قضبان تسليح FRP ذات أنواع ووظائف مختلفة مقارنة مع مواد البناء التقليدية مثل الصلب والألومنيوم. تتمتع هذه القضبان بمقاومة عالية مقارنة مع كثافتها المنخفضة. مقاومة أنواع قضبان تسليح FRP للتآكل استثنائية أنواع قضبان تسليح FRP تعمل بشكل مختلف مقارنة بمواد البناء التقليدية مثل الفولاذ والألمنيوم. تتمتع هذه القضبان بمقاومة عالية مقارنة مع كثافتها المنخفضة. مقاومة أنواع قضبان تسليح FRP للتآكل استثنائية وعالية ولها خصائص كهربائية ومغناطيسية وحرارية مثالية. من المتوقع أن تكون قضبان التسليح المقواة بالألياف قادرة على تحمل الحمولات والقوى المطبقة على طول الألياف. أنواع قضبان تسليح FRP تختلف على أساس الألياف المستخدمة في هيكلها. فيما يلي مختلف أنواع قضبان التسليح المركبة المقواة بالألياف الزجاجية والكربون والأراميد والبازلت.
ألياف أنواع قضبان تسليح FRP
اختيار الألياف سوف يلعب دورا حاسما في خصائص قضبان تسليح FRP. ألياف الكربون والزجاج والأراميد هي الألياف الثلاثة المستخدمة في هيكل قضبان تسليح المركبة، وتستخدم ألياف البازلت حديثاً لصنع قضبان التسليح المركبة. الفرق الأكثر أهمية والذي يميز أنواع قضبان تسليح FRP يتجلى في درجة التشوه الناتج عن الشد والصلابة.
ركيزة الراتنج البوليمري لأنواع قضبان تسليح FRP
يجب أن تنقل ركيزة راتنج البوليمر القوى بين الألياف وتحمي الألياف. تستخدم راتنجات ثرموستات في معظم منتجات أنواع قضبان تسليح FRP. راتنج فينيل الإستر والإيبوكسي هما أنواع الركيزة الأكثر شيوعاً للراتنج البوليمري. يفضل الإيبوكسي عادة على فينيل الإستر، ولكنه يكلف أيضاً أكثر. تتمتع أنواع الإيبوكسي بمقاومة جيدة والتصاق قوي وخصائص زحف ومقاومة للمواد الكيميائية.
استخدام أنواع قضبان تسليح FRP
غالبا ما تتطلب الهياكل التصليح والصيانة تحت الضغوط البيئية. خصوصاً في المناطق المجاورة للرطوبة، فإن الصدأ وتآكل الصلب أمر ليست مستبعداً. منذ فترة طويلة يتم استخدام ألياف FRP لتعزيز الهياكل، وأنواع FRP تستخدم منذ فترة طويلة على نطاق واسع لتعزيز الهياكل.
أول استخدام لأنواع قضبان تسليح FRP لتعزيز الهياكل يعود إلى عقد الستينات في الولايات المتحدة. استمرت عملية البحث الأكاديمي وصياغة القوانين حتى عقد الثمانينات. ولكن يمكن رؤية المنعطف في استخدام قضبان تسليح FRP في صناعة النقل اليابانية. تم تطوير القطارات المغناطيسية في اليابان منذ عقد التسعينات، وأدى استخدام قضبان الصلب إلى خلل في تشغيل القطارات المغناطيسية. شكل اليابانيون أول فريق لتصميم الخرسانة المسلحة باستعمال قضبان تسليح FRP، ومنذ ذلك الحين يتم استخدام أنواع مختلفة من قضبان تسليح FRP التي تطورت بشكل كبير في العالم. تم استبدال قضبان تسليح FRP بسرعة في الهياكل التي كانت تتعرض للتآكل الشديد أو تلك التي تتعرض للحقول المغناطيسية.
فوائد استعمال قضبان تسليح FRP
على عكس قضبان التسليح الفولاذية، فإن قضبان تسليح FRP لها خصائص مقاومة للتآكل ومقاومة للتفاعلات مع الكلوريد. مما لا شك فيه أن المنشآت التي تتعرض للرطوبة، وخاصة المياه المالحة، تتعرض للتفاعل مع كلوريد الصوديوم في الماء، مما يؤدي إلى تآكل شديد وسريع في الفولاذ، ولكن باستخدام قضبان تسليح FRP، فلن يكون هناك أي قلق حول التآكل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن قضبان تسليح FRP أخف وزناً ولها صلابة وقوة مقبولة.
