۳۰۰ 
۵۰۰⚊ 
میلگرد CFRP
سالانه میلیون ها دلار در سرتاسر دنیا برای حل مشکل خوردگی فولادهایی که درون بتن مسلح به کاربرده شده اند مصرف میشود. تخریب سازه های فولادی یکی از راه حل هایی ست که در نتیجه ی خوردگی فولاد انتخاب می شود. تنها در ایالات متحده ی آمریکا هزینه ی تعمیر پل های بزرگراه ها در دهه ی 90 میلادی در حدود 50 میلیارد دلار تخمین زده شده است. در اروپا نیز مسائل مرتبط با خوردگی فولاد در سازه های بتنی در سال 1.5 میلیارد دلار هزینه در پی دارد. این که فولاد یکی از مواد متداول و مرسوم برای مسلح کردن بتن در سازه های بتنی ست یک واقعیت است اما با هزینه های بسیار بالای خوردگی، مهندسان سازه باید به دنبال جایگزین هایی برای فولاد باشند.
تصویر شماره 1 – فیبرهای FRP
در طول دو دهه ی گذشته استفاده از مواد کامپوزیتی که به پلیمر تقویت شده ی فیبر (FRP) معروف هستند در سازه های بتنی به شدت افزایش یافته است. از FRP هم برای مسلح کردن سازه های جدید و هم برای تقویت سازه های موجود استفاده می شود. FRP شامل تعداد بسیار زیادی فیبر است که می تواند از جنس شیشه، آرامید، کربن یا دیگر متریال ها باشد که در یک ساختار ماتریکس رزینی با نسبت های متفاوت جاسازی شده اند. برخلاف فولاد، هیچ استاندارد و خط مشی مشخصی برای تولید FRP وجود ندارد. در نتیجه هر FRP که تولید می شود با محصولات تولید کننده ی دیگر تفاوت قابل توجهی در ویژگی ها دارد. کامپوریت FRP می تواند در فرم میلگرد، ورق یا شبکه و سیم تولید شود. برای بتن های پیش تنیده، استفاده از پیلمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) به دلیل استحکام و مدول محوری بالا در مقایسه با شیشه یا آرامید متداول تر است.
آنچه در این مقاله خواهید خواند:
- پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن CFRP
- میلگردها یا رشته های FRP
- مواد کامپوزیت FRP
- سیستم مهاری FRP
- قیمت میلگرد CFRP
پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن CFRP
پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربدن که به صورت خلاصه در صنعت به آنها فیبر کربن یا کامپوزیت کربن نیز گفته می شود موادی بسیار قوی و سبک هستند که حاوی فیبرهای کربن می باشند. تولید CFRP ها پرهزینه است اما هر کجا که نسبت استحکام به وزن بالا و همچنین سختی بالایی مورد نیاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله کاربردهای CFRP می توان به استفاده از صنایع هوافضا، اتومبیل سازی، کشتی سازی، مهندسی عمران، تجهیزات ورزشی و بسیاری از کاربردهای فنی و تخصصی دیگر اشاره کرد.
تصویر شماره 2 - میلگرد CFRP
بیشتر بخوانید: میلگرد GFRP چیست و چه کاربردی دارد؟
میلگردها یا رشته های FRP
آنچه که استفاده از FRP را برای مهندسان سازه جذاب می سازد، استحکام تنشی بسیار بالایی ست که این محصول در مقایسه با فولاد دارد (4 برابر فولاد). از طرف دیگر وزن سبک FRP ها (20 درصد فولاد)، مقاومت در برابر خوردگی، غیر مغناطیسی و عدم حساسیت به الکتریسیته از دیگر ویژگی های بارز FRP ست. در مقایسه با فولاد مواد FRP نسبت استحکام به وزن بالاتر، نسبت سختی به وزن بالاتر، هزینه های نگهداری کمتر و هزینه ی اولیه ی بالاتری دارند. در مورد استحکام و مدول الاستیسیتی، نمودار تنش-کرنش برای انواع مختلف FRP و فولاد در نمودار زیر قابل ملاحظه است.
