امروزه مواد کامپوزیت (تقویت کننده های FRP) در ساخت سازه های گوناگون و همچنین تقویت و مرمت سازه ها مورد استفاده فراوان قرار گرفته است.صدها تن از این مواد در صنایعی چون صنعت ساختمان مورد بهره برداری جدی قرار دارد. از زمانی که بشر نخستین دیوار کاه گاهی را به عنوان اولین سازه کامپوزیتی ساخت و یا از زمانی که پرستوها لانه های خود را به صورت ترکیبی از کاه و گل به عنوان یک سازه کامپوزیتی بنا کردند، تا امروز که مواد کامپوزیت پایه پلیمری در ساخت بناها، ستون ها، درها و پنجره ها و… به کار می روند، تا امروز که مواد کامپوزیت پایه پلیمری در ساخت بناها، ستون ها، درها و پنجره ها و… به کار می روند، مسیری طولانی پیموده شده است.

در مناطق زلزله خیز، مقاوم سازی ساختمان ها در برابر زلزله و پایداری در برابر نیروهای افقی و قائم اهمیت صد چندان پیدا می کند. مقاوم سازی سازه های بتنی در برابر زلزله نیز از موضوعاتی است که امروزه در جهان به صورت عام مورد استفاده قرار گرفته است و به سرعت رو به گسترش است. با توجه به زلزله خیز بودن کشورمان، بهره برداری از این فناوری می تواند معضلات فراوانی را حل کند.

این کامپوزیت ها دارای زمینه پلیمری و از خانواده P.V.C ها هستند، در داخل این زمینه پلیمری از تار های شیشه ای و یا کربنی استفاده می شود. رفتار کامپوزیت ها براساس ماهیت آن به وسیله جهت و تربیت قرارگیری الیاف آن ها معین می شود. این الیاف به نسبت سفت، به وسیله زمینه ای از جنس رزین در کنار هم نگه داشته می شود. در واقع به کارگیری این ویژگی جهت دار کردن الیاف که امکان طراحی کامپوزیت را برای تحمل شرایط ویژه بارگذاری فراهم می کند. الیاف به صورت دو لایه و بیشتر در ساخت کامپوزیت ها استفاده می شود. در تار و پود دو لایه، مقاومت در دو جهت افزایش می باید و در سه لایه، در سه جهت تار و پود و قطر، مقاومت افزایش پیدا می کند. با این تکنیک می توان ساختمان های ساخته شده را که در برابر زلزله از مقاومت مناسبی برخورداری نیستند را مدتی پس از ساخت، مقاوم سازی نمود.

در این روش دو مساله مطرح است :

۱- چسب و چسباننده (پلیمر) که پلیمر ها زمینه و انواع مختلف دارند.

۲- تار و پودر آن که الیاف مختلف کربن و یا الیاف شیشه است. (الیاف شیشه و کربن موارد مصرف فراوانی دارند). هر چقدر کربن خالص تر باشد ( سخت بالاتری داشته باشد) مقاومت فوق العاده بالاتر می رود.

نگهداری و ارتقای سازه های تاریخی و آثار معماری، بخش بزرگی از صنعت ساخت و ساز است. در این زمینه، طراحی انعطاف پذیر مواد کامپوزیتی می تواند راه حلی نو برای نیاز مهندسان و معماران در پروژه های ویژه باشد. امروزه برای مقاوم سازی ساختمان های قدیمی و موجود استفاده از کامپوزیت ها با زمینه پلیمری بهترین گزینه می باشد. با آزمایشات مختلفی که انجام گرفته است، دیده شد که با قرار دادن یک لایه کامپوزیت به ضخامت ۲mm یا ۳ در زیر تیر، ظرفیت باربری ۱۰۰٪ افزایش پیدا می کند.

کاهگل

اولین کامپوزیت ساخته دست انسان، مخلوط خاک رس و آب است که آن را با کاه مخلوط می کردند و کاهگل بدست می آمد.

