فرمت فایل: ورد –Word و قابل ویرایش

تعداد صفحات: 44

مواد FRP از دو جزء اساسي تشكيل مي‌شوند؛ فايبر (الياف) و رزين (مادة چسباننده). فايبرها كه اصولاً الاستيك، ترد و بسيار مقاوم هستند، جزء اصلي باربر در مادة FRP محسوب مي‌شوند. بسته به نوع فايبر، قطر آن در محدودة 5 تا 25 ميكرون مي‌باشد [11].

رزين اصولاً به عنوان يك محيط چسباننده عمل مي‌كند، كه فايبرها را در كنار يكديگر نگاه مي‌دارد. با اين وجود، ماتريس‌هاي با مقاومت كم به صورت چشمگير بر خواص مكانيكي كامپوزيت نظير مدول الاستيسيته و مقاومت نهايي آن اثر نمي‌گذارند. ماتريس (رزين) را مي‌توان از مخلوط‌هاي ترموست و يا ترموپلاستيك انتخاب كرد. ماتريس‌هاي ترموست با اعمال حرارت سخت شده و ديگر به حالت مايع يا روان در نمي‌آيند؛ در حاليكه رزين‌هاي ترموپلاستيك را مي‌توان با اعمال حرارت، مايع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزين‌هاي ترموست مي‌توان از پلي‌استر، وينيل‌استر و اپوكسي، و به عنوان رزين‌هاي ترموپلاستيك از پلي‌وينيل كلريد (PVC)، پلي‌اتيلن و پلي پروپيلن (PP)، نام برد [3].

فايبر ممكن است از شيشه، كربن، آراميد و يا وينيلون باشد كه در اينصورت محصولات كامپوزيت مربوطه به ترتيب به نامهاي GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته مي‌شود. در ادامه شرح مختصري از بعضي از فايبرهاي متداول ارائه خواهد شد.

3-1- الياف شيشه

فايبرهاي شيشه در چهار دسته طبقه‌بندي مي‌شوند [10]؛

1 –E-Glass: متداول ترين الياف شيشه در بازار با محتواي قليايي كم، كه در صنعت ساختمان به كار مي‌رود، (با مدول الاستيسيتة ، مقاومت نهايي ، و كرنش نهايي ).

2 –Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حملة قليائيها، كه در توليد بتن اليافي به كار گرفته مي‌شود.

3 –A-Glass: با مقادير زياد قليايي كه امروزه تقريباً از رده خارج شده است.

4 –S-Glass: كه در تكنولوژي هوا-فضا و تحقيقات فضايي به كار گرفته مي‌شود و مقاومت و مدول الاستيسيتة بسيار بالايي دارد، ( و ).

3-2- الياف كربن

الياف كربن در دو دسته طبقه‌بندي مي‌شوند؛

1- الياف كربني از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تيپ I كه تردترين آنها با بالاترين مدول الاستيسيته محسوب مي‌شود.( و ). تيپ II كه مقاوم‌ترين الياف كربن است ( و )؛ و نهايتاً تيپ III كه نرمترين نوع الياف كربني با مقاومتي بين تيپ ‌I و IIمي‌باشد.

2 – الياف با اساس قيري(Pitch-based) كه اساساً از تقطير زغال سنگ بدست مي‌آيند. اين الياف از اليافPAN ارزان‌تر بوده و مقاومت و مدول الاستيسيتة كمتري نسبت به آنها دارند ( و ).

لازم به ذكر است كه الياف كربن مقاومت بسيار خوبي در مقابل محيط‌هاي قليايي و اسيدي داشته و در شرايط سخت محيطي از نظر شيميايي كاملاً پايدار هستند.

3-3- الياف آراميد

آراميد،يك كلمة اختصاري از آروماتيك پلي‌آميد است [12].آراميداساساً الياف ساختة دست ‌بشر است كه براي اولين بار توسط شركت DuPont در آلمان تحت نام كولار (Kevlar) توليد شد.‌‌چهار‌نوع كولار وجود دارد كه از بين آنها كولار 49 براي مسلح كردن بتن، طراحي و توليد شده و مشخصات مكانيكي آن بدين قرار است: و .

4- انواع محصولات FRP

1- ميله هاي كامپوزيتي: ميله‌هاي ساخته شده از كامپوزيت‌هاي FRPهستند كه جانشين ميلگردهاي فولادي در بتن آرمه خواهند شد. كاربرد اين ميله‌ها به دليل عدم خوردگي، مساله كربناسيون و كلراسيون را كه از جمله مهم‌ترين عوامل مخرب در سازه‌هاي بتن آرمه هستند، به كلي حل خواهند نمود.

