در این میان جهت مقاوم سازی ساختمان، می‌توان از روش نوین FRP (مواد مرکب پلیمری تقویت‌شده با الیاف) که امروزه در میان مهندسان از جایگاه ویژه ای برخوردار است بهره گرفت. کامپوزیت FRP با داشتن ویژگی های ممتازی چون نسبت بالای مقاومت به وزن، دوام در برابر خوردگی، سرعت و سهولت در حمل و نصب مورد اقبال مهندسان قرارگرفته به‌گونه‌ای که امروزه سازه های متعددی در دنیا با استفاده از کامپوزیت FRP مقاوم سازی می‌شوند.

تاریخچه ی صنعت پیش ساخته

با توجه به رشد جمعیت و نیاز روزافزون به مسکن و مهاجرت به شهر ها، تحولات بنیادین و عمیق در صنعت ساختمان سازی نوین تحت عنوان پیش ساخته به‌سرعت جایگاه خود را در صنعت ساختمان باز کرد تا جایی که در حال حاضر در برخی کشور ها بیش از ۷۰ درصد ساختمان سازی با استفاده از این روش هست.

سال هاست که این روش نوین در کشورهای اروپایی و پیشرفته ی دنیا مورداستفاده قرار می‌گیرد و با آزمایش های فنی و تجربه های قابل قبولی که به‌دست‌آمده، جایگاه خود را استحکام بخشیده است. خصوصاً باوجود حوادث طبیعی از سویی و ضرورت های اقتصادی از سوی دیگر، صنعت ساخت مسکن به سمت هرچه بیشتر از این قبیل مصالح باهدف سبک سازی، کاهش زمان ساخت و صرفه جویی در انرژی حرکت کرده است.

سازه های بتنی پیش ساخته

بنا به تعریف بتن پیش ساخته عبارت است از بتنی که ساخت، قالب ریزی و عمل آوری آن در محلی غیر از محل پروژه انجام پذیرد. ساخت این نوع بتن باید تحت شرایط کنترل انجام  گیرد و روند تولید آن به‌صورت مرحله‌به‌مرحله مورد بازرسی، کنترل و نظارت قرار می‌گیرد. در حالت کلی سازه های بتنی پیش ساخته به‌واسطه اتصال مناسب اعضای پیش ساخته تشکیل می‌شوند که در این حالت سازه با اسکلت‌بندی مناسب و مقاوم در برابر بارهای ناشی از باد و زلزله حاصل می‌گردد. از سازه های بتنی پیش ساخته می‌توان در ساختمان های با کاربری های مختلف اعم از مسکونی، اداری، پارکینگ، مدارس و غیره استفاده نمود.

مزایا و معایب سازه های بتن پیش ساخته

افزایش اعضای سازه ای به دلیل قابلیت کنترل و دقت زیاد در تولید صنعتی آن
کوتاه بودن مدت ساخت و مونتاژ
ساخت بیشترین قسمت ساختمان در کارخانه و کم شدن هزینه های کارگاهی
قابلیت حمل‌ونقل قطعات پیش ساخته

از معایب این سازه می‌توان به نکات زیر اشاره کرد

اجزای بتن آرمه در ساختمان های پیش ساخته بتنی در شرایط نامناسب محیطی معمولاً در طول بهره برداری موجب خوردگی فولاد داخلی اجزا می‌شود.
اغلب باگذشت زمان و خرابی های بتن، ساختمان های پیش ساخته بتنی نیازمند تعمیر، نگهداری و تقویت اعضا می‌شود.
سازه به علت تغییر کاربری، تضعیف و یا تخریب اعضا و عدم رعایت نکات طراحی ازجمله طراحی لرزه ای نیازمند تقویت جز و یا کل سازه می‌شود.

مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

مقوله بهبود و ارتقای کیفی زیرساخت‌های دانش مهندسی ساختمان یکی از مهم‌ترین موارد صنعت ساختمان هست. خراب شدن و از بین رفتن ستون پل ها، تیرها، ستون‌ها و دیوارها و غیره به مواردی همچون بالا رفتن سن سازه، عوامل مضر و مخرب محیطی، طراحی و اجرای ضعیف، نگهداری نامناسب از ساختمان و زلزله نسبت داده می‌شود. در این شرایط مقاوم سازی ساختمان به‌ویژه در مناطقی که خطر نسبی زلزله در آن ها بالا است از اهمیت ویژه برخوردار است.

پیشرفت های اخیر درزمینه‌ی فنّاوری تقویت سازه ها، بسیار چشمگیر بوده است. یکی از این روش ها استفاده از کامپوزیت پلیمری FRP است که در حال حاضر ازنظر مهندسین، بسیار کارآمد و نویدبخش است. از دلایل عمده استفاده از کامپوزیت پلیمری FRP برای مقاوم¬سازی ساختمان پیش ساخته بتنی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ایمنی و مصونیت در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی
• وزن کم (در حدود یک‌چهارم فولاد)
• کاربرد راحت تر در فضاهایی با دسترسی محدود
• عدم نیاز به داربست و جک
• پایین آوردن هزینه ی نیروی کار
• مقاومت کششی بسیار بالا در برابر بارگذاری کوتاه‌مدت و بلندمدت
• قابلیت تغییر شکل بالا، دسترسی مناسب به ابعاد و اندازه های گوناگون FRP

مواد و مصالح مربوط به مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

چسب ها

دلیل استفاده از چسب، به وجود آوردن انتقال نیروی برشی بین سطوح بتنی و مواد مرکب تقویت‌کننده است. از متداول ترین چسب های سازه ای می‌توان به چسب ها اپوکسی اشاره کرد.

رزین

این مواد نقش بسیار مهمی در خواص مکانیکی کامپوزیت ها دارند. حفاظت از الیاف و پخش بار های وارده از دیگر نقش های رزین است.

الیاف

عموماً سه گروه عمده از الیاف هستند که برای مقاوم سازی در مهندسی ساختمان به کار گرفته می‌شوند که عبارت اند از شیشه، آرامید و کربن. محدوده چگالی مواد FRP از ۱٫۲ تا ۲٫۱ گرم بر سانتیمتر مکعب بوده که تقریباً حدود ۴ تا ۶ برابر کمتر از چگالی فولاد (۷٫۹) است. این کاهش در وزن منجر به کاهش هزینه حمل‌ونقل، کاهش وزن بار مرده اعمال‌شده به سازه و امکان حمل‌ونقل و نصب در کارگاه به‌صورت دستی می‌شود.

مصالح کامپوزیت FRP

مصالح کامپوزیت FRP (الیاف و رزین) مشتمل بر تعداد زیادی الیاف کوچک، پیوسته که در یک رزین قرار دارد. بسته به نوع الیاف که آن ها را AFRP (الیاف بر پایه آرامید)، CFRP (الیاف در پایه کربن) و GFRP (الیاف بر پایه شیشه) می‌نامند. الیاف به‌کاررفته نقش اساسی را در تحمل تنش بر عهده‌دارند و رزین به‌کاررفته تنش رابین تارهای مختلف پخش می‌کند و آن ها را در کنار هم نگه می‌دارد.

اساس طراحی و اجرا مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

مقاوم سازی سازه های بتنی با سیستم FRP یک روش کارآمد بوده که بر پایه عملکرد مرکب بین یک عضو بتن مسلح و FRP چسبیده شده بر سطح بتن هست. جهت تضمین ایمنی سازه لازم است که از یک سیستم FRP مناسب استفاده شود و این سیستم به‌دقت طراحی و اجرا گردد. حالت و شرایط عضو قبل از مقاوم سازی مهم است چراکه ممکن است سازه قبل از مقاوم سازی به یکسری عملیات ترمیمی، نیاز داشته باشد.
باید همواره دقت شود که سیستم کامپوزیت FRP مناسب برای مقاوم‌سازی انتخاب شود، علاوه بر آن مهندس پروژه نیز باید دارای تجربه ی کافی در تقویت سازه باشد و با مواد تشکیل دهنده کامپوزیت FRP، رفتار سازه ها و ایمنی آن ها آشنایی کافی داشته باشد. برای طراحی باید همه شرایط لازم و ترکیب بارهای مختلف موردتوجه قرار گیرد.

