نوامبر، سورابایا، اندونزی