2- شبكه‌هاي كامپوزيتي: شبكه‌هاي كامپوزيتي FRP (Grids) محصولاتي هستند كه از برخورد ميله‌هاي FRP در دو جهت و يا در سه جهت ايجاد مي‌شوند. نمونه‌اي از اين محصول، شبكة كامپوزيتي NEFMAC است كه از فايبرهاي كربن، شيشه يا آراميد و رزين وينيل استر توليد مي‌شود و منجمله براي مسلح كردن بتن مناسب است.

3- كابل، طناب و تاندن‌هاي پيش‌تنيدگي: محصولاتي شبيه ميله‌هاي كامپوزيتي FRP، ولي به صورت انعطاف‌پذير هستند، كه در سازه‌هاي كابلي و بتن پيش تنيده در محيط‌هاي دريايي و خورنده كاربرد دارند. اين محصولات در اجزاء پيش‌تنيدة در مجاورت آب نيز بكار گرفته مي‌شوند.

4- ورقه‌هاي كامپوزيتي: ورقه‌هاي كامپوزيتي Sheets) FRP)، ورقه‌هاي با ضخامت چند ميليمتر از جنس FRP هستند. اين ورقه‌ها با چسب‌هاي مستحكم و مناسب به سطح بتن چسبانده مي‌شوند. ورقه‌هاي FRP پوشش مناسبي جهت ايزوله كردن سازه‌هاي آبي از محيط خورندة مجاور هستند. همچنين از ورقه‌هاي كامپوزيتي FRP جهت تعمير و تقويت سازه‌هاي آسيب ديده (ناشي از زلزله و يا ناشي از خوردگي آبهاي يون‌دار) استفاده مي‌شوند.

5- پروفيل‌هاي ساختماني: مصالح FRP همچنين در شكل پروفيل‌هاي ساختماني به صورت I شكل، T شكل، نبشي و ناوداني توليد مي‌شوند. چنين محصولاتي مي‌توانند جايگزين بسيار مناسبي براي قطعات و سازه‌هاي فولادي در مجاورت آب تلقي شوند.

5– ميله‌هاي كامپوزيتي FRP

در حال حاضر، توليدكنندگان مختلفي در دنيا ميله‌هاي كامپوزيتي FRP را توليد و عرضه مي‌كنند. بعضي از انواع مشهور توليدات ميلگردهاي FRP كه به آساني در بازار دنيا يافت مي‌شوند‌، به قرار زير هستند‌ [10-13]؛

1 – پ: اين محصول توسط كمپاني شيميايي ميتسوبيشي ژاپن از الياف كربن با اساس قيري توليد مي‌شوند. خصوصيات مكانيكي اين نوع ميلگرد كامپوزيتي عبارت است از: و . اين ميله‌ها كه از جنس CFRP هستند، به شكل مدور در قطرهاي 1 تا 17 ميليمتر به صورت صاف، و در قطرهاي 5 تا 17 ميليمتر به صورت آجدار توليد مي‌شوند.

2 –FiBRA-Rod: اين محصول توسط كمپاني ميتسوي ژاپن و از كولار 49 توليد مي‌شود. خصوصيات مكانيكي اين ميله‌هاي كامپوزيتي AFRP، بدين قرار است: و .

3 –TECHNORA: اين محصول توسط شركت تي‌جين (Teijin) ژاپن و از آراميد توليد شد و خواص مكانيكي آن عبارت است از: و .

4 –CFCC: اين محصول،كابل كامپوزيتي CFRP بوده و توسط شركت توكيوروپ(Tokyo Rope) از فايبرهاي كربنيPAN توليد مي‌شود. اين محصول در قطرهاي 3 تا 40 ميليمتر و با مقاومت 10 تا kN 1100توليد مي‌شود.

5 –ISOROD : اين محصول توسط شركت پولترال (Pultrall Inc. of Thetford Mines) در ايالت كبك از كانادا توليد مي‌شود. اين محصول از فايبرهاي شيشه و رزين پلي‌استر توليد شده و مشخصات مكانيكي آن بدين قرار است: .

6 –C-Bar: اين محصول توسط شركت كامپوزيت‌هاي صنعتي مارشال در جكسون ويل از ايالت فلوريدا در امريكا توليد مي‌شود. اين محصول از فايبرهاي شيشه كه در رزين وينيل استر قرار گرفته، توليد مي‌شود. مشخصات مكانيكي C-Bar بدين قرار است: .

توجه شود كه امروزه توليد ميله‌هاي كامپوزيتي يك زمينهء نو در دنيا محسوب شده و به همين دليل، متناوباً شركت‌هاي جديد توليد كننده در دنيا ايجاد مي‌شود. به همين دليل در اين قسمت فقط مروري بر بعضي از اين محصولات انجام گرديد.

