بعضی از سازه ها به علت قرارگیری در معرض حمله سولفات ها، کلریدها و غیره دچار مشکل خوردگی هستند. برای غلبه بر این مشکل، راه حل های مختلفی وجود دارد. می توان از فولادهای ضد زنگ که بسیار گران هستند استفاده نمود یا آن که قیمت قوطی آهن را با روش های متداول، محافظت الکتروشیمیایی کرد. به کارگیری پوشش های ضد زنگ مانند رنگ های اپوکسی نیز از دیگر راه حل های متداول است. اما هرکدام از راه حل های فوق هزینه بر، زمان گیر و گاه بسیار دشوار یا غیر ممکن هستند. اگر این قبیل هزینه های تعمیر و نگهداری و عمر کوتاه پروفیل های آهنی در ملاحظات اقتصادی لحاظ شود، ملاحظه می گردد که استفاده از آهن ارزان قیمت در مقایسه با آرماتورها و پروفیل های کامپوزیتی چندان هم به صرفه تر نیست.
آمارهای موجود حاکی از آن است که سالیانه در جهان بالغ بر ده ها میلیارد دلار صرف جبران خسارات خوردگی در سازه های دریایی، صنعتی و نظامی در مناطق مرطوب می شود. نیاز به کاهش هزینه تعمیر و نگهداری سازه های عظیم و متعدد ساحلی و فراساحلی، مهندسان و سازندگان بناها را به سمت بهره گیری از مواد نوین سوق داده است. کاربرد کامپوزیت های پایه پلیمری به همراه فایبر در صنایع و تاسیسات زیربنایی به دلیل وزن کم، استحکام بالا، مقاومت در مقابل خوردگی، نارسایی الکتریکی و غیره رشد فزاینده ای داشته است.
در این مقاله قصد داریم به معرفی الیاف و پروفیل های frp، بیان خصوصیات آن ها و مقایسه آن ها با یکدیگر بپردازیم.
به طور کلی FRP (فیبرهای پلیمری تقویت شده) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش اصلی فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. نقش رزین در ساختار کامپوزیتی عبارت است از:
اجزای کامپوزیتی از لحاظ شکل، ترکیب شیمیایی و خواص با هم متفاوت هستند. خواص کامپوزیت در مجموع از خواص هریک از اجزای تشکیل دهنده به تنهایی برتر است. خصوصیت کلی کامپوزیت به عوامل زیر وابسته است:
روش تولید
به طور کلی چهار نوع الیاف بافته شده FRP وجود دارد که شامل الیاف کربن، شیشه، آرامید و بازالت می باشد. کارایی الیاف ها بسته به طول، شکل مقطع و ترکیب شیمیایی آن ها می تواند تحت تاثیر قرار بگیرد. انواع الیاف با مقاطع و اندازه های متفاوت در دسترس اند که معمول ترین آن ها از جنس کربن، شیشه و آرامید می باشند. این کامپوزیت ها در شکل های مختلف از جمله میلگرد، ورقه، تسمه و نوار به صورت یک جهته و دو جهته ساخته شده اند.
خصوصیات انواع الیاف پر کاربرد FRP در مهندسی سازه در جدول زیر به صورت کمی و کیفی مقایسه شده است. پارامترهای موثر در تعیین نوع الیاف برای کارایی های مختلف عبارتند از:
سختی، مقاومت، دوام، شرایط محیطی، هزینه، میزان دسترسی
مقایسه الیاف ها به صورت کیفی
مقایسه الیاف ها به صورت کمی
بزرگ ترین سهم بازار مصرف مواد مرکب (کامپوزیت) در اختیار صنعت ساختمان است. در این میان پروفیل های کامپوزیتی به میزان وسیعی در ساختمان سازی به ویژه احداث بناهای ساحلی و یا سازه های مستقر شده در شرایط اقلیمی خورنده کاربرد یافته اند. گسترش تکنولوژی ساخت این پروفیل ها می تواند علاوه بر تامین نیاز صنعت ساختمان، راه گشای تولید انواع محصولات در صنایع دیگر همچون وسایل ورزشی، خودرو و غیره باشد.
