GFRP چیست؟
GFRP مخفف عبارت Glass Fiber Reinforced Polymer به معنای پلیمر تقویت شده فایبرگلاس است. GFRP در واقع جز مواد FRP به حساب می آید. بنابراین پیش از ادامه بحث بهتر است توضیح مختصری در مورد FRP داده شود.
FRP چیست؟
FRP مخفف عبارت Fiber-reinforced Plastic است. البته به جای کلمه ی Plastic از Polymer نیز استفاده می شود. این ماده ی کامپوزیتی از یک ماتریس پلیمری با فیبر تقویت شده ساخته شده است. فیبرها عموما از جنس شیشه یا فایبرگلاس، کربن، آرامید یا بازالت هستند. در مواردی نیز ممکن است از فیبرهای چوب، کاغذ یا آزبست استفاده شود که البته چندان مرسوم نیست. پلمیر استفاده شده نیز معمولا از اپوکسی، وینیل استر یا پلاستیک ترموست پلی استر است.
از FRP ها در پروژه های هوایی، اتومبیل سازی، زیر دریایی و صنعت ساخت و ساز استفاده می کنند.
توسعه ی پلاستیک های تقویت شده با فیبر برای کاربردهای تجاری به تحقیقاتی که در دهه ی 30 میلادی آغاز شد بر می گردد. بخش زیادی از این تحقیقات نیز در انگلستان انجام گرفت.
تصویر شماره 1 - ساختار FRP از نزدیک
میلگرد GFRP
GFRP ها در واقع نوعی FRPهستند که در آن فیبرها از جنس شیشه می باشند. از مهمترین کاربردهای GFRP ها در صنعت ساخت و ساز است. در همین راستا بود که میلگردهای GFRP به عنوان راه حلی برای توسعه ی تکنولوژی تقویت بتن به کار گرفته شدند.
در روش های مرسوم برای تقویت بتن با سیمان پرتلند از میلگردهای فولادی استفاده می شود. در بتن مسلح شده، میلگرد فولادی نقش تحمل بارهای کششی را بر عهده دارد. تنش ها و بارهای برشی نیز توسط میلگردهای فولادی که درون بتن کار گذاشته شده است تحمل می شود. هر چند استفاده از میلگردهای فولادی در بتن با مزایای زیادی همراه است اما یکی از معایب عمده ی این نوع از میلگرد، آسیب پذیری آن در برابر عوامل خورنده است. خوردگی باعث می شود تا عمر مفید میلگرد و به دنبال آن سازه کاهش پیدا کند. پوشش دادن میلگرد نیز به عنوان یک راه حل، پر هزینه است و در تمام پروژه ها قابل اجرا نیست. اما تکنولوژی جدید جایگزین هایی برای میلگرد فولادی یافته است که یکی از آن ها میلگردهای GFRP ست. مواد GFRP این قابلیت را دارند تا به صورت تجاری تولید شوند و می توانند به صورت میلگرد یا صفحاتی درون بتن به کار برده شده و همان ویژگی مورد انتظار از فولاد را نشان دهند. به علاوه GFRP در مقابل عوامل خورنده مقاوم است که می تواند مزیت بزرگی برای آن به شمار بیاید. همچنین کرنش جانبی این نوع میلگرد، این امکان را فراهم می سازد تا پیش از شکست، زمان کافی وجود داشته باشد.
تحقیقاتی که بر روی سازه های بتنی که به کمک میلگردهای GFRP ساخته شده اند نشان داده است که این نوع میلگرد در محیط های قلیایی و یا خورنده دچار فرسایش یا تخریب نشده اند.
