انواع میلگرد FRP

انواع میلگرد FRP در مقایسه با مصالح ساختمانی سنتی مانند فولاد و آلومینیوم عملکرد متفاوتی دارد. این میلگردها در مقایسه با چگالی کمی که دارند از استحکام بالایی برخوردار هستند. مقاومت انواع میلگرد FRP در برابر خوردگی فوق‌العاده است و خواص الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی ایده‌آلی دارد. در عین حال، انواع میگرد FRP شکنندگی بالایی دارند و خواص مکانیکی آن‌ها تحت تاثیر بارگذاری و تغییرات دما و شرایط محیطی قرار خواهد داشت. انتظار میرود میلگردهای الیاف دار توانایی تحمل بار و استحکام در راستای طول الیاف را داشته باشند. انواع میلگرد FRP بر اساس الیافی که در ساختار آن‌ها استفاده می‌شود متفاوت است. در ادامه انواع میلگرد کامپوزیت با الیاف شیشه‌ای ، کربنی ، آرامیت و بازالت مورد بررسی قرار گرفته است.

الیاف انواع میلگرد FRP

انتخاب الیاف، نقش تعیین کننده‌ای در خواص میلگرد FRP خواهد داشت. الیاف کربن، شیشه و آرامید سه الیاف مورد استفاده در ساختار میلگرد است و به تازگی الیاف بازالت برای ساخت میلگرد کامپوزیتی استفاده می‎شود. مهم‌ترین تفاوت انواع میلگرد FRP در میزان کرنش کششی و سختی خود را نشان می‎دهد. 

بستر رزین پلیمری انواع میلگرد FRP

بستر رزین پلیمری باید نیروها را بین الیاف منتقل کند و از الیاف محافظت کند. رزین های ترموست در اغلب تولیدات انواع میلگرد FRP مورد استفاده قرار می‎گیرد. وینیل استر و اپوکسی رایج ترین بستر رزین پلیمری است. اپوکسی معمولا به وینیل استر ترجیح داده می شود، اما هزینه بیشتری نیز دارد. اپوکسی ها دارای استحکام، چسبندگی، خواص خزشی و مقاومت شیمیایی مناسبی هستند.

استفاده از انواع میلگرد FRP

سازه‌ها اغلب تحت تنش‌های محیطی نیاز به تعمیر و نگهداری خواهد داشت. خصوصا در مجاورت با رطوبت، زنگ زدگی و خوردگی فولاد دور از انتظار نیست. استفاده از الیاف FRP مدت‌هاست که برای تقویت سازه‎ها به کار می‎رود و انواع میلگرد FRP نیز مدت‌هاست که برای تقویت سازه مورد استفاده گسترده قرار دارد.

اولین موارد استفاده از انواع میلگرد  FRP برای تقویت سازه به دهه‌ی ۱۹۶۰ آمریکا برمی‏گردد. پروسه تحقیقات آکادمیک و تدوین آیین‌نامه‌ها تا دهه‌ی ۱۹۸۰ ادامه می‌یابد. اما نقطه عطف استفاده از میلگرد FRP را در صنعت حمل و نقل ژاپن می‌توان دید. قطارهای مغناطیسی از دهه‌ی ۱۹۹۰ در ژاپن توسعه یافت و استفاده از میلگرد فولادی در کارکرد قطار مغناطیسی اختلال ایجاد می‎کرد. ژاپنی‎ها اولین تیم طراحی بتن آرمه با FRP را تشکیل دادند و از آن زمان به بعد استفاده از انواع میلگردFRP در جهان توسعه‌ی چشم‌گیری یافت. آرماتورهای FRP عمدتا در سازه‌هایی که تحت خوردگی شدید بود یا سازه‌هایی که با میدان مغناطیسی سروکار داشت به سرعت جایگزین و تثبیت شد.

مزیت انواع میلگرد FRP

برخلاف میلگردهای فولاد، انواع میلگرد FRP خاصیت غیرخورنده دارند و در برابر واکنش با کلراید مقاومت می‎کنند. بدون شک، سازه‌ای که با رطوبت و خصوصا با آب شور در ارتباط باشد، با سدیم کلراید موجود در آب واکنش نشان می‎دهد و به سرعت شاهد خوردگی شدید فولاد خواهید بود اما در صورت استفاده از FRP نگرانی از بابت خوردگی وجود نخواهد داشت. علاوه بر این وزن FRP به نسبت سبک‎تر است و استحکام قابل قبولی دارد.

