میلگرد کامپوزیت چیست و چه مزایا و مشخصاتی دارد؟

میلگرد کامپوزیت (FRP) به میله هایی گفته می‌شود که از پلیمرها و الیاف خاصی مثل الیاف کربن، شیشه و الیاف بازالت ساخته شده است. وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی‌ها، عدم رسانایی الکتریسته و صرفۀ اقتصادی، از مزایای میلگردهای کامپوزیت است و همچنین از تفاوت‌های آن با میلگردهای فولادی محسوب می‌شود. از کاربردهای FRPها نیز می‌توان به استفاده از آن‌ها در ساخت تیرها و ستون‌های پیش ساخته و برج‌های بتنی انتقال نیرو اشاره کرد. قیمت میلگرد کامپوزیت بسته به نوع آن، متفاوت است؛ اینکه بسته درخواستی شما از نوع الیاف کربن، شیشه و یا بازالت باشد. زیرا قدرت استحکام و ماندگاری هر یک از این سه نوع، نسبت به دیگری کمی متفاوت است. خرید میلگرد سقف کامپوزیت به دلیل سبکی و مقاومت در برابر زنگ زدگی، یکی از گزینه‌های پرطرفدار است. به دلیل هزینه‌های بالای ناشی از خوردگی فولاد در محیط‌های تهاجمی، استفاده آرماتورهای کامپوزیت در سراسر جهان رو به گسترش است. از این رو، در اینجا اطلاعاتی در مود انواع، کاربردها، مزایا و معایب این محصولات ارائه شده است.

 

میلگرد کامپوزیت چیست؟

کامپوزیت یک واژۀ لاتین به معنی ترکیب کردن یا مخلوط کردن است. میلگرد کامپوزیت (composite rebar) که به نام میلگرد پلیمری تقویت شده با الیاف یا FRP (Fiber Reinforced Polymer) نیز شناخته می‌شود، به آرماتورهایی اتلاق می‌شود که از ترکیب دو جزء تشکیل شده‌اند. یک جزء شامل الیاف یا همان Fiber و جزء دیگر شامل پلیمر ماتریس رزین می‌باشد. نقش ماتریس رزین، کنار هم نگه داشتن الیاف، محافظت از آن‌ها و انتقال بار بین الیاف است.

الیافی که در ساخت میلگردهای کامپوزیت استفاده می‌شود، می‌تواند از جنس بازالت، شیشه و کربن باشد. الیاف، مجموعه‌ای از رشته‌ها یا تارهاست که بدون پیچش، در کنار هم قرار می‌گیرند. معمولاً هر الیاف شامل 60000 رشته است. ماده‌ای که به عنوان رزین استفاده می‌شود نیز می‌تواند پلی‌استر، اپوکسی یا وینیل‌استر باشد. استفاده از اپوکسی و وینیل استر متداول‌تر است. هر دوی این ماتریس‌ها رزین‌های حرارتی هستند.

رفتار جزء الیافی و جزء رزینی، در نهایت بر رفتار میلگرد کامپوزیتی اثر گذاشته و باعث خلق ویژگی‌های منحصر به فرد می‌شود. رزین اپوکسی که در فرایند تولید composite rebarها استفاده می‌شود، در برابر مواد شیمیایی، انواع نمک‌ها و اسیدها و بازها مقاوم است؛ در نتیجه، محصول حاصل از آن نیز در برابر این مواد مقاوم خواهد بود.

 

انواع میلگردهای کامپوزیتی

1. میلگرد کامپوزیتی الیاف شیشه (GFRP / GRP)
2. میلگرد الیاف کربن (CFRP)
3. میلگرد الیاف بازالت (BFRP)

الیاف هر یک از انواع میلگرد کامپوزیت، نام خاص خود را دارند: الیاف کربن tow، الیاف شیشه aramid و الیاف بازالت roving نام دارد.

 

ویژگی های فیزیکی و مکانیکی میلگرد کامپوزیت

ویژگی های فیزیکی شامل چگالی و ضریب انبساط حرارتی است. ویژگی‌های مکانیکی نیز شامل رفتارهای فشارشی، کششی، خمشی و برشی است. این ویژگی‌ها در ادامه بیان شده است.

1- چگالی کم

چگالی این محصولات به طور کلی از 1.25 تا 3.3 گرم بر سانتی‌متر مکعب متغیر است. چگالی پایین FRPها علاوه بر کاهش هزینه‌های حمل و نقل، سبب کاهش وزن سازه نیز خواهد شد.

2- ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط حرارتی FRPها در دو راستا سنجیده می‌شود: راستای طولی و راستای عرضی. نوع الیاف، تعیین کنندۀ ضریب انبساط حرارتی در راستای طولی و نوع رزین، تعیین کننده ضریب انبساط حرارتی در راستای عرضی است. در میان انواع FRPها، ضریب انبساط حرارتی میلگرد بازالت مشابه بتن است.

3- تنش برشی

در ساختار میله‌های کامپوزیت، هیچ گونه لایه عرضی تقویت کننده‌ای وجود ندارد. به همین دلیل، بیشتر میلگردهای کامپوزیت عملکرد نسبتاً ضعیفی در برابر تنش برشی از خود نشان می‌دهند.

4- مقاومت کششی

بر خلاف میلگردهای فولادی، مقاومت کششی میلگردهای کامپوزیت، با تغییر قطر آرماتور، تغییر می‌کند. با این حال، ادعا شده است که تغییر سطح مقطع میلگردهای الیاف کربن، تأثیر قابل توجهی بر مقاومت کششی آن ایجاد نمی‌کند.

مقاومت فشارشی میله‌های CFRP، GFRP و AFRP نیز به ترتیب معادل 78، 55 و 20 درصد مقاومت کششی آن هاست.

 

کاربرد آرماتورهای FRP چیست؟

• ساخت برج‌های بتنی انتقال نیرو
• ساخت تیرها و ستون های پیش ساخته
• ساخت سیل بندهای بتنی
• ساخت سازه‌های دریایی
• عرشه پل‌ها و اسکله‌ها
• مقاوم سازی سازه های بتنی
• اتصالات و سازه‌های راه آهن
• ساخت موتورهای الکتریکی بزرگ
• مقاوم سازی سازه های فولادی
• تقویت سطوحی که ممکن است در معرض آسیب سایشی یا مکانیکی قرار گیرند؛ مثل عرشه پارکینگ‌ها و پیاده‌روها.
• تقویت دیوارهای داخلی تونل‌ها؛ جایی که استفاده از آرماتورهای فولادی به ماشین یا دستگاه حفر تونل (TBM) آسیب می‌رساند.
• ساخت قسمت‌های داخلی بیمارستان هایی که به تجهیزات تخصصی ویژه، مثل اسکن‌های پزشکی و تصویربرداری های مغناطیسی مجهز هستند.

 

مقاوم کردن سازه ها با FRP

بیش از 30 سال است که از میلگردهای کامپوزیت به طور موفقیت آمیز برای تقویت سازه های سنگی، چوبی، اسکلت فولادی و ساختمان های اسکلت بتنی استفاده می شود. خواص مطلوب FRPها باعث شده است تا در زمان استفاده از آن ها، میلگرد با فاصله بیشتری در بتن آرمه، فنداسیون، تونل ها و .... بکار گرفته شود. همچنین میلگرد FRP باعث افزایش میرایی ناشی از سازه در برابر ارتعاشات ناشی از زلزله یا تجهیزات صنعتی می‌شود و بهترین گزینه برای مقاوم سازی سازه ها و افزایش مقاومت آن ها در برابر زلزله یا لرزش است. شاید به همین دلایل است که در ساخت بیش از 350 پل در سراسر کانادا و 90 پل در ایالات متحده از FRPها استفاده شده است! بارگذاری محوری و گریز از مرکز ستون ها را می‌توان با استفاده از آرماتورهای کامپوزیتی افزایش داد و به این ترتیب سازه را در برابر زلزله مقاوم سازی کرد.

 

مزایای میلگرد کامپوزیت چیست؟

در سراسر جهان، سازه‌های بتنی مورد حمله قرار گرفته‌اند! نه تنها ترافیک در جاده ها و پل ها افزایش یافته است، بلکه تغییرات جهانی آب و هوا باعث افزایش حوادث آب و هوایی ناشی از تغییرات اقلیمی، از جمله طوفان های شدید و باران‌های سیل آسا شده است. حوادثی که منجر به جاری شدن سیل و سایر حوادث مخرب می شود. واضح است که در چنین شرایطی، آسیب به بتن و ایجاد ترک در آن، افزایش می‌یابد. این آسیب‌ها در محیط‌های تهاجمی، مانند محیط‌های دریایی یا نمکی، تشدید می‌شود.

