آشنایی با انواع الیاف FRP

FRP چیست؟

پانل‌های تقویت شده با فایبرگلاس یا پلاستیک تقویت شده با الیاف که بیشتر با اختصار FRP شناخته می‌شود، یک ماده کامپوزیتی است که از پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن تشکیل شده است. محصولات پلیمری تقویت شده با الیاف عمدتا در صنایع هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند. با این حال؛ سازگاری و عملکرد FRP ها در پروژه های مهندسی عمران پتانسیل قابل توجهی را از خود به نمایش گذاشته‌اند. ویژگی‌های بی نظیری همچون مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بسیار زیاد، مواد FRP را به جایگزینی باورنکردنی برای مواد تقویت‌کننده معمولی تبدیل نموده‌اند. ویژگی‌های منحصر به فرد مصالح FRP، دست به دست هم داده و استفاده از آن را در طیف گسترده‌اییی از کاربردها؛ هم در زمینه بازسازی سازه های بتنی موجود و هم در حوزه ساخت سازه های جدید رواج داده‌اند. FRP را در صنایع عمرانی، هوافضا و خودروسازی، برای کاربردهایی که نیازمند نسبت استحکام به وزن و استحکام بالایی هستند، مورد استفاده قرار می‌دهند. این ماده که بسیار سبک و با دوام است، درست برخلاف مصالح ساختمانی سنتی؛ تعادل کاملی بین مقرون به صرفه بودن، دوام و سفارشی‌سازی فراهم می‌کند. اخیراً دیده شده است که پای FRP به شکل پانل‌های سقفی و دیواری تقویت شده با فایبرگلاس (FRP) به صنعت ساخت و ساز باز شده است!

آشنایی با پلیمرهای تقویت شده با الیاف

پلیمرهای تقویت شده با الیاف یا همان FRP را تحت عناوینی مختلفی می‌شناسند. اف آر پی ها با در نظر گرفتن بازار و موقعیت جغرافیایی در سراسر دنیا با نام‌های دیگری نیز شناخته می شوند. برخی از این عناوین عبارتند از:

• کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف یا به اختصار FRC
• پلاستیک‌های تقویت شده با شیشه یا به اختصار GRP
• کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری یا به اختصار PMC

کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف، یک ماتریس پلیمری (پلاستیکی) اعم از ترموست یا ترموپلاستیک هستند. ماتریس‌های پلیمری را با یک فیبر یا سایر مواد تقویت کننده به نسبت ابعاد کافی (طول به ضخامت) ترکیب می‌کنند تا عملکرد تقویت کننده مناسب را در یک یا چند جهت ارائه دهند.

چهار عنصر اصلی پلیمرهای تقویت شده با الیاف عبارتند از:

• رزین‌ها
• تقویت‌کننده‌ها؛ الیاف و فرم‌ها
• پر کننده‌ها
• افزودنی‌ها و اصلاح کننده‌ها

اگر فکر می‌کنید اهمیت برخی از انواع مواد موجود در ساختار FRP بیشتر از بقیه آن‌ها است، باید بگوییم که این نظریه کاملا اشتباه است.چرا که همه این مواد به یک اندازه حائز اهمیت بوده و نقش موثری در تعیین خواص محصولات نهایی FRP ایفا می‌کنند. برای درک بهتر موضوع، رزین را به عنوان چسب یا عامل اتصال در نظر بگیرید. علاوه بر این، وظیفه تامین استحکام مکانیکی FRP نیز بر عهده الیاف‌ها است.

کاربرد FRP

کامپوزیت‌ها، به دلیل فرمولاسیون منحصر به فردی که دارند، از پتانسیل پایداری ابعادی ذاتی استثنایی برخوردار می‌باشند. گفتنی است که کامپوزیت‌ها قابل تنظیم هستند. از همین رو، می‌توان آن‌ها را به گونه ای طراحی نمود که مزایای خواص ساختاریشان به حداکثر برسد. آن‌ها اغلب گزینه منتخب مهندسان برای برنامه‌های نیازمند پایداری ابعادی دقیق در شرایط مختلف هستند. کامپوزیت‌ها را به وفور در صنایع کوچک و بزرگ مورد استفاده قرار می‌دهند. از جمله مهم‌ترین این صنایع، می‌توان به هواپیما، فضاپیما، خودرو، واگن ریلی، تجهیزات ورزشی، موشک، دستگاه های تولید انرژی نظیر برج های خنک کننده و توربین‌های بادی اشاره کرد.

