المادة المؤلفة أو المركبة (لا يُقصد هنا المركب الكيميائي) تتكون من مادتين مختلفتين أو أكثر، لا تنصهر ولا تذوب سويا، بل تضمان جيدا، ولا تختلف المادتان اختلافاً كبيراً في الخصائص الفيزيائية والكيميائية. ينتج عن تأليف مادتين مادة جديدة لها خواص جديدة . يستخدم تعديل السطح عادة لزيادة التصاق ألياف التسليح بمادة الأساس الراتنجية . يمكن اعتبار الخشب مركبًا طبيعيًا ، ومن وجهة نظر أعم ، فإن الخرسانة المسلحة هي نوع من المركب وتتكون من مكونات متميزة ، FRP هو أيضا مركب . فيما يلي سنقوم بعرض نظرة عامة على أنواع المواد المركبة وكذلك FRP الشائعة في الصناعة.
العوامل التي تؤثر على أداء مادة المركبة هي :
المكونات
نسبة المكونات
سعة تحمل الألياف و طريقة و كيفية وضعها و اتجاها
سلوك المكونات معا
اللدائن المدعّمة بألياف (أو البوليمير المدعم بألياف) (Fiber Reinforced Polymer ) عبارة عن مادة مركبة مصنوعة من شبكة بوليميرية مدعّمة بألياف ، والتي تكون عادة مصنوعة من الزجاج أو الكربون أو الأراميد أو البازلت . و تسمى باختصار FRP . البوليمرات المدعمة بالياف FRP هي مواد مركبة ، يتم توفير مجموعة واسعة منها من قبل شركة أفزير لتدعيم المباني . لكن مواد المركبة الناتجة يمكن أن يكون لها خصائص مختلفة تمامًا عن المواد المكونة لها . تتكون هذه المواد من جزأين: المادة الأولى تكون الألياف و تعتبر تركيب الأساسي لتحمل القوى والجزء الثاني ، مادة ايبوكسية تستخدم لتثبيت الياف الكربون في المركبات متعددة الطبقات ، يمكن أيضًا استخدام عدة أنواع من الألياف ، والتي تسمى مركبات FRP مختلطة أو (hybrid) . بالطبع ، عادة ما يتم محاولة استخدام نوع واحد من المادة اللاصقة لإنشاء التصاق جيد بين الطبقات ، تعتمد خصائص مادة المؤلفة FRP بشكل كبير على اتجاه أليافها ، تشكل ألياف FRP حجمًا كبيرًا من المادة المؤلفة (FRP) وتتمثل مهمتهم في تحمل الحمل المطبق على اللدائن .نوع الألياف وكميتها وترتيبها مهم جدًا ويؤثر على الخصائص التالية .
يتأثر أداء ألياف التدعيم بالعوامل التالية :
اتجاه الألياف
طول الألياف
شكل الألياف
مزج الألياف مع الراتنج و الالتصاق بين الاثنين
عوامل المؤثرة في خواص الميكانيكية لـ FRP
أهم العوامل التي تؤثر على خصائص مركبات FRP بعد تطبيقها :
- مدت التحميل
- سجل التحميل
- درجة الحرارة
- الرطوبة
الرطوبة تغير خصائص الراتنج وتؤدي إلى تضخم وتقلص أو تشويه المادة المركبة . لذلك ، لمنع التأثير المدمر للرطوبة ، يجب النظر في ظروف استخدام المركب و نوعه . الراتنجات قابلة للاشتعال بسبب كمياتها الكبيرة من الكربون و الهيدروجين ولكن مزج الراتنجات مع الألياف ،يؤدي إلى زيادة مقاومة FRP للحريق. على سبيل المثال مادة المركبة من الياف الزجاج نوع E-Glass تحت الحرارة العالية ، حين أن الضغط المطبق هو حوالي 50 ٪ من المقاومة النهائية و بعد نصف ساعة تصبح مقاومتها 85 ٪ من المقاومة النهائية الأولية (يتم تقليل 15 ٪ فقط من مقاومتها) . الخرسانة تحمي FRP من التأثير المباشر و الصدمات . تتفاعل المصفوفة البوليمريةكيميائيًا مع اشعة فوق البنفسجي الصادرة من الشمس ولها تأثير مدمر على FRP لذلك يتم استخدام مواد خاصة و المناسبة لتقليل هذا التأثير الضار .