کاهگل = (آب + خاک رس) + کاه. دانه های رس، قدرت جذب آب بسیار بالایی دارند، این دانه ها انواع مختلفی دارند: سوزنی، پهن برگ، چند گوشه، تیز گوشه. ولی اندازه دانه ها در حد میکرون و یا نهایتا میلی متری می باشد. این دانه ها دارای قدرت جذب آبی معادل 2/7 برابر حجم خود هستند آب را تا جایی می مکند که اشباع شوند و این ها قدری‌ آب جذب می کنند که حلقه هایی را تشکیل می دهند و حباب های آبی متداخل شده و سدی در برابر نفوذ قطره ای آب ایجاد می کنند چون این دانه ها متداخل شده اند، سد پایداری به وجود می آورند، به همین دلیل در گذشته از خاک رس استفاده می کردند به این طریق که آن را به صورت گل روی بام می کوبیدند، روی آن غلتک می زدند و این طریق مانع نفوذ آب باران می شدند ولی بعد از مدتی متوجه شدند که وقتی باران می خورد و آفتاب آن را می خشکاند باعث ایجاد ترک در آن می شود لذا آن را با کاه که قدرت کششی خوبی دارد مسلح کردند (کاه + گل)، امروزه در تهیه کامپوزیت های پلیمری، به جای کاه از تار شیشه یا کربن یا الیاف و به جای گل از پلیمر استفاده می شود. پلیمرها ، ماده چسبناک قوی هستند و الیاف یا تار کربن و شیشه در کشش فوق العاده قوی عمل می کنند. حسن کار در این است در هر جهتی که نیاز داشته باشیم میتوان، الیاف گذاشت ( در زوایا ۳۰، ۶۵، ۱۳۵، و…) ولی در گذشته کاه پراکنده بود، به این ترتیب :

۱- مقاومت فوق العاده افزایش می یابد.

۲- سازه بسیار سبک می شود.

روند تقویت و تعمیر سازهای ساخته شده، با روش های رایج کنونی بسیار زمان بر و مشکل است. ولی حالا با استفاده از کامپوزیت های پلیمری، می توان یک لایه مقاومتی ایجاد کرد که نتیجه بسیار مطلوبی خواهد داشت. این روش در کار های مرمتی بسیار مفید است و بدون اینکه نمای آجری آسیبی برسد، مقاومت سازه افزایش پیدا می کند.

جنس این الیاف می تواند مثل چرم مشکی و یا مثل تلق یا زرورق باشد (به لحاظ رنگ و بافت محدودیتی وجود ندارد). با مقطع کامپوزیتی به راحتی می توان شکاف های سنگ تخت جمشید را ترمیم کرد در حالیکه حاصل کار هم به لحاظ رنگ و هم بافت آنقدر مطلوب می شود که تشخیص سنگ از پلیمر را حتی برای کارشناسان هم سخت و دشوار می کند.

ساختار FRP

مواد کامپوزیتی FRP از دو جزء اصلی تشکیل می شوند :

الیاف و ماده چسباننده (رزین)

الیاف که ماده اصلی تشکیل دهنده FRP می باشند، نقش عناصر باربر را به عهده دارند و بنا به جنسشان قطری مابین ۵ تا ۲۵ میکرون دارا می باشند. رزین که می تواند از مواد با پایه ترموست و یا ترمو پلاستیک انتخاب شود، بیشتر نقش چسباننده الیاف به یکدیگر را دارد و مقاومتش تاثیر چندانی روی مقاومت نهایی FRP نخواهد داشت. مواد ترموست به موادی اطلاق می شود که با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع در نمی آیند، مانند پلی استر، اپوکسی و وینیل استر. حال آنکه مواد ترموپلاستیک موادی هستند که با اعمال حرارت روان شده و با سرد شدن سخت و جامد می گردند مانند پلی وینیل کلرید PVC، پلی اتیلن.

الیاف FRP ممکن است از چهار دسته از مصالح به شرح زیر ساخته شده باشد:

۱- الیاف کربن (CFRP)

۲- الیاف شیشه (GFRP)

۳- الیاف آرامید (AFRP)

۴- الیاف وینیل (VFRP)

از نظر ظاهری کربن سیاه رنگ، آرامید زرد رنگ و شیشه سفید رنگ است، کربن از دو مورد بقیه قوی تر است، البته محصولات تولید شده از یک جنس می توانند خصوصیات مکانیکی متفاوتی با توجه به روش تولید داشته باشند.

