الیاف اف ار پی FRP چیست؟

در حقیقت Fiber Reinforced Polymer با مخفف کلمه FRP (اف ار پی) شناخته می‌شود و به معنای فیبر یا پلیمرهای تقویت‌شده است. الیاف FRP نوعی ماده کامپوزیتی متشکل از دو جز ماتریس رزین و فیبر است. الیاف موجود در کامپوزیت استحکام و سفتی ترکیب را فراهم می‌کند و رزین موجود در آن نقش انتقال بار واردشده به الیاف و همچنین  چسباننده‌ی الیاف به یکدیگر می‌باشد.

الیاف اف ار پی  FRP در حال حاضر حرف اول را درزمینهٔ ی تقویت سازه‌ها و صنعت مقاوم‌سازی می‌زند.

تاریخچه الیاف اف ار پی FRP

در پی مبحث این که الیاف اف ار پی FRP چیست به تاریخچه به وجود آمدن آن می پردازیم. با پیشرفت جوامع بشری نیاز روزافزون به مواد ترکیبی  و مرکب جهت دستیابی به خواص و نتایج مطلوب احساس می‌شد و استفاده از مصالح کامپوزیتی در صنعت ساختمان‌سازی بسیار پرکاربرد و رو به رشد است.

اولین سری تحقیقات و آزمایشات صورت گرفته  از اوایل دهه ۱۹۸۰ شروع گردید. اما مهم‌ترین و مؤثرترین عامل جهت بررسی و تحقیقات همه‌جانبه در این زمینه، زلزله‌های سال ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ بود که  کاربرد کامپوزیت‌های پلیمری ساخته‌شده از الیاف اف ار پی (FRP) جهت تقویت و مقاوم‌سازی سازه بتنی و بنایی در مناطق زلزله‌خیز را مورد بررسی قرار داد.

این تحقیقات  روزبه‌روز در حال گسترش و پیشرفت است و زمینه‌ای وسیع جهت استفاده از این کامپوزیت‌ها را در سازه‌های نیازمند به تقویت، بهسازی و یا ترمیم به وجود آورده  است.

با فراگیر شدن این الیاف در سراسر جهان و مزایای بسیار زیاد آن  تعداد زیادی از محققان و پژوهشگران صنعت سازه در حال بررسی، مطالعه و انجام آزمایش‌های تقویت سازه‌ها با کامپوزیت‌های FRP می‌باشند.

مزایای استفاده از الیافFRP :

1. حمل‌ونقل آسان
2. وزن کم الیاف اف ار پی  FRP
3. طول آزاد اف ار پی
4. دارای ضخامت بسیار کم
5. خوردگی بسیار پایین در حد صفر
6. پس از اجرا سطح اجراشده بسیار تمیز می‌ماند.
7. مقاومت بالا در محیط‌های قلیایی
8. مقاومت خستگی قابل توجه ای دارد.
9. مقاومت کششی و فشاری بالا
10. اجرای ساده الیاف اف ار پی(frp)
11.   ……

الیاف FRP  انواع مختلفی دارد :

1. ورقه‌های FRP
2. کابل، نوار، تاندون‌های پیش تنیدگی FRP
3. میلگردهای FRP

ورقه‌های FRP:

ورقه‌های اف ار پی ورقه هایی به ضخامت چند میلی‌متر و از جنس کامپوزیت می‌باشند که توسط چسب‌های مستحکم به سطح بتن چسبانده می‌شوند از این ورقه‌ها جهت تقویت سازه‌ها یا تعمیر سازه‌های آسیب‌دیده ناشی از زلزله یا خوردگی استفاده می‌شود.

ورقه‌های اف ار پی به صورت سخت و منعطف یافت می‌شود.نوع انعطاف‌پذیر آن خاصیت شکل‌پذیری بالایی دارد و در شعاع‌های کم خم می‌شود.صفحات سخت در ضخامت‌های زیاد تولید شده و انعطاف‌پذیری ندارند ولی در عرض‌های متفاوت یافت می‌شود.

الیاف FRP مصالح ساختمانی مستحکمی می‌باشند که فیبرهایی در یک‌جهت یا دو جهت دارد .جنس این الیاف می‌تواند از شیشه یا کربن باشدکه به الیاف شیشه GFRP و به الیاف کربنی CFRP می‌گویند.

از روی هم گذاشتن چندلایه الیاف FRP و مخلوط کردن آن‌ها به رزین و فشرده کردن آن‌ها برای رسیدن به مقاومت و ضخامت‌های موردنیاز ورقه‌های FRP به وجود می‌آیند.

