بررسی خصوصیات و ویژگی های فیزیکی لمینت ها و الیاف FRP 

در این مقاله سعی داریم خصوصیات و ویژگی های مهم فیزیکی لمینت ها و الیاف FRP را بررسی نماییم. در این مقاله ما به چگالی مصالح، اثرات دما، ضریب انبساط حرارتی، خصوصیات مکانیکی، رفتارهای فشاری و وابسته به زمان، کنترل کیفی، جابه جایی صحیح و ایمن و... می پردازیم با ما همراه باشید.

چگالی مصالح FRP

چگالی مصالح FRP در محدوده ۱۲۰۰ تا ۲۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است که ۴ تا ۶ بار کمتر از چگالی فولاد می باشد (جدول ۲-۲). این کاهش چگالی می تواند منجر به کاهش هزینه حمل و نقل، آسانی در جابجایی مصالح و همچنین کاهش بار مرده سازه ناشی از تقویت گردد.

چگالی مواد FRP 

ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP تک جهتی در محور طولی و عرضی متفاوت است و به نوع الیاف، رزین و درصد حجمی الیاف بستگی دارد. جدول 2-3 مقادیر ضریب انبساط حرارتی مصالح  FRP تک جهتی متداول را در راستای طولی و عرضی نشان می دهد. عدد منفی در جدول نشان دهنده انقباض ماده در اثر افزایش دما و انبساط آن بر اثر کاهش دما می باشد. به عنوان یک مقایسه، بتن دارای ضریب انبساط حرارتی متغیری از 7 × 10-6 تا 11 × 10-6 بر درجه سانتی گراد بوده و معمولاً ایزوتوپ فرض می شود. ضریب انبساط حرارتی فولاد معادل 11.7 × 10-6 بر درجه سانتی گراد است.

ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP (kg/m3) 

اثرات دمای بالا

در دمای بیشتر از Tg، مدول الاستیسیته پلیمر با توجه به تغییرات ساختار مولکولی آن کاهش می یابد. دمای Tg، دمای گذار شیشه ای FRP، بستگی به نوع رزین دارد. ولی معمولا در محدوده ۶۰ تا ۸۲ درجه سانتی گراد می باشد. در یک کامپوزیت FRP، الیاف که خصوصیات حرارتی بهتری نسبت به رزین دارند، می توانند مقداری از بار را در جهت طولی تا دمای نهایی تحمل خود انتقال دهند. این دما برای الیاف شیشه، آرامید و کربن به ترتیب ۱۰۰۰ و ۱۷۵ و ۲۷۵ درجه سانتی گراد می باشد. در دمای بالا انتقال نیرو در الیاف ناشی از افت عملکرد چسب، خواص کششی کامپوزیت نیز کاهش می یابد. نتایج آزمایش ها نشانگر کاهش ۲۰ درصدی در مقاومت کششی مصالح الیاف کربن و الیاف شیشه در دمای ۲۵۰ درجه سانتی گراد (دمای خیلی بالاتر از Tg) می باشد. سایر خصوصیات مرتبط با انتقال برش توسط رزین از جمله مقاومت خمشی کاهش چشمگیری حتی در دماهای پایین تر دارد. برای کاربری های چسبندگی بحرانی، سیستم های FRP در بتن نقش اساسی در نگهداری اتصال ایفا می نماید و در دمای نزدیک به Tg خواص مکانیکی پلیمر های به شدت کاهش می یابد و پلیمر شروع به از دست دادن قدرت انتقال تنش بین بتن و الیاف می کند.

