بخشی از مقاله
چکیده
در دههاي اخیر استفاده از مواد و مصالح مصنوعی در زمینه هاي عمرانی پیشرفت وسیعی داشته است . از آنجایی که FRP
در طی سالها کاربردي موفقیت آمیز در صنایع دیگر مانند هوا – فضا نشان داده ، لذا سبب شده که کامپوزیت هاي FRP در دو دهه اخیر بیشتر در مهندسی سازه بکار گرفته شود . این مصالح که کاربرد بیشتر ي در مسائل مرتبط با مقاوم سازي و پوشش سازه هاي بتنی و فلزي دارند ، از دو جزء اساسی تشکیل میشوند؛ فیبر (الیاف) و اپوکسی رزین (مادة چسباننده).
فیبرهاي FRP که داراي مشخصات فنی الاستیک و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در مادة FRP محسوب میشوند.
فیبرهاي تشکیل دهنده FRP می توانند در یک راستا یا در دو راستاي عمود بر هم قرار داشته باشند. بدلیل دوام بالا ، هزینه و قیمت مناسب ، سبک وزن بودن صفحات FRP و مقاومت بالا مقاومت در برابر خوردگی ، امروزه تولید و مصرفFRP به شدت در حال رشد و توسعه است .
کلمات کلیدي: الیاف آرامید ، الیاف کرین ، الیاف شیشه ، کامپوزیت هاي FRP ، سیستم هاي استفاده از FRP ، چسب کامپوزیت هاي ) FRP اپوکسی رزین )
١
.1 مقدمه
FRP که از Fiber Reinforcement Polymer گرفته شده و به معناي فیبرهاي پلیمري تقویت شده می باشد. این مواد ترکیبی از الیاف غیر فلزي پیوسته جهت یافته ، با خواص و ویژگی هاي پیشرفته که معمولا از جنس کربن ، شیشه و آرامید می باشند به همراه چسب رزین هستند. بار اعمالی یا تنش هاي اصلی ایجاد شده را الیاف تحمل می کنند یعنی الیاف جز باربر کامپوزیت به حساب می آیند ، در حالی که رزین نقش انتقال تنش ها را میان الیاف و حفاظت از الیاف را به عهده دارد .[ 2 ]
دلایل استفاده روز افزون از پوشش FRP را می توان به شرح زیر خلاصه نمود : مقاومت کششی بالا ، سختی مناسب ملزومات طراحی ، مصونیت در برابر خوردگی ، وزن کم ( در حدود یک چهارم فولاد )، نصب آسان در فضاهاي محدود ، کاهش هزینه هاي نیروي انسانی ، قابلیت نصب در طولهاي زیاد و تقریبا قابلیت نامحدود در اندازه و ابعاد و هندسه . [ 1 ] FRP در این مقاله به معرفی FRP وسیستم هاي FRP به صورت خلاصه پرداخته گردیده است .
2. انواع FRP
• الیاف FRP
1.2 الیاف FRP
الیاف (FRP Sheets) FRP، ورقههاي با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. ورقههاي FRP با چسبهاي مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده میشوند. ورقه هاي FRPپوشش مناسبی جهت ایزوله کردن و مقاوم سازي بتن سازههاي آبی از محیط خورندة مجاور هستند. همچنین از ورقههاي کامپوزیتی FRPجهت تعمیر و تقویت سازه هاي آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهاي یوندار) به منظور مقاوم سازي با FRPاستفاده میشوند . خواص کامپوزیت ها تا حد زیادي متاثر از انتخاب نوع الیاف است . سه نوع عمده الیاف که در مهندسی عمران کاربرد بیشتري دارند عبارتند از الیاف کربن ، شیشه و آرامید و هرکدام خواص و ویژگی هاي مخصوص به خود را داراست . مهمترین خواصی که موجب اختلاف میان انواع الیاف می گردد ، سختی و کرنش کششی است . خواص متفاوت و قیمتهاي گوناگون سبب شده که بعضی از آنها ، مزایاي بیشتري را براي مصرف نسبت به دیگري داشته باشند .
