مقاله كاربرد كامپوزیتهای FRP در سازههای بتن آرمه و بررسی دوام آنها دارای 36 صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد مقاله كاربرد كامپوزیتهای FRP در سازههای بتن آرمه و بررسی دوام آنها کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
توجه : در صورت مشاهده بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله كاربرد كامپوزیتهای FRP در سازههای بتن آرمه و بررسی دوام آنها،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد
كاربرد كامپوزیتهای FRP در سازههای بتن آرمه و بررسی دوام آنها
خلاصه
خوردگی قطعات فولادی در سازههای مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهای فولادی در سازههای بتن آرمه ای كه در معرض محیطهای خورنده كلروری و كربناتی قرار دارند، یك مساله بسیار اساسی تلقی میشود. در محیطهای دریایی و مرطوب وقتی كه یك سازه بتنآرمه معمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمكها، اسیدها و كلرورها قرار گیرد، میلگردها به دلیل آسیب دیدگی و خوردگی، قسمتی از ظرفیت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهای زنگ زده بر پوسته بیرونی بتن فشار میآورد كه به خرد شدن و ریختن آن منتهی میشود. تعمیر و جایگزینی اجزاء فولادی آسیب دیده و نیز سازه بتن آرمهای كه به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است، میلیونها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار آورده است.
به همین دلیل سعی شده كه تدابیر ویژهای جهت جلوگیری از خوردگی اجزاء فولادی و میلگردهای فولادی در بتن اتخاذ گردد كه از جمله میتوان به حفاظت كاتدیك اشاره نمود. با این وجود برای حذف كامل این مساله، توجه ویژه ای به جانشینی كامل اجزاء و میلگردهای فولادی با یك ماده جدید مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. از آنجا كه كامپوزیتهای FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در مقابل محیطهای قلیایی و نمكی مقاوم هستند كه در دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گستردهای جهت جایگزینی كامل با قطعات و میلگردهای فولادی بودهاند. چنین جایگزینی بخصوص در محیطهای خورنده نظیر محیطهای دریایی و ساحلی بسیار مناسب به نظر میرسد. در این مقاله مروری بر خواص، مزایا و معایب مصالح كامپوزیتی FRP صورت گرفته و قابلیبت كاربرد آنها به عنوان جانشین كامل فولاد در سازههای مجاور آب و بخصوص در سازه بتن آرمه، به جهت حصول یك سازه كاملاً مقاوم در مقابل خوردگی، مورد بحث قرار خواهد گرفت.
1 – مقدمه
بسیاری از سازههای بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، كلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیبهای اساسی شدهاند. این مساله هزینههای زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازههای آسیب دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یك مساله مهندسی، بلكه به عنوان یك مساله اجتماعی جدی تلقی شده است ]1[. تعمیر و جایگزینی سازههای بتنی آسیبدیده میلیونها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریكا، بیش از 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند ]2[. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازههای پاركینگ در كانادا، 4 تا 6 میلیارد دلار كانادا تخمین زده شده است ]3[. هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در امریكا در حدود 50 میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیكه برای بازسازی كلیه سازههای بتن آرمه آسیبدیده در امریكا در اثر مساله خوردگی میلگردها، پیشبینی شده كه به بودجه نجومی 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است ]3[ !
از مواردی كه سازههای بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار میگرفته، كاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیطهای دریایی بوده است. تاریخچه كاربرد بتن آرمه و بتن پیشتنیده در كارهای دریایی به سال 1896 بر میگردد ]4[. دلیل عمده این مساله، خواص ذاتی بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابلیت كاربرد آن چه در بتنریزی در جا و چه در بتن پیشتنیده بوده است. با این وجود شرایط آب و هوایی و محیطی خشن و خورنده اطراف سازههای ساحلی و دریایی همواره به عنوان یك تهدید جدی برای اعضاء بتن آرمه محسوب گردیده است. در محیطهای ساحلی و دریایی، خاك، آب زیرزمینی و هوا، اكثراً حاوی مقادیر زیادی از نمكها شامل تركیبات سولفور و كلرید هستند.