خصوصیات مکانیکی رفتار کششی

در بارگذاری کشش مستقیم، مصالح  FRP قبل از گسیختگی هیچ رفتار خمیری ندارند. رفتار کششی مصالح FRP در یک نوع الیاف، توسط یک رابطه تنش-کرنش خطی الاستیک تا هنگام شکست که به طور ناگهانی اتفاق می افتد، مشخص می شود. مقاومت کششی و سختی مصالح  FRP به عوامل متعددی بستگی دارد. از آنجا که در مصالح FRP الیاف نقش اساسی در باربری دارند، نوع الیاف، جهت قرارگیری و همچنین مقدار آنها مهمترین نقش را در خواص کششی مصالح FRP ایفا می کنند. خصوصیات مصالح FRP در برخی موارد براساس سطح مقطع خالص الیاف و در برخی موارد براساس سطح مقطع ناخالص الیاف محاسبه می شود. سطح مقطع ناخالص سیستم FRP بر اساس سطح مقطع کامل لایه عمل آوری شامل الیاف و رزین محاسبه می گردد. سطح مقطع ناخالص معمولا برای ارائه خصوصیات لایه پیش عمل آوری شده با ضخامت ثابت به کار می رود مشروط بر آنکه نسبت اختلاط الیاف و رزین کنترل شده باشند. سطح مقطع خالص سیستم  FRP بر اساس سطح مقطع معلوم الیاف، صرف نظر از عرض ضخامت کلی سیستم عمل آوری شده محاسبه می شود، لذا رزین حذف می گردد. این سطح مقطع خالص عموما برای بیان مشخصات سیستم های چسباندن تر استفاده می شود. در فرآیند اجرای روش چسباندن تر مقدار الیاف تحت کنترل بوده لیکن مقدار رزین متغیر می باشد.
در محاسبه خصوصیات سیستم FRP بر اساس محاسبه سطح مقطع ناخالص، ضخامت نسبی بیشتر و مقاومت و مدول الاستیسیته نسبی کمتری حاصل می شود. در حالی که خصوصیات سیستم FRP براساس محاسبه سطح مقطع خالص، ضخامت نسبی کمتر، مقاومت و مدول الاستیسیته نسبی بیشتر منجر می گردد. بطور کلی صرفنظر از دو روش محاسبه براساس سطح مقطع خالص و سطح مقطع ناخالص، میزان باربری
 (ƒƒu .Aƒ) و سختی (Aƒ .Eƒ) ثابت باقی می مانند. خواص محاسبه شده براساس سطح مقطع خالص به تنهایی نشانگر خصوصیات الیاف نیستند. خصوصیات یک سیستم  FRP باید براساس خواص یک ترکیب محاسبه شود. به عبارت دیگر نه تنها خواص الیاف بلکه کارا ترکیب سیستم الیاف-رزین، آرایش الیاف بافته شده و روش ساخت سیستم FRP در بیان خصوصیات سیستم FRP موثر است. خصوصیات مکانیکی تمام سیستم های FRP، صرف نظر از شکل، باید بر اساس آمایش بر روی صفحات بده ای با درصد معین الیاف مشخص گردد.
لازم است از تولید کنندگان، مقاومت نهایی کششی بر اساس متوسط مقاومت کششی با رواداری 3 برابر انحراف از معیار آن و به صورت مشابه حد کرنش نهایی شکست استعلام گردد. این پایه آماری، خصوصیات کششی را با احتمال ۹۹/۸۷٪  نشان می دهد. مدول الاستیسیته باید بین کرنش ۰/۰۰۳ و ۰/۰۰۶ و مطابق استاندارد ۳۰۳۹ ASTM D محاسبه گردد. بر این اساس حداقل ۲۰ نمونه برای تعیین خصوصیات نهایی کششی استفاده می گردد. لازم است از تولید کننده گزارش کامل نحوه محاسبه خصوصیات کششی از جمله تعداد آزمایش ها، مقدار میانگین و انحراف معیار استعلام شود.

