مقاوم سازی سازه ها یکی از مباحث بسیار مهم در حوزه ساخت و ساز به شمار می رود. یک سازه برای اینکه ایمنی و شرایط مطلوب را داشته باشد باید با مواد مختلف در کنار بتن و فولاد در برابر حرارت، فشار و غیره مقاوم شود. یکی از موادی که به واسطه آن سازه ها را مقاوم سازی و همچنین سازه های نیازمند به تعمیر را ترمیم می‌کنند، کامپوزیت شیشه نام دارد. به عنوان مثال اگر سازه ای تحت تاثیر زلزله و یا گودبرداری آسیب دیده باشد و یا اینکه بنا بر این باشد که کاربری سازه تغییر پیدا کند، در این صورت قطعا سازه آن ایمنی و شرایط مطلوب را نخواهد داشت و می بایست مقاوم سازی شود.
بهترین مواد برای این کار هم کامپوزیت شیشه است که به صورت خارجی بر روی اعضای سازه ای مثل خرپا، تونل، ستون، دال، تیر، دیوار و دودکش می چسبد و به این شکل باعث تقویت ساختمان می شود. استفاده از کامپوزیت شیشه جای بسیاری از روش های دیگر تقویت سازه مثل ژاکت فولادی و پوشش های بتنی را گرفته است زیرا علاوه بر افزایش مقاومت سازه از آن در برابر خوردگی نیز محافظت می کند.
هدف از ارائه این مبحث معرفی کامل کامپوزیت شیشه، اجزای تشکیل دهنده و مزایا و کاربردهای آن است؛ بنابراین تا انتها با ما همراه باشید.
معرفی کامپوزیت شیشه
کامپوزیت شیشه از خانواده پلیمرهای اصلاح شده یا FRP است که برای اصلاح آن از الیاف شیشه استفاده می شود و پیش تر در خصوص میلگرد FRP صحبت کردیم. کامپوزیت شیشه را با نام GFRP کوتاه شده Glass Fiber Reinforced Polymer می شناسند که به معنی پلیمر اصلاح شده با الیاف شیشه است. کامپوزیت شیشه یا فایبرگلاس نوعی پوشش شیمیایی است که از مواد نفتی (پلیمری) مختلف و الیاف شیشه تولید می شود.
در این نوع از محصولات شیمیایی، مواد پلیمری نقش مواد زمینه ای و الیاف شیشه، نقش مواد تقویتی را ایفا می کنند. پلی استرها، وینیل استرها و اپوکسی ها به عنوان مواد پلیمری برای ساخت فایبرگلاس مورد استفاده قرار می گیرند که در این میان پلی استرها ضعیف ترین و اپوکسی ها قوی ترین مواد پلیمری در کامپوزیت شیشه به شمار می روند.
فایبرگلاس بسیار سبک و مستحکم بوده و چگالی آن تنها بین ۱۸۶۰ تا ۲۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. کامپوزیت شیشه از یک یا چند نوع الیاف پلیمری تشکیل شده که توسط یک ماده رزینی (پلیمرها) که ماتریس نام دارد احاطه می شود. در برخی موارد هم از مواد مغزی مثل انواع فوم ها برای افزایش استحکام کامپوزیت شیشه استفاده می کنند.
اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت شیشه
کامپوزیت شیشه از اجزای مختلفی تشکیل می شود و بنابر نوع کامپوزیت شیشه ای ممکن است این مواد را تغییر دهند یا کم و زیاد کنند. بنابراین می توان از الیاف شیشه سوزنی حصیری، اروزیل، تیتان، کربنات کلسیم، سخت کننده اپوکسی، شتاب دهنده سرب و کبالت، رزین های پلی استری ایزوفتالیک و ارتوفتالیک، رزین اپوکسی و رزین وینیل استر به عنوان مواد اولیه تولید کامپوزیت شیشه یاد کرد.
