میلگرد های کامپوزیت یا آرماتور کامپوزیتی ( Fiber Reinforced Polymer or Plastic ) از نظر شکل ظاهری شبیه به میلگردهای فولادی می باشند اما جنس آن ها ترکیبی از الیاف در بستری از رزین پلیمری می باشد و جایگزینی برای میلگرد فولادی است.

در ابتدا یک طراح سوئدی ایده و طراحی این محصول را ارائه داد و اولین بار بیش از 20 سال از رواج میلگرد کامپوزیتی که در سازه های بتنی استفاده شد ، می گذرد و با توجه به مزیت هایی که دارد مورد استقبال مهندسین در صنعت ساخت و ساز قرار گرفت و جایگزین مناسب برای مسلح نمودن داخلی بتون در سازه های بتنی واقع شد.

مواد تشکیل دهنده میلگرد FRP

یک FRP در حقیقت نوعی ماده ترکیبی حاصل از الیاف با کارایی بالا است که در بستری از رزین پلیمری جایگذاری شده باشد. این مواد از نظر الکترومغناطیسی عایق هستند و مشکل خوردگی ندارند از این رو بکارگیری چنین موادی در تقویت سازه های بتنی، مشکل خوردگی آن ها را نیز تا حد زیادی برطرف خواهد کرد. علاوه بر این وجود خصوصیات برتری از قبیل مقاومت کششی بالا در سازه های FRP استفاده از آن ها را به عنوان جزء مسلح کننده سازه های بتنی مناسب می سازد.

رفتار میلگرد های FRP کاملا متفاوت از میلگردهای فولادی است. بر این اساس فلسفه طراحی ساختمان های بتنی با استفاده از میلگردهای FRP نیز دارای تغییرات زیادی نسبت به میلگردهای فولادی خواهد بود. رفتار ناهمسانگرد میلگردهای FRP از نقطه نظر مقاومت برشی و همچنین وجود چسبندگی مابین این نوع میلگردها، خواص مکانیکی بتن را تحت تاثیر قرار می دهد. به علاوه مصالح FRP دارای رفتار الاستیک خطی می باشند و مانند فولاد به مرحله پلاستیک وارد نمی شوند.

مجموعه این عوامل، منجر می شود تا طراحی مصالح FRP متناسب با نوع کاربردی نهایی، از نقطه نظر شکل ظاهری و عملکرد فنی قابل قبول، با مشکلاتی مواجه گردد. روش های به کار گرفته شده در طراحی سازه های مسلح با میلگرد های FRP باید به گونه ای تدوین شوند که محدودیت شکل پذیری این سازه ها را نیز به نحوی موثر برطرف سازند. در این راستا محققان و پژوهشگران کشورهایی نظیر ژاپن، کانادا و آمریکا توانسته اند روش های خاصی را برای طراحی و توسعه این دسته از سازه های تقویت شده ایجاد کنند.

اهداف کاربردی تقویت کننده های FRP

قبل از مسلح کردن یک سازه بتنی با تقویت کننده میله ای FRP، لازم و ضروری است که خصوصیات جزء تقویت کننده به طور دقیق ملاحظه و ارزیابی گردد تا بتوان قابلیت کاربردی متناسب با مورد مصرف نهایی و سازگار با نظر طراح را فراهم ساخت.

مقاومت طبیعی در مقابل خوردگی برای سازه های بتنی مسلح شده با میلگردهای FRP یک فایده بزرگ برای سازه هایی است که در معرض شدید خوردگی قرار دارند، از قبیل سازه های دریایی، عرشه پل ها و همچنین سازه هایی که در معرض محیط های حاوی نمک یخ زدا هستند. در بخش هایی مثل ام آر آی یا سایر تجهیزات حساس به میدان های الکترومغناطیس ، خاصیت غیرمغناطیس بودن FRP مزایای فراوانی را به دنبال دارد.

