الیاف ها و الیاف پلیمری
استفاده از پلیمرها در صنعت بتن:
نوع جامد: در حالت استفاده جامد، محصولات پلیمری اکثرا با فولاد جایگزین می شوند و عمل مسلح کردن بتن را انجام می دهند:
مسلح کردن بتن با الیاف (بتن الیافی)، مسلح کردن پلاستیک با الیاف و استفاده از آن در سازه های بتنی.
نوع غیر جامد: با تزریق و ترکیب پلیمرهای پودری و مایع کیفیت و دوام بتن بهبود می یابد:
بتن پلیمری، مواد افزودنی حباب هوا ساز، روان کننده و …
پلیمرها و پلاستیک ها بر اساس خواص فیزیکی شان به سه گروه تقسیم می شوند:
- گروه الاستومر: دارای قابلیت انبساط طولی زیاد تا 100 درصد، مدول الاستیسیته نسبتا کم، در دمای پایین شکننده.
- گروه پلاستومر: دارای مدول الاستیسیته بالا و قابلیت انبساط طولی زیاد، در اثر کشش 100 تا200 درصد افزایش طول دارد، به سه دسته تقسیم می شوند:
- گروه ترموپلاستیک ها: در اثر حرارت به حالت مذاب در می آیند و پس از سرد شدن خواص فیزیکی خود را حفظ می کنند: پلی اتیلن، پلی استر، نایلون و PVC .
- گروه ترموستینگ ها : در اثر حرارت سخت می شوند، زنجیره های مولکول های آن دارای اتصال جانبی می باشند، فرم الدئید، پلی استر، سیلیکن و اپوکسی رزین ها.
- گروه ترمواستیبل ها : موادی که در اثر گرما نرم نشده و خواص فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ می کنند.
- گروه پلی تترافلوئورواتیلن.
مهمترین فواید استفاده از پلیمرها در سازه های بتنی :
- کاهش وزن سازه
- استهلاک نیروهای افقی زلزله
مسلح کردن پلیمرها با الیاف و استفاده از آن در سازه ها (FRP):
FRP ها، پلیمرهای مسلح شده به انواع الیاف(شیشه، کربن، آرامید) در مقادیر مختلف می باشد. الیاف مسلح شده با پلیمر، اولین بار در صنعت خودروسازی و صنعت هوانوردی مورد استفاده قرار گرفته اند. امروزه استفاده از پلیمرهای مسلح شده در سازه های بتنی پیش تنیده و بتن آرمه بسیار مورد توجه قرار گرفته و به عنوان یک جانشین برای مسلح کردن بتن آرمه مطرح است.
- پلیمر مسلح به الیاف، آرماتورهایی را به دست می دهد که سبکتر بوده و نصب آنها ساده تر و دوام آنها بیشتر است و تحت اثر خوردگی های متداول در فولاد قرار نمی گیرد.
- FRP ها از الیاف مصنوعی یا طبیعی با مقاومت بالا که معمولا بوسیله یک پلیمر (رزین، اپوکسی،… ) به هم چسبیده می شوند، تشکیل می شوند و به شکل های میلگرد، شبکه و طناب برای مسلح نمودن و یا پیش تنیده نمودن مورد استفاده قرار می گیرند.
انواع FRP های بافته شده :
اپوکسی با الیاف شیشه ای و یا کربنی یکطرفه (جهت افزایش استحکام و مقاومت الیاف بصورت یکطرفه دوخته شده است). ماتریس پلیمر اپوکسی با الیاف شیشه ای دو طرفه (الیاف شیشه ای با زاویه +45 و -45 و 0-90 درجه جاگذاری شده اند). ماتریس پلیمر اپوکسی با الیاف آرامید دو طرفه (الیاف آرامید با زاویه 0-90 درجه جاگذاری شده اند).
