مواد کامپوزیت (FRP)

سیستم‌های FRPبه صورت پوشش‌های بیرونی و به منظور افزایش مقاومت و بهسازی سازه‌های بتنی موجود از اواسط دهه 1980 تاکنون در سرتاسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. تعداد پروژه‌هایی که در ارتباط با سیستم FRPدر سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته، به طور چشمگیری افزایش یافته است، به طوری که طی 10 سال گذشته از تعداد اندک به چندین هزار پروژه در حال حاضر رسیده است. اعضای سازه‌های تقویت شده با سیستم FRPبه صورت پوشش بیرونی عبارتند از: تیرها، دال‌ها، ستون ها،‌‌ دیوارها، اتصالات، دودکش ها، طاق‌های گنبدی شکل، تونل ها، سیلوها، لوله ها و خرپاها. پوشش‌های FRPهمچنین به منظور مقاوم سازی سازه‌های بنایی ، چوبی ، فولادی و چدنی نیز به کار می روند. پوشش‌های FRPبه عنوان جایگزینی به جای روش‌های دیگر ، مانند استفاده از صفحات فولادی، غلاف‌های دور ستون‌های بتنی یا فلزی، بوجود آمده‌اند. روکش‌های پلیمری FRPبه منظور بهسازی سازه‌های بتنی اولین بار در دهه 1980 در اروپا و ژاپن توسعه یافت. در اروپا صفحات فولادی به عنوان جایگزین صفحات فولادی مورد استفاده قرار گرفت. اتصال ورق‌های فولادی به قسمت کششی اعضای بتنی توسط رزین‌های اپوکسی به منظور افزایش مقاومت خمشی به عنوان روش مطرح و بادوام مرسوم می باشد. این روش برای مقاوم سازی تعداد زیادی از پل‌ها و ساختمان‌ها در جهان مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجایی که صفحات فولادی دچار خوردگی می شوند و فرسودگی آنها باعث تخریب اتصال صفحه فولادی با بتن می شود و از طرف دیگر نصب آنها مشکل و با ماشین آلات نسبتاً سنگین انجام می گیرد، محققان به دنبال جایگزینی مواد FRPبه جای فولاد شدند.
توسعه آیین نامه‌ها و استانداردها برای سیستم‌های FRPبه عنوان پوشش‌های مقاوم کننده ، در اروپا، ژاپن، کانادا و ایالات متحده ادامه دارد. طی 10 سال گذشته ، انجمن مهندسین عمران ژاپن (JSCE)، موسسه بتن ژاپن (JCI) و موسسات تحقیقات فنی راه آهن (RTRI) مدارک زیادی مربوط به استفاده از مصالح FRPدر سازه‌های بتنی منتشر کرده اند. فدراسیون بین المللی سازه‌های بتنی (FIB) اخیرا اقدام به چاپ نشریه دستورالعمل طراحی روکش‌های تقویت کننده FRPبرای سازه‌های بتن آرمه نموده است (fib 2001).
اداره استاندارد کشور کانادا ISIS، در توسعه و تدوین دستورالعمل برای سیستم‌های FRPفعال می‌باشد. در ایالات متحده راهنمای ACI 440.2R به عنوان راهنمای طراحی و اجرای تقویت ساختمان‌های بتنی با سیستم FRPمنتشر شده است.
بطورکلیمقاوم‌سازیسازه‌هایبتنیموجودیامرمتآن‌هابهمنظورتحملبارهایمضاعفطراحی،بهبودنارسایی‌هایناشیاز فرسایش،افزایششکل‌پذیریسازهیاسایرمواردبااستفادهازمصالحمناسبوشیوه‌هایاجراییصحیحبطورمتعارفانجام می‌گردد.استفادهازصفحاتفولادیبهصورتپوششخارجی،غلاف‌هایبتنییافولادیوپس‌کشیدگیخارجی،تعدادیاز روش‌هایمتعارفموجودمی‌باشند.
استفاده از مواد مرکب ساخته شده از الیاف در محیط رزین پلیمری به عنوان پلیمرهای مسلح شده با الیاف (Polymers (FRPFiber Reinforced، به عنوان یک ضرورت در جایگزینی مصالح سنتی و شیوه‌های موجود معرفی شده است. سیستم FRPبـدین صورت تعریف می‌شود که الیاف و رزین‌ها برای ساخت چند لایه مرکب مورد استفاده قرار می‌گیرند، به نحوی‌که رزین‌هـای مـصرفی به منظور چسباندن چند لایه مرکب به سطح بتن زیرین و پوشش‌ها به منظور محافظت مصالح ترکیب شده استفاده می‌شـوند. پوشـش‌های معمول که به منظور زیبایی ظاهری مورد استفاده قرار می‌گیرند به عنوان قسمتی از سیستم FRPدر نظر گرفته نمی‌شوند.
مصالح FRP، سبک، مقاوم در برابر خوردگی و دارای مقاومت کششی بالا می‌باشند. ایـن مـصالح بـه شـکل‌هـای مختلـف و در‌گستره‌ای از انواع ورقه‌های چند لایه کارخانه‌ای گرفته تا ورقه‌های خشک قابل پیچش روی اشکال مختلف سازه‌ای قبـل از اضـافه کردن رزین، قابل دسترس می‌باشند. در اغلب موارد سیستم‌های FRPکه به صورت پروفیل‌های نسبتاً نازک عمل‌آوری شـده، در اجرا مطلوب می‌باشند. به خصوص در مواقعی که ظاهر کار تمام شده یا امکان دسترسی مدنظر باشد.

کاربرد و شرایط استفاده

سیستم‌های FRPمی‌توانند به منظور بازسازی یا حفظ استحکام یک عضو سازه‌ای فرسوده، مرمت یا مقاوم‌سازی عـضو سـازه‌ای سالم به ‌منظور تحمل بارهای افزایش یافته به سبب تغییر در کاربری سازه و یا جبران خطاهای طراحـی و اجـرا به کـار رونـد. مهنـدس مشاور قبل از انتخاب نوع سیستم FRPباید ارزیابی نماید که آیا یک سیستم FRPروش مناسبی برای مقاوم سازی مسئله مورد نظر می‌باشد یا خیر؟
برای استفاده از سیستم FRPدر پروژه‌های خاص، لازم است وضعیت موجود سازه از قبیل ظرفیت باربری، شناسـایی نقـایص و عوامل آن و شرایط سطوح بتن ارزیابی شود. ارزیابی کمی می‌تواند شامل بازرسی دقیق میـدانی و اخـذ اطلاعـات لازم، مـروری بـر  مدارک طراحی موجود سازه اجرا شده (چون ساخت) و تحلیل سازه باشد. مدارک و نقشه‌های موجود بـرای سـازه شـامل مشخـصات پروژه، نقشه‌های طراحی اولیه، نقشه‌های چون ساخت، گزارش آزمایش‌های میدانی، مدارک مربوط به تعمیرات و مرمـت‌هـای حـین بهره‌برداری و مدارک مربوط به تاریخچه نگهداری باید به خوبی مطالعه شود. مهندس مشاور باید بررسی‌ها و برداشت‌های لازم سازه موجود را مطابق دستورالعمل‌های موجود یا سایر مدارک معتبر و مستند هدایت کند. مقاومت کششی بتن در سطح عـضو مـورد نظـر جایی که سیستم FRPروی آن نصب می‌شود، باید با آزمایش کشش سطحی کنترل شود. بررسی‌های میدانی دست کم باید شامل موارد زیر باشد:
·   ابعاد موجود اعضای سازه‌ای
·   موقعیت، اندازه و عامل ایجاد ترک و خرد‌شدگی
·   موقعیت و میزان خوردگی میلگردهای فولادی
·     نوع، مقدار و موقعیت آرماتورهای موجود
·     مقاومت فشاری درجای بتن
·     سلامت بتن، به خصوص بتن پوششی، در سطوحی که سیستم FRPبه بتن چسبانیده می‌شود.
لازم است مهندس مشاور مطالعه‌ای در زمینه ادبیات فنی سیستم موجود نموده و مصالح مختلف موجود FRPرا بررسی نماید تـا از انتخاب نوع FRPو پوشش‌های محافظت کننده به ‌منظور کاربری مناسب اطمینان حاصل شود.
 

 
تاریخچه
سیستم‌های FRPبه‌صورت پوشش‌های بیرونی و به‌ منظور افزایش مقاومت و بهسازی سازه‌هـای بتنـی موجـود از اواسـط دهـه 1980 تاکنون در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. تعداد پروژه‌هایی که در ارتباط با سیستم‌هـای FRPدر سـطح جهـان مـورد استفاده قرار گرفته، بطور چشمگیری افزایش یافته است، به ‌طوری که طی 10 سال گذشته از تعداد اندک به چندین هزار پروژه در حال حاضر رسیده است. اعضای سازه‌های تقویت شده با سیستم‌های FRPبه‌ صـورت پوشـش‌هـای بیرونـی عبارتنـد از: تیرهـا، دال‌هـا، ستون‌ها، دیوارها، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌های گنبدی شکل، تونل‌ها، سـیلوها، لولـه‌هـا و خرپاهـا. پوشـش‌هـای FRPهمچنـین ‌به ‌منظور مقاوم‌سازی سازه‌های بنایی، چوبی، فولادی و چدنی نیز بکار می‌روند. پوشش‌های FRPبه عنوان جـایگزینی به جـای روش‌های دیگر، مانند استفاده از صفحات فولادی، غلاف‌های دور ستون‌های بتنی یا فلزی، بوجود آمده‌انـد. روکـش‌هـای پلیمـری FRPبه منظور بهسازی سازه‌های بتنی اولین بار در دهه 1980 در اروپا و ژاپن توسعه یافت. در اروپا سیستم‌های FRPبه عنـوان جـایگزین صفحات فولادی مورد استفاده قرار گرفت. اتصال ورقه‌های فولادی به قسمت کشـشی اعـضای بتنـی توسـط رزیـن‌هـای اپوکـسی به منظور افزایش مقاومت خمشی این اعضاء به عنوان روش مطرح و بادوام مرسوم می‌باشد. این روش برای مقاوم‌سازی تعداد زیادی از پل‌ها و ساختمان‌ها در جهان مورد استفاده قرار گرفته است. از آن‌جایی‌که صفحات فولادی دچار خوردگی می‌شوند و فرسودگی آنها باعث تخریب اتصال صفحه فولادی با بتن می‌شود و از طرف دیگر نصب آن‌ها مشکل و با ماشین آلات نسبتاً سنگین انجام می‌گیرد، محققان به دنبال جایگزینی مواد FRPبجای فولاد شدند. توسعه آیین نامه‌ها و استانداردها برای سیستم‌های FRPبه عنوان پوشش‌های مقاوم کننده، در اروپـا، ژاپـن، کانـادا و ایـالات  متحده ادامه دارد. طی 10 سال گذشته، انجمن مهندسین عمران ژاپن (JSCE) ، موسسه بتن ژاپن (JCI) و مؤسسه تحقیقات فنـی راه آهن (RTRI) مدارک زیادی مربوط به استفاده از مصالح FRPدر سازه‌هـای بتنـی منتـشر کـرده‌انـد. فدراسـیون بـین المللـی سازه‌های بتنی (FIB) اخیراً اقدام به چاپ نشریه دستورالعمل طراحی روکش‌های تقویت کننده FRPبرای سـازه‌هـای بـتن آرمـه نموده است (fib 2001). اداره استاندارد کشور کانادا، ISIS، در توسعه و تدوین دستورالعمل برای سیستم‌های FRPفعال می‌باشد.
در ایالات متحده راهنمای ACI 440.2Rبه عنوان راهنمای طراحی و اجرای تقویت ساختمان‌های بتنـی بـا سیـستم‌هـایFRPمنتشر شده است.
 