تصویر شماره 3- نمودار تنش-کرنش کامپوزیت های FRP و فولاد
با وجود تمام مزایایی FRP ها، اما دارای نقاط ضعفی هم هستند. از جمله نقاط ضعف آن ها می توان به ضعف شدید آنها در جهت عرضی اشاره کرد. استحکام تنش عرضی در FRP تنها 2 تا 4 درصد استحکام تنش طولی است. FRP بر خلاف فولاد یک ماده غیرایزوتروپیک است و یکی از مشکلات این مواد در مهندسی عمران مساله لهیدگی به خصوص در بتن های پیش تنیده است. در خصوص رفتار خمشی اجزای سازه، رفتار خطی الاستیک FRP ها تازمانی که شکست اتفاق بیفتد موجب کاهش چکش خواری می شود که در نتیجه ی آن عملکرد المان های بتن را تحت شعاع قرار می دهد.
یکی دیگر از معایب FRP در مقایسه با فولاد هزینه های ابتدایی آن است. در جدول شماره 1 برخی از ویژگی های کلی CFRP، GFRP، AFRP و فولاد پیش تنیده ی گرید 270 مقایسه شده است.
|
|
واحد |
AFRP |
CFRP |
GFRP |
فولاد پیش تنیده |
|
فیبر |
|
آرامید |
کربن |
شیشه |
|
|
چگالی |
g/cm3 |
1.28 |
1.53 |
2.1 |
7.85 |
|
استحکام کشش طولی |
Ksi |
181-203 |
325-370 |
157 |
270 |
|
استحکام کشش عرضی |
Ksi |
4.4 |
8.3 |
5.7 |
270 |
|
مدول طولی |
Ksi |
9800 |
21170 |
5660 |
30000 |
|
مدول عرضی |
Ksi |
800 |
800 |
1250 |
30000 |
|
ضریب پواسیون |
- |
0.34-0.6 |
0.27 |
0.28 |
0.3 |
|
حداکثر رشته طولی |
% |
2.0-3.7 |
1.3-1.5 |
2.8 |
4.0 |
|
آسایش |
% loss |
12.0 |
2.0-3.0 |
- |
8.0 |
جدول شماره 1 – ویژگی های انواع FRP در مقایسه با فولاد پیش تنیده
بیشتر بخوانید: تفاوت میلگرد FRP و فولادی چیست
مواد کامپوزیت FRP
به طور تاریخی مطالعات مربوط به میلگردهای FRP برای تقویت بتن از دهه 50 تا 70 میلادی آغاز شد. تحقیقات مرتبط با میله های FRP صاف نیز از دهه ی 90 آغاز شد. پس از آن تحقیقات زیادی در خصوص استفاده از این تکنولوژی در مهندسی سازه انجام گرفت. استفاده از مواد FRP برای سازه های بتنی پیش تنیده در آلمان و ژاپن از دهه ی 90 میلادی آغاز شد. مواد FRP در شکل های مختلفی مانند میلگرد، شبکه، ورق و رشته ساخته می شوند. هر محصول کاربردهای مختلفی دارد. انواع شناخته شده ی میله های FRP شامل، آرامید (AFRP)، کربن (CFRP) و شیشه (GFRP) ست. میلگردهای CFRP برای استفاده در بتن های پیش تنیده به دلیل ظرفیت کششی بالاتری با مدول الاستیسیته یالاتری که دارند محبوب تر هستند. مزایا و معایب استفاده از مواد FRP در تقویت بتن درجدول شماره 2 به صورت خلاصه آورده شده است.
|
معایب |
مزایا |
|
عدم تسلیم پیش از شکست |
غیر مغناطیسی بودن |
|
استحکام عرض کم |
تحمل خستگی بالا |
|
مدول الاستیسیته ی پایین |
سبک بودن |
|
حساسیت پلیمرهای رزین و فیبرها به تابش فرا بنفش |
هدایت گرمایی و الکتریکی پایین |
|
مقاومت کم فیبرهای شیشه در محیط مرطوب |
استحکام کششی طولی بالا |
|
دوام کم برخی از فیبرهای شیشه و آرامید در محیط قلیایی |
مقاوم به خوردگی |
|
ضریب انبساط حرارتی بالا عمود بر فیبرها |
|
|
ممکن است نسبت به آتش بسته به نوع ماتریکس و ضخامت لایه بتن حساس باشد |
|
جدول شماره 2 – مزایا و معایب استفاده از FRP ها در تقویت بتن
در خصوص مشخصات مهندسی مواد FRP لازم به ذکر است که مطالعات زیادی صورت گرفته است که تا این مشخصات استخراج شود اما ادبیات مساله نشان می دهد که ویژگی های FRP تا حد بسیار زیادی از یک محصول تا محصول دیگر متفاوت است. تنها تفاوتهای کوچک در فرایند ساخت FRPها می تواند منجر به تفاوت های بزرگی در استحکام کششی، مدول الاستیسیته، حداکثر افزایش طول و برخی ویژگی های دیگر شود.