میزات استخدام مركب FRP
- السماكة المنخفضة لألياف FRP تجعل صفائح FRP المركبة رقيقة (مليمترات) وتمنعها من تشغيل مساحة إضافية .
- أدى السعر والتكلفة المعقولة لـ FRP إلى ارتفاع مبيعاتها في إيران ودول أخرى في السنوات الأخيرة.
- FRP لديه وزن منخفض بالنتيجة كثافة منخفضة من مواد و صفائح FRP .
- قوة الشد و المعامل المرنة لـ FRP عالية ، و مركبات FRP لديها مقاومة عالية للتآكل.
- أدت المقاومة المضادة للحمض و التآكل لـ FRP إلى استخدامها المتزايد ضد البيئات الحمضية و الكيميائية.
- نفاذية مغناطيسية عالية مناسبة للأماكن التي توجد بها أجهزة حساسة للمجال المغناطيسي.
- مقاومة جيدة للإرهاق والتعب
- إن التصاق صفائح FRP بمستويات مختلفة من الخرسانة و الحديد أمر جيد و ناحية التداخل لا يجب ان تكون كثيرة مما يخفض سعر FRP .
- سهل النقل بسبب الوزن الخفيف لألياف FRP
- سريعة التطبيق و سهلة التنفيذ
- السعر المعقول لتقوية و إصلاح و تدعيم المشاريع الثقيلة مثل الجسور
- سطح النهائي بعد الانتهاء يكون نظيف
- تعتبر مواد FRP عوازل جيدة جدًا ضد البيئات الحمضية والقلوية والكيميائية والتآكل.
- الفشل في زيادة أبعاد المقطع العرضي في التقوية مع FRP
- إمكانية استخدام عدة أنواع من ألياف (FRP) لتعديل وتحسين خصائص كل منها (على سبيل المثال ، تحسين القوة الميكانيكية والتعب والمرونة في مركب زجاج GFRP عن طريق إضافة طبقات من مركب الكربون CFRP)
مكونات مركبات FRP
كما ذكر ، تتكون مركبات FRP من مزيج من الألياف أو الفايبر مع مادة الرابطة (ماتريس) أو راتنج بوليمر .
الألياف FRP المركبة هي أقمشة يقل سمكها عن ملليمتر واحد ، تتحد مع الراتنج لإنتاج صفائح تعرف باسم صفائح FRP (سمك عدة ملليمترات) .
تنقسم أنواع FRP إلى عدة فئات بناءً على الألياف المكونة ، منها أربعة أنواع أكثر قابلية للتطبيق وهي:
1. الياف GFRP والتي تسمى بوليمرات FRP المركبة و المدعمة بالياف الزجاج (Glass Fiber Reinforced Polymers)
2. الیاف CFRP والتي تسمى بوليمرات FRP المركبة و المدعمة بالياف الكربون (Carbon Fiber Reinforced Polymers)
3. الیاف AFRP أرامید (Aramid Fiber Reinforced Polymers)
4. الیاف BFRP بازالت (Basalt Fiber Reinforced Polymers)
راتنج المستخدم في مواد FRP
تستخدم الراتنجات البوليمرية لربط صفائح FRP بالخرسانة . تجدر الإشارة إلى أن ضعف الالتصاق FRP بالخرسانة قد تسبب الفصل بين الخرسانة و FRP . يزيد استخدام المواد اللاصقة الإيبوكسية من المطيلية وقوة القص للعتبات . وهذه المواد اللاصقة قوية بما يكفي لمنع صفائح FRP من الانفصال عن الخرسانية . يمكن تحديد مواصفات هذه المواد اللاصقة عن طريق الاختبارات المعيارية المناسبة مثل (ASTM-D638-M-93 (1993.