طراحی کامپوزیت FRP دارای دو جنبه است، یکی بررسی اثرات تقویت‌کننده در مقطع (طراحی با فرض عملکرد کامل کامپوزیت) و دوم توانایی انتقال نیرو ها به‌وسیله اتصال بین دولایه FRP و بتن. در استفاده از دستگاه‌های کامپوزیت FRP باید آسیب های ممکن مشخص‌شده و علت این نقایص معلوم شود و در صورت لزوم‌ترمیم مناسب صورت گیرد.

تقویت خمشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

اعضای پیش ساخته بتن آرمه، مانند تیر ها و ستون ها، تحت خمش با استفاده از کامپوزیت های FRP که توسط اپوکسی به ناحیه¬ی کششی چسبیده اند و دارای الیاف های با راستای موازی با جهت تنش های کششی ماکزیمم هستند، تقویت می‌شوند.

برای طراحی کامپوزیت FRP جهت تقویت سازه پیش ساخته بتنی ابتدا لنگر طراحی مقاوم در عضو قبل از مقاوم سازی تعیین‌شده و از لنگر طراحی لازم برای مقاوم سازی سطح مقطع لازم کامپوزیت FRP تعیین می‌شود. سطح مقطع کامپوزیت FRP باید ارضاکننده‌ی ماکزیمم خیز اعضا باشد، علاوه برخیز سطح مقطع FRP باید جواب گوی تنش های ایجادشده نیز باشد.

تقویت برشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

مقاوم سازی برشی اعضای بتن آرمه با استفاده از کامپوزیت FRP به وسیله ی چسباندن تقویت‌کننده‌های خارجی در راستای اصلی الیاف ها، موازی با ماکزیمم تنش های کششی اصلی صورت می‌گیرد.

اعضای سازه ای که تحت بار جانبی قرار می‌گیرند، بار وارده بر عضو عمود بر محور عضو است بااین‌حال معمولاً کامپوزیت FRP به‌طور عملی به‌گونه‌ای طراحی و نصب می‌شود که راستای الیاف ها عمود بر محور عضو باشد.

محصوریت اعضای فشاری در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

عموماً محصوریت برای اعضای تحت‌فشار کاربرد داشته و باهدف افزایش ظرفیت تحمل بار، یا در مورد مقاوم سازی لرزه ای، جهت افزایش شکل پذیری استفاده می‌شود. افزایش اثر محصوریت، مقاومت و شکل پذیری بتن را افزایش داده و به علاوه از لغزش و کمانش آرماتور های طولی جلوگیری می‌کند. لازم به ذکر است که در مسائل لرزه ای روش های مقاوم سازی موجود عموماً بر اساس افزایش فشار محصورت در نواحی محل تشکیل مفصل پلاستیک و مناطق وصله آرماتور های طولی صورت می‌گیرد.

در نواحی زلزله‌خیز، اغلب طراحی ستون های پیش ساخته درگذشته فقط بر اساس جنبه های مقاومتی در نظر گرفته‌شده‌اند و از اثر شکل پذیری که تضمین‌کننده پایداری سازه است لحاظ نگردیده است، لذا بیشتر این ستون ها نیاز به مقاوم سازی دارند.

محصورت ستون های بتن آرمه یا اعضای مشابه آن مانند دودکش ها و کوره ها و غیره با کامپوزیت FRP به‌طور قابل‌توجهی عملکرد محوری، خمشی وبرشی آن را بالا می‌برد، زیرا موجب افزایش مقاومت فشاری بتن، شکل پذیری، مقاومت برشی و مقاومت در برابر کمانش آرماتور های فولادی تحت‌فشار می‌شود.

در مورد الیاف کامپوزیت FRP می‌توان گفت که الیاف های کربن در افزایش مقاومت نسبت به دو الیاف شیشه و آرامید اثر بهتری داشته ولی ازلحاظ افزایش شکل پذیری، الیاف شیشه اثر بهتری خواهد داشت.

محصوریت ستون های بتنی پیش ساخته

محصوریت ستون های بتنی پیش ساخته به‌وسیله‌ی کامپوزیت FRP قابل‌دستیابی است که منجر به وقوع شرایط زیر می‌شود:

1. افزایش مقاومت بتن و همچنین ظرفیت تغییر شکل آن
2. جلوگیری از جداشدگی و پوسته‌پوسته شدن پوشش بتن

مقاوم سازی خمشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

خمشی اعضای پیش ساخته ساختمان های بتنی، از طریق قرار دادن کامپوزیت FRP در محل طراحی‌شده و چسباندن آن در وجوه تحتانی و فوقانی و حتی جانبی عضو تحت خمش صورت می‌گیرد. درصورتی‌که بر اساس محاسبات مجبور به استفاده از چندلایه کامپوزیت FRP جهت تقویت اعضا شویم، باید با ایجاد همپوشانی کافی هر لایه، بعد از لایه ی دیگر قرار گیرد به این صورت که لایه ی دوم دقیقه روی لایه ی اول نصب شود.

مقاوم سازی برشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

در مقاوم سازی اعضای بتنی تحت برش، کامپوزیت FRP معمولاً در سه یا چهار وجه اعضا چسبانده می‌شود.

مقاومت فشاری در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

اعضای فشاری را می‌توان با استفاده از کامپوزیت FRP که به‌صورت افقی و یا مارپیچ در طول المان قرارگرفته‌اند، مقاوم سازی کرد. می‌توان جهت افزایش عملکرد مقاوم سازی با کامپوزیت FRP، از ترکیب قرارگیری کامپوزیت در راستای طولی و عرضی استفاده کرد. هرگاه بار وارده به ستون بتنی پیش ساخته تحت خروج از مرکزیت زیادی باشد، می‌توان کامپوزیت FRP را به طور مستقیم در راستای طولی عضو استفاده کرد و مهار این الیاف را با الیاف های عرض در بالا و پایین ستون انجام داد.

نوشته مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP اولین بار در مقاوم سازی تکنوپل. پدیدار شد.

• الیاف یا تقویت کننده
• ماتریس یا پر کننده
• چسب

محصول ترکیب الیاف و انواع ماتریس ماده ای با دانسیته ی کم به همراه مقاومت کششی و فشاری بالا است. ماتریس نسبت به الیاف از سختی و استحکام کمتری برخوردار است. دسته بندی انواع کامپوزیت ها از نظر فاز تقویت کننده و فاز زمینه متفاوت می‌باشد. انواع کامپوزیت ها از لحاظ فاز زمینه به سه دسته ی سرامیکی، پلیمری و فلزی تقسیم بندی شده و از لحاظ فاز تقویت کننده به دو دسته تقویت شده با فیبر و تقویت شده با ذرات دسته بندی می‌شود. کامپوزیت های پلیمری از یک رزین پلیمری پلاستیک مانند رزین اپوکسی، رزین پلی استر و … به عنوان زمینه تشکیل شده است که برای دریافت اطلاعات دقیق تر از کاربرد رزین اپوکسی به صفحات دیگر سر بزنید.

از مزایای این نوع کامپوزیت سهولت ساخت و هزینه کم می‌باشد. کامپوزیت سرامیکی با توجه به مقاومت بالا در برابر اکسایش در دمای بالا بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش های شدید می‌باشد. عمده ترین کاموزیت سرامیکی اغلب کاموزیت کربن-کربن و کامپوزیت آلومینا می‌باشند. کامپوزیت فلزی نیز از یک فلز انعطاف پذیر مانند آلیاژ آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم و مس ساخته می‌شود. کامپوزیت فلزی دارای مقاومت بیشتر در برابر سیالات آلی دارد.