در یك محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، كه بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجه حرارتهای بالا و نیز رطوبتهای بالا همراه شده كه نتیجتاً خوردگی در فولادهای به كار رفته در بتن آرمه كاملاً تشدید میشود. در مناطق ساحلی خلیج فارس، در تابستان درجه حرارت از 20 تا 50 درجه سانتیگراد تغییر میكند، در حالیكه گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از 30 درجه سانتیگراد متغیر است. این در حالی است كه رطوبت نسبی اغلب بالای 60 درصد بوده و بعضاً نزدیك به 100 درصد است. به علاوه هوای مجاور تمركز بالایی از دیاكسید گوگرد و ذرات نمك دارد [5]. به همین جهت است كه از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یكی از مخربترین محیطها برای بتن در دنیا یاد شده است [6]. در چنین شرایط، تركها و ریزتركهای متعددی در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد شده، كه این مساله به نوبه خود، نفوذ كلریدها و سولفاتهای مهاجم را به داخل بتن تشدید كرده، و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم میآورد [7-9]. به همین جهت بسیاری از سازههای بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحل بندرعباس، در كمتر از 5 سال از نظر سازهای غیر قابل استفاده گردیدهاند.
نظیر این مساله برای بسیاری از سازههای در مجاورت آب، كه در محیط دریایی و ساحلی قرار ندارند نیز وجود دارد. پایههای پل، آبگیرها، سدها و كانالهای بتن آرمه نیز از این مورد مستثنی نبوده و اغلب به دلیل وجود یون سولفات و كلرید، از خوردگی فولاد رنج میبرند.
2 – راه حل مساله
تكنیكهایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است كه از بین آنها میتوان به پوشش اپوكسی بر قطعات فولادی و میلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت كاتدیك میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یك از این تكنیكها فقط تا حدودی موفق بوده است [10]. برای حذف كامل مساله، توجه محققین به جانشین كردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده است.
مواد كامپوزیتی (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادی بسیار مقاوم در مقابل محیطهای خورنده همچون محیطهای نمكی و قلیایی هستند. به همین دلیل امروزه كامپوزیتهای FRP، موضوع تحقیقات توسعهای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهای فولادی و كابلهای پیشتنیدگی شدهاند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازههای در مجاورت آب و بالاخص در محیطهای دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفتهاند.
3 – ساختار مصالح FRP
مواد FRP از دو جزء اساسی تشكیل میشوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها كه اصولاً الاستیك، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب میشوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده 5 تا 25 میكرون میباشد [11].
رزین اصولاً به عنوان یك محیط چسباننده عمل میكند، كه فایبرها را در كنار یكدیگر نگاه میدارد. با این وجود، ماتریسهای با مقاومت كم به صورت چشمگیر بر خواص مكانیكی كامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمیگذارند. ماتریس (رزین) را میتوان از مخلوطهای ترموست و یا ترموپلاستیك انتخاب كرد. ماتریسهای ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمیآیند؛ در حالیكه رزینهای ترموپلاستیك را میتوان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزینهای ترموست میتوان از پلیاستر، وینیلاستر و اپوكسی، و به عنوان رزینهای ترموپلاستیك از پلیوینیل كلرید (PVC)، پلیاتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد [3].
فایبر ممكن است از شیشه، كربن، آرامید و یا وینیلون باشد كه در اینصورت محصولات كامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته میشود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از فایبرهای متداول ارائه خواهد شد.
3-1- الیاف شیشه
فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقهبندی میشوند [10]؛
1 – E-Glass: متداول ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی كم، كه در صنعت ساختمان به كار میرود، (با مدول الاستیسیته ، مقاومت نهایی ، و كرنش نهایی ).
2 – Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حمله قلیائیها، كه در تولید بتن الیافی به كار گرفته میشود.
