کامپوزیت frp و انواع کامپوزیت های مقاوم‌سازی

کامپوزیت frp و انواع مختلف کامپوزیت frp

کامپوزیت FRP

اف آر پی FRP، اختصاری از کلمات Fiber Reinforced Polymer پلیمرهای مسلح شده با الیاف می باشد. به عبارت دیگر اف آر پی به یک ماده مرکب یا کامپوزیتی اطلاق می شود که از فیبر یا الیاف تقویتی و ماتریس (ماده در بر گیرنده) یا رزین از جنس پلیمر تشکیل شده است. پلیمرهای مسلح شده با الیاف FRP، مصالح مرکبی هستند که طیف وسیعی از آن‌ها توسط شرکت مقاوم سازی افزیر موجود است. این مصالح از اجزایی تشکیل شده‌اند که از لحاظ مکانیکی رفتار مجزایی دارند، ولی ماده‌ کامپوزیت حاصل می‌تواند خواص کاملاً متفاوتی نسبت به مواد تشکیل دهنده‌ی خود داشته باشد. این مصالح از دو قسمت تشکیل شده‌اند: قسمت اول، الیاف می‌باشند که مؤلفه اصلی در تحمل به حساب می‌آیند و قسمت دوم که یک ماتریس رزینی پلیمری می‌باشد، بیشتر نقش نگه داری الیاف را در کنار یکدیگر بر عهده دارد. در کامپوزیت چند لایه می توان از چند نوع الیاف نیز استفاده کرد که به آنها کامپوزیت FRP مخلوط یا (hybrid) می گویند. البته معمولا سعی می‌شود از یک نوع ماتریس استفاده شود تا چسبندگی خوب بین لایه ها بوجود آید خواص کامپوزیت FRP بستگی زیاد به جهت الیاف آنها دارند الیاف FRP حجم قابل توجهی از یک کامپوزیت FRP را تشکیل می دهند و وظیفه آنها تحمل بار اعمال شده به کامپوزیت می‌باشند نوع الیاف، مقدار و آرایش آنها بسیار حائز اهمیت هستند و بر خواص زیر تاثیر می گذارند.

  • مدول کششی – فشار – خمشی  FRP
  • استحکام خستگی بالا  FRP
  • ضرایب انتقال حرارت و الکتریسته FRP
  • وزن مخصوص FRP
  • قیمت FRP

 

مزایای استفاده از کامپوزیت FRP

  • ضخامت کم الیاف اف آر پی سبب نازک بودن ورق های کامپوزیت FRP (در حد میلی‌متر) شده و باعث می‌گردد آنها فضای اضافه اشغال نکند.
  • قیمت و هزینه مناسب FRP سبب فروش بالای آن در کشور ایران و سایر کشورها، در سالهای اخیر شده است.
  • FRP دارای وزن پایینی بوده و چگالی مصالح و ورق های FRP حاصل کم می باشد.
  • مقاومت کششی و مدول الاستیسیته اف آر پی ها بالاست.کامپوزیت FRP مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند.
  • مقاومت ضد اسیدی و خورندگی FRP ها سبب کاربرد روز افزون آنها در برابر محیط اسیدی و شیمیایی شده است.
  • نفوذ ناپذیری مغناطیسی بالا که مناسب برای مکان هایی که در آنجا دستگاه های حساس به میدان مغناطیسی است.
  • مقاومت خوب در برابر ضربه و خستگی
  • اتصال ورق FRP به سطوح مختلف بتن و آهن خوب بوده و همپوشانی آن زیاد نیست. که سبب پایین آمدن قیمت FRP می‌گردد.
  • حمل و نقل آسان بدلیل وزن پایین الیاف اف ار پی
  • سرعت کار بیشتر و نحوه اجرای آسان FRP
  • توجیه اقتصادی و قیمت مناسب برای تقویت، ترمیم و مقاوم سازی پروژه های سنگین به عنوان مثال پل ها
  • سطح اجرای تمام شده تمیز پوشش بعد از اجرای FRP
  • مصالح FRP عایق بسیار مناسبی در مقابل محیط اسیدی، قلیایی، شیمیایی و خورنده می باشد.
  • عدم افزایش ابعاد مقاطع در مقاوم سازی با FRP
  • امکان بکارگیری چند نوع الیاف FRP  جهت اصلاح و بهبود خواص هر کدام از آنها ( بعنوان مثال ارتقاء مقاومت مکانیکی، خستگی و ضریب ارتجاعی در کامپوزیت شیشه GFRP با اضافه نمودن لایه هایی از کامپوزیت کربن CFRP)