کامپوزیت تقویت شده با فیبر موسوم به کامپوزیت های رشته نیز می‌باشند که از استحکام و سفتی بالایی برخوردارند. استحکام ویژه و مدول ویژه ی این دسته از انواع کامپوزیت ها بستگی به طول رشته مواد تقویت کننده دارد. کامپوزیت تقویت شده با ذرات نیز کامپوزیتی است که فاز پراکنده شده در کامپوزیت هم جهت و هم محور با ذرات می‌باشد. این ذرات حرکت و جابجایی فاز زمینه را در مجاور خود متوقف می‌نماید. کیفیت خاصیت مکانیکی این دسته از کامپوزیت ها به استحکام پیوند ما بین یا در فصل مشترک ذرات با فاز زمینه دارد. انواع کامپوزیت ها تقویت شده با ذرات به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• کامپوزیت های درشت ذره
• کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات

که از نظر کیفیت مکانیکی دسته ی دوم ممتاز تر است.

طبقه بندی انواع کامپوزیت ها ی مهندسی با توجه به فاز زمینه یا ماتریس:

• کامپوزیت پلیمری
• کامپوزیت سرامیکی
• کامپوزیت فلزی

کامپوزیت های پلیمری PMC

کامپوزیت های زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری پلاستیک مانند رزین اپوکسی، رزین پلی استر، رزین فنولیک و … همراه با رشته هایی به عنوان عامل تقویت کننده نیز تشکیل می‌شود. رشته یا الیاف در این نوع از کامپوزیت می‌تواند کربن، شیشه و یا آرامید باشد. از بین این آن ها، الیاف کربن نیز دارای استحکام و مدول ویژه بیشتری که دو پارامتر مهم در میزان خاصیت مکانیکی می‌باشد برخوردار است.

کامپوزیت های پلیمری با توجه به خصوصیات مکانیکی بالایی که دارند در بسیاری از صنایع کاربرد دارند. در صنعت عمران برای مقاوم سازی و تقویت سازه ها استفاده از کامپوزیت های پلیمری تحت عنوان CFRRP و GFRP نیز رواج دارد زیرا علاوه بر بالا بردن مقاومت سازه سبب افزایش مقاومت سازه در برابر محیط های خورنده و اسیدی می‌شوند. استفاده از این کامپوزیت ها هم چنین کامپوزیت ساخته شده با الیاف شیشه و کربن عایق الکتریکی و حرارتی می‌باشند.

کامپوزیت های پلیمری در صنایع هوافضا، خودروسازی، صنایع دریایی،صنایع پزشکی و … کاربرد دارد. در کامپوزیت های پلیمری علاوه بر الیاف نام برده از رشته های بور، سیلسیم،کاربید و اکسید آلومینوم نیز استفاده می‌شود. رشته یبور در ساختن قطعات هواپیمایی و برخی وسایل ورزشی مورد استفاده قرار می‌گیرد هم چنین از رشته ی کاربید در راکت های تنیس نیز استفاده می‌شود.

کامپوزیت های سرامیکی CMC

کامپوزیت های زمینه سرامیکی از انواع سرامیک از جمله سرامیک شیشه، کربن، کاربید سیلیسیوم،آلومینات ها و اکسید ها به عنوان فاز زمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین تقویت کننده های مورد استفاده کاربیدها، بورید ها، کربن و نیترید ها می‌باشند. به دلیل بالا بودن مقاومت این دسته از کامپوزیت ها در برابر اکسایش در دمای بالا، کامپوزیت های زمینه سرامیکی را در دما و تنش شدید مورد استفاده قرار می‌دهند. شایان ذکر است که تنها کامپوزیت هایی که در دمای بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ می‌نمایند. سیمان و بتن از جمله کامپوزیت های سرامیکی می‌باشد.

مزایای کامپوزیت سرامیکی

• چگالی پایین
• استحکام و سختی بالا و مقاوم بودن در برابر فرسایش
• مقاومت در دمای بالا
• بالاتر بودن مدول الاستیک نسبت به سایر فلزات و پلیمر ها
• پایین بودن ضریب انبساط حرارتی و هدایت الکتریکی

معایب کامپوزیت سرامیکی

• ضعیف بودن در برابر ضربه
• مقاوم نبودن در برابر بار های کششی
• انعطاف پذیری پایین و ترد بودن
• شکننده تحت بار های مکانیکی و شوک حرارتی

مقایسه ی نسبت مدول الاستیسیته ی تقویت کننده و زمینه در انواع کامپوزیت ها ی سرامیکی، پلیمری و فلزی:

نسبت مدول الاستیسیته تقویت کننده به فاز زمینه در کامپوزیت های سرامیکی نزدیک به یک می‌باشد. در حالی که در کامپوزیت های زمینه فلزی و پلیمری در محدوده ی ۱۰ تا ۱۰۰ می‌باشد. در نتیجه بالا بودن نسبت مدول در کامپوزیت زمینه پلیمر و فلز باعث انتقال بار از زمینه به تقویت کننده می‌شود. در حالیکه در کامپوزیت سرامیکی با نسبت مدول قریب به یک، زمینه و تقویت کننده در تحمل بار فرقی ندارند.

در نتیجه هدف از ساخت کامپوزیت سرامیکی افزایش استحکام نمی‌باشد مگر کامپوزیت هایی که زمینه ی آن ها مانند شیشه دارای مدول الاستیسیته ی کمی باشد.

روش تولید کامپوزیت زمینه سرامیکی

• پرس کاری گرم
• پرس کاری ایزواستاتیک گرم
• زینتر کردن فاز مذاب

کامپوزیت های زمینه فلزی MMC

فاز زمینه در کامپوزیت فلزی یک فلز انعطاف پذیر مانند آلیاژ ها می‌باشد. مواد تقویت کننده که حدود ۱۰ تا ۶۰ درصد حجمی کامپوزیت فلزی را تشکیل میدهند، به اشکال ذرات، رشته های پیوسته مانند (کاربید سیلیسیم، کربن، بور و …)، رشته های ناپیوسته (ذرات مواد تشکیل دهنده ی رشته ی پیوسته) و یا ویکسر ها می‌باشند. ویسکر ها تک بلورهای بسیار نازک که نسبت طول به قطر آنها فوق العاده زیاد است می‌باشند. مقاومت بیشتر به حملات شیمیایی، دمای عملکرد بالاتر و شعله پذیر نبودن این نوع از کامپوزیت نسبت به کامپوزیت پلیمری سبب قیمت بالاتر و مصرف محدود تر آن شده است. سوپرآلیاژ الومینیوم، تیتانیوم، منیزیم و مس به عنوان مواد زمینه در این نوع کامپوزیت کاربرد دارند.

 کاربرد کامپوزیت فلزی در صنایع:

• در صنعت خودرو سازی برای ساخت بعضی از قطعات موتور از زمینه های آلیاژی الومینیوم تقویت شده با رشته ی آلومینا و کربن استفاده می‌کنند که محصول سبک تر و مقاومت بالاتر در برابر سایش و اعوجاج حرارتی دارد.
• در صنایع هوافضا در ساخت قطعات تلسکوپ فضایی بهره می‌گیرند.

طبقه بندی کامپوزیت های مهندسی با توجه به مواد تقویت کننده :

• کامپوزیت تقویت شده با فیبر FPC
• کامپوزیت تقویت شده با ذرات PRC
• کامپوزیت های درشت ذره
• کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات

کامپوزیت تقویت شده با فیبر FRC : (چاپد ها)

بهترین کامپوزیت ها آن هایی هستند که دارای فاز تقویت کننده به شکل رشته ای هستند. کامپوزیت های تقویت شده ی رشته ای از استحکام و مدول بالایی (خواص مکانیکی) برخوردارند که این دو ویژگی بر اساس طول رشته تعیین می‌گردد. موادی که در این کامپوزیت ها نقش تقویت کننده را دارند مقاومت و استحکام کششی بالایی دارند. خواص مکانیکی این کامپوزیت ها وابسته به خواص رشته و میزان نیروی منتقل شده از جانب فاز زمینه و هم چنین درصد حجمی فاز زمینه می‌باشد. در کلمپوزیت متشکل از مواد تقویت کننده هرچه قطر رشته کوچکتر باشد رشته قوی تر و مستحکم تر لز ماده ی زمینه خواهد بود.

