FRP چیست؟

FRP چیست؟

FRP در لغت مخفف کلمه Fiber Reinforced Polymer است. FRP کاربردهای متفاوتی در صنعت ساخت و ساز دارد. بیشترین کاربرد FRP در ترمیم و تقویت و مقاوم سازی سازه‌های بتنی است. الیاف FRP با قرار گرفتن و نصب بر روی سطوح بتنی از قبیل دال‌ها، تیرها، ستون‌ها، دیوارهای بتنی و فونداسیون بتنی می‌تواند باعث افزایش مقاومت بتن شوند. همچنین این الیاف می‌تواند در ساختمان‌هایی با کاربری مسکونی، تجاری، اداری، صنعتی، تکیه‌گاه ماشین آلات و تاسیسات سنگین و همچنین سازه‌های آبی و دریایی مانند سد و کانال نیز کاربرد داشته باشند. علاوه بر این از الیاف FRP می‌توان در مقاوم‌سازی زیرساخت‌های مهندسی از قبیل پل‌های جاده‌ای و ریلی، مخازن آب و مواد شیمیایی، سیلوها و برج‌های خنک کننده نیز استفاده نمود.

به صورت کلی FRP ترکیبی از دو ماده است. بخش اول آن ماتریس بوده و جز دیگر آن الیاف است. ماتریس خود از برخی مواد شیمیایی مانند رزین‌های اپوکسی و پلی استر تشکیل شده است.این مواد برای اقتصادی شدن و بهبود خواص، دارای افزودنی‌هایی هستند. نقش الیاف، تامین مقاومت مکانیکی کافی در FRP است. در حالی که ماتریس نقش باربری مکانیکی ندارد و تنها باید از الیاف در مقابل خوردگی و آسیب دیدن محافظت نماید. همچنین انتقال بار در FRP به کمک ماتریس انجام می‌شود. از دیگر کاربردهای ماتریس، کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار است. بیشتر حجم FRP را الیاف تشکیل می‌دهند. عواملی مختلفی در بهره‌وری الیاف FRP تاثیرگذار هستند. از جمله این عوامل می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • نوع الیاف
  • مقدار الیاف
  • نحوه قرارگیری الیاف
  • ضریب انتقال حرارت

این عوامل در مقاومت کششی، خمشی، برشی، خستگی و مقاومت در برابر الکتریسیته بسیار موثر هستند. همچنین این عوامل در میزان قیمت تمام شده محصول نیز بسیار پر اهمیت هستند.

انواع الیاف FRP

الیاف FRP به دو شکل الیاف ورق یا لمینت FRP و میلگرد یا پروفیل FRP موجود است. پروفیل و میلگرد FRP به روش پالتروژن ساخته می‌شوند. در این روش دسته‌هایی از الیاف پس از آغشته شدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می‌آورند. از عمده‌ترین مزایای روش پالتروژن چندمنظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف است. به عبارتی صرفاً با تغییر قالب دستگاه میتوان علاوه بر محصولاتی که در صنعت ساختمان کاربرد دارد، همانند انواع آرماتورها، محصولات گوناگون دیگری در حوزه‌های مختلف از جمله تسمه‌های ماشین نساجی، ریلها، محافظ اتوبانها، چارچوب پنجره‌ها و درها، تیرهای با مقطع I شکل، نبشی‌ها و غیره تولید نمود. عمر محصولات پالتروژنی بسیار بالاست و سرعت تولید یک محصول پالتروژنی نیز نسبتاً زیاد است. از نظر قیمت نیز با وجود اینکه یک تیر پالتروژنی قیمت ظاهری بیشتری نسبت به نمونه مشابه آهنی دارد؛ ویژگی هایی مانند مقاومت بالا در برابر خوردگی و زلزله و دوام آن می‌تواند توجیه‌کننده قیمت اولیه بالای آن باشد. در مصارف عمومی مانند ساخت سازه‌ها اگر نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و زلزله وجود داشته باشد، استفاده از تیرهای پالتروژنی می‌تواند توجیه اقتصادی نیز داشته باشد.