کابل، نوار، تاندون‌های پیش تنیدگی FRP:

این سازه که بیش‌تر در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارد همچنین به‌صورت اجزای پیش‌تنیده در مجاورت آب استفاده می‌شود.این کابل‌ها به‌صورت میله‌ای اما کاملاً انعطاف‌پذیر هستند.

میلگردهای FRP :

میلگردهای اف ار پی برای یک رفتار غیر شکل‌پذیر مورد استفاده قرار می گیرند به همین دلیل کاربرد این میلگردها محدود به سازه‌های است  که مهم‌ترین مشکل آن‌ها خوردگی یا مشکلات الکترومغناطیسی است.

میلگردهای فولادی تقریباً همسانگرد می‌باشند ولی میلگردهای FRP به بتن تأثیر می‌گذارد. میلگردهای FRP بیشتر در محیط‌های مهاجم از قبیل سازه‌های دریایی، پل‌ها و پارکینگ‌ها که در معرض عوامل مهاجم قرار می‌گیرند و  ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی، خواص  قلیایی بتن را کاهش می‌دهد مورداستفاده قرار می‌گیرند.

حال با بررسی این که الیاف اف ار پی FRP چیست مهم ترین کاربرد های آن را بر میشماریم:

برخی از موارد کاربرد الیاف FRP

• تقویت کردن مخازن بتنی
• تقویت ستون‌ها وتیرهای چوبی
• تقویت مصالح سنتی و دیوارهای آجری
• افزایش ظرفیت باربری ستون‌ها
• ایجاد و ساخت دیوارهای ساحلی
• تقویت دیوار تونل‌ها
• بازسازی و مرمت کردن آثار باستانی
• تقویت سازه‌ها در برابر انفجار
• تقویت کردن دودکش‌های بتنی
• استفاده در سقف‌های پشت‌بام‌های صنعتی
•     ……..

ساختار مصالح اف ار پی FRP

جزء اصلی الیاف اف ار پی فایبر آن می‌باشد که اصولاً الاستیک، بسیار مقاوم و ترد است و قطری برابر با 5 تا 25 میکرون دارند. فایبر موجود در FRP ممکن است از کربن، شیشه، آرامید و بازالت ساخته‌شده باشد که به‌اختصار به توضیح آن می‌پردازیم:

الیاف کربن:

این الیاف به دو دسته الیاف کربنی PAN و الیاف کربنی با اساس قیری.

الیاف کربنی PAN  نیز سه نوع مختلف دارد: تیپ I که تردترین آن‌ها با بالاترین مدول الاستیسیته است. مقاوم‌ترین نوع الیاف کربنی تیپII می‌باشد و در آخر تیپ III که نرم‌ترین نوع الیاف کربنی است و ازنظر مقاومتی بین تیپ  Iو  IIمی‌باشد.

۲– الیاف با اساس قیری Pitch-based) ): این الیاف نسبت به الیاف PNA  ارزان‌تر و مقاومت و مدول الاستیسته کمتری دارد این الیاف کربنی از تقطیر زغال‌سنگ به دست می آید.

الیاف شیشه:

فایبرهای شیشه‌ای چهار نوع دارند:

الیاف آرامید:

الیاف آرامید برای اولین بار توسط شرکت DuPont در آلمان تحت نام کولار (Kevlar) تولید شد. آرامید کلمه‌ای اختصاری است که از آروماتیک پلی‌آمید گرفته‌شده و ساخته دست بشر می‌باشد.

این الیاف در چهار نوع یافت می‌شود که متداول‌ترین آن کولار ۴۹ برای مسلح کردن بتن، طراحی و تولیدشده است.

الیاف بازالت:

این الیاف همانند الیاف شیشه و کربنی دارای مقاومت و سختی  بالایی می‌باشد و در مقاوم سازی ساختمان‌ها کاربرد دارد.

الیاف بازالت نسبت به E-Glass اندکی سخت‌تر و مقاوم‌ترند. ازنظر  محیط‌زیست بهترند، غیر سمی، خوردگی ناپذیر، غیر مغناطیسی‌اند و پایداری گرمایی و خصوصیات عایق سازی بالاتری دارند.

تکنولوژی  تولید الیاف بازالت و E-Glass یکسان است اما برای تولید الیاف بازالت انرژی پایین‌تری لازم است و از طرفی مصالح خام اولیه ساخت این الیاف (سنگ بازالت) در سرتاسر جهان موجود است.

در ساخت الیاف بازالت این امکان وجود دارد که با اصلاح ترکیب شیمیایی الیاف، مشخصات مکانیکی را تغییر داد و هم‌زمان با داشتن قابلیت حل زیستی بالاتر به مدول الاستیسیته بالاتری نسبت به الیاف شیشه دست‌یافت.

