كاربرد الياف 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 بكار بردن مواد و مصالح و فرآورده های جدید ساختمانی با رفتار و خواص متفاوت از آنچه تاكنون در ساخت سازه ها بكار می رفته است بوجود آید.

در این تحقیق به بررسی نقش انواع رزین ها، الیاف و مواد كامپوزیت در مقاوم سازی سازه های بتنی پرداخته شده است. تقویت كننده ها الزاماً به شكل الیاف بلند نیستند، بلكه ممكن است بشكل ذره، پولك، موی ‏‎(Whisker)‎‏ و الیاف غیرمداوم، الیاف مداوم و ورقه باشند. اكثر مواد در شكل لیفی خود محكمتر و سفت تر از دیگر اشكال هستند و به این دلیل تقویت كننده های لیفی مصرف بیشتری دارند. ‏

در دهه اخیر مواد كامپوزیتها، پیشرفت شایانی كرده اند این به دلیل ویژگیهای منحصر به فردی است كه در این مواد به چشم می خورد. امكان بكارگیری كامپوزیتها در بسیاری از زمینه های صنعتی فراهم شده است. در این میان میتوان به موارد ذیل اشاره كرد؛ استفاده از كامپوزیتها در صنعت هوافضا بخاطر خواص استثنایی از قبیل مقاومت، سختی، سبكی، پایداری حرارتی و غیره ای است كه این مواد از خود نشان می دهند و این امكان را فراهم می سازند كه بتوان به افزایش كارایی و عملكرد ساختار هوا فضا كمك كرد ‏‎]‎‏1‏‎[‎‏.

یكی دیگر از كاربردهای الیاف در ساخت فضاپیماهای شاتل است. همانطور كه می دانیم شاتل در پروازهای خود متحمل انواع شوكهای حرارتی می شود، بویژه هنگام ورود به اتمسفر تفاضل دما در دماغه مخروطی شكل آن در صورت بكارگیری هر نوع فلز سبب ذوب شدن آن می شود.

اما بكارگیری الیاف كربن (گرافیت) در كنار رزین گرما سخت از نوع اپوكسی نه تنها موجب حل مشكل فوق گردید بلكه منجر به كاهش وزن شاتل به میزان 400 كیلوگرم نیز شد كه این خود به تنهایی موفقیت بزرگی بود. از كاربردهای دیگر كامپوزیتها می‌توان به ساخت بدنه قطارها و لوكوموتیوها اشاره نمود .

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

پلی استرها تركیبات فنولیك، اپوكسی ها، وینیل استرها و فوران ها بعنوان رزین دامنه وسیعی از كاربردها را بخود اختصاص می دهند. از مواد تقویت كننده متداول نیز می‌توان به شیشه، آزبست، گرافیت، الیاف آلی و فلزی اشاره نمود. اصولاً هدف از استفاده كامپوزیتها در صنایع شیمیایی را می‌توان بطور خلاصه بصورت دستیابی به موادی با خواص فیزیكی و شیمیایی بهتر خلاصه نمود. از متداولترین و پرمصرف ‌ترین تقویت كننده های این صنعت ( شیمیایی ) می‌توان به شیشه اشاره نمود.

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

كاربرد الیاف در صنعت ساختمان

كاربرد كامپوزیت را می‌توان در محیط زیست، هیدرولیك، سازه و حتی ژئوتكنیك مشاهده كرد. مواد كامپوزیت استفاده شده در مهندسی ساختمان را می‌توان به سه دسته تقسیم كرد :

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

امروزه در مهندسی ساختمان استفاده از آرماتورها و كابلهای غیرفلزی ‏F R P‏ تهیه شده از مواد كامپوزیت جهت مسلح كردن سازه ها مطرح شده است . این مواد جهت سازه های بتنی به خصوص پلها، سازه های دریایی و … كاربرد دارند‏‎]‎‏2‏‎[‎‏.

كامپوزیت تركیبی از دو ماده الیاف و ماتریس می‌باشد . الیاف می‌تواند از جنس های گوناگون بوده و به صورت منظم و یكنواخت و یا به صورت غیرمنظم و پراكنده در محیط ماتریس قرار گیرد . در واقع سه نوع از الیاف در مهندسی ساختمان متداولترند كه عبارتند از :‌الیاف شیشه ای ، آرامید و الیاف كربن.