تقسیم بندی رشته ها با توجه به قطر و مشخصه ی آن ها

• ویکسر ها : تک بلور هایی هستند که نسبت طول به قطر آن ها خیلی زیاد است. ویکسر ها مستحکم ترین موادی که تا به حال شناخته شده می‌باشند. گرافیت، کاربید سیلسیوم، اکسید آلومینیوم از جمله ویکسر ها می‌باشند.
• رشته ها
• سیم ها

کامپوزیت تقویت شده با ذرات PRC

در کامپوزیت تقویت شده با ذرات، ذرات با فاز پخش شونده یا همان فاز زمینه هم جهت و هم سو هستند. با توجه به مکانیزم استحکام و تقویتی این کامپوزیت به دو دسته تقسیم بندی می‌شود:

• کامپوزیت های درشت ذره : در این نوع کامپوزیت فعل و انفعالات بین زمینه و ذره نمی‌تواند در مقیاس اتمی و مولکولی باشد. در این نوع کامپوزیت فاز تقویت کننده سخت تر و سفت تر از زمینه می‌باشد به نحوی که این ذرات حرکت و جابجایی فاز زمینه رت در مجاور خود متوقف و مهار می‌کند. فاز زمینه نیز مقداری از تنش اعمال شده را به ذرات منتقل می‌نمایند.

• کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات :

ذرات تقویت کننده در کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات بسیلر ریز و اندازه ی ان ها حدود ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر می‌باشد. فعل و انفعال بین ذرات ریز و زمینه در مقیاس اتمی و مولکولی صورت می‌گیرد و همین امر مسبب استحکام این نوع کامپوزیت می‌باشد. در نهایت تغییر شکل بسیار کم و استحکام کششی بهبود می‌یابد.

سوالات متداول

نوشته معرفی کامل انواع کامپوزیت ها اولین بار در مقاوم سازی تکنوپل. پدیدار شد.

پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP)، با خواص استثنایی و کاربردهای همه کاره خود، صنایع مختلف را متحول کرده‌اند. مواد FRP که در اواسط قرن بیستم به وجود آمدند، ماتریس‌های پلیمری را با الیاف تقویت کننده مانند شیشه، کربن یا آرامید ترکیب می‌کنند و محصولات نهایی منحصر به فرد با ویژگی‌های عالی و مناسب برای اجرای حساس‌ترین طرح‌های مقاوم‌سازی را ارائه می‌دهند. با گزر زمان، تکامل تکنیک‌های تولید FRP مانند روش پالتروژن  (Pultrusion) و انتقال رزین، تولید انبوه اجزای FRP را تسهیل و ثبات و کیفیت محصولات آن را تضمین می‌کند.

کامپوزیت‎ و دیگر انواع محصولات FRP، با مزایایی چون نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت در برابر خوردگی، انعطاف‌پذیری طراحی و عایق الکتریکی،کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف به خصوص صنایع عمرانی، پیدا کرده است. توانایی آن در مقاومت در برابر محیط‌های خشن، مقاومت در برابر خوردگی و ارائه آزادی طراحی، آن را به انتخابی جذاب برای مهندسان و طراحانی که به دنبال راه‌حل‌های مقاوم‌سازی نوآورانه هستند تبدیل می‌کند.

از آنجایی که تقاضا برای مواد و متریال‌های مقاوم‌سازی سبک وزن، بادوام و قابل تنظیم در حال رشد است، مواد تقویت کننده FRP، همچنان در خط مقدم پیشرفت‌های تکنولوژیک باقی می‌ماند و آینده مهندسی و ساخت و ساز مدرن را شکل می‌دهد.

تاریخچه FRP

برای اولین بار مصریان باستان و ساکنین بین النهرین ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح از مواد کامپوزیتی (ترکیب گل و کاه) برای ساخت خانه های مستحکم و با دوام استفاده کردند. کاه به عنوان ماده ی تامین کننده ی مقاومت در محصولات کامپوزیتی باستانی نظیر سفالگری و ساخت قایق ها نیز مورد استفاده قرار می‌گرفت.

مغول ها قرن ها بعد و در سال ۱۲۰۰ بعد از میلاد مسیح، اولین کمان کامپوزیتی را با استفاده از چوب، استخوان و چسب حیوانی اختراع کردند. این نوع از کمان با دقت خوب خود به پیشروی لشگر چنگیز خان مغول درجنگ ها بسیار کمک کرد.

مواد کامپوزیت FRP مربوط به اوایل دهه ۱۹۴۰ در صنایع دفاعی، به ویژه برای استفاده در هوافضا و برنامه های دریایی است. نیروی هوایی و نیروی دریایی ایالات متحده از مقاومت بالا نسبت به وزن، مقاومت در برابر آب و هوا و مقاومت در برابر اثرات خورنده هوا و نمک دریا استفاده کردند.

تا سال ۱۹۴۵، بیش از هفت میلیون پوند فایبرگلاس، عمدتا برای کاربردهای نظامی مورد استفاده قرار گرفت. در ادامه مزایای کامپوزیت های FRP، به ویژه مقاومت در برابر خوردگی آنها، برای بخش عمومی شناخته شد. به عنوان مثال، لوله فایبرگلاس، در سال ۱۹۴۸ برای مکانی که به یکی از گسترده ترین مناطق استفاده در کاربردهای مقاومت در برابر خوردگی تبدیل شده است، معرفی شد: صنعت نفت.

کامپوزیت های FRP حتی در شرایط فشار بالا و قطر بزرگ فرآوری شیمیایی، جایگزین مناسبی برای مصالح سنتی هستند. علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی بالاتر، لوله FRP دوام و مقاومت را ارائه می‌دهند، بنابراین نیاز به پوشش داخلی، پوشش های خارجی و یا محافظت کاتدی را از بین می‌برد. از اوایل دهه ۱۹۵۰، کامپوزیت های FRP به طور گسترده ای برای تجهیزات در صنایع مختلف مانند پردازش و ذخیره سازی مواد شیمیایی، کاغذ، نیرو، تصفیه پسماند، معدن، تصفیه فلزات و سایر بخش های تولیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دهه های پس از ۱۹۴۰ کاربردهای جدیدی برای کامپوزیت های FRP به ارمغان آورد. همان فناوری تولید کننده حلقه های پلاستیکی مقاوم سازی شده مورد نیاز بمب هسته ای در طول جنگ جهانی دوم، باعث تولید مواد کامپوزیتی FRP با عملکرد بالا برای کاربرد در موتورهای موشکی جامد و مخازن در دهه ۶۰ و ۷۰ شد. در سال ۱۹۵۳، اولین شورولت تولید شده با پانل های بدنه فایبرگلاس از خط مونتاژ خارج شد.

در حالی که اکثر اطلاعات تاریخی و مهم از نصب کامپوزیت FRP از صنایع هوا فضا، دریایی و مقاومت در برابر خوردگی حاصل می‌شود، کامپوزیت های FRP برای چندین دهه به عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گرفته است. اولین بار محصولات کامپوزیت FRP برای مقاوم سازی سازه های بتنی در اواسط دهه ۱۹۵۰ نشان داده شدند.

تولید الیاف کربن در اواخر دهه ۱۹۵۰ آغاز شد و از اوایل دهه ۱۹۶۰ در صنعت انگلیس مورد استفاده قرار گرفت، البته نه به طور گسترده. الیاف آرامید نیز در همین زمان تولید می‌شد که ابتدا با نام تجاری Nomex توسط DuPont ظاهر شد. امروزه، هر یک از این الیاف در صنعت برای کاربردهایی که به پلاستیک‌هایی با مقاومت خاص یا خاصیت ارتجاعی نیاز دارند، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. الیاف شیشه در تمام صنایع رایج ترین است، اگرچه کامپوزیت‌های الیاف کربن و الیاف کربن- آرامید به طور گسترده در کاربردهای خوب هوا فضا، خودرو و ورزش یافت می‌شوند. این سه مورد (شیشه، کربن و آرامید) همچنان دسته‌های مهم فیبر مورد استفاده در FRP هستند.

یکی دیگر از کاربردهای عمرانی FRP در بازسازی یا مرمت بناهای تاریخی است. نرده های نمای عقب کاخ سفید با استفاده از اجزای FRP مقاوم سازی شده است. ترمیم یا بازسازی گنبدها، مسجدها و سایر سازه ها از طریق این مصالح امکان پذیر است.

ظهور “عصر پلاستیک”

عصر نوین کامپوزیت ها هنگامی آغاز شد که دانشمندان پلاستیک ها را اختراع کردند. تا آن موقع گیاهان و حیوانات تنها منبع برای تهیه چسب (رزین ها) و اتصال دهنده ی ترکیبات کامپوزیتی بودند. در ابتدای قرن ۱۹ میلادی پلاستیک هایی همچون وینیل، پلی استایرن، فنولیک و پلی استر گسترش پیدا کردند.

این مواد پلاستیکی مصنوعی جایگزین بسیار خوبی برای چسب های بدست آمده از طبیعت بودند. هرچند پلاستیک ها به تنهایی نمی‌توانستند مقاومت کافی را برای برخی کاربردهای سازه ای تامین کنند، مواد تقویت کننده برای تامین مقاومت و سختی اضافی نیاز بود.

در سال ۱۹۳۵، Owens Corning اولین فیبر ساخته شده از شیشه یا فیبر شیشه ای را معرفی کرد. فیبر شیشه در ترکیب با یک پلیمر پلاستیکی، ساختار بسیار محکمی را ایجاد می‌کرد که در عین حال سبک هم بود. ساخت این ترکیب منجر به ظهور صنعت کامپوزیت FRP شد.

جنگ جهانی دوم – اولین نوع آوری ها در کامپوزیت FRP

جنگ جهانی سبب بسیاری از بزرگترین پیشرفت ها در حوزه ی مواد کامپوزیت با پایه پلیمر شد. همانطور که مغول ها اولین کمان کامپوزیتی را اختراع کردند، جهنگ جهانی دوم و نیاز به مواد جایگزین برای ساخت جنگنده سبک، صنعت مواد FRP را از داخل آزمایشگاه به خط تولید محصولات منتقل کرد.

مهندسین به سرعت به مزایای دیگر کامپوزیت ها علاوه بر وزن سبک و مقاومت بالا پی بردند. برای مثال، مهندسین کشف کردند که کامپوزیت های فیبر شیشه عبوردهنده ی فرکانس های رادیویی می‌باشند و به زودی این نوع از مواد برای حفاظت تجهیزات رادارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفت.

محصولات FRP: از “عصر فضا” تا “زندگی روزمره”

بعد از جنگ جهانی دوم ، صنعت نوپای کامپوزیت FRP (اف ار پی) به سرعت پیشرفت خود را ادامه داد. در این زمان و با کاهش تقاضا برای محصولات نظامی، تعدادی از مخترعین تلاش کردند تا کامپوزیت های پلیمری را به بازار های دیگر معرفی کنند. ساخت قایق یکی از نمونه های آشکار استفاده از این نوع مواد بود. در سال ۱۹۴۶ اولین قایقی تجاری ساخته شده با مواد کامپوزیتی پایه پلیمری معرفی شد.

در این دوران Brandt Goldsworthy که به عنوان “پدر کامپوزیت ها” شناخته می‌شود بسیاری از روش های تولید و محصولات را اختراع کرد. تخته موج سواری فایبرگلاس از جمله اولین محصولات کامپوزیتی بود که دنیای ورزش را دگرگون کرد.

دهه ۷۰ میلادی و با تولید رزین های پلاستیکی بهتر و فیبرهای تقویت کننده بهبود یافته را می‌توان سرآغاز بلوغ و شکوفایی صنعت کامپوزیت FRP دانست. در طی سالیان اخیر به منظور رفع محدودیت های مواد متداول، استفاده از مواد FRP (اف ار پی) در صنایعی همچون هوا و فضا، خودرو سازی، مهندسی عمران، صنایع مرتبط با دریا، نفت و گاز و… رشد چشمگیری داشته است.

این مواد با داشتن خصوصیات بسیار مطلوب خود نظیر نسبت مقاومت بالا به وزن، مقاومت در برابر خوردگی و… جایگاه ویژه ای در دنیای مهندسی پیدا کرده است. تحقیقات در این حوزه همچنان با دریافت کمک های مالی از دولت ها در موسسات و دانشگاه های معتبر ادامه دارد.

اجزا تشکیل دهنده کامپوزیت FRP

پلیمرهای مسلح شده با الیاف یا اف آر پی یک نوع از مواد کامپوزیت دو جزیی خاص می‌باشد که از الیاف با مقاومت بالا همچون الیاف کربن و الیاف شیشه آغشته به یک جز ماتریس پلیمری تشیکل شده است.

از آنجایی که ترکیباتی که می‌توان برای ساخت این نوع مواد استفاده کرد بیشمار است، خصوصیات کلی مواد FRP به هریک از اجزا بستگی دارد. بنابراین بررسی نقش و خصوصیات هر کدام از اجزا، فیبرها و ماتریس، قبل از پرداختن به خصوصیات خود اف آر پی ها، حائز اهمیت می‌باشد.

ماتریس پلیمری چیست؟

ماتریس پلیمر به عنوان پیوند دهنده کامپوزیت FRP، یک ترکیب ارگانیک می‌باشد که از مولکول های با زنجیره ی بلند، با واحد های کوچک تکرار شونده به نام مونومر، تشکیل شده اند.

اگرچه طیف وسیعی از ماتریس پلیمر وجود دارد، تعداد خاص و محدودی از آن ها جهت ساخت FRP های مورد استفاده در سازه های زیرساخت مناسب می‌باشند.

هرچند فیبرها تامین کننده ی مقاومت و سختی در پلیمرهای مسلح شده با الیاف می‌باشد، حضور ماتریس به منظور انتقال نیرو بین هرکدام از فیبرها الزامی بوده و نیروها از طریق تنش های برشی گسترش یافته در ماتریس انتقال می‌یابد.

برخی از وظایف بسیار مهم ماتریس رزین عبارتند از:

• پیوند فیبرها به یکدیگر
• محافظت فیبرها از ساییدگی و آسیب دیدگی محیطی
• جداسازی و پخش فیبرها داخل کامپوزیت
• انتقال نیرو بین بین هرکدام از فیبرها

ماتریس رزین های مورد استفاده در FRP ها را می‌توان در دوگروه اصلی قرار داد:

• رزین های گرما نرم
• رزین های گرما سخت

رزین های گرما نرم شامل اجزای پلیمری مانند پلی اتیلن، نایلن و پلی آمید ها می‌باشند، درحالیکه رزین های گرما سخت شامل رزین اپوکسی و ونیل استرها می‌باشند. حتما در مورد کاربرد رزین اپوکسی و ونیل استر بیشتر بخوانید تا فرق ماترین این دو رزین رو بهتر درک کنید.

فیبرها، تقویت کننده کامپوزیت FRP

فیبرها یا الیاف تامین کننده ی مقاومت و سختی مورد نیاز در کامپوزیت FRP می‌باشند.