عدم شکل پذیری میلگرد های FRP علی رغم برخورداری از خواص غیر مغناطیسی سبب می شود تا این نوع از میله های تقویت کننده بیشتر در کاربردهایی مورد استفاده قرار گیرند که در برابر مشکلاتی نظیر خوردگی یا اثرات الکترومغناطیسی به شدت آسیب پذیر هستند. یک نکته قابل توجه در استفاده از میلگردهای FRP این است که نباید به داده های مربوط به مقاومت فشاری آن تکیه کرد. اطلاعات حاضر نشان می دهند که مدول فشاری میلگردهای FRP کمتر از مدول کششی آن هاست.

اثر ترکیبی رفتارهای مکانیکی در رابطه با میلگردهای FRP و نیز پایین بودن مدول آن ها در مقایسه با فولاد، سبب می گردد تا بیشترین سهم تنش فشاری محاسبه شده برای FRP در حالت شکست سازه بتنی تحت فشار ، مقداری نسبتا کوچک باشد، از این رو میلگرد های FRP نباید به عنوان مسلح کننده ستون ها یا سایر اعضای تحت فشار استفاده شوند. همچنین این قطعات را نباید به عنوان میلگرد فشاری در تقویت عضوهایی به کار گرفت که تحت تاثیر نیروهای خمشی هستند.

توجه به این نکته الزامی است که استفاده از میلگرد FRP می تواند به علت امکان تغییر در نحوه بارگذاری و جابجایی لنگر خمشی حین بارگذاری، عملکرد قابل قبولی را به ویژه در برابر نیروهای فشاری ارائه دهد. اگرچه از مقاومت فشاری میلگرد FRP باید صرف نظر نمود ولی همچنان تحقیقات بیشتری در این زمینه لازم می باشد.

میلگردهای FRP موجود در بازار

امروزه عمده میلگردهای FRP موجود در بازار، حاصل از الیاف ممتد با کارایی بالا نظیر شیشه، کربن و آرامید هستند که به واسطه روش های مختلف تولید کامپوزیت درون یک بستر پلیمری جایگذاری می شوند. تقویت کننده های FRP عموما در اشکال مختلفی به صورت شبکه ها، میلگردها، منسوج ها و یا کابل ها مورد استفاده قرار می گیرند. میلگردهای FRP دارای سطح مقطع های مختلفی به شکل مربع یا دایره هستند که در دو نوع توپر و توخالی موجود می باشند. سطح ظاهری یک میلگرد FRP نیز می تواند در اشکال مختلفی تولید گردد.

تاریخچه کاربرد میلگردهای FRP

همان گونه که پیش تر اشاره گردید استفاده از میله ها و میلگردهای FRP در تقویت سازه های بتنی تقریبا از دهه 1980 گسترش یافت. تا اواسط دهه 1990، شرکت های ژاپنی بیشترین مورد مصرف این نوع سازه ها را به خود اختصاص داده اند به طوری که بیش از 100 پروژه اجرایی و بازرگانی در رابطه با استفاده از میلگردهای FRP در رزومه کاری آن ها به چشم می خورد.

استفاده از تقویت کننده FRP در سازه های اروپایی نیز از کشور آلمان و با ساخت یک پل بزرگراهی به سال 1986 آغاز گردید. از زمان ساخت این پل، برنامه های تحقیق و توسعه در راستای افزایش کاربرد این نوع تقویت کننده ها در طراحی و ایجاد سازه های مهندسی پیشرفته در اروپا به طور جدی ادامه پیدا کرد.

مهندسان کانادایی فعال در حوزه عمران و راهسازی نیز در برخی از پروژه های ساخت بزرگراه ها از میلگردهای FRP استفاده کرده اند.به عنوان مثال جهت طراحی و ساخت پل هدینگلی واقع در مانیتوبا، که نمونه ای از پروژه های عمرانی اروپایی در رابطه با قطعات FRP است، از دو نوع میلگرد CFRP و GFRP استفاده شد. در کشورهای آسیایی نظیر بانکوک و دهلی نو نیز، علاوه بر تقویت عرشه پل ها و دیواره های ساختمانی، از میلگردهای تقویت کننده نوع FRP به طور خاص در استحکام بخشی دیواره های تونل ها استفاده می شود.