یک روش کارآمد برای مبارزه با این مسائل، جایگزینی میلگردهای کامپوزیتی با انواع فولادی است. انواع فولادی شامل میلگرد آجدار، میلگرد ساده و میلگرد بستر است. افزایش عمر و کارایی بیشتر سازه، کاهش هزینه‌های ساخت، نگهداری و تعمیر سبب شده است تا آرماتورهای کامپوزیتی مورد استقبال مهندسان متعهد به طراحی زیرساخت های پایدار قرار گیرد. استفاده از FRP بهترین گزینه برای تقویت بتن در مکان‌هایی است که بتن و یا سازه بتنی با میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در تماس است. اما مزایای میلگردهای کامپوزیتی تنها به این‌ها محدود نمی‌شود. دیگر جنبه‌های مثبت آن عبارت است از:

• وزن سبک
• مقاومت در برابر خوردگی
• نیاز کمتر به پوشش بتن و در نتیجه ایجاد یک سازه سبک
• کاهش بار مرده وارد بر سازه
• عدم نیاز به تعمیر و نگهداری خاص
• مقاومت بسیار خوب در برابر مواد شیمیایی
• کاهش هزینه های حمل و نقل و جابجایی
• مقاومت کششی بالا (حدود دو برابر بیشتر از مقاومت کششی فولاد)
• رفتار الاستیک خطی دارند و مانند فولاد وارد مرحلۀ پلاستیک نمی شوند.

 

معایب میلگرد کامپوزیت چیست؟

• مقاومت بُرشی کم.
• حساسیت به آسیب‌های مکانیکی.
• دوامِ کمِ الیافِ شیشه در محیط های مرطوب.
• ضریب انبساط گرمایی بالا در جهت عرضی نسبت به بتن.
• هزینه اولیه بالا در مقایسه با میلگردهای فولادی (به استثنای میلگرد بازالت).
• حساسیت به آتش‌سوزی (به استثنای الیاف بازالت). گرمای بیش از حد به سازه، منجر به ذوب شدن رزین پلیمری خواهد شد.

اگرچه مقاومت خمشی و برشی میلگردهای کامپوزیت پایین است، اما با روش‌هایی می‌توان این مقاومت‌ها را بهبود بخشید و افزایش داد.

برای تقویت مقاومت خمشی این میله‌ها، در زمان ساخت، از رزین اپوکسی (معمولاً) استفاده می‌شود. این تقویت باعث می‌شود تا ظرفیت تحمل بار تا 40 درصد افزایش یابد.

به منظور تقویت مقاومت بُرشی نیز FRP را به نمای بیرونی تیرآهن‌های U شکل عمودی وصل می‌کنند. برای تقویت برشی دیوارها، نیز (مانند دیوارهایی که بتن آرمه نشده‌اند) می‌توان FRPها را به یک یا هر دو طرف دیوار به صورت عمودی، افقی و یا به صورت الگوی X مانند، اتصال داد.

 

تفاوت میلگرد فولادی با میلگرد کامپوزیت چیست؟

وزن و مدول الاستیسیته کمتر، دو تفاوت اصلی میلگرد فولادی و کامپوزیتی است. میانگین وزن مخصوص FRP 2.2 است در حالی که وزن مخصوص فولاد 7.75 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد. و مدول الاستیسیته آن نیز پنج بار کمتر از آرماتورهای فولادی است. از دیگر تفاوت های بین این دو می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• میلگردهای کامپوزیتی رسانای جریان الکتریسته و رسانای حرارتی نیستند.
• عمر آن ها دو برابر آرماتورهای فولادی است.
• مقاومت کششی آن ها بیشتر است.
• در برابر خوردگی مقاوم هستند.

 

مختصری از تاریخچه Fiber Reinforced Polymer

اولین استفاده از FRPها به عنوان تقویت کننده سازه، به سال 1975 برمی‌گردد که از میلگردهای الیاف شیشه برای تقویت یک پل چوبی به طول 30 فوت (9 متر) استفاده شد. در دهه 1980 مطالعات قابل توجهی در مورد استفاده از FRP به عنوان تقویت کننده در اروپا به عنوان جایگزینی برای اتصال ورق های فولادی برای ترمیم و تقویت پل آغاز شد.

طی دهه 1990 تحقیقات گسترده‌ای در مورد امواج مغناطیسی سازه‌های پشتیبانی قطار در ژاپن انجام شد. ژاپنی‌ها در سال 1996 اولین کسانی بودند که دستورالعمل‌های طراحی بتن مسلح با FRP را معرفی کردند. از آن زمان، استفاده از Fiber Reinforced Polymer به عنوان تقویت کننده ساختاری، به طور چشمگیری افزایش یافته و راهنمای طراحی توسط سازمان‌های سراسر جهان تألیف شده است. با تدوین استانداردها و راهنماهای استفاده توسط مؤسسه بتن آمریکا (ACI) صنعت میلگرد FRP به رشد خود ادامه داده و امروزه در بسیاری از سازه ها یافت می‌شود.

