میلگرد کامپوزیتی frp چیست و چه کاربردی دارد؟

میلگرد کامپوزیتی یا میلگرد FRP یکی از انواع میلگردهای کاربردی و پرطرفدار در ساختمان سازی است. FRP مخفف Fiber Reinforced Polymer است. میلگرد FRP از دو عنصر تشکیل می شود. عنصر اول، فیبر است که معمولا از کربن، شیشه، آرامید یا بازالت ساخته می شود و عنصر دوم، نوعی رزین است که معمولا از پلی استر، اپوکسی یا وینیل استر تشکیل می شود.

نقش ماتریس رزین در این نوع میلگرد، نگهداری و محافظت از الیاف و انتقال بار بین آن ها است. در این مقاله قصد داریم مهم ترین سوالات مربوط به میلگردهای کامپوزیتی را بررسی کرده و به آن ها پاسخ دهیم. در این مطلب به سوالاتی مانند «میلگرد کامپوزیتی چه تفاوتی با میلگرد آجدار دارد؟» و «آیا قیمت میلگرد آجدار با قیمت میلگرد کامپوزیتی یکسان است؟» پاسخ خواهیم داد.

میلگرد کامپوزیت FRP چیست؟

میلگرد کامپوزیت FRP نوعی آرماتور غیر فلزی است که از الیاف پیوسته با مقاومت کششی بالا و یک ماتریس پلیمری ساخته می شود. الیاف شیشه، کربن، بازالت یا آرامید وظیفه تحمل نیروهای کششی را بر عهده دارند و رزین پلیمری، الیاف را در کنار یکدیگر نگه می دارد، تنش را میان آن ها توزیع می کند و از ساختار داخلی میلگرد در برابر رطوبت و مواد شیمیایی محافظت می کند.

این میلگردها برخلاف فولاد رفتار الاستیک خطی دارند و پیش از گسیختگی وارد ناحیه تسلیم نمی شوند؛ به همین دلیل طراحی اعضای مسلح به FRP باید بر اساس محدودیت تغییر شکل، عرض ترک، نوع گسیختگی و ضرایب کاهش مقاومت انجام شود. نوسانات قیمت آهن نیز یکی از عواملی است که هنگام مقایسه اقتصادی آرماتور فولادی و کامپوزیتی باید در کنار هزینه حمل، اجرا و تعمیرات دوره بهره برداری بررسی شود.میلگرد FRP معمولا به روش پالتروژن تولید می شود؛ در این فرایند الیاف آغشته به رزین از قالبی با مقطع مشخص عبور می کنند و پس از پخت، میله ای سبک، مقاوم و پایدار به دست می آید.

سطح میلگرد برای ایجاد پیوستگی مکانیکی با بتن به صورت ماسه پوش، شیاردار یا مارپیچی ساخته می شود. نوع الیاف، درصد حجمی الیاف، کیفیت رزین، شکل سطح، قطر اسمی و الزامات کنترل کیفیت، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، دوام و ظرفیت مهاری محصول را تعیین می کنند. قیمت میلگرد کامپوزیتی نیز بر اساس همین مشخصات فنی، نوع FRP، برند تولیدکننده، قطر، طول شاخه و حجم سفارش محاسبه می شود و مقایسه آن با میلگرد فولادی باید بر مبنای هزینه چرخه عمر سازه انجام گیرد، نه فقط قیمت اولیه خرید.

مواد تشکیل دهنده میلگرد FRP

برای اینکه بفهمیم مواد تشکیل دهنده میلگرد کامپوزیت چیست، باید بررسی کنیم FRP از چه ماده‌ای تشکیل شده است. یک FRP ماده‌ای ترکیبی از الیاف طبیعی با کاربرد بالا است که در بستری از رزین پلیمری قرار داده شده است. frp ماده ای است که از نظر الکترومغناطیسی خاصیت عایق دارد. این موضوع کمک می‌کند مشکل خوردگی در این مواد بوجود نیاید. به لطف این ویژگی ساختمان هایی که با استفاده از مواد frp ساخته می‌شوند، با مشکلی مانند خوردگی دست و پنجه نرم نخواهند کرد. به کمک وجود خصوصیات برتر مانند مقاومت کششی بالا در این نوع سازه، استفاده از آن ها در بتن مسلح نیز پیشنهاد می‌شود.

