فیبرهای پلیمری تقویت‌شده

فیبرهای پلیمری تقویت شده FRP یا همان Fiber Reinforced Polymer/Plasticها را می‌توان برای ترمیم یا تقویت و بهسازی انواع سازه‌های بتنی با تصب بر روی سطح (دالها و تیرها، ستون‌ها، دیوارهای حمال، شناژها و فونداسیون) و در ساختمان‌های مسکونی، اداری و تجاری، ساختمان‌های صنعتی، تکیه‌گاه‌های ماشین‌الات و تاسیسات سنگین، سازه‌های آبی از قبیل سد، کانال، کالورت و غیره، پل‌های جاده‌ای و ریلی، مخازن و منابع آب و مایعات، سیلوها و برج‌های خنک‌کننده به کار برد.
با پیشرفت‌های علم و فناوری، امروزه متخصصین امر ساخت وساز سعی می‌کنند به تکنولوژی ساخت مواد جدیدی دست یابند که علاوه بر انجام وظیفه‌های در نظر گرفته شده از جنبه‌های دیگر موثر بر سازنده مانند وزن، مقاومت، راحتی کاربرد و طول عمر نیز برتری‌هایی داشته باشند. یکی از این مواد که دارای مزیت‌های شمرده شده می‌باشند کامپوزیت‌های پلیمری می‌باشند. این مواد قابلیت استفاده به صورت‌های مختلف و در قسمت‌های مختلف سازه را دارند.
روش الیاف کربنی (FRP)
عوامل بسیاری در طبیعت سبب آسیب رساندن به سازه‌های بتنی و غیر بتنی می‌شود که می‌توان به عوامل محیطی چون آب، باد، خاک و آسیب‌هایی چون توفان، سیل، زمین لرزه و همچنین عوامل میکانیکی و نیروگاهی و … نیز یاد نمود که با پیشرفت تکنولوژی در ترمیم سازه‌های بتنی و تداوم این بستر فرآورده‌های ویژه‌ای جهت بازسازی این نوع آسیب‌ها ساخته شده‌است.
از این فرآورده‌ها می‌توان الیاف کربنی (FRP) را نام برد. ورق الیاف کربنی سبک، بافته شده از الیاف کربنی سبک است که برای پایدار سازی به کار می‌رود، این فرآورده برای مواردی چون: جایگزین نمودن میلگردهای از بین رفته، افزایش تاب و شکل پذیری ستونها، افزایش تحمل بار در سازه‌ها، تغیر کاربری در سازه‌ها، طراحی جهت رفع عیوب، تاب در برابر تکانه‌های لرزشی و جلوگیری از بروز مشکلات ناشی از زمین لرزه بکار می‌رود.
کاربرد چند کاره برای برطرف کردن هر نوع نیاز به مقاوم‌سازی، نرمش پذیری، ژئومتری سطح (تیرها، ستون‌ها، دودکشها، دیوارها و …) و چگالی پایین جهت افزایش کمینه وزن به سازه، افزاینده تاب خمشی و کششی، پایداری در برابر مواد شیمیایی و شرایط محیطی، افزایش قدرت باربری بدون فرسودگی از ویژگی‌های این فرآورده هستند.
روش الیاف پلیمری
بازسازی و تقویت ویژه جهت کارهای مقاوم‌سازی و بازسازی بتن استفاده از مواد تعمیراتی ویژه یا مواد تعمیراتی با الیاف پلیمری می‌باشد که از بهترین مارک‌های آن می‌توان lanko (فرانسه)، xypex (کانادا)، forsroc (انگلستان) و sika (سوئد) و همچنین مواد nano تکنولوژی را نام برد که این مواد تعمیراتی جهت زیر سازی ستونها و تیرها و دال‌ها و دیوارها بسیار کارا هستند و نیز از این مواد می‌توان به عنوان عایق نیز استفاده نمود.
از ویژگیهای آن می‌توان دوغاب تیکسوتروپ، چسبندگی بالا، پایداری مکانیکی اولیه و نهایی بسیار بالا، مقاوم به آب دریا و آبهای سولفاتی و بدون مشکل زیست محیطی یاد کرد.