تعداد زیادی از انواع فیبر با مزایا و معایب مختص به خود جهت استفاده وجود دارد. فیبرهای شیشه (Glass Fiber)، کربن (Carbon Fiber) و آرامید (Aramid Fiber) سه نوع از پر کاربردترین فیبر مورد استفاده جهت مقاوم سازی انواع سازه ها با FRP می‌باشد. مناسب بودن انواع فیبرها برای کاربردهای مشخص به فاکتورهایی همچون مقاومت، سختی، دوام، قیمت و در دسترس بودن اجزا مصالح بستگی دارد.

فیبرهای مسلح کننده ی محصولات FRP در شکل و آرایش و چیدمان های مختلفی متناسب با روش های ساخت و محل استفاده ی نهایی مصالح کامپوزیت FRP وجود دارد.

• رشته (Yarn)

الیاف تکی با قطر ۱-۲۵ میکرومتر به ندرت در مقاوم سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولا آن ها را بصورت کلاف در می‌آورند.

• دسته الیاف (Rovings)

 رشته های الیاف پیچ نخورده موازی یکسان با قطر ۱۳-۲۴ میکرومتر به صورت کلاف در آمده و بر روی یک قرقره بافته می‌شود.

• پوشش (Mats)

محصولی است که از توزیع تصادفی الیاف خردشده ساخته می‌شود. این محصول به صورت الیاف سوزنی (chopped strand)، الیاف بلند (long fibre) و پوشش سطحی (surfacing veil) وجود دارد.

1. الیاف سوزنی (chopped strand mat): محصولی است با توزیع تصادفی الیاف خردشده که در لمینت های FRP معمولا استفاده می‌شود.
2. الیاف بلند (long fibre mat): محصولی است با توزیع تصادفی فیبرهای بلند. الیاف بلند در کامپوزیت های FRP که مقاومت برشی بین لایه ای بالا نیاز دارند استفاده می‌شود.
3. الیاف سطحی (surfacing veil mat): یک محصول نرم است که به عنوان لایه خارجی برای انواع کامپوزیت های FRP مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• پارچه (Fabrics)

 محصولی است که از فیبرها/کلاف هایی که به صورت مشخصی پخش شده است ساخته می‌شود. این محصول به صورت یک جهته (Unidirectional Fabrics)، دو جهته جهته (Bidirectional Fabrics)، هیبرید (Hybrid Fabrics) و چند جهته (Multi-axial Fabrics) وجود دارد.

1. پارچه های تک جهته (Unidirectional fabrics) از فیبرهای سخت و قوی در یک جهت تشکیل شده است (معمولا طولی).
2. پارچه های دو جهته (Bidirectional fabrics) جزو معمول ترین محصولات در صنعت کامپوزیت های FRP می‌باشند. متناسب با مقدار فیبر پخش شده در هر کدام از راستاهای متعامد، مشخصات مقاومت و سختی آن می‌تواند متوازن یا نامتوازن باشند. این نوع از محصولات می‌تواند در لمینت ها یا strips های FRP مورد استفاده قرار گیرند.
3. پارچه های هیبرید (Hybrid fabrics) از انواع مختلفی از الیاف تشکیل شده است. متداول ترین ترکیب ها عبارتند از: شیشه-کربن (الیاف شیشه قیمت معمولی دارند درحالی که الیاف کربن برای مقاومت و سختی مورد استفاده قرار می‌گیرند) شیشه-آرامید (الیاف شیشه مقاومت برشی خوبی نشان می‌دهند و الیاف آرامید در برابر ضربه بسیار مقاوم می‌باشند) کربن-آرامید (هر دو نوع الیاف مقاومت کششی فوق العاده ای دارند ولی الیاف آرامید مقاومت در برابر ضربه را نیز تامین می‌کنند).
4. پارچه های چند جهته (Multi-axial fabrics) از کلاف های مختلف الیاف که در زوایای مختلف از ۰ درجه تا ۹۰ درجه پخش شده اند تشکیل شده است.

الیاف شیشه (Glass Fiber)

فیبر شیشه (Glass Fiber) ارزان ترین نوع الیاف بوده و در نتیجه بیشترین استفاده را در مهندسی سازه دارد. از این نوع الیاف گریدهای مختلفی در دسترس می‌باشد، ولی معمول ترین آن ها E-glass وگران ترین و محکم ترین آن ها R-glass می‌باشد.

مزایای عمده ی این نوعار الیاف عبارتند از:

• مقاومت بالا و قیمت قابل رقابت
• حمل و نقل آسان و سادگی فرآیند استفاده

همچنین معایب عمده ی آن ها عبارتند از:

• سختی پایین
• آسیب پذیری در برابر خوردگی ناشی از حملات قلیایی (در ماتریس های سیمانی)

الیاف کربن (Carbon Fiber)

اگرچه الیاف کربن (Carbon Fiber) به نسبت فیبر شیشه از قیمت بالاتری برخوردار هستند ولی مشاهده می‌گردد فیبرهای کربن در زمینه هابی از مهندسی سازه نظیر ساخت آرماتورهای پیش تنیده برای بتن و پوشش های سازه ای FRP (اف ار پی) جهت تعمیر و مقاوم سازی تیرهای بتن مسلح، ستون ها و دال ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. روند افزایش استفاده از الیاف کربن را می‌توان به کاهش سریع قیمت آنها، دانسیته پایین آن ها (وزن پایین) و مقاومت فوق العاده ی آن ها در برابر اثرات محیطی، شیمیایی و دمایی دانست. همچنین الیاف کربن انتخاب ایده آلی برای سازه های حساس به کمانش می‌باشند.

مزایای عمده ی این نوع الیاف عبارتند از:

• مقاومت وسختی مشخصه ی بالا
• پایداری در دماهای بالا
• مقاومت بالا در برابر عوامل محیطی

معایب عمده ی آن ها عبارتند از:

• قیمت بالا (۱۰ – ۳۰ برابر گران تر از شیشه)
• کرنش کششی نهایی پایین

الیاف آرامید (Aramid Fiber)

الیاف آرامید (Aramid Fiber) از یک ترکیب مصنوعی به نام پلی آمید آروماتیک ساخته می‌شود. در حال حاضر الیاف آرامید توسط تعدادی از تولید گننگان تولید شده و معمولا با استفاده از نام تجاری خود بهتر شناخته می‌شوند (برای مثال Kelver، Twaron) . مقاومت فشاری الیاف آرامید معمولا ۲۰% از مقاومت کششی آن پایین تر می‌باشد. برخی از انواع الیاف دارای رفتار ترد تحت کشش بوده ولی در برابر فشار شکل پذیر می‌باشند و می‌توانند مقدار زیادی از انرژی را جذب کنند. این نوع رفتار، که در هیچکدام از الیاف شیشه و کربن مشاهده نمی‌شود، مقاومت ضربه ای خوبی را برای آرامید فراهم کرده است. (برای مثال، فیبرهای Kelver، که به صورت منسوج بافته شده است، در جلیقه های ضد گلوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.)

مشخصات FRP

یک کامپوزیت CFRP تک جهته (UDC) از الیاف پیوسته هم راستا که در داخل ماتریس قرار گرفته تشکیل شده است. مشخصات فیزیکی FRP تابعی از مشخصات فیزیکی فیبر و ماتریس، نسبت حجمی آن ها بوده و تا حدودی نیز به پارامترهای آماری مرتبط با توزیع الیاف وابسته می‌باشد. الیاف مورد استفاده در FRP معمولا دارای سطح مقطع دایره ای با تغییرات اندک در مقدار اندازه قطر می‌باشند. از آنجایی که خصوصیات در دو جهت طولی و عرضی الیاف بسیار با یکدیگر متفاوت می‌باشند، کامپوزیت FRP تک جهته کاملا غیر ایزوتروپیک می‌باشد.
ویژگی های الاستیک معیاری از سختی یک ماده می‌باشد. در کامپوزیت FRP تک جهته، سختی توسط الیاف فراهم می‌شود. حال آنکه نقش ماتریس جلوگیری از خمش جانبی الیاف می‌باشد.
مقاومت کامپوزیت FRP کاملا به جهت بار وارده بر آن و جهت توزیع الیاف به نسبت بار اعمال شده بستگی دارد. همچنین مقاومت FRP به نوع بارگذاری (کششی و یا فشاری) وابسته می‌باشد.
یکی از خصوصیات بسیار خوب کامپوزیت های FRP مقاومت کششی بالای آن می‌باشد. در این حالت کامپوزیت در مقدار کرنش گسیختگی خود فیبر گسیخته می‌شود.
در کمپوزیت های تک جهته که تحت بارگذاری فشاری به موازات الیاف قرار گرفته اند، کمانش های میکرو (Microbuckling) یکی از مکانزیم هایگسیختگی معمول می‌باشد.

چگالی

چگالی مصالح FRP در محدوده ۱۲۰۰ تا ۲۱۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب است که ۴ تا ۶ بار کمتر از چگالی فولاد می‌باشد این کاهش چگالی می‌تواند منجر به کاهش هزینه حمل ونقل، آسانی در جابجایی مصالح وهمچنین کاهش بار مرده سازه ناشی از تقویت گردد.

چگالی مواد FRP رایج بر حسب کیلو گرم بر متر مکعب

مزایا و معایب مواد کامپوزیت FRP

امروزه مواد کامپوزیت FRP (اف ار پی) به عنوان یک گ‌ شود. از مزایای این نوع از مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مقاومت مشخصه ی بالا (نسبت مقاومت به دانسیته)
• سختی مشخصه ی مناسب (نسبت مدول الاستیک به دانسیته)
• کامپوزیت FRP موادی با چگالی پایین هستند
• مقاوم در برابر خستگی
• پایداری ابعادی
• مقاوم در برابر خوردگی
• غیر رسانای الکتریکی
• شفافیت الکترومغناطیسی
• انتقال نور و نیمه شفاف
• ساخت و تعمیر مقرون به صرفه

البته ناگفته نماند که در کنار مزایای ذکر شده این نوع مواد دارای معایبی نیز هستند که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• شکل پذیری پایین
• مقادیر متفاوت مقاومت و مدول در تنش و فشار
• رفتار غیرایزوتروپیک
• تحت تاثیر قرار گرفتن مشخصات مکانیکی به شدت کرنش، دما و مدت بارگذاری
• حساسیت به شرایط محیطی
• متاثر از اثرات آتش و حرارت
• متاثر از تشعشع UV

محصولات کامپوزیت FRP چگونه ساخته می‌شود؟

روش های مختلفی برای ساخت پلیمرهای مسلح شده با الیاف در اشکال مختلف وجود دارد. این روش ها عبارتند از: روش پولتروژن (pultrusion)، روش قیطان بافی (braiding)، روش دستی (hand lay-up)، روش رشته پیچی (filament winding)، روش قالب گیری (moulding). در این بخش روش های پولتروژن، دستی و رشته پیچی که در صنعت مهندسی عمران بسیار کاربرد دارد شرح داده می‌شود.

روش پولتروژن (Pultrusion)

فرآیند تولید Pultrusion معمولا برای ساخت میلگرد های FRP، میله ها، کابل پیش تنیده، ورق های FRP (اف ار پی) و مقاطع سازه ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. تکنیک مورد استفاده کاملا مکانیزه بوده و در نتیجه به لحاظ اقتصادی کاملا مقرون به صرف می‌باشد.

در این فرآیند الیاف خام از داخل یک حمام رزین عبور کرده و سپس با اعمال فشار و حرارت مناسب توسط قالب شکل دهی (shaping and heating die)، کامپوزیت پلیمری تولید می‌شود و پس از آن به طول های مورد نیاز برش داده می‌شود.

روش دستی (Hand Lay-up)

روش hand lay-up ،که بعضی اوغات به آن wet lay-up می‌گویند، یکی دیگر از روش های ساخت کامپوزیت FRP می‌باشد که معمولا برای پوشش سطح خارجی اعضای سازه ها جهت مقاوم سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این روش یک قالب صلب با رزین پوشیده می‌شود و یک غلطک برای فشردن فیبرها (معمولا به شکل یک صفحه یا پارچه های الیاف خام) داخل رزین مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی موارد برای اطمینان از آغشته شدن کامل فیبرها به رزین، مقداری رزین اضافی به سطح خارجی فیبرها افزوده می‌شود. لایه های اضافی مواد FRP برای بدست آوردن ضخامت مورد نظر می‌تواند بر روی یکدیگر اضافه گردد. در هنگام مقاوم سازی سازه، به عنوان مثال مقاوم سازی سازه های یک ستون بتنی، قالب مورد استفاده همان عضو سازه ای نیازمند مقاوم سازی می‌باشد. مساله ی کنترل کیفیت در این روش از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد و برخی مواقع کارگرهای با مهارت نیاز می‌باشد.

روش رشته پیچی (Filament Winding)

در این فرآیند خودکار، فیبرهای خام با استفاده از قرقره به داخل مخزن رزین فرستاده شده و به دور یک میله محور دوار پیچیده می‌شوند. قرارگیری فیبرها بر روی میله محور با استفاده از یک کامپیوتر کنترل شده، امکان قرار گیری فیبرها با بالاترین دقت و با انواع راستای دلخواه را فراهم می‌سازد. با تغییر راستای فیبر، اعضای دورپیچ شده می‌توانند با انواع خصوصیات مکانیکی متفاوت و مناسب برای کاربردهای خاص تولید شود. از این روش می‌توان در ساخت قالب درجا برای شمع های بتنی، لوله ها و تویوب های توخالی FRP استفاده کرد.

کاربرد کامپوزیت FRP چیست؟

در سال های اخیر استفاده از مواد کامپوزیت FRP در تعداد بیشماری از صنایع همچون هوا و فضا، خودروسازی، صنایع دریا و ساخت و ساز به طرز چشمگیری رشد پیدا کرده است. در حال حاضر، قسمت عمده ای از محصولات صنعتی و اجزا مکانیکی از این نوع مواد، در مقایسه با فلزاتی همچون آلومینیوم و فولاد، ساخته می‌شود.

صنعت خودرو

مواد کامپوزیتی برای مدت طولانی در صنعت خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای اولین بار در دهه ی ۱۹۴۰، از این نوع مواد برای ساخت قطعات ماشین ها استفاده شد. ماشین Stout 46، محصول مشترک Owens Corning and William Stout، به عنوان اولین نمونه ماشین ساخت شده از کامپوزیت در دنیا شناخته می‌شود. در ساخت بدنه و air suspension این ماشین که در سال ۱۹۴۵ معرفی گردید، از فایبرگلاس استفاده شده بود. در سال ۱۹۴۱ کمپانی مک لارن، MclAREN MP4/1 را که در ساخت آن از کامپوزیت فیبر کربن (CFRP) استفاده کرده بود، به دنیای مسابقات اتوموبیل رانی فرمول یک معرفی کرد.

امروزه بدنه ماشین های مسابقات اتوموبیل رانی فرمول یک، بدلیل وزن پایین و برای بالا بردن ایمنی راننده، تماما از الیاف کربن ساخته می‌شود. همچنین در ساخت قطعاتی مانند سپر اتومبیل و حتی بدنه وسایل نقلیه ای که امروز در جاده ها می‌بینیم از کامپوزیت های FRP استفاده می‌گردد.

صنعت هوا و فضا

اشتیاق سیری ناپذیر صنعت هوا و فضا برای بهبود عملکرد هواپیماهای نظامی و تجاری، همواره محرک توسعه مواد سازه ای با عملکرد بالا و بهبود یافته می‌باشد. کامپوزیت FRP یکی از آن دسته موادی است که نقش مهمی را در تجهیزات مورد استفاده در این صنعت در حال و آینده بازی می‌کند. این مواد با دارا بودن ویژگی هایی همچون مقاومت فوق العاده و نسبت سختی به دانسیته و خصوصیات فیزیکی عالی بسیار مناسب استفاده در صنایع هوانوردی و فضایی می‌باشد.

