خواص فیزیکی میلگرد کامپوزیت

چگالی میلگردهای FRP به طور کلی در محدوده از 1.25 تا 2.1 گرم بر سانتی متر مربع، متغیر است.

مقایسه مقادیر مربوط به چگالی میلگردهای FRP با میله های فولادی، حاکی از کاهش وزنی فوق العاده بالای این قطعات در محدوده 75 تا 83 درصد نسبت به فولاد می باشد.

پایین بودن وزن این نوع سازه های تقویت کننده منجر به کاهش هزینه های انتقال و جابه جایی قطعات و همچنین افزایش راحتی کار با آن ها در حین انجام پروژه های ساخت و ساز خواهد شد.

در جدول نتایج مربوط به مقایسه مقادیر چگالی مابین میلگردهای FRP تقویت شده با الیاف مختلف و میلگردهای فولادی داده شده است.

ضریب انبساط حرارتی:
روند تغییرات ضریب انبساط حرارتی میلگردهای FRP در هر دو راستای طولی و عرضی، وابستگی شدیدی به نوع الیاف تقویت کننده، رزین مصرفی و مقدار کسر حجمی الیاف دارد.

ضریب انبساط حرارتی در راستای طولی، به وسیله خصوصیات الیاف مشخص می شود، در مقابل نیز ضریب انبساط حرارتی عرضی به واسطه خصوصیات رزین تعیین می گردد.

جدول زیر ضرایب انبساط طولی و عرضی را برای انواع میلگردهای FRP و فولادی فهرست می کند.

مقادیر منفی ضریب انبساط حرارتی نشان می دهد که با افزایش دما ماده دچار انقباض می شود و در اثر کاهش دما، ماده منبسط می گردد.

برای تعیین ضریب انبساط حرارتی مواد مختلف، می توان از ضریب انبساط بتن به عنوان یک مرجع استفاده کرد.

استفاده از میلگردهای FRP در ساخت سازه هایی با قابلیت مقاومت در برابر احتراق توصیه نمی شود.

هرچند که میلگردهای FRP در داخل بتن جایگذاری می شوند و به دلیل عدم حضور اکسیژن امکان آتش گرفتن آن ها به شدت پایین است اما اعمال گرمای بیش از حد به سازه، سبب نرم شدن رزین پلیمری خواهد شد.

درجه حرارتی که تحت آن جزء پلیمری میله تقویت کننده FRP نرم می شود را به عنوان دمای شیشه ای شدن می نامند.

در دمای بالاتر به دلیل بروز تغییراتی در ساختار ملکولی ماده، مدول الاستیسیته پلیمر به شدت کاهش می یابد و همین امر در نهایت به تخریب سازه منتهی می گردد.

خواص مکانیکی:
خواص مکانیکی کامپوزیت ها، عمدتا از نقطه نظر رفتار عملکردی آن ها در حین اعمال بارگذاری های مکانیکی بررسی می شود.

تعیین رفتار کششی، فشاری، خمشی و برشی، از جمله مهم ترین اطلاعاتی است که طراحان و مهندسان حوزه ساخت مواد کامپوزیتی به طور کلی در پی یافتن آن هستند.

عوامل دیگری نظیر سطح مشترک بین لیف و رزین پلیمری که تعیین کننده میزان قابلیت انتقال بار از ماتریس به تقویت کننده است، نیز می تواند عملکرد مکانیکی سازه کامپوزیتی نهایی را تحت تأثیر قرار دهد.

با توجه به اهمیت استفاده از تقویت کننده های FRP به عنوان گروهی از کامپوزیت های پیشرفته، در ساخت سازه های مهندسی حوزه های فنی به ویژه عمران و راه سازی، در اختیار داشتن اطلاعاتی در زمینه رفتار مکانیکی این دسته از سازه ها حائز اهمیت است.

رفتار کششی:
زمانی که یک میلگرد کامپوزیتی تقویت شده از نوع FRP تحت بارگذاری کششی قرار می گیرد، تا قبل از رسیدن به نقطه تسلیم، هیچ رفتار پلاستیک در نمونه مشاهده نمی شود.

رفتار کششی میلگردهای FRP متاثر از نوع الیاف و متناسب با رفتار تنش - کرنش آن ها تا لحظه پارگی است.

