ممکن است با شنیدن اسم میلگرد کامپوزیتی به این موضوع فکر کنید که این میلگرد از محصولات جدید صنعت ساخت و ساز است اما میلگرد کامپوزیت بیش از 30 سال است در این حوزه مورد استفاده قرار می‌گیرد. این میلگرد در بیش از 350 پل در سراسر کانادا و 90 پل در ایالات متحده و صدها پروژه عمرانی دیگر در اقصی نقاط جهان، با موفقیت به کار گرفته شده است؛ اما میلگرد کامپوزیتی چیست و چرا از آن به عنوان مصالح ساختمانی آینده‌نگر یاد می‌شود. با ویکی ساختمون همراه باشید.
تعریف میلگرد کامپوزیتی
آرماتور یا میلگرد کامپوزیتی یا همان FRP که مخفف Fiber Reinforced Polymer است، از دو عنصر اصلی از جمله الیاف و رزین ماتریس تشکیل شده است. الیاف که معمولاً کربن، شیشه، آرامید یا بازالت است به عنوان هسته داخلی عمل می‌کند و رزین ماتریس نیز از متریال پلی استر، اپوکسی یا وینیل استر می‌باشد، لایه بیرونی میلگرد را تشکیل می‌دهد.
نقش رزین ماتریس در هم نگه داشتن، محافظت و انتقال بار بین الیاف است. همچنین، رزین ماتریس در رنگ‌های مختلف موجود است. در بیشتر موارد، این میلگرد از الیاف شیشه‌ای با مقاومت بالا و رزین استر وینیل ساخته می‌شود. هسته میلگرد دارای تمام الیاف تقویت کننده (70 درصد وزنی) در طول میله برای ارائه حداکثر مقاومت در محصول نهایی است.
یک فرورفتگی مارپیچی در سطح میلگرد در فرآیند تولید ایجاد می‌شود که به الیاف هسته آسیب نمی‌رساند و به اندازه کافی دارای آج هست تا بتن بتواند درگیری مکانیکی با بتن ایجاد کند. انتخاب رزین وینیل استر برای این میلگرد مهم است.
تحقیقات نشان داده‌اند که رزین پلی استر از مقاومت طولانی مدت در برابر مواد شیمیایی خورنده در بتن برخوردار نیست در حالی که میلگرد ساخته شده با رزین وینیل استر در صورت استفاده مطابق با استانداردهای شناخته شده، می‌تواند تا 50 سال عمر کند.
تاریخچه میلگرد کامپوزیتی
برای اولین بار از آرماتور کامپوزیتی در سال 1975 در روسیه استفاده شد. در این کشور از تاندون‌های پیش تنیدگی تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) برای تقویت پل‌های بتنی استفاده می‌شد.
تولید میلگرد کامپوزیت در ژاپن در دهه 1980 با تقویت کننده‌های الیاف کربن و آرامید در ماتریس ترموست شروع به کار کرد و در اوایل دهه 1990 به آرامی وارد آمریکا، کانادا و کشورهای اروپایی شد.
درحقیقت، ژاپنی‌ها در سال 1996 اولین کسانی بودند که دستورالعمل‌های طراحی بتن مسلح یا میلگرد کامپوزیتی را معرفی کردند. اکنون استفاده از این میلگرد به طور فزاینده‌ای افزایش یافته است و در امتداد آن استانداردهایی نیز برای استفاده از میلگرد کامپوزیت تألیف و تدوین شده‌اند.
مطلب پیشنهادی: میلگرد بستر چیست؟ روش‌های محاسبه میلگرد بستر و روش اجرای آن
اهمیت استفاده از میلگرد کامپوزیتی
بتن از دیرباز به عنوان متریالی با مقاومت فشاری بالا، دوام خوب و هزینه ساخت کم مورد استفاده قرار میگرفت. با این حال، پاشنه آشیل معروف بتن، شکنندگی و مقاومت کششی محدود آن است. این مسئله حدوداً یک قرن پیش با استفاده از آرماتورهای تقویت کننده فولادی برطرف شد.