تاریخچه FRP

به علت نیاز روزافزون به استفاده از مواد ترکیبی برای دستیابی به خواص و عملکردهای مطلوب استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان رو به رشد بوده و با سرعت فوق‌العاده در حال توسعه می‌باشد. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه ۱۹۸۰ آغاز شد. اما زلزله‌های سال ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ کوبه ژاپن عامل مهم ومؤثری جهت بررسی همه‌جانبه کاربرد کامپوزیت‌های پلیمری ساخته شده از الیاف FRP جهت تقویت و مقاوم‌سازی سازه بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید. این مطالعات که دامنه و وسعت آن روز به روز در حال افزایش است زمینه‌ای وسیع جهت استفاده از این کامپوزیت‌ها را در سازه‌های نیازمند به تقویت، بهسازی و یا ترمیم فراهم نموده است. هم اکنون تعداد زیادی از محققان و پژوهشگران صنعت سازه در سراسر جهان در حال بررسی، مطالعه و انجام آزمایش‌های تقویت سازه‌ها با کامپوزیت‌های FRP می‌باشند.

روش های تولید کامپوزیتFRP :

بافتن رشته ها به هم یا Filament winding

  • الیاف یا رشته های پیوسته به صورت نوارهای موازی به دور سیلندر پیچانده شده و رشته های فیبر به دور آن تابیده می شود. در این حین ماتریس رزین پلی استروینیل استر یا اپوکسی به درون سیلندر دوار دمیده شده و با فیبرها ترکیب می شود تمامی این فرایند برای بدست آمدن FRP با کیفیت مناسب با کامپیوتر کنترل می شود.
  • موارد مصرف FRP تولیدی به این روش ١- در لوله سازی ٢- سا خت لوله های تحت پیچش ٣- بدنه وجداره موشک ۴- بطری ها و شیشه های تحت فشار ۵- تانکهای ذخیره .۶- فیوز تأخیری هواپیما و . . . می باشد.

فرایند پلتروژن یاPultrusion

در این روش لمینیت ها یا ورق های پوششی با مقطع عرضی و طول معین ساخته می شود. در حین کشیدن نوار فیبر، ماتریس که معمولاً پلی استریا وینیل استر می باشد با گرمای الکتریکی به کمک روغن داغ به فیبر اضافه می شود و اتاقک پیش گرمایشی فرکانس رادیویی ١ برای کنترل ضخامت در زمان عمل آوری وجود دارد.

 

روند تولید از طریق فرایند فشرده سازی در خلأ:

در این روش وزن هوای بین لایه های FRP مانع از تشکیل آن می گردد بنابراین بر اثر پرس و فشار اعمالی بایستی هوای محبوس خارج شود تا ورق پوشی FRP یا لمینیت شکل گیرد.

یک یا چند لایه با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین به یکی از روش های موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می شود.

انواع FRP

1)  میله های کامپوزیتی

میله‌های ساخته شده از کامپوزیت‌های FRPهستند که جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. کاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی، مساله کربناسیون و کلراسیون را که از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمه هستند، به کلی حل خواهند نمود.

 

میلگرد FRP

میلگرد FRP

2)  شبکه‌های کامپوزیتی

شبکه‌های کامپوزیتی (FRP grids)، محصولاتی هستند که از اتصال میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از این محصول، شبکه کامپوزیتی NEFMAC است که از الیافهای کربن، شیشه یا آرامید و رزین وینیل استر تولید می‌شود و برای مسلح کردن بتن مناسب است.

3)  کابل

طناب و تاندون‌های پیش‌تنیدگی، محصولاتی شبیه میله‌های کامپوزیتی FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیده در مجاورت آب نیز بکار گرفته می‌شوند.

4) ورقه‌های کامپوزیتی

ورقه‌های کامپوزیتی( FRP sheets)، ورقه‌هایی با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP  هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. ورقه‌های FRP  پوشش مناسبی جهت ایزوله کردن سازه‌های آبی از محیط خورنده مجاور هستند. همچنین از ورقه‌های کامپوزیتی FRP  جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شود.

5)  پروفیل‌های ساختمانی

مصالح FRP  همچنین در شکل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل، نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنین محصولاتی می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.