میلگردهای frp رفتاری کاملا متفاوت با انواع میلگرد آجدار دارند. با توجه به این موضوع می‌توان گفت که ساخت ساختمان با استفاده از این نوع میلگردها تغییرات زیادی نسبت به میلگردهای فولادی دارد. رفتار میلگردهای frp از نظر مقاومت برشی و وجود چسبندگی بین این نوع میلگردها باعث اثرگذاری روی خواص مکانیکی بتن می‌ شود. از طرف دیگر تمام مصالح FRP رفتار الاستیک خطی داشته و همانند فولاد به مرحله پلاستیک وارد نخواهند شد.

مجموعه این عوامل، منجر می شود تا طراحی مصالح FRP متناسب با نوع کاربردی نهایی، از نقطه نظر شکل ظاهری و عملکرد فنی قابل قبول، با مشکلاتی مواجه گردد. روش های به کار گرفته شده در طراحی سازه های مسلح با میلگرد های FRP باید به گونه ای تدوین شوند که محدودیت شکل پذیری این سازه ها را نیز به نحوی موثر برطرف سازند. در این راستا محققان و پژوهشگران کشورهایی نظیر ژاپن، کانادا و آمریکا توانسته اند روش های خاصی را برای طراحی و توسعه این دسته از سازه های تقویت شده ایجاد کنند.

انواع میلگرد FRP کدامند؟

میلگردهای FRP بر اساس نوع الیاف تقویت کننده به چهار گروه اصلی شیشه ای، کربنی، آرامیدی و بازالتی تقسیم می شوند. نوع الیاف، پارامترهایی مانند مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، چگالی، رفتار خزشی، مقاومت شیمیایی، ضریب انبساط حرارتی و قیمت نهایی میلگرد را تعیین می کند. ماتریس رزینی نیز با محافظت از الیاف و انتقال تنش میان آن ها، بر دوام میلگرد در محیط قلیایی بتن اثر می گذارد.

بنابراین انتخاب میلگرد کامپوزیتی نباید فقط بر اساس مقاومت اسمی انجام شود و لازم است شرایط محیطی، نوع بارگذاری، عمر بهره برداری، محدودیت تغییر شکل و الزامات آیین نامه ای پروژه نیز بررسی شوند. هنگام مقایسه اقتصادی این محصولات با فولاد، علاوه بر قیمت میلگرد بناب یا سایر میلگردهای فولادی، هزینه حمل، نصب، تعمیرات ناشی از خوردگی و طول عمر سازه نیز باید در محاسبات لحاظ شود.

میلگرد شیشه ای GFRP

میلگرد شیشه ای یا GFRP رایج ترین نوع میلگرد کامپوزیت است و معمولا از الیاف شیشه نوع E-Glass یا الیاف مقاوم در برابر محیط قلیایی به همراه رزین وینیل استر تولید می شود. مقاومت کششی بالای این محصول در کنار چگالی تقریبا یک چهارم فولاد، امکان کاهش بار مرده و سهولت جابه جایی را فراهم می کند؛ با این حال مدول الاستیسیته آن از فولاد کمتر است و اعضای مسلح به GFRP ممکن است تحت بار بهره برداری، خیز و عرض ترک بیشتری نشان دهند.

این نوع میلگرد frp رسانای الکتریکی نیست، خاصیت مغناطیسی ندارد و در معرض یون کلر دچار زنگ زدگی نمی شود؛ به همین دلیل در عرشه پل ها، اسکله ها، تصفیه خانه ها، سازه های ساحلی و محیط های دارای امواج الکترومغناطیسی کاربرد گسترده ای دارد. کنترل کیفیت رزین و میزان نفوذپذیری آن در میلگرد کامپوزیتی در ایران اهمیت زیادی دارد، زیرا رزین نامناسب می تواند دوام الیاف شیشه را در محیط قلیایی بتن کاهش دهد.

میلگرد کربنی CFRP

میلگرد کربنی یا CFRP از الیاف کربن با مدول و مقاومت کششی بسیار بالا ساخته می شود و در مقایسه با سایر انواع کامپوزیت FRP، سختی بیشتر، مقاومت خزشی بهتر و پایداری ابعادی بالاتری دارد. ضریب انبساط حرارتی طولی این میلگرد بسیار کم است و در برخی گریدها به صفر نزدیک می شود؛ بنابراین تغییر طول آن در اثر نوسانات دما محدودتر از GFRP است.

