آشنایی با مفاهیم مرتبط با FRP
چکیده
با توجه به کاربرد روز افزون اشکال مختلف FRP در تقویت سازه های بتن آرمه، حتی کاربرد آنها در تقویت سازه های فولادی لزوم آشنایی با برخی از مفاهیم پایه در این مقوله ضروری به نظر می رسد.
مقدمه:
با آشنایی با مفهوم FRP ، لزوم آشنایی با برخی از مفاهیم چون کامپوزیت، پلیمر، رزین یا ماتریس، طبقه بندی FRP بر اساس فیبر یا الیاف تشکیل دهنده یا انواع رزینهای پلیمری تشکیل دهنده آن، مقایسه بین آنها، روشهای تولید، عوامل مؤثر در خواص مکانیکی لزوم دارد.
1- FRP چیست؟
این کلمه اختصاری از کلمات Fiber Reinforced Polymer or Plastic می باشد. به عبارت دیگر به یک ماده مرکب و کامپوزیتی اطلاق می شود که از فیبریا الیاف تقویتی و ماتریس (ماده در بر گیرنده) یا رزین از جنس پلیمر تشکیل شده است.
2- تاریخچه صنعت FRP در آمریکا و ظهور آن در صنعت ساختمان:
بعد از جنگ جهانی دوم ابتدا از FRP به صورت یک جسم شیشه ای جامد برای ساختن چوب ماهیگیری و گلف، پایک پرچم و چوب اسکی استفاده می شد به تدریج از FRP در ساخت تجهیزات الکتریکی به دلیل مقاومت کششی و فشاری بالا و قابلیت نارسایی (هادی نبودن) الکتریکی بالا مورد استفاده قرار گرفت و امروزه کاربردهای مختلف آن در تولیدات خانگی چون نردبان، کانالهای تهویه و ریلها به وضوح قابل ملاحظه است. به طور کامل می توان گفت FRP کاربردهای وسیعی در زمینه های مختلف چون خودروسازی، الکترونیک، پزشکی، هوا فضا، ساختمان سازی و ... دارد.
از اوایل دهه 1960 با گسترش احداث سازه های فرا ساحل و پلهای بزرگ که در معرض آب دریا که محیط خورنده ای است قرار دارند، محققان درصدد رفع بزرگترین عیب ورقه های تقویتی فلزی که همان خوردگی و زنگ زدن فولاد است، برآمدند. آنها برای حل این مشکل استفاده از ورقه های گالوانیزه (آلیاژ فولاد + روی) را توصیه کردند ولی این آلیاژ در یک محیط اسیدی واکنش شیمیایی داده و پیوند بین فولاد و روی گسسته می شود، شرکتهای مختلف برای حل این معضل پیشنهادات گوناگونی دادند. استفاده از اسپری الکترو استاتیک، چسبهای ترکیبی پودر شده، آغشته کردن فولاد به روغن چون لوله های گاز و ... تا این که اداره فدرال بزرگراه های ایالت متحده، استفاده از فولاد اپوکسی را توصیه کرد. در نهایت شرکت GFRP, Marshall-Vega را تولید و به بازار عرضه کرد. یکی از کاربردهای میلگردهای GFRP در ساخت محفظه MRI می باشد.
3- کامپوزیت چیست؟
به ماده ای اطلاق می شود که از 2 یا بیشتر ماده مجزا با نواحی قابل تشخیص و تفکیک از یکدیگر و یک سطح مشترک و در پاره ای موارد یک ناحیه واسط تشکیل می شود. FRP یک کامپوزیت است که برای افزایش چسبندگی الیاف یا فیبر تقویتی با ماتریس رزین معمولاً از اصلاح سطحی استفاده می شود. چوب را می توان یک کامپوزیت طبیعی در نظر گرفت و در یک نگاه کلی تر بتن آرمه نیز یک نوع کامپوزیت و متشکل از اجزای متمایز است.
4- پلیمر چیست؟
به یک زنجیره طویل از مولکولها که از یک یا چندین اتم که با یکدیگر از طریق پیوند کووالانسی متصل شده اند اطلاق می شود.