دوام کامپوزیت‌های FRP

دوام کامپوزیت‌های FRP در کنار مقاومت بالای این مصالح، دلیل اصلی کاربرد آنها در مقاوم سازی و تقویت سازه‌ شده است. در مجموع در کنار پارامتر مقاومت، پارامتر دوام مصالح FRP بسیار اهمیت دارد.

عوامل اثر گذار بر دوام الیاف FRP عبارتند از:

1)  تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر

2)  از دست رفتن چسبندگی بین الیاف و ماتریس

3)  کاهش مقاومت و سختی الیاف

محیط نقش کاملاً تعیین کننده‌ای در تغییر خواص پلیمرهای ماتریس کامپوزیت دارد. ماتریس و الیاف ممکن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه کننده نظیر نمک‌ها و قلیا‌ها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممکن است به صورت سیکل‌های یخ‌زدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و الیاف ایجاد کند. از طرفی تحت شرایط بار‌گذاری مکانیکی، بارهای تکراری ممکن است باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممکن است مساله خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌ای از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام کامپوزیت‌های FRP را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

پیر شدگی فیزیکی ماتریس پلیمر

نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یکی از جنبه‌های مهمی است که در مساله دوام کامپوزیت‌ها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیه ماتریس در کامپوزیت انتقال تنش بین الیاف، محافظت از سطح الیاف در مقابل سائیدگی مکانیکی و ایجاد مانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزائی در انتقال تنش برشی در صفحه کامپوزیت ایفا می‌کند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمان تغییر دهد؛ باید مورد توجه خاص قرار گیرد. برای کلیه پلیمرها کاملاً طبیعی است که تغییر فوق‌العاده آهسته‌ای در ساختار شیمیایی (مولکولی) خود داشته باشند. این تغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت کنترل می‌شود. این پروسه پیر‌شدگی (Aging) نام دارد. تأثیرات پیر شدگی در اکثر کامپوزیت‌های ترموست متداول، در مقایسه با کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، خفیف‌تر است. در اثر پیر‌شدگی فیزیکی، بعضی از پلیمرها ممکن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتیجه این مساله تأثیر بر خواص غالب ماتریس از جمله رفتار برشی کامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اکثر موارد این تأثیرات بحرانی نیست؛ زیرا نهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق الیاف رخ داده و تأثیرات پیر‌شدگی بر الیاف فوق‌العاده جزئی است.

تأثیر رطوبت

بسیاری از کامپوزیت‌های با ماتریس پلیمری در مجاورت هوای مرطوب و یا محیط‌های مرطوب، با جذب سطحی سریع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود می‌گیرند. معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزایش یافته و نهایتاً پس از چندین روز تماس با محیط مرطوب، به نقطه اشباع (تعادل) می‌رسد. زمان رسیدن کامپوزیت به نقطه اشباع به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد. خشک کردن کامپوزیت می‌تواند این روند را معکوس کند، اما ممکن است منجر به حصول کامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک (Fick’s Law) تبعیت کرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل و فرج، نوع الیاف، نوع رزین، جهت و ساختار الیاف، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ریزترکها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت بر اجزای کامپوزیت را مورد بحث قرار می‌دهیم.

الف- تأثیر رطوبت بر ماتریس پلیمری

جذب آب توسط رزین ممکن است در مواردی برخی از خصوصیات رزین را تغییر دهد. چنین تغییراتی عمدتاً در دمای بالای 120 درجه ممکن است اتفاق بیفتد و در اثر آن سختی کامپوزیت به شدت کاهش یابد؛ اگر چه چنین وضعیتی عمدتاً در مصارف کامپوزیت‌ها در مهندسی عمران و به خصوص در سازه‌های در مجاورت آب، کمتر پیش می‌آید و مورد توجه نیست. از طرفی جذب رطوبت یک تأثیر سودمند نیز بر کامپوزیت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزین شده که این مساله به نوبه خود تنش‌های پس‌ماند بین ماتریس و الیاف را که در اثر انقباض ضمن عمل‌آوری کامپوزیت ایجاد شده، کاهش می‌دهد. این مساله باعث آزاد شدن تنش‌های بین ماتریس و الیاف شده و ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. از طرفی گزارش شده است که در کامپوزیت‌هایی که به صورت نامناسب ساخته شده‌اند، در اثر وجود حفره‌ در سطح بین الیاف و ماتریس و یا در لایه‌های کامپوزیت، نفوذ آب در داخل حفره‌ها و یا در سطح مشترک الیاف و ماتریس ممکن است به سیلان رزین منجر شود. این مساله را می‌توان با انتخاب مناسب مواد رزین و یا آماده‌سازی صحیح سطح الیاف‌ و نیز بهبود تکنیک‌های ساخت، حذف نمود.