میلگرد CFRP علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی، در بارگذاری های خستگی نیز عملکرد مناسبی دارد و برای تقویت پل ها، اعضای پیش تنیده، سازه های حساس و پروژه هایی با محدودیت شدید تغییر شکل استفاده می شود. مهم ترین محدودیت این نوع میلگرد کامپوزیتی، هزینه تولید بالا، رسانایی الکتریکی الیاف کربن و حساسیت آن به تماس مستقیم با فلزات در حضور الکترولیت است؛ زیرا چنین شرایطی می تواند خوردگی گالوانیکی فلز مجاور را تشدید کند.

میلگرد آرامیدی AFRP

میلگرد آرامیدی یا AFRP از الیاف آلی آروماتیک با ساختار مولکولی جهت دار تولید می شود و نسبت مقاومت کششی به وزن بسیار بالایی دارد. این نوع میلگردهای کامپوزیتی در برابر ضربه، بارهای دینامیکی و ارتعاش عملکرد مطلوبی نشان می دهند و به دلیل چگالی پایین، برای سازه هایی که کاهش وزن در آن ها اهمیت دارد مناسب هستند. الیاف آرامید مقاومت خوبی در برابر خستگی دارند، اما در محیط های قلیایی، رطوبت مداوم و تابش فرابنفش به حفاظت دقیق تری نیاز دارند.

مقاومت فشاری و برشی عرضی AFRP نیز به اندازه مقاومت کششی طولی آن نیست؛ در نتیجه طراحی اتصال، مهار و طول گیرایی باید با توجه به رفتار ناهمسانگرد این ماده انجام شود. استفاده از این میلگرد کامپوزیت در سازه های خاص، تجهیزات دریایی، اعضای مقاوم در برابر ضربه و پروژه های نظامی یا هوافضایی متداول تر از ساختمان های معمولی است.

میلگرد بازالتی BFRP

میلگرد بازالتی یا BFRP از الیاف پیوسته حاصل از ذوب سنگ بازالت ساخته می شود و از نظر خواص مکانیکی و قیمت، میان GFRP و CFRP قرار می گیرد. این الیاف مقاومت مناسبی در برابر حرارت، مواد شیمیایی، رطوبت و چرخه های یخ زدگی و ذوب دارند و برخلاف الیاف شیشه، برای تولید آن ها به ترکیب چند ماده معدنی مختلف نیاز نیست.

میلگرد BFRP نارسانا، غیر مغناطیسی و سبک است و در سازه های ساحلی، روسازی بتنی، دیوارهای حائل و محیط های دارای نمک قابل استفاده است. دوام این نوع میلگرد frp به ترکیب شیمیایی الیاف، نوع رزین، کیفیت پوشش سطحی و میزان جذب آب وابسته است. اگرچه مقاومت کششی BFRP معمولا از GFRP بیشتر است، مدول الاستیسیته آن همچنان کمتر از فولاد بوده و طراحی عضو باید بر اساس کنترل خیز، ترک خوردگی و گسیختگی ترد انجام شود.

نوع میلگرد FRP	الیاف تقویت کننده	مهم ترین ویژگی فنی	محدودیت اصلی	کاربردهای مناسب
GFRP	الیاف شیشه	مقاومت مناسب در برابر خوردگی، وزن کم، نارسانایی الکتریکی و قیمت اقتصادی تر	مدول الاستیسیته کمتر از فولاد و حساسیت بیشتر به خیز و ترک	سازه های ساحلی، عرشه پل، تصفیه خانه، تونل و محیط های مرطوب
CFRP	الیاف کربن	مقاومت کششی و مدول الاستیسیته بالا، عملکرد مناسب در خستگی و خزش	قیمت بالا و احتمال ایجاد خوردگی گالوانیکی در تماس با فلزات	اعضای پیش تنیده، پل ها، سازه های حساس و پروژه های با محدودیت تغییر شکل
AFRP	الیاف آرامید	نسبت مقاومت به وزن بسیار بالا و عملکرد مطلوب در برابر ضربه و بار دینامیکی	حساسیت به رطوبت، محیط قلیایی و تابش فرابنفش	سازه های مقاوم در برابر ضربه، تجهیزات دریایی و پروژه های خاص
BFRP	الیاف بازالت	مقاومت شیمیایی و حرارتی مناسب، وزن کم و عملکرد مطلوب در چرخه یخ زدگی	مدول کمتر از فولاد و وابستگی دوام به کیفیت رزین	روسازی بتنی، دیوار حائل، محیط های نمکی و سازه های ساحلی

کاربرد میلگرد کامپوزیتی

میلگرد کامپوزیتی به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، وزن کم، نارسانایی الکتریکی و استحکام کششی مناسب، در پروژه هایی استفاده می شود که دوام سازه و کاهش هزینه های نگهداری اهمیت زیادی دارد. این محصول به ویژه در محیط های مرطوب، شور، شیمیایی و پروژه هایی که استفاده از میلگرد فولادی می تواند باعث زنگ زدگی یا اختلال الکترومغناطیسی شود، کاربرد گسترده ای دارد.