پلیمرها بر اساس روند تشکیل پیوند یا ترتیب نامنظم و غیر بلوری یا ترتیب تقریباً منظم و نیمه بلوری دارند و نسبت مولکولها در پلیمرها بستگی به انگیزش تصادفی آنها دارد. هر چه درجه حرارت زمان تشکیل پلیمر بالا می رود برانگیزش تصادفی نیز بیشتر می گردد.
4-1- روند تشکیل پیوند پلیمری با افزایش درجه حرارت
مراحل تشکیل پیوند پلیمری با افزایش درجه حرارت می توان به موارد زیر تقسیم بندی کرد :
1) مرحله شدیداً ویسکو الاستیک highly viscoelastic تغییر شکل های بزرک الاستیک با اندکی تغییر شکل ویسکوز دارند .
2) مرحله پلیمر شبیه لاستیک rubber like solid تغییر شکل های بزرگ الاستیک تحت برگذاری خارجی (مانند لاستیک )دارند.
3) مرحله غیر بلوری . amorphous
4) مرحله ی نیمه بلورین semi-crystalling
5) حالت مایع لزج viscous liquid state
6) نقطه ذوب بلور crystalline melting point
پلیمر های تشکیل دهنده ماتریس FRP به 2 دسته کلی زیر تقسیم می کنیم
1- پلیمر های ترموست یا Thetmosetting
2- پلیمرهای ترموپلاستیک یا Thermoplastic
به طور کلی هر چه نرخ بارگذاری افزایش با مدت بارگذاری کاهش و یا در جه حرارت زمان تشکیل کاهش می یابد رفتار پلیمر بدست آمده تردتر خواهد بود .
High loading tate or short duration of loading or low temperature → rigid brittle manner
Low loading rate or long duration of loding or high temperature → ductile manner
4-2- مزایای پلیمر ترموست یا Thermosetting
1) پلیمرهای ترموست نسبت به پلیمرهای ترموپلاستیک قابلیت و عملکرد تحمل بار در درجه حرارت و فشار بالاتر را دارند (به دلیل این که فرآیند تشکیل این گونه پلیمرها دارای مراحل مختلف تشکیل چون liquid state , low viscousity و ... می باشد)
٢) پلیمرهای ترموست دارای وزن مولکولی کم و به صورت مایع یا ویسکوزیته پایین هستند که با استفاده از رادیکالهای آزاد در پیوند آنها به صورت جامد در می آیند.
3) پلیمرهای ترموست پایداری حرارتی مناسبی دارند.
4) پلیمرهای ترموست دارای مقاومت شیمیایی مناسب هستند.
Good thermal stability & suitable chmical resistance
5) عملکرد مناسب در برابر خزش و آسودگی تنش
Creep & stress relaxation
4-2-1- معایب پلیمر ترموست یا Thermosetting
1- عمر کوتاه Short shelf life
2- بر اثر ترکیب با ماده عمل آوری یا Curing agent
الف) کرنش نهایی کم در زمان گسیختگی دارد
ب) مقاومت کم در برابر ضربه
4-3- مزایای پلیمر ترموپلاستیک یا Thermoplastic
1) مقاومت بالا در برابر ضربه High impact strength
2) مقاومت بالا در برابر گسیختگی High fracture resistance
3) عمر نهایی بالا به شرط دوری از رطوبت و خشک بودن آنها در زمان بهره برداری خواهند داشت.
4) سیکل (مراحل) تشکیل کمتری دارند.
5) به صورت مجدد و ثانویه نیز تشکیل می شوندSecondary formability
6) کار کردن با آن آسانتر و آسیب پذیری کمتری دارد.
Ease of haneling & damage tolerance
اما به طور کلی استفاده تجاری از پلیمر ترموپلاستیک کمتر صورت می گیرد به دلیل ویسکوزیته زیاد و عدم ترکیب مناسب با فیبرهای پیوسته به خصوص در 2 روش تولید FRP:
1) به صورت دور پیچ در آوردن چند رشته یا Filament
2) پلتروژن: معمولاً وزن ماتریس پلیمر25 تا 50 درصد وزن کل FRP را تشکیل می دهد هر چه این نسبت وزنی کمتر باشد عملکرد سازه ای FRP بهتر است.