3 – A-Glass: با مقادیر زیاد قلیایی كه امروزه تقریباً از رده خارج شده است.
4 – S-Glass: كه در تكنولوژی هوا-فضا و تحقیقات فضایی به كار گرفته میشود و مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی دارد، ( و ).
3-2- الیاف كربن
الیاف كربن در دو دسته طبقهبندی میشوند؛
1- الیاف كربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I كه تردترین آنها با بالاترین مدول الاستیسیته محسوب میشود. ( و ). تیپ II كه مقاومترین الیاف كربن است ( و )؛ و نهایتاً تیپ III كه نرمترین نوع الیاف كربنی با مقاومتی بین تیپ I و IIمیباشد.
2 – الیاف با اساس قیری(Pitch-based) كه اساساً از تقطیر زغال سنگ بدست میآیند. این الیاف از الیافPAN ارزانتر بوده و مقاومت و مدول الاستیسیته كمتری نسبت به آنها دارند ( و ).
لازم به ذكر است كه الیاف كربن مقاومت بسیار خوبی در مقابل محیطهای قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی كاملاً پایدار هستند.
3-3- الیاف آرامید
آرامید،یك كلمه اختصاری از آروماتیك پلیآمید است [12].آرامیداساساً الیاف ساخته دست بشر است كه برای اولین بار توسط شركت DuPont در آلمان تحت نام كولار (Kevlar) تولید شد.چهارنوع كولار وجود دارد كه از بین آنها كولار 49 برای مسلح كردن بتن، طراحی و تولید شده و مشخصات مكانیكی آن بدین قرار است: و .
4- انواع محصولات FRP
1- میله های كامپوزیتی: میلههای ساخته شده از كامپوزیتهای FRPهستند كه جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. كاربرد این میلهها به دلیل عدم خوردگی، مساله كربناسیون و كلراسیون را كه از جمله مهمترین عوامل مخرب در سازههای بتن آرمه هستند، به كلی حل خواهند نمود.
2- شبكههای كامپوزیتی: شبكههای كامپوزیتی FRP (Grids) محصولاتی هستند كه از برخورد میلههای FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد میشوند. نمونهای از این محصول، شبكه كامپوزیتی NEFMAC است كه از فایبرهای كربن، شیشه یا آرامید و رزین وینیل استر تولید میشود و منجمله برای مسلح كردن بتن مناسب است.
3- كابل، طناب و تاندنهای پیشتنیدگی: محصولاتی شبیه میلههای كامپوزیتی FRP، ولی به صورت انعطافپذیر هستند، كه در سازههای كابلی و بتن پیش تنیده در محیطهای دریایی و خورنده كاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیشتنیده در مجاورت آب نیز بكار گرفته میشوند.
4- ورقههای كامپوزیتی: ورقههای كامپوزیتی Sheets) FRP)، ورقههای با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقهها با چسبهای مستحكم و مناسب به سطح بتن چسبانده میشوند. ورقههای FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله كردن سازههای آبی از محیط خورنده مجاور هستند. همچنین از ورقههای كامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازههای آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یوندار) استفاده میشوند.
5- پروفیلهای ساختمانی: مصالح FRP همچنین در شكل پروفیلهای ساختمانی به صورت I شكل، T شكل، نبشی و ناودانی تولید میشوند. چنین محصولاتی میتوانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازههای فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.
5– میلههای كامپوزیتی FRP
در حال حاضر، تولیدكنندگان مختلفی در دنیا میلههای كامپوزیتی FRP را تولید و عرضه میكنند. بعضی از انواع مشهور تولیدات میلگردهای FRP كه به آسانی در بازار دنیا یافت میشوند، به قرار زیر هستند [10-13]؛
1 – پ: این محصول توسط كمپانی شیمیایی میتسوبیشی ژاپن از الیاف كربن با اساس قیری تولید میشوند. خصوصیات مكانیكی این نوع میلگرد كامپوزیتی عبارت است از: و . این میلهها كه از جنس CFRP هستند، به شكل مدور در قطرهای 1 تا 17 میلیمتر به صورت صاف، و در قطرهای 5 تا 17 میلیمتر به صورت آجدار تولید میشوند.