گستره

ضوابط این فصل مربوط به اصول کلی هستند که باید در طراحی برای بهسازی لرزه‌ای با استفاده از مصالح FRPرعایت شوند. پایه مطالب ارائه شده بر اساس اصول طراحی سازه‌های بتن آرمه متعارف و دانش ویژه مربوط به رفتار مکانیکی مصالح FRPتقویت کننده است. سیستم‌های مقاوم‌سازی FRPباید بر اساس تحمل بارهای کششی طراحی شوند، در عین حال باید سازگاری کرنشی را با بتن سطح زیرین خود داشته باشند. در تقویت کننده‌های FRPنباید به مقاومت در برابر بارهای فشاری آن‌ها تکیه کرد. با این وجود می‌توان تحمل آن‌ها را در مقابل فشار ناشی از اعمال لنگرهای خمشی متناوب یا تغییر در نحوه بارگذاری قابل بررسی دانست. اما در هر حال از مقاومت فشاری اجرای تقویت کننده FRPصرف نظر می‌شود.
 

 

 

اصول طراحی

توصیه‌های طراحی براساس اصول حالت طراحی حدی پایه‌گذاری شده است. این روش بر مبنای دو سطح ایمنی حالت حدی بهره‌برداری ( تغییر شکل زیاد ، ترک خوردگی ) و حالت حدی نهایی ( شکست، گسیختگی، خستگی ) می‌باشد. در تعیین مقاومت اسمی عضو، حالت‌های شکست ممکن و تنش‌ها و تغییر شکل‌های حاصله در هر یک از مصالح در نظر گرفته می‌شود. برای ارزیابی قابلیت خدمت رسانی عضو ، اصول مهندسی مانند نسبت‌های مدولی و سطح مقطع‌های تغییر شکل داده شده (معادل) ، استفاده می‌شود.
ساختمان‌های بتنی مقاوم سازی یا بهسازی شده با مصالح FRPباید براساس توصیه‌های ارائه شده برای مقاومت و قابلیت خدمت رسانی طراحی شوند و از ضرائب بار ارائه شده در آیین نامه بتن ایران " اّبا " و این دستورالعمل استفاده گردد، ضمن آن که ضرایب لازم برای کاهش مقاومت مصالح نیز ارائه شده است. به دلیل شناخت کمتر از مشارکت مصالح تقویتی FRPدر مقایسه با بتن آرمه و بتن پیش تنیده ، ضرایب کاهشی اضافی برای این مصالح ارائه می گردد. در صورتی که مهندس مشاور با شرایط دیگری علاوه بر شرایط ذکر شده در این راهنما مواجه شده و یا به خصوصیات مصالح FRPموجود اعتماد کافی نداشته باشد، می‌توان محافظه کاری بیشتری در تعیین ضرایب کاهشی مقاومت اعمال شود.
برای سیستم‌های FRPکه به منظور بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها طراحی می شوند، توصیه می‌گردد از اصول طراحی براساس ظرفیت استفاده شود. در این روش فرض می شود که سازه باید به ظرفیت کامل خود برسد و لازم است که اعضاء قادر به تحمل و مقاومت در برابر برش اعمالی باشند. طراحی سیستم‌های FRPبخصوص در مواقعی که برای ستون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند ، باید به گونه‌ای باشد که اعضاء دارای مقاومت لرزه‌ای از طریق اتلاف انرژی وارده بوده و ظرفیت تغییر شکل آنها بر اساس آیین نامه‌هایی با فرض سطوح برش پایه محاسبه شود. برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توان به مراجع معتبر رجوع نمود.

محدودیت‌های مقاوم سازی

لازم است ملاحظات دقیقی برای تعیین محدودیت‌های مقاوم سازی اختصاص داده شود . این محدودیت‌ها به دلیل تضمین عدم فرو ریختن سازه و وقوع دیگر گسیختگی‌های سیستم FRPکه ناشی از آتش‌سوزی، خرابکاری یا دیگر دلایل است، می باشد. برای این منظور بعضی از طراحان و سازندگان سیستم، توصیه کرده‌اند که باید اعضای سازه‌ای مقاوم سازی نشده ، بدون نصب تقویت کننده‌های FRP، ظرفیت تحمل کافی برای مقاومت در برابر مقدار مشخصی از بار را داشته باشند. براساس این ایده در حوادثی که منجر به خرابی در سیستم FRPمی‌گردد، سازه هنوز قادر به مقاومت مناسبی در برابر بارها بدون اینکه دچار ریزش شود، باشد.

 

تحمل سازه در برابر آتش

میزان مقاوم سازی به وسیله سیستم‌های FRPکه به صورت پوشش بیرونی صورت می گیرد، اغلب توسط آیین نامه‌های مربوط به آتش‌سوزی محدود می‌شود. رزین‌های پلیمری استفاده شده در سیستم‌های چسباندن تر و پیش آغشته شده و همچنین چسب‌های پلیمری استفاده شده در سیستم‌های FRPپیش عمل آوری شده و پیش ساخته، یکپارچگی و استحکام سازه‌ای خود را در درجه حرارت‌های بیشتر از دمای گذار شیشه‌ای، ..... بسته به ترکیب شیمیایی پلیمر، برای رزین‌ها و چسب‌های رایج استفاده شده، در محدوده بین 60 تا 80 درجه سلسیوس تغییر می‌نماید. به واسطه گرمای ناشی از آتش‌سوزی و تحمل و مقاومت کم سیستم‌های FRPنسبت به افزایش درجه حرارت، این سیستم‌ها پایایی کافی در برابر آتش‌سوزی برای مدت زمان قابل توجهی نخواهند داشت. افزایش ظرفیت تحمل سیستم‌های FRPدر برابر آتش‌ به وسیله عایق‌بندی، اغلب آسان نخواهد بود.
هرچند سیستم‌های FRPبه تنهایی پایایی کمی در برابر آتش‌سوزی دارند، اما با ترکیب مناسب این سیستم‌ها و سازه بتنی موجود می توان دوام قابل توجهی در کل سازه در برابر آتش‌سوزی به وجود آورد. می‌توان شرایطی در طراحی به وجود آورد که مقاومت اصلی در برابر آتش‌سوزی به تنهایی توسط سازه بتنی موجود صورت گیرد. برای بررسی تحمل سازه‌های بتنی تقویت شده با مصالح FRPدر برابر آتش، مهم است تشخیص داده شود مقاومت سازه بتن آرمه تا چه حد هنگام قرارگیری در معرض حرارت‌های زیاد ناشی از حوادث آتش‌سوزی به دلیل کاهش مقاومت تسلیم فولاد و مقاومت فشاری بتن، کاهش یافته و دچار نقص می‌گردد.
با تعمیم مفهوم پایه‌گذاری شده در ACI 216Rبرای اعضای بتن آرمه تقویت شده با FRPمعلوم می شود که محدودیت‌ها در مقاوم سازی به جهت اطمینان از عدم ریختن سازه تقویت شده در آتش‌سوزی‌ها می‌باشد. با توجه به این که مقاومت فولاد و بتن در اثر آتش‌سوزی کاهش می‌یابد، می‌توان برای محاسبه مقاومت کل عضو از مقاومت FRPصرف نظر نمود. در نهایت جهت بررسی عدم گسیختگی سازه تحت بارهای بهره‌برداری و درجه حرارت‌های زیاد، می‌توان مقاومت مورد نظر را با مقاومت تخمین زده شده مقایسه کرد. محدودیت اعمال شده برای عدم گسیختگی عضو سازه در اثر آتش‌سوزی توسط رابطه (1) کنترل می‌شود. تلاش ناشی از بارهای زنده و مرده به ترتیب ...... و .... ، باید با استفاده از حداکثر بارهای اعمالی بر سازه و با کمک روابط تحلیل سازه‌ها محاسبه شوند. اگر وجود سیستم FRPاجازه دهد که ظرفیت تحمل بار بیشتر شود، مانند افزایش در بار زنده، آثار بار باید براساس بارهای اضافه شده محاسبه شوند.(1)
مقاومت اسمی عضو در دمای Ө ، ...... ، می‌تواند با استفاده از راهنمایی‌های ارائه شده در ACI 216Rتعیین گردد. این مقاومت باید براساس دوره زمانی مورد نیاز برای مقاومت سازه در برابر آتش محاسبه شود، برای مثال، مقاومت دو ساعته ، و در این حالت از مقاومت FRPصرف نظر می‌شود. بعلاوه اگر سیستم FRPباعث کاهش مقاومت گردد، مانند حالتی که خوردگی و فرسودگی در بتن را به همراه داشته باشد، باید این کاهش در مقاومت لحاظ شود.
پایایی مصالح FRPدر برابر آتش با استفاده از رزین‌های خاص پیشرفته یا روش‌هایی که باعث محافظت در برابر آتش می‌شوند، قابل افزایش است. به منظور ارزیابی توانایی افزایش پایایی در برابر آتش باید میزان مقاومت سیستم FRPدر برابر آتش براساس مقدار زمان مورد نیاز اندازه‌گیری شده برای رسیدن رزین‌های پلیمری یا چسب‌های سیستم FRPبه دمای گذار شیشه‌ای ، ... ، تعیین گردد. در استاندارد ASTM E119راهنمایی لازم برای ایجاد شرایط آزمایشگاهی انواع حریق‌ها (شامل درجه حرارت و زمان آنها) ، ارائه شده است.

