بخشی از مقاله
كاربرد كامپوزيتهاي FRP در سازههاي بتن آرمه و بررسي دوام آنها
خلاصه
خوردگي قطعات فولادي در سازههاي مجاور آب و نيز خوردگي ميلگردهاي فولادي در سازههاي بتن آرمه اي كه در معرض محيط‌هاي خورندة كلروري و كربناتي قرار دارند، يك مسالة بسيار اساسي تلقي مي‌شود. در محيط‌هاي دريايي و مرطوب وقتي كه يك سازة بتن‌آرمة معمولي به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظير نمكها، اسيد‌ها و كلرورها قرار گيرد، ميلگردها به دليل آسيب ديدگي و خوردگي، قسمتي از ظرفيت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهاي زنگ زده بر پوستة بيروني بتن فشار مي‌آورد كه به خرد شدن و ريختن آن منتهي مي‌شود. تعمير و جايگزيني اجزاء فولادي آسيب ديده و نيز سازة بتن آرمه‌اي كه به دليل خوردگي ميلگردها آسيب ديده است، ميليون‌ها دلار خسارت در سراسر دنيا به بار آورده است.
به همين دليل سعي شده كه تدابير ويژه‌اي جهت جلوگيري از خوردگي اجزاء فولادي و ميلگردهاي فولادي در بتن اتخاذ گردد كه از جمله مي‌توان به حفاظت كاتديك اشاره نمود. با اين وجود براي حذف كامل اين مساله، توجه ويژه اي به جانشيني كامل اجزاء و ميلگردهاي فولادي با يك مادة جديد مقاوم در مقابل خوردگي معطوف گرديده است. از آن‌جا كه كامپوزيتهاي FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در مقابل محيط‌هاي قليايي و نمكي مقاوم هستند كه در دو دهة اخير موضوع تحقيقات گسترده‌اي جهت جايگزيني كامل با قطعات و ميلگردهاي فولادي بوده‌اند. چنين جايگزيني بخصوص در محيط‌هاي خورنده نظير محيط‌هاي دريايي و ساحلي بسيار مناسب به نظر مي‌رسد. در اين مقاله مروري بر خواص، مزايا و معايب مصالح كامپوزيتي FRP صورت گرفته و قابليبت كاربرد آنها به عنوان جانشين كامل فولاد در سازههاي مجاور آب و بخصوص در سازة بتن آرمه، به جهت حصول يك سازة كاملاً مقاوم در مقابل خوردگي، مورد بحث قرار خواهد گرفت.
1 – مقدمه
بسياري از سازههاي بتن آرمة موجود در دنيا در اثر تماس با سولفاتها، كلريدها و ساير عوامل خورنده، دچار آسيب‌هاي اساسي شده‌اند. اين مساله هزينه‌هاي زيادي را براي تعمير، بازسازي و يا تعويض سازههاي آسيب ديده در سراسر دنيا موجب شده است. اين مساله و عواقب آن گاهي نه تنها به عنوان يك مسالة مهندسي، بلكه به عنوان يك مسالة اجتماعي جدي تلقي شده است ]1[. تعمير و جايگزيني سازههاي بتني آسيب‌ديده ميليون‌ها دلار خسارت در دنيا به دنبال داشته است. در امريكا، بيش از 40 درصد پلها در شاهراهها نياز به تعويض و يا بازسازي دارند ]2[. هزينة بازسازي و يا تعمير سازههاي پاركينگ در كانادا، 4 تا 6 ميليارد دلار كانادا تخمين زده شده است ]3[. هزينة تعمير پلهاي شاهراهها در امريكا در حدود 50 ميليارد دلار برآورد شده است؛ در حاليكه براي بازسازي كلية سازههاي بتن آرمة آسيب‌ديده در امريكا در اثر مسالة خوردگي ميلگردها، پيش‌بيني شده كه به بودجة نجومي 1 تا 3 تريليون دلار نياز است ]3[ !
از مواردي كه سازههاي بتن آرمه به صورت سنتي مورد استفاده قرار مي‌گرفته، كاربرد آن در مجاورت آب و نيز در محيط‌هاي دريايي بوده است. تاريخچه كاربرد بتن آرمه و بتن پيش‌تنيده در كارهاي دريايي به سال 1896 بر مي‌گردد ]4[. دليل عمدة اين مساله، خواص ذاتي بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابليت كاربرد آن چه در بتن‌ريزي در جا و چه در بتن پيش‌تنيده بوده است. با اين وجود شرايط آب و هوايي و محيطي خشن و خورندة اطراف سازههاي ساحلي و دريايي همواره به عنوان يك تهديد جدي براي اعضاء بتن آرمه محسوب گرديده است. در محيط‌هاي ساحلي و دريايي، خاك، آب زيرزميني و هوا، اكثراً حاوي مقادير زيادي از نمكها شامل تركيبات سولفور و كلريد هستند.