 

مواد تشکیل دنده کامپوزیت FRP

همانگونه که اشاره شد، کامپوزیت FRP از ترکیب از فیبرها یا الیاف و ماتریس یا رزین پلیمری تشکیل شده است.

 

الیاف FRP

کامپوزیت frp - شکل الیاف FRP

کامپوزیت frp – شکل الیاف FRP

 

الیاف کامپوزیت (FRP Wrap) FRP، پارچه هایی با ضخامت کمتر از یک میلیمتر هستند که با ترکیب رزین تولید ورق هایی می کنند که به ورق FRP (با ضخامت چند میلی‌متر) معروف هستند. مصالح الیاف FRP بر اساس فیبرهای تشکیل دهنده به چندین دسته تقسیم می شوند که چهار نوع آن کاربرد بیشتری دارند و عبارتند از:

  1. الیاف GFRP که با آنها پلیمرهای کامپوزیت FRP مسلح شده با الیاف شیشه (Glass Fiber Reinforced Polymers) تولید می‌گردند.
  2. الیاف CFRP که کامپوزیتهای FRP مسلح شده با الیاف کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymers) از آنها تولید می‌گردند.
  3. الیاف AFRP آرامید (Aramid Fiber Reinforced Polymers)
  4. الیاف BFRP بازالت (Basalt Fiber Reinforced Polymers)

 

 

%d8%a7%d9%84%db%8c%d8%a7%d9%81-%d8%b4%db%8c%d8%b4%d9%87gfrp

الیاف شیشه GFRP

رزین‌ مورد استفاده در مصالح FRP

رزین یا ماتریس به کار رفته در ساخت FRP به صورت یک محیط چسباننده برای نگه داری الیاف در کنار هم عمل می‌کند. بنابراین رزین با مقاومت پایینی که دارد، نقش چندان مهمی در خواص مکانیکی کامپوزیت ها ساخته شده بر عهده ندارد. علاوه بر نگه­داری الیاف در کنار هم، رزین موجود در مصالح FRP به عنوان عامل محافظت الیاف در برابر عوامل محیطی و همچنین عامل توزیع تنش روی وجه ورقه‌ FRP نیز محسوب می‌شود. چسب به کار رفته در مصالح FRP می‌تواند یک ترکیب ترموست یا ترموپلاستیک باشد. چسب‌های ترموست در مقابل درجه حرارت سخت هستند و با افزایش حرارت روان نمی‌شوند در حالی که رزین‌های ترموپلاستیک در مقابل حرارت، ذوب و در اثر سرد شدن مجدد سخت می‌شوند.

برای ساخت مصالح FRP بیشتر از ترموست‌ها استفاده می‌گردد. پلیمر های ترموست پس از سخت شدن دیگر نمی‌توانند توسط گرما به حالت خمیری باز گردند. مهمترین ماتریس های پلیمری گرما سخت (thermoset) عبارتند از رزین پلی استر، رزین ونیل استر و رزین های اپوکسی و از انواع ترموپلاستیک ها می‌توان به نایلون اشاره کرد. در مجموع نقش ماتریس های پلیمری در کامپوزیت FRP را می‌توان به صورت زیر لیست کرد.