من حيث الخواص الميكانيكية، فإن معامل مرونة قضبان تسليح FRP عادة ما يكون أقل من الصلب (وبطبيعة الحال، فإن قضبان تسليح CFRP المكربنة لديها معامل يونغ عالٍ). أنواع قضبان تسليح FRP لديها معدل استطالة أقل مع وجود مرونة خطية دون مرحلة انهيار، وتشوه الانكسار فيها أقل. ميزة “التعب” أقل شيوعاً في قضبان تسليح FRP، وهي خاصية مهمة في جودة مرحلة التشغيل.
هيكل أنواع قضبان تسليح FRP
عادة ما يتم إنشاء المواد المركبة المطلوبة لإنتاج قضبان تسليح FRP من خلال الجمع بين عدة مواد ذات خصائص مختلفة. المواد المركبة التي تدخل في تركيب قضبان تسليح FRP تكون مصنوعة عموماً من الألياف، الراتنج، الحشوات، والمواد المضافة، والألياف المستخدمة فيها يكون لديها معامل مرونة عالٍ وتساهم في تعزيز الخواص الميكانيكية لقضبان تسليح FRP، في حين أن الراتنج المستخدم في أنواع FRP يسهل نقل أو توزيع الضغوط من الألياف إلى الألياف الأخرى لحماية هيكل FRP من الأضرار الميكانيكية. إن مواد الربط المستخدمة بين الألياف تؤثر على التشغيل الآمن لأنواع مختلفة من قضبان تسليح FRP، والحشوات تساعد على تقليل انكماش قضبان تسليح FRP. بالإضافة إلى تحسين كفاءة القضبان، تعمل المادة المضافة أيضاً على تحسين الخصائص الفيزيائية والميكانيكية بشكل كبير.
وتشمل المواد الرئيسية الأربع المستخدمة في تصنيع أنواع قضبان تسليح FRP:
- الكربون
- الزجاج
- الأراميد
- البازلت
هذه المواد تنتج مجموعة متنوعة من قضبان تسليح FRP. وتتم تسمية هذه القضبان المركبة على النحو التالي:
- CFRP : قضبان التسليح المركبة التي يدخل الكربون في تركيبها
- GFRP : قضبان التسليح المركبة التي يدخل الزجاج في تركيبها
- AFRP : قضبان التسليح المركبة التي يدخل الأراميد في تركيبها
- BFRP : قضبان التسليح المركبة التي يدخل البازلت في تركيبها
الخواص الميكانيكية لأنواع قضبان تسليح FRP
يتم عرض الخواص الميكانيكية للأنواع الأربعة للقضبان المركبة مقارنة بقضبان تسليح الصلب في الجدول أدناه:
| قضبان تسليح الصلب | قضبان تسليح BFRP | قضبان تسليح AFRP | قضبان تسليح GFRP | قضبان تسليح CFRP | الميزات |
| 7.85 | 1.90-2.10 | 1.25-1.45 | 1.25-2.50 | 1.50-2.10 | الكثافة (جرام/ سم مكعب) |
| 483-690 | 600-1500 | 1720-3620 | 483-4580 | 600-3920 | إجهاد الضغط (MPa) |
| 200 | 50-65 | 41-175 | 35-86 | 37-784 | معامل يونغ (GPa) |
| 6.0-12.0 | 1.2-2.6 | 1.4-4.4 | 1.2-5.0 | 0.5-1.8 | مطول |
| 11.7 | 9.0 – 12.0 | -6.0 – 2.0 | 6.0 – 10.0 | 0.0 – 9.0- | معامل الاستطالة الخطية |
منحني الإجهاد – الانفعال لأنواع قضبان تسليح FRP
كما يوضح الرسم البياني أدناه، فإن نسبة الإجهاد إلى الانفعال لأنواع قضبان تسليح FRP مقارنة بقضبان الصلب تظهر عدم وجود الناحية البلاستيكية. النقطة الأخرى هي أن هذا الرسم البياني يظهر معامل مرونة عالية لقضبان الألياف الكربونية (CFRP)، والذي يساوي قضبان الصلب الأكثر مقاومة حتى نقطة الانهيار، ولكن لا يدخل الناحية البلاستيكية مثل القضبان المركبة الأخرى. توضح الرسوم البيانية التالية أنه في الحالة التي يكون فيها الإجهاد أقل من 250 ميغا باسكال، فإن إجهاد أنواع قضبان تسليح FRP يساوي إجهاد قضبان الصلب تقريباً، ومع زيادة الإجهاد، سيزداد انفعال القضبان المركبة بشكل حاد.
