میلگرد بازالت چیست و چه مزیت ها و کاربردهایی دارد؟

میلگرد بازالت یک میله سنگی است که ماده اصلی و اولیه جهت تولید آن، سنگ بازالت است. این آرماتور شامل الیاف بازالت (80%) و رزین اپوکسی (20%) است و از آن‌ها ساخته می‌شود. اپوکسی نوعی ماده پلیمری می‌باشد. میلگرد پلیمر تقویت شده با الیاف بازالت (Basalt Fiber-Reinforced Polymer) یا به اختصار BFRP، فناوری جدید در صنعت ساختمان و عمران است. میلگرد بازالت از تعداد زیادی رشته یا فیبر بازالت تشکیل شده که به یکدیگر متصل شده‌اند و پیوندی با دوام و محکم ایجاد کرده‌اند و یک متریال عالی تشکیل داده‌اند. برای تولید، سنگ بازالت را تا مرحله ذوب گرم می‌کنند و به الیاف تبدیل می کنند. سپس آن‌ها را با رزین‌های اپوکسی، پلی استر و یا وینیل استر پوشانده و قالب می‌زنند.

وزن میلگرد بازالت حدود یک سوم وزن آرماتورهای فولادی است و با توجه به اینکه 2.5 برابر قوی‌تر از فولاد می‌باشد، نسبت مقاومت به وزن آن 7.5 برابر بهتر است. این ویژگی، استفاده از BFRP را بسیار راحت‌تر و هزینه حمل و نقل آن را کمتر می‌کند.

در موارد خاص که خطر خوردگی میله‌های فولادی بر اثر مجاورت با مواد شیمیایی، اسیدی و قلیایی وجود دارد، آرماتورهای الیاف بازالت گزینه بسیار خوبی هستند. به ویژه در محیط‌های دریایی مثل دیوارهای دفاعی که در ساحل دریا ساخته می‌شود و یا جاده‌ها و پل‌های زیر بنایی، استفاده از این آرماتورها مقرون به صرفه است و می‌تواند جایگزین میلگرد گالوانیزه با پوشش اپوکسی شود. از طرف دیگر، طول عمر آن بیشتر بوده، ایمن‌تر است و قیمت نهایی آن کمتر از مقاطع استنلس استیل تمام خواهد شد.

بازالت (Basalt) یک سنگ آذرین بیرونی مافیک است که از سرد شدن سریع گدازه‌های آتشفشانی شکل می‌گیرد. منظور از مافیک یا بازیک، درصد بالای عناصر آهن و منیزیم در سنگ است. همین ویژگی به سنگ خاصیت قلیایی می‌دهد و آن را از حالت اسیدی دور می‌کند. 70% سطح کره زمین از بازالت تشکیل شده و بیش از 90 درصد کل سنگ‌های آتشفشانی موجود در سطح زمین، بازالت است. رنگ این سنگ‌ها مشکی یا مشکی – قهوه‌ای بوده و به دلیل هوازدگی، ممکن است رنگ سطح شان به قرمز – قهوه‌ای تغییر کند. وزن مخصوص آن g/cm³ 2.7 – 3.3 و مقاومت فشاری آن kg/cm² 3000 است. گدازه‌های بازالتی به دلیل محتوای کم سیلیس، گرانروی کمی دارند. در نتیجه پس از خارج شدن از زمین، به سرعت جریان یافته و در سطح زمین گسترش می‌یابند. ماگمای بازالتی از گوشته بالایی زمین نشأت می‌گیرد. ترکیب شیمیایی این سنگ آتشفشانی را می توانید در جدول زیر ببینید.

الیاف بازالت (Basalt fibers) یا به اختصار BF کاراکتر اصلی جهت ساخت و تولید آرماتورهای بازالتی است. BF از پلاژیوکلاز، پیروکسن و الیوین که سه کانی اصلی تشکیل دهندۀ سنگ هستند، ساخته می‌شود. این الیاف از طریق ریسندگی سنگ ذوب شده به دست می‌آید. BF یک عایق حرارتی خوب است و در حالت آمورف ثبات شیمیایی بالاتری نسبت به الیاف شیشه دارند. Basalt fibers در معرض آب 70 درجه سانتیگراد، مقاومت خود را به مدت 1200 ساعت حفظ می‌کند. این در حالیست که الیاف شیشه که جهت ساخت میلگرد فایبرگلاس استفاده می‌شوند، فقط برای 200 ساعت چنین مقاومتی از خود نشان می‌دهند. ضریب انبساط حرارتی BF بسیار نزدیک به بتن است (در حالی که فولاد بسیار متفاوت است). همین ویژگی، از ترک خوردگی بتن جلوگیری می‌کند.

