خواص کامپوزیت های FRP به عنوان یک جایگزین خوب آرماتور های فولادی در بتن
بر طبق گزارش اداره فدرال بزرگراه های آمریکا هنگام بررسی پلها از نظر سازه ای به دلیل پوشش کم بتن ، طراحی ضیعف ، عدم مهارت کافی هنگام اجرا و سایر عوامل همانند شرایط آب و هوایی سبب ایجاد ترک در بتن و خوردگی آرماتور های فولادی شده است.
پس از سالها مطالعه بر روی خوردگی ، FRP به عنوان یک جایگزین خوب آرماتور های فولادی در بتن پیشنهاد شده اند.
سه نوع میلگرد ( AFRP) , ( CFRP ) , ( GFRP ) از انواع تجاری آن هستند که در صنعت ساختمان کاربرد دارند.
از این مواد به جای آرماتور های فولادی یا کابلهای پیش تنیده در سازه های بتنی پیش تنیده و یا غیر پیش تنیده استفاده می شود. مواد FRP موادی غیر فلزی و مقاوم در برابر خوردگی است که در کنار خواص مهم دیگری همانند مقاومت کششی زیاد آنها را برای استفاده بعنوان آرماتور مناسب می کند.
از آنجایی که FRP ها مصالحی ناهمسانگرد هستند نوع و مقدار فیبرورزین مورد استفاده ، سازگاری فیبر و کنترل کیفیت لازم هنگام ساخت آن نقش اصلی را در بهبود خواص مکانیکی آن دارد.
به طور کلی مزایای آن به صورت زیر دسته بندی می شود:
1-مقاومت کششی بیشتر از فولاد
2- یک چهارم وزن آرماتور فولادی
3- عدم تاثیر در میدانهای مغناطیسی و فرکانس های رادیویی ، برای مثال تاثیر روط دستگاه های بیمارستانی
4- عدم هدایت الکتریکی و حرارتی
لذا به دلیل مزایای بالا به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه های دریایی ، سازه پارکیمگ ها ، عرشه های پل ها، ساخت بزرگراه هایی که بطور زیادی تحت تاثیر عوامل محیطی هستند و در نهایت سازه هایی که در برابر خوردگی و میدانهای مغناطیسی حساسیت زیادی دارند پیشنهاد می کند.
دلیل عمدة استفادة از میلگردهای FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدیدة خوردگی و افزایش میرایی ارتعاشات ایجاد شده در سازه در برابر ارتعاش میباشد. هر چند که استفاده از میلگردهای FRP به جای نمونههای فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این میلگردها، مساله کاهش وزن اهمیت ناچیزی نسبت به دو مورد بیانشده دارد. دلیل بالا بودن ضریب میرایی کامپوزیتها، خواص غیرکشسان آنهاست که انرژی جذب شده را میرا میکنند. در حالی که مواد فلزی حالت کشسان داشته و انرژی جذب شده را میرا نمینمایند. بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزهها خواهند بود.
بکارگیری میلگردهای FRP به جای فلزی، بهطور قابل ملاحظهای از زیانهای ناشی از بروز خوردگی جلوگیری میکند. ظهور تخریب ناشی از پدیدة خوردگی در بتن مسلحشده با میلگرد فلزی بدین گونه است که نخست میلههای فلزی داخل بتن دچار زنگزدگی شده و اکسید میشوند. سپس این اکسیدها به سمت سطح بیرونی بتن شروع به مهاجرت کرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بین رفتن آن میشوند. بدین ترتیب با خوردهشدن دو جزء فلزی و بتنی سازه، زمینة تخریب کامل سازة بتنی فراهم میگردد. روشهای سنتی گذشته مانند چسباندن صفحات فلزی بر روی سازه یا اضافه کردن ضخامت بتن جهت مقابله با پدیدة خوردگی ضمن آنکه مشکل خوردگی فلز را مرتفع نخواهد نمود، سبب افزایش وزن سازه و آسیبپذیرترشدن آن در برابر زلزله نیز خواهد شد. جهت جلوگیری از این امر میتوان با تقویت سطح خارجی سازة بتنی توسط مواد مرکب و استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، هم مشکل خوردگی فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوی مختل شدن کارایی سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت که این بهترین روش مقابله با پدیدة خوردگی در یک سازة بتنی میباشد.