ب – تأثیر رطوبت بر الیاف‌

اعتقاد عمومی بر آن است که الیاف شیشه چنانچه به صورت طولانی مدت در کنار آب قرار گیرند، آسیب می‌بینند. دلیل این مساله آن است که شیشه از سیلیکا ساخته شده که در آن اکسیدهای فلزات قلیایی منتشر شده‌اند. اکسیدهای فلزات قلیایی هم جاذب آب بوده و هم قابل هیدرولیز هستند. با این وجود، در اکثر موارد مصرف در مهندسی عمران، از E-glass و S-glass استفاده می‌شود که فقط مقادیر کمی از اکسیدهای فلزات قلیایی را داشته و بنابراین در مقابل خطرات ناشی از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حال کامپوزیت‌های ساخته شده از الیاف شیشه باید به خوبی ساخته شده باشند، بصورتیکه از نفوذ آب به مقدار زیاد جلوگیری ‌کنند؛ زیرا حضور آب در سطح الیاف شیشه انرژی سطحی آنها را کاهش می‌دهد که می‌تواند رشد ترک‌خوردگی را افزایش دهد. از طرفی الیاف آرامید نیز می‌توانند مقادیر قابل توجهی از آب را جذب کنند که منجر به باد کردن و تورم آنها می‌شود. با این وجود اکثر الیاف با پوششی محافظت می‌شوند، که پیوستگی خوب با ماتریس داشته و نیز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذکر است که تحقیقات متعدد، نشان می‌دهد که رطوبت هیچگونه تأثیرات سوء شناخته‌شده‌ای را بر الیاف کربن به دنبال ندارد.

ج- رفتار عمومی کامپوزیت‌های اشباع شده با آب

کامپوزیت‌های با ‌آب اشباع شده معمولاً کمی افزایش شکل‌پذیری (Ductility) در اثر نرم‌شدگی Softening)) ماتریس از خود نشان می‌دهند. این مساله را می‌توان یک جنبه سودمند از جذب آب در کامپوزیت‌های پلیمری بر‌شمرد. همچنین افت محدود مقاومت و مدول الاستیسیته می‌تواند در کامپوزیت‌های با آب اشباع شده اتفاق بیفتد. چنین تغییراتی معمولاً برگشت‌پذیر بوده و بنابر‌این به محض خشک شدن کامپوزیت‌، ممکن است اثر خواص از دست رفته مجدداً جبران شود.

شایان توجه است که افزایش فشار هیدرواستاتیک (مثلاً در مواردی که کامپوزیت‌ها در مصارف زیر آب و یا در کف دریا به کار می‌روند)، لزوماً به جذب آب بیشتر توسط کامپوزیت و افت خواص مکانیکی آن منجر نمی‌شود. بدین ترتیب انتظار می‌رود که اکثر سازه‌های پلیمری زیر‌ آب، دوام بالایی داشته باشند.  در حقیقت، تحت فشار هیدرواستاتیک، جذب آب به دلیل بسته شدن ریز‌ترک‌ها و ضایعات بین سطحی، کمی کاهش می‌یابد [22].

لازم به ذکر است که جذب آب بر خواص عایق بودن کامپوزیت‌ها اثر می‌گذارد. حضور آب آزاد در ریزترکها می‌تواند خاصیت عایق بودن کامپوزیت را به شدت کاهش دهد.