 

مقاومت کلی سازه

با توجه به آن که سیستم‌های FRPبه منظور افزایش استحکام اعضاء در خمش و برش مؤثر می‌باشند و پیش‌تنیدگی مضاعفی را فراهم می نماید، ممکن است دیگر حالت‌های گسیختگی مانند برش سوراخ شدگی و ظرفیت باربری پی‌ها تحت تأثیر سیستم FRPقرار نگیرد ، بنابراین باید مطمئن شد تا تمامی اعضای سازه قادر به تحمل بارهای افزایش یافته وارد بر اعضای تقویت شده هستند. همچنین باید تحلیل لازم از نظر بررسی بالاتر بودن احتمال وقوع گسیختگی خمشی نسبت به گسیختگی برشی برای اعضای مقاوم سازی شده با سیستم FRPصورت گیرد.

کاربری‌های لرزه‌ای

سهم عمده مقاوم سازی و بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها مربوط به تقویت ستون‌ها می باشد. سیستم‌های FRPبا دورپیچ کردن ستون‌ها ، باعث بهبود ظرفیت فشاری بتن ، کاهش طول وصله و افزایش مقاومت برشی می‌گردند. هنگامی که تیرها یا کف‌ها در قاب‌های ساختمانی در نواحی زلزله‌خیز تقویت می‌شوند، باید مقاومت و سختی تیر، کف و ستون به طور جداگانه جهت اطمینان از اینکه مفصل پلاستیک نزدیک ستون و اتصال صورت نگیرد، کنترل شود.

دوام

سیستم FRPباید قادر به تحمل آزمایش‌های دوام سازگار با شرایط محیطی باشد. آزمایش‌های دوام ممکن است شامل دوره‌های گرم و سرد شدن، غوطه‌وری در محیط قلیایی، دوره‌های یخ زدن و آب شدن و قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش باشد.
هر سیستم FRPکه بطور کامل روکش شده یا با پوشش بتنی پوشیده شود، باید از لحاظ تأثیرات یخ زدن و آب شدن، خوردگی فولاد، واکنش‌های قلیایی و سیلیکاتی سنگدانه‌ها، محبوس شدگی در آب، فشار ناشی از بخار و سرایت بخار مرطوب، مورد بررسی قرار گیرد. بیشتر سیستم‌های FRPباعث ایجاد یک لایه غیرقابل نفوذ نسبت به رطوبت بر سطح بتن می‌شوند. در جاهایی که در معرض انتقال بخار آب قرار دارند، باید وسایل کافی برای پاک کردن رطوبت از سطح بتن فراهم گردد.

ملاحضات بارگذاری

شرایط بارگذاری بر سیستم‌های FRPبا الیاف مختلف تأثیر می‌گذارند. لازم است سیستم FRPبر پایه دانش مربوط به رفتار سیستم تحت شرایط مورد نظر انتخاب شود. بعضی از ملاحظات بارگذاری‌های مهم که مربوط به رفتار سیستم است، در زیر آورده شده‌اند. اطلاعات ویژه مصالح FRPدر این زمینه باید از سازندگان آن دریافت شود.
•تحمل ضربه:سیستم‌های با الیاف شیشه و الیاف آرامید تحمل بهتری در ضربه نسبت به سیستم‌های با الیاف کربن از خود نشان می‌دهند.
•گسیختگی ناشی از خزش و خستگی:سیستم‌های با الیاف کربن مقاومت زیادی در برابر گسیختگی خزشی تحت بارهای مداوم و پیوسته و همچنین گسیختگی ناشی از خستگی تحت بارهای نوسانی از خود نشان می‌دهند. سیستم‌های با الیاف شیشه نسبت به هر دو شرایط بارگذاری، حساس‌تر می‌باشند.

 

ملاحظات مربوط به انتخاب پوشش محافظ

برای محافظت سیستم‌های FRPدر برابر شرایط مهاجم محیطی می‌توان از پوشش‌های محافظ استفاده کرد. ضخامت و نوع پوشش باید براساس ضرورت‌های ترمیم کامپوزیت، مقاومت در برابر عوامل محیطی (مانند رطوبت، آب شور، درجه حرارت‌های بالا،آتش، ضربه و قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش) محافظت در برابر شرایط ویژه کارگاهی و محافظت در برابر خراب‌کاری باشد. پوشش‌ها به منظور جلوگیری از کاهش خصوصیات مکانیکی FRPمورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش‌ها باید به طور متناوب بازرسی شده و نگهداری شوند، تا از عملکرد صحیح آن‌ها اطمینان حاصل شود. پوشش‌های خارجی با روکش‌های ضخیم از رزین روی الیاف می‌تواند آن‌ها را از صدمات ناشی از ضربه یا ساییدگی و خراش حفظ کند. در نواحی که احتمال وقوع ضربه‌های شدید وجود داشته و یا در تماس مداوم ناشی از رفت و آمد است، استفاده از لایه محافظ دیگر ضرورت می‌یابد. پوشش‌های سیمانی و پوشش‌های پلیمری اغلب جهت حفاظت در جاهایی که ضربه و یا خراش و ساییدگی به مقدار کمی پیش‌بینی می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

خصوصیات مصالح طراحی

خصوصیات مصالحی که بوسیله سازندگان آنها ارائه می‌شود، مانند مقاومت کششی نهایی، عموماً به صورت خصوصیات اولیه بوده و اثر قرار‌گیری در معرض شرایط محیطی طی زمان‌های طولانی بر روی این خصوصیات در نظر گرفته نمی‌شود، مگر آن که قید شده باشد. مقاومت کششی نهایی طراحی با تعیین ضریب کاهش وابسته به شرایط، از جدول (1) به دست می آید. ضرایب کاهشی عوامل محیطی داده شده در جدول (1) بطور محافظه‌کارانه‌ای براساس دوام نسبی هر یک از انواع الیاف، ارائه شده است. داده‌های مربوط به آزمایش دوام سیستم‌های FRPدر دو حالت همراه و بدون پوشش محافظ، می‌تواند از سازنده آن‌ها اخذ گردد.

شرایط محیطی *	نوع الیاف و رزین	ضریب کاهش محیطی
شرایط محیطی ملایم	کربن - اپوکسی	95/0
	شیشه - اپوکسی	75/0
	آرامید - اپوکسی	85/0
شرایط محیطی متوسط و شدید	کربن - اپوکسی	85/0
	شیشه - اپوکسی	65/0
	آرامید - اپوکسی	75/0
شرایط محیطی بسیار شدید و فوق العاده شدید	کربن - اپوکسی	85/0
	شیشه - اپوکسی	5/0
	آرامید - اپوکسی	7/0

*شرایط محیطی مطابق تعریف آیین نامه بتن ایران " اّبا " می‌باشد.
جدول شماره 1- ضرایب کاهش محیطی برای مصالحFRP
همانطور که درجدول (16) ملاحظه می‌شود، وقتی سیستم FRPدر یک مکان تقریباً کنترل شده و آزمایشگاهی قرار گیرد، ضریب کاهش اعمال شده به مقدار یک نزدیک خواهد بود. اگر FRPدر یک محیط به شدت مهاجم قرار گیرد، مثلاً جایی که به مدت طولانی در معرض رطوبت زیاد، آب شور یا مواد قلیایی باشد، ضریب کاهش پایین‌تری باید مورد استفاده قرار گیرد. در صورت تأیید شدن اثر پوشش محافظ به وسیله آزمایش در حفظ خصوصیات سیستم FRP، می‌توان ضریب کاهش را بسته به نوع پوشش اصلاح نمود.

 

مواد تشکیل دهنده

مواد تشکیل دهنده سیستم‌های FRPمورد استفاده برای مقاوم سازی سازه‌های بتنـی عبارتنـد از رزیـن‌هـا، انـدودها، خمیرهـا ، بتونه‌ها، چسب‌ها و الیاف.

رزین‌ها

طیف گسترده‌ای از رزین‌های پلیمری شامل اندودها، خمیرها، پرکننده‌ها، بتونـه‌هـا و چـسب‌هـا در سیـستم‌هـای FRPاسـتفاده می‌شوند. از جمله متداول‌ترین رزین‌ها می توان به اپوکسی‌ها، وینیل استرها و پلی استرها اشاره کرد که در گستره وسـیعی از شـرایط محیطی به کار می‌روند. در تولید رزین خواص زیر مورد توجه قرار می‌گیرد:
۱- سازگاری و چسبندگی به سطح بتنی
۲- سازگاری و چسبندگی با سیستم FRP
۳- مقاومت در برابر عوامل محیطی نظیر رطوبت، شوری آب، دمای بالا و محیط‌هـای شـیمیایی در مجـاورت بـتن نمایان
۴- قابلیت پر‌کنندگی
۵- کارایی
۶- مدت زمان ماندگاری مواد اختلاط شده متناسب با شرایط اجرایی
۷- سازگاری و چسبندگی با الیاف مسلح کننده
۸- ایجاد خصوصیات مکانیکی مناسب برای کامپوزیت F

آسترها

آستر برای نفوذ در سطح بتن به کار می‌رود، تا چسبندگی مناسب برای رزین یا چسب آغشته کننده را فراهم نماید.

بتونه‌ها

بتونه‌ها برای پر کردن حفره‌های سطح بتن نظیر سوراخ‌های ریز سطحی استفاده می‌شوند تا یک سطح هموار برای چسباندن مصالح FRPایجاد شود. همچنین پر کردن این حفرات از ایجاد حباب در حین عمل‌آوری رزین جلوگیری می‌نماید.

رزین آغشته سازی

رزین‌های آغشته سازی به منظور آغشته نمودن الیاف مسلح، چسبانیدن آن‌ها به محل مورد نظر و ایجاد مسیر انتقال بار برشی و توزیع مؤثر نیرو بین الیاف به کار می‌رود. این رزین همچنین به عنوان یک چسب در سیستم‌های چـسباندن تـر اسـتفاده مـی‌شـود مشروط بر اینکه بتواند مسیری برای انتقال بار بین سطح بتن ترمیم شده و سیستم FRPایجاد کند.

مواد چسباننده (چسب‌ها)

چسب‌ها برای اتصال لایه‌های پیش عمل‌آوری شده FRPبه سطح بتن به کار برده می‌شوند. این مواد مسیری برای انتقال بار بین سطح بتن زیرین و لایه مسلح FRPایجاد می‌کنند. چسب‌ها همچنین برای اتصال چند لایه FRPبه یکـدیگر نیـز به‌کـار برده می‌شوند.

‌  پوشش‌های محافظ

پوشش‌های محافظ برای نگهداری و محافظت لایه FRPاز اثرات مخرب محیطی به کار برده می‌شوند. این پوشش‌ها معمولاً بر روی سطح خارجی سیستم FRPپس از عمل‌آوری چسب‌ها یا رزین آغشته سازی استفاده می‌شوند.