رفتار فشاری

سیستم های تقویت FRP که به صورت پوشش بیرونی عمل می کنند، نباید به عنوان تقویت کننده فشاری مورد استفاده قرار گیرند. حالت گسیختگی لایه های FRP می تواند شامل گسیختگی بستگی به نوع الیاف، درصد آن و نوع رزین مصرفی دارد. مقاومت فشاری سیستم FRP با الیاف شیشه، کربن و آرامید به ترتیب حدود ۵۵، ۷۸ و ۲۰ درصد مقاومت کششی آنها می باشد. به طور کلی هر چه مقاومت کششی بالاتر باشد مقاومت فشاری آن نیز بالاتر است بجز د مورد آرامید که در  الیاف در تراز پایین تنش فشاری، رفتار غیر خطی دارند. مدول الاستیسیته فشاری  FRP معمولا کمتر از مدول الاستیسیته کششی آ می باشد. به عنوان نمونه مدول الاستیسیته فشاری سیستم های FRP با الیاف شیشه، کربن و آرامید به ترتیب حدود ۸۰، ۸۵ و ۱۰۰ درصد مدول الاستیسیته کششی آنها می باشد.

اجرای لمینت ها و الیاف FRP 

رفتار وابسته به زمان؛ شکست خزشی

مصالح FRP به بارگذاری ثابت با مدت زمان طولانی موسوم به زمان دوام می توانند به طور ناگهانی شکسته شوند. به این نوع تخریب شکست خطیش گفته می شود. در صورتی که نسبت تنش کششی پایدار توسط لایه FRP به مقاومت کوتاه مدت آن افزایش یابد، زمان دوام سیستم کاهش می یابد. زمان دوام همچنین بر اثر عوامل محیطی نامناسب از قبیل دمای بالا، اشعه فرابنفش، محیط قلیایی، دوره های تر و خشک شدن متناوب و دوره های متناوب یخ زدن و ذوب شدن کاهش می یابد.
به طور کلی الیاف کربن کمترین حساسیت را نسبت به شکست خزشی دارند. حساسیت الیاف آرامید در حد متوسط بوده و الیاف شیشه بیشترین حساسیت را دارند. می توان رابطه بین شکست خزشی و لگاریتم زمان در سطوح مختلف بار را از نوع خطی دانست. نسبت تنش در شکست خزشی بعد از حدود ۵۰ سال به مقاومت نهایی مصالح  FRP به الیاف شیشه، آرامید و کربن به ترتیب حدود ۰/۳، ۰/۴۷ و ۰/۹۱ برآورد شده است.
خستگی درصد قابل توجهی از اطلاعات مربوط به پدیده خستگی و پیش بینی طول عمر مواد  FRP به در ۳۰ سال گذشته بدست آمده مربوط به صنایع هوا فضا بوده است. علیرغم تفاوت های موجود در کیفیت و یکپارچگی مواد FRP بکار رفته در صنعت هوا فضا در مقایسه با صنعت ساختمان، می توان ملاحظاتی از نظر کلی در مورد رفتار خستگی مواد  FRP ارائه داد. برای مصالح FRP به جهته با ۶۰ درصد حجمی الیاف تحت بارگذاری سینوسی کششی باید شرایط زیر هنگام آزمایش برقرار باشد.

• فرکانس بار باید آنقدر کم باشد که گرما ایجاد نکند.
  
• آزمایش در محیط عمومی آزمایشگاه انجام شود.
• نسبت تنش (نسبت حداقل تنش به حداکثر تنش وارده) ۰/۱ باشد.
• جهت بارگذاری موازی جهت الیاف باشد.

در شرایط آزمایش که درجه حرارت و رطوبت موجود در مصالح FRP افزایش می یابد باعث کاهش مقاومت خستگی محیطی نیز می گردد. از میان کامپوزیت های مختلف مورد استفاده در کاربردهای زیرساختی، الیاف کربن کمترین قابلیت کست ناشی از خستگی را دارد و برای آن حد دوام ۶۰ تا ۷۰ درصد مقاومت نهایی استاتیکی در نظر گرفته شود. اگر تغییرات تنش نسبت به لگاریتم تعداد دوره ها در وضعیت شکست (منحنی S-N) مدنظر باشد، این کاهش برای الیاف کربن برابر ۵ درصد مقاومت نهایی تنش استاتیکی اولیه به ازای هر ۱۰ قسمت عمر لگاریتمی می باشد. در یک میلیون دوره، مقاومت خستگی معمولا بین ۶۰ تا ۷۰ درصد مقاومت نهایی استاتیکی اولیه بوده و از رطوبت و در معرض حرارت بودن سازه های بتنی تاثیر نمی پذیرد، مگر اینکه کیفیت رزین یا فصل مشترک الیاف-رزین به دلیل شرایط محیطی به مقدار قابل ملاحظه ای افت کرده باشد.