تأثیرات حرارتی رطوبتی

درجه حرارت، نقش تعیین‌کننده‌ای در مکانیزم جذب آب کامپوزیت‌ها و تأثیرات متعاقب برگشت‌ناپذیر آن بازی می‌کند. درجه حرارت، بر توزیع آب، میزان آن و سرعت جذب آن، تأثیر می‌گذارد. با افزایش دما، مقدار و سرعت جذب آب سریعاً افزایش می‌یابد [23]. تحقیقات نشان داده است که ضایعات ناشی از قرار دادن کامپوزیت، در آب جوش به مدت چند ساعت، معادل جداشدن اجزاء کامپوزیت، و ترک‌خوردگی آن در اثر قرار گرفتن آن در آب با دمای 50  به مدت 200 روز می‌باشد. در دمای معمولی اطاق، نمونه‌های کامپوزیت هیچگونه خرابی و آسیبی را بروز نداده‌اند. چنین مشاهداتی به توسعه تکنیک‌هایی برای آزمایشات تسریع شده پیرشدگی کامپوزیت‌ها منجر شده است.

محیط قلیایی

در کاربرد کامپوزیت‌های با الیاف شیشه در محیط قلیایی، ضروری است که از الیاف شیشه با مقاومت بالای قلیایی استفاده نمود؛ زیرا محلول قلیایی با الیاف شیشه واکنش داده و ژل انبساطی سیلیکا تولید می‌کنند. این نکته به خصوص در کاربرد کامپوزیت‌های با الیاف شیشه به عنوان میلگردهای مسلح کننده بسیار حائز اهمیت می‌باشد. امروزه علاقه به استفاده از میلگردهای FRP از جنس شیشه در رویه‌های بتنی، به عنوان جانشین میلگردهای فولادی که با نمک‌های یخ زدا خورده می‌شوند، و نیز در سازه‌های در مجاورت آب افزایش یافته است. با این وجود در فرآیند هیدراسیون سیمان، محلول آب با قلیائیت بالا (pH>12) ایجاد می‌شود. این محلول قلیایی شدید، می‌تواند بر الیاف شیشه تأثیر گذاشته و دوام میلگردهای FRP ساخته شده با الیاف شیشه را کاهش دهد. الیاف شیشه از جنس E-glass که اکثراً ارزان بوده و به کار گرفته می‌شوند، ممکن است مقاومت کافی در مقابل حمله قلیایی‌ها را نداشته باشند. استفاده از رزین وینیل استر با ایجاد یک مانع مؤثر، تا حدودی حمله قلیایی‌ها را کاهش می‌دهد. مقاومت در مقابل حمله قلیایی‌ها را می‌توان با طراحی عضو سازه‌ای برای تحمل سطح تنش‌های کمتر، بهبود داد. همچنین می‌توان برای بهبود دوام، از الیاف شیشه با مقاومت بسیار خوب در مقابل قلیا استفاده نمود.

شایان ذکر است که FRP های ساخته شده از الیاف کربن و آرامید، مطلقاً در مقابل محیط‌های قلیایی از خود ضعفی نشان نمی‌دهند.

تأثیر دمای پائین

تغییرات شدید دما بر کامپوزیت‌ها چندین اثر عمده به دنبال دارد. اکثر مواد با افزایش دما انبساط پیدا می‌کنند. در کامپوزیت‌های FRP با ماتریس پلیمری، ضریب انبساط حرارتی ماتریس معمولاً در رتبه بالاتری از ضریب انبساط حرارتی الیاف قرار دارد. کاهش دما ناشی از سرد شدن در ضمن مرحله ساخت و یا شرایط عملکرد کامپوزیت در دمای پایین، باعث انقباض ماتریس خواهد شد. از طرفی انقباض ماتریس با مقاومت الیاف نسبتاً سخت که در مجاورت ماتریس قرار گرفته‌اند، روبرو می‌شود؛ که این مساله تنش‌های پس ماندی را در ریز ساختار ماده به‌جای می‌گذارد. بزرگی تنش‌های پس ماند با اختلاف دما در شرایط عمل‌‌آوری و شرایط عملکرد کامپوزیت متناسب خواهد بود. با این وجود، مگر در محیط فوق‌العاده سرد، تنش‌های پس‌ماند ایجاد شده چندان قابل توجه نخواهد بود. در جایی که تغییر دمای بسیار شدید وجود دارد (مثلاً نواحی نزدیک به قطب شمال و قطب جنوب) ممکن است تنش‌های پس‌ماند بزرگی ایجاد شود که منجر به ایجاد ریزترک در ماده می‌گردد. چنین ریزترکهایی به نوبه خود سختی کامپوزیت را کاهش داده و نفوذپذیری و ورود آب از طریق لایه مرزی ماتریس و الیاف را افزایش می‌دهند و بدین ترتیب در فرآیند تجزیه کامپوزیت شرکت می‌کنند.