2 – FiBRA-Rod: این محصول توسط كمپانی میتسوی ژاپن و از كولار 49 تولید میشود. خصوصیات مكانیكی این میلههای كامپوزیتی AFRP، بدین قرار است: و .
3 – TECHNORA: این محصول توسط شركت تیجین (Teijin) ژاپن و از آرامید تولید شد و خواص مكانیكی آن عبارت است از: و .
4 – CFCC: این محصول،كابل كامپوزیتی CFRP بوده و توسط شركت توكیوروپ(Tokyo Rope) از فایبرهای كربنیPAN تولید میشود. این محصول در قطرهای 3 تا 40 میلیمتر و با مقاومت 10 تا kN 1100تولید میشود.
5 – ISOROD : این محصول توسط شركت پولترال (Pultrall Inc. of Thetford Mines) در ایالت كبك از كانادا تولید میشود. این محصول از فایبرهای شیشه و رزین پلیاستر تولید شده و مشخصات مكانیكی آن بدین قرار است: .
6 – C-Bar: این محصول توسط شركت كامپوزیتهای صنعتی مارشال در جكسون ویل از ایالت فلوریدا در امریكا تولید میشود. این محصول از فایبرهای شیشه كه در رزین وینیل استر قرار گرفته، تولید میشود. مشخصات مكانیكی C-Bar بدین قرار است: .
توجه شود كه امروزه تولید میلههای كامپوزیتی یك زمینهء نو در دنیا محسوب شده و به همین دلیل، متناوباً شركتهای جدید تولید كننده در دنیا ایجاد میشود. به همین دلیل در این قسمت فقط مروری بر بعضی از این محصولات انجام گردید.
6 – مشخصات اساسی محصولات كامپوزیتی FRP
6-1- مقاومت در مقابل خوردگی
بدون شك برجستهترین و اساسیترین خاصیت محصولات كامپوزیتیFRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است. در حقیقت این خاصیت ماده FRP تنها دلیل نامزد كردن آنها به عنوان یك گزینه جانشین برای اجزاء فولادی و نیز میلگردهای فولادی است. به خصوص در سازههای بندری، ساحلی و دریایی، مقاومت خوب كامپوزیت FRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصه میلگردهای FRP است [14]. در قسمت 7، به صورت مفصل در مورد دوام كامپوزیتهای FRP بحث خواهد شد.
6-2- مقاومت
مصالح FRPمعمولاً مقاومت كششی بسیار بالایی دارند، كه از مقاومت كششی فولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت كششی بالای میلگردهای FRP كاربرد آنها را برای سازههای بتن آرمه، خصوصاً برای سازههای پیشتنیده بسیار مناسب نموده است. مقاومت كششی مصالح FRP اساساً به مقاومت كششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای بكار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت كششی محصولات FRP برای میلههای با الیاف كربن 1100 تا MPa2200، برای میلههای با الیاف شیشه 900 تا MPa1100، و برای میلههای با الیاف آرامید 1350 تا MPa 1650 گزارش شده است [15]. با این وجود، برای بعضی از این محصولات، حتی مقاومتهای بالاتر از MPa 3000 نیز گزارش شده است. توجه شود كه بطور كلی مقاومت فشاری میلههای كامپوزیتی FRP از مقاومت كششی آنها كمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاری محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت كششی آنها MPa700 است [3].
6-3- مدول الاستیسیته
مدول الاستیسیته محصولات FRP اكثراً در محدوده قابل قبولی قرار دارد؛ اگر چه اصولاً كمتر از مدول الاستیسیته فولاد است. مدول الاستیسیته میلههای كامپوزیتی FRP ساخته شده از الیاف كربن، شیشه و آرامید به ترتیب در محدوده 100 تا GPa 150، GPa 45 و GPa 60 گزارش شده است [15].
