بررسی خصوصیات شیشه، بازالت و کربن در مصارف ترمیم و بهسازی

استفاده از الیاف ها در مصارف ترمیم و بهسازی

معرفی خصوصیات الیاف شیشه

الیاف شیشه پرکاربردترین الیاف تقویت کننده در تولید کامپوزیت ها می‌باشد. از مزایای اصلی این الیاف می‌توان به قیمت پایین، مقاومت کششی بالا، پایداری شیمیایی آنها و مقاومت حرارتی بالای آن اشاره نمود. همچنین  مدول الاستیسیته پایین، حساسیت اصطکاکی بالا در حین کاربرد، مقاومت نسبتا پایین به خستگی و ترد بودن از معایب این الیاف می‌باشد. الیاف شیشه از گداختن سیلیکات ها به همراه سیلیس و یا به همراه ترکیبات بازی پتاسیم، آهک و یا سایر اکسیدهای فلزی حاصل می شود.

دو نوع عمده الیاف شیشه که در صنعت تولید پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) کابرد دارند شیشه الکتریکی (E-glass) و شیشه سازه ای (S-glass) می‌باشد. دو نوع دیگر که عمومیت کمتری دارند، شیشه شیمیایی (C-glass) و شیشه مقاوم در شرایط قلیایی (AR-glass) می‌باشد. اقتصادی‌ترین و پر کاربرد‌ترین تقویت کننده‌ای که در تولید FRP مورد استفاده قرار می گیرد، الیاف شیشه از نوع E-glass است.

E-glass به دلیل مقاومت کششی بالا و قیمت ارزان، بیش از 90% از الیاف شیشه را شامل می شود. همان گونه که از نام این الیاف مشخص است، این الیاف مقاومت الکتریکی خوبی دارند. E-glass به طور خاص در صنعت رادار کاربرد دارد و همچنین در مدارهای کامپوزیتی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

S-glass بیشترین مقاومت کششی را در مقایسه با سایر الیاف شیشه دارد و در اصل به عنوان کاربرد در صنایع موشکی و هواپیمایی گسترش یافت .S-glass ساختار منیزیوم آلومینو سیلیکات دارد و تولید آن نسبت به E-glass سخت تر است و در نتیجه قیمت بالاتری دارد.

C-glass مقاومت خوبی در برابر عوامل خورنده شیمیایی دارند و در محیط های اسیدی نسبت به E-glass مقاومت بیشتری نشان می دهند. این الیاف برای پوشش سطح ورق‌هایی استفاده می‌شده که در تولید مخازن ذخیره مواد شیمیایی و مخازن نگهداری آب از آن ها استفاده می شده است.

AR-glass به طور خاص برای کاربرد در ساخت بتن گسترش یافت. این الیاف در مواردی که مقاومت بالا نسبت به محیط های خورنده قلیایی مورد نیاز باشد، مانند زیر لایه های سیمان یا تولید بتن، مورد استفاده قرار می گیرد.

معرفی الیاف بازالت در بحث ترمیم و بهسازی

بازالت ماده ای طبیعی با دمای ذوب 1500 تا 1700 درجه سانتیگراد است که در سنگ های آتشنشانی یافت می‌شود. این محصول به شکل گسترده ای در صنعت دفاعی و حمل و نقل هوایی در دوره جنگ جهانی دوم توسط ایالات متحده و اروپا و اتحاد جماهیر شوروی مورد استفاده قرار گرفت.

بهای الیاف بازالت بسته به کیفیت و نوع مواد اولیه، فرایند تولید و خصوصیات محصول نهایی متفاوت می‌باشد. خصوصیات شیمیایی و مکانیکی الیاف نیز تا حد زیادی به ترکیب و عناصر سازنده مواد اولیه وابسته بوده و تفاوت در ترکیب سازنده و عناصر، عامل تفاوت در پایداری شیمیایی و مقاومت حرارتی و بهبود یا تضعیف خصوصیات مکانیکی و فیزیکی الیاف به خصوص در بحث ترمیم و بهسازی می باشد.

به هر حال، فرایند تولید این نوع الیاف مشابه تولید الیاف شیشه است، البته با صرف انرژی کمتر و بدون استفاده از افزودنی، که تولید این فیبر را ارزان تر از الیاف شیشه و انواع الیاف کربن کرده است. این الیاف کاربرد زیادی در صنعت بافت و تولید کامپوزیت ها دارند. بعلاوه همان گونه که اشاره شد، عدم نیاز  به افزودنی برای تولید فیبر ها مزیت دیگریست که در هزینه تمام شده تولید موثر است.

با افزایش کاربرد بازالت در صنایع مختلف این سوال مطرح می شود که الیاف بازالت از نظر ایمنی چه خصوصیاتی را داراست. گرچه الیاف بازالت و آزبست دارای ترکیبات مشابه هستند، اما به دلیل تفاوت های ریخت شناسی و تفاوت در ویژگی های سطح، هیچ یک از خصوصیات سرطان زا بودن و سمی بودن الیاف بازالت را ندارد_. تحقیقات توسط آقای مک کانل و همکاران او انجام گرفت که عدم خطر آفرین بودن الیاف بازالت را برای انسان نتیجه می دادند.