ورقه‌های اف‌آرپی
ورقه‌های FRP (فیبرهای پلیمری تقویت شده) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده‌است. فیبرهای FRP به روش پلی اکریلونیتریل(PAN) ساخته می‌شوند و میلگردها و پروفیل‌ها به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می‌گردند که در این روش دسته‌های الیاف پس از آغشته شدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می‌آورند. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه‌ها به شکل ورق‌هایFRP، میلگردهای FRP، مش‌های FRP و پروفیل‌های FRP وجود دارد. از این محصولات برای ساخت و تقویت سازه‌ها استفاده می‌شود.
تعمیر و تقویت اعضاء خمشی به وسیله FRP
وزن کم، انعطاف‌پذیری بالا، سهولت حمل و نقل، سرعت عمل بالا، راحتی برش در اندازه‌های دلخواه، سادی اجرا و امکان تقویت به صورت خارجی از عمده مزایای FRPها در ترمیم سازه‌های بتنی نسبت به سایر روش‌ها می‌باشد. چسباندن FRP به ناحیه کششی بتن در اعضای خمشی در طول مورد نظر سبب افزایش ظرفیت خمشی مقطع خواهد شد.
تاریخچه
به علت نیاز روزافزون به استفاده از مواد ترکیبی برای دستیابی به خواص و عملکردهای مطلوب استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان رو به رشد بوده و با سرعت فوق‌العاده در حال توسعه می‌باشد. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه ۱۹۸۰ آغاز شد. اما زلزله‌های سال ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ کوبه ژاپن عامل مهم وموثری جهت بررسی همه‌جانبه کاربرد کامپوزیت‌های پلیمری ساخته شده از الیاف FRP جهت تقویت و مقاوم‌سازی بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید. این مطالعات که دامنه و وسعت آن روز به روز در حال افزایش است زمینه‌ای وسیع جهت استفاده از این کامپوزیت‌ها را در سازه‌های نیازمند به تقویت، بهسازی یا ترمیم فراهم نموده‌است.
هم اکنون تعداد زیادی از محققان و پژوهشگران صنعت سازه در سراسر جهان در حال بررسی، مطالعه و انجام آزمایش‌های تقویت سازه‌ها با کامپوزیت‌های FRP می‌باشند.
مقدمه
بسیاری از سازه‌های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، کلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مسئله هزینه‌های زیادی را برای تعمیر، بازسازی یا تعویض سازه‌های آسیب دیده در سراسر دنیا موجب شده‌است. این مسئله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مساله مهندسی، بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی شده‌است. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته‌است. از مواردی که سازه‌های بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار می‌گرفته، کاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیط‌های دریایی بوده‌است. در محیط‌های ساحلی و دریایی، خاک، آب زیرزمینی و هوا، اکثرا حاوی مقادیر زیادی از نمکها شامل ترکیبات سولفور و کلرید هستند. در یک محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، که بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجه حرارت‌های بالا و نیز رطوبت‌های بالا همراه شده که نتیجتا خوردگی در فولادهای به کار رفته در بتن آرمه کاملا تشدید می‌شود. در مناطق ساحلی خلیج فارس، در تابستان درجه حرارت از ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد تغییر می‌کند، در حالیکه گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از ۳۰ درجه سانتیگراد متغیر است. این در حالی است که رطوبت نسبی اغلب بالای ۶۰ درصد بوده و بعضا نزدیک به ۱۰۰ درصد است. به علاوه هوای مجاور تمرکز بالایی از دی‌اکسید گوگرد و ذرات نمک دارد. به همین جهت است که از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده‌است. در چنین شرایط، ترک‌ها و ریزترک‌های متعددی در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد شده، که این مسئله به نوبه خود، نفوذ کلریدها و سولفاتهای مهاجم را به داخل بتن تشدید کرده، و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم می‌آورد.
ساختار مصالح FRP
مواد FRP از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده).
فایبرها که اصولا الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده۵ تا ۲۵ میکرون می‌باشد.
رزین اصولا به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد.
فایبر ممکن است از شیشه، کربن، آرامید باشد که در اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP،CFRP،AFRP شناخته می‌شود.