6 – مشخصات اساسي محصولات كامپوزيتي FRP

6-1- مقاومت در مقابل خوردگي

بدون شك برجسته‌ترين و اساسي‌ترين خاصيت محصولات كامپوزيتيFRP مقاومت آنها در مقابل خوردگي است. در حقيقت اين خاصيت مادة FRP تنها دليل نامزد كردن آنها به عنوان يك گزينة جانشين براي اجزاء فولادي و نيز ميلگردهاي فولادي است. به خصوص در سازه‌هاي بندري، ساحلي و دريايي، مقاومت خوب كامپوزيت FRP در مقابل خوردگي، سودمندترين مشخصة ميلگردهاي FRP است [14]. در قسمت 7، به صورت مفصل در مورد دوام كامپوزيت‌هاي FRP بحث خواهد شد.

6-2- مقاومت

مصالح FRPمعمولاً مقاومت كششي بسيار بالايي دارند، كه از مقاومت كششي فولاد به مراتب بيشتر است. مقاومت كششي بالاي ميلگردهاي FRP كاربرد آنها را براي سازه‌هاي بتن آرمه، خصوصاً براي سازه‌هاي پيش‌تنيده بسيار مناسب نموده است. مقاومت كششي مصالح FRP اساساً به مقاومت كششي، نسبت حجمي، اندازه و سطح مقطع فايبرهاي بكار رفته در آنها بستگي دارد. مقاومت كششي محصولات FRP براي ميله‌هاي با الياف كربن 1100 تا MPa2200، براي ميله‌هاي با الياف شيشه 900 تا MPa1100، و براي ميله‌هاي با الياف آراميد 1350 تا MPa 1650 گزارش شده است [15]. با اين وجود، براي بعضي از اين محصولات، حتي مقاومت‌هاي بالاتر از MPa 3000 نيز گزارش شده است. توجه شود كه بطور كلي مقاومت فشاري ميله‌هاي كامپوزيتي FRP از مقاومت كششي آنها كمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاري محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت كششي آنها MPa700 است [3].

6-3- مدول الاستيسيته

مدول الاستيسيتة محصولات FRP اكثراً در محدودة قابل قبولي قرار دارد؛ اگر چه اصولاً كمتر از مدول الاستيسيتة فولاد است. مدول الاستيسيتة ميله‌هاي كامپوزيتي FRP ساخته شده از الياف كربن، شيشه و آراميد به ترتيب در محدودة 100 تا GPa 150، GPa 45 و GPa 60 گزارش شده است [15].

6-4- وزن مخصوص

وزن مخصوص محصولات كامپوزيتي FRP به مراتب كمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص كامپوزيتهاي CFRP يك سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالاي مقاومت به وزن در كامپوزيتهايFRP از مزاياي عمدة آنها در كاربردشان به عنوان مسلح كنندة بتن محسوب مي‌شود [14].

6-5- عايق بودن

مصالح FRP خاصيت عايق بودن بسيار عالي دارند. به بيان ديگر، اين مواد از نظر مغناطيسي و الكتريكي خنثي بوده و عايق محسوب مي‌شوند. بنابراين استفاده از بتن مسلح به ميله‌هاي FRP در قسمتهايي از بيمارستان كه نسبت به امواج مغناطيسي حساس هستند، و در مسيرهاي هدايتي قطارهاي شناور مغناطيسي [16]، و همچنين در باند فرودگاهها و مراكز رادار بسيار سودمند خواهد بود.

6-6- خستگي

خستگي خاصيتي است كه در بسياري از مصالح ساختماني وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممكن است به شكست غير منتظره، خصوصاً در اجزايي كه در معرض سطوح بالايي از بارها و تنش‌هاي تناوبي قرار دارند، منجر شود. در مقايسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پديدة خستگي بسيار عالي است؛ به عنوان نمونه براي تنش‌هاي كمتر از يك دوم مقاومت نهايي، مواد FRP در اثر خستگي گسيخته نمي‌شوند [17].

6-7- خزش

پديدة گسيختگي ناشي از خزش اساساً در تمام مصالح ساختماني وجود دارد؛ با اين وجود چنانچه كرنش ناشي از خزش جزء كوچكي از كرنش الاستيك باشد، عملاً مشكلي بوجود نمي‌آيد. در مجموع، رفتار خزشي كامپوزيت‌ها بسيار خوب است؛ به بيان ديگر، اكثر كامپوزيتهاي در دسترس، دچار خزش نمي شوند [18].

