فایل word مقاله کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه و بررسی دوام آنها

    —         —    

ارتباط با ما     —     لیست پایان‌نامه‌ها

... دانلود ...

بخشی از متن فایل word مقاله کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه و بررسی دوام آنها :

کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه و بررسی دوام آنها
خلاصه
خوردگی قطعات فولادی در سازه‌های مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهای فولادی در سازه‌های بتن آرمه ای که در معرض محیط‌های خورنده کلروری و کربناتی قرار دارند, یک مساله بسیار اساسی تلقی می‌شود. در محیط‌های دریایی و مرطوب وقتی که یک سازه بتن‌آرمه معمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمک‌ها, اسید‌ها و کلرورها قرار گیرد, میلگردها به دلیل آسیب دیدگی و خوردگی, قسمتی از ظرفیت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهای زنگ زده بر پوسته بیرونی بتن فشار می‌آورد که به خرد شدن و ریختن آن منتهی می‌شود. تعمیر و جایگزینی اجزا فولادی آسیب دیده و نیز سازه بتن آرمه‌ای که به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است, میلیون‌ها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار آورده است.

به همین دلیل سعی شده که تدابیر ویژه‌ای جهت جلوگیری از خوردگی اجزا فولادی و میلگرد‌های فولادی در بتن اتخاذ گردد که از جمله می‌توان به حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود برای حذف کامل این مساله, توجه ویژه ای به جانشینی کامل اجزا و میلگردهای فولادی با یک ماده جدید مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. از آن‌جا که کامپوزیت‌های FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در مقابل محیط‌های قلیایی و نمکی مقاوم هستند که در دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گسترده‌ای جهت جایگزینی کامل با قطعات و میلگردهای فولادی بوده‌اند. چنین جایگزینی بخصوص در محیط‌های خورنده نظیر محیط‌های دریایی و ساحلی بسیار مناسب به نظر می‌رسد. در این مقاله مروری بر خواص, مزایا و معایب مصالح کامپوزیتی FRP صورت گرفته و قابلیبت کاربرد آنها به عنوان جانشین کامل فولاد در سازه‌های مجاور آب و بخصوص در سازه بتن آرمه, به جهت حصول یک سازه کاملاً مقاوم در مقابل خوردگی, مورد بحث قرار خواهد گرفت.

1 – مقدمه
بسیاری از سازه‌های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها, کلریدها و سایر عوامل خورنده, دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مساله هزینه‌های زیادی را برای تعمیر, بازسازی و یا تعویض سازه‌های آسیب ‌دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مساله مهندسی, بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی شده است ]1[. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریکا, بیش از 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند ]2[. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در کانادا, 4 تا 6 میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است ]3[. هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در امریکا در حدود 50 میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیکه برای بازسازی کلیه سازه‌های بتن آرمه آسیب‌دیده در امریکا در اثر مساله خوردگی میلگردها, پیش‌بینی شده که به بودجه نجومی 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است ]3[ !

از مواردی که سازه‌های بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار می‌گرفته, کاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیط‌های دریایی بوده است. تاریخچه کاربرد بتن آرمه و بتن پیش‌تنیده در کارهای دریایی به سال 1896 بر می‌گردد ]4[. دلیل عمده این مساله, خواص ذاتی بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابلیت کاربرد آن چه در بتن‌ریزی در جا و چه در بتن پیش‌تنیده بوده است. با این وجود شرایط آب و هوایی و محیطی خشن و خورنده اطراف سازه‌های ساحلی و دریایی همواره به عنوان یک تهدید جدی برای اعضا بتن آرمه محسوب گردیده است. در محیط‌های ساحلی و دریایی, خاک, آب زیرزمینی و هوا, اکثراً حاوی مقادیر زیادی از نمکها شامل ترکیبات سولفور و کلرید هستند.

در یک محیط دریایی نظیر خلیج فارس, شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب, که بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد, با درجه حرارت‌های بالا و نیز رطوبت‌های بالا همراه شده که نتیجتاً خوردگی در فولادهای به کار رفته در بتن آرمه کاملاً تشدید می‌شود. در مناطق ساحلی خلیج فارس, در تابستان درجه حرارت از 20 تا 50 درجه سانتیگراد تغییر می‌کند, در حالیکه گاه اختلاف دمای شب و روز, بیش از 30 درجه سانتیگراد متغیر است. این در حالی است که رطوبت نسبی اغلب بالای 60 درصد بوده و بعضاً نزدیک به 100 درصد است. به علاوه هوای مجاور تمرکز بالایی از دی‌اکسید گوگرد و ذرات نمک دارد [5]. به همین جهت است که از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده است [6]. در چنین شرایط, ترک‌ها و ریزترک‌های متعددی در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد شده, که این مساله به نوبه خود, نفوذ کلریدها و سولفاتهای مهاجم را به داخل بتن تشدید کرده, و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم می‌آورد [7-9]. به همین جهت بسیاری از سازه‌‌های بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحل بندرعباس, در کمتر از 5 سال از نظر سازه‌ای غیر قابل استفاده گردیده‌اند.