قضبان تسليح CFRP
ألياف الكربون هي في الواقع مواد متباينة الخواص (لاتناحي) تنتج في درجات حرارة عالية. الخصائص الرئيسية لهذه الألياف تشمل الكثافة المنخفضة، الموصلية الضعيفة، مقاومة مقاومة التعب العالية، معامل المرونة العالي، مستوى الزحف الجيد ومقاومة التأثيرات الكيميائية وعدم امتصاص الماء. ومع ذلك، لا ينبغي توقع مقاومة ضغط عالية من قضبان CFRP، حيث يؤدي اللاتناحي إلى انخفاض في المقاومة الشعاعية لهذه القضبان.
أنواع قضبان تسليح FRP المنتجة باستعمال ألياف الكربون
ألياف الكربون تتمتع بمعامل مرونة مرتفع (200-800 GP) والاستطالة النهائية لهذه القضبان هي 0.3-2.5٪. الاستطالة الأقل تعني المزيد من الصلابة. ألياف الكربون لا تمتص الرطوبة ومقاومة للعديد من المحاليل الكيميائية. هذه القضبان مقاومة جداً للتعب ولا تتآكل ولا تظهر أي علامات على الزحف.
قضبان تسليح GFRP
من أهم قضبان التسليح المركبة وأكثرها شهرة قضبان GFRP وتستخدم على نطاق واسع، حيث يدخل الزجاج في تركيبها. كما يطلق على هذا النوعقضبان الألياف الزجاجية. الألياف الزجاجية تتمتع بالتناحي أو توحد الخواص بشكل طبيعي ولها تطبيقات واسعة. تتمتع أنواع قضبان تسليح GFRP بمقاومة عالية وهي مقاومة للمواد الكيميائية المسببة للتآكل بشكل كبير. تكلفة إنتاج هذه القضبان أقل من تكلفة قضبان الكربون.
أحد عيوب هذه القضبان هو معامل المرونة المنخفض نسبياً. قضبان GFRP لديها ناحية بلاستيكية أقل من قضبان الصلب. في الواقع، بعد أن يصل الإجهاد إلى نقطة الانهيار، يحدث الانهيار بدلاً من دخول المنطقة البلاستيكية. ولكن هذا الضعف في قضبان التسليح المصنوعة من الألياف الزجاجية يصبح ميزة عند استخدام GFRP في تسليح الخرسانة. إن معامل مرونة أنواع قضبان FRP هو أكثر مماثلة للخرسانة من المعدن، وبالتالي فإن سلوك القضبان المذكورة ضد الإجهاد يكون متناسقاً مع الخرسانة، وإذا نظرنا إلى نتائج مقارنات أداء الخرسانة المسلحة بالصلب وتلك المسلحة بالمواد المركبة، فسوف نرى أن الخرسانة المسلحة بالقضبان المركبة تعاني من نسبة أقل من الشقوق وبالتالي أضرار أقل أثناء فترة التشغيل.
أنواع FRP المقواة بالألياف الزجاجية
تصنع الألياف الزجاجية بشكل أساسي عن طريق خلط رمل السيليكا والحجر الجيري وحمض الفوليك وبعض الإضافات الأخرى. يسخن الخليط إلى حوالي 1260 درجة مئوية حتى يذوب. ثم يسمح للزجاج المنصهر بالتدفق عبر ثقوب دقيقة في صفيحة بلاتينية. يتم جمع خيوط الزجاج الباردة وشدها في اتجاه واحد لزيادة المقاومة. ثم يتم نسج الألياف في أشكال مختلفة لاستخدامها في المواد المركبة. نظراً لوجود مركبات مثل بوروسيليكات جير الألومنيوم، فإن ألياف GFRP عازلة جيدة جداً للكهرباء، ولديها حساسية قليلة للرطوبة، وهي تعزز الهياكل المختارة. تحتوي أنواع قضبان تسليح FRP عموماً على ألياف مقاومة للصدمات ولكن تزن أكثر من الكربون أو الأراميد.