در جدول مقایسه ای مابین خواص کششی میلگردهای تقویت شده FRP و میلگردهای فلزی انجام شده است.

با توجه به این که کسر حجمی الیاف، اثر قابل ملاحظه ای بر رفتار کششی کامپوزیت ها خواهد داشت لذا نتایج ارائه شده در جدول مربوط به نمونه هایی با کسر حجمی مشابه و در حدود 0.5 است.

سختی و استحکام کششی میلگردهای FRP به چندین عامل بستگی دارد. به دلیل این که در میلگردهای FRP، تحمل نیرو اساسا توسط الیاف تقویت کننده صورت می گیرد.

لذا نوع و کسر حجمی الیاف مصرفی و از همه مهم تر راستای جهت گیری الیاف، به شدت خصوصیات کششی حاکم بر میلگردهای FRP را تحت تأثیر قرار می دهد.

تغییرات استحکام و سختی این دسته از ساختارهای کامپوزیتی، در میله هایی با کسر حجمی متفاوتی از الیاف تقویت کننده رخ می دهد.

این در حالی است که سایر ویژگی های میلگردها از قبیل قطر، شکل ظاهر و نوع اجزای تشکیل دهنده یکسان است.

نرخ عملیات پخت کامپوزیت، نوع فرایند تولید و کنترل کیفیت در نظر گرفته شده حین ساخت قطعات از جمله دیگر عواملی هستند که بر خصوصیات مکانیکی میلگردها تأثیر گذارند.

برخلاف میلگردهای فولادی، استحکام کشش میلگردهای تقویت شده FRP می تواند متناسب با قطر سازه تغییر کند.

به عنوان مثال مقایسه خواص کششی سه نوع متفاوت از میلگردهای FRP تقویت شده با الیاف شیشه حاکی از روند کاهشی 40 درصدی در مقاومت کششی میلگردها با افزایش نسبی قطر آن ها از 9.5 تا 22.2 میلی متر است.

در رابطه با میلگردهای تقویت شده با الیاف کربن، ادعا شده است که ایجاد تغییر در سطح مقطع میلگرد، تأثیر قابل ملاحظه ای بر مقاومت کششی آن نخواهد داشت.

حساسیت میلگردهای تقویت شده از نوع AFRP نسبت به تغییرات سطح مقطع، از یک محصول به محصول دیگر متغیر است.

تعیین مقاومت میلگردهای FRP توسط روش و فرایندهای آزمایشگاهی تا حدودی مشکل است، به این دلیل که تمرکز تنش در نقاط لنگرگاه مربوط به نمونه میلگرد آزمایشی و همچنین توزیع تنش در اطراف این نقاط، سبب شکست نهایی سازه می شود.

در حال حاضر هیچ تولید کننده ای از استانداردهای کافی و مناسب جهت تعیین مقاومت کششی و سختی میلگردهای FRP به صورت آزمایشگاهی برخوردار نیست.

در حین آزمایشات کشش محوری اعمال شده بر روی نمونه میلگردهای تقویت شده، گیره آزمایش باید بتواند امکان شکست میله را از نقطه ای در وسط نمونه فراهم سازد.

خصوصیات کششی میلگردهای FRP را به طور خاص باید از تولیدکنندگان آن ها جویا شد. برای اندازه گیری و تعیین خواص کششی این نوع میله ها باید فرض کرد که تمامی داده ها دارای یک توزیع نرمال هستند.

بهره گیری از مقادیر گزارش شده حدود اطمینان مربوط به استحکام کششی، کرنش پارگی و مدول کششی مخصوص برای نمونه میلگردهای تقویت شده FRP، قابلیت عملکردی سازه نهایی را تعیین می کند.

بعد از اتمام فرایند تولید، یک میله FRP را نمی توان به سادگی خم کرد، چرا که این نوع میلگردهای عمدتا با رزین های گرما سخت تولید می شوند.

البته این استثنا نیز وجود دارد که در صورت استفاده از رزین های گرمانرم و با اعمال دما و فشار بیشتر، بتوان شکل جدید را به میله تولید شده القا کرد.