4-4- انواع رزینهای پلیمری ترموست Thermosetting
4-4-1- پلیمرهای غیر اشباع Unsaturated polyester شامل:
1) پلی استر غیر اشباع یا Unsaturated polyester شامل:
الف) پلی استر اورتو Orthophthalic polyester
ب) پلی استر ایزو Isophthalic polyester
مزایای پلیمر ایزو نسبت به پلیمر اورتو
1- مقاومت حرارتی بالاتر
2- خواص مکانیکی اصلاح شده
3- مقاومت بیشتر در برابر رطوبت و عیب آن گران قیمت تر بودن آن است.
2) وینیل استر یا (VE) Vinylester : نسبت به پلی استرهای ایزو و اورتو گرانقیمت تر است ولی عملکرد شیمیایی و مکانیکی بهتری نسبت به آنها دارد خصوصاً چقرمگی Toughness ، انعطاف پذیری یا Flexibility و مقاومت مناسب در برابر محیطهای خورنده خصوصاً قلیایی ها با PH بالا مثل بتن دارند لذا بسیاری از محققان استفاده از این پلیمر را برای ساختن FRP توصیه می کنند.
3) پلیمر غیر اشباع BPA یا Bisphenol A fumatates : مزایای این پلیمر نسبت به سایر پلیمرهای غیر اشباع:
1. صلبیت بیشتر High rigidity
2. عملکرد حرارتی اصلاح شده Improved thermal performance
3. عملکرد شیمیایی اصلاح شده Improved chemical performance
4. دارای خاصیت Chlorendics به خاطر Chlorine می باشد که خسارات ناشی از آتش سوزی را به تعویق می اندازد به عبارت دیگر تأثیر آتش سوزی را کند تر می نماید و مقاومت شیمیایی مناسب نیز دارد.
4-4-2- پلیمرهای اشباع Saturated Polymers
1) اپوکسی: عمدتاً در صنعت هوا و فضا و دفاعی استفاده می شود و نوع مناسب این رزین به نام prepreg می باشد. پیوند بین اپوکسی و فیبر تقویتی با استفاده از سخت کننده ها یا عامل عمل آوری FRP تشکیل می شود. قیمت ماتریس اپوکسی تقریباً 2 برابر ماتریس پلی استر است.
4-4-2-1- مزایای استفاده از ماتریس اپوکسی:
1. خواص فیزیکی و مکانیکی متنوع به خاطر تنوع در مواد اولیه به کار رفته
2. هیچ گونه فرار منومر در مراحل تشکیل پلیمر وجود ندارد.
3. مقاومت شیمیایی و حلالیت خوبی دارد.
4. کمترین آبرفتگی را نسبت به سایر پلیمرها در طول عمل آوری دارا است.
5. چسبندگی مناسب با انواع مختلف فیبر تقویتی و پر کننده دارد.
4-4-2-2- معایب استفاده از پلیمر اپوکسی:
1. قیمت ماتریس اپوکسی عمومً از پلی استر ایزو و رزین وینیل استر بالاتر است.
2. اپوکسی بایستی به دقت در فرآیند تولید FRP بکار رود تا FRP مقاومت مناسبی در برابر رطوبت داشته باشد.
3. زمان عمل آوری و فرایند تولید FRP به حد کافی بلند باشد.
4. بعضی از سخت کننده ها برای افزایش مقاومت در زمان حمل FRP و برخی برای جلوگیری از واکنشهای سطحی و حساس باید در فرآیند تولید FRP بایستی به ماتریس اپوکسی اضافه شوند.
2) پلیمرهای آمینو
3) پلیمرهای فنولیک
4) پلیمرهای متاکریت
5) پلیمر اورتان
4-5- انواع رزینهای پلیمری ترموپلاستیک یا Thermoplastic
1. نایلون Naylon
2. پلی اتیلن Polyethylene
3. ترفتالیت Terephthalate
4. پلی پروپیلن Polypropilen
5. پلی وینیل کلراید Poly Vinyle Chloride (PVC)
کیفیت نهایی کامپوزیتها تا حد زیادی بستگی به خواص ماتریس پلیمری آن دارد از جمله ویسکوزیته، نقطه ذوب ، شرایط عمل آوری و ... خواص فیزیکی ماتزیس رزین در فرآیند تولید بایستی در نظر گرفته شود تا المان کامپوزیتی 3 بعدی مورد نظر به دست آید.