الیاف

الیاف شیشه، آرامید و کربن در سیستم‌های FRPاستفاده می‌شوند. الیاف سختی و مقاومت سیستم FRPرا تشکیل می‌دهد. محدوده مشخصات کششی الیاف در پیوست الف آورده شده است.

خصوصیات فیزیکی

چگالی

چگالی مصالح FRPدر محدوده 1200 تا 2100 کیلوگرم بر متر مکعب است که 4 تا 6  بار کمتـر از چگـالی فـولاد مـی‌باشـد (جدول 1-2). این کاهش چگالی می‌تواند منجر به کاهش هزینه حمل و نقل، آسانی در جابه‌جایی مـصالح و همچنـین کـاهش بـار مرده سازه ناشی از تقویت گردد.
 

جدول شماره 2- چگالی مواد FRP

 

ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط حرارتی مصالح FRPتک جهتی در محور طولی و عرضی متفاوت است و به نوع الیاف ، رزین و درصـد حجمـیالیاف بستگی دارد. جدول 2-2 مقادیر ضریب انبساط حرارتی مصالح FRPتک جهتی متداول را در راستاهای طولی و عرضی نشانمی دهد. عدد منفی در جدول نشان دهنده انقباض ماده در اثر افزایش د ما و انبساط آن بر اثر کاهش دما میباشد. بـه عنـوان یـکمقایسه، بتن دارای ضریب انبساط حرارتی متغیری از  بتا درجه سـانتیگـراد بـوده و معمـولاً ایزوتـروپ فـرض میشود. ضریب انبساط حرارتی فولاد معادل بر درجهسانتیگراد است.  

جدول شماره 3- ضریب حرارتی مصالح  FRP

 

ترمیم بتن و آماده سازی زیرکار

رفتار اجزای بتنی که با مصالح FRPمقاوم سازی یا ترمیم شده‌اند، بطور قابل ملاحظه‌ای با وضعیت سـطح بـتن و آمـاده سـازی مناسب و هموار شدن رویه آن مرتبط می‌باشند. در غیر این صورت می‌تواند نتایجی نظیر ورآمدن FRPاز سطح بتن یا جدایش لایه‌ها از یکدیگر قبل از رسیدن به بارهای طراحی اتفاق افتد.
ضوابط کلی اشاره شده در این بخش شامل کاربرد انواع سیستم‌های FRPکه به صورت پوشش بیرونی استفاده می‌شـوند، مـی‌گردد. ضوابط ویژه برای یک سیستم خاص FRPبا مطالعه مدارک سازنده سیستم FRPاستخراج می‌شود. در آماده‌سازی سطح بتن ممکن است مواردی چون ایجاد سرو صدا، گرد و غبار و پدیده‌هایی مانند لـب پرشـدن یـا آسـیب دیـدگی‌هـای موضـعی در اعـضای ساختمان پدید آید.

ترمیم سطح بتن

لازم است تمام اشکالات موجود در بتن اصلی و بتن زیرکار که ممکن است یکپارچگی سیستم FRPرا به مخاطره بیندازد، قبـل از عملیات آماده سازی برطرف شوند.  
روش‌هایی که با جزییات کامل در ACI 546Rو ICRI 03730اشاره شده، نحوه ترمیم و آماده‌سازی سطوح بتن را بیان نمـوده است. عملیات ترمیم بتن باید منطبق با الزامات نقشه‌های طراحی و مشخصات پروژه انجام شـود. لازمـست سـازگاری مـصالح مـورداستفاده جهت ترمیم با سیستم FRPمصرفی مورد توجه قرار گیرد.

خوردگی –عیوب مربوط به آن

در مواردی که احتمال می‌رود فولاد مصرفی در اجزای بتن آرمه دچارخوردگی شده باشد، سیستم FRPنبایـد به کـار بـرده شـود. گسترش نیروها، ناشی از فرآیند خوردگی فولاد در اجزای بتنی، قابل برآورد و پیش‌بینی نیست و می‌توانـد انـسجام سـازه‌ای سیـستمFRPبه کار گرفته شده را به مخاطره اندازد. اثرات خوردگی و رسوبات آن بایـد از روی بـتن پاکـسازی شـده و خرابـی‌هـای ناشـی از خوردگی قبل از بکارگیری هر نوع سیستم پوشش بیرونی FRPترمیم شوند.

تزریق داخل ترک‌ها

گسترش ترک‌های با عرض بیش از 3/0 میلی متر یا بیشتر می‌توانـد در عملکـرد سیـستم پوشـش خـارجی FRPاثـر بگـذارد، به طوری که منجر به جدایش لایه‌ای یا گسیختگی الیاف شود. لازم است ترک‌های با عرض بیش از 3/0 میلی متر، مطابق با الزامـات ACI 224.1Rبا تزریق تحت فشار اپوکسی پر شوند. ترک‌های کوچک‌تر نیز چنانچه در شرایط محیطی مهـاجم واقـع شـوند ممکـن است لازم باشد با تزریق تحت فشار اپوکسی پر شوند و یا روکش شده تا از خوردگی فولاد داخل بتن جلوگیری به عمل آید . معیارهـای عرض ترک برای شرایط مختلف بتن نمایان در آیین نامه ACI 224Rتوضیح داده شده است.

سطوح آماده‌سازی

 الزامات آماده‌سازی سطوح براساس کاربردهای توصیه شده سیستم FRPصورت می‌گیرد. اجـرای آمـاده‌سـازی مـی‌توانـد در دو حالت کاربری چسبندگی بحرانی یا کاربری تماس بحرانی باشد. در کاربری‌های چسبندگی بحرانی، نظیـر مقـاوم‌سـازی خمـشی یـا برشی تیرها، دال‌ها، ستون‌ها یا دیوارها، برای نصب سیستم FRPروی سطح بتن نیاز به زدن چسب بین آن‌ها مـی‌باشـد. در کـاربری‌های تماس بحرانی نظیر محصور کردن ستون‌ها فقط نیازمند تماس مستقیم سیستم FRPروی بتن می‌باشـند. در ایـن کـاربری‌هـا نیازی به چسب زدن بین سیستم FRPو سطح بتن نمی‌باشد، هر چند برای سهولت نصب اغلب از یک چسب نیز استفاده می‌شود.

 کاربری چسبندگی بحرانی

آمـــاده‌ســـازی ســـطح بـــرای کـــاربری‌هـــای چـــسبندگی بحرانـــی بایـــد مطـــابق توصـــیه‌هـــای ACI 546Rو  ICRI 03730اجرا شود. بتن یا سطوح ترمیم شده که سیستم FRPروی آن نصب می‌شود، بایـد تـازه و عـاری از مـواد سـست و ناپایدار باشد. مواضعی که الیاف به دور آن پیچیده می‌شود چنانچه دارای گوشه‌های با مقاطع مستطیلی شکل باشد، باید گوشـه‌هـا را به حالت قوسی با حداقل شعاع مطابق بند 3-10 ، تبدیل نمود تا از تمرکز تنش روی سیستم FRPجلوگیری شده و از ایجـاد فاصـله بین سیستم FRPو سطح بتن جلوگیری نماید. گوشه‌های ساییده شده زبر باید صاف شوند که با خمیره یا بتونه این کار قابـل انجـام است. هر نوع ناصافی، گوشه‌های ناهموار و دارای اعوجاج، سطوح مقعر و گودی‌ها و اقلام مدفون می‌توانند در اجرای سیـستم FRPاثر سوء بگذارد و باید اصلاح شوند. جاهای فرو رفته و برآمده باید قبل از اجرای سیستم FRPگرفته شوند. برای گوشه‌های ناصـاف و سطوح مقعر ممکن است جزییات اجرایی خاصی لازم باشد تا از حصول سیستم پوششFRPاطمینان حاصل شود. آماده‌سازی سطوح می‌تواند با استفاده از ساینده‌ها یا روش پاشش با فشار آب صورت گیرد . کلیه جرم‌ها، گرد و غبار، کثیفی، روغن، مواد منعقـد شـده، پوشش‌های روی سطح و هر نوع آلودگی دیگری که در پوشش کامل سیستم FRPروی بتن بتواند تاثیر سوء بگذارد بایـد پاکـسازی شود. مک‌ها و سوراخ‌های سطحی و حفره‌ها باید در موقع زدودن سطوح گرفته شوند. پس از آن که زدودن سطوح بطور کامل انجام شد، سطح باید تمیز کاری شود به نحوی که هر نوع ماده‌ای که بتواند در پوشش FRPروی سطح اثر سوء بگذارد، از بین برود. لازم است سطح بتن مطابق با الزامات مندرج در مشخصات فنی پروژه آماده‌سازی شود. برای تعیین میزان لایـه سـطحی مـورد نیاز باید مطابق توصیه‌های سازنده FRPو تأیید دستگاه نظارت اقدام گردد. ناصافی موضعی سطح بتن از جمله خطوط قالب نباید از یک میلی متر یا از رواداری که توسط سازنده سیستم FRPتوصیه شده است، بیشتر باشد. ناصافی موضعی سطوح را می‌توان با سنگ فرز برطرف نمود و این کار باید قبل از سایش سطوح و یا پاشش با فشار آب انجام شود. اگر مقدار ناصافی‌ها خیلی کم باشد می توان آن‌ها را با استفاده از خمیره بتونه شکل اپوکسی صاف نمود. تمامی سطوحی که قرار است سیستم مقاوم‌سازی روی آن اجرا شود، باید مطابق با توصیه‌های سازنده سیستم FRPخشک باشند. رطوبت موجود در منافذ بتن می‌تواند در نفوذ رزیـن اثـر سـوء بگـذارد و از درگیری مکانیکی بکاهد. درصد رطوبت موجود باید با الزامات ACI 503-4مطابقت داشته باشد.

کاربری تماس بحرانی

در کاربردهای مربوط به دور پیچ نمودن اجزای سازه‌های بتنی، آماده‌سازی سطوح باید به نحوی انجام شود که تمـاس مـستقیم بین سطح بتن و لایه سیستم FRPبوجود آید. سطوحی که لایه‌ها روی آن پیچیده می‌شوند باید از حداقل تحـدب نـسبی برخـوردار بوده یا تخت باشند تا بارگذاری مناسب سیستم FRPبه نحو مناسب تأمین شود. حفره‌های بزرگ در روی سطح باید بـا مـواد ترمیمـی سازگار با بتن موجود پر شوند. موادی که مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته پایینی دارند، نظیر پلاسـترها، مـی‌تواننـد اثـر بخـشی سیستم FRPرا کاهش دهند و لذا باید از روی سطوح پاک شوند.