تعمل الراتنج أو الماتريس المستخدمة في FRP كوسيط لاصق لربط الألياف معًا . لذلك ، لا يلعب الراتنج بمقاومته المنخفضة ، دورًا مهمًا في الخواص الميكانيكية للمركبات . بالإضافة إلى الحفاظ على الألياف معًا ، يعتبر الراتنج في مواد FRP عاملاً في حماية الألياف من العوامل البيئية بالإضافة إلى عامل في توزيع الضغط على سطح FRP . يمكن أن تكون المادة اللاصقة المستخدمة في مواد FRP عبارة عن مزيج من اللدائن الصلبة بالحرارة أو اللدن الحراري . في الغالب تستخدم اللدائن الصلبة بالحرارة لصنع مواد FRP . لم يعد من الممكن تخمير الحرارة بواسطة الحرارة بعد التصلب. اللدائن الصلبة بالحرارة بعد تصلبها لايمكن أن تصبح لينة بواسطة الحرارة . أهم مصفوفات البوليمر بالحرارة هي راتنجات البوليستر ، راتنجات الفينيل استر وراتنجات الايبوكسي ، وتشمل أنواع مختلفة من اللدائن الحرارية النايلون . بشكل عام ، يمكن وصف دور ماتريس البوليمر في مركبات FRP على النحو التالي.
- نقل الإجهاد بين ألياف تقوية FRP
- يحيط ويحافظ على بنية ألياف FRP
- حماية ألياف FRP من الأضرار البيئية
- منع التواء محتمل لألياف FRP عند تطبيق الأحمال الانضغاطية
- تعتبر خصائص ماتريس البوليمر فعالة في القص الداخلي للوحة المركبة FRP.
- ماتريس البوليمر عبارة عن عامل احتجاز جانبي ضد انحناء ألياف FRP تحت الحمل الانضغاطي .
تعتمد الخواص الميكانيكية لمركبات FRP على عاملين: الحرارة وسرعة الحمل . ينخفض المعامل المرونة لـ FRP بشكل ملحوظ عند درجات الحرارة الأعلى من Tg درجة حرارة تليين البوليمر ، وتصل إلى 20٪ من قوته . في حال أن تأثير سرعة الحمل هو عكس تأثير درجة الحرارة ، أي أنه مع زيادة سرعة الحمل ، يتصرف البوليمر الصلب بشكل أكثر هشاشة. في أعمال البناء ، بسبب ارتفاع Tg ، يتم استخدام لدائن صلبة بالحرارة . في أعمال البناء تستخدم لدائن صلبة بالحرارة أقل بسبب ارتفاع Tg .
يمكن اضافة مواد المالئة فيلر (Filler) لتقليل أسعار الراتينج و السيطرة على الانكماش ، تحسين خواص الميكانيكية و زيادة خصائص مقاومة الحريق في لدائن الصلبة . في تطبيقات البناء و التدعيم ، يتم اختيار المواد المالئة لتحسين نقل الإجهاد و تقليل كمية التشققات في المناطق غير المدعمة بالألياف . عادة ما تستخدم كربونات الكالسيوم ومسحوق التلك والألياف الزجاجية المكسرة كمواد مالئة في الصناعة المركبة ، حسب الحالة.
أشكال مختلفة من مواد FRP
تتميز مواد FRP عمومًا بالعديد من المزايا مقارنة بالفولاذ التقليدي ، بما في ذلك كثافة أقل بنسبة 75-80٪ من الفولاذ ، بدون تآكل حتى في البيئات الكيميائية القاسية ، والحياد بسبب الاضطرابات الكهربائية والمغناطيسية ، وقوة شد أكبر من الفولاذ.
تستخدم مواد مركبة FRP على شكل شرائح أو صفائح (Strip & Laminate) ورقة (Sheet) ، قضبان أو مقاطع مسبقة الصنع . الياف الكربون في الصفائح تكون في اتجاه واحد ، ولكن في الأنسجة يمكن أن تكون أحادية الإتجاه أو ثنائية الاتجاه . يمكن الحصول على أوراق FRP الهجينة (أوراق FRP بألياف مختلفة) في بعض الأحيان عن طريق الجمع بين مواد مختلفة (خيوط من نفس المادة و اللحمة من مواد أخرى) .