میلگرد فولادی از لحاظ عملکردی کارآمد و نسبتاً ارزان است، بنابراین استفاده از آن در بتن یک ضرورت اجتناب ناپذیر است. با این حال، میلگرد وقتی در معرض نمک‌ها، مواد شیمیایی تهاجمی و رطوبت قرار می‌گیرد، دچار خوردگی (اکسیداسیون) می‌شود.
با خوردگی، میلگرد متورم شده و باعث افزایش بار کششی بتن می‌شود که در نتیجه شروع به ایجاد ترک در مقطع بتنی می‌کند. این امر مستلزم تعمیر و نگهداری پُرهزینه است و همچنین یکپارچگی ساختار را به خطر میندازد.
در طول دهه‌های جاری، پوشش‌ها و مواد نفوذی زیادی برای جلوگیری از خوردگی فولاد در بتن معرفی شدند اما هیچ یک نتوانستند در دراز مدت این مشکل را حل کنند. علاوه بر این خوردگی، میلگرد به هدایت میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در کاربردهای تولید برق، پزشکی، هسته‌ای و الکتریکی نامطلوب می‌کند.
با افزایش تکنولوژی ساخت مواد کامپوزیت، میلگرد کامپوزیتی با قابلیت فوق العاده می‌توانند بخش بزرگی از مشکلات مربوط به آرماتورهای داخل بتن را برطرف کند.
مطلب پیشنهادی: پیمانکار آرماتوربند کیست و خدمات آنها چیست؟
مزایای میلگرد کامپوزیتی
دلایل منطقی زیادی وجود دارد که بر استفاده از میلگرد کامپوزیت تأکید می‌کند. میلگرد کامپوزیتی زنگ نمی‌زند و خورده نمی‌شود، بنابراین برای غوطه وری دوره‌ای یا طولانی مدت در آب شیرین، آب نمک، مواد شیمیایی ضد عفونی کننده، متریالی عالی است.
مزیت دیگر مقاومت کششی آن است که به طور معمول 1.5 تا 2 برابر بیشتر از فولاد است، بنابراین این مهم با مقاومت فشاری بالای بتن تعادل خوبی ایجاد می‌کند. همچنین، میلگرد کامپوزیتی مقاومت خستگی بسیار خوبی ایجاد می‌کند که برای موقعیت‌های بارگذاری دوره‌ای در جاده‌ها و پل‌ها ماده‌ای عالی است. علاوه بر این، میلگرد کامپوزیت یک چهارم وزن فولاد را دارد.
دیگر فواید این میلگرد عبارتند از:
- مشکلات حمل و نصب کمتری دارد (هفت برابر سبک‌تر از فولاد است).
- به جرثقیل و سایر تجهیزات بالابرنده سنگین نیاز ندارد.
- به راحتی با ابزارهای معمول برش، بدون آسیب رساندن به تیغ اره، برش داده می‌شود.
- می‌توان میلگردهای بیشتری را به ازای هر کامیون بارگیری و حمل کرد.
- نسبت مقاومت به وزن بالایی دارد، از این رو فرصت‌های احتمالی برای کاهش اندازه و وزن کل سازه را فراهم می‌کند.
- در کاربردهای حساس به وزن که خاک دارای خاصیت تحمل بار ضعیف است، استفاده می‌شود.
- در مکان‌های لرزه‌ای فعال یا در مناطق حساس به محیط زیست که جابجایی تجهیزات سنگین نامطلوب است، مفید می‌باشد.
- برای کاربردهای حساس به الکترومغناطیسی، هم شیشه و هم پلیمر ذاتاً غیر رسانا هستند. بنابراین جریان برق را انتقال نمی‌دهند یا عملکرد دستگاه‌های الکتریکی اطراف خود را مختل نمی‌کنند.