• سازه های ساحلی و دریایی
• اسکله ها و بنادر
• عرشه پل ها
• تونل ها و مترو
• تصفیه خانه های آب و فاضلاب
• مخازن آب و مواد شیمیایی
• روسازی های بتنی
• پارکینگ ها
• دیوارهای حائل
• سازه های مجاور دریا
• مراکز درمانی و اتاق های MRI
• پست های برق و نیروگاه ها
• دکل ها و تجهیزات مخابراتی
• سازه های پیش تنیده
• ترمیم و مقاوم سازی سازه های بتنی
• پروژه های صنعتی با محیط خورنده

مزایا و معایب میلگرد frp

میلگرد FRP در مقایسه با میلگرد فولادی، رفتار مکانیکی و دوام متفاوتی دارد؛ بنابراین ارزیابی آن باید هم زمان بر اساس مزایای عملکردی و محدودیت های طراحی انجام شود.

مزایای میلگرد FRP

• مقاومت بالا در برابر خوردگی
• وزن کم
• مقاومت کششی بالا
• نارسانایی الکتریکی
• خاصیت غیر مغناطیسی
• مقاومت مناسب در برابر مواد شیمیایی
• سهولت حمل و نصب
• کاهش هزینه های نگهداری
• دوام بالا در محیط های مرطوب و شور
• ضریب انبساط حرارتی قابل کنترل
• مقاومت مناسب در برابر خستگی
• کاهش بار مرده سازه

معایب میلگرد FRP

• رفتار ترد و نبود نقطه تسلیم
• مدول الاستیسیته کمتر در برخی انواع
• محدودیت در خم کاری کارگاهی
• مقاومت ضعیف تر در برابر فشار
• حساسیت برخی انواع به حرارت بالا
• نیاز به طراحی و اجرای تخصصی
• محدودیت در اتصالات مکانیکی متداول
• قیمت اولیه بالاتر در بعضی گریدها
• وابستگی کیفیت به نوع رزین و الیاف
• محدودیت آیین نامه ای در برخی کاربردها
• دشواری تشخیص آسیب های داخلی
• امکان کاهش مقاومت در شرایط محیطی نامناسب

تاریخچه استفاده از میلگرد کامپوزیتی

همان گونه که پیش تر اشاره گردید استفاده از میله ها و میلگردهای FRP در تقویت سازه های بتنی تقریبا از دهه 1980 گسترش یافت. تا اواسط دهه 1990، شرکت های ژاپنی بیشترین مورد مصرف این نوع سازه ها را به خود اختصاص داده اند به طوری که بیش از 100 پروژه اجرایی و بازرگانی در رابطه با استفاده از میلگردهای FRP در رزومه کاری آن ها به چشم می خورد.

مصالح FRP در کشورهای اروپایی و آلمان با ساخت پل بزرگراهی در سال 1986 شروع شد. پس از کسب موفقیت در ساخت این پل، برنامه‌هایی خاص جهت تحقیق و توسعه برای ساخت و ساز با این سازه‌ها انجام گرفت. در کشور کانادا نیز مهندسان عمران و ساخت و ساز برای پروژه های ساخت بزرگراه و پل به استفاده از میلگردهای FRP روی آوردند.

به عنوان مثال جهت طراحی و ساخت پل هدینگلی واقع در مانیتوبا، که نمونه ای از پروژه های عمرانی اروپایی در رابطه با قطعات FRP است، از دو نوع میلگرد CFRP و GFRP استفاده شد. در کشورهای آسیایی نظیر بانکوک و دهلی نو نیز، علاوه بر تقویت عرشه پل ها و دیواره های ساختمانی، از میلگردهای تقویت کننده نوع FRP به طور خاص در استحکام بخشی دیواره های تونل ها استفاده می شود.

