frp نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. که به دو شکل ورق های FRP و میلگردهای FRP موجود می باشد و به روش پالتروژن ساخته می شوند. در این روش از الیاف پس از آغشته شدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می آورند.

از عمده ترین مزایای روش پالتروژن چند منظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف می باشد. به عبارتی دیگر صرفاً با تغییر قالب دستگاه می توان علاوه بر محصولاتی که در صنعت ساختمان کاربرد دارد، همانند انواع آرماتورها، محصولات گوناگون دیگری در حوزه های مختلف از جمله تسمه های ماشین نساجی، ریل ها، محافظ اتوبان ها، چارچوب پنجره ها و درها، تیرهای با مقطع I شکل، نبشی ها و غیره تولید نمود.

تاریخچه تولید  FRP

به  دلیل نیاز روزافزون به استفاده از مواد مرکب و ترکیبی برای دستیابی به خواص و عملکردهای مطلوب استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان رو به رشد بوده و با سرعت بسیار بالایی در حال توسعه می‌باشد. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه ۱۹۸۰ آغاز شد.

اما زلزله‌های سال ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ کوبه ژاپن عامل مهم و تأثیرگذاری جهت بررسی همه‌جانبه کاربرد کامپوزیت‌ های پلیمری ساخته شده از الیاف اف ار پی (FRP) جهت تقویت و مقاوم سازی سازه بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید. این مطالعات که دامنه و وسعت آن روز به روز در حال افزایش است زمینه‌ای وسیع جهت استفاده از این کامپوزیت‌ها را در سازه‌های نیازمند به تقویت، بهسازی و یا ترمیم فراهم کرده است. هم اکنون تعداد زیادی از محققان و پژوهشگران صنعت سازه در سرتاسر جهان در حال بررسی، مطالعه و انجام آزمایش‌های تقویت سازه‌ها با کامپوزیت‌های FRP هستند.

انواع الیاف FRP

ورقه‌های FRP (فیبرهای پلیمری تقویت شده)

ورقه‌های FRP یا (فیبرهای پلیمری تقویت شده) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی می باشند که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده‌ است. فیبرهای FRP به روش پلی اکریلونیتریل (PAN) ساخته می‌شوند و میلگردها و پروفیل‌ ها به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می‌گردند که در این روش دسته‌ های الیاف پس از آغشته شدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می‌آورند.

میلگردهای FRP

فولادها به طور مختصر در برابر خوردگی به وسیله محیط قلیایی بتن محافظت می‌شوند اما بسیاری از سازه هایی که در محیط های مهاجم از قبیل سازه های دریایی، پل‌ها و پارکینگ‌ها که در معرض عوامل مهاجم قرار می‌گیرند ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی،خواص  قلیایی بتن را کاهش می دهد و باعث خوردگی فولادها می‌شود.

به همین علت امروزه از میلگردهای ساخته شده با مواد پلیمری FRP در این سازه ها استفاده می کنند. به دلیل اینکه میلگردهای اف ار پی برای یک رفتار غیر شکل‌پذیر می باشند لذا موارد استفاده این میلگردها محدود به سازه‌هایی می‌شود که مهمترین مشکل آنها خوردگی یا مشکلات الکترومغناطیسی می‌باشد. میلگردهای فولادی دارای رفتاری تقریباً همسانگرد می باشند ولی میلگردهای FRP به بتن تأثیر می‌گذارد. مصالح FRP برخلاف مصالح فولادی رفتار الاستیک خطی از خود نشان می‌دهند.

گریتینگ FRP – شبکه کامپوزیتی FRP

شبکه کامپوزیتی FRP از دیگر محصولات کامپوزیتی می باشند که از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه ای از این محصولات شبکه کامپوزیتی Nefmac است که از فیبرهای کربن، شیشه ای و یا آرمید و رزین اپوکسی ، وینیل استر و یا پلی استر تولید می‌شود و برای مسلح کردن بتن مناسب است. گریتینگ FRP نیز که به روش سیستم قالبی (Modled) حرارتی تولید می‌شود در صنایع و اکثر کارخانجات دارای مواد خورنده کاربرد دارند.

پروفیل‌های ساختمانی FRP

مصالح FRP همچنین در شکل پروفیل های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل، نبشی و ناودانی و به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می‌شوند. در این روش دسته‌هایی از فیبر یا نخ یا رشته های FRP پس از آغشته شدن با رزین از یک قالب عبور کرده و در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می‌آورند.

از عمده‌ترین مزیت های روش پالتروژن چند منظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف است. به عبارتی صرفاً با تغییر قالب دستگاه می‌توان علاوه بر محصولاتی که در صنعت ساختمان کاربرد دارد، همانند انواع میلگردها و آرماتورهای اف ار پی، محصولات گوناگون دیگری در حوزه‌های مختلف از جمله تسمه‌های ماشین نساجی، ریل ها، محافظ اتوبان ها یا گارد ریل، چارچوب پنجره‌ها و درها، تیرهای با مقطع I شکل، نبشی‌ها و غیره تولید کرد.

مزیت های تقویت کننده های FRP در سازه ها چیست؟

به منظور اندازه گیری خواص و ویژگی های مربوط به یک سازه تقویت کننده از نوع FRP، استانداردهای متفاوتی ایجاد شده است، اما باید توجه کرد که اجماع روش های مطرح شده برای اندازه گیری خواص این دسته از قطعات بیشتر مبنی بر تقویت کننده های FRP با هدف کاربرد در استحکام بخشی سازه های بتنی است.