اگرچه هزینه اولیه میلگرد کامپوزیت به طور کلی از میلگرد فولادی استاندارد بالاتر است و تقریباً قابل مقایسه با میلگرد فولادی با روکش اپوکسی است اما اگر براساس هزینه چرخه عمر در نظر گرفته شود، می‌تواند کاملاً اقتصادی باشد.
معایب میلگرد کامپوزیتی
جوانب منفی میلگردهای کامپوزیت عبارتند از:
- هزینه اولیه بالا (در مقایسه با فولاد)
- حساسیت به آسیب مکانیکی
- حساسیت به آتش سوزی (بدون عایق بندی)
- خم‌پذیری کمتر از فولاد
- مقاومت برشی ضعیف
- مقاومت فشاری پایین
- کرنش کم در شکست (عدم شکل پذیری بالا به دلیل نداشتن ناحیه پلاستیک در منحنی تنش و کرنش)
- حساس به اشعه فرابنفش خورشید (UV)
مطلب پیشنهادی: میلگرد سنجاقی چیست؟ کاربرد و مقررات آیین نامه‌ای قلاب دوخت
انواع میلگرد کامپوزیتی
میلگردهای کامپوزیت به انواع زیر تقسیم می‌شود:
- پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) کمترین هزینه و در عین حال بیشترین استفاده را در بین تمام میلگردهای کامپوزیتی دارد.
- پلیمر تقویت شده با الیاف بازالت (BFRP) به دلیل کمبود ظرفیت تولید کننده هزینه بالاتری دارد اما نسبت به GFRP مقاومت بیشتری در برابر مواد قلیایی دارد.
- پلیمر تقویت شده با الیاف آرامید (AFRP) به دلیل مقاومت فشاری کم الیاف و هزینه تولید بالا، به عنوان یک تقویت کننده ساختاری معمول نیست.
- پلیمر تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) بیشترین دامنه مقاومت‌ها را دارد. این دامنه به دلیل منبع کربن و روش‌های تولید این میلگرد است. این محصول در برابر پارگی خزش و شکست خستگی مقاومت بیشتری دارد. هزینه بالای این میلگرد به ویژگی‌های فوق‌العاده‌ای که دارد، توجیه پذیر است.
کاربرد میلگرد کامپوزیتی
موارد استفاده از میلگرد کامپوزیت عبارتند از:
- دیوارهای نگهدارنده
- اسکله‌ها
- کانال‌ها
- سکوهای دریایی
- استخرها
- آکواریوم‌ها
- جاده‌ها
- پل‌ها
- پارکینگ‌ها
- باند‌های فرودگاه
- تصفیه خانه‌های فاضلاب
- سایت‌های زباله جامد
- کارخانه‌های پتروشیمی
- کارخانه‌های تولید کاغذ
- خطوط لوله و مخازن
- برج‌های خنک کننده
- دودکش‌ها
- محیط قلیایی بتن
- نیروگاه‌های هسته‌ای
- سازه‌های نظامی ویژه
- برج‌های انتقال برق و تلفن
- منهول‌های حاوی تجهیزات الکتریکی یا تلفنی
- بیمارستان‌ها با تجهیزات تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)
کلام آخر
آرماتور کامپوزیتی یک پلیمر تقویت شده با الیاف طبیعی و مصنوعی است که به جای فولاد، جهت مسلح کردن سازه‌های بتنی استفاده می‌شود. برای مقاوم سازی سازهها از الیاف مصنوعی در یک ماتریس پلیمری برای ایجاد مقاومت کششی بالا در جهت الیاف استفاده می‌شود. الیاف به صورت مستقیم، موازی و مداوم درون ماتریس تنظیم می‌شوند. این FRPها بعضاً در جامعه مهندسی عمران به عنوان کامپوزیت‌های با مقاومت بالا شناخته می‌شوند.