انواع قضبان GFRP هي:
- E-Glass
- S-Glass
- C-Glass
- AR-glass
| أنواع قضبان تسليح FRP | الكثافة | مقاومة الضغط (MPa) | معامل المرونة (GPa) | نسبة الاستطالة (ازدياد الطول إلى الطول الأولي) | معامل التمدد الحراري (۱۰–۶/ C) |
| E-glass | 2.5 | 3450 | 72.4 | 2.4 | 5.0 |
| S-glass | 2.5 | 4580 | 85.5 | 3.3 | 2.9 |
| C-glass | 2.5 | 3300 | 69 | 2.3 | – |
| AR-glass | 2.27 | 1800-3500 | 70.76 | 2.0 – 3.0 | – |
قضبان تسليح AFRP
ألياف الأراميد لها طبيعة لامتناحية. عادة ما يكون لون هذه الألياف أصفر. ألياف الأراميد معروفة في السوق باسم ألياف كيفلار. سعرها أعلى من الألياف الزجاجية، وتطبيقاتها الرئيسية تتمثل في ظروف الشد القصوى وليس لديها مقاومة ضغط عالية. في الواقع، يتم استخدام قضبان AFRP في الغالب للكابلات وغيرها من الأعضاء التي تتحمل الشد. كثافة قضبان AFRP منخفضة ولها مقاومة شد عالية ومعامل مرونتها مرتفع، كما أن صلابة قضبان AFRP مناسبة أيضاً. من نقاط الضعف المتعلقة بعدم وجود ناحية بلاستيكية والمقاومة الشعاعية المنخفضة مما يحد من استخدام قضبان AFRP. بالإضافة إلى ذلك، فإن قص قضبان AFRP صعب نسبياً وهي صعبة المعالجة.
أنواع قضبان تسليح FRP المقواة بألياف الأراميد
الأراميد نوع من مادة البولي أميد العطرية والعلامة التجارية المعروفة لهذه القضبان هي Kevlar، ولكن تم أيضا إطلاق العلامات التجارية الأخرى مثل Twaron، Technora و SVM. يتراوح معامل مرونة الألياف بين 70-200 جيجاباسكال باستطالة نهائية تتراوح بين 1.5 – 5 ٪ وهذا يعتمد على جودة الإنتاج. يتمتع الأراميد بمقاومة عالية للانكسار، ولهذا السبب يتم استخدامه للخوذات والملابس المضادة للرصاص. هذه القضبان حساسة لدرجات الحرارة المرتفعة والرطوبة والأشعة فوق البنفسجية، لذلك ليس لها تطبيقات مفيدة واسعة النطاق.
وفيما يلي أنواع قضبان FRP المقواة بألياف الأراميد:
- Kevlar-29
- Kelvar-49
- Kelvar-149
- Technora H
- Twaron
- Twaron HM
| أنواع قضبان تسليح الأراميد | Kevlar 29 | Kevlar 49 | Kevlar 149 | Technora H | Twaron | Twaron HM |
| الكثافة (جرام/ سم مكعب) | 1.44 | 1.44 | 1.44 | 1.39 | 1.44 | 1.45 |
| مقاومة الضغط (MPa) | 2760 | 3620 | 3450 | 3000 | 3000 | 3000 |
| معامل المرونة (GPa) | 62 | 124 | 175 | 70 | 80 | 124 |
| نسبة الاستطالة (ازدياد الطول إلى الطول الأولي) | 4.4 | 2.2 | 1.4 | 4.4 | 3.3 | 2.0 |
| معامل التمدد الحراري (۱۰–۶/ C) | –2.0 long. 59 radil | –2.0 long. 59 radil | –2.0 long. 59 radil | –2.0 long. 59 radil | –2.0 long. 59 radil | –2.0 long. 59 radil |
قضبان تسليح BFRP
ألياف البازلت هي نوع من الصخور النارية تتكون من التبريد السريع للحمم البركانية. يشبه إنتاج ألياف البازلت الألياف الزجاجية. أحجار البازلت المكسرة هي المواد الخام الوحيدة اللازمة لإنتاج الألياف. قضبان تسليح البازلت قديمة بشكل أقل من الأنواع الأخرى من قضبان تسليح FRP ودخلت مؤخرا في السوق. هذه الألياف تتمتع بمقاومة شد عالية ولها مقاومة جيدة وثبات مناسب في درجات الحرارة العالية. هذه القضبان هي واحدة من أفضل الخيارات في المنشآت التي تتعرض للحقول الكهرومغناطيسية. لديها مقاومة مثالية للتآكل والأحماض وهي مقاومة للإشعاع والاهتزاز والأشعة فوق البنفسجية. استخدامات BFRP محدودة جداً بالمقارنة مع أنواع أخرى من قضبان تسليح FRP.