تأثیر بسیار مهم دیگر درجه حرارت‌های پایین‌تر، تغییر متناظر در مقاومت و سختی ماتریس است. اکثر مواد رزین ماتریس، با سرد شدن، سخت‌تر و مقاوم‌تر می‌شوند. چنین تغییراتی بر وضعیت شکست اثر می‌گذارد. برای مثال، مشاهده شده است که شکست فشاری نمونه‌های استوانه‌ای کامپوزیت با قطر 38 میلیمتر در دمای 50 نسبت به شکست نمونه‌های مشابه در دمای اتاق با 6/17 درصد افزایش مقاومت فشاری و شکست ترد، همراه است. بدین ترتیب جذب انرژی قبل از شکست در دمای پایین‌تر نسبت به دمای اتاق، بیشتر خواهد بود. این جنبه ویژه از نظر آزاد شدن انرژی زیاد در لحظه شکست، در طراحی کامپوزیت‌هایی که تحت بارهای ضربه‌ای و در دمای پایین قرار می‌گیرند، باید در نظر گرفته شود.

تأثیرات سیکل‌های حرارتی در دمای پایین (یخ‌زدن- ذوب شدن)

به جز در مواردی که کامپوزیت درصد قابل توجهی حفره‌های متصل به یکدیگر پر از آب داشته باشد، تأثیرات یخ‌ زدن و ذوب شدن در محدوده دمایی متداول (30 تا 20-) بر مقاومت، جزئی بوده و حائز اهمیت نیست. کامپوزیت‌های ساخته شده از الیاف‌های شیشه که به طور متداول در دسترس هستند، در حدود 4/0 درصد حفره دارند که اجازه یخ‌زدگی قابل توجهی را نداده و امکان هیچگونه آسیب جدی را فراهم نمی‌کند.

با این وجود، سیکل‌های حرارتی در دمای پایین اثرات دیگری را بر کامپوزیت‌ها می‌گذارد. تنش‌های پس‌ماند در مصالح کامپوزیت، بدلیل تفاوت‌های موجود در ضرائب انبساط حرارتی اجزاء موجود در ریز ساختار ماده، ایجاد می‌شود. در شرایط دمایی بسیار پایین، چنین تنش‌هایی می‌تواند منجر به تشکیل ریزترک‌ها در رزین ماتریس و یا در سطح مشترک رزین و الیاف شود. تغییرات رشد ریزترک در محدوده متداول دمای بهره‌برداری (از  30+  تا 20-)، معمولاً جزئی و یا حاشیه‌ای است؛ با این وجود تحت شرایط سیکل‌های حرارتی شدید، مثلاً بین 60+ تا 60- ، ریزترک‌ها امکان رشد و بهم پیوستن پیدا کرده که منجر به تشکیل ترک در ماتریس و انتشار آن در ماتریس و یا در اطراف سطح مشترک ماتریس و الیاف می‌شود. چنین ترک‌هایی تحت سیکل‌های حرارتی طولانی مدت، از نظر تعداد و اندازه رشد کرده که می‌تواند منجر به زوال سختی و یا زوال سایر خواص وابسته به ماتریس گردد.

همچنین مشاهده شده است که در دمای بسیار پایین، مقاومت کششی کلیه کامپوزیت‌های پلیمری در جهت الیاف، تمایل به کاهش دارد؛ اگر چه مقاومت‌های کششی در سایر جهات از جمله در جهت متعامد، افزایش می‌یابد. چنین نتایجی با سخت شدن ماتریس پلیمری در دمای پایین توجیه می‌شود. از طرفی سیکل‌های حرارتی بین دمای حداکثر و حداقل در زمان طولانی، زوال مقاومت و سختی در کلیه جهات را در پی دارد. چنین تغییراتی در ویژگی و ساختار کامپوزیت ها برای طراحی سازه‌ای در مناطق سرد، مهم تلقی می‌شوند.