6-4- وزن مخصوص
وزن مخصوص محصولات كامپوزیتی FRP به مراتب كمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص كامپوزیتهای CFRP یك سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در كامپوزیتهایFRP از مزایای عمده آنها در كاربردشان به عنوان مسلح كننده بتن محسوب میشود [14].
6-5- عایق بودن
مصالح FRP خاصیت عایق بودن بسیار عالی دارند. به بیان دیگر، این مواد از نظر مغناطیسی و الكتریكی خنثی بوده و عایق محسوب میشوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میلههای FRP در قسمتهایی از بیمارستان كه نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند، و در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی [16]، و همچنین در باند فرودگاهها و مراكز رادار بسیار سودمند خواهد بود.
6-6- خستگی
خستگی خاصیتی است كه در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممكن است به شكست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی كه در معرض سطوح بالایی از بارها و تنشهای تناوبی قرار دارند، منجر شود. در مقایسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنشهای كمتر از یك دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمیشوند [17].
6-7- خزش
پدیده گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد؛ با این وجود چنانچه كرنش ناشی از خزش جزء كوچكی از كرنش الاستیك باشد، عملاً مشكلی بوجود نمیآید. در مجموع، رفتار خزشی كامپوزیتها بسیار خوب است؛ به بیان دیگر، اكثر كامپوزیتهای در دسترس، دچار خزش نمی شوند [18].
6-8 – چسبندگی با بتن
خصوصیت چسبندگی، برای هر مادهای كه به عنوان مسلح كننده بتن بكار رود، بسیار مهم تلقی می شود. در مورد میله های كامپوزیتی FRP، اگر چه در بررسی بسیار اولیه، مقاومت چسبندگی ضعیفی برای كامپوزیتهای از الیاف شیشه گزارش شده بود، تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای میلههای كامپوزیتی FRP گزارش می كند.
6-9- خم شدن
چنانچه كامپوزیتهای FRP در بتن مسلح بكار گرفته شوند، به جهت مهار میلگردهای طولی، میلگردهای عرضی و تنگها، لازم است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم كردن میلههای FRP بسیار دشوارتر از خم كردن میلگردهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجود FRP، نمیتوان خم كردن را در كارگاه انجام داد. اگر چه در صورت لزوم، میتوان خم میلههای كامپوزیتی FRP را با سفارش آن به تولید كننده در كارگاه انجام داد.
6-10- انبساط حرارتی
خصوصیات انبساط حرارتی فولاد و بتن بسیار به هم نزدیك هستند؛ ضریب انبساط حرارتی این دو ماده به ترتیب: و میباشد. ضریب انبساط حرارتی میلههای FRP اغلب از بتن متفاوت است. به طور خلاصه ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP با الیاف كربن و شیشه به ترتیب برابر با و میباشد. بدترین حالت مربوط به آرامید است كه ضریب انبساط حرارتی آن منفی بوده و برابر با میباشد [19].
7- دوام كامپوزیتهای FRP
كامپوزیتهای FRP شاخه جدیدی از مصالح محسوب میشوند كه دوام آنها دلیل اصلی و اولیه برای كاربرد آنها در محدوده وسیعی از عناصر سازهای شده است. به همین جهت است كه از آنها نه تنها در صنعت ساختمان، بلكه در فضاپیما، بال هواپیما، درهای اتومبیل، مخازن محتوی گاز مایع، نردبان و حتی راكت تنیس نیز استفاده میشود. بنابراین از نقطه نظر مهندسی نه تنها مساله مقاومت و سختی، بلكه مساله دوام آنها تحت شرایط مورد انتظار، كاملاً مهم جلوه میكند.