  • انتقال تنش بین الیاف تقویت کننده FRP
  • احاطه کردن و نگه داشتن ساختار الیاف FRP
  • محافظت الیاف FRP از آسیب های محیطی
  • ممانعت از کمانش احتمالی فیبر الیاف FRP موقع اعمال بارهای فشاری
  • خواص پلیمری ماتریس در برش های داخلی صفحه کامپوزیت FRP موثر است.
  • ماتریس پلیمری یک عامل نگهدارنده جانبی در مقابل خم شدگی الیاف FRP تحت بار فشاری می باشند.

خواص مکانیکی کامپوزیت FRP به دو عامل حرارت و سرعت اعمال بار بستگی دارد. مدول ارتجاعی اف آر پی ها در دماهای بالاتر از Tg دمای نرم شدن پلیمر، کاهش قابل ملاحظه ای پیدا می کند و به 20 درصد مقاومت خود می‌رسد. در صورتی که اثر سرعت اعمال بار برعکس اثر دما می‌باشد یعنی با افزایش سرعت اعمال بار، پلیمر جامد رفتار شکننده تر از خود نشان می‌دهد. در کارهای ساختمانی به خاطر  Tg بالاتر، کمتر از ترموست‌ ها استفاده می‌شود.

پرکننده ها یا فیلر(Filler)  را می‌توان برای کاهش قیمت رزین و کنترل جمع شدگی یا شرینکیج (Shrinkage)، بهبود خواص مکانیکی و دادن خاصیت مقاوم سازی در مقابل حریق و آتش سوزی بـه ترموستها و ترموپلاستیک ها اضافه نمود. در کاربردهای ساختمانی و مقاوم سازی پرکننده ها طوری انتخاب می شوند که انتقال تنش را بهبود دهند و همچنین از مقدار ترکها در مناطقی که با الیاف تقویت نشده‌اند، بکاهند. معمولا بسته به مورد از کربنات کلسیم، پودر تالک و الیاف شیشه خرد شده به عنوان فیلر در صنعت کامپوزیت استفاده می‌شود.

 

اشکال مختلف مصالح FRP

تولیدات FRP شکل های متنوعی دارند که در اشکال مختلف در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. مصالح کامپوزیت FRP به صورت نوار یا لمینیت (Strip & Laminate)، صفحه یا شیت (Sheet)، میلگرد یا پروفیل های پیش ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرند. الیاف های FRP در نوارها همگی در یک جهت واحد قرار دارند ولی در شیتها ممکن است الیاف ها یک جهته یا دو جهته باشند. گاهی اوقات از ترکیب جنس های مختلف (تارها از یک جنس و پودها از جنسی دیگر) شیتهای هیبرید FRP (ورق FRP با الیاف مختلف) نیز به دست می آیند.

در زیر به اشکال مختلف ساخت FRPها در زیر به طور اختصار اشاره می‌گردد:

الف) میلگرد FRP

به دلیل مقاومت بسیار زیاد FRP در برابر خوردگی، این ماده به صورت میلگرد FRP نیز ساخته شده است. در حال حاضر کارخانه­ های متعددی وجود دارند که میلگرد FRP تولید می‌کنند که توسط شرکت مقاوم سازی افزیر در کشور ایران قابل تهیه هستند.

ب) پوشش‌ FRP

پوشش‌های FRP عمدتاً برای مقاوم سازی تقویت سازه ها و نیز پوشش‌های محافظتی محیطی به کار می‌روند. این پوشش‌ها معمولاً بر روی سطح خارجی اعضاء مختلف نصب می‌گردند. در این روش ساخت کامپوزیت FRP، الیاف و مواد پلیمری به روش دستی و بصورت جداگانه، توسط اپراتور در سطح کار قرار می گیرد و  بعد از ایجاد فرم مناسب، عمل آوری روی آن صورت می گیرد.