از نظر ویژگی‌های مکانیکی نیز، مدول الاستیک FRP معمولا کمتر از فولاد است (البته میلگرد کربنی CFRP مدول یانگ بالایی دارد). انواع میلگرد FRP با داشتن الاستیک خطی بدون مرحله تسلیم، نرخ کشیدگی کمتری دارند و کرنش شکست در آن‎ها پایین‌تر است. ویژگی “خستگی” در کارکرد انواع میلگرد FRP کمتر دیده می‌شود که این ویژگی در مرحله کیفیت بهره‌برداری اهمیت خواهد داشت.

ساختار انواع میلگرد FRP

کامپوزیت مورد نیاز برای تولید FRP معمولا از ترکیب چندین ماده با خاصیت‎های متفاوت ایجاد می‎شود. کامپوزیت FRP عموما از فیبر، رزین، فیلرها و  مواد افزودنی تولید می‎شود که فیبر به کار رفته در این میلگردها، مدول الاستیک بالایی دارد و به خواص مکانیکی FRP کمک می‎کند و در عین حال، رزین‌ به کار رفته در انواع میلگرد FRP ، انتقال یا توزیع تنش‎ها از یک فیبر به فیبر دیگر را تسهیل می‎کند تا ساختار میلگرد مقابل آسیب مکانیکی در امان باشد. رابط به کار رفته میان الیاف بر کارکرد ایمن انواع میلگرد های FPR تاثیرگذار است و فیلرها به کاهش انقباض میلگردها کمک می‎کنند. افزدونی علاوه بر بهبود کارایی میلگرد، خواص فیزیکی و مکانیکی را نیز به طرز چشم‌گیری بهبود می‎بخشد.

۴ ماده اصلی مورد استفاده در ساخت انواع میلگرد FRP شامل:

1. کربن
2. شیشه
3. ارامید
4. بازالت

با استفاده از این مواد انواع میلگرد FRP تولید می‎شود. نام گذاری این میلگردها به شرح زیر است:

• CFRP : میلگردهای کامپوزیتی که در ساختار آن‌ها کربن به کار رفته
• GFRP : میلگردهای کامپوزیتی که در ساختار آن‎ها از شیشه استفاده شده
• AFRP : میلگردهای کامپوزیتی که در ساختار آن‌ها از آرامید استفاده شده
• BFRP : میلگردهای کامپوزیتی که در عنصر بازالت در ساختار آن به کار رفته

خواص مکانیکی انواع میلگرد FRP

خواص مکانیکی مربوط به ۴ میلگرد کامپوزیت در مقایسه با میلگردهای فولادی در جدول زیر ارائه شده است:

میلگرد فولادی	میلگرد BFRP	میلگرد AFRP	میلگرد GFRP	میلگرد CFRP	ویژگی‌ها
۷.۸۵	۱.۹۰-۲.۱۰	۱.۲۵-۱.۴۵	۱.۲۵-۲.۵۰	۱.۵۰-۲.۱۰	چگالی (gm/cm3)
۴۸۳-۶۹۰	۶۰۰-۱۵۰۰	۱۷۲۰-۳۶۲۰	۴۸۳-۴۵۸۰	۶۰۰-۳۹۲۰	تنش فشاری (MPa)
۲۰۰	۵۰-۶۵	۴۱-۱۷۵	۳۵-۸۶	۳۷-۷۸۴	مدول یانگ (GPa)
۶.۰-۱۲.۰	۱.۲-۲.۶	۱.۴-۴.۴	۱.۲-۵.۰	۰.۵-۱.۸	ازدیاد طول
۱۱.۷	۹.۰ – ۱۲.۰	-۶.۰ – ۲.۰	۶.۰ – ۱۰.۰	۰.۰ – ۹.۰-	ضریب انبساط خطی

منحنی تنش کرنش انواع میلگرد FRP

همانطور که نمودار زیر نشان می‌دهد، نسبت تنش به کرنش انواع میلگرد FRP در مقایسه با میلگرد فولادی نشان دهنده‌ی حذف ناحیه‎ی پلاستیک است. نکته‌ی دیگری که این نمودار نشان می‌دهد، مدول الاستیسته‌ی بالای میلگردهای الیاف کربنی (CFRP) است که تا نقطه‌ی شکست با مقاوم‌ترین میلگردهای فولادی برابری می‌کند اما همانند سایر میلگردهای کامپوزیتی وارد ناحیه پلاستیک  نمی‌شود. نمودارهای زیر نشان می‌دهد در شرایطی که تنش زیر ۲۵۰ مگا پاسکال باشد، حدود میزان کرنش انواع میلگرد FRP با میلگرد فولادی تقریبا برابر است و با افزایش تنش، کرنش میلگردهای کامپویزیتی به شدت افزایش پیدا خواهد کرد.

میلگرد CFRP

الیاف کربنی در واقع موادی ناهمسانگرد هستند که در دمای بالا تولید می‎شوند. در مورد ویژگی‌های اصلی این الیافت می‎توان به چگالی پایین، رسانایی ضعیف، مقاومت بالا در برابر خستگی، مدول الاستیک بالا، سطح خزش خوب و مقاومت در برابر اثرات شیمیایی و عدم جذب آب اشاره کرد. با این حال نباید انتظار مقاومت فشاری بالایی از میلگرد CFRP داشت و ناهمسانگرد بودن به کاهش استحکام شعاعی این میلگردها منجر شده است. 

انواع میلگرد FRP تولید شده با الیاف کربن

الیاف کربن مدول الاستیسیته بالایی دارند ( ۲۰۰-۸۰۰ GP ) و ازدیاد طول نهایی این میلگردها ۰.۳-۲.۵٪ است. ازدیاد طول کمتر به معنای سختی بیشتر است. الیاف کربن هیچ رطوبتی جذب نمی کنند و در برابر بسیاری از محلول های شیمیایی مقاوم هستند. این میلگردها به خوبی در برابر خستگی مقاومت می کنند و دچار خوردگی نمی‌شوند و هیچ نشانی از خزش بروز نمی‌دهند.

میلگرد GFRP

یکی از معروف‌ترین و پر کاربردترین میلگردهای کامپوزیت، میلگرد GFRP است که در ساختار آن از گلس یا شیشه استفاده شده است. به این میلگرد فایبرگلاس نیز گفته می‎شود. الیاف شیشه از نظر طبیعی همسانگرد بوده و کاربردهای گسترده‎ای دارند. انواع میلگرد GFRP استحکام بالایی دارد و در برابر آب و مواد خورنده‌ی شیمیایی کاملا مقاوم است. هزینه‌ی تولید این میلگردها نسبت به میلگرد کربنی پایین‏تر است.

یکی از معایب این میلگردها مدول الاستیک نسبتا پایین آن است. میلگردهای GFRP در مقایسه با میلگرد فولادی، ناحیه پلاستیک کمتری دارند. در واقع پس از آنکه تنش به نقطه‌ی شکست رسید به جای ورود به ناحیه پلاستیک، شکست رخ می‌دهد. اما همین ضعف میلگردهای ساخته شده از الیاف شیشه‌ای هنگام استفاده از آرماتور GFRP در بتن به مزیت تبدیل می‎شود. مدول الاستیک انواع میلگرد FRP به بتن شباهت بیشتری نسبت به فلز دارد، بنابراین رفتار میلگرد در برابر تنش با بتن هماهنگ است و اگر به نتایج مقایسه‌های کارکرد بتن فولادی و کامپوزیتی نگاهی بیندازید، خواهید دید که بتن‌های ساخته شده از میلگرد کامپوزیت، ترک‌های کمتری دارند و طی دوران بهره‌برداری، آسیب‌های کمتری را متحمل می‎شوند. 

انواع میلگرد FRP با الیاف شیشه

الیاف شیشه اساساً با مخلوط کردن ماسه سیلیس، سنگ آهک، اسید فولیک و برخی مواد افزودنی دیگر ساخته می‎شود. مخلوط را تا حدود ۱۲۶۰ درجه سانتیگراد حرارت می دهند تا ذوب شود. سپس به شیشه مذاب اجازه داده می شود تا از طریق سوراخ های ریز در یک صفحه پلاتین جریان یابد. رشته های شیشه ای سرد، جمع آوری می‌شوند و برای افزایش استحکام در یک جهت کشیده می شوند. سپس الیاف به اشکال مختلف برای استفاده در کامپوزیت ها بافته می شوند. به دلیل وجود ترکیباتی مانند بوروسیلیکات آهک آلومینیوم، الیاف تولید شده GFRP عایق التریکی بسیار خوبی هستند، حساسیت کمی به رطوبت دارند و ، به عنوان تقویت کننده سازه‌ها انتخابی ایده آست. انواع میلگرد FRP به طور کلی دارای الیافی مقاوم در برابر ضربه است اما وزن آن بیشتر از کربن یا آرامید است.

انواع میلگردGFRP عبارتند است:

• E-Glass
• S-Glass
• C-Glass
• AR-glass

انواع میلگرد FRP	چگالی	مقاومت فشاری  (MPa)	مدول الاستیک(GPa)	درصد ازدیاد طول به طول اولیه	ضریب انبساط حرارتی (۱۰–۶/  C)
E-glass	۲.۵	۳۴۵۰	۷۲.۴	۲.۴	۵.۰
S-glass	۲.۵	۴۵۸۰	۸۵.۵	۳.۳	۲.۹
C-glass	۲.۵	۳۳۰۰	۶۹	۲.۳	–
AR-glass	۲.۲۷	۱۸۰۰-۳۵۰۰	۷۰.۷۶	۲.۰ – ۳.۰	–

میلگرد AFRP

الیاف آرامید دارای طبیعت ناهمسانگرد است. رنگ این الیاف معمولا زرد است فیبر آرامید در بازار با نام فیبر کِولار شناخته می‎شود. این الیاف نسبت به فایبرگلاس قیمت بالاترین دارد و کاربرد اصلی آن در شرایط کشش شدید است و مقاومت فشاری بالایی ندارد. در واقع میلگرد AFRP بیشتر برای کابل و سایر عضوهای کششی به کار می‎رود. چگالی این میلگردها پایین است و استحکام کششی بالاییی دارد و مدول الاستیک آن نیست بالاست و سختی میلگردهای آرامید نیز مناسب است. دو ضعف مربوط به نداشتن ناحیه پلاستیک و استحکام شعاعی کم استفاده از این میلگردها را محدود کرده است. علاوه بر این برش این میلگردها نسبتا سخت و پردازش پر دردسری دارد.

انواع میلگرد FRP با الیاف آرامید

آرامید‌ها نوعی پلی آمید آروماتیک است علامت تجاری رایج این میلگردهاKevlar  است، اما مارک های دیگری مانند Twaron، Technora  و SVM نیزعرضه شده است. مدول الاستیک الیاف ۷۰-۲۰۰ گیگا پاسکال با کشیدگی نهایی ۱.۵-۵٪ وابسته به کیفیت تولید متفاوت است. آرامید مقاومت شکست بالایی دارد به همین دلیل برای کلاه ایمنی و لباس های ضد گلوله استفاده می شود.این میلگردها به دماهای بالا، رطوبت و اشعه ماوراء بنفش حساس هستند به همین دلیل کاربردهای سازه‎ای گسترده‌ای ندارند.

انواع میلگرد FRP از الیاف آرامید به شرح زیر است:

• Kevlar-29
• Kelvar-49
• Kelvar-149
• Technora H
• Twaron
• Twaron HM

انواع میلگرد آرامید	Kevlar 29	Kevlar 49	Kevlar 149	Technora H	Twaron	Twaron HM
چگالی (g/cm3)	۱.۴۴	۱.۴۴	۱.۴۴	۱.۳۹	۱.۴۴	۱.۴۵
مقاومت فشاری  (MPa)	۲۷۶۰	۳۶۲۰	۳۴۵۰	۳۰۰۰	۳۰۰۰	۳۰۰۰
مدول الاستیک(GPa)	۶۲	۱۲۴	۱۷۵	۷۰	۸۰	۱۲۴
درصد ازدیاد طول به طول اولیه	۴.۴	۲.۲	۱.۴	۴.۴	۳.۳	۲.۰
ضریب انبساط حرارتی (۱۰–۶/  C)	–۲.۰ long. 59 radil	–۲.۰ long. 59 radil	–۲.۰ long. 59 radil	–۲.۰ long. 59 radil	–۲.۰ long. 59 radil	–۲.۰ long. 59 radil

میلگرد BFRP

فیبر بازالت نوعی سنگ آذرین است که از سرد شدن سریع گدازه آتش فشانی تشکیل می‌شود. تولید الیاف بازالت مشابه الیاف شیشه است. سنگ های خرد شده بازالت تنها مواد خام مورد نیاز برای تولید الیاف هستند. میلگرد بازالت نسبت به سایر انواع میلگرد FRP قدمت کمتری دارد و به تازگی وارد بازار شده است. این الیاف دارای استحکام کششی بالایی هستند و در برابر دمای بالا مقاومت و دوام مناسبی دارند. این میلگرده‌ها یکی از بهترین گزینه‌ها در سازه‌هایی است که با نیروی الکترومغناطیس کار می‎کند. مقاومت ایده‌آلی در برابر خوردگی و اسید دارد و در برابر تشعشع و لرزش و UV مقاوم است. کاربرد BFRP نسبت به سایر انواع میلگرد FRP بسیار محدود است.