نحوه کاربرد میلگردهای FRP در تقویت نمونه ای از عرشه یک پل

پیش از این در رابطه با موارد کاربردی میلگردهای FRP مطالبی ارائه گردید. با توجه به حوزه های کاربردی خاص این نوع میلگردها، شناخت خواص و رفتار مکانیکی این نوع سازه ها در شرایط محیطی متغیر و طی بارگذاری های مختلف بسیار حائز اهمیت است. در این بخش ما قصد داریم مهم ترین خواص مکانیکی و فیزیکی میلگردهای FRP را بررسی کنیم. هدف از این بررسی آشنایی بیشتر با این مصالح و درک بهتر رفتار این مقاطع در زمان استفاده در سازه بتنی است. علاوه بر این موضوع ما به بررسی تاثیر عوامل مختلف روی این میلگردها نیز می‌پردازیم. از جمله مواردی که مورد بررسی قرار خواهد گرفت می‌توان به بار اعمال شده روی سازه، دما، رطوبت و … اشاره کرد.

میلگردهای FRP ذاتا ناهمسان گرد هستند و امکان ساخت آن ها با استفاده از فناوری های متفاوتی از قبیل پالتروژن ، بریدینگ و نیز فرایند بافندگی تاری پودی فراهم می باشد. عواملی از قبیل کسر حجمی الیاف، نوع لیف، نوع رزین ، جهت گیری الیاف ، اثرات ابعادی و نیز کنترل کیفیت در حین تولید، همه و همه نقش اساسی در تعیین خصوصیات میلگردهای FRP را بر عهده دارند. البته باید توجه داشت که تمامی خواص مطرح شده در این بخش، جنبه عمومی دارد و ممکن است نتوان موارد مطرح شده را به همه محصولات FRP تعمیم داد.

خواص تقویت کننده های FRP

عملکرد مکانیکی میلگردهای کامپوزیتی تا حد زیادی به نوع الیاف تقویت کننده وابسته است. الیاف شیشه، کربن، آرامید و بازالت هر کدام دارای مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، چگالی، مقاومت خستگی و پایداری شیمیایی متفاوتی هستند و همین ویژگی ها، رفتار نهایی میلگرد را تعیین می کنند. در یک میلگرد FRP، بیش از 70 درصد مقاومت کششی معمولا توسط الیاف تأمین می شود و رزین تنها نقش انتقال تنش، حفظ آرایش الیاف و محافظت از آن ها در برابر عوامل محیطی را بر عهده دارد. افزایش درصد حجمی الیاف، هم راستایی دقیق آن ها با محور طولی میلگرد، کیفیت چسبندگی میان الیاف و رزین و یکنواختی فرایند پالتروژن، از مهم ترین عوامل مؤثر بر ظرفیت باربری، مقاومت خستگی، رفتار خزشی و دوام بلندمدت میلگرد کامپوزیتی محسوب می شوند. به دلیل ساختار ناهمسانگرد این مواد، بیشترین مقاومت در راستای امتداد الیاف ایجاد می شود و خواص مکانیکی در جهت عرضی به مراتب کمتر است.

خواص فیزیکی میلگرد کامپوزیت

میلگرد کامپوزیت علاوه بر ویژگی های مکانیکی، دارای خواص فیزیکی متفاوتی نسبت به میلگرد فولادی است که در طراحی سازه اهمیت زیادی دارند. چگالی این محصول معمولا حدود 1.6 تا 2.2 گرم بر سانتی متر مکعب است و در نتیجه وزن آن تقریبا 70 تا 80 درصد کمتر از میلگرد فولادی خواهد بود. این میلگردها رسانای الکتریکی نیستند، خاصیت مغناطیسی ندارند و هدایت حرارتی آن ها نیز بسیار کمتر از فولاد است؛ به همین دلیل در مراکز درمانی، نیروگاه ها، تونل ها و سازه های حساس به میدان های الکترومغناطیسی کاربرد گسترده ای دارند. ضریب انبساط حرارتی طولی آن ها بسته به نوع الیاف می تواند نزدیک به بتن باشد که این ویژگی باعث کاهش تنش های ناشی از تغییرات دمایی می شود. همچنین مقاومت بالا در برابر رطوبت، یون کلرید، سولفات ها و بسیاری از مواد خورنده، از مهم ترین خواص فیزیکی میلگردهای کامپوزیتی در افزایش دوام سازه های بتنی به شمار می رود.

سوالات متداول