تصویر شماره 2 - میلگرد GFRP
بیشتر بخوانید: تفاوت میلگرد FRP و فولادی چیست
مزایای استفاده از میلگردهای GFRP
میلگرد GFRP امروزه مورد تایید سازندگان بزرگ مانند دولت های قرار گرفته است. در بخش های دولتی اغلب سازه ها در ابعاد بزرگ هستند و نیاز است تا سال های طولانی مورد بهرهبرداری قرار بگیرند. همچنین در برابر عوامل خورنده نیز باید مقاوم باشند. استفاده از میلگردهای GFRP در این سازه ها نشان داده است که از نظر اقتصادی بسیار به صرفه هستند. با افزایش خوردگی به دلیل پدیده ی گرم شدن جهانی، مواد فایبرگلاس از محبوبیت زیادی برخوردار شده اند و قطعا در آینده با پیشرفت هایی که صورت خواهد گرفت استحکام و ویژگی های این مواد بهبود قابل توجهی خواهد یافت.
در اینجا به برخی از مزایای میلگردهای GFRP در کاربردهای مختلف اشاره خواهد شد.
- استفاده از میگردهای GFRP که شامل رزین های وینیل استر می شوند باعث مقاومت بالا در برابر خوردگی و افزایش طول عمر سازه های بتنی می گردد.
- در مقایسه با مواد متداولی که برای تقویت سازه های بتنی به کار برده می شود، GFRP یک چهارم وزن فولاد و 2 برابر استحکام آن را دارد.
- میلگرد های GFRP قابلیت هدایت الکتریسته و حرارت را ندارند و این ویژگی برای استفاده در سایت های تولید قدرت و در سازه هایی که ممکن است تحت تاثیر میدان های الکتریکی قرار بگیرند بسیار مفید است.
- با در نظر گرفتن مزایای بلند مدت میلگردهای GFRP، این میلگردها در مقایسه با میلگردهای استنلس استیل و یا پوشش اپوکسی از نظر اقتصادی به صرفه تر هستند.
- در برابر یونهای کلرید و سایر مواد شیمیایی مقاوم هستند.
- میلگردها می توانند در شکل ها، طول و خم های مورد نیاز مشتری ساخته شوند.
- فرایند نصب میلگردهای GFRP بسیار راحت است چرا که به راحتی برش داده شده و ماشین کاری می شوند.
- میلگردهای GFRP تحت تاثیر میدان های الکتریکی و فرکانس های رادیویی قرار نمی گیرند.
- پروژه هایی که به کمک میلگردهای GFRP اجرا می شوند نیازی به نگهداری و سرویس ندارند و همین مساله بخش زیادی از هزینه ها را کاهش می دهد.
هر چند به نظر می رسد که میلگردهای GFRP در مقابل میلگردهای فولادی گرانقیمت تر هستند اما با توجه به طول عمر بیشتر و مقاومت در برابر خوردگی و سایر مزایایی که ذکر شد در طولانی مدت استفاده از آنها مقرون به صرفه تر است .
کاربردهای میلگرد GFRP
در مورد مزایایی میلگردهای GFRP در قسمت قبل گفته شد که در مقابل خوردگی، میدان های الکتریکی و مغناطیسی، یونهای کلرید و ولتاژ بالا و ... مقاوم هستند. بنابراین این می توان در تمام مواردی که بتن در معرض این عوامل قرار دارد از میلگردهای GFRP به جای میلگردهای فولادی استفاده کرد. در ادامه به برخی از مواردی که بتن در معرض عوامل مخرب قرار دارد اشاره خواهد شد. در تمام این موارد میلگرد GFRP می تواند به عنوان یک جایگزین مناسب مورد استفاده واقع شود.