به طورکلی ماده فایبرگلاس از دو بخش اصلی یعنی پلیمرهای شیشه ای و ماتریس تشکیل می شود. نقش اصلی را در کامپوزیت شیشه، الیاف شیشه دارد چرا که با ایجاد ویژگی محصور شدگی، باعث افزایش مقاومت کامپوزیت می شود. انعطاف پذیری الیاف شیشه نیز بسیار بالاست و همین امر باعث شکل گیری این نوع کامپوزیت یا فایبرگلاس می گردد. ضمن اینکه تراکم این الیاف نیز بسیار زیاد بوده و از این جهت رزین اپوکسی (ماتریس) به‌راحتی آن را در بر می گیرد.
دومین جزء تشکیل دهنده کامپوزیت شیشه با نام ماتریس شناخته می شود. ماتریس در واقع حکم یک چسب پلیمری را دارد که الیاف تقویتی (که در اینجا الیاف شیشه است) را به هم می چسباند. به هنگام اعمال فشار، ماتریس تغییر شکل داده و فشار را به الیاف که ماده بسیار مستحکم در انواع کامپوزیت است منتقل می کند.
یکی دیگر از ویژگی های ماتریس خاصیت جذب انرژی است که تمرکز تنش را از روی الیاف برداشته و به سمت خود جذب می کند. توانایی پر کردن انواع قالب ها، خیس کردن الیاف شیشه، داشتن زمان تا خشک شدن نهایی نیز از دیگر ویژگی های رزین یا ماتریس است. لازم به ذکر است که رزین های اپوکسی و فنولیک بیشترین کاربرد را در ساخت کامپوزیت دارند.
ویژگی های کامپوزیت شیشه
ویژگی های فایبرگلاس بسیار زیاد هستند که بهتر است هر کدام از آنها را به طور جداگانه بررسی کنیم.
الیاف شیشه و رزین که دو بخش اصلی سازنده کامپوزیت هستند در برابر خوردگی و مواد شیمیایی خورنده بسیار مقاومت بالایی دارند. مواد موجود در کامپوزیت دماهای بالا را نیز تحمل کرده و در برابر آب، نور خورشید و رطوبت نیز مقاوم هستند. این مواد همچنین اکسید نمی شوند و بنابراین برخلاف مصالح فلزی که نیاز به رنگ آمیزی و گالوانیزاسیون دارند، به هزینه اضافه برای ضد آب شدن نیاز ندارند.
چگالی کامپوزیت شیشه بسیار کم و در حدود ۲.۸۵ تا ۱.۲ گرم بر سانتیمتر مربع است. این ویژگی کامپوزیت هزینه های اضافی مثل هزینه حمل و نقل، نصب و بارگیری به شکل چشمگیری کاهش می دهد.
الیاف شیشه که در فایبرگلاس موجود است عایق الکتریکی بوده که البته این ویژگی برای همه کامپوزیت ها یکسان نیست. برای مثال، کامپوزیتی که الیاف آن از کربن باشد، رسانای الکتریکی است.
یک ویژگی مهم کامپوزیت شیشه که باعث شده تا از آن برای عایق کاری سازه ها استفاده شود، نارسانای حرارت بودن آن است. همان طور که در گذشته از پشم شیشه برای عایق کاری استفاده می شد، امروزه از کامپوزیت شیشه برای این منظور بهره می گیرند.
مقاومت مکانیکی همه کامپوزیت ها یکسان نیست و نوع الیاف، چینش مواد، روش تولید و نوع رزین بر مقاومت مکانیکی آن تاثیر می گذارد. کامپوزیت شیشه نسبت به بقیه انواع کامپوزیت مقاومت مکانیکی بسیار بالایی دارد و وزن آن هم از مصالح فولادی کمتر است. نکته قابل توجه راجع به مقاومت مکانیکی کامپوزیت شیشه این است که می توان مقاومت آن را از هر جهت که لازم بود کم یا زیادتر کرد. این در حالی است که مصالح دیگر مثل فولاد چنین ویژگی ندارد و در صورتی که لازم باشد یک بخش مستحکم تر از بقیه شود می بایست با اضافه کردن قطعات دیگر آن را ضخیم تر کرد که در نتیجه وزن آن هم چندین برابر خواهد شد. می توان اینگونه گفت که کامپوزیت شیشه بیشترین مقدار استحکام را نسبت به وزن در مقایسه با مصالح فولادی دیگر دارد.