فيما يلي ملخص لأشكال مختلفة من FRP :
الف) قضبان FRP
في العقد الماضي ، تم استخدام حديد التسليح المركب المقاوم للتآكل FRP على نطاق واسع للهياكل الخرسانية بسبب خصائصها الخاصة و الفعالة من حيث التكلفة . سلوك الشد لقضبان FRP في العلاقات بين الاجهاد و النفعال يكون بشكل خطي مرن الى حين الانكسار . بما ان الألياف تلعب دورًا رئيسيًا في حديد التسليح FRP ، تؤثر نسبة حجم الألياف إلى إجمالي حجم FRP بشكل كبير على خصائص الشد لحديد التسليح FRP .
نظرًا لمقاومة FRP العالية للتآكل ، فإن هذه المادة مصنوعة أيضًا على شكل حديد التسليح FRP . حاليا ، هناك العديد من المصانع التي تنتج حديد التسليح FRP ، والتي يمكن أن توفرها شركة افزير في إيران . يعتمد التشغيل المستمر لحديد التسليح FRP على التصميم و عملية الإنتاج و الخواص الميكانيكية للتسليح و الظروف البيئية. يتم تلخيص خصائص الشد لبعض حديد التسليح FRP الشائعة في الجدول أدناه:
ب) غلاف FRP
تستخدم أغلفة FRP عادة لتدعيم و تقوية المنشآت و كذلك غطاء للحماية الخارجية . عادة ما يتم تثبيت هذه المواد على السطح الخارجي لمختلف الأعضاء . في هذه الطريقة ، في هذه الطريقة لتصنيع مركب FRP ، يتم وضع الألياف و المواد البوليمرية يدويًا و عمليًا على سطح العمل بواسطة عامل و بعد إنشاء النموذج المناسب ، تتم المعالجة عليه .
ج) شبكة FRP المركبة
شبكات FRP المركبة هي منتجات يتم إنشاؤها عن طريق تصادم أشرطة FRP في اتجاهين أو في ثلاثة اتجاهات . هذا المنتج ، المصنوع من ألياف الكربون أو الزجاج أو الأراميد وراتنج الإيبوكسي أو إستر الفينيل ، مناسب لتقوية الخرسانة.
د) مقاطع FRP
يتم إنتاج مواد FRP أيضًا على شكل مقاطع على شكل I ، T ، و مقاطع الزاوية ، و مقطع مستطيلي و مقاطع ساقية باستخدام طريقة Pultrasion . مقاطع FRP المركبة يمكن ان تكون بديلا مناسبا للأجزاء و الهياكل الفولاذية في الماء .
هـ) الكابلات ، والأحبال ، أوتار مسبقة الإجهاد FRP
مواد FRP مسبقة الإجهاد تكون منتجات مشابهة لقضبان FRP ، ولكنها أكثر مرونة ، و التي تستخدم في منشآت ذو الكابلات و الخرسانة سابقة الإجهاد (أو لاحقة الشد ) في البيئات البحرية و المتآكلة . تستخدم هذه المنتجات أيضًا في المنشات مسبقة الإجهاد بالقرب من الماء .تقوية العضو بالألياف سابقة الإجهاد يزيد من صلابة العضو و قوته . يمكن أن تكون مركبات FRP سابقة الإجهاد (و المعروفة أيضًا باسم مركبات FRP لاحقة الشد) مفيدة لتقوية القص . بشكل عام ، استخدام مواد FRP سابقة الإجهاد يزيد من القوة و الصلابة أكثر من الطرق الاعتيادية لتدعيم الهيكلي و تقوية باستخدام FRP .