٢
این الیاف بر پایه الیاف شیشه می باشند . یکی از جنبه هاي بسیار مهم الیاف شیشه اقتصادي بودن آنها است ، به طوري که به طرز قابل ملاحظه اي ازران تر از الیاف کربن و آرامید می باشند . این الیاف حساسیت
بسیار بالایی به رطوبت داشته که در صورت انتخاب چسب مناسب می توان از آنها محافظت به عمل آورد [ 1 ]
. شکل 1 الیاف شیشه E-Glass را نشان می دهد .
شکل 1 الیاف شیشه اي E-Glass
فیبرهاي شیشه به چهار دسته طبقه بندي می شوند :
E-Glass 1.1.1.2
متداول ترین نوع از الیاف شیشه نوع E-Glass می باشند ، که در صنعت ساختمان به کار می رود . این
نوع از الیاف حاوي مقدار زیادي اسید بوریک و آلومینیت هست و مشکلاتی نظیر مقاومت کم در محیط هاي قلیایی را داراست . E-GLASS از مدول الاستیسیته E=70Gpa ، مقاومت نهایی
و کرنش نهایی برخوردار می باشد . [ 2 ]
Z-Glass 2.1.1.2
نوع دیگري از الیاف شیشه Z-Glass می باشد که مقاومت بالایی در مقابل محیط هاي قلیایی ها از خود نشان می دهد ; این الیاف در تولید بتن الیافی به کار گرفته می شوند . [ 3 ]
S-Glass 3.1.1.2
نوع S-Glass که بدلیل مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی که دارد در تکنولوژي هوا-فضا و
تحقیقات فضایی به کار گرفته می شود . این نوع ، مقاومت قلیایی ندارند . داراي مدول الاستیسیته E=87Gpa بوده و مقاومت نهایی آنها می باشد . [ 3 ]
٣
الیاف AR-Glass که براي جلوگیري از خوردگی توسط سیمان ، مقدار قابل ملاحظه اي zircon به آن اضافه می گردد ، خواص مکانیکی مشابه E-Glass دارند . [ 3 ]
2.1.2 الیاف کربن CFRP
الیاف کربن مقاومت بسیار خوبی در محیط هاي قلیایی و اسیدي داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی کاملا پایدار هستند . هم چنین این الیاف از مدول الاستیسیته بالایی برخوردار هستند و مقاومت در مقابل خستگی آنها نیز بسیار بالا می باشد ، از طرفی هیچ گونه خزشی ندارند . مقاومت در برابر تشعشعات ماورا بنفش و ضریب انبساط حرارتی پایین آن ، از خصوصیات دیگر این الیاف است. [ 2 ] شکل 2 الیاف CFRP را نشان می دهد .
شکل 2 الیاف CFRP
این الیاف به دو دسته کلی طبقه بندي می شوند :
1.2.1.2 الیاف کربنی از نوع 1PAN
این نوع الیاف با استفاده از کربنیزه شدن پلی اکریلونیترال ، توسط احتراق ساخته می شوند . این الیاف خود به سه نوع مختلف تقسیم بندي می شوند . نوع I که تردترین آنها بوده و داراي بالاترین مدول الاستیسیته است
(مدول الاستیسیته E=380Gpa ، مقاومت نهایی و کرنش نهایی ) .
نوعII که مقاومترین نوع الیاف کربن می باشد ، (مدول الاستیسیته E=240Gpa ، مقاومت نهایی
١ Polyacrylonitrile
۴
و کرنش نهایی ) و نهایتا نوع سوم III که نرم ترین نوع الیاف کربنی بوده و مقاومتی بین I و II دارد . [ 3 ], [ 2 ]
2.2.1.2 الیاف کربنی با اساس قیري1
این نوع الیاف اساسا از تقطیر ذغال سنگ به دست می آیند . این الیاف از الیاف PAN ارزانتر بوده و مقاومت و مدول الاستیسته کم تري نسبت به آن دارند (مدول الاستیسیته E=37.5-140Gpa ، مقاومت
نهایی و کرنش نهایی ) [ 3 ]
3.1.2 الیاف آرامید AFRP
آرامید یکی از انواع ساده پلی آمید هاي آروماتیک است . اگرچه ، اولین بار توسط شرکت دوپونت2 در آلمان
تحت نام تجاري کولار3 تولید شد ، انواع دیگري از آنها نیز نظیر توران ، تکنورا و SVM نیز موجود است . مقاومت نهایی این نوع الیاف ، مدول الاستیسیته E=70-200Gpa با
کرنش نهایی بسته به کیفیت آنها می باشد . ساختار الیاف آرامید ناهمسانگرد است .