تأثیر تشعشع امواج ماوراء بنفش (UV)

تأثیر نور ماوراء بنفش بر ترکیبات پلیمری کاملاً شناخته شده است. تحت تابش طولانی مدت نور خورشید، ممکن است ماتریس سخت و یا بی‌رنگ شود.  این مساله را عموماً می‌توان با بکارگیری یک پوشش مقاوم در مقابل اشعه ماوراء بنفش بر کامپوزیت، برطرف نمود. در همین ارتباط از جمله مسائل بسیار قابل توجه، زوال الیاف پلیمری مسلح کننده نظیر آرامید است. به عنوان مثال برای آرامید ساخته شده از الیاف نازک پس از پنج هفته قرار گرفتن در نور آفتاب فلوریدا، 50 درصد افت مقاومت گزارش شده است [26]. با این وجود این اثر معمولاً سطحی است؛ بنابراین در کامپوزیت‌های ضخیم‌تر، تأثیر  این زوال بر خصوصیات سازه‌ای جزئی است. در مواردی که خواص سطحی نیز مهم تلقی شوند، لازم است ملاحظاتی را جهت کاهش ترک‌خوردگی سطحی تحت اشعه خورشید، منظور نمود.

استفاده از مواد FRP به عنوان مسلح‌ کننده خارجی در سازه‌ها

به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویت سازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانه طراحی، طی دو دهه اخیر تأکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاوم‌ سازی سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. در این میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب FRP به‌عنوان مسلح‌ کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر،  این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد مرکب FRP در ابتدا به‌عنوان مواد مقاوم ‌کننده خمشی برای پل‌های بتن‌آرمه و همچنین به‌عنوان محصور ‌کننده در ستون‌های بتن آرمه مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛ اما به دنبال تلاش‌های تحقیقاتی اولیه، از اواسط دهه 1980 توسعه بسیار زیادی در زمینه استفاده از مواد FRP در مقاوم‌‌سازی سازه‌های مختلف مشاهده می‌شود؛ بطوری‌که دامنه کاربردهای آن به سازه‌هایی با مصالح بنایی، چوبی و حتی فلزی نیز گسترش یافته است. تعداد موارد کاربرد مواد FRP در مقاوم ‌سازی، تعمیر و یا بهسازی سازه‌ها از چند مورد در 10 سال پیش، به هزاران مورد در حال حاضر رسیده است. اجزاء سازه‌ای مختلفی شامل تیرها، دال‌ها، ستون‌ها، دیوارهای برشی، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌ها، گنبدها و خرپاها تا کنون توسط مصالح FRP مقاوم شده‌اند.

ضرورت کاربرد

استفاده از کامپوزیتهای FRP در بهسازی و مقاوم سازی سازه های بتن آرمه در سالهای گذشته بسیار زیاد شده است.

 که دلیل اصلی آن نیاز به افزایش عمر بهره برداری و ارتقای اساسی زیر ساختها می باشد. از ویژگی های اصلی کامپوزیت های پلیمری می توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی ، سادگی اجرا در محل نصب و سبکی آن برشمرد. عامل دیگر در گسترش کاربری مصالح FRP کاهش قیمت این مصالح می باشد. شاید یک دهه قبل استفاده از کامپوزیتهای FRP روشی لوکس و گران قیمت بنظر میرسید ولی اکنون قیمت این مصالح به مراتب تنزل نموده است.

در گذشته نه چندان دور مدارک فنی بسیار محدودی در این رابطه وجود داشت. لیکن امروزه تعداد قابل توجهی از مقالات علمی نشریات و کنفرانس های مربوط به کاربرد این مصالح در سازه اختصاص دارد. این رشد فزاینده شاهد رویکرد و اهمیت این فناوری نو می باشد به دنبال گسترش نیاز و توجه به تقویت با استفاده از مصالح کامپوزیت و به منظور کاربردی نمودن دانش فنی، روش هایی نیز تدوین گردیده است تا در بخش حرفه مورد استفاده قرار گیرند. تبیین روش های تحلیل و در نظر گرفتن ضرایب ایمنی در طراحی با ملاحظات اقتصادی منجر به تدوین دستورالعملها و آیین نامه های محاسباتی و اجرایی شده است.