در صورتی که یک میله FRP با شکل ظاهری خمیده مورد نیاز باشد، به راحتی می توان منسوج تقویت کننده این سازه را در حالت خم تولید کرد.

در میلگردهای FRP خمیده، یک روند کاهشی 40 تا 50 درصدی در استحکام کششی نسبت به میله های صاف مشاهده خواهد شد که دلیل اصلی آن، وجود تمرکز تنش در نواحی متشکل از الیاف با پیکربندی خمیده است.

رفتار فشاری:
به طور کلی، تکیه بر مقادیر مربوط به مقاومت فشاری نمونه میلگردهای FRP توصیه نمی شود چراکه رفتار فشاری این دسته از سازه های کامپوزیتی در برابر مقاومت کششی، به واسطه مقاومت کم الیاف شیشه در برابر نیروهای جانبی، قابل صرف نظر کردن است.

به طور کلی می توان به این واقعیت اشاره کرد که صرف نظر از نوع شکست ایجاد شده در یک سازه کامپوزیتی قرار گرفته در معرض نیروی فشاری، حالت شکست به عواملی همچون نوع الیاف تشکیل دهنده، کسر حجمی لیف و نوع رزین بستگی دارد.

گزارش شده است که مقدار مقاومت فشاری میلگردهای GFRP، CFRP و AFRP به ترتیب برابر با 55، 78 و 20 درصد از مقدار استحکام کششی آن هاست.

در حالت کلی میلگردهایی با استحکام کششی بالا، از مقاومت بیشتری نیز در برابر نیروهای فشاری برخوردار هستند.

لازم به ذکر است که این اصل در رابطه با میلگردهای AFRP استثنا است به طوری که حتی در برابر اعمال تنش های فشاری نسبتا پایین الیاف آرامید موجود در ساختار کامپوزیت رفتاری غیر خطی از خود نشان می دهند.

رفتار برشی:
طی پدیده برش درون لایه ای کامپوزیت ها، به ویژه در جایی که رزین تقویت نشده مابین لایه هایی از الیاف تقویت کننده قرار گرفته است، اغلب میلگردهای FRP عملکردی نسبتا ضعیف از خود ارائه می دهند.

به دلیل اینکه معمولا هیچ گونه لایه عرضی تقویت کننده در ساختار میلگردهای FRP وجود ندارد، مقاومت برشی درون لایه ای به وسیله زمینه نسبتا ضعیف پلیمری کنترل می شود.

دوام:
به طور کلی، مقاومت و سختی میلگردهای FRP به شرایط محیطی قبل و بعد از فرایند ساخت به شدت حساس هستند.

این شرایط محیطی می توان شامل رطوبت، اشعه ماورای بنفش، دمای بالا، محلول های قلیایی، اسیدی یا نمک دار باشد.

مقاومت و سختی این نوع میلگردها بسته به جنس مصالح به کار گرفته شده و شرایط موجود، می تواند افزایش یا کاهش یافته و یا ثابت باقی بماند.

در این زمینه، خصوصیات چسبندگی و مقاومت کششی میلگردهای FRP، از جمله پارامترهای مهمی برای سازه های بتن آرمه به شمار می روند.

شرایط محیطی به طور وسیع محققان را علاقه مند به تحقیق درباره رفتار میلگردهای FRP در محیط های مرطوب با اثرات قلیایی شدید نموده است.

در اکثر تحقیقات موجود، میلگردهای FRP به تنهایی و بدون قرارگیری در بتن تحت محیط خورنده و بدون اعمال بارگذاری قرار گرفته اند. عملکرد میلگردهای FRP جایگذاری شده در بتن، می تواند تحت تأثیر عوامل متغیر زیادی قرار گیرد.

به طور کلی تغییرات PH محیط به عنوان مقیاسی برای کاهش مقاومت و سختی کششی میلگردهای GFRP شناخته می شوند.

در این رابطه نتایج متغیری را می توان از آزمایشات متعدد به دست آورد.

هرچند در تمامی موارد، افزایش دما و افزایش زمان قرارگیری در محیط مساله کاهش مقاومت و استحکام میلگردهای FRP را تشدید می کند.

رزین مورد استفاده می توان الیاف شیشه را از نفوذ یون های مضر و محیط قلیایی باز دارد.