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

اصولاً عمل مقاوم سازی به منظور بهبود رفتار مكانیكی دالها، شاه تیرها، تیرها و ستونها كه میزان آن بستگی به نوع الیاف و مقدار لایه پوششی دارد . كه این عمل با استفاده از ماسه پاشی جهت زبر كردن سطح و برداشتن لایه غیرمقاوم و سپس اتصال به دو صورت پلیمریزاسیون پس ازآغشته شدن در محل و یا استفاده از چند لایه كامپوزیتی كه 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 اكنون در كشورهای صنعتی جهت مسلح كردن تیرها و ستونها و … استفاده می‌شود.

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

الف) تقویت كننده های لیفی

در صنایع ساختمانی به منظور بالا بردن میزان مقاومت و سختی سازه ها، تقویت كننده های مختلفی استفاده می شود.
تقویت كننده ها الزاماً به شكل الیاف بلند نیستند ممكن است بشكل ذره، پولك، موی ‏‎(Whisker)‎‏ و الیاف كوتاه، الیاف پیوسته و ورقه باشند. اكثر مواد در شكل لیفی خود محكمتر و سفت تر از دیگر اشكال خود هستند و به این دلیل تقویت كننده های لیفی مصرف بیشتری دارند.

در حقیقت نباتات بزرگترین مواد اولیه الیاف هستند . مثلاً الیاف سلولزی به شكل پنبه، كتان و كنف در صنعت نساجی به كار می روند و چوب و كاه در صنعت كاغذسازی مصرف می‌شوند. سایر الیاف طبیعی مانند مو، پشم و ابریشم شامل اشكال مختلفی از پروتئین هستند ‏‎]‎‏3‏‎[‎‏.

الیاف شیشه در اشكال مختلف خود ، معمولی ترین تقویت كننده برای ماتریس های پلیمری اند، الیاف كولار (نوعی آرامید ) كه توسط شركت دوپونت در سال 1960 ساخته شد بسیارسفت تر و سبكتر از الیاف شیشه هستند. سایر الیاف كه تركیبی از استحكام بالا و سفتی زیاد در آنها وجود دارد عبارتند از الیاف بور، سیلیكون كاربید، كربن و آلومینا (‏Al2O3‎‏) تمام این الیاف در نیمه دوم قرن بیستم توسعه یافتند از طرفی الیاف سرامیكی بین سالهای 1970 تا 1980 به روش های جدید تكامل یافته است.

كاربرد الیاف به عنوان یك ماده مؤثر مهندسی مبتنی بر سه خصوصیت مهم است:

1 ‏‎-‎‏ قطر كوچك نسبت اندازه دانه ها یا واحدهای ساختاری ریز (‏Microstructueral‏)، این امر باعث می‌شود كه پخش بیشتری از استحكام نسبت به حالتی كه به شكل توده ای است به دست آید. این نتیجه مستقیم اثر اندازه است، بدین معنی كه اندازه كوچكتر عامل نقص كمتر در ماده می‌شود.‏

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

3 ‏‎-‎‏ درجه انعطاف پذیری بسیار بالا كه مشخصه مدول بالای ماده و قطر كوچك آن است. این انعطاف پذیری كاربرد روشهای مختلف برای ساخت كامپوزیتها با الیاف را امكان پذیر می سازد.

متداولترین انواع تقویت كننده هایی كه در ساخت این كامپوزیتها بكار می روند. شیشه می‌باشد كه بدلیل خواص ویژه ای كه دارد در اغلب سازه ها از آن به اشكال گوناگون استفاده می شود.

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

ب) رزینها
تقریبا كلیه پلاستیكها میتوانند بعنوان ماتریس سازه های كامپوزیتی 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 ، اپوكسی ها و تا حدی آكریلیكها اشاره نمود. از گروههای اتصال دهنده اكریلیك می‌توان جهت بالا بردن مقاومت محیطی سازه استفاده نمود.

نتیجه گیری

وجود الیاف در ماتریس سیمانی شكننده سبب كاهش عرض ترك خوردگی و افزایش مقاومتهای خمشی و كششی میشود و در نتیجه طاقت شكست افزایش می یابد. آگاهی از ویژگیهای الیاف اهمیت زیادی در طراحی سازه ها دارد.
عوامل مهمتر انتخاب الیاف عبارتند از مقاومت كششی، بالا بودن نسبت ضریب ارتجاعی الیاف به ضریب ارتجاعی ماتریس كه انتقال تنش را از ماتریس ممكن میسازد. ‏