و) قضبان FRP اليدوية
يمكن استخدامها لتقوية الانحناء و القص للعتباة و الأعمدة الخرسانية . من الواضح أن جودة بناء قضبان FRP يدويا أقل من إنتاجها بالمصنع ، ولكن في نفس الوقت تكون تكلفة صنعها أقل .
خ) مركب الهجين ( المختلط)
يتم تصنيع مركبات الهجينة (المختلطة ) لزيادة ليونة مركبات FRP . في هذه الطريقة ، عن طريق خلط الكربون والأراميد أو ألياف الكربون والألياف الزجاجية ، يتم الحصول على مركب FRP جديد يتمتع بقدرة ليونة عالي . نتيجة لتحميل مواد FRP المصنوعة من ألياف الكربون و الزجاج أو الأراميد ، تمتص ألياف الكربون أولاً القوة بسبب صلابتها الأكثر ، و من ثم تستمر هذه الزيادة حتى الوصول الى نهاية حد مرونة ألياف الكربون . انفعال المرن في الياف الأراميد أو الزجاجية تكون ضعف الياف الكربون .
المواصفات الفيزيائية والميكانيكية لمركب FRP
المواصفات العامة و الميكانيكية لمنتجات FRP المركبة هي كما يلي.
مقاومة FRP للتآكل
احدى أهم ميزات أنظمة FRP المركبة هي مقاومتها للتآكل و الخصائص الميكانيكية العالية للألياف و صفائح FRP في تدعيم المباني . في الواقع ، هذه الخاصية من مواد FRP Fiber Reinforcement Polymer هو السبب الوحيد لترشيحها كبديل قابل للتطبيق لمكونات الصلب و حديد التسليح الصلب . خاصة في الهياكل البحرية والموانئ والساحلية ، وكذلك في الهياكل ذات الصلة بصناعة النفط و البتروكيماويات والمصافي ، فإن المواصفات الفنية المناسبة لمركب FRP ضد التآكل هي من الأكثر الخصائص المفيدة لتسليح FRP .
مقاومة FRP
مواد FRP لديها قوة شد أعلى بكثير من قوة شد الفولاذ . قوة الشد العالية للمواد المركبة FRP تجعل تطبيقها مناسبًا جدًا للهياكل الخرسانية ، خاصة للهياكل الخرسانية المسبقة الإجهاد و تدعيم الهياكل . تعتمد قوة شد مواد FRP بشكل أساسي على مقاومة الشد ، نسبة الحجم ، و ابعاد و سطح مقاطع الياف FRP المستخدمة فيها . حسب التقارير ، قوة شد منتجات FRP للصفائح و الألواح المصنوعة من ألياف الكربون تكون من 1100 ميجا باسكال إلى 4900 ميجا باسكال و لقضبان الألياف الزجاجية حتى 2300 ميجاباسكال و 1650 ميجاباسكال لقضبان الألياف الأراميد.
معامل المرنة لـ FRP
معامل المرنة لألياف FRP و مواد المركبة المصنوعة منها ، عادة تكون في نطاق المقبول . معامل المرنة لمركبات FRP المصنوعة من الالياف الكربون في نطاق 200 GPa الى 230 GPa ، مركبات FRP المصنوعة من الاياف الزجاجية في نطاق 70 GPa و للالياف الأراميد 60 GPa . تستخدم هذه الألياف عادة لتقوية و تدعيم الهياكل الخرسانة .
وزن النوعي لـ FRP
وزن النوعية لمركبات FRP أقل بكثير من وزن النوعية للصلب . على سبيل المثال ، وزن النوعية لمركبات CFRP يكون ثلث وزن النوعية للصلب . تعتبر نسبة المقاومة الى الوزن في الألياف FRP واحدة من مزاياها الرئيسية في استخدامها كطريقة لتدعيم الخرسانة .
عزل FRP
مواد FRP تكون مواد عازلة ممتازة . بمعنى آخر ، المواد المصنوعة من مواد FRP ، محايدة مغناطيسيًا وكهربائيًا و تكون جيدة للعزل . . لذلك ، سيكون استخدام الخرسانة المسلحة مع التسليح FRP بدلاً من حديد التسليح الصلب في أجزاء من المستشفيات مناسبًا جدًا و كذلك في المساحات الأخرى الحساسة للموجات المغناطيسية ، وكذلك في طرق التوجيه للقطارات العائمة المغناطيسية وأيضًا في مدارج المطارات ومراكز الرادار.