الیاف آرامید داراي انرژي شکست بالایی بوده و به همین علت از آن در ساخت کلاه ایمنی و روکش محافظ گلوله تفنگ استفاده می شود . این الیاف رفتار الاستیکی در کشش دارند اما رطوبت و تشعشات ماوراء بنفش حساس بوده و در نتیجه به طور وسیعی در مهندسی عمران کاربرد ندارد .[ 3 ] جدول 1 مشخصات عمومی برخی از الیاف در مقایسه با یکدیگر را نشان می دهد و جدول 2 و جدول 3 نیز به ترتیب خواص مکانیکی و فیزیکی مصالح مورد استفاده و ضریب مقاومت الیاف در برابر خوردگی را نشان می دهد و شکل 3 دیاگرام تنش
– کرنش تک محوري انواع مختلف FRP را نشان می دهد.
جدول 1 مشخصات عمومی الیاف هاي کامپویت [ 2 ] FRP
نوع الیاف مدول الاستیسیته مقاومت نهایی کرنش نهایی کششی
(GPA) (MPa) %
کربن 165 - 700 2100-4800 0/2-2/0
آرامید 70 -130 3500 – 4100 2/5 – 5/0
شیشه 70 – 90 1900 – 4800 3/0 – 5/5
١ Pitch Based ٢ Dupont
٣ Kevlar
۵
جدول 2 خواص مکانیکی و فیزیکی مصالح مورد استفاده در سازه هاي خاکی در مقایسه با الیاف کربن [4]
ماده مدول الاستیسیته مقاومت فشاري مقاومت کششی دانسیته
(GPa) (MPa) (MPa) (Kg/m3)
بتن معمولی 20 - 40 5 – 60 1 – 2 2400
خاك الاستیک نیست ندارد ندارد 1500 - 2500
فولاد 200 – 210 240 – 690 240 – 690 7800
ژئوسنتتیک 0/01 – 18 ندارد 20 – 1200 900 - 1500
الیاف کربن 200 – 800 ندارد 2500 – 6000 1750 – 1950
جدول 3 مقاومت الیاف مختلف در برابر خوردگی [ 2 ]
فاکتورهاي خوردگی E-Glass AR-Glass AFRP CFRP
درصد جذب آب در 24 ساعت --- --- 0/05 ---
محیط اسیدي کم کم زیاد زیاد زیاد
محیط اسیدي زیاد صفر کم کم کم
محیط قلیایی کم صفر زیاد زیاد زیاد
محیط قلیایی زیاد صفر کم کم زیاد
حرارت زیاد زیاد صفر زیاد
ماوراء بنفش زیاد زیاد صفر زیاد
۶
شکل 3 دیاگرام تنش –کرنش تک محوري انواع مختلف [ 2 ] FRP
.3 چسب1 کامپوزیت هاي FRP
چسب مسیر انتقال برش بین سطح بتن یا خاك و مواد کامپوزیتی را تامین می کند و عملکرد کامل کامپوزیتی را سبب می شود . رزین بر دو نوع ترموست2 و ترمو پلاستیک3 می باشند . رزین هاي ترموست ( گرماسخت ) پس از سخت شدن ، با اعمال حرارت ، دیگر به حالت مایع یا روان در نمی آیند . در حالی که رزین هاي ترموپلاستیک را می توان با اعمال حرارت مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد در آورد . موادي مانند پلی استر4 ، ونیل استر5
و اپوکسی را می توان به عنوان رزین هاي ترموست و موادي مثل پلی وینیل کلرید ( PVC) ، پلی اتیلن و پلی پروپیلن (PP) را می توان به عنوان رزین هاي ترمو پلاستیک نام برد . [ 1 ]