در يك محيط دريايي نظير خليج فارس، شرايط جغرافيايي و آب و هوايي نامناسب، كه بسياري از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجة حرارت‌هاي بالا و نيز رطوبت‌هاي بالا همراه شده كه نتيجتاً خوردگي در فولادهاي به كار رفته در بتن آرمه كاملاً تشديد مي‌شود. در مناطق ساحلي خليج فارس، در تابستان درجة حرارت از 20 تا 50 درجة سانتيگراد تغيير مي‌كند، در حاليكه گاه اختلاف دماي شب و روز، بيش از 30 درجة سانتيگراد متغير است. اين در حالي است كه رطوبت نسبي اغلب بالاي 60 درصد بوده و بعضاً نزديك به 100 درصد است. به علاوه هواي مجاور تمركز بالايي از دي‌اكسيد گوگرد و ذرات نمك دارد [5]. به همين جهت است كه از منطقة دريايي خليج فارس به عنوان يكي از مخرب‌ترين محيط‌ها براي بتن در دنيا ياد شده است [6]. در چنين شرايط، ترك‌ها و ريزترك‌هاي متعددي در اثر انقباض و نيز تغييرات حرارتي و رطوبتي ايجاد شده، كه اين مساله به نوبة خود، نفوذ كلريدها و سولفاتهاي مهاجم را به داخل بتن تشديد كرده، و شرايط مستعدي براي خوردگي فولاد فراهم مي‌آورد [7-9]. به همين جهت بسياري از سازههاي بتن مسلح در نواحي ساحلي ايران نظير سواحل بندرعباس، در كمتر از 5 سال از نظر سازه‌اي غير قابل استفاده گرديده‌اند.
نظير اين مساله براي بسياري از سازههاي در مجاورت آب، كه در محيط دريايي و ساحلي قرار ندارند نيز وجود دارد. پايه‌هاي پل، آبگيرها، سدها و كانال‌هاي بتن آرمه نيز از اين مورد مستثني نبوده و اغلب به دليل وجود يون سولفات و كلريد، از خوردگي فولاد رنج مي‌برند.
2 – راه حل مساله
تكنيك‌هايي چند، جهت جلوگيري از خوردگي قطعات فولادي الحاقي به سازه و نيز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است كه از بين آنها مي‌توان به پوشش اپوكسي بر قطعات فولادي و ميلگردها، تزريق پليمر به سطوح بتني و حفاظت كاتديك ميلگردها اشاره نمود. با اين وجود هر يك از اين تكنيك‌ها فقط تا حدودي موفق بوده است [10]. براي حذف كامل مساله، توجه محققين به جانشين كردن قطعات فولادي و ميلگردهاي فولاي با مصالح جديد مقاوم در مقابل خوردگي، معطوف گرديده است.
مواد كامپوزيتي (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادي بسيار مقاوم در مقابل محيط‌هاي خورنده همچون محيط‌هاي نمكي و قليايي هستند. به همين دليل امروزه كامپوزيتهاي FRP، موضوع تحقيقات توسعه‌اي وسيعي به عنوان جانشين قطعات و ميلگردهاي فولادي و كابلهاي پيش‌تنيدگي شده‌اند. چنين تحقيقاتي به خصوص براي سازههاي در مجاورت آب و بالاخص در محيط‌هاي دريايي و ساحلي، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.
3 – ساختار مصالح FRP
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 ساختار شيميايي (مولكولي) خود داشته باشند. اين تغيير با محيط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت كنترل مي‌شود. اين پروسه تحت نام پير‌شدگي (Aging) ناميده مي‌شود. تأثيرات پير شدگي در اكثر كامپوزيتهاي ترموست متداول، در مقايسه با كامپوزيتهاي ترموپلاستيك، خفيف‌تر است. در اثر پير‌شدگي فيزيكي، بعضي از پليمرها ممكن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتيجة اين مساله تأثير بر خواص غالب ماتريس و منجمله رفتار برشي كامپوزيت خواهد بود. با اين وجود در اكثر موارد اين تأثيرات بحراني نيست؛ زيرا نهايتاً روند انتقال بار اصلي از طريق فايبرها رخ داده و تأثيرات پير‌شدگي بر فايبرها فوق‌العاده جزئي است.
7-2- تأثير رطوبت
بسياري از كامپوزيتهاي با ماتريس پليمري در مجاورت هواي مرطوب و يا محيط‌هاي مرطوب، با جذب سطحي سريع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود مي‌گيرند. معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزايش يافته و نهايتاً پس از چندين روز تماس با محيط مرطوب، به نقطة اشباع (تعادل) مي‌رسد. زماني كه طول مي‌كشد تا كامپوزيت به نقطة اشباع برسد به ضخامت كامپوزيت و ميزان رطوبت محيط بستگي دارد. خشك كردن كامپوزيت مي‌تواند اين روند را معكوس كند، اما ممكن است منجر به حصول كامل خواص اوليه نگردد. جذب آب به وسيلة كامپوزيت از قانون عمومي انتشار فيك (Fick’s Law) تبعيت كرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفي سرعت دقيق جذب رطوبت به عواملي همچون ميزان خلل و فرج، نوع فايبر، نوع رزين، جهت و ساختار فايبر، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ريزتركها بستگي دارد. در ادامه تأثير رطوبت را به صورت مجزا بر اجزاء كامپوزيت مورد بحث قرار مي‌دهيم.
