چکیده :

سالهاست که در صنعت ساختمان ، از میلگردهای فولادی ، برای تسلیح اعضای سازه های بتنی استفاده می شود . به طور کلی فولاد، کاربری مناسب از خود نشان داده اما در شرایط محیطی مهاجم ، به سبب خوردگی فولاد، زوال سازه سریع و مصیبت وار است . در سالهای اخیر ، استفاده از مصالح جایگزین فولاد ، برای بتن تحت شرایط محیطی مهاجم ، افزایش یافته است . بهره گیری از آرماتورهای FRP ، راه مناسبی در حل این معضل شناخته شده است . زیرا مصالح FRP در محیط های اسیدی ، پایایی و دوام خوبی از خود نشان می دهد .

این مقاله به رده بندی و تشریح ساختار کاپوزیت های FRP می پردازد . مقاومت مکانیکی از جمله مقاومت کششی ، خمشی و برشی و نیز خصوصیات فیزیکی این مواد مورد مطالعه قرار گرفته ، و با خواص فولاد مقایسه می شود . خصوصیات شیمیایی و مقاومت این مصالح در برابر محیط های قلیایی و اسیدی ، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش ، مقاومت در برابر انجماد و ذوب و مقاومت در برابر درجه حرارتهای بالا و آتش مورد ارزیابی قرار می گیرد .

مقدمه :

بیش از صد سال است که در صنعت ساختمان ، از میلگردهای فولادی ، به عنوان تسلیح اعضای سازه های بتنی استفاده می شود. به طور کلی فولاد ، کاربری مناسب از خود نشان داده اما در شرایط محیطی خشن به سبب مساله خوردگی فولاد ، زوال سازه سریع و مصیبت وار است . برای رویارویی با این مطلب ، تلاش های گسترده ای از قبیل استفاده از میلگردهای با پوشش اپوکسی و حفاظت کاتدی ، صورت گرفته است . در نهایت بهره گیری از آرماتورهای FRP راه مناسبی در حل این معضل شناخته شده زیرا مصالح FRP حتی در محیط های کلروی ، خورده نمی شود.
با توجه به آمار منتشر شده ، استفاده از FRP مقرون به صرفه به نظر می رسد . احیای مجدد زیر ساخت های فرسوده کانادا ، 49 بیلیون دلار سرمایه می خواهد . برای باز ساز ی کلیه سازه های بتن آرمه دچار خورده گی شده در آمریکا ، به بودجه ای معادل 1 تا 3 تریلیون دلار احتیاج است . این هزینه در مورد پل های شاهراه های آمریکا 50 میلیارد دلار بر آورد شده است و در کانادا هزینه بازسازی یا تعمیر پارکینگ ها ، به تنهایی 4 تا 6 میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است . سالانه بین 150 تا 200 دهانه ، 
در آمریکا تخریب می گردد. در حالی که اگر در ساخت عرشه بتن مسلح ، شبکه های میلگرد بالایی و پایینی از اپوکسی ( نوعی رزین که در ساخت مصالح FRP کاربرد دارد ) استفاده گردد، انتظار می رود که پل حداقل 50 سال ( در شرایط خشن ) دوام آورد . در ژاپن اکثر مردم به علت وجود کوهستان در مراکز جزایر ، در نزدیکی ساحل زندگی می کنند و لذا سازه های بسیاری از قبیل راه آهن و بزرگراه ها در سواحل احداث شده اند ، و به شدت در معرض خوردگی قرار دارند. به همین سبب در سواحل جنوبی ایران نیز ، چون بندر عباس بسیاری از سازه های بتن مسلح کمتر از 5سال عمر می کنند. 
تولید به منظور صرفاً استفاده در شرایط محیطی خشن ، موجب استفاده تجاری از FRP در 
کارخانه های تصفیه فاضلاب ، دیوارهای واقع در آب دریا ، لنگرگاه های شناور ، و سازه های زیر آب شده است . به علاوه، خواص خوب عایق در مقابل جریان الکتریسیته ، موجب استفاده از FRP به جای فولاد در سازه های تحت تأثیر میدانهای الکتریکی ـ مغناطیسی ، نظیر پایگاه های راکتوری ، باند فرودگاه ها، بیمارستانها و لابراتوارها شده است .
طراحی سازه های ساده تر و مقاوم تر ، سادگی نصب سیستم های FRP ، مقاومت کششی بسیار بالا و مناسب در سیستم های پیش تنیده و خستگی کمتر مصالح FRP نسبت به فولاد ، از دیگر دلایل عمده بهره گیری از این مصالح می باشد .