A.       استفاده از کامپوزیت ها و frp

یکی از روش­های نوینی که در سال‌های اخیر مورد توجه مهندسین و کارفرمایان قرار گرفته است، مقاوم­سازی ساختمان­ها با استفاده از کامپوزیت­ها می­باشد. در این زمینه تحقیقات زیادی در سراسر دنیا صورت پذیرفته است و دستورالعمل ها و آئین­ نامه­ هایی برای استفاده از آنها تهیه شده استFRP (Fiber Reinforced Polymer) یکی از مهمترین کامپوزیت ها می باشد که به دلیل خصوصیاتی مانند وزن کم و مقاومت کششی بسیار زیاد، مقاومت در برابر شرایط جوی و غیره در بسیاری از صنایع مورد توجه مهندسین و صنعت­گران واقع شده است. کامپوزیت­های FRP از ترکیب فیبر و رزین به وجود می­آیند. انواع مختلف فیبرها عبارتند از : فیبرهای کربنی، شیشه­ ای و آرامید؛ و رزین­ هایی که در این روش مورد استفاده قرار می­گیرند عبارتند از : رزین­ های اپوکسی، پلی ­استر و ... .
پلیمرهای مسلح از الیاف بسیار نازکی تشکیل شده اند که توسط ماده زمینه محصور میشوند. الیاف دارای جنسهای متفاوت بوده و به صورت قطعات کوتاه، رشته های دراز و پارچه های بافته تولید میشود. قطعاتFRPبه روشهای مختلف صنعتی، نیمه صنعتی و یا دست‌ ساز ساخته میشود. شکل زیر ساختار میکروسکوپی مصالح FRPرا نشان میدهد.
 

ساختار میکروسکوپی مصالحFRP
 
در اواخر دهه 1980، FRP با چسباندن به روی سطح کششی تیرهای بتنی و دال بتنی سقف‌ها جهت تقویت خمشی آنها معرفی شد و سپس بعد از تخریب تعداد زیادی از پل‌ها در زلزله 1989 (Loma Prieta) بحث افزایش محصور شدگی پایه های پل با FRP مطرح شد و بعد از آن بهسازی دیوارهای غیر مسلح با محصولات FRP آغاز گردید و بطور کلی این تکنولوژی
      راه جدیدی را برای تقویت و بهسازی سازه ها باز کرد .
FRP های مصرفی در تقویت سازه ها یا معمولا با استفاده از الیاف و پارچه های کربن، شیشه و ... ضمن اشباع شدگی به وسیله اپوکسی(رزین) در محل مورد استفاده چسبانده می شوند. روش دیگر استفاده از تسمه های پیش ساخته لمینیت (تا عرض حداکثر 10 سانتی متر و ضخامت حدود 3/1 میلیمتر) می باشد که روی سطح اجرا می گردد.پس از گذشت سال‌ها از به‌کارگیریکامپوزیت FRP در صنعت ساختمان اکنون استفاده از آن به روش تر و یا استفاده از تسمه های پیش‌ساخته لمینیت در مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه ها گسترش یافته و یکی از روش های شناخته شده در این امر می باشد.
   در شکل زیر نمایی از الیاف کربن وشیشه، لمینیت کربن و سطل های رزین اشباع کننده آورده شده است.


الیاف کربن وشیشه، لمینیت کربن و سطل های رزین اشباع کننده 



 

کامپوزیت FRP

اف آر پی FRP، اختصاری از کلماتFiber 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. پلیمرهای مسلح شده با الیافFRP،مصالح مرکبی هستند که طیف وسیعی از آن‌ها توسط شرکت مقاوم سازی مارین سازه موجود 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 دهنده‌ی 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 نگه داری الیاف را در کنار یکدیگر بر عهده دارد. در کامپوزیت چند لایه میتوان از چند نوع الیاف نیز استفاده کرد که به آنها کامپوزیتFRP مخلوط یا(hybrid) می گویند. البته معمولا سعی می‌شود از یک نوع ماتریس استفاده شود تا چسبندگی خوب بین لایه ها بوجود آید خواص کامپوزیتFRP بستگیزیاد به جهت الیاف آنها دارند الیافFRP حجم قابل توجهی از یک کامپوزیتFRP 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 الکتریستهFRP
·         وزن مخصوصFRP
·         قیمتFRP
 
A.        مزایای استفاده از کامپوزیت FRP
 
·         ضخامت کم الیاف اف آر پی سبب نازک بودن ورق های کامپوزیتFRP (در حد میلی‌متر) شده و باعث می‌گردد آنها فضای اضافه اشغال نکند.
·         قیمت و هزینه مناسبFRP سبب فروش بالای آن در کشور ایران و سایر کشورها، در سالهای اخیر شده است.
·         FRP دارای وزن پایینی بوده و چگالی مصالح و ورق هایFRP حاصل کم می باشد.
·         مقاومت کششی و مدول الاستیسیته اف آر پی ها بالاست.کامپوزیتFRP مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند.
·         مقاومت ضد اسیدی و خورندگیFRP 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 ورقFRP به سطوح مختلف بتن و آهن خوب بوده و همپوشانی آن زیاد نیست. که سبب پایین آمدن قیمتFRP می‌گردد.
·         حمل و نقل آسان بدلیل وزن پایین الیاف اف ار پی
·         سرعت کار بیشتر و نحوه اجرای آسانFRP
·         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 اجرایFRP
·         مصالحFRP عایق بسیار مناسبی در مقابل محیط اسیدی، قلیایی، شیمیایی و خورنده می باشد.
·         عدم افزایش ابعاد مقاطع در مقاوم سازی باFRP
·         امکان بکارگیری چند نوع الیافFRP  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 کربنCFRP)
 
B.       مواد تشکیل دهنده کامپوزیتFRP
همانگونه که اشاره شد، کامپوزیتFRP از ترکیب از فیبرها یا الیاف و ماتریس یا رزین پلیمری تشکیل شده است.
C.         اشکال مختلف مصالحFRP
تولیداتFRP شکل های متنوعی دارند که در اشکال مختلف در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. مصالح کامپوزیتFRP به صورت نوار یا لمینیت(Strip & Laminate)، صفحه یا شیت(Sheet)، میلگرد یا پروفیل های پیش ساخته مورد استفاده قرار می‌گیرند. الیاف هایFRP در نوارها همگی در یک جهت واحد قرار دارند ولی در شیتها ممکن است الیافها یک جهته یا دو جهته باشند. گاهی اوقات از ترکیب جنسهای مختلف (تارها از یک جنس و پود ها از جنسی دیگر) شیتهای هیبریدFRP (ورقFRP با الیاف مختلف) نیز به دست می آیند.
در زیر به اشکال مختلف ساختFRPها در زیر به طور اختصار اشاره می‌گردد:
§    میلگرد FRP
به دلیل مقاومت بسیار زیادFRP در برابر خوردگی، این ماده به صورت میلگردFRP نیز ساخته شده است. در حال حاضر کارخانه­های متعددی وجود دارند که میلگردFRP تولید می‌کنند که توسط شرکت مقاوم سازی مارین سازهدر کشور ایران قابل تهیه هستند.
§    پوشش‌FRP
پوشش‌هایFRP عمدتاً برای مقاوم سازی تقویت سازه ها و نیز پوشش‌های محافظتی محیطی به کار می‌روند. این پوشش‌ها معمولاً بر روی سطح خارجی اعضاء مختلف نصب می‌گردند. در این روش ساخت کامپوزیتFRP، الیاف و مواد پلیمری به روش دستی و بصورت جداگانه، توسط اپراتور در سطح کار قرار می گیرد و بعد از ایجاد فرم مناسب، عمل آوری روی آن صورت می گیرد.
§     شبکه‌ کامپوزیتیFRP
شبکه‌های کامپوزیتیFRP محصولاتی هستند که از برخورد میله‌هایFRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. این محصول که از الیاف کربن، شیشه یا آرامید و رزین اپوکسی یا وینیل استر تولید می‌شود، برای مسلح کردن بتن مناسب است.
§    پروفیل‌ ساختمانیFRP
مصالحFRP همچنین در شکل پروفیل‌های ساختمانی به صورتI شکل، T شکل، نبشی، قوطی و ناودانی و به روش پالتروژن (Pultrasion)  تولید می‌شوند. پروفیل‌ های کامپوزیتFRP می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.پروفیل های ساخته شده از FRPبه شرح زیر می‌باشد.
 

 
ü      کابل، طناب و تاندن‌ پیش تنیدگیFRP
مصالح پیش تنیدهFRP، محصولاتی شبیه میله‌هایFRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده (یا پس کششی) در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزای پیش تنیده‌ در مجاورت آب نیز به کار گرفته می‌شوند. مقاوم سازی یک عضو با الیاف پیش تنیده باعث افزایش سختی و مقاومت عضو می‌گردد. کامپوزیت پیش تنیدهFRP (که به کامپوزیت پس کششیFRP نیز مرسوم است)، همچنین می‌توانند برای مقاوم سازی برشی نیز مفید واقع شوند. در مجموع استفاده از مصالح اف ار پی پیش تنیده باعث افزایش بیشتر مقاومت و سختی نسبت به روشهای معمول تقویت سازه و مقاوم سازی باFRP است.
ü       میله دست سازFRP
این نوع میله‌ها که از پیچاندن الیاف و ورقه هایFRP حول یک هسته‌ منشوری به شیوه‌ دست ساز تولید می‌گردند، می‌توانند در تقویت خمشی و برشی تیرهای و ستونهای بتنی مورد استفاده قرار گیرند. بدیهی است که کیفیت ساخت میله‌هایFRP نسبت به میله های تولیدی کارخانه پایین‌تر می‌باشد اما در عین حال قیمت تمام شده برای ساخت آن‌ها نیز پایین‌تر است.
ü      کامپوزیت مختلط
کامپوزیتهای مختلط برای شکل پذیر کردن کامپوزیتهایFRP ساخته می شوند. در این شیوه با مخلوط کردن الیاف کربن، آرامید یا کربن و شیشه، کامپوزیتFRP جدیدی به دست می آید که شکل پذیری بالاتری دارد. بدین صورت که در اثر بارگذاری مصالحFRP ساخته شده از الیاف کربن و شیشه یا آرامید، ابتدا الیاف کربن به علت سختی بیشتر نیروی بیشتری را جذب خود نموده و این افزایش نیرو تا حد جاری شدن الیاف کربن ادامه پیدا می‌کند. از آنجایی که کرنش جاری شدن در الیاف آرامید یا شیشه حدود دو برابر الیاف کربن است، پس از جاری شدن الیاف کربن هنوز جاری نمی‌شوند و نیرو جذب می‌کنند. الیاف باقی مانده (الیاف آرامید یا شیشه) به تنهایی قادر به تحمل باری معادل ۱۰ درصد (یا بیشتر) بالاتر از باری را که حد جاری شدن الیاف کربن است، بوده و همین امر به همراه کرنش بالای مصالح کربن و آرامید سبب افزایش شکل پذیری کامپوزیتFRP می گردد.
 
