1- تاریخچه کامپوزیت پلیمر-الیاف، FRP

طی سالهای گذشته، تحقیقات زیادی در زمینه استفاده از موادی نظیر الیاف کربن، شیشه و آرامید و چسباندن آنها به عضو آسیب پذیر به عنوان روکش ترمیم و تقویت انجام شده است. مطالعات اولیه در این زمینه از اوائل دهه 1980 در سوئیس آغاز شده و نتایج آن در سال 1991 در تقویت پل های بتن آرمه استفاده شد. پس از زلزله های سال 1990 کالیفرنیا و 1995 کوبه، کاربرد FRP به منظور تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی و بنایی گسترش یافت.

سیستم تقویتی FRP یکی از مصالح کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین ازجنس پلیمر احاطه شده است. میلگردها و پروفیل ها به روش پالتروژن (Pultrusion)  تولید می گردند که در این روش دسته های 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 می آورد. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه ها به شکل ورق، میلگرد، مش و پروفیل های FRP وجود دارد. از این محصولات برای ساخت و تقویت سازه ها استفاده می شود.

2- بررسی خواص مصالح تشکیل دهنده

در مواد کامپوزیتی مواد تشکیل دهنده دو گروه کلی هستند، (1) الیاف  و (2) زمینه (ماتریس(Matrix)). وظیفه الیاف تحمل کلی نیرو و انتقال آن و ایجاد مقاومت در جسم مرکب است و وظیفه ماتریس چسباندن الیاف به یکدیگر و جلوگیری از لغزش آنها نسبت به هم و ایجاد مقاومت نسبی در برابر شرایط محیطی می­باشد.

2-1- الیاف

الیاف تشکیل دهنده FRP معمولا یکی از سه نوع شیشه، کربن یا کولار هستند. الیاف بازالت نیز به تازگی مورد توجه سازندگان قرار گرفته ­اند.

الیاف کربن

این الیاف در مقایسه با دیگر الیاف دارای سختی بیشتری هستند. سختی بیشتر در مواد کامپوزیتی مترادف با مقاومت و کرنش گسختگی پایین­تر می­باشد. خواص مكانیكی بالا، چگالی پایین، مقاومت در برابر اصطكاك و دمای بالا، دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه X از بارزترین خصوصیات الیاف  كربن بشمار می­رود. نخ­های کربن با تراکم های 1000 تا  160000 رشته به ازای نخ (1K تا 160K) در بازار های جهانی تولید می­گردند و از آنها جهت تولید پارچه و میلگرد و ... استفاده می­شود. خواص مکانیکی این الیاف با تغییر دما و در اثر قرار گیری در شرایط سخت محیطی دچار نوسان نخواهند شد. لذا الیاف کربن در قیاس با دیگر انواع الیاف قیمت بالاتری دارند. قیمت بالای این الیاف نسبت به دیگر انواع، ناشی از قیمت بالای مصالح اولیه و همچنین فرایند پیچیده­ تر ساخت (کربنیزه نمودن(Carbonization) و گرافیته نمودن(Graphitization)) و آغشته سازی الیاف با رزین و ایجاد سطح عمل آوری شده مناسب (Sizing) می باشد.

الیاف آرامید (Aramid)

آرامید نام عمومی است که به گروهی از الیاف آلی که دارای کمترین چگالی و بیشترین مقاومت می­باشند نسبت داده می­شود. این الیاف از DuPont(Kevlar)، Teijin(Technora) یا Akzo Nobel(Twaton) بر گرفته می­شوند.

الیاف کولار انواع مختلفی دارد. کولار 29 با بالاترین مقاومت در برابر ضربه و آسیب، کولار 49 جهت استفاده در پلاستیک­های مسلح و کولار 149 با بالاترین مقاومت و مدول از شاخص ترین این انواع هستند. مقاومت فشاری این الیاف در حدود 20% مقاومت فشاری آنها می­باشد. کولار 49 در کشش رفتار تردی از خود بروز می­دهد ولی در فشار به صورت شکل پذیر عمل نموده و مقدار زیادی انرژی جذب می­نماید. این رفتار در بین الیاف شیشه یا کربن نمونه­ای نداشته و به همین جهت الیاف کولار 49 را به گزینه ایده­آلی جهت مقاومت در برابر ضربه تبدیل می­نماید. الیاف کولار تغییر شکل­های بلند مدت (خزش و خستگی)کنترل­شده تری نسبت به دیگر الیاف از خود نشان داده و مانند الیاف کربن مقاومت حرارتی بالایی نیز دارند. میزان مدول الاستیسته و مقاومت نهایی این الیاف با افزایش دما کاهش می­یابد ولی میزان باقی­مانده در دمای 180 درجه سانتی­گراد حداقل 80% میزان اولیه می­باشد. علاوه براین این مواد دارای ساختاری مقاوم و صلب هستند.

الیاف شیشه (Glass)