مقاوم‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP:

امروزه از تکنیک های زیادی برای تقویت بتن آرمه استفاده می شود اما برخی از آن ها مسئله‌ساز می‌باشند به طور مثال استفاده از ورق‌های فولادی که از بیرون به بتن چسبانیده می‌شوند تین روش ساده مقرون به‌صرفه و کارا هست ولی مشکلات زیر را در پی دارد:

1. به مرور زمان چسبندگی بین فولاد و بتن کاهش پیدا می‌کند که به دلیل خوردگی فولاد می‌باشد.
2. ساخت صفحات سنگین در کارگاه‌ها مشکلات زیادی به همراه دارد.
3. نیاز به نصب داربست قبل از انجام کار
4. در انتقال صفحات فولادی به کارگاه ها محدودیت طول صفحات وجود دارد.

حال نوارها یا صفحات الیاف اف ار پی frp می‌تواند جایگزین این صفحات فولادی گردند.زیرا :

1. در مقابل خوردگی اسیدها بازها نمک‌ها و مواد مهاجم در دامنه‌ی وسیعی از دماهای مختلف مقاومت کنند.و درنتیجه نیاز به سیستم محافظت در مقابل خوردگی لزومی ندارد.
2. آماده‌ نمودن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است.
3. حمل‌ونقل آن بسیار آسان‌تر است
4. پس از نصب بار اضافی به سازه وارد نمی‌کنند.
5. در مکان‌هایی که دسترسی محدود دارند و حتی امکان داربست وجود ندارد می‌توان استفاده کرد.
6. الیاف مسلح کننده در FRP برخلاف ورق‌های فولادی می‌توانند در موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرار گیرند تا بیش‌ترین کارایی به‌دست آید.

دومین روش مرسوم دیگر در مقاوم‌سازی اعضای بتن‌آرمه، استفاده از پوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشیدنی یا فولاد می‌باشد. این روش تا وقتی مؤثر است  که مربوط به مقاومت، سختی و شکل‌پذیری باشد؛ اما باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود. همچنین این عملیات پردردسر و تخلیه ساکنین را در پی دارد و به‌صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه می‌شود.

صفحات frp می‌تواند جایگزین خوبی برای این مورد باشد که به دور اجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل‌توجه مقاومت و شکل‌پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند.

نکته مهم : در ارتباط با مقاوم‌سازی اعضا با استفاده خارجی از آن است که باید درجه مقاوم‌سازی (نسبت ظرفیت نهایی عضو مقاوم‌شده به ظرفیت نهایی عضو مقاوم نشده) را محدود کنیم تا حداقل سطح ایمنی در حوادثی مانند آتش‌سوزی که منجر به از دست رفتن کارایی می‌شوند، حفظ گردد.

الیاف frp علاوه بر مزایای زیادی که برای آن برشمردیم دارای معایبی نیز هست که مهم‌ترین آن عبارت‌اند از:

• آسیب‌پذیر بودن این الیاف در مقابل آتش‌سوزی
• تجربه کم مشاوران و پیمان‌کاران در استفاده از این الیاف اف ار پی FRP

مراحل مقاوم‌سازی ساختمان‌ها با الیاف frp:

مقاوم‌سازی ساختمان‌ها با الیاف اف ار پی FRP  دو مرحله  داردکه در مرحله اول آماده‌سازی سطح المان برای چسباندن ورق کامپوزیت است برای این منظور قبل از انجام باید تدابیر زیر لحاظ گردد:

•  تخریب قسمت‌های آسیب‌دیده بتن و میلگرد از حمله شیمیایی
•  به وجود آوردن لایه جدید به‌جای لایه‌ی تخریبی
• پر کردن هرگونه خلل که در المان وجود دارد به‌وسیله بتونه
• صاف کردن سطح المان
• سطح المان را به مصالح Primer آغشته می‌کنیم

در مرحله دوم که نصب کامپوزیت به المان انجام می‌پذیرد به دو روش زیر قابل انجام است:

1_نصب دستی: در این روش تولید و اتصال الیاف اف ار پی FRP همراه باهم انجام می‌گیرد به‌این‌ترتیب که بعد از اتمام مرحله اول، سطح با غلتک به ملات پلیمری آغشته می‌شود، سپس الیاف اف ار پی FRP خشک توسط غلتک روی المان قرار می‌گیرد.که برای کاربری آسان‌تر، الیاف FRP دارای پوشش می‌باشند.

پس از این مرحله پوشش الیاف اف ار پی برداشته‌شده و لایه ملات پلیمری بار دیگر توسط غلتک الیاف را احاطه می‌کند.

2_نصب لایه به لایه : پس از صاف و بتونه کردن سطح لایه ملات پلیمری توسط غلتک روی سطح موردنظر قرار می گیرد آنگاه لایه کامپوزیتی را به ملات پلیمری می چسبانند.