مقاومة التعب لـ FRP
سلوك المواد ، FRP مقارنة بالصلب ، ممتاز في ظاهرة التعب ؛ على سبيل المثال ، بالنسبة للضغوط التي تقل عن نصف القوة النهائية ، مركبات FRP لا تنكسر بسبب التعب وهي مناسبة لتقوية frp في الخرسانة . التعب هو خاصية تحدث في العديد من مواد البناء ، واعتبارها قد يؤدي إلى فشل غير متوقع ، خاصة في المكونات المعرضة لمستويات عالية من الأحمال والضغوط الدورية.
الزحف مواد FRP
السلوك الزحف لمركبات FRP جيدا جدًا ؛ بمعنى آخر ، لا تظهر ظاهرة الزحف في معظم مركبات FRP . يحدث تشقق الزحف في جميع مواد البناء تقريبًا ؛ ومع ذلك ، إذا كانت انفعالات الزحف جزءًا صغيرًا من الانفعالات المرنة ، فلا تسبب مشكلة.
التصاق FRP بالخرسانة في أبحاث التدعيم
تعتبر خاصية الالتصاق مهمة للغاية لأي مادة تستخدم كتعزيزات للخرسانة . تقدم FRP بشكل عام مقاومة جيدة و مقبولة للالتصاق في الخرسانة المسلحة .
ثني FRP
من الصعب للغاية ثني مركب FRP . إذا تم استخدام مركبات FRP في الهياكل الخرسانية ، فستحتاج إلى ثني في النهاية للسيطرة على التعزيزات و القضبان الطولية و العرضية . ومع ذلك ، فإن ثني التسليح FRP أكثر صعوبة من ثني حديد التسليح الصلب ، وبالنسبة لمواد FRP الحالية ، لا يمكن إجراء عمليات الثني في موقع المشروع. بالطبع ، من الممكن ثني حديد التسليح المركب FRP عن طريق الطلب من العميل في المصنع.
مطيلية مواد FRP
طريقة تدعيم باستعمال الياف FRP تزيد من قابلية المطيلية للأعمدة المقواة بطريقة الإحاطة كما أن استخدام مواد FRP لتقوية و تدعيم مرونة الأعضاء يقلل من قابلية الأعضاء للمطيلية الجزئي. . في بعض الحالات ، يكون هذا الانخفاض في المطيلية منخفضًا جدًا. ومع ذلك ، فإن التدعيم باستخدام FRP مع الألياف الزجاجية يزيد من قابلية الأعضاء للتشكيل عكس ألياف الكربون .
التمدد الحراري FRP
معامل التمدد الحراري للصلب و الخرسانة قريب . يختلف معامل التمدد الحراري لقضبان FRP عن الخرسانة .
المقاومة الحرارية لنظام FRP
تتميز مواد FRP بقوة شد عالية ومقاومة للتآكل ومتانة جيدة . تقل قوة الشد للألياف الزجاجية بسرعة عند تعرضها للحرارة . لوائح التدعيم أمام الحرائق ، تقييد مواد FRP أمام هذه الحالات للحفاظ على استقرارها ويجب أن تقتصر هذه المقاومة على Tg مع إضافة الراتينج والمواد اللاصقة. على سبيل المثال ، Tg لنظام FRP ، المصنوع من الألياف الزجاجية والغراء والراتنج ، هو 60 إلى 80 درجة مئوية.
ألياف الكربون FRP لديها مقاومة جيدة للنار. يبدأ الكربون في التلاشي عند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية ، ويبدأ في الاحتراق عند نصف درجة حرارة عند 1500 درجة مئوية ، ويبدأ في الاحتراق عند حوالي 2000 درجة مئوية.مقاومة أنواع FRP للحرارة والنار هي كما يلي.