مكانیزمهایی كه دوام كامپوزیتها را كنترل میكنند عبارتند از :
1) تغییرات شیمیایی یا فیزیكی ماتریس پلیمر
2) از دست رفتن چسبندگی بین فایبر و ماتریس
3) كاهش در مقاومت و سختی فایبر
محیط نقش كاملاً تعیین كنندهای در تغییر خواص پلیمرهای ماتریس كامپوزیت دارد. هر دوی ماتریس و فایبر ممكن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه كننده نظیر نمكها و قلیاییها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تكراری دما ممكن است به صورت سیكلهای یخزدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و فایبر باعث گردد. از طرفی تحت شرایط بارگذاری مكانیكی، بارهای تكراری ممكن است باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممكن است مساله خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعهای از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام كامپوزیتهای FRP را تحت تأثیر قرار میدهند.
7-1- پیر شدگی فیزیكی ماتریس پلیمر
نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یكی از جنبههای مهمی است كه در مساله دوام كامپوزیتها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیه ماتریس در كامپوزیت انتقال تنش بین فایبرها، محافظت از سطح فایبر در مقابل سائیدگی مكانیكی و ایجاد مانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزائی در انتقال تنش برشی در صفحه كامپوزیت ایفا میكند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمان تغییر دهد، باید تحت توجه خاص قرار گیرد. برای كلیه پلیمرها كاملاً طبیعی است كه تغییر فوقالعاده آهستهای در ساختار شیمیایی (مولكولی) خود داشته باشند. این تغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت كنترل میشود. این پروسه تحت نام پیرشدگی (Aging) نامیده میشود. تأثیرات پیر شدگی در اكثر كامپوزیتهای ترموست متداول، در مقایسه با كامپوزیتهای ترموپلاستیك، خفیفتر است. در اثر پیرشدگی فیزیكی، بعضی از پلیمرها ممكن است سختتر و تردتر شوند؛ نتیجه این مساله تأثیر بر خواص غالب ماتریس و منجمله رفتار برشی كامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اكثر موارد این تأثیرات بحرانی نیست؛ زیرا نهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق فایبرها رخ داده و تأثیرات پیرشدگی بر فایبرها فوقالعاده جزئی است.
7-2- تأثیر رطوبت
بسیاری از كامپوزیتهای با ماتریس پلیمری در مجاورت هوای مرطوب و یا محیطهای مرطوب، با جذب سطحی سریع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود میگیرند. معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزایش یافته و نهایتاً پس از چندین روز تماس با محیط مرطوب، به نقطه اشباع (تعادل) میرسد. زمانی كه طول میكشد تا كامپوزیت به نقطه اشباع برسد به ضخامت كامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد. خشك كردن كامپوزیت میتواند این روند را معكوس كند، اما ممكن است منجر به حصول كامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله كامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیك (Fick’s Law) تبعیت كرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل و فرج، نوع فایبر، نوع رزین، جهت و ساختار فایبر، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ریزتركها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت را به صورت مجزا بر اجزاء كامپوزیت مورد بحث قرار میدهیم.
الف- تأثیر رطوبت بر ماتریس پلیمری
جذب آب به توسط رزین ممكن است در مواردی بعضی از خصوصیات رزین را تغییر دهد. چنین تغییراتی عمدتاً در دمای بالای 120 درجه ممكن است اتفاق بیفتد و در اثر آن سختی كامپوزیت به شدت كاهش یابد؛ اگر چه چنین وضعیتی عمدتاً در مصارف كامپوزیتها در مهندسی عمران و به خصوص در سازههای در مجاورت آب، كمتر پیش میآید و مورد توجه نیست. از طرفی جذب رطوبت یك تأثیر سودمند نیز بر كامپوزیت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزین شده كه این مساله به نوبه خود تنشهای پسماند بین ماتریس و فایبر را كه در اثر انقباض ضمن عملآوری كامپوزیت ایجاد شده، كاهش میدهد. این مساله باعث آزاد شدن تنشهای بین ماتریس و فایبر شده و ظرفیت باربری را افزایش میدهد. از طرفی گزارش شده است كه در كامپوزیتهایی كه به صورت نامناسب ساخته شدهاند، در اثر وجود حفرهها در سطح بین فایبر و ماتریس و یا در لایههای كامپوزیت، نفوذ آب در داخل حفرهها و یا در سطح مشترك فایبر و ماتریس ممكن است به سیلان رزین منجر شود [20]. این مساله را میتوان با انتخاب مناسب مواد رزین و یا آمادهسازی مناسب سطح فایبرها و نیز بهبود تكنیكهای ساخت، حذف نمود.