ویژگی‌های فیزیکی Basalt fiber که از آن برای تهیه میلگرد بازالت استفاده می‌شود، به صورت زیر است:

• مقاومت کششی: 3100 – 4840 مگاپاسکال.
• مدول الاستیسیته: 85 – 95 گیگاپاسکال.
• چگالی: 2.8g/cm³ 
• میزان کشیدگی یا ازدیاد طول در نقطه شکست: 3.15%

مقاومت کششی و مدول الاستیسیته FB، به ترتیب حدود 2 برابر و 15-30 درصد بیشتر از الیاف شیشه است. (منظور از مدول الاستیسیته، نسبت تنش به کرنش است. تغییر در طول جسم جامد در جهت اعمال نیرو کرنش نام دارد).

میلگردهای بازالت در قطرهای 4 میلی‌متر تا 25 میلی‌متر و به صورت شاخه و کلاف تولید می‌شوند. طول کلاف‌ها به 500 متر می‌رسد اما برخی کارخانه‌ها کلاف‌های با طول 800 متر نیز تولید می‌کنند. آرماتورهای کلافی را می توان در اندازه‌های دلخواه برش داد. مشخصات میلگرد الیاف بازالت یک کارخانه تولید کننده این محصول در جدول زیر ارائه شده است.

برای ساخت بتن مسلح با آرماتورهای بازالتی، حجم کمتری بتن لازم است. این امر منجر به صرفه جویی در مصرف بتن و ایجاد یک سازه سبک می‌گردد. از طرف دیگر، Basalt rebar در محیط های خورنده مقاوم است؛ این درحالیست که میلگردهای فولادی در برابر خوردگی‌های معمولی مقاوم نیستند. به طور کلی، این محصول به دلیل حمل و نقل راحت‌تر، صرفه جویی در نیروی کار، قابلیت بازیافت و هزینه کمتر در تولید، به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است. در مناطق بسیار سرد و در دماهای پایین، استفاده از آن مشکل ساز نخواهد شد. دیگر مزایای Basalt rebar عبارتند از:

• چهار برابر سبک‌تر از فولاد است.
• ضریب حرارتی میلگرد بازالت معادل ضریب حرارتی انبساط بتن است.
• دو برابر قوی‌تر از میلگردهای فولادی سری 60 با قطر مشابه است.
• به طور طبیعی در برابر مواد قلیایی، زنگ زدگی و خوردگی مقاوم است.
• به لحاظ مقاومت در برابر کشش، از فایبر گلاس و فولاد st37 قوی‌تر است.
• مقاومت کششی آن سه برابر بیشتر از فولاد st37 بوده و محصولی عالی برای تقویت بتن است.
• عایق الکتریکی آن 10 برابر بهتر از میلگرد الیاف شیشه است.
• مدول الاستیستۀ آن 18% درصد بیشتر است.
• امکان رشد باکتری و میکروب در آن وجود ندارد.
• به راحتی با ابزارهای معمولی برش داده می‌شود.
• انتشار CO₂ ناشی از آن در سازه های بتنی، به طور متوسط 60% کمتر است.
• هزینه کلی پروژه کمتر از میلگرد فولادی تمام خواهد شد.
• در برابر اشعه ماورای بنفش مقاوم است.
• هادی جریان الکتریسته نیست؛ درنتیجه میدان مغناطیسی ایجاد نمی‌‍کند. از این رو، برای ساخت مراکز پزشکی MRI عالیست.

از الیاف بازالت علاوه بر میلگرد، در ساخت رابیتس هم استفاده می‌شود. این رابیتس‌ها یک تقویت کنندۀ عالی برای جاده‌ها و بزرگراه‌ها، به ویژه در محیط های نمکی و مناطق سردسیر است. الیاف خرد شده بازالت، یک محصول عالی برای احیاء شکاف‌ها و ترک خوردگی‌ها می‌باشد. همچنین می‌توان از آن برای افزایش ظرفیت تحمل بار یک سازه آسیب دیده استفاده کرد. الیاف بازالت می‌تواند طول عمر ساختمان، جاده‌ها، دیوارهای دریایی و پل‌ها را افزایش دهد.