بر اساس مطالعات انجام شده برخی از ویژگی های انواع FRP در جدول زیر ارائه شده است.
|
|
کربن مدول بالا |
کربن مدول متوسط |
کربن مدول استاندارد |
آرامید |
E-glass |
S-glass |
|
استحکام کششیKsi |
300-348 |
752-914 |
506-711 |
421-435 |
493 |
711 |
|
مدول کششی Ksi |
74965-119915 |
42630 |
33350 |
10275-16240 |
10484 |
12600 |
|
کرنش نهایی % |
0.3 |
1.9-2.2 |
1.5-2.1 |
2.4-3.6 |
4.8 |
5.7 |
جدول شماره 3 – ویژگی های انواع FRP
سیستم مهاری FRP
یکی از پارامترهایی که استفاده از مواد FRP را به منظور مسلح کردن بتن کاهش داده است، سخت بودن مهار آن است. صرف نظر از اینکه سیستم بتن پیش تنیده یا پس تنیده است، FRP ها باید برای عملیات پیش تنیدگی مهار شوند.
بر اساس اطلاعاتی که به دست آمده است سیستم مهار مناسبی برای FRP که بتواند در عمل مورد استفاده قرار بگیرد هنوز توسعه نیافته است. هر چند مطالعات زیادی در خصوص سیستم های مهار انواع مختلف FRP ها انجام گرفته است و در برخی از آنها اینطور نتیجه گرفته شده است که مهار مورد استفاده کارایی لازم را داشته است اما در عمل نمی توان از آن سیستم استفاده کرد. دلیل این مساله این است که عملکرد سیستم به کار برده شده تا حد زیادی به ویژگی های FRP بستگی دارد و این مشخص شده است که FRP هایی که توسط تولید کنندگان مختلف تولید می شود ویژگی های متفاوتی از نظر مکانیکی دارند. حتی دیده شده است که ویژگی های FRP هایی که توسط یک تولید کننده ساخته شده است نیز تفاوت های چشمگیری با هم دارند. از آنجا که در جهت عرضی، FRP ها بسیار ضعیف هستند، رسیدن به یک سسیتم مهار که نیروی محوری که موجب آسیب دیدن رشته هایFRP نشود، دشوار است. اگرچه در برخی از مطالعات استفاده از مهارهای مکانیکی به دلیل سادگی توصیه شده است اما سیستم های مهار نوع پیوندی برای جلوگیری از تمرکز تنش و همچنین انتقال یکنواخت و امن نیرو از مهار به رشته های FRP بیشتر توصیه می شود.
تصویر شماره 4 – نمونه ای از مهار میلگرد CFRP
قیمت میلگرد CFRP
یکی از محدودیت های استفاده از محصولات ساخته شده از CFRP در صنعت قیمت بالای آن است. در حال حاضر هر کیلوگرم از فیبرکربن با مدول تنش 242 گیگا پاسکال حدود 15 دلار هزینه دارد. یعنی در حدود ده برابر فولاد ضد زنگ و آلومینیوم. اما با توجه به آنکه تقاضا برای مصرف CFRP ها رو به افزایش است، پیشرفت های خوبی در خصوص توسعه فرایندهای تولید مقرون به صرفه ی این ماده صورت گرفته است. یکی از روش هایی که پیشنهاد شده است استفاده از پلیمر لینین (Lignin) در ساخت CFRP ست. این پلیمر از مزایای زیاد مانند هزینه کم تولید، فراوان بودن و همچنین قابلیت بازیافت برخوردار است. هر چند هنوز ویژگی های مکانیکی فیبرهای کربن لینین بر مقایسه با فیبرهای کربن متداول ضعیف تر است اما تحقیقات انجام شده نشان می دهد که می توان با شناسایی انواع مناسب تری از لینین بر این نقاط ضعف غلبه کرد.