الیاف شیشه رایج ترین نوع الیاف جهت ساخت میلگردهای FRP می­باشند. شیشه مذاب با کشش تبدیل به ریز رشته شیشه شده که با کنار هم قرار دادن این ریز رشته­ها نخ شیشه بدست می­آید. رویه این ریز رشته ها نیز مانند الیاف کربن به جهت آغشته سازی و چسبندگی بهتر سایزینگ می­شوند. این پوشش لایه­ای انعطاف پذیر بروی این الیاف ایجاد می­نماید که خلل و فرج میان الیاف را پوشش داده و درنتیجه سبب افزایش مقاومت خواهد شد. انواع الیاف شیشه موجود را می­توان در سه دسته S-glass، E-glass و الیاف مقاوم به قلیاییت تقسیم بندی نمود.­ E-glass ارزانترین نوع آنها بوده و بیشترین کاربرد را دارد. الیاف S-glass دارای خواص مکانیکی بهتری نسبت به بقیه بوده و استفاده از آن، به علت قیمت بالاتر، به صنایع خاصی محدود می­گردد. الیاف مقاوم به قلیاییت یا AR-glass که از خوردگی در محیط­های قلیایی (مثل بتن) جلوگیری می­نمایند با اضافه نمودن زیرکونیوم (Zr)  به شیشه بدست می­آیند که به صورت خیلی محدود مورد استفاده قرار می گیرد.   الیاف شیشه اگرچه دارای مقاومت بالا هستند، ولی قیمت تمام شده پایین آنهاست که استفاده از آن ها را به این اندازه گسترش داده است. البته این الیاف در محیط های اسیدی و همچنین محیط های بازی میزان قابل توجهی از مقاومت خود را از دست می دهند. حرارت های بالا هم موجب کاهش مقاومت کششی این الیاف می شود. این الیاف همچنین در تغییر شکل­ها بلند مدت عملکرد ضعیف­تری نسبت به دیگر الیاف از خود نشان می دهند.

الیاف بازالت (Basalt)

الیاف بازالت (Albarrie، Sudaglass، Kammeny Vek و Technobasalt) از ذوب پس­ماند­های آتش فشانی لاوا بدست می­آیند. این الیاف دارای خواص فیزیکی-مکانیکی بهتری نسبت به شیشه و قیمت خیلی پایین­تری نسبت به کربن دارند. مزیت­های اصلی آنها عبارتند از: مقاومت در برابر آتش، عایق صوتی مناسب، جاذب لرزش بودن و مقاومت بالا نسبت به محیط­های خشن شیمیایی. نقطه ذوب بالای این الیاف (1450 درجه سانتی­گراد) این الیاف را جهت استفاده در محیط­های با دمای بالا مناسب می­سازد. شایان ذکر است تحقیقات زیادی با موضوع بررسی عملکرد سازه­ای این الیاف در جریان می باشد.

2-2- ماتریس (Matrix)

ماتریس های مورد استفاده دو نوع هستند: رزین های ترموست (Thermoset)  و رزین های ترموپلاستیک (Thermoplastic). وینیل استر (Vinyl ester)، پلی استر (Polyester) و اپوکسی (Epoxy) جزو رزین های ترموست و پلی سلفون، پلی کربنات و پلی فنیلن اکسید جزو رزین های ترمو پلاستیک محسوب می گردند. به طور خاص در مورد میلگردهای FRP، انتخاب نوع ماتریس نقش مهمی در تعیین مشخصات کلی میلگرد خواهد داشت. چرا که در صورت شکست، ماتریس میلگرد دچار شکست خواهد شد.

رزین های ترمو پلاستیک

رزین­های ترموپلاستیک در اثر حرارت نرم شده و میتوانند مجددا تغییر شکل دهند. این رزین ها بیشتر در صنعت هوا و فضا مورد استفاده قرار می گیرند و ویسکوزیته بالاتری نسبت به رزین های ترموست دارند. این رزین ها سخت هستند و ممکن است در طبیعت کریستالیزه شوند. این رزین ها بیشتر در مواقعی که الیاف به صورت ناپیوسته هستند کاربرد دارند.

رزین های ترموست

این رزین­ها دارای نیروی مولکولی و بین مولکولی قوی­تری هستند و دارای ساختار شبکه گونه­ای می­باشند. در صورتی که پس از گیرش تحت اثر حرارت قرار گیرند ذوب نشده و تغییر شکل نخواهند داد مگر اینکه حرارت باعث سوختن و تجزیه حرارتی آنها در دماهای بالا گردد. ویسکوزیته اولیه این رزین­ها پایین می­باشد، لذا جهت آغشته سازی الیاف با درصدهای بالای حجمی گزینه مناسبی محسوب می گردند. ساختار سه بعدی این رزین­ها باعث کاهش ضریب انبساط حرارتی و مقاومت بیشتر در مقابل حلال­ها را به دنبال خواهد داشت.

بر اساس نوع کاتالیست انتخابی در این مواد، امکان گیرش این رزین­ها حتی در دمای اتاق نیز وجود داشته و زمان گیرش آنها از چند دقیقه تا چند ساعت متغیر می­باشد. فرایند گیرش این مواد گرمازا بوده و معمولا ژل­شدن (Gelation) سریع انجام می­پذیرد. فرآیند گیرش رزین های ترموست همراه با انقباض (Shrinkage) بوده و میزان انقباض برای Epoxy حدود 4% و برای Polyester حدود 8% می­باشد. لذا از آنجایی که رزین ترکیب شده با الیاف امکان انقباض ندارد، پس از گیرش تنش­هایی در رزین ایجاد می­شود که باید کنترل گردند. همچنین امکان تغییر جهت الیاف و نامنظمی هندسی نیز بوجود می­آید. از بین رزین های ترموست، اپوکسی، وینیل استر و پلی استر بیشترین کاربرد را دارند. مزیت اصلی رزین­های اپوکسی خواص مکانیکی بالاتر، استفاده آسانتر، انقباض کمتر و چسبندگی مناسب به طیف وسیعی از الیاف می­باشد. این رزین­ها در مقابل خوردگی مقاوم­تر بوده و گرما و رطوبت تاثیر کمتری بروی آنها می­گذارند و ایجاد سختی­های مختلف با استفاده از تغییر فرمول­بندی برای این رزین­ها امکان پذیر است. مشکل عمده این رزین­ها نیز قیمت نسبی بالاتر آنها نسبت به دیگر رزین­ها می­باشد که با توجه به عملکرد بهتر این امر قابل توجیه است.