• مهندسی هیدرولیک
• ساختمان سازی
• ساخت بتن مسلح
• تونل سازی
• ساخت جاده و بزرگراه
• ساخت موانع یا حصارهای بتنی
• ساخت عایق های خطوط فشار قوی
• بسیار مناسب جهت ساخت اماکن ژئومغناطیس لرزه‌ای و ایستگاه‌های لرزه نگار.
• ساخت اماکن نظامی، برج های مخابراتی، ایستگاه‌های تلویزیونی و رادیویی، فرودگاه ها.
• از مش بازالت (Basalt mesh) می‌توان در ساخت ساختمان‌های صنعتی و عمرانی در مناطق لرزه‌خیز استفاده کرد.

میلگرد بازالت این امتیاز را برای مهندسان سازه ایجاد می‌کند که بجای استفاده از تعداد زیادی آرماتور فولادی، کمترین تعداد میلگرد را داشته باشند. محل قرار گیری آرماتور و ضخامت آن، باید توسط مهندس سازه تعیین شود. قطر و محل قرار گیری میلگرد بازالت نسبت به آرماتورهای فولادی متفاوت است. در حالت ایده‌آل، خوب است که میلگردها به داخل دیوارها خم شود.

هنگامی که میلگرد فولادی زنگ می‌زند، منبسط می‌شود. این انبساط به بتن فشار آورده و باعث ایجاد شکاف در بتن و زنگ زدگی بیشتر می‌گردد. این حالت فساد یا خرابی نسبتاً رایج در بتن‌ها، spalling نام دارد.

بتن با عملکرد بالا یا به اختصار UHPC (Ultra-High Performance Concrete) با وجود مقاومت مکانیکی استثنایی که دارا است، هنوز برای تقویت حدأکثر ظرفیت خمش، به تقویت فولاد نیاز دارد. میلگرد الیاف بازالت، نسبت به میلگرد فولادی از مقاومت مکانیکی بالاتری برخوردار است؛ ضمن اینکه هزینه کمتری هم در پی خواهد داشت. علاوه بر این، بازالت به طور طبیعی، خود ترکیب قلیایی دارد و به همین دلیل، در برابر قلیاها مقاوم است. در نتیجه مقرون به صرفه است. میلگرد الیاف بازالت به عنوان یک تقویت کننده بالقوه در عضو سازه در نظر گرفته می‌شود.

آزمون‌های خمشی چهار نقطه‌ای که بر روی یک نمونه تقویت شده با میلگرد الیاف بازالت انجام شد، حاکی از رفتار ساختاری شکل‌پذیرتر با مقاومت خمشی بالاتر بود. همچنین استفاده از آن در بتن‌های UHPC عملکرد بهتری را در برابر انفجار از خود نشان داد. آزمون‌های خمشی استاتیک نیز نشان داده است که آرماتورهای الیاف بازالت عملکرد بهتری در برابر خمش دارند.

1- تولید BF

آرماتور بازالت تحت فناوری pultrusion تولید می‌شود. اولین قدم در تولید این محصول، تولید الیاف بازالت (BF) است. BF نوعی الیاف غیرآلی (معدنی) است که از ذوب سنگ بازالت در دمای 1500 درجه سانتیگراد حاصل می‌آید. برای ساخت آن، ابتدا بازالت را فراوری کرده، خرد می‌کنند و شستشو می‌دهند. سپس آن را تا حدود 1500 درجه سانتیگراد حرارت داده و ذوب می‌کنند. سنگ ذوب شده از سرِ چند بوش خارج می‌شود و به این ترتیب، فیبرهایی شش ضلعی با قطر 13 تا 19 میکرون تولید می‌شود. برخلاف تولید الیاف شیشه، در زمان تولید BF هیچ ماده شیمیایی به مذاب اضافه نمی‌کنند و طی این روند، زباله‌ای تولید نمی‌شود. به همین دلیل، الیاف تولید شده آسیبی به محیط زیست وارد نمی‌کند. همچنین، خاصیت ضد احتراق دارد؛ مزیتی بزرگ که در مورد دیگر الیاف مورد استفاده جهت ساخت میلگرد کامپوزیت دیده نمی‌شود.