بدلیل اینکه میلگردهای FRP دارای یک رفتار غیر شکل پذیر می باشند ، استفاده از میلگردهای FRP باید محدود به سازه هایی شود که مهمترین مشکل آن خوردگی و یا مشکلات الکترو مغناطیسی 
می باشد . 
رفتار مکانیکی میلگردهای FRP با رفتار میلگردهای فولادی متفاوت می باشد . بنابراین فلسفه طراحی ساختمانهای بتنی با استفاده از میلگردهای FRP دارای تغییراتی نسبت به میلگردهای فولادی 
می باشد. میلگردهای فولادی دارای یک رفتار تقریباً ایزو ترو پیک می باشند ولی میلگردهای FRP ناهمسانگرد هستند و دارای خصوصیات برتر ( مقاومت کششی بالا ) فقط در جهت اصلی الیاف می باشند . 
این رفتار ناهمسانگرد در مقاومت برشی و چسبندگی میلگردهای FRP به بتن تأثیر می گذارد . به علاوه مصالح FRPدارای رفتار الاستیک خطی می باشند و از خود رفتار جاری شدن ( وارد شدن به مرحله پلاستیک ) مانند فولاد نشان نمی دهند . روش های طراحی باید کمبود شکل پذیری در سازه های مسلح شده با میلگردهای FRPرا در نظر بگیرد . 
بنابراین خصوصیات مصالح FRP قبل از مسلح کردن سازه لازم است که ملاحظه گردد تا قابلیت کاربری مناسب برای سازه مد نظر را دارا باشد .

 
رفتار فشاری:

  
مقاومت فشاری میلگرد FRP از مقاومت کششی آن پایین تر است . حالت کشش برای میلگرد FRPکه تحت فشار طولی قرار گرفته است می تواند شامل شکست کششی جانبی ، ریز کمانش های الیاف یا شکست برشی شود . 
حالت شکست به نوع الیاف ، در صد حجم الیاف ، و نوع رزین بستگی دارد . مقاومت فشاری گزارش شده برای GFRP 55% ، و برای CFRP 76% ، و برای AFRP 20% برابر مقاومت کششی می باشد .
در حالت کلی مقاومت فشاری میلگردهایی با مقاومت های بالای کششی ، بالا می باشد ، بجز در مورد AFRP که الیاف رفتار غیر خطی در فشار در سطح پایین تنش نشان می دهد.
مدول الاستیسیته فشاری میلگردهای FRP معمولاً از مدول الاستیسیته کششی آنها پایین تر می باشد. آزمایشات بر روی یک نمونه متشکل از 55 تا 60 % حجم الیاف شیشه E در یک ماتریس رزین پلی استر ، مدول فشاری را Mpa 34000 تا 48000 گزارش داده اند . بر طبق گزارشات مدول الاستیسیته فشاری برای GFRP تقریباً 80% ، برای CFRP 85 % و برای AFRP 100% مدول الاستیسیته همان مصالح می باشد. 