Adhesion promoter : عامل افزاینده چسبندگی بین فیبر تقویتی و ماتریس پلیمری رزین می باشد. در صورت عدم وجود فیبر یا الیاف تقویتی آبرفتگی بیش از حد در ماتریس رزین به وجود می آید که منجر به ایجاد ترک در کامپوزیت و عدم تحمل بار خارجی می گردد. فیلرها یا پر کننده ها در این میان می توانند به ماتریس اضافه شوند تا کمی نقش فیبر یا الیاف تقویتی را داشته و جلوی آبرفتگی بیش از حد ماتریس رزین را بگیرد. همچنین استفاده از فیلرها می تواند اصطکاک حجمی را کاهش داده و به ظرفیت باربری فیبرهای تقویتی کمک شایانی نماید. یکی از پارامترهای مهمی که در ساختمان رزین بایستی بدان توجه داشت ویسکوزیته است.
• ویسکوزیته ماتریس پلیمری با افزایش درجه حرارت معمولاً کاهش می یابد.
• پسبهای ترموست در مقابل درجه حرارت سخت هستند و با افزایش درجه حرارت به راحتی روان نمی گردند در صورتی که رزینهای ترموپلاستیک در مقابل حرارت ذوب و در اثر سرد شدن مجدد سخت می شوند.
5- نقش پر کننده یا Filler می توان آن را به ماتریس پلیمر اضافه کرد و نقش آن:
1. کاهش هزینه مصرف رزین Reduce resin cost
2. کنترل آبرفتگی Shirinkage control
3. اصلاح خواص مکانیکی Improve Mechanical properties
4. به تعویق انداختن خسارات ناشی از آتش سوزی Fire retardancy
5. اصلاح انتقال بار Improve load transfer
6. کاهش ترکها در نواحی که فیبر تقویتی وجود ندارد
Reduce craching in unreinforced areas
7. یکی از مزایای مهم استفاده از پر کننده ها، ممانعت از انتشار امواج ماورای بنفش UV inhibitors می باشد رس، کربنات کلسیم، خرده های شیشه را می توان به عنوان پر کننده استفاده کرد.
6- انواع فیبرهای تشکیل دهنده FRP
۶-1- فیبر شیشه ای یا Glass-Fiber
اولین فیبر مهم است که در مهندسی عمران استفاده می شود و به خاطر توازنی که بین قیمت و مقاومت آن وجود دارد کاربرد وسیعی پیدا کرده است. انواع آن عبارتند از:
1) E-Glass : نوعی فیبر شیشه ای که برای کارهای الکتریکی معتبر است.
متداول ترین نوع فیبر شیشه ای موجود در بازار است دارای مدول الاستیسیته E=70Gpa و مقاومت نهایی ….= 1500 to 2500 MPa و حداکثر کرنش نهایی
……= 1.8 to 3% دارد.
E-Glass از سیلیکات آلومینیم کلسیم به دست می آید. 80 تا 90 درصد تولیدات GFRP را تشکیل می دهد و کمترین مقدار مواد قلیایی در ترکیب آن به کار رفته است.
2) Z-Glass : این نوع الیاف مقاومت بسیار زیادی در برابر محیطهای قلیایی دارند و به صورت الیافی برای مسلح کردن بتن آرمه به کار می رود.
3) A-Glass : نوعی فیبر شیشه ای است که درصد مواد قلیایی به کار رفته در ترکیب آن زیاد است و امروزه از چرخه تولید خارج شده است.
فیبر پر مقاومت S2 و ECR Glass که همان E-Glass اصلاح شده و دارای مقاومت مناسب در برابر اسیدها است.
4) S-Glass : سیلیکات آلومینیم مغناطیسی است. مقاومت بالا، عملکرد حرارتی مناسب و اصلاح سطحی دارد گرانقیمت ترین نوع GFRP می باشد و نیاز به کنترل کیفیت خاص در زمان تولید دارد و بیشتر کاربرد نظامی دارد.
