کاربرد الیاف در صنعت ساختمان

پیچیدگی رفتار سازه ای در برابر بارهای تصادفی، سازه های بلند و سازه های خاص در محیط های دریایی و غیره موجب شده نگرش جدید در بکار بردن مواد و مصالح و فرآورده های جدید ساختمانی با رفتار و خواص متفاوت از آنچه تاکنون در ساخت سازه ها بکار می رفته است بوجود آید.

در این تحقیق به بررسی نقش انواع رزین ها، الیاف و مواد کامپوزیت در مقاوم سازی سازه های بتنی پرداخته شده است. تقویت کننده ها الزاماً به شکل الیاف بلند نیستند، بلکه ممکن است بشکل ذره، پولک، موی ‏‎(Whisker)‎‏ و الیاف غیرمداوم، الیاف مداوم و ورقه باشند. اکثر مواد در شکل لیفی خود محکمتر و سفت تر از دیگر اشکال هستند و به این دلیل تقویت کننده های لیفی مصرف بیشتری دارند. ‏

در دهه اخیر مواد کامپوزیتها، پیشرفت شایانی کرده اند این به دلیل ویژگیهای منحصر به فردی است که در این مواد به چشم می خورد. امکان بکارگیری کامپوزیتها در بسیاری از زمینه های صنعتی فراهم شده است. در این میان میتوان به موارد ذیل اشاره کرد؛ استفاده از کامپوزیتها در صنعت هوافضا بخاطر خواص استثنایی از قبیل مقاومت، سختی، سبکی، پایداری حرارتی و غیره ای است که این مواد از خود نشان می دهند و این امکان را فراهم می سازند که بتوان به افزایش کارایی و عملکرد ساختار هوا فضا کمک کرد ‏‎]‎‏۱‏‎[‎‏.

یکی دیگر از کاربردهای الیاف در ساخت فضاپیماهای شاتل است. همانطور که می دانیم شاتل در پروازهای خود متحمل انواع شوکهای حرارتی می شود، بویژه هنگام ورود به اتمسفر تفاضل دما در دماغه مخروطی شکل آن در صورت بکارگیری هر نوع فلز سبب ذوب شدن آن می شود.

اما بکارگیری الیاف کربن (گرافیت) در کنار رزین گرما سخت از نوع اپوکسی نه تنها موجب حل مشکل فوق گردید بلکه منجر به کاهش وزن شاتل به میزان ۴۰۰ کیلوگرم نیز شد که این خود به تنهایی موفقیت بزرگی بود. از کاربردهای دیگر کامپوزیتها می‌توان به ساخت بدنه قطارها و لوکوموتیوها اشاره نمود .

بسیاری از انواع مواد مهندسی، نوعی کامپوزیت محسوب می‌شوند . هم مواد ترموست (گرما سخت) و هم مواد ترموپلاستیک (گرمانرم) جهت فراهم نمودن خواص فیزیکی بهتر برای کامپوزیتهای حاصل مورد مصرف در صنایع شیمیایی قابل تقویت شدن می‌باشند.

پلی استرها ترکیبات فنولیک، اپوکسی ها، وینیل استرها و فوران ها بعنوان رزین دامنه وسیعی از کاربردها را بخود اختصاص می دهند. از مواد تقویت کننده متداول نیز می‌توان به شیشه، آزبست، گرافیت، الیاف آلی و فلزی اشاره نمود. اصولاً هدف از استفاده کامپوزیتها در صنایع شیمیایی را می‌توان بطور خلاصه بصورت دستیابی به موادی با خواص فیزیکی و شیمیایی بهتر خلاصه نمود. از متداولترین و پرمصرف ‌ترین تقویت کننده های این صنعت ( شیمیایی ) می‌توان به شیشه اشاره نمود.

مهمترین ماتریسهای مورد استفاده نیز عبارتند از : پلی استرهای با مصرف عمومی، پلی استرهای ایزوفتالیک، پلی استرهای بیس فنل، پلی استرهای مقاوم شیمیایی هالوژنه، رزینهای وینیل استر، اپوکسیها و فورانها. ‏

کاربرد الیاف در صنعت ساختمان

کاربرد کامپوزیت را می‌توان در محیط زیست، هیدرولیک، سازه و حتی ژئوتکنیک مشاهده کرد. مواد کامپوزیت استفاده شده در مهندسی ساختمان را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد :

الف) ملات ‏‎-‎‏ الیاف
ب ) بتن ‏‎-‎‏ الیاف
ج ) سیمان ‏‎-‎‏ الیاف‏

امروزه در مهندسی ساختمان استفاده از آرماتورها و کابلهای غیرفلزی ‏F R P‏ تهیه شده از مواد کامپوزیت جهت مسلح کردن سازه ها مطرح شده است . این مواد جهت سازه های بتنی به خصوص پلها، سازه های دریایی و … کاربرد دارند‏‎]‎‏۲‏‎[‎‏.

کامپوزیت ترکیبی از دو ماده الیاف و ماتریس می‌باشد . الیاف می‌تواند از جنس های گوناگون بوده و به صورت منظم و یکنواخت و یا به صورت غیرمنظم و پراکنده در محیط ماتریس قرار گیرد . در واقع سه نوع از الیاف در مهندسی ساختمان متداولترند که عبارتند از :‌الیاف شیشه ای ، آرامید و الیاف کربن.

ماتریس های معمول در کاربردهای مهندسی ساختمان عموماً از خانواده ماتریس های پلیمری بوده که مهمترین آنها اپوکسی و پلی استر می باشند. در ضمن مواد کامپوزیت جهت مقاوم سازی سازه های بتن مسلح نیز کاربرد دارند که با استفاده از ورقهای کامپوزیت که در سطح خارجی سازه بتنی اتصال داده می‌شود عمل مقاوم سازی انجام می گیرد . این ورقه ها از جنس الیاف شیشه، آرامید، و یا کربن هستند.