D.      مشخصات فیزیکی و مکانیکی کامپوزیتFRP
مدول الاستیسیته و مقاومت کششی بسته به ضخامت ورق­های کامپوزیت می­تواند تفاوت بسیار زیادی نسبت به اعداد آورده شده در جدول داشته باشند. بدون توجه به نوع فیبرها و یا روش ساختن آنها هر سه نوع این کامپوزیت­ها رفتار تنش-کرنش یکسانی از خود نشان می­دهند و این یکی از ویژگی­های بسیار مهم کامپوزیت­های FRPدر استفاده سازه­ای آنها می­باشد. در مقایسه این کامپوزیت ها با فولاد یک نکته قابل توجه می باشد: اینکهمصالحFRP شکل پذیری فولاد را ندارند و ممکن است شکل پذیری اعضای سازه بتن مسلح را که با استفاده از FRPها مقاوم شده­اند، محدود کند. با وجود این در مواقعی‌که برای ژاکت کردن بتن مورد استفاده قرار می­گیرند، این مصالح می­توانند به طور قابل توجهی مقاومت و شکل پذیری ستون­ها را افزایش دهند.
§       مقاومتFRP در مقابل خوردگی
یکی از مهمترین ویژگی های سیستم های کامپوزیتFRP مقاومت آن در برابر خوردگی و خصوصیات مکانیکی بالای الیاف و صفحاتFRP در مقاوم سازی است. در حقیقت این خاصیت مصالحFRP  Fiber Reinforcement Polymer تنها دلیل نامزد کردن 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 کامپوزیتFRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصه میلگردFRP می‌باشد.
§       مقاومتFRP
مصالحFRP مقاومت کششی بسیار بالایی از مقاومت کششی فولاد دارند. مقاومت کششی بالای مواد کامپوزیتFRP کاربرد آنها را برای سازه‌های بتنی، خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بتنی و مقاوم سازی سازه ها بسیار مناسب کرده است. مقاومت کششی مصالحFRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهایFRP بکار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت کششی محصولات FRP برای شیت ها و ورق های ساخته شده با الیاف کربن ۱۱۰۰MPa تا ۴۹۰۰Mpa ، برای میله‌های با الیاف شیشه تا ۲۳۰۰Mpa و برای میله‌های با الیاف آرامید تا ۱۶۵۰MPa گزارش شده است. چنین مشخصات فنی بالا اهمیت مقاوم سازی باfrp را بیش از بیش روشن می سازد.
§      مدول الاستیسیتهFRP
مدول الاستیسیته الیافFRP و مصالح کامپوزیت ساخته شده به آنها عمدتا در محدوده قابل قبولی قرار دارند. مدول الاستیسیته کامپوزیتFRP ساخته شده از الیاف کربن در محدوده ۲۳۰GPa تا ۲۰۰GPa ، کامپوزیتFRP ساخته شده از الیاف شیشه در محدوده ۷۰GPa و آرامید ۶۰GPa گزارش شده است. برای مقاوم سازی سازه ها و تقویت بتن معمولا از این الیاف استفاده می‌گردد.
§       وزن مخصوصFRP
وزن مخصوص کامپوزیتFRP به مراتب کمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص کامپوزیت هایCFRP یک سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در الیافFRP از مزایای عمده آنها در کاربردشان به عنوان تقویت و مسلح کننده بتن محسوب می شود.
§        عایق بودنFRP
مصالحFRP عایق بسیار عالی هستند. به عبارت دیگر، مواد ساخته شده از مصالحFRP، از نظر مغناطیسی و الکتریکی خنثی بوده و عایق مناسبی محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میلگردFRP 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 فرودگاهها و مراکز رادار بسیار مناسب خواهد بود.
§        مقاومت خستگیFRP
رفتار مصالح، FRP در مقایسه با فولاد، در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنش‌های کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، کامپوزیتFRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند و مناسب مقاوم سازی باfrp 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 مصالحFRP
رفتار خزشی کامپوزیت‌ هایFRP بسیار خوب است؛ به عبارت دیگر، اکثر کامپوزیتهایFRP، 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.
§       چسبندگیFRP 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 شدنFRP
خم شدگی کامپوزیتFRP بسیار سخت می‌باشد. چنانچه کامپوزیتFRP در سازه بتنی استفاده شوند، بجهت مهار آرماتورهای طولی و عرضی و تنگ‌ها، نیاز است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم کردن میلگردهایFRP بسیار دشوارتر از خم کردن آرماتورهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجودFRP، نمی‌توان عملیات خمکاری را در محل پروژه انجام داد. البته می‌توان خم‌کاری میلگردFRP کامپوزیتی را با سفارش مشتری در کارخانه انجام داد.
§       شکل پذیریFRP
روش تقویت با الیافFRP سبب افزایش شکل پذیری ستونهای تقویت شده به روش محصور سازی می‌گردد. همچنین استفاده از مصالحFRP 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 باFRP اعضا با استفاده از الیاف شیشه شکل پذیری اعضا را بر عکس الیاف کربن افزایش می‌دهد.
 
§      انبساط حرارتیFRP
خصوصیات انبساط حرارتی کامپوزیت ها و میلگردFRP ساخته شده از الیاف کربن و شیشه بترتیب برابر با و  است. این در حالی است که ضریب انبساط حرارتی فولاد و بتن نزدیک هم می‌باشد؛. همچنین ضریب انبساط حرارتی میله‌هایFRP متفاوت از بتن می‌باشد. انبساط حرارتی کولار یا آرامید منفی بوده و برابر با  است.
§        مقاومت حرارتی سیستمFRP
از مشخصات مصالحFRP ، 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، مصالحFRP را محدود می کند تا این سیستم های مامپوزیتی در مقابل حریق در حالت پایدار باقی بمانند و این مقاومت با اضافه شدن رزین و چسبها باید محدود شود بهTg. به عنوان مثال، Tg برای سیستمFRP که با الیاف شیشه و چسب و رزین ساخته می‌گردند برابر است با ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی گراد.
الیاف کربنFRP در مقابل حریق مقاومت خوبی دارند. کربن در دمائی در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد شروع به بی رنگ شدن می‌کند و در دمای ۱۵۰۰ درجه شروع به نیم سوز شدن کرده و در دمای حدود ۲۰۰۰ درجه شروع به سوختن می‌نماید.
مقاومت انواعFRP  در مقابل حرارت و آتش به صورت زیر می باشد.

مقاومت حرارتی مصالحFRP
§       معادلات رفتاری کامپوزیتFRP
معمولا تحلیل مکانیک رفتار مصالحFRP از دو دیدگاه بررسی می شود این دو دیدگاه عبارتند از: دیدگاه میکرومکانیک و دیدگاه ماکرومکانیک.برای مشاهده مشخصات الیاف و ورق های کربن ، شیشه و آرامید و میلگردFRP شرکت مارین سازه به بخش محصولات مقاوم سازی مارین سازه مراجعه کنید.
 

 

 انواعFRP

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 ورقFRP (با ضخامت چند میلی‌متر) معروف هستند. مصالح الیافFRP بر اساس فیبرهای تشکیل دهنده به چندین دسته تقسیم می شوند که چهار نوع آن کاربرد بیشتری دارند و عبارتند از:
1.      الیافGFRP که با آنها پلیمرهای کامپوزیتFRP مسلح شده با الیاف شیشه(Glass Fiber Reinforced Polymers) تولید می‌گردند
2.      الیافCFRP که کامپوزیتهایFRP مسلح شده با الیاف کربن(Carbon Fiber Reinforced Polymers) از آنها تولید می‌گردند.
3.      الیافAFRP آرامید(Aramid Fiber Reinforced Polymers)
4.      الیافBFRP بازالت(Basalt Fiber Reinforced Polymers)
 




A.      الیاف کربن
الیاف کربن خود دارای انواع مختلفی می باشد. در حال حاضر شرکتهای مختلفی در جهان این الیاف را تولید میکنند. به نحوی که میزان تولید جهانی آن بیش از 20 هزار تن در سال است. علیرغم حجم بالای استفاده از این الیاف قیمت آن نسبت به سایر انواع الیاف زیاد میباشد. از مزایای الیاف کربن میتوان موارد زیر را نام برد: مقاومت بسیار بالای کششی، وزن بسیار ناچیز، استحکام بالای خستگی،ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین،مقاومت باالا در مقابل خوردگی، شکل پذیری بسیار مناسب،سختی بالا،صلبیت بالا،مقاومت کششی بالا، چگالی کم، خواص میراییبالا، غیر مغناطیسی بودن، دوام بالا در مقایسه با مواد فولادی، مقاومت بالا در برابر ضربه، از معایب این الیاف میتوان از موارد زیر اسم برد ترد بودن در شکست، هدایت الکتریکی، کرنش کم در شکست،قیمت بالا،مدت زمان دوام نامعلوم
موارد کاربرد الیاف کربن:با توجه به ویژگی هایCFRPمیتوان در صنایع مختلف هم چون صنایع هوافضا،صنعت اتومبیل سازی، صنعت ساختمان و سازه های دریایی استفاده کرد در صنعت ساختمان سازی نیز به منظور بهسازی سازه های موجود و یا جایگزین فولاد برای بهسازی سازه از ابتدای ساخت به کار میرود. به علت مقاومت بالا و مقاومت در برابر خوردگی میتوان از CFRP در سازه های دریایی استفاده کرد. یکی از موارد مهمی که به باعث عدم استفاده الیاف کربن به میزان سایر انواع الیاف در ایران شده است، مورد آخر یعنی قیمت بالای این الیاف است. باوجود مقاومت بسیار بالای کششی این الیاف قیمت بالای آنها فاکتوری منفی جهت عدم استفاده روزافزون الیاف کربن در کشور شده است. الیاف کربن تحت تأثیر رطوبت هوا، حلال ها، بازها و اسیدهای ضعیف در دمای محیط قرار نمی گیرند. با توجه به شکننده بودن کامپوزیت ها، استفاده از الیاف با کرنش زیاد در هنگام شکست بسیار حائز اهمیت است که الیاف کربن فاقد این خاصیت می باشند. البته بهینه کردن فرآیند تولید در طول دهه های گذشته منجر به بهبود فراوان در استحکام و در کرنش تا شکست الیاف کربن شده است. همانطور که گفته شد در حال حاضر گونه های مختلفی از الیاف کربن در بازار جهانی موجود است.
الیاف کربن (Carbon Wrap) یکی از پرکاربرد ترین الیاف در صنعت مقاوم سازی و کامپوزیت است. این الیاف بیشترین مقدار ضریب ارتجاعی را نسبت به الیاف شیشه و کولار دارد. ضریب انبساط گرمایی خطی این نوع الیاف در دماهای بالا و پایین بسیار کم می باشد که این مساله باعث پایداری ابعادی الیاف کربن در دماهای متفاوت می‌گردد. در بین مزایای مختلف الیاف کربن، برجسته ترین آنها مقاومت کششی فوق العاده نسبت به وزن آن است (الیاف کربن تقریبا یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد). علاوه بر آن الیاف کربن مقاومت خوبی در برابر خستگی دارد. دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه xاز بارزترین خصوصیات الیاف کربن به شمار می‌رود. همچنین فیبر کربن رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد و قابلیت بافت و تولید پارچه، ساخت کامپوزیت‌های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می‌سازد. فیبر کربن عنصری با دانسیته  ۲٫۲۷g/cm3است و اشکال بلوری مختلفی دارد. رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند. علیرغم حجم بالای استفاده از آنها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتاً بالا است. این مسئله باعث محدودیت فروش الیاف کربن CFRP می‌گردد.
فیبر و الیاف کربن در مدول های الاستیسیته و مقاومتهای کششی مختلف و با بافتهای الیاف یک جهته و دو جهته توسط شرکت مارین سازه برای تولید مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم سازی انواع سازه های بتنی عرضه می گردند. با توجه به نیاز صنعتهای مختلف کشور ایران، الیاف کربن در طیف گسترده ای از انواع فیبر از ۳Kتا ۵۰Kو با وزنهای مختلف و عرضهای مختلف ارائه می‌شوند.

