تحلیلی از ویژگی های میلگرد frp در سازه های بتنی

به علت حساسیت بالا به نوآوری های تکنولوژِی و ماده، و همچنین پیشرفت عظیم و توانایی، مهندسی عمران نقش مهمی در پیشرفت مهندسی مواد دارد. ساختن و مهندسی کردن سازه ها اغلب در شرایط محیطی بسیار سخت پیاده سازی و اجرا می شود.در یک محیط خشن که بخش های بتن تقویت شده با خواسته های اجرا تطابق ندارد، سازه های پلیمری به طرز فزاینده ای استفاده میشوند.به منظور ایجاد یک جایگزین برای فولاد تقویت شده مرسوم، میلگرد فیبر پلیمری تقویت شده(frp) که با فیبرهای طولانی تقویت شده است، برای استفاده معرفی شد. اولین استفاده از فیبرهای مواد فیبری تقویت شده، همچون فیبر شیشه ای، فیبر کربنی یا فیبر آرمید(aramid fiber)  در اواخر دهه 1970 میلادی در صنعت بتن پیاده سازی شد.

مقدمه:

به علت حساسیت بالا به نوآوری های تکنولوژِی و ماده، و همچنین پیشرفت عظیم و توانایی، مهندسی عمران نقش مهمی در پیشرفت مهندسی مواد دارد. ساختن و مهندسی کردن سازه ها اغلب در شرایط محیطی بسیار سخت پیاده سازی و اجرا می شود.در یک محیط خشن که بخش های بتن تقویت شده با خواسته های اجرا تطابق ندارد، سازه های پلیمری به طرز فزاینده ای استفاده میشوند.به منظور ایجاد یک جایگزین برای فولاد تقویت شده مرسوم، میلگرد فیبر پلیمری تقویت شده(frp) که با فیبرهای طولانی تقویت شده است، برای استفاده معرفی شد. اولین استفاده از فیبرهای مواد فیبری تقویت شده، همچون فیبر شیشه ای، فیبر کربنی یا فیبر آرمید(aramid fiber)  در اواخر دهه ۱۹۷۰ میلادی در صنعت بتن پیاده سازی شد.

تحلیلی از ویژگی های میلگرد frp در سازه های بتنی

تحلیلی از ویژگی های میلگرد frp  در سازه های بتنی

ویژگی های مقاومتی بسیار خوب،وزن پایین و دوام بالا در محیط خشن، یک پیشرفت متمرکز در تایید امکان استفاده از میلگرد frp به عنوان تقویت کننده اصلی در سازه های بتنی ایجاد می کرد. علاوه بر این، به علت ساخت سریع و راحت تحت هر شرایط هوایی، این تقویت کننده راه خود را در استفاده در زمینه های مختلفی از صنعت ساخت می یابد. به علت خاصیت غیرمغناطیسی آن، این تقویت کننده همچنین در شیء های صنعتی استفاده میشود، به خصوص آنهایی که در معرض تشعشعات الکترومغناطیسی هستند. در این شرایط و به همین علت، میلگردFRP میتواند به عنوان تقویت کننده در محل های مختلفی مانند حمام های الکترولیتی یا پی برای ترانسفورماتور های ساختمان های ویژه واجسام مهندسی استفاده شود.

نظام مهندسی عمران چیست

نظام مهندسی عمران آب و فاضلاب

ساختار ماده:

میلگردهای FRP که به عنوان تقویت کننده سازه های بتنی استفاده میشوند، شامل یک ماتریس (معمولا رزین های ترموستیک مانند پلی استر،  اپوکسی، وینیل استریل، فنولیک و غیره یا رزین های ترموپلاستیک(گرمانرم)به عنوان پلی اتیل ورکتین PEEK یا PPS پلی فینیلن سولفید) و فیبر های ادامه دار و طولانی تعبیه شده ،که تامین کننده مقاومت داخلی کامپوزیت هستند، می باشد.