بتن های در معرض کلریدهای ضد یخ
- عرشه ی پل ها و ریل ها
- سدها
- دال های دسترسی (Approach Slabs)
- تاسیسات ذخیره ی نمک
- المان های پیش ساخته مانند درپوش منهول ها و آبراه های سرپوشیده
- سنگفرش های بتنی
بتن های در معرض کلریدهای دریایی
- دیواره های دریایی، اسکله ها، باراندازها
- سازه های ساحلی
- بندرگاه ها
بتن های در معرض ولتاژ بالا و میدان های الکترومغناطیس
- محیط MRI بیمارستان
- ایستگاه های ولتاژ بالا
- داکت های کابل
- مناطق حساس به فرکانس رادیویی
- تجهیزات ذوب آلومینیوم
بتن های در معرض خوردگی
- تجهیزات در ارتباط با فاضلاب
- المان های بتنی که در نما به کار میروند
- حفاظت از بناهای تاریخی
تونل سازی و کارهای معدنی
- حفاری ترتیبی یا تونل سازی NATM
- اقدامات مربوط به میخ کوبی و نگهداشت زمین
بیشتر بخوانید: پروفیل فایبرگلاس چیست
ویژگی مکانیکی میلگرد GFRP
در جدول زیر می توانید برخی از ویژگی های مکانیکی میلگردهای GFRP را مشاهده نمایید.
کرنش نهایی |
مادول الاستیسیته |
بار کششی نهایی |
استحکام کششی |
مساحت اسمی |
قطر اسمی |
||
% |
گیگا پاسکال |
کیلو نیوتن |
مگا پاسکال |
میلیمتر مربع |
اینچ |
میلیمتر |
سایز |
1.94 |
46 |
28.34 |
896 |
31.67 |
¼ |
6 |
2 |
1.79 |
46 |
58.72 |
827 |
71.26 |
3/8 |
10 |
3 |
1.64 |
46 |
95.90 |
758 |
126.7 |
½ |
13 |
4 |
1.57 |
46 |
143.41 |
724 |
197.9 |
5/8 |
16 |
5 |
1.49 |
46 |
196.60 |
690 |
285 |
¾ |
19 |
6 |
1.42 |
46 |
254 |
655 |
387.9 |
7/8 |
22 |
7 |
1.34 |
46 |
614.27 |
620 |
506.7 |
1 |
25 |
8 |
1.27 |
46 |
375.93 |
586 |
641.3 |
1 1/8 |
29 |
9 |
1.19 |
46 |
436.6 |
551 |
791.7 |
1 ¼ |
32 |
10 |
1.04 |
46 |
462.4 |
482 |
958.1 |
1 3/8 |
35 |
11 |
0.97 |
46 |
520.4 |
448 |
1160 |
1 ½ |
38 |
12 |
0.9 |
46 |
553.5 |
413 |
1338 |
1 5/8 |
41 |
13 |
جدول وزن میلگردهای GFRP
وزن واحد طول میلگردهای GFRP برای سایزهای مختلف در جدول زیر ذکر شده است.
وزن واحد طول |
قطر |
||||
پوند بر فوت |
کیلوگرم بر متر |
اینچ |
میلیمتر |
سایز |
|
0.052 |
0.0774 |
¼ |
6 |
2 |
|
0.107 |
0.159 |
3/8 |
10 |
3 |
|
0.189 |
0.2813 |
½ |
13 |
4 |
|
0.287 |
0.4271 |
5/8 |
16 |
5 |
|
0.408 |
0.6072 |
¾ |
19 |
6 |
|
5.44 |
0.8096 |
7/8 |
22 |
7 |
|
0.730 |
1.0462 |
1 |
25 |
8 |
|
0.950 |
1.4137 |
1 1/8 |
29 |
9 |
|
1.15 |
1.7114 |
1 ¼ |
32 |
10 |
|
1.30 |
1.9346 |
1 3/8 |
35 |
11 |
|
1.65 |
2.4554 |
1 ½ |
38 |
12 |
|
1.93 |
2.8721 |
1 5/8 |
41 |
13 |
نمودار تنش-کرنش GFRP
نمودار تنش-کرنش GFRP در مقایسه با میگلردهای معمولی و همینطور فولاد پیش تنیده در زیر قابل مشاهده است.