انواع تولیدات FRP

انواع تولیدات کامپوزیت های FRP عبارتند از:

۱- نوار های FRP

۲- صفحات FRP

۳- شبکه های FRP

۴- میلگرد های FRP

۵- پروفیل های FRP

۶- کابل و تاندون های FRP

که این محصولات برای انواع ترمیم و تقویت و یا عنوان پروفیل اصلی و یا جهت تسلیح در ساخت و سازهای حساس به کار می روند. الیاف در نوارها همگی در یک جهت واحد قرار دارند ولی در شیت ها ممکن است الیاف ها یک جهته یا دو جهته باشند. گاهی اوقات از ترکیب جنس های مختلف ( تار ها از یک جنس و پود ها از جنسی دیگر) شیت های هیبرید به دست می آیند.

بررسی ویژگی های فیزیکی FRP

عایق بودن

مصالح FRP از نظر الکتریکی و مغناطیسی خنثی بوده و عایق بسیار مناسبی می باشند، لذا استفاده از میلگرد های FRP جهت تسلیح دیوارهای بتنی در مناطق حساس به امواج الکترومغناطیسی مانند بیمارستان ها و یا برج مراقبت فرودگاه ها مناسب می باشد.

چسبندگی به بتن

چسبندگی مناسب با بتن از جمله ویژگی های مهمی است که مصالح تسلیح کننده بتن باید داشته باشند و در این میان مصالح FRP نیز از چسبندگی قابل قبولی برخوردارند و می توانند به نحو مناسبی با بتن درگیر شوند.

خستگی

خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصا در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنش های تناوبی قرار دارند، منجر شود. در مقایسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در برابر پدیده خستگی بسیار بهتر و مناسب تر است. به طوری که برای تنش های کمتر از نصف مقاومت نهایی، محصولات FRP در اثر خستگی گسیخته نمی شوند.

رفتار مصالح FRP در برابر شرایط محیطی

تاثیر رطوب

بیشتر کامپوزیت های با رزین پلیمری به هنگام قرارگیری در معرض شرایط مرطوب، طی یک روند افزاینده که با مجذور زمان متناسب است، رطوبت را جذب نموده و سپس در سطح خود پخش می کنند تا به حالت اشباع برسند. زمان رسید به حالت اشباع نیز بستگی به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط دارد. در این میان، میزان درجه حرارت محیط نیز نقش تعیین کننده ای در سرعت و میزان جذب و پخش آب را دارا می باشد. به طوری که با افزایش درجه حرارت میزان جذب آب به شدت افزایش می یابد.

تاثیر محیط قلیایی

محصولات FRP ساخته شده از الیاف کربن و یا آرامید در مقابل محیط های قلیایی مطلق از خود ضعفی نشان نمی دهند و گزینه های بسیار مناسبی برای مصرف در چنین محیط هایی می باشند. اما در کاربرد کامپوزیت های با الیاف شیشه در محیط قلیایی، ضروری است که از الیاف شیش با مقاومت بالای قلیایی استفاده نمود زیرا محلول قلیایی، با الیاف شیشه واکنش داده و ژل انبساطی سیلیکا تولید می کنند. این نکته به خصوص در کاربرد کامپوزیت های با الیاف شیشه در رویه بتنی، به عنوان FRP میلگرد های مسلح کننده بسیار حائز اهمیت می باشد. امروزه علاقه به استفاده از میلگرد فولادی که با نمک های یخ زدا خورده می شوند و نیز در سازه های در مجاورت آب، افزایش یافته است. مقاومت در مقابل حمله قلیایی ها را می توان با طراحی عضو سازه ای برای تحمل سطح تنش های کمتر، بهبود داد. همچنین می توان برای بهبود دوام، از الیاف شیشه با مقاومت بسیار خوب در مقابل قلیا استفاده نمود.

تقویت اجزای ساختمانی با استفاده از FRP

امروزه می توان با استفاده از کامپوزیت ها انواع عناصر ساختمانی را تسلیح و تقویت نمود.

تقویت ستون

استفاده از ورق های FRP برای ترمیم و تقویت ستون های بتنی امروزه رایج می باشد. بهتر است ستون های بتنی که با FRP تقویت دورپیچ می شوند دارای مقطع دایره ای شکل و یا نزدیک به دایره (بیضی گون) باشند. زیرا مقاطع مربعی و مستطیلی دارای گوشه های تیز بوده و موجب پارگی ورق FRP می شوند.