ب – تأثیر رطوبت بر فایبرها
اعتقاد عمومی بر آن است كه فایبرهای شیشه چنانچه به صورت طولانی مدت در كنار آب قرار گیرند، آسیب میبینند. دلیل این مساله آن است كه شیشه از سیلیكا ساخته شده كه در آن اكسیدهای فلزات قلیایی منتشر شدهاند. اكسیدهای فلزات قلیایی هم جاذب آب بوده و هم قابل هیدرولیز هستند. با این وجود، در اكثر موارد مصرف در مهندسی عمران، از E-glass و S-glass استفاده میشود كه فقط مقادیر كمی از اكسیدهای فلزات قلیایی را داشته و بنابراین در مقابل خطرات ناشی از تماس با آب، مقاوم هستند. در هر حال كامپوزیتهای ساخته شده از الیاف شیشه باید به خوبی ساخته شده باشند، بصورتیكه از نفوذ آب به مقدار زیاد جلوگیری كنند؛ زیرا حضور آب در سطح الیاف شیشه انرژی سطحی آنها را كاهش میدهد كه میتواند رشد تركخوردگی را افزایش دهد. از طرفی الیاف آرامید نیز میتوانند مقادیر قابل توجهی از آب را جذب كنند كه منجر به باد كردن و تورم آنها میشود. با این وجود اكثر الیاف با پوششی محافظت میشوند، كه پیوستگی خوب با ماتریس داشته و نیز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذكر است كه تحقیقات متعدد، نشان میدهد كه رطوبت هیچگونه تأثیرات سوء شناختهشدهای را بر الیاف كربن به دنبال ندارد [21].
ج- رفتار عمومی كامپوزیتهای اشباع شده با آب
كامپوزیتهای با آب اشباع شده معمولاً كمی افزایش شكلپذیری (Ductility) در اثر نرمشدگی Softening)) ماتریس از خود نشان میدهند. این مساله را میتوان یك جنبه سودمند از جذب آب در كامپوزیتهای پلیمری برشمرد. همچنین افت محدود مقاومت و مدول الاستیسیته میتواند در كامپوزیتهای با آب اشباع شده اتفاق بیفتد. چنین تغییراتی معمولاً برگشتپذیر بوده و بنابراین به محض خشك شدن كامپوزیت، ممكن است اثر خواص از دست رفته مجدداً جبران شود.
شایان توجه است كه افزایش فشار هیدرواستاتیك (مثلاً در مواردی كه كامپوزیتها در مصارف زیر آب و یا در كف دریا به كار میروند)، لزوماً به جذب آب بیشتر توسط كامپوزیت و افت خواص مكانیكی آن منجر نمیشوند. بدین ترتیب انتظار میرود كه اكثر سازههای پلیمری زیر آب، دوام بالایی داشته باشند. در حقیقت، تحت فشار هیدرواستاتیك، جذب آب به دلیل بسته شدن ریزتركها و ضایعات بین سطحی، كمی كاهش مییابد [22].
لازم به ذكر است كه جذب آب بر خواص عایق بودن كامپوزیتها اثر میگذارد. حضور آب آزاد در ریزتركها میتواند خاصیت عایق بودن كامپوزیت را به شدت كاهش دهد.
برای دریافت اینجا کلیک کنید
تعداد کل پیام ها : 0