  
رفتار برشی :

 
اغلب میلگردهای FRP نسبتاٌ ضعیف در برش درون لایه ا‌ی ، جاییکه لایه های رزین ما بین الیاف قرار می گیرد ، می باشند . بدلیل اینکه معمولاً هیچ لایه الیافی در عرض میلگرد وجود ندارد. مقاومت برشی درون لایه ا‌ی به وسیله ماتریس پلیمری نسبتاً ضعیف حاکم می باشد . 
جهت قرارگیری الیاف در راستای غیر اصلی مقاومت برشی را نیز با توجه به زاویه قرار گیری افزایش خواهد داد.
در مورد میلگردهای FRP، این کمبود مقاومت برشی می تواند به وسیله تابیدن یا پیچیدن الیاف جانبی عرضی در برابر الیاف اصلی بهبود یابد . قرارگیری فرعی همچنین می تواند در خلال فرآیند پولتروژن اصلاح گردد. 

  
رفتار چسبندگی

 
عملکرد چسبندگی میلگرد FRP ، به طراحی فرآیند تولید ، خصوصیات میلگرد و شرایط محیطی بستگی دارد . برای مهار یک میلگرد در بتن ، نیروی چسبندگی می تواند به وسیله عوامل زیر منتقل شود :
- مقاومت فصل مشترک چسب که چسبندگی شیمیایی نامیده می شود . 
- مقاومت اصطکاک در فصل مشترک در برابر لغزش .
- درگیری مکانیکی میلگرد و بتن بدلیل نامنظمی سطح .
فرضیه : 
محاسبات مقاومت عضو خمشی باید بر اساس فرضیه زیر انجام پذیرد . 
کرنش در بتن و میلگردهای FRP متناسب با فاصله از محور خنثی می باشد ( قبل و بعد از بارگذاری سطح مقطع ثابت می ماند)‌
شناخت مصالح FRP

 
- موارد مصرف:

 
FRP به صورت های زیر در سازه های بتنی مصرف می شود :
الف) میلگردها (شامل شبکه های 2 بعدی یا 3 بعدی )
ب ) صفحات (صفحه 2 بعدی مسلح شده در 1 راستا)
ج) فیبرها
موارد مصرف این مواد در کارهای عمرانی به شرح زیر است :
الف) مقاطع سازه ا‌ی (پروفیل ها ) در خرپاها و یا سازه های قابی. پانل های دیوار یا طبقات ، 
پانل های عرشه پل ها
ب) میله ها ، آرماتورها و شبکه ها در استفاده مجزا و یا به عنوان آرماتورهای داخلی برای اعضای بتنی پیش تنیده.
ج) نوارها (تسمه ها) ، صفحات و پوسته ها برای استفاده مجزا و یا به عنوان آرماتور های خارجی پیش تنیده برای اعضای بتنی، چوبی، بنایی و فلزی .
د) صفحات، پوسته ها و یا مقاطع قالب شده برای استفاده مجزا و یا به صورت مرکب در قالب بندی های درجا و تسلیح خارجی اعضای بتنی

 
ساختار :

  
یک میلگرد FRP از فیبرها و ماتریس رزین تشکیل می شود. بار اعمال شده ، بیشتر به فیبرها وارد 
می شود ، لذا فیبرها هستند که خصوصیات مکانیکی FRP نظیر مقاومت، مدول های الاستیسیته و …را تشکیل می دهند. 
ماتریس رزین 3 وظیفه به عهده دارد:
- انتقال تنش از فیبری به فیبر دیگر .
- نگهداری فیبرها برای عدم جابجایی فیبرها
- محافظت از فیبرها در مقابل شرایط محیطی( و یون های مهاجم)
هنگامی که فیبری بشکند ، تنش تحملی فیبر شکسته ، از طریق سطح تماس (Interface) به ماتریس رزین منتقل می شود و سپس به دیگر فیبرها منتقل می گردد . 
ماتریس رزین از فیبرها در مقابل یون های هجوم آورنده محافظت می کند .(عملکردی مشابه عملکرد بتن cover درقبال فولاد) رزین ها در برابر اسیدها و قلیایی ها و دیگر مواد شیمیایی ،مقاومت خوبی دارند در حالی که ممکن است در معرض اشعه ماوراء بنفش و اعمال سائیدگی ، زوال یابند.
گروه بندی انواع FRP
گروه بندی FRP بر اساس نوع فیبر (الیاف) ، رزین پلیمر و آرایش فیبر ها انجام می گیرد . فیبرها و رزین های مجاز برای ساخت FRP به قرار زیر هستند:
- 2 نوع رزین پلیمر ترموست (در مقابل حرارت سخت می شوند)
 Epoxy (E) Vinylester( V)  
- 2 نوع الیاف
Glass – E or S Glass (G) Carbon (C)
آرایش فیبرها بر حسب سطح تورق الیاف می باشد . بر اساس وضعیت لایه ها ، مصالح FRP به 3 کلاس