ج) شبکه‌ کامپوزیتی FRP

شبکه‌های کامپوزیتی FRP محصولاتی هستند که از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. این محصول که از الیاف کربن، شیشه یا آرامید و رزین اپوکسی یا وینیل استر تولید می‌شود، برای مسلح کردن بتن مناسب است.

د) پروفیل‌ ساختمانی FRP

مصالح FRP همچنین در شکل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل، نبشی، قوطی و ناودانی و به روش پالتروژن (Pultrasion) تولید می‌شوند. پروفیل‌ های کامپوزیت FRP می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.

 

پروفیل ساخته شده از FRP

پروفیل­ های ساخته شده از FRP

 

ه) کابل، طناب و تاندن‌ پیش تنیدگی FRP

مصالح پیش تنیده FRP، محصولاتی شبیه میله‌های FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده (یا پس کششی) در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزای پیش تنیده‌ در مجاورت آب نیز به کار گرفته می‌شوند. مقاوم سازی یک عضو با الیاف پیش تنیده باعث افزایش سختی و مقاومت عضو می‌گردد. کامپوزیت پیش تنیده FRP (که به کامپوزیت پس کششی FRP نیز مرسوم است)، همچنین می‌توانند برای مقاوم سازی برشی نیز مفید واقع شوند. در مجموع استفاده از مصالح اف ار پی پیش تنیده باعث افزایش بیشتر مقاومت و سختی نسبت به روشهای معمول تقویت سازه و مقاوم سازی با FRP است.

و)  میله دست ساز FRP

این نوع میله‌ها که از پیچاندن الیاف و ورقه های FRP حول یک هسته‌ منشوری به شیوه‌ دست ساز تولید می‌گردند، می‌توانند در تقویت خمشی و برشی تیرها و ستون های بتنی مورد استفاده قرار گیرند. بدیهی است که کیفیت ساخت میله‌های FRP نسبت به میله های تولیدی کارخانه پایین‌تر می‌باشد اما در عین حال قیمت تمام شده برای ساخت آن‌ها نیز پایین‌تر است.

خ) کامپوزیت مختلط

کامپوزیتهای مختلط برای شکل پذیر کردن کامپوزیت های FRP ساخته می شوند. در این شیوه با مخلوط کردن الیاف کربن، آرامید یا کربن و شیشه، کامپوزیت FRP جدیدی به دست می آید که شکل پذیری بالاتری دارد. بدین صورت که در اثر بارگذاری مصالح FRP ساخته شده از الیاف کربن و شیشه یا آرامید، ابتدا الیاف کربن به علت سختی بیشتر نیروی بیشتری را جذب خود نموده و این افزایش نیرو تا حد جاری شدن الیاف کربن ادامه پیدا می‌کند. از آنجایی که کرنش جاری شدن در الیاف آرامید یا شیشه حدود دو برابر الیاف کربن است، پس از جاری شدن الیاف کربن هنوز جاری نمی‌شوند و نیرو جذب می‌کنند. الیاف باقی مانده (الیاف آرامید یا شیشه) به تنهایی قادر به تحمل باری معادل 10 درصد (یا بیشتر) بالاتر از باری را که حد جاری شدن الیاف کربن است، بوده و همین امر به همراه کرنش بالای مصالح کربن و آرامید سبب افزایش شکل پذیری کامپوزیت FRP می گردد.

 

مشخصات فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت FRP

مشخصات کلی و مکانیکی محصولات کامپوزیتی FRP به شرح زیر می‌باشد.

 

مقاومت FRP در مقابل خوردگی

یکی از مهمترین ویژگی های سیستم های کامپوزیت FRP مقاومت آن در برابر خوردگی و خصوصیات مکانیکی بالای الیاف و صفحات FRP در مقاوم سازی است. در حقیقت این خاصیت مصالح FRP  Fiber Reinforcement Polymer تنها دلیل نامزد کردن آنها به عنوان یک گزینه جانشین برای اجزای فولادی و میلگرد فولادی است. بخصوص در سازه‌های دریایی، بندری و ساحلی و همچنین در سازه های مرتبط با صنعت نفت، پتروشیمی و پالایشگاه، مشخصات فنی مناسب کامپوزیت FRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصه میلگرد FRP می‌باشد.