اصولاً عمل مقاوم سازی به منظور بهبود رفتار مکانیکی دالها، شاه تیرها، تیرها و ستونها که میزان آن بستگی به نوع الیاف و مقدار لایه پوششی دارد . که این عمل با استفاده از ماسه پاشی جهت زبر کردن سطح و برداشتن لایه غیرمقاوم و سپس اتصال به دو صورت پلیمریزاسیون پس ازآغشته شدن در محل و یا استفاده از چند لایه کامپوزیتی که با رزین واسط به سطح چسبانده می‌شود صورت می گیرد . این روش جهت مقاوم سازی سازه در مناطق زلزله خیز شناخته شده است و هم اکنون در کشورهای صنعتی جهت مسلح کردن تیرها و ستونها و … استفاده می‌شود.

در اینجا بیشتر به بحث پیرامون انواع رزینها و تقویت کننده های مورد مصرف در صنعت فوق می پردازیم.

الف) تقویت کننده های لیفی

در صنایع ساختمانی به منظور بالا بردن میزان مقاومت و سختی سازه ها، تقویت کننده های مختلفی استفاده می شود.
تقویت کننده ها الزاماً به شکل الیاف بلند نیستند ممکن است بشکل ذره، پولک، موی ‏‎(Whisker)‎‏ و الیاف کوتاه، الیاف پیوسته و ورقه باشند. اکثر مواد در شکل لیفی خود محکمتر و سفت تر از دیگر اشکال خود هستند و به این دلیل تقویت کننده های لیفی مصرف بیشتری دارند.

در حقیقت نباتات بزرگترین مواد اولیه الیاف هستند . مثلاً الیاف سلولزی به شکل پنبه، کتان و کنف در صنعت نساجی به کار می روند و چوب و کاه در صنعت کاغذسازی مصرف می‌شوند. سایر الیاف طبیعی مانند مو، پشم و ابریشم شامل اشکال مختلفی از پروتئین هستند ‏‎]‎‏۳‏‎[‎‏.

الیاف شیشه در اشکال مختلف خود ، معمولی ترین تقویت کننده برای ماتریس های پلیمری اند، الیاف کولار (نوعی آرامید ) که توسط شرکت دوپونت در سال ۱۹۶۰ ساخته شد بسیارسفت تر و سبکتر از الیاف شیشه هستند. سایر الیاف که ترکیبی از استحکام بالا و سفتی زیاد در آنها وجود دارد عبارتند از الیاف بور، سیلیکون کاربید، کربن و آلومینا (‏Al2O3‎‏) تمام این الیاف در نیمه دوم قرن بیستم توسعه یافتند از طرفی الیاف سرامیکی بین سالهای ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ به روش های جدید تکامل یافته است.

کاربرد الیاف به عنوان یک ماده مؤثر مهندسی مبتنی بر سه خصوصیت مهم است:

۱ ‏‎-‎‏ قطر کوچک نسبت اندازه دانه ها یا واحدهای ساختاری ریز (‏Microstructueral‏)، این امر باعث می‌شود که پخش بیشتری از استحکام نسبت به حالتی که به شکل توده ای است به دست آید. این نتیجه مستقیم اثر اندازه است، بدین معنی که اندازه کوچکتر عامل نقص کمتر در ماده می‌شود.‏

۲ ‏‎-‎‏ نسبت طول به قطر زیاد، که این امر سبب می‌شود که بخش بسیار زیادی از بار به کار رفته از طریق ماتریس به الیاف قوی و سفت منتقل شود.

۳ ‏‎-‎‏ درجه انعطاف پذیری بسیار بالا که مشخصه مدول بالای ماده و قطر کوچک آن است. این انعطاف پذیری کاربرد روشهای مختلف برای ساخت کامپوزیتها با الیاف را امکان پذیر می سازد.

متداولترین انواع تقویت کننده هایی که در ساخت این کامپوزیتها بکار می روند. شیشه می‌باشد که بدلیل خواص ویژه ای که دارد در اغلب سازه ها از آن به اشکال گوناگون استفاده می شود.

به هر حال کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف شیشه ای بزرگترین گروه را در بین کامپوزیتهای با ماتریس پلیمری به خود اختصاص داده اند.

ب) رزینها
تقریبا کلیه پلاستیکها میتوانند بعنوان ماتریس سازه های کامپوزیتی مورد استفاده واقع شوند از متداولترین و پرمصرف ترین آنها در صنایع ساختمانی بعلت ارزان قیمت بودن و سهولت ساخت می‌توان به رزینهای پلی استر غیر اشباع ، اپوکسی ها و تا حدی آکریلیکها اشاره نمود. از گروههای اتصال دهنده اکریلیک می‌توان جهت بالا بردن مقاومت محیطی سازه استفاده نمود.

نتیجه گیری

وجود الیاف در ماتریس سیمانی شکننده سبب کاهش عرض ترک خوردگی و افزایش مقاومتهای خمشی و کششی میشود و در نتیجه طاقت شکست افزایش می یابد. آگاهی از ویژگیهای الیاف اهمیت زیادی در طراحی سازه ها دارد.
عوامل مهمتر انتخاب الیاف عبارتند از مقاومت کششی، بالا بودن نسبت ضریب ارتجاعی الیاف به ضریب ارتجاعی ماتریس که انتقال تنش را از ماتریس ممکن میسازد. ‏