پایایی 

عمده سیستم های FRP به از قرار گرفتن در معرض عوامل محیطی از جمله دما، رطوبت و شرایط شیمیایی، خصوصیات مکانیکی کاهش یافته ای را نشان می دهند. شرایط محیطی، نوع رزین و مواد تشکیل دهنده آن، مدت زمان قرار گیری در شرایط نامطلوب، نوع الیاف و روش های اجرایی رزین از جمله عوامل موثر در این مسئله می باشند. به طور کلی خصوصیات کششی گزارش شده به وسیله تولید کننده بر پایه آزمایش های در شرایط آزمایشگاهی است و اثرات شرایط محیطی را منعکس نمی کند.

کنترل کیفی سیستم FRP

برای استفاده در پروژه ها، سیستم های FRP باید براساس اطلاعات آزمایشگاهی مربوط به خواص مصالح، آزمایش های سازه ای مربوط و دوام و پایایی مصالح که می تواند شرایط محیطی را مشخص کند، کنترل شود.
اطلاعات آزمایش بوسیله شرکت تولید کننده آن فراهم می شود و در آن باید همه خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ملزومات طرح شامل مقاومت کششی، دوام، مقاومت در برابر خزش چسبندگی به لایه بتنی و  Tgرا اعلام کند اما نباید به عنوان تنها اساس کنترل استفاده شود. همچنین سیستم های کامپوزیتی که به طور دقیق و کامل آزمایش نشده اند، نباید مورد استفاده قرار گیرند.
شرکت کلینیک بتن ایران با ارائه بهترین خدمات در کنار شما همراهان گرامی می باشد.

بارگیری، انبار و جابجایی

در برگه های اطلاعاتی ویژه ای که در این موارد معمولا از طرف تولید کننده ارائه می شود، باید بررسی و چگونگی استفاده از آنها در پروژه مشخص شود. لازم است علاوه بر مدارک مزبور سایر ضوابط و مشخصات در دیگر مراجع معتبر (نظیر مقررات و آئین نامه های فدرال آمریکا، استاندارد ۴۹ CFR) که قواعدی را در این خصوص ارائه می دهد استفاده نمود.

انبارش؛ شرایط انبار

به منظور تامین شرایط حفاظت و ایمنی، مصالح FRP برای مطابق با توصیه های سازنده نگهداری کند. مواد متشکله ویژه، نظیر مواد فعال کننده گیرش رزین، سخت کننده ها، آغازگرها، کاتالیزور و حلال های پاک کننده، از الزامات ایمنی خاص خود تبعیت می نمایند و باید مطابق با توصیه های سازنده و نیز آیین نامه های معتبر نگهداری و انبارش شوند. اداره سلامت و آمین شغلی آمریکا، مقرراتی در مورد نگهداری و انبارش این مواد ارائه نموده است که می تواند مورد بررسی و استفاده قرار گیرد. کاتالیزورها و مواد تسریع کننده (معمولا پراکسیدها) باید جداگانه نگهداری شوند.

مدت زمان انبارش

خواص مواد تشکیل دهنده رزین قبل از عمل آوری می تواند تحت شرایط زمان، درجه حرارت یا رطوبت تغییر یابد. چنین شرایطی می تواند در عملکرد و واکنش سیستم مخلوط شده تاثیر بگذارد و یا در خواص ترکیب، قبل یا بعد از عمل آوری موثر باشد. سازنده مواد برای عمر نگهداری، توصیه نامه ای را تنظیم می نماید که بر اساس آن، مواد پایه رژیمی تا زمان بکارگیری و یا در طول اجرا خصوصیات خود را از دست ندهند. هر یک از مواد تشکیل دهنده که در آن زمان نگهداری انقضاء یابد و فاسد یا آلوده شده باشد، نباید مورد استفاده قرار گیرد. مصالح FRP که غیر قابل استفاده تشخیص داده شوند، باید مطابق با مشخصات ذکر شده توسط سازنده و براساس مقررات کنترل کننده سازمان حفاظت محیط زیست از بین بروند.