به طور کل، صنعت میلگرد تقویت شده با الیاف، حدود سی سال قدمت دارد. این صنعت با قالب گیری الیاف آرامید و کربن با رزین های مختلف آغاز شد و سپس به الیاف شیشه ای مخلوط با رزین های وینیل استر و پلی استر گسترش یافت. در سال های اخیر، الیاف بازالت نیز به این مجموعه اضافه شده است.

 

فرایند تولید آرماتور کامپوزیت چگونه است؟

تولید FRP توسط فرایندی به نام Pultrusion انجام می‌شود. در این فرایند، تارها در یک حمام رزین کشیده و تنیده می‌شود تا خیس و مرطوب شوند. در مرحلۀ بعد، قالب فولادی را گرم می‌کنند تا رزین اضافی از بین برود و شکل کامپوزیت تنظیم می‌شود. حال نوبت به برش FRP های جامد است. محصول تولید شده در اندازه های مورد نظر برش داده می شود.

نکته ای که وجود دارد این است که آرماتورهای تولید شده را نمی‌توان به سادگی خم کرد. زیرا در ساخت آن‌ها از رزین‌های گرما سخت استفاده می‌شود. تنها در صورتیکه در ساخت آن‌ها از رزین های گرما نرم استفاده شده باشد، می‌توان با اعمال فشار زیاد، شکل جدید را در میله اعمال کرد. بهتر است خمکاری مورد نظر در زمان ساخت اعمال شود؛ زیرا در صورت خمکاری بعد از ساخت، مقاومت کششی محصول 40 تا 50 درصد کاهش می‌یابد. زیرا در زمان خمکاری بعد از ساخت، تنش‌هایی در بخش خمیده میله متمرکز می شود.

 

قیمت میلگرد کامپوزیت

در حال حاضر، استفاده از میلگرد کامپوزیت در صنعت ساختمان‌سازی ایران چندان رایج نیست. اما به طور کلی، بسته به متریال و استحکام این محصولات، قیمت آن‌ها متفاوت است. جهت استعلام قیمت این محصول و دیگر آرماتورها از جمله قیمت میلگرد آجدار و غیره، با شرکت مهندسی آنلاین سازه تماس بگیرید. کارشناسان ما آماده راهنمایی و مشاوره شما عزیزان هستند. از مشاوره در زمینه آهن آلات و امور ساختمانی متخصصان شرکت آنلاین سازه بهره مند شوید. 66396090 - 021

 در خارج از ایران، میلگردهای شیشه، به ویژه نوعِ E به دلیل استفاده گسترده‌تر و تولید بیشتر، قیمت پایین‌تری دارد.

استفاده از میلگردهای الیاف آرامید به عنوان تقویت کنندۀ سازه، حتی در کشورهای خارجی نیز معمول نیست. زیرا از یک طرف، مقاومت فشاری عمودی خوبی ندارند و از طرف دیگر، استفاده از آن ها در ساخت و ساز مقرون به صرفه نیست.

پلیمر تقویت شده با الیاف کربن بیشترین مقاومت و همچنین بیشترین دامنه مقاومتی را دارد. قیمت آن بالاتر از سایر میلگردهای کامپوزیت است.

در کشورهای پیشرفته، آرماتورهای الیاف بازالت، در حال حاضر به دلیل کمبود ظرفیت تولید، هزینه بالاتری دارد. اما به دلیل منبع تقریباً نامحدود، مقاومت و دوام بهتر نسبت به میلگرد فایبرگلاس، مطمئناً هزینه نهایی آن کاهش می‌یابد. اما در آینده‌ای نزدیک که تولید میلگرد بازالت رونق بیشتری بگیرد، قیمت آن کمتر خواهد شد. زیرا بازالت یک ماده طبیعی است و در زمان تولید الیاف آن، ماده شیمیایی به آن اضافه نمی‌شود؛ اما این پروسه، تا تولید انبوه این محصول و گسترش استفاده از آن، کمی زمان بر است.

به طور کلی، قیمت میلگردهای کامپوزیت کمتر از سایر میلگردهای فلزی تمام خواهد شد. هزینه حمل و نقل و استفاده از نیروی کار نیز به دلیل وزن کم این محصولات، کمتر خواهد شد.