که از آن جمله می توان به آئین نامه های ISIS  کانادا ، FIB  اروپا و ACI 440R   ایالات متحده اشاره کرد.

بعد از جنگ جهانی دوم از FRP در ساخت تجهیزات الکتریکی  بدلیل مقاومت کششی و فشاری بالا و قابلیت نارسایی الکتریکی بالا مورد استفاده قرار گرفت و امروزه کاربردهای مختلف آن در تولیدات خانگی چون نردبان ، کانال های تهویه و ریل ها به وضوح قابل ملاحظه است.

 بطور کلی می‌توان گفت  FRP کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف چون خودروسازی ، الکترونیک ، پزشکی ، هوا فضا و ساختمان سازی دارد.

بسیاری از سازه های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها ، کلریدها و سایر عوامل خورنده دچار آسیب های اساسی شده اند.این مسئله هزینه های زیادی را برای تعمیر ، بازسازی و یا تعویض سازه های آسیب دیده در سراسر دنیا موجب شده است.

این مسئله و عواقب آن گاهی نه تنها بعنوان یک مسئله مهندسی بلکه بعنوان یک مسئله اجتماعی جدی تلقی شده است. تعمیر و جایگزینی سازه های بتنی آسیب دیده میلیونها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در آمریکا بیش از 40 % پلها در شاهراهها نیاز به تعویض یا بازسازی دارند. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه های پارکینگ در کانادا 4 تا 6 میلیارد دلار برآورد شده است. هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در آمریکا نزدیک به 50 میلیارد دلار تخمین زده شده است. در حالیکه برای بازسازی کلیه سازه های بتن آرمه آسیب دیده در آمریکا در اثر مسئله خوردگی میلگردها پیش بینی شده که به بودجه نجومی 3-1 تریلیون دلار نیاز است .

یک سازه بتن آرمه معمولی که به میلگردهای فولادی مسلح است چنانچه به مدت طولانی در این شرایط قرار گیرد قسمتی از مقاومت خود را از دست می دهد. بعلاوه فولادی که در داخل بتن زنگ می زند ، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ریختن پوسته بتن میگردد. تاکنون تکنیکهایی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد در بتن آرمه توسعه داده شده و بکار رفته است که در این ارتباط می توان به پوشش میلگردها توسط اپوکسی ، تزریق پلیمر به سطح بتن اشاره نمود. با این وجود هر یک از این روشها تا حدودی و فقط در بعضی از زمینه ها موفق بوده اند. به همین منظور به جهت حفظ کامل خوردگی میلگردها توجه محققین و متخصصین بتن آرمه به حذف کامل فولاد و جایگزینی آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگی معطوف شده است.

در همین راستا کامپوزیت های  FRP (پلاستیک های مسلح به الیاف) از آنجا که بشدت در مقابل خوردگی مقاوم هستند موضوع  تحقیقات گسترده ای بعنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن آرمه بخصوص در سازه های ساحلی و دریایی گردیده است.

لازم بذکر است که گرچه مزیت اصلی میلگردهایی از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر کامپوزیت های FRP  نظیر مقاومت کششی بسیار زیاد  ( تا 7 برابر فولاد )، مدول الاستیسیته قابل قبول ، وزن کم ،‌ مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش ،‌عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن مجموعه ای از خواص مطلوب را تشکیل می دهد که به جذابیت کاربرد FRP در بتن آرمه افزوده اند. اگر چه بعضی از مشکلات مربوط به خم کردن آنها و نیز رفتار کاملا خطی آنها تا نقطه شکست مشکلاتی را از نظر کاربرد موجب شده اند.

FRP چیست؟
4.3 (85.45%) 11 votes
به اشتراک بگذارید:

2 دیدگاه

    • جناب آقای رئوف،
      ممنون از حسن توجه تان، حتما ترتیب اثر داده خواهد شد.
      البته بیشتر مطالب ارائه شده توسط افراد فنی شرکت افزیر بر اساس تجربیات و منابع خارجی نوشته شده اند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *