کامپوزیت FRP

کامپوزیت FRP و انواع مختلف آن:

  

اف آر پی FRP، اختصاری از کلمات Fiber Reinforced Polymer پلیمرهای مسلح شده با الیاف می باشد. به عبارت دیگر اف آر پی به یک ماده مرکب یا کامپوزیتی اطلاق می شود که از فیبر یا الیاف تقویتی و ماتریس (ماده در بر گیرنده) یا رزین از جنس پلیمر تشکیل شده است. این مصالح از اجزایی تشکیل شده‌اند که از لحاظ مکانیکی رفتار مجزایی دارند، ولی ماده‌ کامپوزیت حاصل می‌تواند خواص کاملاً متفاوتی نسبت به مواد تشکیل دهنده‌ خود داشته باشد.

این مصالح از دو قسمت تشکیل شده‌اند:

قسمت اول، الیاف می‌باشند که مؤلفه اصلی در تحمل به حساب می‌آیند و قسمت دوم که یک ماتریس رزینی پلیمری می‌باشد، بیشتر نقش نگهداری الیاف را در کنار یکدیگر بر عهده دارد. در کامپوزیت چند لایه می توان از چند نوع الیاف نیز استفاده کرد که به آنها کامپوزیت FRP مخلوط یا (hybrid) می گویند. البته معمولا سعی می‌شود از یک نوع ماتریس استفاده شود تا چسبندگی خوب بین لایه ها بوجود آید.

خواص کامپوزیت FRP بستگی زیاد به جهت الیاف آنها دارند الیاف FRP حجم قابل توجهی از یک کامپوزیت FRP را تشکیل می دهند و وظیفه آنها تحمل بار اعمال شده به کامپوزیت می‌باشند نوع الیاف، مقدار و آرایش آنها بسیار حائز اهمیت هستند و بر خواص زیر تاثیر می گذارند.

• مدول کششی– فشار – خمشی FRP
• استحکام خستگی بالا FRP
• ضرایب انتقال حرارت و الکتریسته FRP
• وزن مخصوص FRP
• قیمت FRP

 مزایای استفاده از کامپوزیت FRP:

• ضخامت کم الیاف FRP سبب نازک بودن ورق های کامپوزیت FRP (در حد میلی‌متر) شده و باعث می‌گردد آنها فضای اضافه اشغال نکند.
• قیمت و هزینه مناسب FRP سبب فروش بالای آن در کشور ایران و سایر کشورها، در سالهای اخیر شده است.
• FRP وزن پایینی بوده و چگالی مصالح و ورق های FRP حاصل کم می باشد.
• مقاومت کششی و مدول الاستیسیته اف آر پی ها بالاست. کامپوزیت FRP مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند.
• مقاومت ضد اسیدی و خورندگی FRP ها سبب کاربرد روز افزون آنها در برابر محیط اسیدی و شیمیایی شده است.
•  نفوذ ناپذیری مغناطیسی بالا که مناسب برای مکان هایی که در آنجا دستگاه های حساس به میدان مغناطیسی است.
•  مقاومت خوب در برابر ضربه و خستگی
•  اتصال ورق FRP به سطوح مختلف بتن و آهن خوب بوده و همپوشانی آن زیاد نیست. که سبب پایین آمدن قیمت FRP می‌گردد.
•  حمل و نقل آسان بدلیل وزن پایین الیاف FRP
•  سرعت کار بیشتر و نحوه اجرای آسان FRP
•  توجیه اقتصادی و قیمت مناسب برای تقویت، ترمیم و مقاوم سازی پروژه های سنگین به عنوان مثال پل ها
• سطح اجرای تمام شده تمیز پوشش بعد از اجرای FRP
•  مصالح FRP عایق بسیار مناسبی در مقابل محیط اسیدی، قلیایی، شیمیایی و خورنده می باشد.
•  عدم افزایش ابعاد مقاطع در مقاوم سازی با FRP
• امکان بکارگیری چند نوع الیاف FRP جهت اصلاح و بهبود خواص هر کدام از آنها (بعنوان مثال ارتقاء مقاومت مکانیکی، خستگی و ضریب ارتجاعی در کامپوزیت شیشه GFRP با اضافه نمودن لایه هایی از کامپوزیت کربن CFRP)

    

 کامپوزیت FRP – شکل الیاف FRP

 

مواد تشکیل کامپوزیت FRP: 

کامپوزیت FRP از ترکیب از فیبرها یا الیاف و ماتریس یا رزین پلیمری تشکیل شده است. الیاف کامپوزیت FRP Wrap) FRP)، پارچه هایی با ضخامت کمتر از یک میلیمتر هستند که با ترکیب رزین تولید ورق هایی می کنند که به ورق FRP (با ضخامت چند میلی‌متر) معروف هستند. مصالح الیاف FRP بر اساس فیبرهای تشکیل دهنده به چندین دسته تقسیم می شوند که چهار نوع آن کاربرد بیشتری دارند و عبارتند از:

1. الیاف GFRP که با آنها پلیمرهای کامپوزیت FRP مسلح شده با الیاف شیشه (Glass Fiber Reinforced Polymers) تولید می‌گردند.
2.  الیاف CFRP که کامپوزیتهای FRP مسلح شده با الیاف کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymers) از آنها تولید می‌گردند.
3.  الیاف AFRP آرامید (Aramid Fiber Reinforced Polymers)
4. الیاف BFRP بازالت (Basalt Fiber Reinforced Polymers)

 

 الیاف آرامید AFRP 

 الیاف CFRP 

 الیاف شیشه GFRP

الیاف بازالت BFRP 

 

برخی از مشخصات فیزیکی و مکانیکی کامپوزیت FRP:

مقاومت FRP در مقابل خوردگی:

یکی از مهمترین ویژگی های سیستم های کامپوزیت FRP مقاومت آن در برابر خوردگی و خصوصیات مکانیکی بالای الیاف و صفحات FRP در مقاوم سازی است. در حقیقت این خاصیت مصالح FRP Fiber Reinforcement Polymer تنها دلیل انتخاب آنها به عنوان یک گزینه جانشین برای اجزای فولادی و میلگرد فولادی است. بخصوص در سازه‌های دریایی، بندری و ساحلی و همچنین در سازه های مرتبط با صنعت نفت، پتروشیمی و پالایشگاه، مشخصات فنی مناسب کامپوزیت FRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصه میلگرد FRP می‌باشد.

مقاومت FRP:

مصالح FRP مقاومت کششی بسیار بالایی از مقاومت کششی فولاد دارند. مقاومت کششی بالای مواد کامپوزیت FRP کاربرد آنها را برای سازه‌های بتنی، خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بتنی و مقاوم سازی سازه ها بسیار مناسب کرده است. مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای FRP بکار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت کششی محصولات FRP برای شیت ها و ورق های ساخته شده با الیاف کربن 1100 MPa تا 4900 Mpa، برای میله‌های با الیاف شیشه تا 2300 Mpa و برای میله‌های با الیاف آرامید تا 1650 MPa گزارش شده است. چنین مشخصات فنی بالا اهمیت مقاوم سازی با frp را بیش از بیش روشن می سازد.

مدول الاستیسیته FRP:

مدول الاستیسیته الیاف FRP و مصالح کامپوزیت ساخته شده به آنها عمدتا در محدوده قابل قبولی قرار دارند. مدول الاستیسیته کامپوزیت FRP ساخته شده از الیاف کربن در محدوده 230 GPa تا 200 GPa ، کامپوزیت FRP ساخته شده از الیاف شیشه در محدوده 70 GPa و آرامید 60 GPa گزارش شده است. برای مقاوم سازی سازه ها و تقویت بتن معمولا از این الیاف استفاده می‌گردد.

وزن مخصوص FRP:

وزن مخصوص کامپوزیت FRP به مراتب کمتر از وزن مخصوص فولاد است. به عنوان نمونه وزن مخصوص کامپوزیت های CFRP یک سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در الیاف FRP از مزایای عمده آنها در کاربردشان به عنوان تقویت و مسلح کننده بتن محسوب می شود.