الف- تأثير رطوبت بر ماتريس پليمري
جذب آب به توسط رزين ممكن است در مواردي بعضي از خصوصيات رزين را تغيير دهد. چنين تغييراتي عمدتاً در دماي بالاي 120 درجه ممكن است اتفاق بيفتد و در اثر آن سختي كامپوزيت به شدت كاهش يابد؛ اگر چه چنين وضعيتي عمدتاً در مصارف كامپوزيت‌ها در مهندسي عمران و به خصوص در سازههاي در مجاورت آب، كمتر پيش مي‌آيد و مورد توجه نيست. از طرفي جذب رطوبت يك تأثير سودمند نيز بر كامپوزيت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزين شده كه اين مساله به نوبة خود تنش‌هاي پس‌ماند بين ماتريس و فايبر را كه در اثر انقباض ضمن عمل‌آوري كامپوزيت ايجاد شده، كاهش مي‌دهد. اين مساله باعث آزاد شدن تنش‌هاي بين ماتريس و فايبر شده و ظرفيت باربري را افزايش مي‌دهد. از طرفي گزارش شده است كه در كامپوزيت‌هايي كه به صورت نامناسب ساخته شده‌اند، در اثر وجود حفره‌ها در سطح بين فايبر و ماتريس و يا در لايه‌هاي كامپوزيت، نفوذ آب در داخل حفره‌ها و يا در سطح مشترك فايبر و ماتريس ممكن است به سيلان رزين منجر شود [20]. اين مساله را مي‌توان با انتخاب مناسب مواد رزين و يا آماده‌سازي مناسب سطح فايبرها و نيز بهبود تكنيك‌هاي ساخت، حذف نمود.
ب - تأثير رطوبت بر فايبرها
اعتقاد عمومي بر آن است كه فايبرهاي شيشه چنانچه به صورت طولاني مدت در كنار آب قرار گيرند، آسيب مي‌بينند. دليل اين مساله آن است كه شيشه از سيليكا ساخته شده كه در آن اكسيدهاي فلزات قليايي منتشر شده‌اند. اكسيدهاي فلزات قليايي هم جاذب آب بوده و هم قابل هيدروليز هستند. با اين وجود، در اكثر موارد مصرف در مهندسي عمران، از E-glass و S-glass استفاده مي‌شود كه فقط مقادير كمي از اكسيدهاي فلزات قليايي را داشته و بنابراين در مقابل خطرات ناشي از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حال كامپوزيتهاي ساخته شده از الياف شيشه بايد به خوبي ساخته شده باشند، بصورتيكه از نفوذ آب به مقدار زياد جلوگيري كنند؛ زيرا حضور آب در سطح الياف شيشه انرژي سطحي آنها را كاهش مي‌دهد كه مي‌تواند رشد ترك‌خوردگي را افزايش دهد. از طرفي الياف آراميد نيز مي‌توانند مقادير قابل توجهي از آب را جذب كنند كه منجر به باد كردن و تورم آنها مي‌شود. با اين وجود اكثر الياف با پوششي محافظت مي‌شوند، كه پيوستگي خوب با ماتريس داشته و نيز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذكر است كه تحقيقات متعدد، نشان مي‌دهد كه رطوبت هيچگونه تأثيرات سوء شناخته‌شده‌اي را بر الياف كربن به دنبال ندارد [21].
ج- رفتار عمومي كامپوزيتهاي اشباع شده با آب
كامپوزيتهاي با آب اشباع شده معمولاً كمي افزايش شكل‌پذيري (Ductility) در اثر نرم‌شدگي Softening)) ماتريس از خود نشان مي‌دهند. اين مساله را مي‌توان يك جنبة سودمند از جذب آب در كامپوزيتهاي پليمري بر‌شمرد. همچنين افت محدود مقاومت و مدول الاستيسيته مي‌تواند در كامپوزيتهاي با آب اشباع شده اتفاق بيفتد. چنين تغييراتي معمولاً برگشت‌پذير بوده و بنابراين به محض خشك شدن كامپوزيت، ممكن است اثر خواص از دست رفته مجدداً جبران شود.
شايان توجه است كه افزايش فشار هيدرواستاتيك (مثلاً در مواردي كه كامپوزيت‌ها در مصارف زير آب و يا در كف دريا به كار مي‌روند)، لزوماً به جذب آب بيشتر توسط كامپوزيت و افت خواص مكانيكي آن منجر نمي‌شوند. بدين ترتيب انتظار مي‌رود كه اكثر سازههاي پليمري زير آب، دوام بالايي داشته باشند. در حقيقت، تحت فشار هيدرواستاتيك، جذب آب به دليل بسته شدن ريزتركها و ضايعات بين سطحي، كمي كاهش مي‌يابد [22].
لازم به ذكر است كه جذب آب بر خواص عايق بودن كامپوزيت‌ها اثر مي‌گذارد. حضور آب آزاد در ريزتركها مي‌تواند خاصيت عايق بودن كامپوزيت را به شدت كاهش دهد.