 

مقاومت FRP

مصالح FRP مقاومت کششی بسیار بالایی از مقاومت کششی فولاد دارند. مقاومت کششی بالای مواد کامپوزیت FRP کاربرد آنها را برای سازه‌های بتنی، خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بتنی و مقاوم سازی سازه ها بسیار مناسب کرده است. مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای FRP بکار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت کششی محصولات FRP برای شیت ها و ورق های ساخته شده با الیاف کربن 1100 MPa تا 4900 Mpa ، برای میله‌های با الیاف شیشه تا 2300 Mpa و برای میله‌های با الیاف آرامید تا 1650 MPa گزارش شده است. چنین مشخصات فنی بالا اهمیت مقاوم سازی با frp را بیش از بیش روشن می سازد.

 

مدول الاستیسیته FRP

مدول الاستیسیته الیاف FRP و مصالح کامپوزیت ساخته شده به آنها عمدتا در محدوده قابل قبولی قرار دارند. مدول الاستیسیته کامپوزیت FRP ساخته شده از الیاف کربن در محدوده 230 GPa تا 200 GPa ، کامپوزیت FRP ساخته شده از الیاف شیشه در محدوده 70 GPa و آرامید 60 GPa گزارش شده است. برای مقاوم سازی سازه ها و تقویت بتن معمولا از این الیاف استفاده می‌گردد.

 

وزن مخصوص FRP

وزن مخصوص کامپوزیت FRP به مراتب کمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص کامپوزیت های CFRP یک سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در الیاف FRP از مزایای عمده آنها در کاربردشان به عنوان تقویت و مسلح کننده بتن محسوب می شود.

 

عایق بودن FRP

مصالح FRP عایق بسیار عالی هستند. به عبارت دیگر، مواد ساخته شده از مصالح FRP، از نظر مغناطیسی و الکتریکی خنثی بوده و عایق مناسبی محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میلگرد FRP بجای استفاده از میلگرد فولادی در قسمتهایی از بیمارستان ها و سایر فضاها که نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند و نیز در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی و همچنین در باند فرودگاه ها و مراکز رادار بسیار مناسب خواهد بود.

 

مقاومت خستگی FRP

رفتار مصالح، FRP در مقایسه با فولاد، در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنش‌های کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، کامپوزیت FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند و مناسب مقاوم سازی با frp در بتن می باشند .خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنش‌های تناوبی قرار دارند، منجر شود.

 

خزش مصالح FRP

رفتار خزشی کامپوزیت‌ های FRP بسیار خوب است؛ به عبارت دیگر، اکثر کامپوزیتهای FRP، دچار خزش نمی‌شوند. پدیده گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد؛ با این وجود چنانچه کرنش ناشی از خزش جزء کوچکی از کرنش الاستیک باشد، عملاً مشکلی بوجود نمی‌آید.

 

چسبندگی FRP به بتن در مباحث مقاوم‌ سازی

خصوصیت چسبندگی، برای هر مصالحی که بعنوان مسلح کننده بتن بکار رود، بسیار مهم تلقی می شود. FRP ها در مجموع مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی در مقاوم سازی بتن ارائه می‌کنند.

 

خم شدن FRP

خم شدگی کامپوزیت FRP بسیار سخت می‌باشد. چنانچه کامپوزیت FRP در سازه بتنی استفاده شوند، به جهت مهار آرماتورهای طولی و عرضی و تنگ‌ها، نیاز است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم کردن میلگردهای FRP بسیار دشوارتر از خم کردن آرماتورهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجود FRP، نمی‌توان عملیات خم کاری را در محل پروژه انجام داد. البته می‌توان خم‌کاری میلگرد FRP کامپوزیتی را با سفارش مشتری در کارخانه انجام داد.