عایق بودن FRP:

مصالح FRP عایق بسیار عالی هستند. به عبارت دیگر، مواد ساخته شده از مصالح FRP، از نظر مغناطیسی و الکتریکی خنثی بوده و عایق مناسبی محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میلگرد FRP بجای استفاده از میلگرد فولادی در قسمتهایی از بیمارستان ها و سایر فضاها که نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند و نیز در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی و همچنین در باند فرودگاه ها و مراکز رادار بسیار مناسب خواهد بود.

مقاومت خستگی FRP:

رفتار مصالح، FRP در مقایسه با فولاد، در پدیده خستگی بسیار عالی است. به عنوان نمونه برای تنش‌های کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، کامپوزیت FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند و مناسب مقاوم سازی با frp در بتن می باشند. خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنش‌های تناوبی قرار دارند، منجر شود.

خزش مصالح FRP:

رفتار خزشی کامپوزیت‌ های FRP بسیار خوب است. به عبارت دیگر، اکثر کامپوزیتهای FRP، دچار خزش نمی‌شوند. پدیده گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد. با این وجود چنانچه کرنش ناشی از خزش جزء کوچکی از کرنش الاستیک باشد، عملاً مشکلی بوجود نمی‌آید.

چسبندگی FRP به بتن در مباحث مقاوم‌ سازی:

خصوصیت چسبندگی، برای هر مصالحی که بعنوان مسلح کننده بتن بکار رود، بسیار مهم تلقی می شود. FRP ها در مجموع مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی در مقاوم سازی بتن ارائه می‌کنند.

خم شدن FRP:

خم شدگی کامپوزیت FRP بسیار سخت می‌باشد. چنانچه کامپوزیت FRP در سازه بتنی استفاده شوند، به جهت مهار آرماتورهای طولی و عرضی و تنگ‌ها، نیاز است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم کردن میلگردهای FRP بسیار دشوارتر از خم کردن آرماتورهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجود FRP، نمی‌توان عملیات خم کاری را در محل پروژه انجام داد. البته می‌توان خم‌کاری میلگرد FRP کامپوزیتی را با سفارش مشتری در کارخانه انجام داد.

شکل پذیری FRP:

روش تقویت با الیاف FRP سبب افزایش شکل پذیری ستون های تقویت شده به روش محصور سازی می‌گردد. همچنین استفاده از مصالح FRP برای تقویت و مقاوم سازی خمشی اعضا، سبب کاهش شکل پذیری جزئی اعـضا می‌گردد. ایـن کاهش شکل پذیری در برخی از موارد بسیار کم می باشد. البته مقاوم سازی با FRP اعضا با استفاده از الیاف شیشه شکل پذیری اعضا را بر عکس الیاف کربن افزایش می‌دهد.

مقاومت حرارتی سیستم FRP:

از مشخصات مصالح FRP ، مقاومت کششی بالا، مقاومت در مقابل خوردگی و دوام خوب آن است. مقاومت کششی الیاف شیشه وقتی که تحت اثر گرما باشد، به سرعت پائین می آید. آئین نامه مقاومت در برابر حریق و آتش، مصالح FRP را محدود می کند تا این سیستم های کامپوزیتی در مقابل حریق در حالت پایدار باقی بمانند و این مقاومت با اضافه شدن رزین و چسب ها باید محدود شود به Tg. به عنوان مثال، Tg برای سیستم FRP که با الیاف شیشه و چسب و رزین ساخته می‌ شوند برابر است با 60 تا 80 درجه سانتی گراد.
الیاف کربن FRP در مقابل حریق مقاومت خوبی دارند. کربن در دمائی در حدود 1000 درجه سانتی‌گراد شروع به بی رنگ شدن می‌کند و در دمای 1500 درجه شروع به نیم سوز شدن کرده و در دمای حدود 2000 درجه شروع به سوختن می‌نماید.