میلگردهای FRP مصالح غیر ایزو ترو پیک می باشند و عواملی چون نوع و حجم فیبر و رزین، جهت فیبرها، و کنترل کیفی در خلال تولید نقش اساسی در خصوصیات مکانیکی FRP دارند.

ترک ها :

عملکرد تیرهای مسلح باFRP در بسیاری موارد ، مشابه عملکرد تیر های مسلح فولادی می باشد . ترک های حاصل از تنش ، ابتدا در زیر تیر و در وسط دهانه شکل گرفتند . با افزایش تدریجی بار ، ترک ها به صورت تصاعدی عریض تر شدند و در مقطع عرضی ، به بالا گسترش یافتند .
ممانی که باعث گسیختگی این تیر ها شد ، به طور متوسط 34/2 برابر ممان مقطع ترک خورده بود. 
نکته : همان طور که انتظار می رفت ، تیرهای مسلح با FRP ، ترک های عریض تر و خیز های بزرگتری نسبت به تیر های مسلح فولادی دارند .
مقایسه برخی خصوصیات فولاد و مصالح FRP 
الف)مقاومت کششی :
مصالحFRPدارای مقاومت بالای کششی اند و به غیر از راستای فیبر ها ، اصولاً تسلیم نمی شوند. مقاومت کششی آرماتورهای FRP بین 100 تا 160 Ksi ( Mpa1100to 960) می باشد که بالاتر از میزان Mpa 68/413 برای آرماتورهای فولادی است . در مقایسه میلگرد فولادی با قطر mm 3/11 با میلگرد CFRP با قطر مشابه حدودmm 5/9 ، نتایج نشان می دهند مقاومت کششی نهایی CFRP حداقلMpa1500 ، 
یعنی 3 برابر آنچه برای میلگرد فولادی است می باشد. از طرفی مقاومت کششی میلگرد GFRPبا 
قطر mm9 ، Mpa 760 اندازه گیری شد.
ب) مدول الاستیسیته :
مدول های الاستیسیته کششی آرماتورهایFRP بین 6 تا 10 milion Psi ( 40 تا 70Gpa) می باشد که کاملاً پایین تر از فولاد است. 
مدول الاستیسیته میلگرد CFRP ، حدود 65% فولاد معادل 128Gpa می باشد . مدول الاستیسیته GFRPنیز Gpa 8/40 می باشد که بسیار پایین تر از مورد مشابه در فولاد است. تیر های مسلحFRP به سبب مدول الاستیسیته پایین ، خیزهای بسیار بزرگتری از خود نشان می دهند. 
ج) مقاومت چسبندگی :
چسبندگی آرماتورهایFRP با بتن تقریباً 3/2 برای چسبندگی فولاد و بتن می باشد. مقاومت چسبندگیCFRP و میلگرد فولادی تقریباً مشابه برآورد شد . 
د) خصوصیات خمشی در بتن:
نتایج تجربی نشان می دهد تیر های مسلح باFRP در بسیاری موارد رفتار خمشی مشابهی با تیرهای مسلح فولادی دارند. البته مقاومت خمشی آرماتورهایFRP آشکارا در دماهای بالاتر از ( 0C 204 ) F 400 کاهش می یابد.
ه) وزن و مقاومت برشی:
وزن حدودی میلگردهای FRP ، حدود 4/1 وزن میلگرد های فولادی است. مقاومت برشی میلگردهای FRP تنها در حدود (Mpa5/58 ) Psi8500 می باشد. موارد زیر را در هنگام استفاده ازFRP به عنوان آرماتور برشی، باید در نظر گرفت:
 FRP مدول الاستیسیته پایینی دارد .
  FRP مقاومت کششی بالایی دارد در حالی که نقطه تسلیم ندارد. 
مقاومت کششی میلگرد FRP خم شده ، کمتر از مقاومت کششی میلگرد صاف است .
  FRP مقاومت چسبندگی پایینی دارد.
خصوصیات شیمیایی :
مقاومت قلیایی:
به منظور تخمین میزان کاهش مقاومتGFRP ، (1996) Katsuki دو معادله زیر را در حالتی که مدت غوطه وری کوتاه است، ارائه داده است: 
F/F =( )2  
LogK = -2.23(1000/T) + 1.57
مقاومت میلگردGFRP پس از غوطه وری – F
مقاومت میلگردGFRP قبل از غوطه وری –Fo
 ( hr) پس از غوطه وری- t ( N) تمرکز قلیا- K ( hr / cm2) ضریب پخش- C
( K ه ) درجه حرارت محیطی- T ( cm ) شعاع میلگرد- Ro
مقاومت اسیدی :
اگرFRP در بتن مدفون گردد، هیچ ضابطه ا ی برای مقاومت اسیدی لازم نخواهد بود. اما اگر به عنوان تسلیح خارجی ، از قبیل کابلهای خارجی، و صفحات تسلیحی به کار رود ، اسیدها میتوانند تحت عناوین ( بارانهای اسیدی ) و یا ( رودخانه اسیدی ) بهFRP آسیب رسانند .
کاهش مقاومت در تمامی فیبرها در دمای ( C) دیده می شود. فیبرهای کربن و فیبرهای شیشه تا درجه حرارت ( C) زوال چندانی ندارند . در حالی که فیبرهای آرامید ، مخصوصاٌ 49Klever ، کاهش مقاومت در دمای ( C) نیز دیده می شود.
مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش :
هنگامی که FRP به عنوان تسلیح خارجی استفاده می گردد، همانند مقاومت اسیدی ، نباید اثر اشعه ماوراء بنفش را نادیده گرفت . 
 FRP از فیبر ها و رزین‌ها تشکیل شده و رزین ، به هنگام قرارگیری در معرض تابش خورشید ، به سادگی در برابر اشعه ماوراء بنفش زوال می یابد. 
میزان از دست دادن مقاومت هر نوع میلگرد پس از 3 سال در شرایط محیطی به قرار زیر است:
32-30 % CFRP : 19- 1%GFRP : 32-30%AFRP :
معادله زیر از اطلاعات موجود ، برای محاسبه ضخامت لایه زوال یافته به دست آمده است:
 = 0.03t (0.26)
  (hr) ماوراء قرار گیری در اتاق ماوراء بنفش-mm ) t )عمق لایه رزین زوال یافته=  

 
مقاومت انجماد- ذوب:

 
به منظور کنترل دوام پذیری FRP در آب وهوای سرد ،‌ آزمایش های ذوب – انجماد انجام گردید. کاهش مقاومت ، تنها در میلگرد GFRP دیده شد ، اما میزان آن تنها 80% پس از 300 سیکل غوطه وری در محفظه آب ( تا ) بود.