در ابتدا مواد کامپوزیت در ساخت سازه های فرعی (secondary structure) استفاده می‌شد، ولی با پشرفت علم و توسعه این نوع از مواد، استفاده از آن ها در ساخت سازه های اصلی مانند بال ها و بدنه هواپیما افزایش پیدا کرد. هر چند در ابتدا درصد وزن سازه ای کامپوزیت های استفاده شده در ساخت هواپیما بسیار کم بود، برای مثال در ساخت هواپیمای F15 تنها دو درصد از وزن سازه هواپیما را مواد کامپوزیت تشکیل می‌داد، این مقدار به ۱۹ درصد در هواپیمای F18 و ۲۴ درصد در هواپیمای F22 رسید.

استفاده از مواد کامپوزیت FRP در ساخت هواپیماهای مسافربری و تجاری بعلت کاهش وزن بدنه هواپیما و کاهش سوخت مصرفی و در نتیجه کاهش هزینه های مرتبط جذاب می‌باشد. در سال ۱۹۸۳ کمپانی ایرباس برای اولین بار در ساخت سکان هواپیمای تجاری A300 و A310 و در ادامه در سال ۱۹۸۵ در ساخت تیغه دم عمودی از مواد کامپوزیت استفاده کرد.

مقایسه رفتار کامپوزیت های FRP و فولاد

کامپوزیت های FRP با فولادی متفاوت هستند، زیرا دارای خصوصیاتی هستند که می‌توانند در جهات مختلف متفاوت باشند (ناهمسانگرد)، در حالی که فولاد از همه جهات دارای خواص مشابه است (ایزوتروپیک). متداولترین نوع کامپوزیت ها برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی به وسیله کامپوزیت های کربن یا کامپوزیت های شیشه یک طرفه پیوسته ساخته می‌شوند. هنگامی که این کامپوزیت ها در کشش مستقیم بارگذاری می‌شوند، کامپوزیت های FRP یک طرفه یک رابطه تنش-کرنش خطی الاستیک تا زمان خرابی از خود نشان می‌دهند، بدون اینکه تسلیم شده یا رفتار پلاستیک از خود نشان دهند. با توجه به رفتار الاستیک خطیFRP و همچنین استفاده آن ها داخل اعضای سازه ای در ساختمان های بتنی، روش های استاندارد مورد استفاده برای طراحی یا تعیین مقدار آرماتورهای فولادی، برای کامپوزیت های FRP اعمال نمی‌شوند. در این حالت از روش های نسبتاً پیچیده تری در ساختمان های بتنی برای طراحی FRP استفاده می‌شود که می‌تواند شامل روش طراحی تکراری باشد.

از آنجا که الیاف موجود در یک مصالح FRP جز اجزای اصلی باربر است، نوع الیاف، جهت الیاف و قطر الیاف، مقاومت کششی و سختی را مشخص می‌کند.

مقاومت کامپوزیت های FRP بسته به نوع الیاف مورد استفاده متفاوت است. در حالی که شیشه مقاومت کششی تقریباً برابر با مقاومت تسلیم فولاد نرم را دارد، کامپوزیت های کربن مقاومت کششی ایجاد می‌کنند که از دو تا پنج برابر مقاومت تسلیم فولاد نرم بیشتر است. در حالی که هر دو کامپوزیت FRP دارای سختی کششی کمتر از فولاد هستند، سختی کامپوزیت کربن دو تا پنج برابر سختی کامپوزیت های شیشه است. وزن کامپوزیت های FRP تقریباً یک پنجم فولاد است.

مشخصات کششی سیستم های تقویت کننده FRP در ساختمان های بتنی را می‌توان از سازنده سیستم FRP بدست آورد. همچنین مشخصات کششی را می‌توان با استفاده از روش آزمون شرح داده شده در ASTM D7565 نیز تعیین کرد.

تفاوت FRP با سایر مصالح

از تفاوت های کامپوزیت های FRP با سایر مصالح سنتی در ساختمان های بتنی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱-ساخت و طراحی

این ماده امکان انعطاف پذیری قابل توجهی را از نظر طراحی فراهم می‌کند. FRP را می‌توان با استفاده از ابزارهای ساده نجاری یا تیغه های نوک کربن یا الماس برش داد. به مشعل و جوشکاری نیاز ندارد. وزن سبک مصالح، حمل و نقل و نصب آن را آسان تر می‌کند. در مقابل، کامپوزیت فولادی برای غالباً برش برای و نصب نیاز به تجهیزات خاصی دارد.

۲-تاب آوری

محصولات فایبرگلاس سطح نهایی سختی دارند. پوشش ژلی که روی سطح نهایی محصولات فایبرگلاس وجود دارد می‌تواند متناسب با سختی بیشتر یا مقاومت بیشتر باشد.

۳-هزینه

در حالی که فولاد ضد زنگ هزینه اولیه کمتری نسبت به الیاف مقاوم سازی شده دارد، FRP در ساختمان های بتنی دارای هزینه نصب و نگهداری کمتری است که در کل هزینه چرخه عمر پایین تری را فراهم می‌کند. چوب ارزان تر است اما همچنین بسیار مستعد ابتلا به تخریب است و باعث هزینه های نگهداری بیشتر می‌شود. آلومینیوم از نظر قیمت با پلیمرهای فایبرگلاس قابل مقایسه است.

۴-سختی

FRP تا ۳٫۳ برابر سخت تر از چوب است و تحت بار برای همیشه تغییر شکل نمی‌دهد. مدول الاستیسیته بیشتر از ۲۰ GPa است.

۵-مقاومت در برابر ضربه

الیاف کربن در ساختمان های بتنی مانند مصالح ساختمانی سنتی برای همیشه تغییر شکل نمی‌دهد و تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. الیاف شیشه ای برای جلوگیری از آسیب دیدن سطح، حتی در دمای زیر صفر، بار ضربه را توزیع می‌کند.

۶-مقاومت در برابر خوردگی، پوسیدگی و حشرات

در ساختمان های بتنی، FRP در برابر طیف گسترده ای از مواد شیمیایی مقاومت می‌کند و تحت تأثیر رطوبت یا غوطه ور شدن در آب قرار نمی‌گیرد و این ماده را در ساختمان های بتنی به عنوان یک پوشش محافظ برای سطوحی که ممکن است نشت مواد شیمیایی رخ دهد، ایده آل می‌کند. همچنین در برابر آسیب حشرات مقاومت می‌کند. فولاد و آلومینیوم در معرض اکسیداسیون و خوردگی قرار می‌گیرند. آنها برای بسیاری از کاربردها به رنگ یا گالوانیزه نیاز دارند. حتی بتن نیز در معرض آسیب آب است. چوب در معرض رطوبت، آب و مواد شیمیایی می‌تواند دچار اعوجاج و پوسیدگی شود. چوب همچنین در معرض حمله حشرات مانند موریانه ها نیز است.

۷-مقاومت

کامپوزیت های FRP دارای مقاومت خمشی بیشتری نسبت به چوب است و مقاومتی بیشتر در جهت طولی داشته و اغلب از فولاد و آلومینیوم قوی تر است.

۸-وزن

FRP فقط ۲/۳ وزن آلومینیوم و ۱/۴ فولاد وزن دارد. این موضوع باعث می‌شود که کار با این مواد برای نصب یا ترمیم آسان تر شده که منجر به کاهش هزینه های نگهداری و نصب می‌شود.

به منظور جمع بندی، تفاوت بین کامپوزیت های FRP و فولادی در جدول زیر آورده شده است:

نوشته FRP چیست؟ | همه چیز درباره کامپوزیت FRP (اف آر پی) اولین بار در مقاوم سازی تکنوپل. پدیدار شد.