توجه به نتایج فوق لوزم انتخاب الیاف مناسب به عنوان الیاف جایگزین آزبست را یاد آور می شود. الیافی با قطر کوچکتر از 5.1 میکرومتر و با طولی بزرگتر از 8 میکرو متر می توانند برای انتخاب به عنوان جایگزین آزبست بررسی شوند.

به هر حال الیاف بازالت مزایای زیادی دارند که این الیاف را به رقیبی برای الیاف شیشه در استفاده به عنوان الیاف تقویت کننده در کامپوزیت هایی تبدیل کرده است که در صنایع مختلف دریایی، خودرو سازی، حمل و نقل، وسایل ورزشی، عمرانی و … کاربرد فراوان دارند. به طور خاص، الیاف بازالت از نظر مکانیکی خواصی مشابه به الیاف شیشه دارند.

الیاف بازالت غیر قابل اشتعال هستند، پایداری شیمیایی بالایی دارند و مقاومت خوب در برابر شرایط آب و هوائی مختلف و محیط های اسیدی و بازی از ویژگی های این الیاف است. همچنین، الیاف بازالت را می‌توان در دماهای بسیار پایین(یعنی حدود 200- درجه سانتی گراد) تا دماهای نسبتا بالا (یعنی در حدود 600-800 درجه سانتی گراد) به کار برد.

ساختار مواد اولیه و وجود مقدار زیاد حفره های بسیار ریز با ابعاد میکرو متری که عامل پایداری حرارتی الیاف بازالت و مانعی برای انتقال گرما و تابش حرارتی محیط است، دلیلی است بر اندیشیدن به ایده‌ی کاربرد این الیاف در عایق های حرارتی و تجهیزات محافظت از آتش.

الیاف بازالت مقاومت بسیار خوبی در محیط قلیایی از خود نشان می دهند ولی در محیط های بازی مقاومت پایینی دارند. خواص مکانیکی الیاف بازالت نسبت به الیاف شیشه بعد از قرار گرفتن در محیط خورنده اسیدی، ثابت شده است. در شرایط خورنده‌ی یکسان خورندگی الیاف بازالت کمتر از الیاف شیشه است و می توان به این نتیجه رسید که در محیط خورنده الیاف بازالت می تواند جایگزین خوبی باشد. به هر حال دیگر پژوهش گران نشان دادند که الیاف بازالت در محیط های اسیدی نسبت به محیط های بازی مقاومت بهتری از خود نشان می دهند.

نمودار تست کشش برای الیاف شیشه از نوع E-glass و الیاف کوتاه بازالت (SB) و الیاف پیوسته بازالت در سه نمونه  (CB1، CB2، CB3) در تصویر (1) نشان داده شده است. رفتار تمامی الیاف به صورت صلب و بدون تغییر شکل پلاستیک است. مدول کششی و مقاومت الیاف پیوسته بازالت و تا حدودی مشابه است، در حالی که الیاف کوتاه بازالت به طور قابل توجهی سختی کمتری دارند.

                                                 تصویر (1) مقایسه نمودار تنش-کرنش برای سه نمونه الیاف بازالت و الیاف شیشه

معرفی الیاف کربن در مصارف ترمیم سازه و بهسازی

الیاف کربن در گذشته به الیاف با حداقل 92% وزنی کربن گفته می شده که در تولید آن ها از مواد پلیمری به عنوان پیش ماده استفاده می‌شده است. امروزه الیاف کربن متشکل از حدود 100% وزنی اتم کربن تولید شده است که تنها شامل آلوتروپ های کربن شامل نانو لوله های کربن و گرافن می‌باشد. همچنین الیاف کربن می تواند از نانو الیاف کربن تولید شوند. پس به عنوان تعریف جدید، این تعریف که الیاف کربن به الیاف با حداقل 92% وزنی اتم‌های کربن گفته شده که که در تولید آن از پلیمرها یا ساختارهای آلوتروپ کربن استفاده می شود می‌تواند مناسب تر باشد.

مقاومت بالای تا GP 7، خزش پایی، دانسیته پایین (در حدود g/cm 2 – 1/75) و مدول الاستیسیته بالا تا GP 900 ، از ویژگی های مناسب این الیاف می باشد. بجز مقاومت پایین در برابر عوامل اکسید کننده مانند هوای داغ و آتش، این الیاف مقاومت خوبی نسبت به سایر عوامل مخرب شیمیایی دارند.