نظیر این مساله برای بسیاری از سازه‌های در مجاورت آب, که در محیط دریایی و ساحلی قرار ندارند نیز وجود دارد. پایه‌های پل, آبگیرها, سدها و کانال‌های بتن آرمه نیز از این مورد مستثنی نبوده و اغلب به دلیل وجود یون سولفات و کلرید, از خوردگی فولاد رنج می‌برند.

2 – راه حل مساله
تکنیک‌هایی چند, جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است که از بین آنها می‌توان به پوشش اپوکسی بر قطعات فولادی و میلگردها, تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت کاتدیک میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یک از این تکنیک‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است [10]. برای حذف کامل مساله, توجه محققین به جانشین کردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی, معطوف گردیده است.
مواد کامپوزیتی (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادی بسیار مقاوم در مقابل محیط‌های خورنده همچون محیط‌های نمکی و قلیایی هستند. به همین دلیل امروزه کامپوزیتهای FRP, موضوع تحقیقات توسعه‌ای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهای فولادی و کابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های در مجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی, به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

3 – ساختار مصالح FRP
مواد FRP از دو جز اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها که اصولاً الاستیک, ترد و بسیار مقاوم هستند, جز اصلی باربر در ماده FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر, قطر آن در محدوده 5 تا 25 میکرون می‌باشد [11].
رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند, که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود, ماتریس‌های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی‌آیند؛ در حالیکه رزین‌های ترموپلاستیک را می‌توان با اعمال حرارت, مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزین‌های ترموست می‌توان از پلی‌استر, وینیل‌استر و اپوکسی, و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیک از پلی‌وینیل کلرید (PVC), پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP), نام برد [3].
فایبر ممکن است از شیشه, کربن, آرامید و یا وینیلون باشد که در اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP, CFRP,AFRP و VFRP شناخته می‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از فایبرهای متداول ارائه خواهد شد.

3-1- الیاف شیشه
فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند [10]؛
1 – E-Glass: متداول ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی کم, که در صنعت ساختمان به کار می‌رود, (با مدول الاستیسیته , مقاومت نهایی , و کرنش نهایی ).
2 – Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حمله قلیائیها, که در تولید بتن الیافی به کار گرفته می‌شود.
3 – A-Glass: با مقادیر زیاد قلیایی که امروزه تقریباً از رده خارج شده است.
4 – S-Glass: که در تکنولوژی هوا-فضا و تحقیقات فضایی به کار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی دارد, ( و ).

3-2- الیاف کربن
الیاف کربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند؛
1- الیاف کربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I که تردترین آنها با بالاترین مدول الاستیسیته محسوب می‌شود. ( و ). تیپ II که مقاوم‌ترین الیاف کربن است ( و )؛ و نهایتاً تیپ III که نرمترین نوع الیاف کربنی با مقاومتی بین تیپ ‌I و IIمی‌باشد.
2 – الیاف با اساس قیری(Pitch-based) که اساساً از تقطیر زغال سنگ بدست می‌آیند. این الیاف از الیافPAN ارزان‌تر بوده و مقاومت و مدول الاستیسیته کمتری نسبت به آنها دارند ( و ).
لازم به ذکر است که الیاف کربن مقاومت بسیار خوبی در مقابل محیط‌های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی کاملاً پایدار هستند.

3-3- الیاف آرامید
آرامید,یک کلمه اختصاری از آروماتیک پلی‌آمید است [12].آرامیداساساً الیاف ساخته دست ‌بشر است که برای اولین بار توسط شرکت DuPont در آلمان تحت نام کولار (Kevlar) تولید شد.‌‌چهار‌نوع کولار وجود دارد که از بین آنها کولار 49 برای مسلح کردن بتن, طراحی و تولید شده و مشخصات مکانیکی آن بدین قرار است: و .