الیاف شیشه
فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛
E-Glass: متداول‌ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی کم، که در صنعت ساختمان به کار می‌رود.
Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حملهقلیائیها، که در تولید بتن الیافی به کار گرفته می‌شود.
A-Glassمقادیر زیاد قلیایی که امروزه تقریبا از رده خارج شده‌است.
S-Glass: در تکنولوژی هوا-فضا و تحقیقات فضایی به کار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی دارد.
الیاف کربن
الیاف کربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛
۱- الیاف کربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I که تردترین آنها با بالاترین مدول الاستیسیته محسوب می‌شود. تیپIIکه مقاوم‌ترین الیاف کربن است؛ و نهایتا تیپ III که نرمترین نوع الیاف کربنی با مقاومتی بین تیپ Iو IIمی‌باشد.
۲– الیاف با اساس قیری (Pitch-based) که اساسا از تقطیر زغال سنگ بدست می‌آیند. این الیاف از الیافPAN ارزان‌تر بوده و مقاومت و مدول الاستیسیته کمتری نسبت به آنها دارند.
لازم است ذکر شود که الیاف کربن مقاومت بسیار خوبی در مقابل محیط‌های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی کاملا پایدار هستند.
الیاف آرامید
آرامید، یک کلمه اختصاری از آروماتیک پلی‌آمید است. آرامید اساسا الیاف ساخته دست بشر است که برای اولین بار توسط شرکتDuPont در آلمان تحت نام کولار (Kevlar) تولید شد. چهارنوع کولار وجود دارد که از بین آنها کولار ۴۹ برای مسلح کردن بتن، طراحی و تولید شده‌است.
مقاوم‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP
مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌سازی ممکن است مسئله ساز باشند، به خود اختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکی از معمول‌ترین تکنیک‌ها برای بهسازی اجزاء بتن آرمه، استفاده از ورق‌های فولادی است که از بیرون به این اجزاء چسبانده می‌شود. این روش، روشی ساده، مقرون به صرفه و کارا است؛ اما از جهات زیر مسئله ساز است: ۱- زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی می‌شود.
۲- مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان. ۳- نیاز به نصب داربست.
۴- محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی به کارگاه ساخت (در مورد مقاوم‌سازی خمشی
اجزاء بلند).
نوارها یا صفحات می‌توانند جایگزینی برای صفحات فولادی باشند. مواد FRP برخلاف فولاد، تحت تاثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرند و می‌توانند درمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد وآماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است.
علاوه بر این، الیاف مسلح‌کننده در FRP می‌توانند در موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیش‌ترین کارایی به‌دست آید. مواد حاصله تنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. آن‌ها همچنین حمل و نقل آسان‌تری داشته، نیازمند داربست کمتری برای نصب می‌باشند، و می‌توانند برای مکان‌هایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورد استفاده قرار گیرند؛ و پس از نصب، بار اضافی قابل‌توجهی را به سازه تحمیل نمی‌کنند.
روش مرسوم دیگر در مقاوم‌سازی اعضای بتن‌آرمه، استفاده از پوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشیدنی یا فولاد می‌باشد. این روش تا جایی که مربوط به مقاومت، سختی و شکل پذیری می‌شود، کاملا موثر است؛ اما باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود. همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر و تخلیه ساکنین است و به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه می‌شود. به‌عنوان یک جایگزین، صفحات می‌توانند به دور اجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر FRPزیادی در سختی ایجاد نمایند. یک نکته مهم در ارتباط با مقاوم‌سازی اعضا با استفاده خارجی از آن است که باید درجه مقاوم‌سازی (نسبت ظرفیت نهایی عضو مقاوم‌شده به ظرفیت نهایی عضو مقاوم نشده) را محدود کنیم تا حداقل سطح ایمنی در حوادثی مانند آتش‌سوزی که منجر به از دست رفتن کارایی می‌شوند، حفظ گردد.
ورقه‌های اف‌آرپی
سازه‌های تقویت شده با ورقه‌های FRP در ایران
برج کنترل فرودگاه بین‌المللی قشم