الیاف FRP چیست ؟ کاربرد، مزایا، معایب و ویژگی‌های آن کدام است؟

برای پاسخ به پرسش الیاف FRP چیست باید با ترجمه آن به فارسی که بر گرفته از عبارت «Fiber Reinforced Polymer» به معنی پلیمر مسلح شده با الیاف است، شروع کرد. الیاف FRP در واقع یک محصول کامپوزیت یا ترکیبی از انواع متریال ساختمان است. در این مقاله از ویکی ساختمون به این ماده مصرفی جدید، کاربردها، مزایا و معایب، روش‌های تولید آن و محصولاتی که با آن تولید می‌شود پرداخته شده است؛ در ادامه با ما همراه بمانید.

الیاف FRP چیست؟

همانطور که گفته شد FRP یک محصول ترکیبی یا کامپوزیت است که از الیاف و ماتریس تهیه می‌شود. در تهیه FRP از الیاف صنعتی مرسوم مانند الیاف کربن، شیشه، آرامید و بازالت استفاده می‌شود. جزء دیگر FRP ماتریس است که پلیمرهایی مثل اپوکسی، ونیل استر، پلی استر و… آن را می‌سازند. هر یک از مواد نامبرده که برای تهیه FRP از آن‌ها استفاده می‌شود، خصوصیات منحصربه‌فردی دارند که با هدف تولید محصولی بهتر نسبت به الیاف و رزین با هم ترکیب می‌شوند.

همانطور که گفته FRP از دو جزء ماتریس و الیاف تشکیل شده است. ماتریس از مواد شیمیایی مانند رزین‌های اپوکسی و پلی استر تشکیل شده است. به جهت کاهش قیمت تمام شده و بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی دارای فیبرها و افزودنی‌هایی هستند. بیشتر حجم FRP را الیاف تشکیل می‌دهند و نقش الیاف یا فیبر در الیاف FRP تأمین مقاومت مکانیکی است؛ در حالی‌ که ماتریس نقش باربری مکانیکی ندارد و تنها باید از الیاف در مقابل خوردگی، عوامل محیطی و آسیب دیدن محافظت نماید.

چه عواملی در کاربری الیاف بیشتر حجم FRP را الیاف تشکیل می‌دهند مؤثر هستند؟

در واقع انتقال بار در FRP به کمک ماتریس و از طریق انتقال نیروی برشی بین فیبرها صورت می‌پذیرد. از دیگر کاربردهای ماتریس، کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار است. عوامل مختلفی در بهره‌وری الیاف FRP تأثیرگذار هستند. از جمله این عوامل می‌توان به نوع الیاف FRP، درصد مقدار الیاف موجود در FRP، نحوه قرارگیری الیاف FRP و ضریب انتقال حرارت اشاره کرد. این عوامل در مقاومت کششی، خمشی، برشی، خستگی و مقاومت در برابر الکتریسیته همچنین در قیمت تمام شده محصول مؤثر هستند.

روش‌های تولید الیاف FRP چیست؟

به‌طورکلی الیاف FRP به روش‌های مختلفی تولید و تهیه می‌شوند. از جمله این روش‌های می‌توان به بافتن رشته‌ها در هم، پالتروژن و فشرده سازی در خلأ اشاره کرد که در ادامه به آن‌ها اشاره شده است.

بافتن رشته‌ها به هم

در روش بافتن رشته‌ها به هم (Filament winding) الیاف یا رشته‌های پیوسته به صورت نوارهای موازی به دور سیلندر پیچانده شده و رشته‌های فیبر به دور آن تابیده می‌شوند. در همین حال ماتریس رزین پلی استروینیل استر یا اپوکسی به درون سیلندر دوار دمیده شده و با فیبرها ترکیب می‌شود. ناگفته نماند که تمامی این فرایند برای به دست آمدن FRP توسط کامپیوتر کنترل می‌شود. الیاف FRP تولید شده به این روش در صنایع مختلف مانند لوله سازی، ساخت لوله‌های تحت پیچش، بدنه و جداره موشک، بطری‌ها و شیشه‌های تحت فشار، تانک‌های ذخیره، فیوز تأخیری هواپیما و… مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فرآیند پالتروژن

در فرآیند پالتروژن (Pultrusion) لمینیت‌ها یا ورق‌های پوششی با مقطع عرضی و طول معین ساخته می‌شود. در این فرآیند، نوار فیبر کشیده می‌شود و ماتریس که معمولاً پلی استر یا وینیل استر است با گرمای الکتریکی به کمک روغن داغ به فیبر اضافه می‌شود. معمولاً این مراحل در اتاقک پیش گرمایشی فرکانس رادیویی برای کنترل ضخامت در زمان عمل آوری انجام می‌شود.

