تعریف
میلگردهای کامپوزیتی ، یا به اختصار FRP، به دلیل مقاومت کششی بالایی که دارند جایگزین مناسبی برای میلگردهای معمولی در اعضای کششی هستند. جنس این نوع میلگردهای از فیبرهای پلیمری تقویت شدهای است که الیاف و رزین دو پایه اصلی این میلگردها هستند.
انواع میلگردهای کامپوزیتی
میلگردهای کامپوزیتی بر اساس نوع پلیمرهای استفاده شده در روند ساخت آنها به سه دسته زیر تقسیم میشوند
۱- میلگرد کربن Carbon Fiber Reinforced Polymer یا به اختصار (CFRP)
۲- میلگرد شیشه Glass Fiber Reinforced Polymer یا به اختصار (GFRP)
۳- میلگرد آرامید Aramid Fiber Reinforced Polymer یا به اختصار (AFRP)
هرکدام از انواع این نوع میلگردها مشخصات مکانیکی متفاوتی دارند که در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد.
خواص و مزایای میلگردهای کامپوزیتی
۱- مقاومت بالا در برابر خوردگی: یکی از مهمترین عواملی که موجب فرسایش و در نهایت تخریب سازه های بتنی میشود، خوردگی میلگردهای به کار رفته در ساخت آنهاست. مهمترین خاصیت میلگردهای کامپوزیتی، مقاومت بسیار بالای آنها در برابر خوردگی است که همین دلیل مناسبی برای جایگزینی این نوع میلگردها با میلگردهای معمولی در ساخت سازههای نوین و استفاده از آنها در مقاومسازی سازههای موجود است. از این خاصیت میلگردهای FRP در ساخت سازه هایی مانند سازه های دریایی، پایه های پل و اسکله های که در معرض خوردگی شدید قرار دارند استفاده میشود.
۲- مقاومت در برابر جریان الکتریکی: به طور کلی این نوع میلگردها نارسانا هستند. میلگردهای FRP در ساخت سازه هایی که احتمال برق گرفتگی در آنها بالاست، مانند دکلهای بتنی انتقال نیرو، تیرهای برق و پستهای پیشساخته بتنی، استفاده میشوند.
۳- وزن پایین: همانطور که در ادامه در جدول مشخصات میلگردهای FRP مشاهده میشود، چگالی این میلگردها پایین بوده که همین خاصیت باعث پایین آمدن سربار سازه نهایی میشود.
| چگالی میلگردهای کامپوزیتی و فولادی (برحسب کیلوگرم بر مترمکعب) | |||
| میلگرد فولادی | میلگرد کامپوزیتی با الیاف شیشه | میلگرد کامپوزیتی با الیاف کربن | میلگرد کامپوزیتی با الیاف آرامید |
| ۷۹۰۰ | ۲۱۰۰-۱۲۵۰ | ۱۶۰۰-۱۵۰۰ | ۱۴۰۰-۱۲۵۰ |
۴- دوام و طول عمر بالا: میلگردهای کامپوزیت نسبت به میلگردهای معمولی دارای دوام و طول عمر بسیار بالاتری هستند. در مطالعات انجام شده این نسبت تقریبا ۱۵ برابر میباشد.
مشخصات مکانیکی
یکی از مشخصاتی که در مطالعات این نوع میلگردها مورد توجه قرار گرفته است، ضریب انبساط حرارتی (Coefficient of Thermal Expansion) است. در جدول زیر، این ویژگی برای انواع میلگردهای کامپوزیتی در مقایسه با میلگرد فولادی آورده شده است.
| ضریب انبساط حرارتی میلگردها بر حسب CTE * 10-6 / ˚C | ||||
| نوع انبساط | میلگرد فولادی | میلگردهای کامپوزیتی با الیاف شیشه | میلگردهای کامپوزیتی با الیاف کربن | میلگردهای کامپوزیتی با الیاف آرامید |
| طولی (lα) | ۱۱٫۷ | ۶ تا ۱۰ | ۹- تا ۰ | ۶- تا ۲- |
| عرضی (Tα) | ۱۱٫۷ | ۲۱ تا ۲۳ | ۷۴ تا ۱۰۴ | ۶۰ تا ۸۰ |
سایر مشخصات مکانیکی بررسی شده در مطالعات انجام شده روی میلگردهای کامپوزیتی، تنش تسلیم اسمی، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، کرنش تسلیم و کرنش شکست است که در جدول زیر این مشخصات برای انواع میلگردهای کامپوزیتی در مقایسه با میلگرد فولادی معمولی آورده شده است.
| مشخصه مکانیکی | میلگرد فولادی | میلگردهای کامپوزیتی با الیاف شیشه | میلگردهای کامپوزیتی با الیاف کربن | میلگردهای کامپوزیتی با الیاف آرامید |
| تنش تسلیم اسمی (MPa) | ۲۷۶ تا ۵۱۷ | ندارد | ندارد | ندارد |
| مقاومت کششی (MPa) | ۴۸۳ تا ۶۹۰ | ۴۸۳ تا ۱۶۰۰ | ۶۰۰ تا ۳۶۹۰ | ۱۷۲۰ تا ۲۵۴۰ |
| مدول الاستیسیته (GPa) | ۲۰۰ | ۳۵ تا ۵۱ | ۱۲۰ تا ۵۸۰ | ۴۱ تا ۱۲۵ |
| کرنش تسلیم (برحسب درصد) | ۰٫۱۴ تا ۰٫۲۵ | ندارد | ندارد | ندارد |
| کرنش شکست (برحسب درصد) | ۶ تا ۱۲ | ۱٫۲ تا ۳٫۱ | ۰٫۵ تا ۱٫۷ | ۱٫۹ تا ۴٫۴ |
مقاومت فشاری
شاید بتوان نقطه ضعف این نوع میلگردها را مقاومت آنها در برابر فشار دانست. مقاومت فشاری میلگردهای کامپوزیتی از مقاومت کششی آنها پایینتر بوده تا جاییکه در حالت کلی، میلگردهای FRP تحت فشار طولی، دچار شکست کششی جانبی و ریزکمانشهای الیاف یا شکست برشی میشوند. از این رو، اتکا به مقاومت فشاری میلگردهای کامپوزیتی در سازههایی که با این مصالح ساخته میشوند توصیه نمیشود.
موارد استفاده
استفاده از میلگردهای کامپوزیتی، به خصوص GFRP، دامنه گستردهای در کارهای عمرانی پیدا کرده است. از جمله پرکاربردترین زمینههای استفاده از میلگردهای کامپوزیتی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- ساخت کانالهای بتنی هدایت فاضلاب
- ساخت سازه های بتنی دریایی و سازه های بتنی در اسکله ها
- استفاده برای آرماتوربندی لایه های بالایی عرشه پلها
- استفاده در ساخت دیواره بتنی تونلهای مترو
- استفاده در نیلینگ و تحکیم خاک
- ساخت شمعهای داخل خاک
- استفاده در ساخت سازههای مجاور دستگاه MRI در بیمارستانها و مراکز درمانی
- کانالهای روباز و لوله های هدایت آب
- ساخت بلوکهای بتنی پیشساخته مورد استفاده در جادهها
- آرماتوربندی کف پارکینگها و سالنهای صنعتی
- استفاده در ساخت تاسیسات فاضلابی (مانند تصفیه خانهها)
نکات مهم در استفاده از میلگردهای کامپوزیتی
۱- میلگردهای کامپوزیتی در مقایسه با میلگردهای فولادی معمولی، دارای خصوصیاتی است که استفاده از آنها را در روند ساخت سازه متمایز میسازد. رفتار مکانیکی میلگردهای FRP را میتوان یک رفتار ناهمسانگرد دانست (به عنوان مثال مقاومت کششی آنها فقط در راستای جهت اصلی الیاف بالاست) در حالی که رفتار میلگردهای معمولی یک رفتار تقریبا ایزوتروپیک است. از این رو باید تغییراتی در طراحی سازه با این نوع میلگردها در نظر گرفت.
۲- علاوه بر این، میلگردهای کامپوزیتی رفتار الاستیک خطی دارند و در لحظه ورود به مرحله پلاستیک، از خود رفتار جاری شدن نشان نمیدهند. بنابراین در روند طراحی با این نوع میلگردها باید کاهش شکلپذیری سازه را نیز در طراحی لحاظ کرد.
۳- در آخر، با توجه به شکلپذیری کم سازههای ساخته شده با میلگردهای FRP، استفاده از این نوع مصالح باید برای سازههایی انتخاب شود که مشکل آنها خوردگی یا الکترومغناطیسی است.