 
مقاومت در برابر حرارت بالا و در برابر آتش :

 
حرارت بالا ممکن است بر خصوصیات فیبر ها و FRP تواماً تاثیر بگذارد . آزمایش های مقاومت کششی برای میلگردهای FRP در دماهای مختلف ( تا ) انجام شد. نتایج نشان دادند که مقاومت و مدول های الاستیسیته ، هر دو 20% تا 30% با افزایش درجه حرارت از( تا ) کاهش یافتند. نتایج آزمایشات انستیتوی معماری ژاپن در مقاومت FRP و آرماتورهای فولادی مدفون در بتن نشان داد که FRP قابل اشتعال است و در مقایسه با فولاد ، کاهش مقاومت و الاستیسیته بیشتری پس از آتش سوزی دارد . GFRP و CFRP در دماهای بالاتر ( ) از کاهش معادل 25% دارند در حالی کهAFRP در دمای بالاتر از ( ) کاهشی معادل 35% دارند.  
 

خلاصه و نتیجه گیری : 

   
1) خوردگی فولاد بر اقتصاد ملی ایران سالانه ملیاردها ریال خسارت وارد می کند . این معضل در سواحل دریای خزر ، سواحل خلیج فارس و زمین های دریاچه ارومیه ، به وفور دیده می شود . از سوی دیگر ، مقابله با خوردگی در تاسیسات داخل آب مربوط به صنعت نفت ( شمع ها، سکو های حفاری و..) بسیار حائز اهمیت می باشد. احیای مجدد زیر ساخت های فرسوده ، با توجه به هزینه قابل توجه ساخت مجدد، اجتناب ناپذیر به نظر می رسد. بهره گیری از این تکنولوژی جدید موجب دستیابی به سازه های با عمر بیشتر، سبک تر و مقاوم تر در برابر خوردگی می گردد.
2) آزمایشات نشان می دهد ، مصالح FRP دارای مقاومت کششی بالاتری از فولاد است در حالی که حدود 25% وزن فولاد را دارد . 
3) کلیه انواع FRP در برابر هجوم اسید ها ، تا دمای 40 درجه سانتیگراد مقاومت خوبی نشان 
می دهند . 
4) از معایب FRP می توان مدول الاستیسیته پائین ، کاهش آشکار مقاومت خمشی در دماهای بالا و کلاً مقاومت پائین مصالح در مقابل آتش سوزی را ذکر کرد . 
5) عملکرد خمشی تیرهای مسلح با FRP و نیز چسبندگی آرماتورها با بتن ، تقریباً مشابه فولاداست . 
6) فیبرهای کربن و CFRP برای تسلیحات داخلی و خارجی خصوصیات دوام پذیری خوبی دارند.
7) هنگامی کهCFRP صفحات کربن ، به عنوان تسلیح خارجی به کار رود ، زوال ناشی از اشعه ماوراء بنفش باید در نظر گرفته شود .
8) فیبرهای شیشه و GFRP به غیر از مقاومت اسیدی و مقاومت ذوب ـ انجماد ، از نظر دوام پذیری ضعیف هستند.
9) استفاده از GFRP به عنوان آرماتورهای داخلی توصیه نمی شود. هنگامی که فیبر های شیشه و GFRP به عنوان تسلیح های خارجی استفاده گردند ، مراقبت جهت زوال ناشی از بار خستگی ، مقاومت اسیدی و اشعه ماوراء بنفش ، باید لحاظ گردد.
10) FRP مقاومت پایینی در برابر آتش و حرارت بالا دارد.
11) در مجموع استفاده از FRP با فیبرهای کربن به عنوان تسلیحات داخلی یا خارجی ، در 
محیط های خورنده ، مطلوب به نظر می آید . 

« منابع و مراجع »

1ـ کاربرد میله های کامپوزیتی FRP در بتن آرمه ـ دکتر داوود مستوفی نژاد . 
2- Durability of FRP Reinforcement as Concrete Reinforcement . Uomoto . 

FRP Composites in civil engineering . Vol . 1 . ELSEVAER 2001 .

3-Benmokrone etal 2001

4-A Model specification for FRP composites for Civil engineering Structures