نحوه کاربرد میلگردهای FRP در تقویت نمونه ای از عرشه یک پل

پیش از این در رابطه با موارد کاربردی میلگردهای FRP مطالبی ارائه گردید. با توجه به حوزه های کاربردی خاص این نوع میلگردها، شناخت خواص و رفتار مکانیکی این نوع سازه ها در شرایط محیطی متغیر و طی بارگذاری های مختلف بسیار حائز اهمیت است. لذا در این بخش خواص مکانیکی و فیزیکی میلگردهای FRP به تفصیل مورد بحث قرار داده خواهد شد تا بتوان رفتار آن ها را به هنگام قرارگیری در ساختارهای بتنی به طور اساسی درک کرد.

علاوه بر این، تاثیر عوامل مختلفی از قبیل شرایط و چگونگی بارگذاری، مدت زمان بارهای اعمال شده بر روی سازه، دما و رطوبت محیط نیز بر خواص میلگردهای FRP تشریح می گردد.میلگردهای FRP ذاتا ناهمسانگرد هستند و امکان ساخت آن ها با استفاده از فناوری های متفاوتی از قبیل پالتروژن ، بریدینگ و نیز فرایند بافندگی تاری پودی فراهم می باشد. عواملی از قبیل کسر حجمی الیاف، نوع لیف، نوع رزین ، جهت گیری الیاف ، اثرات ابعادی و نیز کنترل کیفیت در حین تولید، همه و همه نقش اساسی در تعیین خصوصیات میلگردهای FRP را بر عهده دارند. البته باید توجه داشت که تمامی خواص مطرح شده در این بخش، جنبه عمومی دارد و ممکن است نتوان موارد مطرح شده را به همه محصولات FRP تعمیم داد.

میلگرد فولادی چیست؟ کاربرد آن در کجاست؟

رایج ترین نوع میلگرد، فولاد کربنی است که به طور معمول از میله های گرد نورد گرم (Hot-Roll) با الگوهای تغییر شکل یافته تشکیل می شود. انواع دیگر موجود در دسترس شامل فولاد ضد زنگ و میله های کامپوزیت ساخته شده از الیاف شیشه ، الیاف کربن یا الیاف بازالت است. میله های تقویت کننده فولاد همچنین ممکن است در یک رزین اپوکسی پوشش داده شوند تا در برابر اثرات خوردگی بیشتر در محیط های آب شور و همچنین سازه های زمینی طراحی شده مقاومت داشته باشند.

نشان داده شده است که بامبو یک گزینه مناسب برای تقویت فولاد در ساخت بتن است. این جایگزین ها باعث گران تر شدن خواهند شد و یا ممکن است از ویژگی های مکانیکی کمتری برخوردار باشند. بنابراین بیشتر در ساختار تخصصی استفاده می شوند که در آن ویژگی های فیزیکی آنها نیاز به عملکرد خاصی که فولاد کربن تأمین نمی کند، استفاده می شوند. فولاد و بتن ضرایب انبساط حرارتی مشابه دارند، بنابراین یک عضو سازه بتونی تقویت شده با فولاد کمترین تنش دیفرانسیلی را با تغییرات دما تجربه خواهد کرد.

نقش میلگرد در بتن

میلگرد به هدف تقویت بتن درون آن قرار می ‌گیرد. میلگرد با عیار و درجات مختلفی از فولاد و به‌ صورت آجدار تهیه و تولید می‌ شود. آج‌ های میلگرد باعث می ‌شوند محکم‌ تر درون بتن قرار گرفته و احتمال شکستن بتن را به‌ شدت پایین می‌ آورد. همان ‌طور که تا الآن متوجه شدیم نقش میلگرد در بتن بسیار حیاتی است. بتن بسیار مستحکم بوده و زیر فشارهای گوناگون ساختمان به‌ خوبی عمل می‌ کند. ولی اگر بر مرکز بتن فشار وارد آید، این ماده مستحکم به ‌راحتی تحت‌ فشار وارده شکسته می ‌شود.