کاربرد FRP ها:
- در سازه های بتنی که نیاز به تعمیر و تقویت دارند،
- اشتباه در طراحی،
- جزئیات نامناسب در تقویت کننده های فولادی خمشی و برشی،
- ضعف در اجرای سازه ها،
- تغییر در کاربری،
بیشتر مقاومت در برابر نیروهای وارده در سیستم کامپوزیت FRP ها از طرف الیاف صورت می گیرد.
بطور کلی الیاف ها 30-75% حجم FRP ها راتشکیل می دهند.
فاکتورهای تاثیر گذار در مناسب بودن الیاف :
- مقاومت
- سختی
- مشابه بودن مقاومت الیاف ها
- مشابه بودن اندازه الیاف ها
- شرایط محیط و پایداری
- قیمت
- قابلیت دسترسی
الیاف شیشه : الیافهایی با قطر 3 تا 25 میکرون، بدست آمده از کشش سریع و مداوم شیشه مذاب
- ارزانترین الیاف ها
- مورد استفاده بسیار معمول
انواع الیاف شیشه: E-glass R-glass, AR-glass,
E-glass: شیشه های آلومینا- كلسیم- بروسیلیكات باحداكثر درصد وزنی قلیایی 2 ،% برای مصارف عمومی و مقاومت الكتریكی بالا،
R-glass: شیشه های كلسیم- آلومینوسیلیكات كه برای تقویت و افزایش مقاومت و مقاومت در برابر خوردگی اسید كاربرد دارند.
AR-glass: شیشه های قلیایی پایدار با تركیب سیلیكات زیركونیوم مقاوم در برابر بازها که در بتن کاریرد دارد.
انواع خصوصیات الیاف های پر مقاومت
الیاف شیشه:
- مقاومت بالا، مدول الاستیسیته متوسط، درجه تراکم متوسط و رسانایی حرارتی کم.
- در مقایسه با الیاف آرامید و کربن پایداری و مقاومت خستگی کمتر دارند.
- بیشتر در جاهایی که تغییر شکل و وزن مطرح نیست مورد استفاده قرار می گیرد) دارای وزن زیادتری از الیاف کربنی و مدول الاستسیته کمتری می باشند.
الیاف کربنی:
- مقاومت و مدول الاستیسیته بالایی دارند،
- در انواع مختلف از نقطه نظر مدول الاستیسیته موجود می باشند،
- دارای تراکم کم می باشند،
- پایداری زیادی در برابر تغییرات شرایط جوی دارند،
- در برابر خزش مقاومت بسیار زیادی دارند،
- در برابر دماهای زیاد پایدارترند،
- بیشتر در جاهایی که وزن و مدول الاستیسیته مطرح است مورد استفاده قرار می گیرند.
الیاف آرامید:
- از یک ماده مرکب به نام پلی آمید آروماتیک در یک فرآیند کشش همراه با حرارت بدست می آید.
- مقاومت کششی بالا، مدول الاستیسیته متوسط و تراکم کم
- نسبت مقاومت به وزن بیشتر از الیاف کربنی
- حساسیت کمتر به ضربه و سایش
- در مقابل اشعه فرابنفش و رطوبت بعضی از خصوصیات آن تغییر می کند
- در مقابل خزش و دماهای بالا بسیار ضعیف عمل می کنند.
الیاف بازالت:
- از لایه های زیر زمینی آتشفشانی بدست می آید،
- قیمت کمتری نسبت به انواع دیگر الیاف دارند،
- پایداری و مقاومت خوبی دارند،
- مقاومت خوبی در برابر دماهای بالا دارند،
- مقاومت سایشی خوبی دارند.
اگر چه گفته شد که مقاومت و سختی کامپوزیت های FRP بیشتر مربوط به خصوصیات الیاف های تشکیل دهنده آن می باشد، ولی بطور کلی خصوصیات الیاف ها از موارد زیر نشات می گیرد:
- خصوصیات مکانیکی ماتریس،
- خصوصیات مکانیکی الیاف،
- نسبت حجم بکار رفته از الیاف به کل،
- سطح مقطع الیاف،
- زاویه الیاف ها در درون ماتریس،
- فعل و انفعال بین ماتریس و الیاف،
- روشهای ساخت.