فرآیند فشرده سازی در خلأ

در این روش وزن هوای بین لایه‌های FRP مانع از تشکیل آن می‌شود؛ بنابراین بر اثر پرس و فشار اعمال شده، هوای محبوس خارج می‌شود تا ورق پوششی FRP یا لمینیت شکل گیرد. در این روش یک یا چند لایه نوار فیبر با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می‌گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین با استفاده از دو روش‌های موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می‌شود.

از الیاف FRP چه محصولاتی تهیه می‌شود؟

از الیاف FRP می‌توان محصولاتی چون لمینیت یا ورق اف آر پی (FRP Laminate)، میلگرد اف آر پی (FRP BAR)، مقاطع اف آر پی (FRP Section) در کارخانه تولید کرد؛ همچنین از طریق روش‌هایی مانند روش Wet lay-up در کارگاه نیز می‌توان پلیمر را با الیاف ترکیب کرده تا یک محصول FRP به دست آید. در ادامه با انواع محصولات ساخته شده با این فناوری اشاره شده است.

ورق اف ار پی

ورق‌های اف ار پی (FRP Laminate) همانطور که توضیح داده شد، ورق‌های کامپوزیت پلیمر و الیاف هستند که با استفاده از روش فشرده سازی در خلأ یا پالتروژن تهیه می‌شوند. در این ورق‌ها فیبرها در یک یا دو جهت قرار گرفته‌اند. جنس فیبرها می‌تواند از جنس کربن و یا شیشه باشد که الیاف بافته شده از آن‌ها به الیاف شیشه GFRP و الیاف کربن CFRP معروف هستند.

لمینیت FRP از لحاظ شکل پذیری می‌تواند به صورت صفحات منعطف یا سخت باشد. صفحات FRP منعطف، خاصیت شکل پذیری بالایی دارند و می‌توانند در شعاع‌های کم خم شوند. ورق‌های سخت در ضخامت‌های زیاد تولید می‌شوند و بر خلاف سایر ورق‌ها، شکل پذیر نیستند و در عرض‌های مختلف تولید می‌شوند.

کاربرد ورق‌های اف آر پی چیست؟

ورق‌ها یا لمینیت‌های اف آر پی با چسب‌های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند و جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آب‌های یون‌دار) استفاده می‌شود. ورق‌های FRP با چسب اپوکسی به سطوح مورد نظر بتنی و فولادی می‌چسبند و باعث افزایش مقاومت المان‌های باربر می‌شوند. از ورق‌های FRP در اکثر مواقع برای مقاوم‌سازی و بهسازی ساختمان‌ها در پروژه‌های مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها استفاده می‌شود.

میلگرد اف آر پی

میلگردهای FRP هم مانند لمینت آن از الیاف و رزین تشکیل می‌شوند. در ابتدا الیاف به صورت نوار یا تاندونی به دور لوله‌ای پیچیده می‌شود و سپس فضای بین آن با پلیمر اشباع می‌شود.

درست است که استفاده از میلگرد فولادی در بتن مسلح معمولی رواج دارد و فولاد در مقابل خوردگی به وسیله محیط قلیایی بتن محافظت می‌شود؛ اما خیلی از سازه‌ها مانند سازه‌های دریایی، پل‌ها و پارکینگ‌ها که در محیط‌های مهاجم هستند، ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی، محیط قلیایی بتن را کاهش می‌دهد و سبب خوردگی فولاد می‌شود. به همین خاطر امروزه از میلگردهای ساخته شده با مواد پلیمری FRP در این سازه‌ها به کار برده می‌شود.

به دلیل رفتار غیر شکل‌پذیر میلگردهای اف ار پی موارد استفاده این میلگردها محدود به سازه‌های می‌شود که مهم‌ترین مشکل آن‌ها خوردگی یا مشکلات الکترومغناطیسی است. میلگردهای فولادی دارای رفتاری تقریباً همسانگرد هستند؛ ولی میلگردهای FRP در بتن تأثیر می‌گذارد. همچنین مصالح FRP برخلاف مصالح فولادی رفتار الاستیک خطی از خود نشان می‌دهند.

نکته

کابل، نوار، تاندون‌های پیش تنیدگی FRP کابل‌های FRP محصولات شبیه میلگرد FRP، ولی به صورت انعطاف پذیر هستند که در سازه‌های کابلی و بتنی پیش‌ تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد فراوان دارند. این محصولات در اجزای پیش تنیده در مجاورت آب نیز به کار گرفته می‌شوند.