جابجایی برگه اطلاعات ایمنی مواد

برای هر یک از مواد تشکیل دهنده FRP در ترکیبات آنها، باید برگه اطلاعات ایمنی مواد از سازنده دریافت شود و در محل کارگاه اجرایی در دسترس قرار گیرد.

منابع اطلاعات

لازم است جزئیات اطلاعات مربوط به جابجایی مواد و میزان خطرات ناشی از مواد تشکیل دهنده FRP متعارف استانداردها و آیین نامه های مربوط صورت می گیرد. در استاندارد R۵۰۳ ACI بطور اختصاصی راهنماهای کلی مربوط به روش ایمنی جابجایی ترکیبات اپوکسی ذکر شده است.

خطرات کلی جابجایی مواد

رزین های گرما سخت شامل خانواده محصولاتی از قبیل پلی استر اشباع نشده، وینیل استر، اپوکسی و رزین های پلی یورتان می باشد. موادی که با این نوع رزین ها مورد استفاده قرار می گیرند به عنوان سخت کننده ها، عوامل پخت، پراکسیدها، ایزوسیانات ها، مواد پر کننده و مواد نام کننده خوانده می شوند. برای جابجایی رزین گرما سخت و مواد ترکیبی آنها، اخطارها و موارد هشدار دهنده وجود دارد که قبل از استفاده باید در نظر گرفته شوند. بعضی از این اخطارها که در خصوص رزین گرما سخت قابل ذکر هستند به شرح زیر می باشند.

تحریکات پوستی نظیر: سوزش، خارش و حساسیت های پوستی

بخارهای موثر در تنفس ناشی از حلال های تمیز کننده، موتورهای و رقیق کننده ها در صورت داشتن غلظت کافی در هوا، قابل اشتعال یا انفجار در اثر حرارت، شعله، نور چراغ های روشنایی، جرقه، الکتریسیته ساکن، آتش سیگار و دیگر منابع تولید حریق می باشند.
امکان ایجاد آتش سوزی و مصدومیت کارکنان در اثر فعل و انفعالات حرارت زای ترکیب مواد. غبارهای بزار دهنده ناشی از عملیات سنگ فرزکاری، یا جابجایی مواد FRP عمل آوری شده. (دستورالعمل های سازنده در خصوص مخاطرات و مشخصات آن مورد مشاوره قرار گیرد).
به دلیل پیچیدگی مواد گرما سخت لازم است کلیه برچسب ها و برگه های اطلاعات ایمنی مواد به خوبی توسط کارکنانی که با این مواد سروکار دارند خوانده شده و تفهیم شوند. لازم است روش برچسب گذاری و روش توصیفی اطلاعات مطابق استاندارد و دستورالعملی مشخص تعریف شود. در این رابطه می توان از مجموعه مقررات فدرال آمریکا، استاندارد ۱۶ CFR بخش ۱۵۰۰ که قواعدی را در خصوص برچسب زدن مواد خطرناک ارائه نموده است و شامل مواد رزین های گرما سخت می گردد استفاده نمود. همچنین نشریه شماره ۱، ۱۲۹-  ANSI Z موسسه استاندارد ملی آمریکا راهنمایی هایی در خصوص دسته بندی و موارد پیشگیرانه ارائه نموده است.