پلیمرهای تقویت شده با الیاف به طور چشمگیری در ساخت سازه های خاصی که نیاز به خنثی شدن الکتریکی دارند، استفاده می شوند. اما کاربرد FRP در ساخت و ساز و برنامه‌های مقاوم سازی لرزه‌ایی انواع سازه‌ها، نسبت به دیگر کاربردهای آن، به طور گسترده‌تری قابل مشاهده است. اف آر پی های کربنی را عمدتا در بتن پیش تنیده برای کاربردهایی که مقاومت بالا در برابر خوردگی و شفافیت الکترومغناطیسی در آن ها حائز اهمیت است، مورد استفاده قرار می‌دهند. به کارگیری کامپوزیت‌های CFRP در لوله کشی زیر آب و بخش‌های ساختاری سکوهای دریایی رایج می‌باشد. درواقع، پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن را به منظور ساخت لوله‌های زیر آب در عمق زیاد مورد استفاده قرار می‌دهند. چرا که این پلیمرها از چگالی کمی برخوردار بوده و از همین رو موجب افزایش قابل توجه شناوری در مقایسه با فولاد می‌شوند.علاوه بر این، انواع محصولات پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) نقش قابل توجهی در کاهش خطر آتش سوزی دارد. بدین منظور، استفاده از آن در کاربردهای در معرض حرارت و آتش، بسیار موثر است.

شاید برایتان جالب باشد بدانید که استفاده از کامپوزیت در ساخت راه پله‌ها و راهروها نیز بسیار متداول است. این موضوع از وزن ناچیز و مقاومت بی‌نظیر کامپوزیت‌ها در برابر عوامل خورنده ناشی می‌شود. استفاده از این محصولات در ساخت سازه‌های هیبریدی با کارایی بالا نیز به چشم می‌خورد. میلگردهای FRP را به عنوان تقویت کننده داخلی در سازه‌های بتنی به کار می‌برند.میله‌ها، ورق‌ها و نوارهای FRP را به منظور تقویت سازه‌های ساخته شده از بتن، الوار و حتی فولاد مورد استفاده قرار می‌دهند.

مزایای کلیدی استفاده از FRP

شما با استفاده از الیاف FRP، مزایای گوناگونی را برای پروژه‌های خود به ارمغان می‌آورید. برای مثال، آن‌ها بسیار سبک و خیلی قوی، هستند. اف آر پی‌ها بسیار با دوام بوده و مقاومت بی نظیری در برابر شرایط آب و هوایی مختلف، خوردگی و ساییدگی از خود به نمایش می‌گذارند. ماندگاری طولانی مدت و هزینه مقرون به صرفه از دیگر مزایایی است که اف آر پی‌ها از آن برخوردارند. از دیگر مزیت‌های آن، می‌توان به موارد زیر اشاره نمود :

• سرعت مقاوم‌سازی با انواع FRP بسیار بالا است.
• برای مقام سازی با انواع FRP نیازی به تجهیزات کارگاهی پیشرفته ندارید.
• مقاوم سازی با انواع FRP نیازی به تمدید، نگهداری و حفاظت آنچنانی ندارد.
• میزان خوردگی در مقاوم سازی با انواع FRP تقریبا صفر است.
• در مقاوم سازی با انواع FRP هیچ احتیاجی به توقف کاربری سازه نبوده و اعضای مقاوم سازی شده بلافاصله پس از اتمام کار قابل سرویس دهی هستند.

معرفی و بررسی انواع FRP بر اساس مواد شیمیایی

اف آر پی را بر اساس نوع الیاف استفاده شده در ساختار آن به چهار دسته کلی تقسیم می‌کنند. در ادامه هر یک از انواع FRP را معرفی و به اختصار مورد بررسی قرار می دهیم.

پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن CFRP

پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) یکی از سرشناس ترین انواع FRP هستند. الیاف کربن دارای مدول الاستیسیته بسیار بالایی می‌باشند. ازدیاد طول نهایی این الیاف % 5/2- 3/0 است. هرچه کشیدگی کمتر باشد، میزان سفتی الیاف بیشتر و هرچه کشیدگی بیشتر باشد، میزان سفتی الیاف کمتر است! برای آشنایی بیشتر با الیاف کربن و مزایای آن، مقاله ” الیاف کربن از صنایع فضایی تا صنعت ساخت و ساز ” می‌تواند اطلاعات مفیدی را ارائه دهد.

الیاف کربن آب را جذب نمی‌کنند و در برابر بسیاری از محلول‌های شیمیایی مقاوم هستند. مقاومت مثال زدنی کربن در برابر خوردگی و نیز مقاومت بی نظیر آن در برابر لرزش و خستگی بالا آن را به گزینه ای ایده آل برای استفاده در مقاوم سازی سازه تبدیل نموده است. انواع مختلف محصولات CFRP، به شرح زیر است :

نوار CFRP : نوارهای CFRP را عمدتا به منظور خوردگی، بازسازی و تقویت ستون‌های بتنی استفاده می‌کنند. این نوارها را به منظور بهره برداری در پایه دیوارها اجرا می‌کنند. لازم به ذکر است که نوارهای مذکور موجب افزایش ممان خمشی دیوارهای برشی می‌شوند. مطالعه مقاله ” بررسی اثرات FRP روی رفتار ستون بتن آرمه ” به منظور شناخت رفتار تقویت کننده‌های FRP، پیشنهاد می‌گردد.

لمینت CFRP : لمینت‌های CFRP انتقال حرارت کمی دارند. از همین رو موادی مناسب برای مقاوم سازی پل‌ها و ساختمان‌ها محسوب می‌شوند.

میلگردهای CFRP : گفتنی است که میلگردهای FRP از کربن یا شیشه ساخته می شوند. این میلگردها را غالبا در ساخت سازه های جدید و همچنین مقاوم سازی سازه ها مورد استفاده قرار می دهند. میلگرد کربنی نسبت یه میلگرد شیشه، به مراتب مشخصات مکانیکی بهتری را ارائه می‌دهند.

پوشش CFRP : پوشش‌های CFRP برای کنترل خوردگی و بازسازی ستون‌های بتن مسلح و نیز ساخت سازه های مقاوم در برابر زلزله مورد استفاده قرار می گیرند. به طور کلی، سیستم FRP، راهکاری مقرون به صرفه برای مقابله با کابوس زلزله است.

پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه GFRP

پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه یکی دیگر از انواع مصالح FRP هستند. از ترکیب چند ماده مختلف نظیر سنگ آهک، ماسه سیلیس، فولیک اسید و مواد جزئی، الیاف شیشه به دست می‍آید.

مخلوط مواد فوق الذکر در دمای 1260 درجه سانتی‌گراد، از حالت جامد به حالت مایع در آمده و ذوب می‌شوند. پس از طی این فرآیند به شیشه مذاب اجازه داده می‌شود که از طریق سوراخ‌های ریز در یک صفحه پلاتین جریان یابد. سپس آن را سرد می‌کنند و م‌ کشند تا بدین ترتیب مقاومت آن در جهت مستقیم زیاد شود. در نهایت الیاف را در بافت‌های تک جهته، دو جهته و چند جهته در گراماژ مختلف و مقاومت‌های گوناگون می‌بافند و در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌دهند.

وجود ترکیب بوروسیلیکات آهک آلومینیومی در ساختار الیاف تولید شده شیشه، موجب بروز خواص عایق الکتریکی بالا، حساسیت کم به رطوبت و خواص مکانیکی بالا در آن‌ها شده است. از همین رو الیاف شیشه را عمدتا به عنوان تقویت کننده غالب کامپوزیت‌های زمینه پلیمری (FRP) مورد استفاده قرار می‌دهند. شیشه به طور کلی فیبر مقاوم در برابر ضربه است، اما وزن آن بیشتر از کربن یا آرامید است. ویژگی‌های الیاف شیشه عالی و بهتر یا برابر با ویژگی های فولاد می باشد.