6-8 – چسبندگي با بتن

خصوصيت چسبندگي، براي هر ماده‌اي كه به عنوان مسلح كنندة بتن بكار رود، بسيار مهم تلقي مي شود. در مورد ميله هاي كامپوزيتي FRP، اگر چه در بررسي بسيار اوليه، مقاومت چسبندگي ضعيفي براي كامپوزيت‌هاي از الياف شيشه گزارش شده بود، تحقيقات اخير در دنيا مقاومت چسبندگي خوب و قابل قبولي را براي ميله‌هاي كامپوزيتي FRP گزارش مي كند.

6-9- خم شدن

چنانچه كامپوزيتهاي FRP در بتن مسلح بكار گرفته شوند، به جهت مهار ميلگردهاي طولي، ميلگردهاي عرضي و تنگ‌ها، لازم است در انتها خم شوند. با اين وجود عمل خم كردن ميله‌هاي FRP بسيار دشوارتر از خم كردن ميلگردهاي فولادي بوده و در حال حاضر براي مصالح موجود FRP، نمي‌توان خم كردن را در كارگاه انجام داد. اگر چه در صورت لزوم، مي‌توان خم ميله‌هاي كامپوزيتي FRP را با سفارش آن به توليد كننده در كارگاه انجام داد.

6-10- انبساط حرارتي

خصوصيات انبساط حرارتي فولاد و بتن بسيار به هم نزديك هستند؛ ضريب انبساط حرارتي اين دو ماده به ترتيب: و مي‌باشد. ضريب انبساط حرارتي ميله‌هاي FRP اغلب از بتن متفاوت است. به طور خلاصه ضريب انبساط حرارتي مصالح FRP با الياف كربن و شيشه به ترتيب برابر با و مي‌باشد. بدترين حالت مربوط به آراميد است كه ضريب انبساط حرارتي آن منفي بوده و برابر با مي‌باشد [19].

7- دوام كامپوزيت‌هاي FRP

كامپوزيت‌هاي FRP شاخة جديدي از مصالح محسوب مي‌شوند كه دوام آنها دليل اصلي و اوليه براي كاربرد آنها در محدودة وسيعي از عناصر سازه‌اي شده است. به همين جهت است كه از آنها نه تنها در صنعت ساختمان، بلكه در فضاپيما، بال هواپيما، درهاي اتومبيل، مخازن محتوي گاز مايع، نردبان و حتي راكت تنيس نيز استفاده مي‌شود. بنابراين از نقطه نظر مهندسي نه تنها مسالة مقاومت و سختي، بلكه مسالة دوام آنها تحت شرايط مورد انتظار، كاملاً مهم جلوه مي‌كند.

مكانيزم‌هايي كه دوام كامپوزيت‌ها را كنترل مي‌كنند عبارتند از :

1) تغييرات شيميايي يا فيزيكي ماتريس پليمر

2) از دست رفتن چسبندگي بين فايبر و ماتريس

3) كاهش در مقاومت و سختي فايبر

محيط نقش كاملاً تعيين كننده‌اي در تغيير خواص پليمرهاي ماتريس كامپوزيت دارد. هر دوي ماتريس و فايبر ممكن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشيد و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نيز حضور بعضي از مواد شيميايي تجزيه كننده نظير نمك‌ها و قليايي‌ها تحت ثأثير قرار گيرند. همچنين تغييرات تكراري دما ممكن است به صورت سيكل‌هاي يخ‌زدن و ذوب شدن، تغييراتي را در ماتريس و فايبر باعث گردد. از طرفي تحت شرايط بار‌گذاري مكانيكي، بارهاي تكراري ممكن است باعث خستگي (Fatigue) شوند. همچنين بارهاي وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممكن است مسالة خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌اي از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام كامپوزيت‌هاي FRP را تحت تأثير قرار مي‌دهند.

7-1- پير شدگي فيزيكي ماتريس پليمر

نقش ماتريس پليمر و تغييرات آن يكي از جنبه‌هاي مهمي است كه در مسالة دوام كامپوزيت‌ها بايد در نظر گرفته شود. نقش اولية ماتريس در كامپوزيت انتقال تنش بين فايبرها، محافظت از سطح فايبر در مقابل سائيدگي مكانيكي و ايجاد مانعي در مقابل محيط نامناسب است. همچنين ماتريس نقش به سزائي در انتقال تنش برشي در صفحة كامپوزيت ايفا مي‌كند. بنابر اين چنانچه ماتريس پليمر خواص خود را با زمان تغيير دهد، بايد تحت توجه خاص قرار گيرد. براي كلية پليمرها كاملاً طبيعي است كه تغيير فوق‌العاده آهسته‌اي در