میلگرد CFRP چیست؟

میلگرد CFRP | الیاف کربن یکی از موادی است که به دلیل خواص منحصر به فرد خود مانند نسبت مقاومت به وزن بالا، در صنایع مختلف مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. فیبر کربن یا cfrp یکی از گزینه‌هایی است که در هر جایی که به مواد سبک و قوی نیاز باشد، نیاز است. در این مقاله به بررسی مزایا و معایب فیبر کربن و کاربرد آن در مهندسی ساختمان خواهیم پرداخت.

تقویت cfrp

هر ساله میلیون ها دلار در سراسر جهان برای حل مشکل خوردگی فولاد مورد استفاده در بتن مسلح هزینه می شود. تخریب سازه های فولادی یکی از راه حل های انتخاب شده به دلیل خوردگی فولاد است. تنها در ایالات متحده، هزینه تعمیر پل های بزرگراه در دهه 1990 حدود 50 میلیارد دلار برآورد شد. در اروپا، مسائل مربوط به خوردگی فولاد در سازه های بتنی 1.5 میلیارد دلار در سال هزینه دارد. این یک واقعیت است که فولاد یکی از مواد متداول و متعارف برای تقویت بتن در سازه های بتنی است، اما با هزینه های خوردگی بسیار بالا، مهندسان سازه باید به دنبال جایگزین هایی برای فولاد باشند.

در دو دهه اخیر، استفاده از مواد کامپوزیت معروف به پلیمر تقویت شده با الیاف (FRP) در سازه های بتنی به شدت افزایش یافته است. frp هم برای تقویت سازه های جدید و هم برای تقویت سازه های موجود استفاده می شود. frp شامل تعداد زیادی الیاف است که می تواند شیشه، آرامید، کربن یا مواد دیگری باشد که در یک ساختار ماتریس رزین با نسبت های مختلف تعبیه شده اند.

برخلاف فولاد، هیچ استاندارد و دستورالعمل خاصی برای تولید FRP وجود ندارد. در نتیجه، هر FRP تولید شده دارای تفاوت های قابل توجهی در خصوصیات با محصولات تولید کنندگان دیگر است. کامپوزیت frp را می توان به صورت میلگرد، صفحه یا شبکه و سیم تولید کرد. برای بتن پیش تنیده، استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن (cfrp) به دلیل استحکام و مدول محوری بالا در مقایسه با شیشه یا آرامید، رایج تر است.

پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن cfrp

پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن که در صنعت فیبر کربن یا کامپوزیت کربن نیز نامیده می شوند، مواد بسیار قوی و سبکی هستند که حاوی الیاف کربن هستند. ساخت CFRP گران است اما در مواردی استفاده می شود که نسبت مقاومت به وزن بالا و همچنین سختی بالا مورد نیاز است. از جمله کاربردهای cfrp می توان به استفاده از هوانوردی، خودروسازی، کشتی سازی، عمران، تجهیزات ورزشی و بسیاری از کاربردهای فنی و تخصصی دیگر اشاره کرد.

میلگردها یا رشته های frp

آنچه استفاده از frp را برای مهندسین سازه جذاب می کند، استحکام کششی بسیار بالای این محصول نسبت به فولاد (4 برابر فولاد) است. از سوی دیگر وزن سبک frp (20 درصد فولاد)، مقاومت در برابر خوردگی، مغناطیسی نبودن و عدم حساسیت به الکتریسیته از دیگر ویژگی های بارز frp است. در مقایسه با فولاد، مواد FRP نسبت استحکام به وزن بالاتر، نسبت سختی به وزن بالاتر، هزینه های نگهداری کمتر و هزینه اولیه بالاتری دارند. با توجه به استحکام و مدول الاستیسیته، نمودار تنش-کرنش برای انواع مختلف FRP و فولاد در نمودار زیر قابل مشاهده است.

علیرغم تمام مزایای FRP ها، معایبی نیز دارند. از نقاط ضعف آنها می توان به ضعف شدید آنها در جهت عرضی اشاره کرد. استحکام کششی عرضی در frp تنها 2 تا 4 درصد مقاومت کششی طولی است. بر خلاف فولاد، FRP یک ماده غیر همسانگرد است و یکی از مشکلات این مواد در مهندسی عمران، مشکل خرد شدن به ویژه در بتن پیش تنیده است. از نظر رفتار خمشی اجزای سازه، رفتار الاستیک خطی frps تا زمان وقوع شکست باعث کاهش قابلیت چکش‌کاری می‌شود که در نتیجه باعث کاهش عملکرد عناصر بتنی می‌شود.

یکی دیگر از معایب FRP در مقایسه با فولاد هزینه اولیه آن است. در جدول شماره 1 برخی از ویژگی های رایج فولاد پیش تنیده cfrp، gfrp، afrp و درجه 270 مقایسه شده است.

سیستم مهار frp

یکی از پارامترهایی که باعث کاهش استفاده از مواد FRP برای تقویت بتن شده است، سختی آن در محصور کردن است. صرف نظر از اینکه سیستم بتن پیش تنیده یا پس تنیده باشد، frps باید برای عملیات پیش تنیدگی حفظ شود.

بر اساس اطلاعات به دست آمده، هنوز یک سیستم مهار مناسب برای frp که بتوان در عمل از آن استفاده کرد، ایجاد نشده است. اگرچه مطالعات زیادی بر روی سیستم های مهار انواع مختلف frps انجام شده و در برخی از آنها به این نتیجه رسیده است که مهار مورد استفاده کارایی لازم را دارد، اما در عمل نمی توان از آن سیستم استفاده کرد. دلیل این امر این است که عملکرد سیستم مورد استفاده تا حد زیادی به خواص FRP بستگی دارد و مشخص است که FRP تولید شده توسط سازندگان مختلف دارای خواص مکانیکی متفاوتی است.

حتی ویژگی های frps ساخته شده توسط همان سازنده نیز تفاوت های قابل توجهی دارند. از آنجایی که FRP ها در جهت عرضی بسیار ضعیف هستند، دستیابی به یک سیستم مهاری که به رشته های FRP توسط نیروی محوری آسیب نرساند دشوار است. اگرچه در برخی از مطالعات استفاده از مهارهای مکانیکی به دلیل سادگی توصیه می شود، اما سیستم های مهار نوع باندی برای جلوگیری از تمرکز تنش و همچنین انتقال یکنواخت و ایمن نیرو از مهار به رشته های frp بیشتر توصیه می شود.

سخن نهایی

یکی از محدودیت های استفاده از محصولات ساخته شده از cfrp در صنعت، قیمت بالای آن است. در حال حاضر، هر کیلوگرم فیبر کربن با مدول کششی 242 gpa حدود 15 دلار قیمت دارد. یعنی حدود ده برابر فولاد ضد زنگ و آلومینیوم.

با این حال، با توجه به این واقعیت که تقاضا برای cfrps در حال افزایش است، پیشرفت خوبی در توسعه فرآیندهای تولید مقرون به صرفه این ماده حاصل شده است. یکی از روش های پیشنهادی استفاده از پلیمر لیگنین در ساخت CFRP است. این پلیمر دارای مزایای بسیاری از جمله هزینه تولید پایین، فراوانی و قابلیت بازیافت است.

اگرچه خواص مکانیکی الیاف کربن اندود شده هنوز در مقایسه با الیاف کربن معمولی ضعیف‌تر است، اما تحقیقات نشان می‌دهد که با شناسایی انواع مناسب‌تر از الیاف کربن می‌توان بر این ضعف‌ها غلبه کرد.