روش‌های تولید الیاف FRP

به ‌طور کلی الیاف FRP به روش‌های مختلفی تولید و تهیه میگردند. از جمله این روش‌های می‌توان به بافتن رشته‌ها در هم، پالتروژن و فشرده سازی در خلأ اشاره کرد که در ادامه به آن‌ها اشاره شده است.

بافتن رشته‌ها به یکدیگر

در روش بافتن رشته‌ها به هم (Filament winding) الیاف یا رشته‌های پیوسته به صورت نوارهای موازی به دور سیلندر پیچانده شده و رشته‌های فیبر به دور آن تابیده می‌شوند. در همین حال ماتریس رزین پلی استر و وینیل استر یا اپوکسی به درون سیلندر دوار دمیده شده و با فیبرها ترکیب می‌شود.

ناگفته نماند که تمامی این فرآیند برای به دست آمدن FRP توسط کامپیوتر کنترل می‌شود. الیاف FRP تولید شده به این روش در صنایع مختلف مانند لوله سازی، ساخت لوله‌های تحت پیچش، بدنه و جداره موشک، بطری‌ها و شیشه‌های تحت فشار، تانک‌های ذخیره، فیوز تأخیری هواپیما و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فرآیند پالتروژن

در فرآیند پالتروژن (Pultrusion) لمینیت‌ها یا ورق‌های پوششی با مقطع عرضی و طول معین ساخته می‌شود. در این فرآیند، نوار فیبر کشیده می‌شود و ماتریس که معمولاً پلی استر یا وینیل استر است با گرمای الکتریکی به کمک روغن داغ به فیبر اضافه می‌شود. معمولاً این مراحل در اتاقک پیش گرمایشی فرکانس رادیویی برای کنترل ضخامت در زمان عمل آوری انجام می‌شود.

فرآیند فشرده سازی در خلأ

در این روش وزن هوای بین لایه‌های FRP مانع از تشکیل آن می‌شود؛ بنابراین بر اثر پرس و فشار اعمال شده، هوای محبوس خارج می‌شود تا ورق پوششی FRP یا لمینیت شکل گیرد. در این روش یک یا چند لایه نوار فیبر با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می‌گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین با استفاده از دو روش‌های موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می‌شود.

دوام کامپوزیت‌های FRP چقدر است؟

دوام کامپوزیت‌های FRP در کنار مقاومت بالای این مصالح، دلیل اصلی کاربرد آنها در مقاوم سازی و تقویت سازه شده است. در مجموع در کنار پارامتر مقاومت، پارامتر دوام مصالح FRP بسیار اهمیت دارد.

عوامل تأثیر گذار بر دوام الیاف FRP عبارتند از:

۱)  تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر

۲)  از دست رفتن چسبندگی بین الیاف و ماتریس

۳)  کاهش مقاومت و سختی الیاف

اهداف کاربردی تقویت کننده های FRP

پیش از مسلح کردن یک سازه بتنی با تقویت کننده میله ای FRP ، لازم و ضروری است که خصوصیات جزء تقویت کننده به طور دقیق ملاحظه و ارزیابی گردد تا بتوان قابلیت کاربردی متناسب با مورد مصرف نهایی و سازگار با نظر طراح را فراهم ساخت.

مقاومت طبیعی در مقابل خوردگی برای سازه های بتنی مسلح شده با میلگردهای FRP یک فایده بزرگ برای سازه هایی است که در معرض شدید خوردگی قرار دارند، از قبیل سازه های دریایی، عرشه پل ها و همچنین سازه هایی که در معرض محیط های حاوی نمک یخ زدا هستند. در بخش هایی ام آر آی یا سایر تجهیزات حساس به میدان های الکترومغناطیس، خاصیت غیرمغناطیس بودن FRP مزایای فراوانی را به دنبال دارد.

میلگردهای FRP موجود در بازار کدام اند؟

امروزه عمده میلگردهای FRP موجود در بازار، حاصل از الیاف ممتد با کارایی بالا نظیر شیشه، کربن و آرامید هستند که به واسطه روش های مختلف تولید کامپوزیت درون یک بستر پلیمری جایگذاری می شوند. تقویت کننده های FRP عموماً در اشکال مختلفی به صورت شبکه ها، میلگردها، منسوج ها و یا کابل ها مورد استفاده قرار می گیرند. میلگردهای FRP دارای سطح مقطع های مختلفی به شکل مربع یا دایره هستند که در دو نوع توپر و توخالی موجود می باشند. سطح ظاهری یک میلگرد FRP نیز می تواند در اشکال مختلفی تولید گردد.

ویژگی ها و مزایای استفاده از مصالح FRP در زمینه مقاوم سازی

• قیمت مناسب با توجه به تأمین و توزیع وسیع
• وزن پایین در مقابل مقاومت کششی بالا
• خاصیت ضد خورندگی در کنار مقاومت مکانیکی بالا
• ضخامت کم لایه های FRP
• زمان کم مورد نیاز جهت نصب و بهره برداری
• پیوستگی و عدم توقف در زمان اجرای مقاوم سازی با FRP
• خنثی بودن مصالح FRP از نظر الکترومغناطیسی