انواع مختلف الیاف شیشه

در ساخت الیاف شیشه از مواد خام گوناگونی با نسبت‌های خاص بهره گرفته می شود. بر همین اساس این الیاف را به 4 دسته کلی زیر تقسیم بندی می کنند:

الیاف شیشه نوع A : این نوع الیاف شیشه، سرشار از مواد قلیایی بوده و از مقاومت بی‌نظیری در برابر مواد شیمیایی برخوردار است. ترکیبات این شیشه به گونه‌ای است که می‌توان گفت بسیار نزدیک به شیشه پنجره است! در برخی از نقاط جهان الیاف شیشه نوع A را در زمینه ساخت تجهیزات فرآیندی مورد استفاده قرار می‌دهند.

الیاف شیشه نوع C : الیاف شیشه نوع C که تحت عنوان شیشه شیمیایی نیز شناخته می‌شوند، از مقاومت بسیار خوبی در برابر ضربه های شیمیایی بهره‌مند هستند.

الیاف شیشه نوع E : الیاف شیشه نوع E را با نام شیشه برق نیز می‌شناسند. این نوع الیاف شیشه عایق بسیار خوبی برای الکتریسیته محسوب می‌شوند.

الیاف شیشه از نوع AR : این نوع الیاف شیشه از مقاومت بی نظیری در برابر مواد قلیایی برخوردار هستند. الیاف شیشه نوع AR، پرکاربردترین و قدرتمند‌ترین نسل الیاف شیشه است.

الیاف شیشه نوع S : الیاف شیشه نوع S از جمله مقاوم‌ترین انواع الیاف شیشه هستند که تحت عنوان شیشه ساختاری شناخته شده و به دلیل خواص مکانیکی بی نظیرشان بسیار سرشناس هستند!

الیاف شیشه و پشم شیشه یکی نیستند!

شاید با خودتان چنین بیندیشید که منظور از الیاف شیشه همان پشم شیشه است. اما در حقیقت چنین نیست! اگر با دقت به تارهای پشم شیشه نگاه کرده باشید، حتما متوجه یکنواخت نبودن قطر و محدود بودن طول آن ها شده‌اید. نحوه سرد شدن شیشه مذاب در تولید پشم شیشه متفاوت بوده و از همین رو ساختار پشم شیشه بسیار شکننده می‌باشد. یکی دیگر از مهم‌ترین تفاوت‌های پشم شیشه و الیاف شیشه کاربرد آن‌ها است. همان طور که می‌دانید؛ استفاده از الیاف شیشه در افزایش مقاومت کششی و مقاوم سازی کامپوزیت‌ها رایج می‌باشد. این در حالی است که پشم شیشه را به عنوان یک عایق حرارتی، موثر مورد استفاده قرار می‌دهند.

پلیمرهای تقویت شده با الیاف آرامید AFRP

آرامید شکل کوتاه پلی آمید معطر بوده و علامت تجاری شناخته شده آن کولار می‌باشد. مدل الیاف آرامید 200-70 و کشیدگی نهایی آن با در نظر گرفتن کیفیتش % 5.1-5 است. برخورداری آرامید از انرژی شکستگی بالا، آن را به  گزینه‌ای ایده آل برای  استفاده در ساخت کلاه ایمنی و لباس‌های ضد گلوله تبدیل نموده است. شاید برایتان جالب باشد بدانید که الیاف آرامید به دماهای بالا، رطوبت و اشعه ماوراء بنفش حساس هستند. همین موضوع سبب شده است که امکان استفاده گسترده از آن ها در کاربردهای مهندسی عمران میسر نباشد.

پلیمرهای تقویت شده با الیاف بازالت BFRP

بازالت سنگی بسیار سخت و آتشفشانی است که حاوی 52 درصد سیلیس می‌باشد. چون میزان سیلیس موجود در این سنگ در مقایسه با سایر سنگ‌ها کمتر است، آن را به عنوان یک سنگ قلیایی می‌شناسند. الیاف بازالت، از ذوب سنگ‌های بازالت طبیعی آتشفشانی پرس شده و خرد شده در دمای نزدیک به 1400 درجه سانتی گراد تولید می‌شوند. این سنگ‌ها تا مرحله مذاب گرم شده و تبدیل به الیاف بازالت می‌شوند. سپس، با رزین‎های اپوکسی مخلوط شده و قالب گیری می‌شوند.میلگرد پلیمری تقویت شده با الیاف بازالت (BFRP) فناوری جدیدی است که نوید دهنده اتفاقات خوبی در صنعت ساختمان است.