وظیفه اصلی ماتریس انتفال فشارهای ناشی از بارهای خارجی بر روی فیبرها ، و همچنین تامین جدایی مناسب فیبر های تقویت کننده به منظور محافظت آنها از آسیب است. به طور کلی، میزان فیبر بین ۳۰ تا ۷۰ درصد از حجم کامپوزیت کلی است. نوع فیبر و محتوای آن بستگی به خواص مورد انتظار از از قدرت و سختی محصول تمام شده دارد. بر این اساس، چهار نوع میلگرد FRP وجود دارد:

• GFRP (پلیمر فیبر شیشه ای تقویت شده) – کامپوزیت پلیمر تقویت شده با فیبر های شیشه ای E-glass ، S-glass و مقاوم در برابر خصیت قلیایی AR-glass (شکل ۱)
• CFRP (پلیمر فیبر کربنی تقویت شده) – کامپوزیت پلیمرتقویت شده بافیبرهای گرافیت و کربن (شکل ۲)
• AFRP(پلیمرفیبرآرامیدی تقویت شده) – کامپوزیت پلیمرتقویت شده بافیبرهای آرامیدی کِولار ۲۹، کِولار ۴۹، کِولار ۱۴۹، Technora H و SVM (شکل ۳)
• BFRP(پلیمرفیبربازالتی تقویت شده) – کامپوزیتپلیمرتقویت شده بافیبرهای بازالت (شکل ۴)

ویژگی های میله های FRP:

با در نظر گرفتن ویژگی های مکانیکی و فیزیکی میلگرد های FRP ، این نکته باید ذکر شود که آنها نه تنها مستقیما به نوع فیبر استفاده شده مرتبط اند، بلکه به جهت گرایش فیبرها،درصد محتوی آن نسبت به حجم کل ترکیب و قطر میلگرد نیز ارتباط دارد. نوع ماتریس پلیمر و شیوه تولید نیز می توانند به طور گسترده ای خواص فیزیکی و مکانیکی میلگرد FRP را تحت تاثیر قرار دهند.

خواص فیزیکی و مکانیکی:

خواص پایه ای فیزیکی و مکانیکی انتخاب شده ی تقویت FRP، بر اساس ورقه های داده محصول و توصیه های طراحی آمریکایی، در جدول زیر ارائه شده است:

در مقایسه با فولاد تقویت کننده، که در آن تراکم از ۷٫۷ تا ۸٫۷ گرم بر سانتی متر است (معمولا مقدار میانگین ۷٫۸۵ برآورد می شود)،میله های FRP با تقریبا چهار برابر چگالی پایین تر مشخص می شوند و بنابراین بار مرده کمتری دارند. بالاترین چگالی میله های FRP فیبر بازالتی تقویت شده دارد (BFRP). به نوبه خود،میله های تقویت شده با فیبر های کربن (CFRP) با بیشترین نسبت استحکام کششی به چگالی مشخص می شوند – برای میله های فلزی این نسبت حدودا ۸۸ است.

خصوصیات مقاومتی میله های FRP تحت کشش رفتار خطی الاستیک تا زمان گسیختگی دارد.به علت اینکه هیچ تغییرشکل پلاستیکی وجود ندارد، خرابی ناگهان و بدون هیچ نشانه قبلی به وقوع می پیوندد.

ویژگی های طولانی مدت:

ویژگی های میله های FRP که تحت بار طولانی مدت هستند، به طرز قابل ملاحظه ای از ویژگی های آنهایی که تحت بار کوتاه مدت هستند متفاوت است. برآورد شده است که کاهش بار بعد از بعد از ۵۰ سال، و در نتیجه وادادگی برای میلگرد CFRP بین ۲ تا ۱۰ درصد، برای AFRP بین ۴ تا ۱۴ درصد و برای GFRP بین ۱۱ تا ۲۵ درصد است. عوامل محیطی، مانند دما بالا یا تشعشعات فرابنفش UV، نیز به تشدید خزش کمک میکنند. کمترین میزان قابلیت خزش، بعد از ۵۰۰,۰۰۰ ساعت، مربوط به میله های CFRP (کاهش مقاومت کششی کوتاه مدت در گسیختگی حدودا ۷%) و بعدی مربوط به میله های AFRP (53% کاهش) است. بیشترین قابلیت خزش مربوط به میله های GFRP با کاهش تا سقف ۷۷% است.