تصویر شماره 3 - نمودار تنش-کرنش GFRP
مقایسه ی میلگرد فولادی و GFRP
از جمله مواردی که می تواند مورد توجه قرار بگیرد مقایسه ویژگی های میلگردهای GFRP و فولادی ست. در جدول زیر این مقایسه انجام گرفته است. با توجه به ویژگی های میلگردهای GFRP برای مقایسه ی آنها با میلگردهای فولادی از سایزهای کمتری استفاده می شود.
میلگرد GFRP |
میلگرد فولادی |
ویژگی |
فولاد A3 |
GFRP |
4 mm |
6 mm |
قدرت تنش نهایی |
390-490 MPa |
800-1300 MPa |
6 mm |
8 mm |
ازدیاد طول |
25% |
2,2% |
7 mm |
10 mm |
مادول الاستیسیته |
210 000 MPa |
55 000 MPa |
8 мм |
12 мм |
نسبت هدایت حرارتی |
46 W/(m0 °C ) |
0,35 W/(m0°C) |
10 mm |
14 mm |
نسبت انبساط خطی |
13-15 ах-5/°C |
9-12 ах-5/°C |
12 mm |
16 mm |
چگالی |
7850 kg/m3 |
1900 kg/m3 |
14 mm |
18 mm |
هدایت الکتریکی |
هدایت بالا |
غیر هادی |
16 mm |
20 mm |
مقاومت نسبت به محیط های خورنده |
مقاومت کم |
مقاوم |
بسته بندی میلگرد GFRP
به دلیل مدول پایین GFRP می توان این میلگردها را به خصوص در سایزهای کم (زیر 12.7 میلیمتر) به صورت کویل بسته بندی کرد. هنگامی که کویل باز شود میلگردها به طور طبیعی صاف خواهند شد.
تصویر شماره 4 - کلاف میلگرد GFRP
قیمت میلگرد GFRP
کاملا طبیعی ست کسی که می خواهد از میلگردهای GFRP در پروژه ی خود استفاده کند قیمت آن را با میلگردهای فولادی متداول مقایسه کند و سپس اقدام به خرید کند. در مقایسه ی ابتدایی هزینه ی میلگردهای GFRP در مقایسه با میلگردهای فولادی بالاتر است. تولید فولاد در جهان پشتوانه چند صد ساله دارد و بسیاری از فرایندهای تولید آن تا حد نهایی بهینه شده است. از طرف دیگر حجم بالای تولید قیمت تمام شده ی آن را بسیار کاهش داده است. در مقابل تکنولوژی ساخت فیبرهای کامپوزیتی بسیار جدید است و با وجود مزایایی که دارد تقاضا برای آن چندان بالا نیست.
با وجود هزینه اولیه ی بالا دلایل بسیاری زیادی وجود دارد که نشان میدهد استفاده از فیبرهای فایبرگلاس در طولانی مدت مقرون به صرفه تر از استفاده از میلگردهای فولادی ست.
فولاد در مقابل عوامل خورنده یا اکسیژن هنگامی که در معرض نمکها، مواد شیمیایی و یا رطوبت قرار بگیرد بسیار آسیب پذیر است. هنگامی که میلگرد خورده شود، دچار افزایش حجم می شود و باعث ایجاد تنش باری درون بتن می گردد که می توان منجر به ترک خوردن بتن شود. همین مساله هزینه های زیادی جهت نگهداری و تعمیر بتن به همراه دارد. میلگردهای GFRP به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی هزینه های مربوط به تعمیر و نگهداری را حذف می کنند.
میلگردهای فایبرگلاس هزینه های مربوط به نیروی کار و نصب را نیز کاهش می دهند و طول عمر بالاتری دارند.
با توجه به موارد ذکر شده و مزایایی دیگری که میلگردهای فایبرگلاس به همراه دارند استفاده از آنها در طولانی مدت مقرون به صرفه تر از میلگردهای فولادی ست.