کشور ما نیاز بسیار گستردهای به استفاده از کامپوزیتها در قالب آرماتورهای کامپوزیتی دارد. هماکنون بسیاری از سازههای بنا شده در محیطهای خورندة مناطق مختلف کشور همچون پلهای دریاچة ارومیه و یا ساختمانهای جنوب کشور دچار معضل خوردگی هستند که استفاده از کامپوزیتها میتواند پاسخگوی مشکل این قبیل سازهها باشد.
سوال: تکنولوژی تولید آرماتورهای کامپوزیتی چیست و لزوم توجه به آن را چگونه ارزیابی میکنید؟ دکتر شکریه: میلگردهای FRP به روش پالتروژن ساخته میشوند. در این روش دستهای از الیاف پس از آغشتهشدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را بهوجود 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 نمونة مشابه آهنی دارد لیکن مقاومت خوب آن در مصارف خاص ضدخوردگی و زلزله و عمر بالای آن میتواند توجیهگر قیمت اولیة 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.
متأسفانه در کشور ما به دلیل عدم شناخت این تکنولوژی، تقریباً هیچگونه حرکت قابل توجهی به سمت بهرهگیری و انتقال آن صورت نپذیرفته است. در گوشهوکنار تلاشهایی از سوی بعضی از کارخانجات و صنایع علاقهمند جهت ساخت دستگاه پالتروژن در کشور انجام گرفته است، اما هنوز تا رسیدن به یک محصول قابل قبول از نظر خواص مناسب و ساختار مکانیکی همگن فاصلة زیادی وجود دارد. این دستگاه ساختار بسیار پیچیدهای ندارد و میتوان در صورت نیاز از طریق ارتباط با کشورهای خارجی اقدام به انتقال تکنولوژی آن به کشور نمود. نوع غربی آن حدود 350 تا 400 هزار دلار قیمت دارد و نوع روسی و چینی آن با قیمت ارزانتر، تقریباً با نصف این هزینه قابل تهیه میباشند. عدم توجه به این تکنولوژی میتواند موجب عقبافتادگی صنایع کشور در بهرهگیری از عرصة گستردة کامپوزیتها گردد.
تکنیک مقاوم سازی ستون های مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت های FRP به طور گسترده ای به جای پوشش نمودن به وسیله فولاد مورد کاربرد قرار گرفته است.در مقایسه با استفاده از تنگ ها و مارپیچ فولادی .تکنیک محصور سازی با استفاده از FRP قابلیت این را دارد که محصور شدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تامین کنند.همچنین این موارد دارای خواص ذاتی مطلوبی (نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترو مغناطیسی)هستند.به گونه ای که می توان در مقاوم سازی یا بازسازی اعضای بتنی به طور موفقیت امیزی از آنها بهره گرفت.رفتار FRP را نمی توان مانند پوشش فولاد (خاموت)در نظر گرفت.زیرا یک ماده الاستوپلاستیک است در حالی که الیاف FRP کاملا الاستیک می باشد.
FRP نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. که به دو شکل ورق های FRP و میلگردهای FRP وجود دارد.
نقش اصلی ماتریس عبارت است از :
1-انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور
2- محافظت از فیبر در شرایط محیطی
3- جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف
4- کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار
به طور کلیFRP ها بر اساس فیبر تشکیل دهنده ی آنها به چند دسته زیر تقسیم می شوند.
1- CFRP با الیافی از جنس کربن
2-GFRP با الیافی از جنس شیشه
3- AFRP با الیافی از جنس آرامید
مزایای استفاده از FRP :
1- وزن کم (چگالی آن در حدود 20% فولاد است .)
2- مقاومت در برابر خورندگی
3- نفوذناپذیری مغناطیسی
4- امکان تقویت به صورت خارجی
5- حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم
