قضبان تسلیح FRP ذات أنواع ووظائف مختلفه مقارنه مع مواد البناء التقلیدیه مثل الصلب والألومنیوم. تتمتع هذه القضبان بمقاومه عالیه مقارنه مع کثافتها المنخفضه. مقاومه أنواع قضبان تسلیح FRP للتآکل استثنائیه أنواع قضبان تسلیح FRP تعمل بشکل مختلف مقارنه بمواد البناء التقلیدیه مثل الفولاذ والألمنیوم. تتمتع هذه القضبان بمقاومه عالیه مقارنه مع کثافتها المنخفضه. مقاومه أنواع قضبان تسلیح FRP للتآکل استثنائیه وعالیه ولها خصائص کهربائیه ومغناطیسیه وحراریه مثالیه. من المتوقع أن تکون قضبان التسلیح المقواه بالألیاف قادره على تحمل الحمولات والقوى المطبقه على طول الألیاف. أنواع قضبان تسلیح FRP تختلف على أساس الألیاف المستخدمه فی هیکلها. فیما یلی مختلف أنواع قضبان التسلیح المرکبه المقواه بالألیاف الزجاجیه والکربون والأرامید والبازلت.
ألیاف أنواع قضبان تسلیح FRP
اختیار الألیاف سوف یلعب دورا حاسما فی خصائص قضبان تسلیح FRP. ألیاف الکربون والزجاج والأرامید هی الألیاف الثلاثه المستخدمه فی هیکل قضبان تسلیح المرکبه، وتستخدم ألیاف البازلت حدیثاً لصنع قضبان التسلیح المرکبه. الفرق الأکثر أهمیه والذی یمیز أنواع قضبان تسلیح FRP یتجلى فی درجه التشوه الناتج عن الشد والصلابه.
رکیزه الراتنج البولیمری لأنواع قضبان تسلیح FRP
یجب أن تنقل رکیزه راتنج البولیمر القوى بین الألیاف وتحمی الألیاف. تستخدم راتنجات ثرموستات فی معظم منتجات أنواع قضبان تسلیح FRP. راتنج فینیل الإستر والإیبوکسی هما أنواع الرکیزه الأکثر شیوعاً للراتنج البولیمری. یفضل الإیبوکسی عاده على فینیل الإستر، ولکنه یکلف أیضاً أکثر. تتمتع أنواع الإیبوکسی بمقاومه جیده والتصاق قوی وخصائص زحف ومقاومه للمواد الکیمیائیه.
استخدام أنواع قضبان تسلیح FRP
غالبا ما تتطلب الهیاکل التصلیح والصیانه تحت الضغوط البیئیه. خصوصاً فی المناطق المجاوره للرطوبه، فإن الصدأ وتآکل الصلب أمر لیست مستبعداً. منذ فتره طویله یتم استخدام ألیاف FRP لتعزیز الهیاکل، وأنواع FRP تستخدم منذ فتره طویله على نطاق واسع لتعزیز الهیاکل.
أول استخدام لأنواع قضبان تسلیح FRP لتعزیز الهیاکل یعود إلى عقد الستینات فی الولایات المتحده. استمرت عملیه البحث الأکادیمی وصیاغه القوانین حتى عقد الثمانینات. ولکن یمکن رؤیه المنعطف فی استخدام قضبان تسلیح FRP فی صناعه النقل الیابانیه. تم تطویر القطارات المغناطیسیه فی الیابان منذ عقد التسعینات، وأدى استخدام قضبان الصلب إلى خلل فی تشغیل القطارات المغناطیسیه. شکل الیابانیون أول فریق لتصمیم الخرسانه المسلحه باستعمال قضبان تسلیح FRP، ومنذ ذلک الحین یتم استخدام أنواع مختلفه من قضبان تسلیح FRP التی تطورت بشکل کبیر فی العالم. تم استبدال قضبان تسلیح FRP بسرعه فی الهیاکل التی کانت تتعرض للتآکل الشدید أو تلک التی تتعرض للحقول المغناطیسیه.
فوائد استعمال قضبان تسلیح FRP
على عکس قضبان التسلیح الفولاذیه، فإن قضبان تسلیح FRP لها خصائص مقاومه للتآکل ومقاومه للتفاعلات مع الکلورید. مما لا شک فیه أن المنشآت التی تتعرض للرطوبه، وخاصه المیاه المالحه، تتعرض للتفاعل مع کلورید الصودیوم فی الماء، مما یؤدی إلى تآکل شدید وسریع فی الفولاذ، ولکن باستخدام قضبان تسلیح FRP، فلن یکون هناک أی قلق حول التآکل. وبالإضافه إلى ذلک، فإن قضبان تسلیح FRP أخف وزناً ولها صلابه وقوه مقبوله.
من حیث الخواص المیکانیکیه، فإن معامل مرونه قضبان تسلیح FRP عاده ما یکون أقل من الصلب (وبطبیعه الحال، فإن قضبان تسلیح CFRP المکربنه لدیها معامل یونغ عالٍ). أنواع قضبان تسلیح FRP لدیها معدل استطاله أقل مع وجود مرونه خطیه دون مرحله انهیار، وتشوه الانکسار فیها أقل. میزه “التعب” أقل شیوعاً فی قضبان تسلیح FRP، وهی خاصیه مهمه فی جوده مرحله التشغیل.
هیکل أنواع قضبان تسلیح FRP
عاده ما یتم إنشاء المواد المرکبه المطلوبه لإنتاج قضبان تسلیح FRP من خلال الجمع بین عده مواد ذات خصائص مختلفه. المواد المرکبه التی تدخل فی ترکیب قضبان تسلیح FRP تکون مصنوعه عموماً من الألیاف، الراتنج، الحشوات، والمواد المضافه، والألیاف المستخدمه فیها یکون لدیها معامل مرونه عالٍ وتساهم فی تعزیز الخواص المیکانیکیه لقضبان تسلیح FRP، فی حین أن الراتنج المستخدم فی أنواع FRP یسهل نقل أو توزیع الضغوط من الألیاف إلى الألیاف الأخرى لحمایه هیکل FRP من الأضرار المیکانیکیه. إن مواد الربط المستخدمه بین الألیاف تؤثر على التشغیل الآمن لأنواع مختلفه من قضبان تسلیح FRP، والحشوات تساعد على تقلیل انکماش قضبان تسلیح FRP. بالإضافه إلى تحسین کفاءه القضبان، تعمل الماده المضافه أیضاً على تحسین الخصائص الفیزیائیه والمیکانیکیه بشکل کبیر.
وتشمل المواد الرئیسیه الأربع المستخدمه فی تصنیع أنواع قضبان تسلیح FRP:
- الکربون
- الزجاج
- الأرامید
- البازلت
هذه المواد تنتج مجموعه متنوعه من قضبان تسلیح FRP. وتتم تسمیه هذه القضبان المرکبه على النحو التالی:
- CFRP : قضبان التسلیح المرکبه التی یدخل الکربون فی ترکیبها
- GFRP : قضبان التسلیح المرکبه التی یدخل الزجاج فی ترکیبها
- AFRP : قضبان التسلیح المرکبه التی یدخل الأرامید فی ترکیبها
- BFRP : قضبان التسلیح المرکبه التی یدخل البازلت فی ترکیبها
الخواص المیکانیکیه لأنواع قضبان تسلیح FRP
یتم عرض الخواص المیکانیکیه للأنواع الأربعه للقضبان المرکبه مقارنه بقضبان تسلیح الصلب فی الجدول أدناه:
قضبان تسلیح الصلب | قضبان تسلیح BFRP | قضبان تسلیح AFRP | قضبان تسلیح GFRP | قضبان تسلیح CFRP | المیزات |
۷.۸۵ | ۱.۹۰-۲.۱۰ | ۱.۲۵-۱.۴۵ | ۱.۲۵-۲.۵۰ | ۱.۵۰-۲.۱۰ | الکثافه (جرام/ سم مکعب) |
۴۸۳-۶۹۰ | ۶۰۰-۱۵۰۰ | ۱۷۲۰-۳۶۲۰ | ۴۸۳-۴۵۸۰ | ۶۰۰-۳۹۲۰ | إجهاد الضغط (MPa) |
۲۰۰ | ۵۰-۶۵ | ۴۱-۱۷۵ | ۳۵-۸۶ | ۳۷-۷۸۴ | معامل یونغ (GPa) |
۶.۰-۱۲.۰ | ۱.۲-۲.۶ | ۱.۴-۴.۴ | ۱.۲-۵.۰ | ۰.۵-۱.۸ | مطول |
۱۱.۷ | ۹.۰ – ۱۲.۰ | -۶.۰ – ۲.۰ | ۶.۰ – ۱۰.۰ | ۰.۰ – ۹.۰- | معامل الاستطاله الخطیه |
منحنی الإجهاد – الانفعال لأنواع قضبان تسلیح FRP
کما یوضح الرسم البیانی أدناه، فإن نسبه الإجهاد إلى الانفعال لأنواع قضبان تسلیح FRP مقارنه بقضبان الصلب تظهر عدم وجود الناحیه البلاستیکیه. النقطه الأخرى هی أن هذا الرسم البیانی یظهر معامل مرونه عالیه لقضبان الألیاف الکربونیه (CFRP)، والذی یساوی قضبان الصلب الأکثر مقاومه حتى نقطه الانهیار، ولکن لا یدخل الناحیه البلاستیکیه مثل القضبان المرکبه الأخرى. توضح الرسوم البیانیه التالیه أنه فی الحاله التی یکون فیها الإجهاد أقل من ۲۵۰ میغا باسکال، فإن إجهاد أنواع قضبان تسلیح FRP یساوی إجهاد قضبان الصلب تقریباً، ومع زیاده الإجهاد، سیزداد انفعال القضبان المرکبه بشکل حاد.
قضبان تسلیح CFRP
ألیاف الکربون هی فی الواقع مواد متباینه الخواص (لاتناحی) تنتج فی درجات حراره عالیه. الخصائص الرئیسیه لهذه الألیاف تشمل الکثافه المنخفضه، الموصلیه الضعیفه، مقاومه مقاومه التعب العالیه، معامل المرونه العالی، مستوى الزحف الجید ومقاومه التأثیرات الکیمیائیه وعدم امتصاص الماء. ومع ذلک، لا ینبغی توقع مقاومه ضغط عالیه من قضبان CFRP، حیث یؤدی اللاتناحی إلى انخفاض فی المقاومه الشعاعیه لهذه القضبان.
أنواع قضبان تسلیح FRP المنتجه باستعمال ألیاف الکربون
ألیاف الکربون تتمتع بمعامل مرونه مرتفع (۲۰۰-۸۰۰ GP) والاستطاله النهائیه لهذه القضبان هی ۰.۳-۲.۵٪. الاستطاله الأقل تعنی المزید من الصلابه. ألیاف الکربون لا تمتص الرطوبه ومقاومه للعدید من المحالیل الکیمیائیه. هذه القضبان مقاومه جداً للتعب ولا تتآکل ولا تظهر أی علامات على الزحف.
قضبان تسلیح GFRP
من أهم قضبان التسلیح المرکبه وأکثرها شهره قضبان GFRP وتستخدم على نطاق واسع، حیث یدخل الزجاج فی ترکیبها. کما یطلق على هذا النوعقضبان الألیاف الزجاجیه. الألیاف الزجاجیه تتمتع بالتناحی أو توحد الخواص بشکل طبیعی ولها تطبیقات واسعه. تتمتع أنواع قضبان تسلیح GFRP بمقاومه عالیه وهی مقاومه للمواد الکیمیائیه المسببه للتآکل بشکل کبیر. تکلفه إنتاج هذه القضبان أقل من تکلفه قضبان الکربون.
أحد عیوب هذه القضبان هو معامل المرونه المنخفض نسبیاً. قضبان GFRP لدیها ناحیه بلاستیکیه أقل من قضبان الصلب. فی الواقع، بعد أن یصل الإجهاد إلى نقطه الانهیار، یحدث الانهیار بدلاً من دخول المنطقه البلاستیکیه. ولکن هذا الضعف فی قضبان التسلیح المصنوعه من الألیاف الزجاجیه یصبح میزه عند استخدام GFRP فی تسلیح الخرسانه. إن معامل مرونه أنواع قضبان FRP هو أکثر مماثله للخرسانه من المعدن، وبالتالی فإن سلوک القضبان المذکوره ضد الإجهاد یکون متناسقاً مع الخرسانه، وإذا نظرنا إلى نتائج مقارنات أداء الخرسانه المسلحه بالصلب وتلک المسلحه بالمواد المرکبه، فسوف نرى أن الخرسانه المسلحه بالقضبان المرکبه تعانی من نسبه أقل من الشقوق وبالتالی أضرار أقل أثناء فتره التشغیل.
أنواع FRP المقواه بالألیاف الزجاجیه
تصنع الألیاف الزجاجیه بشکل أساسی عن طریق خلط رمل السیلیکا والحجر الجیری وحمض الفولیک وبعض الإضافات الأخرى. یسخن الخلیط إلى حوالی ۱۲۶۰ درجه مئویه حتى یذوب. ثم یسمح للزجاج المنصهر بالتدفق عبر ثقوب دقیقه فی صفیحه بلاتینیه. یتم جمع خیوط الزجاج البارده وشدها فی اتجاه واحد لزیاده المقاومه. ثم یتم نسج الألیاف فی أشکال مختلفه لاستخدامها فی المواد المرکبه. نظراً لوجود مرکبات مثل بوروسیلیکات جیر الألومنیوم، فإن ألیاف GFRP عازله جیده جداً للکهرباء، ولدیها حساسیه قلیله للرطوبه، وهی تعزز الهیاکل المختاره. تحتوی أنواع قضبان تسلیح FRP عموماً على ألیاف مقاومه للصدمات ولکن تزن أکثر من الکربون أو الأرامید.
انواع قضبان GFRP هی:
- E-Glass
- S-Glass
- C-Glass
- AR-glass
أنواع قضبان تسلیح FRP | الکثافه | مقاومه الضغط (MPa) | معامل المرونه (GPa) | نسبه الاستطاله (ازدیاد الطول إلى الطول الأولی) | معامل التمدد الحراری (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 | – |
قضبان تسلیح AFRP
ألیاف الأرامید لها طبیعه لامتناحیه. عاده ما یکون لون هذه الألیاف أصفر. ألیاف الأرامید معروفه فی السوق باسم ألیاف کیفلار. سعرها أعلى من الألیاف الزجاجیه، وتطبیقاتها الرئیسیه تتمثل فی ظروف الشد القصوى ولیس لدیها مقاومه ضغط عالیه. فی الواقع، یتم استخدام قضبان AFRP فی الغالب للکابلات وغیرها من الأعضاء التی تتحمل الشد. کثافه قضبان AFRP منخفضه ولها مقاومه شد عالیه ومعامل مرونتها مرتفع، کما أن صلابه قضبان AFRP مناسبه أیضاً. من نقاط الضعف المتعلقه بعدم وجود ناحیه بلاستیکیه والمقاومه الشعاعیه المنخفضه مما یحد من استخدام قضبان AFRP. بالإضافه إلى ذلک، فإن قص قضبان AFRP صعب نسبیاً وهی صعبه المعالجه.
أنواع قضبان تسلیح FRP المقواه بألیاف الأرامید
الأرامید نوع من ماده البولی أمید العطریه والعلامه التجاریه المعروفه لهذه القضبان هی Kevlar، ولکن تم أیضا إطلاق العلامات التجاریه الأخرى مثل Twaron، Technora و SVM. یتراوح معامل مرونه الألیاف بین ۷۰-۲۰۰ جیجاباسکال باستطاله نهائیه تتراوح بین ۱.۵ – ۵ ٪ وهذا یعتمد على جوده الإنتاج. یتمتع الأرامید بمقاومه عالیه للانکسار، ولهذا السبب یتم استخدامه للخوذات والملابس المضاده للرصاص. هذه القضبان حساسه لدرجات الحراره المرتفعه والرطوبه والأشعه فوق البنفسجیه، لذلک لیس لها تطبیقات مفیده واسعه النطاق.
وفیما یلی أنواع قضبان FRP المقواه بألیاف الأرامید:
- Kevlar-29
- Kelvar-49
- Kelvar-149
- Technora H
- Twaron
- Twaron HM
أنواع قضبان تسلیح الأرامید | Kevlar 29 | Kevlar 49 | Kevlar 149 | Technora H | Twaron | Twaron HM |
الکثافه (جرام/ سم مکعب) | ۱.۴۴ | ۱.۴۴ | ۱.۴۴ | ۱.۳۹ | ۱.۴۴ | ۱.۴۵ |
مقاومه الضغط (MPa) | ۲۷۶۰ | ۳۶۲۰ | ۳۴۵۰ | ۳۰۰۰ | ۳۰۰۰ | ۳۰۰۰ |
معامل المرونه (GPa) | ۶۲ | ۱۲۴ | ۱۷۵ | ۷۰ | ۸۰ | ۱۲۴ |
نسبه الاستطاله (ازدیاد الطول إلى الطول الأولی) | ۴.۴ | ۲.۲ | ۱.۴ | ۴.۴ | ۳.۳ | ۲.۰ |
معامل التمدد الحراری (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 |
قضبان تسلیح BFRP
ألیاف البازلت هی نوع من الصخور الناریه تتکون من التبرید السریع للحمم البرکانیه. یشبه إنتاج ألیاف البازلت الألیاف الزجاجیه. أحجار البازلت المکسره هی المواد الخام الوحیده اللازمه لإنتاج الألیاف. قضبان تسلیح البازلت قدیمه بشکل أقل من الأنواع الأخرى من قضبان تسلیح FRP ودخلت مؤخرا فی السوق. هذه الألیاف تتمتع بمقاومه شد عالیه ولها مقاومه جیده وثبات مناسب فی درجات الحراره العالیه. هذه القضبان هی واحده من أفضل الخیارات فی المنشآت التی تتعرض للحقول الکهرومغناطیسیه. لدیها مقاومه مثالیه للتآکل والأحماض وهی مقاومه للإشعاع والاهتزاز والأشعه فوق البنفسجیه. استخدامات BFRP محدوده جداً بالمقارنه مع أنواع أخرى من قضبان تسلیح FRP.