2- فشرده سازی BF

پس از آنکه BF تولید شد، هزاران رشته از آن را در کنار هم قرار داده و فشرده می‌کنند تا زمانی که شکل استوانه‌ای ایجاد شود. سپس این استوانه فشرده شده، با زرین اپوکسی مخصوص پوشش داده می‌شود. رزین اپوکسی مانند یک چسب عمل می‌کند الیاف بازالت را مرطوب می‌کند و یک سطح اتصال قوی ایجاد می‌کند. در نهایت نیز یک رشته داکرون محکم در اطراف الیاف فشرده پیچیده می‌شود و یک تغییر شکل ایجاد می‌کند تا از چسبندگی آن با بتن اطمینان حاصل شود. گاه یک پوشش ماسه نیز در سطح محصول اعمال می‌شود. روکش ماسه‌ای نیز چسبندگی میله به بتن در عملیات عمرانی و ساخت و ساز را قوت می‌بخشد. برخی تولید کنندگان نیز بجای ماسه پاشی، سطح آن را آجدار می‌کنند.

یکی از کاستی های آرماتورهای بازالتی این است که امکان خم کردن آن در محل ساخت سازه میسر نیست. به همین دلیل، در زمان تولید، خم‌هایی در آن ایجاد می‌شود؛ مثلاً خم 90، 135 و 180 درجه.

تلاش برای تولید الیاف از سنگ بازالت به اواسط دهه 1920 برمی‌گردد. در نهایت شخصی به نام Paul Dhe فرانسوی حق ثبت اختراع آن را دریافت کرد. در سال 1984 اولین عملیات ساخت و تجاری سازی فیبر بازالت در کارخانه‌ای واقع در نزدیکی کیِف اوکراین راه اندازی شد. اندکی بعد، این فناوری به جهان عرضه شد. هم اکنون روسیه، اوکراین، چین، آمریکا و ایرلند از کشورهای تولید کنندۀ فیبرهای تجاری بازالت هستند. میلگرد بازالت با چندین روش آزمایش شده و دارای تأییدیه ISO 9001 می‌باشد.

Carnation اولین خانه‌ای در آمریکاست که در ساخت آن از میلگرد بازالت استفاده شده است. ساختمان چند طبقۀ دپارتمان دولتی انرژی Nanoscale Material در آمریکا که یک سازۀ بتنی چند طبقه است، با میلگرد بازالت تقویت شده است.

با افزایش حجم تولید در آینده، قیمت میلگرد بازالت نزولی خواهد شد. در حال حاضر، قیمت آن از میلگرد فایبرگلاس چینی گرانتر، اما از میلگرد فایبرگلاس ساخت آمریکا ارزان‌تر است. به طور کل، اگر تکنولوژی ساخت این محصول رواج پیدا کند، قیمت تمام شدۀ میلگرد بازالت کمتر از قیمت میلگرد آجدار و میلگرد ساده و دیگر آرماتورهای کامپوزیت خواهد شد.

بازالت خود زادۀ طبیعت است! بنابراین، الیاف آن سمی نیست و آسیبی به محیط زیست و آب و هوا نمی‌زند. همچنین، با هیچ یک از اجزای سازنده بتن واکنش نمی‌دهند و مقاومت شیمیایی بسیار بالایی دارد. در مقایسه با سایر الیاف مانند الیاف کربن یا آرامیدها، ارزان قیمت قلمداد می‌شود. در آینده، بازار بازالت بجز ساخت و ساز، در بسیاری از صنایع دیگر گسترش چشمگیری پیدا خواهد کرد.

به نظر شما استفاده از این آرماتور سنگی در ایران رواج پیدا خواهد کرد؟

چه شرایطی لازم است تا مهندسان سازه و عمران در ایران بتوانند این آرماتور سنگی را در سازه های خود استفاده کنند؟

آیا می‌توان از این آرماتور سنگی بجای میلگرد بستر استفاده کرد؟

نظر خود را با آنلاین سازه به اشتراک بگذارید.