کاربردهای کامپوزیت الیاف شیشه در صنعت عمران
کامپوزیت شیشه کاربردهای مختلفی در صنایع متنوع نظیر صنعت ساختمان سازی و عمران دارد. از کامپوزیت شیشه در صنعت عمران در صورت ضعف در اتصالات، ترک در ستون ها، سازه ترک خورده و بتن کرمو، اشتباهات در طراحی، تغییر کاربری سازه، افزایش ظرفیت باربری، میلگردگذاری نامناسب، خوردگی میلگرد، افزایش بارگذاری جانبی و غیره استفاده می شود.
معمولاً از کامپوزیت شیشه برای اصلاح و تعمیر بتن و یا تقویت آن استفاده می کنند. برای این کار سطح بتن باید به خوبی با مواد شوینده شیمیایی پاکسازی و آماده شود؛ زیرا در صورتی که سطح بتن حفره حفره باشد و یا کامپوزیت شیشه به خوبی روی آن جای نگیرد، امکان ایجاد خلا بین کامپوزیت و بتن و در نهایت کنده شدن کامپوزیت از سطح بتن وجود خواهد داشت. برای رسیدن به سطح بتنی صاف و یکنواخت استفاده از همه روش های مکانیکی مثل شستشوی تحت فشار آب، ساب زدن، شن شویی، استفاده از سنگ فرز و غیره توصیه می شود. در صورت وجود لبه های تیز و برآمدگی نیز این لبه ها باید با استفاده از دستگاه فرز کاملاً با سطح بتن یکنواخت شوند.
کاربردهای کامپوزیت شیشه در سایر صنایع
در ارتش: در ارتش نیز از کامپوزیت شیشه به دلیل سبک بودن آن برای ساخت انواع هواپیماها و هلیکوپترهای جنگی استفاده می شود. وزن هر قطعه کامپوزیت شیشه ای تنها یک سوم وزن یک قطعه فولادی است.
در صنعت خودروسازی: کامپوزیت شیشه در صنعت خودروسازی نیز کاربرد دارد چرا که با استفاده از آن قاب های صندلی ها و اتاقک ماشین را می سازند.
در پزشکی: کامپوزیت شیشه دارای خاصیت رادیو سنتری بالایی است و این امر باعث شده که از آن برای ساخت اندام های مصنوعی در صنعت پزشکی بهره گرفته شود.
در صنعت هوافضا: کامپوزیت شیشه بسیار وزن سبکی دارد حتی سبک تر از آلومینیوم! بنابراین در صنعت هوافضا نیز کاربردهای ویژه ای دارد.
در صنایع الکتریکی: فایبرگلاس نارسانای الکتریکی است؛ بنابراین در صنایع الکتریکی برای ساخت چاپگر، رایانه و لپ تاپ مورد استفاده قرار می گیرد و دلیل آن هم کاهش و یا از بین بردن الکتریسیته ساکن موجود در این وسایل است.
مزایای کامپوزیت شیشه فایبرگلاس
جمع‌بندی
کامپوزیت شیشه یا همان فایبرگلاس یک فناوری در صنعت پلیمر به شمار می رود. این ماده شیمیایی بسیار کاربردی و آسان ساخت است و به راحتی توانست جایگزین خوبی برای مصالح مختلف همچون مصالح فولادی و بتنی باشد. این ماده همچنین توانست عمر سازه ها را افزایش داده و با تعمیر و ترمیم ساختمان ها، مقاومت آنها را تا چندین برابر و برای چندین سال متوالی افزایش بدهد. این نوع کامپوزیت کاربردهای مختلفی در همه صنایع دارد که حتی از آن برای ساخت انواع تجهیزات ورزشی مثل توپ و راکت استفاده می کنند و دلیل آن هم وزن بسیار سبک این ماده پرکاربرد پلیمری است.