کشور ما نیاز بسیار گسترده ای به استفاده از کامپوزیت ها در قالب پروفیل های کامپوزیتی دارد. هم اکنون بسیاری از سازه های بنا شده در محیط های خورنده مناطق مختلف کشور همچون پل های دریاچه ارومیه و یا ساختمان های جنوب کشور دچار معضل خوردگی هستند که استفاده از کامپوزیت ها می تواند پاسخ گوی مشکل این قبیل سازه ها باشد.
در دهه اخیر چند شرکت تولید محصولات کامپوزیتی در ایران شروع به کار کرده اند. برخی از شرکت های فعال در ایران عبارتند از : دلتاتک، مشهد صدرا، کامپوزیت آسیا و گرانیت سازان پارس. شرکت های نظیر فایبرلاین دانمارک، تاپ گلاس ایتالیا، بدفورد و استرانگ ول در آمریکا از جمله شرکت های معروف خارجی فعال در این زمینه هستند.
پروفیل های فایبرگلاس به روش پالتروژن تولید می شوند. پالتروژن فرآیند پیوسته ای است که طی آن الیاف تقویت کننده به منظور آغشته شدن با رزین از یک وان حاوی رزین عبور داده شده، وارد یک قالب می شود و تحت حرارت قرار می گیرد. نمونه توسط یک دستگاه اعمال کننده کشش بیرون کشیده می شود. پس از این مرحله امکان برش محصول در قطعات مختلف وجود دارد. این فرآیند تا حدودی مشابه فرآیند اکستروژن پلاستیک ها و تولید پروفیل های پلاستیکی است. همچنین از انواع رزین های گرما سخت از جمله رزین پلی استر غیر اشباع، اپوکسی و وینیل استر به عنوان ماتریس پلیمری استفاده می شود.
از این قطعات در مکان هایی که نیاز به مقاومت خوردگی بالایی می باشد، مانند سازه های دریایی و کارخانجات شیمیایی و غیره استفاده می شود. از دیگر کاربردهای این قطعات می توان به پل ها، پست های برق، عایق های الکتریکی، نرده حفاظ و غیره اشاره کرد. از جمله مزایای این فناوری درصد الیاف بالای آن است و چون الیاف به صورت طولی آرایش می یابد، محصول دارای استحکام کششی و فشاری بسیار بالایی است. همچنین سطح محصول نهایی کاملا صاف و صیقلی می باشد و نیازی به فرآیندهای تکمیلی نیست.
شمای کلی تولید مقاطع پالتروژنی در شکل زیر نشان داده شده است.
1- الیاف تک رشته فایبرگلاس به همراه الیاف حصیری
2 - غلطک های کشنده
3- وان رزین
4 - الیاف آغشته شده با رزین
5 - قالب با منبع حرارتی مربوطه
6 - مکانیزم کشش
7 - تولید نهایی مقاطع پالتروژنی
تعدادی مقطع پالتروژنی FRP در شکل های زیر نشان داده شده است.
انواع مقاطع gfrp
از عمده ترین مزایای روش پالتروژن چند منظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف است. به عبارتی صرفا با تغییر قالب دستگاه می توان علاوه بر محصولاتی که در صنعت کاربرد دارد، همانند پروفیل ها، محصولات گوناگون دیگری در حوزه های مختلف از جمله تسمه های ماشین نساجی، ریل ها، محافظ اتوبان ها، چارچوب پنجره ها و درها و غیره تولید نمود. عمر محصولات پالتروژنی بسیار بالاست و سرعت تولید یک محصول پالتروژنی نیز نسبتا زیاد است.
اطلاعات تکمیلی روی فرآیند پالتروژن و اشکال PFRP در استانداردهای آمریکایی آمده است. به دلیل کمبود استانداردها و آیین نامه های لازم در این مورد و عدم اطمینان کافی، پروفیل های پالتروژنی FRP کمتر توانسته اند در کارهای مهندسی عمران نفوذ کنند. یک منبع راهنما همان استانداردهایی است که کارخانه های سازنده براساس آن ها محصولات خود را تولید می کنند.