مزایای الیاف کربن CFRP

• نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن –مقاومت کششی بالا
• نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
• استحکام مناسب در برابر خستگی
• ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین
• مقاومت بالا در برابر خوردگی

معایب الیاف کربن CFRP
·         کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
·         کربن هادی الکتریکی است. هدایت الکتریکی بالا ممکن است سبب ایجاد اتصالات کوتاه در قطعات غیر عایق الکتریکی گردد.
·         کرنش کم در لحظه شکست
·         قیمت بالا
·         مقاومت ضربه ای کم
 
فیبر الیاف کربن
دسته بندی انواع الیاف کربن
الیاف کربن معمولا بر اساس تعداد فیلامنت، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، و دمای نهایی عملیات حرارتی دسته‌بندی می‌گردند.
الیاف کربن بر اساس تعداد فیلامنت به رشته الیاف کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که توو (TOW) کوچک یا سبک و رشته الیاف بیشتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که اصطلاحاً توو بزرگ یا سنگین نامیده می‌شوند، دسته‌بندی می‌گردند.
الیاف کربن بر اساس مشخصات مکانیکی نیز به صورت الیاف یا فیبر کربن با مدول الاستیسیته بسیار بالا ( بیشتر از ۵۴۰ GPa)، فیبر کربن با مدول یانگ بالا (۳۵۰-۴۵۰ GPa) و الیاف کربن با مدول متوسط (۲۵۰-۳۵۰ GPa) و همچنین الیاف کربن با مقاومت کششی گسیختگی بالا و مدول پایین (مقاومت کششی بیشتر از ۳۰۰۰ مگا پاسکال و مدول کمتر از ۲۰۰ گیگا پاسکال) و الیاف و فیبر کربن با استحکام کششی بسیار بالا (بیشتر از ۵۰۰۰ MPa) دسته بندی می‌گردند.
همچنین الیاف و فیبر کربن بر اساس مبنای زمینه به صورت فیبر کربن با مبنای الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)، فیبر کربن با مبنای قیر صنعتی، فیبر کربن با مبنای قیر مزو فاز، فیبر کربن با مبنای قیر ایزوتروپیک، فیبر کربن با مبنای الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی) و فیبر کربن با مبنای فاز گازی دسته بندی می‌گردند. در مجموع در این حالت الیاف کربن را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد که عبارتند از: الیاف کربن با مبنای الیاف مصنوعی، که با نام شیمیایی پلی آکریلونیتریل (PAN) شناخته می‌شوند، مقاومت بسیار زیادی دارند (بیش از MPa 3700)؛ ولی این نوع قیمت الیاف کربن گران است. الیاف کربن با مبنای قیری، که از تقطیر زغال سنگ به دست می‌آیند و از الیاف کربن PANارزان‌تر هستند؛ ولی مقاومت و مدول الاستیسیته کم‌تری دارند.
الیاف کربن بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی نیز به الیاف MH(دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سلسیوس)؛ الیاف SH(دمای حدود ۱۵۰۰درجه) و الیاف TH(دمای کمتر از ۱۰۰درجه با استحکام پایین کاربرد)
 

پارچه بافته شده از الیاف کربن
 
کاربرد الیاف کربن
الیاف کربن صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که عبارتند از:
کاربرد الیاف کربن در صنعت ساختمان
مقاوم سازی ساختمان و تقویت سازه ها با الیاف کربن CFRP، ساخت صفحات، ورقها و لمینیت کربن، الیاف تقویت کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه های پس کششی و پیش تنیده کربنی در سازه های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل ها.
کاربرد الیاف کربن در صنعت خودرو
مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز،بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی ها، فنرهای لول و…
کاربرد الیاف کربن در صنایع هوا فضا و هواپیما سازی
اجزای سازه ای ماهواره ها، سازه های داخلی هواپیماهای مسافرین اعم از پنل صندلی های کربنی، میزهای کربنی و سایر پوشش های کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها و …
کاربرد الیاف کربن در صنایع پزشکی
ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخدار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …

کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی
·          ساخت پره توربین های کربنی و آسیاب های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
·          کاربرد الیاف کربن در صنایع تجهیزات الکتریکی، الکترونیک و ماشین سازی
·          ساخت چرخ دنده های کربنی، غلتک های کربنی، چرخ دنده های پرسرعت کربنی،قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن های کربنی، مخازن تحت فشار کربنی، قاب تلفن های همراه و …
یکی از مهمترین دلایل سرعت کم نفوذ فیبر کربن در صنایع مختلف، بالا بودن قیمت الیاف کربن می‌باشد. امروزه بیشترین توجه شرکت ها، بر روی روشی جهت کاهش قیمت الیاف کربن و ارتقاء فروش الیاف کربن متمرکز شده است. شیوه های کاهش قیمت الیاف کربن در سه حوزه کاهش قیمت شرایط تولید، بهینه‌سازی خصوصیات الیاف و کاهش قیمت تجهیزات قابل بررسی می‌باشد. پیشرفت در هر کدام از این حوزه‌ها، تاثیر بسیار مهمی در قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن خواهد داشت.
 
تاریخچه الیاف کربن
الیاف کربن اولین بار توسط توماس ادیسون در دهه ۱۸۸۰ ثبت اختراع شد و تولید تجاری الیاف کربن امروزی نیز در کشور ژاپن از سال ۱۹۷۰ آغاز گردید. بعد از سال ۱۹۸۰ نیز تولید تجاری این الیاف در حجم انبوه در آمریکا و کشورهای اروپایی باعث کاهش قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن شد.
 
 

فیبر کربن – مقایسه مقاومت کششی و مدول یانگ انواع الیاف کربن
 
روش تولید الیاف کربن
الیاف کربن از طریق پیرولیز مبناهای آلی که به شکل الیاف هستند، تولید می‌گردند. خصوصیات فیزیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت گیری الیاف پیش زمینه یا مبنا و کاهش ضعف‌های موجود، بهبود می‌یابند. بدین ترتیب، مناسبترین روش در فرآیند تولید الیاف کربن با ویژگی‌های مناسب، استفاده از الیاف مبنا با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدار سازی و کربونیزاسیون از طریق اعمال کشش می‌باشد. الیاف اکریلیک بدلیل داشتن بیش از ۵۵درصد کربن در ساختار خود، یکی از بهترین پیش‌زمینه‌ها جهت تولید الیاف کربن می‌باشد.
تولید الیاف کربن بر مبنای الیاف پلی اکریلونیتریل شامل سه فاز زیر می‌باشد:
فاز پایدارسازی اکسیداسیونی:
 در این مرحله الیاف اکریلیک همزمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد.
فاز کربونیزاسیون: 
پس از فاز پایدارسازی اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس در محیط خنثی برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می گیرند.
فاز گرافیتاسیون: 
با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ –۱۵۰۰ درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهتگیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و سایر ویژگی‌های مکانیکی می‌شود.
فرآیند تولید الیاف کربن بر مبنای سایر پیش‌زمینه‌ها
این نیز، مشابه مراحل فوق است. مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است. در الیاف کربن بر پایه پلی اکریلونیتریل، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیداسیونی و متعاقب آن کربونیزاسیون، از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می‌کند.
هر چه مقاومت کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد، مشخصات کششی الیاف کربن بدست آمده بیشتر خواهد شد. هرگاه مرحله پایدار سازی به شکلی مناسب صورت گیرد، مقاومت کششی و ضریب ارتجاعی با کربونیزاسیون تحت کشش، به مقدار بسیار زیادی در محصول الیاف کربنی نهایی بالا می‌رود. در مجموع مقاومت نهایی و گسیختگی الیاف کربن به نوع الیاف مبنای پیش زمینه، شرایط فرآیند، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف، مرتبط است.
 