5) GFRP : از بارو سیلیکات سود آهک به دست می آید. پایداری شیمیایی مناسب در برابر محیط خورنده دارد.
GFRP به اشکال مختلف چون سوزن پانچ ، stiched ، کشبافی شده، چسبیده شده، چند محوره، چند لا می باشد.
مدول الاستیسیته یک رشته منفرد Eglass در حدود 73 Gpa می باشد. ماکزیمم کرنش نهایی آن 5/2 تا 3 درصد می باشد و اگر GFRP در معرض محیط خورنده با PH بالا قرار گیرد روی دوام آن تأثیر گذار است.
6-2- فیبر کربنی یا GFRP
از قیر ارزان می باشد (که از تقطیر زغال سنگ به دست می آید) ولی مدول الاستیسیته پایین دارد PAN– (….= 2.1% , ….= 765 to 2350 Mpa , E 37.5 to 140 Gpa و ابریشم مصنوعی ساخته می شود. برای تشکیل این نوع فیبر به درجه حرارتی دست کم 1000 …. احتیاج است. اکثر فیبرهای مصنوعی در این درجه حرارت ذوب و تبخیر می شوند ولی فیبر کربنی به دلیل داشتن اکریلیک همچنان باقی می ماند. 3 تیپ دارد:
نوع 1) یا مدول بالا(….=0.5%, ….=2000Mpa, E=380 Gpa)
نوع 2) یا مقاومت بالا (….=1%, ….=2800Mpa, E=240 Gpa)
نوع 3) مقاومت و مدول الاستیسیته بینابین دارد.
عنصر سازنده GFRP گرافین است که در فیبر کربنی دارای ساختار 2 بعدی است. اگر گرافین ساختار 3 بعدی و به صورت 6 ضلعی داشته باشد، بدان گرافیت می گویند که در صنعت مدادسازی از آن استفاده می شود.
Rayon و قیر همسانگرد در ساخت GFRP با مدول پایین (حدود 50GPa) استفاده می شوند که مدول فیبر کربنی با اصلاح حرارتی در درجه حرارت بین 1000 تا …. 3000 افزایش می یابد.
با PAN قیر ناهمسانگرد یا mesophase فیبر کربنی نوع 2 با مقاومت بالا در درجه حرارت حدود … 1500 به دست می آید.
جهت قرار گیری گرافین در راستای فیبر کربن تعیین کننده مدول فیبر می باشد و جهت قرار گیری گرافین روی رطوبت سطحی و چسبندگی با ماتریس نیز تأثیر می گذارد. الیاف کربنی با رزین به خوبی خیس نمی شوند بنابراین اصلاح سطحی بایستی بر روی آنها انجام شود.
نوع خاصی فیبر کربنی به نام Tows متشکل از 1000 تا 200 هزار الیاف یا تار کربنی است.
کلمات کلیدی : تقویت بتن ، مقاوم سازی با الیاف frp ، ترمیم و تقویت بتن با frp ، تقویت تیر با frp ، تقویت ستون با frp ، تقویت دال با frp ، تقویت سقف با frp ، تقویت دال با frp ، تقویت دیوار برشی با frp،تقویت پل با frp ، تقویت فونداسیون با frp ، کامپوزیت frp ، الیاف کربن ، الیاف شیشه ، بازسازی بتن ، ورقه های frp ،اف ار پی کامپوزیت پلیمری frp ، الیاف اف ار پی ، بهسازی بتن ، رزین اپوکسی ، الیاف آرامید ، مواد مرکب frp، تقویت سازه بتنی ،cfrp ، gfrp ،afrp ، مقاوم سازی با frp ، روش اجرای frp ، الیاف بازالت ، ترمیم بتن ، مقاوم سازی تیر ، مقاوم سازی ستون ، مقاوم سازی دال ، مقاوم سازی سقف ، مقاوم سازی فنداسیون ، مقاوم سازی مخزن ، مقاوم سازی پل، گروه مهندسی زیگورات، انستیتو تخصصی بتن و مقاوم سازی