به‌ عنوان ‌مثال یک تیر بتنی را در یک اسکلت بتنی تصور کنید. این تیر بتنی فقط از دو طرف توسط ستون ‌هایی گرفته ‌شده است در حالی‌ که در قسمت‌ های میانی تیر بتنی هیچ ستونی وجود ندارد. حالا اگر بر قسمت‌ های میانی این تیر هرگونه فشاری وارد شود، نتیجه روشن است و تیر بتنی قطعاً از وسط نصف می‌شود. برای جلوگیری از این اتفاق تیر بتنی با میلگردهای آجدار مسلح می‌ شود. بتنی که به‌ وسیله میلگرد تقویت‌ شده باشد دیگر هیچ‌ گونه فشاری نمی‌ تواند آن را بشکند. زیرا فشار توسط میلگرد جذب‌ شده و خنثی می‌ شود بدون اینکه به خود بتن صدمه‌ای وارد شود.

یکی دیگر از نقش‌ های میلگرد در بتن کم کردن ضخامت بتن است. با وجود میلگرد درون بتن دیگر نیازی به بتن ‌ریزی ضخیم نیست زیرا میلگرد، بتن را آنقدر مستحکم می‌ کند که دیگر نیازی به ضخامت بالای بتن نباشد. بتن که دارای خواص شکنندگی است با اجرای میلگرد در آن، خاصیت ترک‌ خوردگی بتن کاهش پیدا خواهد کرد، ضمن آنکه نصب آن‌ هم راحت است. علاوه بر آن میلگرد در بتن علاوه بر مستحکم کردن بتن و سازه ساخته‌ شده با بتن، باعث صرفه‌ جویی در هزینه‌ ها نیز می‌ شود.

مقایسه میله گرد های فولادی و کامپوزیتی:

•    میلگردهای FRP با وزن مخصوص ۲/۲ گرم بر سانتیمتر مکعب بسیار سبک‌تر از میلگردهای فولادی رایج با وزن مخصوص ۷/۸۵ هستند. این کاهش چگالی می‌تواند منجر به کاهش هزینه حمل و نقل، آسانی در جابجایی مصالح و هم چنین کاهش بار مرده سازه شود.
•    بزرگترین عیب میلگردهای فولادی مقاومت پایین آن‌ها در مقابل عوامل شیمیایی خورنده است. از آن جایی که امکان وجود ترک در مقاطع بتنی و در نتیجه نفوذ عوامل شیمیایی به داخل بتن وجود دارد، میلگردهای فولادی دچار خوردگی خواهند شد و متعاقباً مقاومت و یکپارچگی مقاطع بتنی از بین خواهد رفت.
•    میلگردهای فولادی دارای یک رفتار تقریباً ایزوتروپیک هستند ولی میلگردهای کامپوزیتGFRP ‌ناهمسانگرد هستند و دارای خصوصیات برتر (مقاومت کششی بالا) فقط در جهت اصلی الیاف هستند.
•    قیمت و بهای واحد میلگردهای کامپوزیتFRP (آرماتورFRP) در حدود 30% پایین تر از نوع فولادی آن می باشد.

تفاوت میلگرد کامپوزیت با میلگرد فولادی این است که از میله های غیر فلزی تشکیل شده است. با توجه به مزایا و ویژگی های منحصر به فرد، این محصول فولادی در زمینه صنعت ساخت و ساز بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. قیمت میلگرد کامپوزیت با توجه به جنس و نوع ساختش با میلگرد فولادی معمولی متفاوت است.

در ساخت و ساز با سیمان همیشه نیازی به استفاده از میلگرد کامپوزیت (FRP) نیست، اما بهبود قدرت و افزایش طول عمر، دلایل قانع کننده ای برای پیمانکاران برای استفاده از آن است. میلگرد کامپوزیت ( پلیمرفایبرگلاس تقویت شده ) یک میله تقویت کننده سازه ای پیچیده است که از ترکیب رشته های فایبر گلاس و رزین ونیل استر ساخته شده است.