چنانچه ستونی که نیاز به ترمیم و تقویت دارد دارای سطح مقطع مربعی می باشد، برای جلوگیری از پارگی الیاف کامپوزیت می بایست پخ زنی شود تا گوشه هایش از حالت تیز گوشه در آمده و پخ شوند. تقویت ستون ها با FRP هم در جهت افزایش مقاومت خمشی و هم در جهت افزایش مقاومت برشی صورت می گیرد.

تقویت تیر

تیرهای بتنی که در اثر خوردگی و یا تماس با محیط خورنده، باربرداری بیش از حد سایر عوامل دچار کاهش مقاومت خمشی و برشی شده اند، می توانند با استفاده از مصالح FRP ترمیم و تقویت شوند. این ترمیم بیشتر به وسیله ورق های FRP و یا نوار های FRP و در جهت افزایش مقاومت خمشی و برشی تیر صورت می گیرد بهتر است برای تقویت تیرهای بتنی با استفاده از FRP بهتر است شیاری در کنار محل اتصال به سقف ایجاد شود و نوارهای FRP از داخل آن عبور کرده و تیر بتنی را دورپیچ کنند تا اینکه به صورت U شکل به تیر متصل شوند زیرا میزان چسبندگی به بتن در این حالت نسبت به اتصال U بیشتر است در این حالت حتی بهتر است الیاف FRP به هنگام عبور از شیار یم بار تابانده شوند تا حداکثر کشش در مورد الیاف ایجاد شود و اصطلاحا الیاف ول نمانند.

تقویت برشی تیر ها با استفاده از FRP به دو روش پیوسته و منقطع انجام می گردد که در روش منقطع، امکان تبخیر آب بتن، عمل آوردی و مصرف کمتر FRP وجود دارد ولی از نظر اجرایی مشکلاتی به همراه دارد و نیز امکان وقوع مود گسیختگی خطرناک ناشی از عدم چسبندگی در این حالت بیشتر است، لذا استفاده از روش پیوسته در مواقعی که ترمیم از اهمیت بیشتری برخوردار است، توصیه می شود.

به طور کلی سه نوع الگوی پیوند در تقویت برشی تیرها با استفاده از مصالح FRP وجود دارد که عبارتند از: الف- ورق FRP دور تا دور تیر را در برگیرد ب- پوشش U شکل FRP ج- ورقه FRP دو طرف تیر چسبانده شود.

تقویت دال

جهت ترمیم و تقویت دال های بتنی نیز می توان از نوارها و ورق های FRP استفاده نمود. در این مورد نیز می توان با چسباندن ورق های FRP به زیر دال های بتنی مقاومت خمشی آن ها را افزایش داد. دال های بتنی را می توان در یک جهت و یا هر دو جهت تقویت نمود. برای تقویت در ۲ جهت دال های بتنی معمولا از یک آرایش عمود بر هم نوار ها استفاده می شود. برای تقویت دال های بازشو های بزرگ، ممکن است از ورق های تقویتی FRP که با زاویه ۴۵ درجه و به صورت مورب قرار گرفته اند در اطراف بازشو استفاده شود. هر چقدر فاصله بین نوار های FRP چسبانده شده زیر دال کمتر باشد، میزان افزایش مقاومت خمشی دال بیشتر خواهد بود.

در مورد دال ها به دلیل شرایط دشوار اجرا و چسباندن الیاف به دال، که مانند اجزای جوش بالا سری دارای دشواری های بیشتری اس، ترجیح داده می شود از نوار های آماده FRP که یک روی آن چسب زده و آماده نصب است، استفاده شود.

تقویت سیلو

سایر سازه ها مانند سیلو ها، عرشه و پایه پل ها و انواع فونداسیون ها نیز قابل ترمیم با استفاده از مصالح FRP می باشند. جهت ترمیم و تقویت سیلوهای بتنی در برابر گسترش ترک هاس عمودی تشکیل شده روی بدنه سیلو می توان از نوارهای FRP که مانند تقویت ستون های بتنی به صورت دورپیچ قرار می گیرند استفاده نمود و بدین تربیت تنش های فشاری شعاعی را در پوسته بتنی سیلو کنترل نمود تصاویر زیر مراحل انجام تقویت سیلوها در ارتفاع سیلو نشان می دهد.