 

شکل پذیری FRP

روش تقویت با الیاف FRP سبب افزایش شکل پذیری ستون های تقویت شده به روش محصور سازی می‌گردد. همچنین استفاده از مصالح FRP برای تقویت و مقاوم سازی خمشی اعضا، سبب کاهش شکل پذیری جزئی اعـضا می‌گردد. ایـن کاهش شکل پذیری در برخی از موارد بسیار کم می باشد. البته مقاوم سازی با FRP اعضا با استفاده از الیاف شیشه شکل پذیری اعضا را بر عکس الیاف کربن افزایش می‌دهد.

 

انبساط حرارتی FRP

خصوصیات انبساط حرارتی کامپوزیت ها و میلگرد FRP ساخته شده از الیاف کربن و شیشه به ترتیب برابر با و   است. این در حالی است که ضریب انبساط حرارتی فولاد و بتن نزدیک هم می‌باشد؛. همچنین ضریب انبساط حرارتی میله‌های FRP متفاوت از بتن می‌باشد. انبساط حرارتی کولار یا آرامید منفی بوده و برابر با  است.

 

مقاومت حرارتی سیستم FRP

از مشخصات مصالح FRP ، مقاومت کششی بالا، مقاومت در مقابل خوردگی و دوام خوب آن است. مقاومت کششی الیاف شیشه وقتی که تحت اثر گرما باشد، به سرعت پائین می آید. آئین نامه مقاومت در برابر حریق و آتش، مصالح FRP را محدود می کند تا این سیستم های کامپوزیتی در مقابل حریق در حالت پایدار باقی بمانند و این مقاومت با اضافه شدن رزین و چسب ها باید محدود شود به Tg. به عنوان مثال، Tg برای سیستم FRP که با الیاف شیشه و چسب و رزین ساخته می‌ شوند برابر است با 60 تا 80 درجه سانتی گراد.

الیاف کربن FRP در مقابل حریق مقاومت خوبی دارند. کربن در دمائی در حدود 1000 درجه سانتی‌گراد شروع به بی رنگ شدن می‌کند و در دمای 1500 درجه شروع به نیم سوز شدن کرده و در دمای حدود 2000 درجه شروع به سوختن می‌نماید.

مقاومت انواع FRP  در مقابل حرارت و آتش به صورت زیر می باشد.

 

مقاومت حرارتی مصالح FRP

مقاومت حرارتی مصالح FRP

 

معادلات رفتاری کامپوزیت FRP

معمولا تحلیل مکانیک رفتار مصالح FRP از دو دیدگاه بررسی می شود این دو دیدگاه عبارتند از: دیدگاه میکرومکانیک

و دیدگاه ماکرومکانیک.

برای مشاهده مشخصات الیاف و ورق های کربن ، شیشه و آرامید و میلگرد FRP شرکت افزیر به بخش محصولات مقاوم سازی افزیر مراجعه کنید.

 

کامپوزیت frp - عکس الیاف GFRP

کامپوزیت frp – عکس الیاف GFRP

 

کامپوزیت frp الیاف CFRP – پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymers)

کامپوزیت frp - تصویر الیاف CFRP

کامپوزیت frp – تصویر الیاف CFRP

کامپوزیت frp الیاف AFRP – پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف آرامید (Aramid Fiber Reinforced Polymers)

کامپوزیت frp - عکس الیاف AFRP

کامپوزیت frp – عکس الیاف AFRP

 

کامپوزیت frp الیاف BFRP – پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف بازالت (Basalt Fiber Reinforced Polymers)

کامپوزیت frp و انواع کامپوزیت های مقاوم‌سازی
5 (100%) 7 votes