میلگرد کامپوزیت به عنوان یک جایگزین غیر خورنده برای فولاد در تقویت بتن است و برای هر کاربرد ساختاری یا معماری که در آن مواد مورد نیاز مقاوم در برابر خوردگی، سبک وزن یا غیر رسانا مورد نیاز است، مناسب می باشد.

انتخاب رزین ونیل استر برای این میلگرد مهم است. تحقیقات گسترده نشان داده است که رزین پلی استر مقاومت طولانی مدت در برابر خوردگی مواد شیمیایی در بتن ندارد، در حالیکه میلگرد ساخته شده با رزین وینیل استریل، اگر با استانداردهای به رسمیت شناخته شده مورد استفاده قرار گیرد عمر مفید 50 ساله دارد. اگر چه هزینه اولیه میلگرد کامپوزیت عمدتا بالاتر از میلگرد فولادی استاندارد است و تقریبا با میلگرد فولادی پوشش داده شده با اپوکسی قابل مقایسه است، اما با توجه به هزینه طول عمر(LCC) می تواند بسیار مقرون به صرفه باشد.

تفاوت‌های میلگرد کامپوزیت با میلگرد فولادی

دو تفاوت بزرگ در مقایسه میلگرد کامپوزیت با میلگرد فولادی وجود دارد.
اول، میلگرد کامپوزیت خیلی سبک تر از میلگرد فولادی است، تا 7 برابر!
دوم این است که میلگرد کامپوزیت بسیار سفت و سخت است، یا از لحاظ فنی، میلگرد کامپوزیت یا FRP یک مدول الاستیسیته دارد که 5 برابر کمتر از فولاد است.

مزایای استفاده از میلگرد کامپوزیت

دلایل مختلفی برای استفاده از میلگرد کامپوزیت وجود دارد که این نوع میلگردها را مهم و کاربردی می سازد. برای شروع، میلگرد کامپوزیت زنگ نمی زند و یا خوردگی ندارد، بنابراین برای غوطه ور شدن درآب نمک یا آب شیرین در عملیات هایی مانند اسکله، عرشه ها، ستون ها، جداره ها، تیغه ها، سکوهای دریایی، استخرهای شنا و آکواریوم به صورت دوره ای یا طولانی مدت مناسب است. استفاده از میلگرد کامپوزیت در اجزای ریل برای قطارهای با سرعت بالا و راه آهن زیرزمینی بسیار مناسب می باشد.

انواع میلگرد کامپوزیت به نمک جاده و دیگر مواد شیمیایی ضد یخ ایمن است. این باعث می شود که  برای جاده ها و پل ها، سازه های پارکینگ، باند فرودگاه، دیوارها و پایه های نگهداری انتخاب بادوامی باشد و به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز داشته باشد.

علاوه بر این، میلگرد کامپوزیت مقاومت گسترده ای در برابر تعدادی از مواد شیمیایی دیگر موجود در تاسیسات تصفیه خانه فاضلاب، مکان های زباله های جامد، دستگاه های پتروشیمی، کارخانه های کاغذ سازی و پالایشگاه، خطوط لوله، مخازن، برج های خنک کننده و دودکش ها و همچنین محیط قلیایی خود بتن از خود نشان می دهد.

یکی دیگر از مزیت های میلگرد کامپوزیت این است که مقاومت کششی میلگرد کامپوزیت معمولا 1.5 تا 2 برابر بیشتر از میلگرد فولادی است. این ویژگی همچنین مقاومت بسیار خوبی در برابر فرسودگی ایجاد می کند و آن را برای موقعیت هایی که بار چرخه ای تحمل می کنند مناسب می سازد(مانند جاده ها و پل ها). اگر چه هزینه اولیه میلگرد کامپوزیت عمدتا بیشتر از میلگرد فولادی استاندارد است، اما با توجه به هزینه های دوره عمر، می تواند بسیار مقرون به صرفه باشد.