جابجایی صحیح و پوشش ایمنی کارکنان

برای حمل الیاف و رزین، استفاده از لباس و دستکش مناسب الزامی است. ضوابط توصیه شده توسط سازنده مواد FRP هنگام جابجایی و پوشش کارکنان الزامی است. دستکش های لاستیکی و پلاستیکی مناسب این کار توصیه شده است و باید بعد از هر بار مصرف از رده خارج شوند. دستکش ها باید در مقابل رزین ها و مواد حلال مقاوم باشند. عینک یا ماسک ایمنی باید در هنگام جابجایی ترکیبات رزین و جلال ها مورد استفاده قرار گیرند. حفاظ های تنفسی نظیر ماسک غبار یا ماسک های ایمنی، در هنگام معلق شدن ذرات الیاف در هوا و وجود غبار یا بهاران موثر در بدن، و همچنین در حین مخلوط کردن مواد و هم زدن رزین و مالیدن آن باید استفاده شود.

ایمنی جابجایی در محل کار

• لازم است محل کار دارای تهویه مناسب باشد. تمامی سطوح کاری باید طوری پوشش لازم را داشته باشند که آلودگی های ناشی از کار و رزین های ریخته شده قابل تمیز کردن باشد.
  
• هر یک از مواد متشکله سیستم FRP الزامات خاص جابجایی و انبارش خود را دارد تا از آسیب دیدن آن جلوگیری شود. در این رابطه لازم است توصیه های سازنده مواد مورد بررسی قرار گیرد. بعضی از سیستم های رزینی در حین اختلاط و ترکیب، ذاتا خطرناک هستند. در این خصوص باید ضمن بررسی دقیق توصیه های سازنده مواد، روش صحیح و ایمن اختلاط و ساخت ترکیب شناسایی و برگه های اطلاعات ایمنی مواد در خصوص خطرات ناشی از جابجایی تهیه گردد.
  
• فرمولاسیون رزین هایی که تحت شرایط محیطی عمل آوری می شوند به نحوی است که در هنگام گیرش تولید حرارت می کنند که این حرارت به نوبه خود فعل و انفعالات را تسریع می نماید. فعل و انفعالات غیر قابل کنترل نظیر متصاعد شدن، اشتعال، غلیان یا جوشش شدید ممکن است در کانتینرهای حاوی مقادیر زیاد رزین بوجود آید، بنابراین کانتینرها باید تحت نظر دقیق قرار گیرند.
• لازم است پیمانکار و فروشندگان FRP از شرایط مناسب حمل (از نظر رطوبت، حرارت و غیره) اطمینان حاصل نمایند.

پاکسازی

لازم است در صورت استفاده از حلال های قابل اشتعال به منظور پاکسازی سطح مورد نظر پیشگیری های لازم در نظر گرفته شود. در ضمن از حلال هایی می توان استفاده نمود که قابلیت اشتعال و آتش سوزی نداشته باشند. لازم است تمام ضایعات در محلی مناسب نگهداری شوند و مطابق با دستورالعمل سازمان حفاظت ��حیط زیست یا سایر ضوابط معتبر جهانی معدوم گردند.

نصب

اگر چه مقاوم سازی سازه موجود با استفاده از پوشش های بیرونی FRP، شیوه ساده ای به نظر می رسد لیکن عملیات نصب و اجرای درست و مناسب سیستم های FRP، به نحوی که از اجرای صحیح سازه تقویت شده اطمینان حاصل شود، ضروری است. از آنجا که فرآیند نصب از یک روش به روش دیگر تفاوت دارد، لازم است مشخصات مورد نیاز به منظور مقاوم سازی به صورت شوش بیرونی برای یک سازه مشخص، به طور روشن و واضح تعریف شود. نظر به تنوع سیستم های FRP موجود که می توانند مورد استفاده قرار گیرند، لازم است روش نصب آنها در تمامی مراحل و شرایط و توصیه های سازندگان سیستم در دفترچه مشخصات فنی خصوصی طرح درج شود.

طرح و اجرای مقاوم سازی لمینت FRP 

شما می توانید برای دریافت اطلاعات بیشتر از دیگر مقالات ما بازدید نمایید:

• اجرای مقاوم سازی به روش لمینت و الیاف کربن اف آر پی FRP
• مقاوم سازی تیرهای بتن آرمه با استفاده از نوار FRP پیش تنیده
• ویژگی ها و خواص کامپوزیت های FRP