مقاومت در برابر خوردگی:

بدون تردید نکته منفی بتن تقویت شده سنتی، حساسیت در برابر عوامل خورنده است. ساختمان ها و سازه های مهندسی عمدتا در معرض تاثیر مرتب رطوبت، تغییرات دمایی، ضربه و تکانه بارهای بزرگ خارجی و غیره قرار دارند. این فعل و انفعالات اغلب باعث تخریب روکش محافظ سازه شده که میتواند منجر به خوردگی شود. افزایش بخش های خوردگی منجر به تخریب بخش های بتن می شود.

حین طراحی سازه های مهندسی (مخصوصا پل ها)، لازم است که مرتبا از راه حل های ساخت و ساز و مواد استفاده شود که احتمالا بالاترین مقاومت در برابر خوردگی را دارند. این امر اکثرا با استفاده از میلگرد های FRP ممکن است.

برتری غیرقابل چشم پوشی تقویت کننده های FRP مقاومت کامل در برابر خوردگی است. ترکیب میلگرد جریان برق و تجهیزات الکتریکی که به درستی نزدیک پروزه کار میکنند را عبور نمیدهد. علاوه بر این، اجزا سازه ای تقویت شده با میله های FRP خالی از عیب هایی است که در سازه های بتنی تقویت شده (بتن مسلح) نمود پیدا می کنند، برای مثال در برابر اثار مضر آب، آب شور و محیط اسیدی مقاوم هستند.

خلاصه:

برای از بین بردن عیب های رایج ونکات منفی بتن تقویت شده (بتن مسلح) متداول، در میلگرد های FRP به طور فزاینده ای تحقیق صورت گرفته و در صنعت ساخت استفاده می شوند. علت تعداد زیاد ویژگی های بسیار خوب فیزیکی و مکانیکی این ماده، همچون مقاومت کششی بالا و مقاومت در برابر خوردگی، چگالی پایین و خنثی بودن الکترومغناطیسی، الکتریکی و الکترو استاتیکی است.همه این ویژگی ها به ساختار داخلی میلگرد مربوط است. میلگرد FRP از یک رشته ادامه دار طولانی فیبر جاسازی شده (کربن، شیشه، آرامید، بازالت) تشکیل شده که به عنوان تقویت داخلی کامپوزیت و ترکیب عمل میکند و ماتریس (حرارتی-ترموستینگ یا ترمو پلاستیک) که نه تنها جدایی مناسب فیبر های تقویتی و محافظت در برابر آسیب را ، بلکه انتقال مناسب فشار روی فیبر های را نیز فراهم میکند.

ویژگی های مکانیکی و فیزیکی میلگرد FRP  بستگی به نوع استفاده شده و نسبت محتوی به حجم فیبرها، جهت این فیبرها (برای مثال بار موازی جهت الیاف اعمال می شود) و روش تولید انتخاب شده (مانند pultrusion) دارد. به علت مواد استفاده شده در تولید، چگالی و وزن FRP بسیار پایین تر از فولاد است. تفاوت در چگالی همچنین بین انواع میله ها ظاهر می شود.میله فیبر بازالتی تقویت شده (BFRP) با بالاترین چگالی مشخص شده و به همین دلیل، دارای بالاترین وزن است. از طرف دیگر، بزرگترین مقدار مقاومت کششی بر چگالی مربوط به میله های CFRP است (حدودا ۲۲برابر بیشتر از فولاد تقویتی). در مقایسه با فولاد تقویتی، مقاومت کششی میله های FRP بسیار بالا است و رفتار الاستیک خطی تا گسیختگی دارد. علاوه براین، به استثناء میله های CFRP، ضریب کششی نسبتا پایین است. هرچند، باید به این نکته توجه شود که ویژگی های میله های FRP تحت بار طولانی مدت با کوتاه مدت متفاوت است. انتظار میرود که بالاترین میزان کاهش بار در نتیجه وادادگی مربوط به میلگرد GFRP (11-25%) و کمترین مربوط به CFRP (2-10%)  باشد. میله های CFRP همچنین کمترین میزان کاهش مقاومت کششی کوتاه مدت در گسیخنگی در نتیجه خزش را دارند (حدودا ۷%)

این نکته که میلگرد FRP مقاومت در برابر خوردگی بالایی دارد نباید فراموش شود. این یکی از ویژگی های میله های FRP است، که به کاهش معایب بتن تقویت شده(بتن مسلح) سنتی کمک میکند. برای مثال تاثیر محیط اسیدی یا آب.