شبکه کامپوزیتی اف آر پی

شبکه کامپوزیتی FRP از دیگر محصولات کامپوزیتی است که از برخورد میله‌های اف ار پی در دو یا سه جهت ایجاد می‌شوند. این محصولات شبکه کامپوزیتی (Nefmac) از فیبرهای کربن، شیشه، آرمید، رزین اپوکسی، وینیل استر و یا پلی استر تولید می‌شوند و برای مسلح کردن بتن مناسب هستند. گریتینگ FRP نیز که به روش سیستم قالبی (Modled) یا حرارتی تولید می‌شود که صنایع و اکثر کارخانجات دارای مواد خورنده کاربرد دارند.

پروفیل‌های ساختمانی اف آر پی

پروفیل‌های ساختمانی FRP در اشکال I، T، نبشی و ناودانی و به روش پالتروژن تولید می‌شوند. در این روش دسته‌هایی از فیبر یا رشته‌های FRP پس از آغشته شدن با رزین از یک قالب عبور کرده و در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می‌آورند. از مزایای روش پالتروژن، چند منظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف است. به عبارتی صرفاً با تغییر قالب دستگاه می‌توان علاوه بر محصولاتی که در صنعت ساختمان کاربرد دارد، همانند انواع میلگردها و آرماتورهای اف ار پی، محصولات گوناگون دیگری در حوزه‌های مختلف از جمله تسمه‌های ماشین نساجی، ریل‌ها، محافظ اتوبان‌ها یا گاردریل، چارچوب پنجره‌ها و درها، تیرهای با مقطعی به شکل I، نبشی‌ها و غیره تولید کرد.

کاربرد FRP چیست؟

پروفیل‌ها، ورق‌ها، میلگردها و کابل‌های اف آر پی کاربردهای زیادی در صنایع مختلف به ویژه در صنعت ساختمان کاربرد دارد. در ادامه به برخی از کاربردهای آن در صنعت ساختمان به اختصار اشاره شده است.

• تقویت مخازن فولادی و بتنی
• تقویت سازه‌های ساحلی و دریایی
• تقویت سازه‌های مقاوم در برابر انفجار
• تقویت تیر و ستون‌های چوبی
• تقویت دودکش‌های بتن آرمه با مصالح بنایی
• تقویت دیوارهای بتن آرمه
• تقویت دیوار تونل‌ها
• تقویت لوله‌های بتنی یا فولادی
• تقویت دیوارهای آجری و مصالح سنتی
• ساخت دیوارهای ساحلی
• سقف‌های پشت‌بام‌های صنعتی
• نشیمنگاه تجهیزات راکتورها
• سیستم دال کف در محیط‌های خورنده شیمیایی
• مرمت و تقویت سازه‌های مهمی چون بیمارستان‌ها آثار باستانی و غیره
• افزایش ظرفیت باربری و شکل پذیری ستون‌ها، تیرها، دال‌ها و اتصالات بتن آرمه
• محصولات اف آر پی در موارد متنوعی مصرف شده‌اند که بارزترین آن‌ها استفاده در مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی است.

مزایا و معایب الیاف FRP چیست؟

هر متریال ساختمانی چه از بتن و فولاد گرفته تا آجر، سیمان و انواع متریال مدرن، همگی دارای مزایا و معایب خود در محیط‌های مختلف هستند که الیاف اف آر پی از آن مستثنا نیست. توصیه می‌شود از این ویژگی‌ها در استفاده از متریال ساختمانی مختلف در محیط‌های مناسب آن در نظر گرفته شود. در ادامه به چند برتری و عیب الیاف FRP در صنعت اشاره شده است.

مزایای الیاف FRP

از ویژگی‌های اصلی کامپوزیت‌های پلیمری می‌توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی، سادگی اجرا در محل نصب و سبکی آن را برشمرد. مقاومت کششی (تا ۷ برابر فولاد)، مقاومت فشاری بالا و قابلیت نارسایی الکتریکی، مقاومت در برابر خوردگی، مدول الاستیسیته قابل قبول، وزن کم،‌ مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش،‌ عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن نیز از برتری‌های الیاف FRP است.

معایب الیاف FRP

از معایب یا ضعف‌های الیاف FRP نیز می‌توان به مقاومت کم آن در برابر امواج ماورا بنفش (UV) خورشید، مقاومت کم در محیط‌های قلیایی در انواع الیاف FRP که در تهیه آن‌ها از الیاف شیشه استفاده شده است (شیشه در محیط‌های قلیایی خرده می‌شود)، همچنین کاهش مقاومت و تخریب ماتریکس پلیمری در محیط‌های با دمای بالا و رطوبت زیاد نیز از جمله معایب الیاف FRP است.

سخن آخر

الیاف FRP همانطور که گفته شد، یک متریال مدرن ساختمانی است که از ترکیب الیافی مانند فیبر کربن، فیبر شیشه و مواد پلیمری پر کننده مانند رزین، پلی استر و … پر می‌شوند و در اشکال مختلفی مانند ورق، پروفیل، میلگرد، کابل و … تولید می‌شوند.