B.         الیاف شیشهGFRP:
می توان گفت الیاف شیشه به علت قیمت بسیار مناسب رایج ترین و پرمصرف ترین نوع الیاف مورد استفاده در صنعت است. الیاف شیشه هم بر حسب نوع و ترکیب مواد بکار رفته در تهیه آنها به انواع گوناگون تقسیم میگردند.خواص الیاف شیشه علاوه بر موارد بکار رفته در ساختار آنها به عوامل دیگری مانند شرایط محیطی و غیره نیز وابسته است. به عنوان مثال افزایش دما باعث کاهش استحکام الیاف شده و یا اینکه افزایش رطوبت موجب کاهش استحکام الیاف میگردد. با افزایش سرعت اعمال بار در حین آزمایش نیز استحکام الیاف افزایش مییابد.
مزایای الیاف شامل: قیمت پایین،استحکام کششی نسبتا بالا، مقاومت شیمیایی بالا،عایق حرارتی و الکتریسیته، حساسیت به سایش می باشد و معایب این نوع الیاف مدول کششی پایین، وزن مخصوص نسبتا بالا، مقاومت خستگی پایین، ترد بودن در شکست سختیبالامیباشد.
الیاف شیشه(Glass Wrap) ارائه شده توسط شرکت مقاوم سازی مارین سازه، رایج ترین و پر مصرف ترین الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت است که یکی از دلایل مقدار بالای فروش الیاف شیشه می‌باشد. قیمت الیاف شیشه در مقایسه با انواع الیاف های کربن و آرامید بسیار پایین بوده و همین امر سبب شده است در سال های اخیر فروش الیاف شیشه بیشتر شود.
رشته الیاف شیشه از فیبرهای شیشه ای (glass fiber) تشکیل می‌شوند که تارهایی به ضخامت حدود ۱۰ میکرون هستند. مقاومت کششی و شیمیایی بسیار بالای الیاف باعث شده تا استفاده از آنها در ساخت قطعات صنایع هوا فضا، خودرو، دریایی و ساختمانی، تجهیزات مبلمان و تجهیزات ورزشی، روز به روز بیشتر شود. الیاف FRP شیشه متداول ترین محصول برای مقاوم سازی، تقویت و بهسازی انواع سازه ها در صنعت ساختمان بوده، همچنین این مصالح برای حفاظت اجزای مختلف در محیط های خورنده و شیمیاییFRP lining (ایزوله کردن لوله های فلزی و حفاظت شیمیایی در محیطهای خورنده باPH خیلی بالا یا کم)، نیز کاربرد گسترده ای دارند.
 
مزایا این انواع الیاف شیشه در مقایسه با سایر الیاف به شرح زیر است:
مزایای اصلی الیاف شیشه به شرح زیر است:

• قیمت الیاف شیشه مناسب تر از سایر الیاف است.
• مقدار بالای فروش الیاف شیشه سبب در دسترس بودن انواع مختلف آن باشد.
• استحکام کششی الیاف شیشه ای بالا می‌باشد،
• فیبر شیشه ای عایق  الکتریکی خوبی است یا به عبارت دیگر الیاف شیشه رسانا نیستند.
• مقاومت شیمیایی الیاف شیشه بالا بوده و مناسب محیط های مستعد خوردگی هستند.
• مقاومت مناسب حرارتی

 
معایب الیاف شیشهGFRP
معایب و ضعف های الیاف شیشه ای در مقاسیه با سایر الیاف در ذیل لیست شده است:

• فیبر شیشه مدول کششی پایین تری نسبت به الیاف کربن دارند و همین مسئله سبب می‌شود تا مهندسین سازه ها جهت مقاوم سازی ساختمان ها باFRP بیشتر رغبت به استفاده از الیاف کربن به جای الیاف شیشه داشته باشند.
• وزن مخصوص الیاف پلیمری شیشه در مقایسه با انواع الیاف کربن و کولار نسبتا بالا می‌باشد.
• الیاف شیشه نسبت به سایش در حین حمل و نقل حساس می‌باشند.
• مقاومت برابر خستگی الیاف شیشه نسبتاً پایین است.
• الیاف شیشه ایGFRP نسبتا شکننده  بوده و تردتر می‌باشد.
• سختی الیاف شیشه زیاد بوده و در نتیجه باعث سایش قالب ها و کند شدن ابزار برش در کارهای کامپوزیتی می‌گردد.

نکته قابل توجه در مورد رشته الیاف شیشه ای، تشکیل شدن آن از الیاف یا فیبر شیشه ای با قطر کم است که در صورت ظهور پدیده شکست به جهت رشد ترک ها که می‌تواند ناشی از وجود ترک های ریز با نقص های سطحی موجود بر سطح الیاف باشد تنها الیاف یا فیبر شیشه ای منفرد می‌شکنند و از شکست کامل رشته الیاف جلوگیری به عمل می‌آید. بنابراین یک رشته الیاف دارای استحکام شکست بیشتری نسبت به یک الیاف به قطر کلی مشابه آن می‌باشد زیرا در یک الیاف ضخیم رشد یک ترک ناشی از نقص‌های سطحی منجر به شکست کامل آن می‌گردد.
انواع الیاف شیشه شرکت مقاوم سازی مارین سازه در بافت های یک جهته، دو جهته حصیری و چند جهته در وزن ها و مقاومت های مختلف توسط شرکت مارین سازه ارائه می­شوند. الیاف شیشه با بسیاری از سیستم های رزینی نظیر پلی استر اشباع شده، وینیل استر، رزین های فنولیک و رزین اپوکسی سازگاری دارد و سیستم کامپوزیتی بسیار مناسبی را شکل می‌دهند. انواع الیاف شیشه برحسب ترکیب مواد بکار رفته در تهیه آنها، به انواع گوناگون تقسیم بندی می‌شوند که در زیر به این گونه ها به همراه قیمت این الیاف شیشه ای و فروش آنها نیز اشاره می‌گردد:
الف) الیاف شیشهE-glass
 این نوع الیاف شیشه، متداول‌ترین نوع موجود در بازار هستند و ۸۰ تا ۹۰ درصد تولیداتGFRP   را تشکیل می‌دهد که کم‌ترین مواد قلیایی در ساخت آن‌ها به کار می‌رود. از این الیاف علاوه بر مقاوم سازی سازه ها، در صنعت برق به عنوان مقاومت های الکتریکی نیز استفاده می‌گردد. (GPa70=E، MPa2500-1500  و %۳-۸/۱= ). قیمت الیاف شیشه ارزان بوده و کاربرد و فروش الیاف شیشهE-glass نسبتا بالاست.
ب) الیاف شیشهC–Glass:
 این نوع الیاف شیشه دارای آهک سود دار به همراه بور و سیلیکات می‌باشد و در محیط هایی که دارای مواد شیمیایی خورنده وجود داشته باشند، کاربرد فراوان دارند. الیاف شیشهC-Glass به صورت الیافی برای مسلح کردن بتن به کار می‌روند. این نوع الیاف در مقابل خوردگی اسیدی مقاومت بسیار خوبی را فراهم می‌کنند و کاربرد اصلی آنها در پوشش سطحی خطوط لوله و پوشش سطحی مخازن است.
ج) الیاف شیشهA-Glass: 
این نوع الیاف شیشه که درصد مواد قلیایی موجود در آن‌ها بسیار زیاد است، امروزه از چرخه‌ی تولید خارج گردیده‌اند.
د) الیاف شیشهS-Glass: 
این دسته از الیاف شیشه، مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار زیادی دارند و بیش‌تر در صنایع هوا فضا و تحقیقات فضایی و هوایی برای پوشش موشک‌ها و قطعات هواپیمایی به کار می‌روند. این الیاف عملکرد حرارتی مناسبی دارند و نیاز به کنترل کیفیت خاص در زمان تولید دارد. قیمت الیاف شیشه S-Glass خیلی بالا بوده و گران قیمت ترین نوعGFRP می باشند. همین دلیل فروش این نوع شیشه پایین می‌باشد. (GPa 87E= و MPa3900 ).
 
مقایسه انواع الیاف شیشه
 

نوع الیاف شیشه	چگالیgr/cm3	مقاومت کششیMPa	ضریب ارتجاعیGPa	افزایش طول  %
E– Glass	۲٫۶	۳۴۴۵	۷۲٫۴	۴٫۸
S– Glass	۲٫۴۹	۴۵۸۵	۸۶٫۹	۵٫۴
C– Glass	۲٫۵۶	۳۳۱۰	۶۸٫۹	۴٫۸
AR– Glass	۲٫۷	۳۲۴۱	۷۳٫۱	۴٫۴

 
C.      الیاف آرامیدAFRP:
پلیمرهای آرامیدی با خصوصیاتی هم چون نقطه ذوب بالا ، مقاومت حرارتی عالی و غیرقابل حل بودن بسیاری از حلال های آلی شناخته شدهاند. به علت مخارج بالای سرمایه گذاری اولیه، تاکنون به تولید تجاری در سطح الیاف شیشه و کربن نرسیده است. مهمترین خواص الیاف آرامید عبارتند از:نسبت استحکام و مدول به وزن خوب، وزن کم و استحکام بال، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت خستگی مناسب عدم حساسیت به شکاف یا ترك، مقاومت بالا در مقابل حلال های آلی، مواد سوختنی و نرمکننده ها، امکان استفاده مداوم تا دمای حدود 102 درجه سانتیگراد .
الیاف آرامیدی اگرچه در کشش رفتاری الاستیک از خود نشان میدهند اما تحت بار فشاری رفتاری غیرخطی از خود بروز میدهند. نور ماورای بنفش نیز اثر تخریبی بر این الیاف دارد. همچنین لازم به ذکر است که برش الیاف آرامید با وسایل برش معمولی به سختی انجام میشود و به وسایل برش مخصوص نیاز ندارد.
 
جدول زیر که توسط  Meier و Winistorferدر سال 1995 تدوین یافته است ویژگی­های انواع کامپوزیت ­های FRP را در مقاوم ­سازی سازه ­های بتنی مسلح با هم مقایسه کرده است.
 

 

 

معیار	جنس فیبر
	فیبرهای شیشه¬ای	فیبرهای کربنی	فیبرهای آرامید
مقاومت کششی	خیلی خوب	خیلی خوب	خیلی خوب
مقاومت فشاری	خوب	خیلی خوب	نامناسب
مدول یانگ	مناسب	خیلی خوب	خوب
رفتار بلند مدت	مناسب	خیلی خوب	خوب
رفتار گسیختگی	مناسب	عالی	خوب
دانسیته وزنی	مناسب	خوب	عالی
مقاومت قلیائی	نامناسب	خیلی خوب	خوب
هزینه	خیلی خوب	مناسب	مناسب

 

 

 

 

 

 

 

الیاف شیشهgfrp

مزایا و روش های مقاوم سازی با FRP

کاربردهای میلگرد کامپوزیت GFRP

الیاف بازالت

فرآیند تولید الیاف بازالت


شرکت فنی و مهندسی مارین سازه مفتخر است آمادگی خود را به منظور ارائه خدمات فنی و مهندسی ( طرح و اجرا ) در زمینه‌های مختلف مهندسی به شرح زیر در شهرهای تهران، کرج، هشتگرد، قزوین، سمنان، قم، قشم، کیش و سایر نقاط کشور اعلام نماید.
1.   طراحی، تولید، نصب و راه‌اندازی انواع اسکله‌های شناور بتنی در کاربری‌های متنوع و چند منظوره
2.   بهسازی لرزه‌ای و مقاوم‌ساز انواع سازه‌ها و ساختمان‌ها ( طرح و اجرا ) 
3.   طراحی و اجرای کلیه نقشه‌های معماری و سازه
4.   طراحی و اجرای سازه‌های خاص