به دلیل خواص مکانیکی مناسب، این الیاف و کاربرد آنها در صنایع مختلف از جمله صنایع تولید کامپوزیت مورد توجه قرار گرفته است. صنعت تولید الیاف کربن به طور گسترده به منظور کاربردهای نظامی، هوافضا، ساخت و ساز و همچنینن به منظور تولید  تجهیزات پزشکی و ورزشی گسترش یافته است. طی سال‌های اخیر تقاضا برای خرید پارچه کربن و الیاف کربن بیشتر شده است. همچنین کاربرد آنها در خودروسازی و حوضه دستگاه های کاربردی در صنعت تولید انرژی از طریق باد، دو برابر شده است. برای آشنایی بیشتر با سایر کاربردهای الیاف کربن در صنعت مطالعه مقاله “کاربرد های شگفت انگیز الیاف کربن CFRP در صنعت کامپوزیت” را پیشنهاد می کنیم.

با این وجود برای تولید بیشتر و کاربردی تر شده این الیاف لازم است قیمت این الیاف تا حد زیادی کاهش یابد. به این منظور می توان از پلیمر های زیستی که به صورت عمده از منابع آن ها مانند گیاهان دارای سلولوز یا لیگنین قابل دسترسی است، استفاده نمود. با این وجود در حال حاضر ماده اولیه عمده تولیدات صنعتی الیاف کربن را پلیمری به نام پلی اکریلونیتریل تشکیل داده است و به نسبت محدودتری هم از قیر به عنوان ماده اولیه در تولید الیاف کربن استفاده می شود. طی فرایند تولید؛ الیاف کربن تولیدی مدول و مقاومت بیشتری پیدا می کنند. خواص الیاف تولید شده به عوامل مختلفی مانند ساختار کریستالی، جهت گیری مولکولی و عیب و نقص های الیاف بستگی دارد. بر روی سطح الیاف کربن معمولا به جهت چسبندگی مناسب با ماتریس های کامپوزیتی، عملیات حرارتی انجام می شود.

مقایسه خصوصیات الیاف و نتیجه گیری

تصویر شماره 2 مقایسه‌ای بین قیمت انواع متداول الیاف شیشه، بازالت و الیاف کربن را ارائه می دهند که نشان دهنده این مساله است که الیاف E-glass ارزان ترین نوع الیاف تقویت کننده است و الیاف کربن بیشترین بها را دارند.

تصویر (2) حدود قیمت الیاف مختلف بر حسب هزار تومان در ترمیم و بهسازی

در جدول شماره (4) ویژگی های مکانیکی الیاف مقایسه شده است.

این جدول نشان می دهند که الیاف کربن مدول الاستیسییته بسیار بیشتری نسبت به دو نوع دیگر دارند و به همین دلیل الیاف کربن در کاربردهای مختلف به ویژه ترمیم و بهسازی که نیاز به مدول زیاد و تغییر شکل کم می باشد، کاربرد دارد و شاید بتوان مدول زیاد را عامل اصلی ارجحیت الیاف کربن نسبت به الیاف شیشه در کاربردهای خاص دانست. از نظر مقاومت کششی نیز همان گونه که مشاهده می شود الیاف بازالت بیشترین مقاومت کششی و الیاف  کمترین مقاومت را دارند. با توجه به مطالب فوق هر سه نوع الیاف مورد بررسی دارای مزیت ها و معایب خاص خود می باشند که با توجه به نوع کاربرد، محیط و پلیمر مورد استفاده به عنوان ماتریس در FRP، باید از الیاف خاص بهره گرفت. برای آشنایی با مقاومت الیاف کربن به شما پیشنهاد می دهیم که به مطالعه “فیبر کربن CFRP” بپردازید. مقاومت شیمیایی، خصوصیات مکانیکی شامل مدول کششی، مقاومت کششی و مقاومت در برابر خستگی و اصطکاک، صرفه اقتصادی و در دسترس بودن منابع اولیه لازم برای تولید این الیاف، از جمله موارد مهمی هستند که لازم است در کاربرد این الیاف، ترمیم و بهسازی و مقاوم سازی با FRP مورد توجه قرار گیرند. داشتن دید همه جانبه در تولید و کاربرد به انتخاب بهتر، مدیریت بهتر و کاهش هزینه ها بسیار کمک کننده است. به عنوان مثال به دلیل کم تر بودن نسبت مدول الاستیسیته به قیمت در الیاف کربن شاید در مواردی به جهت کنترل خیز از سه برابر الیاف شیشه بهره گرفتن به صرفه تر از استفاده از  الیاف کربن و به تبع آن استفاده از رزین مقاوم تر و گران تر باشد.

منابع

بررسی خصوصیات الیاف شیشه، بازالت و کربن به عنوان الیاف تقویت کننده در تولید پلیمر های تقویت شده با الیاف (FRP)؛ داوود قانع ، دومین کنفرانس مهندسی عمران، معماری و مدیریت بحران، خرداد ماه 1396.

2112. Won, Y. Yoon, B. Hong, T. Choi, and S. Lee, “Durability characteristics of nanoGFRP composite reinforcing bars for concrete structures in moist and alkaline environments,” Compos. Struct., vol. 94, no. 3, pp. 1236–1242, 2112.
2113. Balaguru, A. Nanni, and J. Giancaspro, Frp composites for reinforced and prestressed concrete structures: A guide to fundamentals and design for repair and retrofit. CRC Press, 2118.