4- انواع محصولات FRP
1- میله های کامپوزیتی: میله‌های ساخته شده از کامپوزیت‌های FRPهستند که جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. کاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی, مساله کربناسیون و کلراسیون را که از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمه هستند, به کلی حل خواهند نمود.
2- شبکه‌های کامپوزیتی: شبکه‌های کامپوزیتی FRP (Grids) محصولاتی هستند که از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از این محصول, شبکه کامپوزیتی NEFMAC است که از فایبرهای کربن, شیشه یا آرامید و رزین وینیل استر تولید می‌شود و منجمله برای مسلح کردن بتن مناسب است.
3- کابل, طناب و تاندن‌های پیش‌تنیدگی: محصولاتی شبیه میله‌های کامپوزیتی FRP, ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند, که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزا پیش‌تنیده در مجاورت آب نیز بکار گرفته می‌شوند.

4- ورقه‌های کامپوزیتی: ورقه‌های کامپوزیتی Sheets) FRP), ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. ورقه‌های FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله کردن سازه‌های آبی از محیط خورنده مجاور هستند. همچنین از ورقه‌های کامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شوند.
5- پروفیل‌های ساختمانی: مصالح FRP همچنین در شکل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شکل, T شکل, نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنین محصولاتی می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.

5– میله‌های کامپوزیتی FRP
در حال حاضر, تولیدکنندگان مختلفی در دنیا میله‌های کامپوزیتی FRP را تولید و عرضه می‌کنند. بعضی از انواع مشهور تولیدات میلگردهای FRP که به آسانی در بازار دنیا یافت می‌شوند‌, به قرار زیر هستند‌ [10-13]؛
1 – پ: این محصول توسط کمپانی شیمیایی میتسوبیشی ژاپن از الیاف کربن با اساس قیری تولید می‌شوند. خصوصیات مکانیکی این نوع میلگرد کامپوزیتی عبارت است از: و . این میله‌ها که از جنس CFRP هستند, به شکل مدور در قطرهای 1 تا 17 میلیمتر به صورت صاف, و در قطرهای 5 تا 17 میلیمتر به صورت آجدار تولید می‌شوند.
2 – FiBRA-Rod: این محصول توسط کمپانی میتسوی ژاپن و از کولار 49 تولید می‌شود. خصوصیات مکانیکی این میله‌های کامپوزیتی AFRP, بدین قرار است: و .
3 – TECHNORA: این محصول توسط شرکت تی‌جین (Teijin) ژاپن و از آرامید تولید شد و خواص مکانیکی آن عبارت است از: و .
4 – CFCC: این محصول,کابل کامپوزیتی CFRP بوده و توسط شرکت توکیوروپ(Tokyo Rope) از فایبرهای کربنیPAN تولید می‌شود. این محصول در قطرهای 3 تا 40 میلیمتر و با مقاومت 10 تا kN 1100تولید می‌شود.
5 – ISOROD : این محصول توسط شرکت پولترال (Pultrall Inc. of Thetford Mines) در ایالت کبک از کانادا تولید می‌شود. این محصول از فایبرهای شیشه و رزین پلی‌استر تولید شده و مشخصات مکانیکی آن بدین قرار است: .

6 – C-Bar: این محصول توسط شرکت کامپوزیت‌های صنعتی مارشال در جکسون ویل از ایالت فلوریدا در امریکا تولید می‌شود. این محصول از فایبرهای شیشه که در رزین وینیل استر قرار گرفته, تولید می‌شود. مشخصات مکانیکی C-Bar بدین قرار است: .
توجه شود که امروزه تولید میله‌های کامپوزیتی یک زمینه نو در دنیا محسوب شده و به همین دلیل, متناوباً شرکت‌های جدید تولید کننده در دنیا ایجاد می‌شود. به همین دلیل در این قسمت فقط مروری بر بعضی از این محصولات انجام گردید.

6 – مشخصات اساسی محصولات کامپوزیتی FRP
6-1- مقاومت در مقابل خوردگی
بدون شک برجسته‌ترین و اساسی‌ترین خاصیت محصولات کامپوزیتیFRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است. در حقیقت این خاصیت ماده FRP تنها دلیل نامزد کردن آنها به عنوان یک گزینه جانشین برای اجزا فولادی و نیز میلگردهای فولادی است. به خصوص در سازه‌های بندری, ساحلی و دریایی, مقاومت خوب کامپوزیت FRP در مقابل خوردگی, سودمندترین مشخصه میلگردهای FRP است [14]. در قسمت 7, به صورت مفصل در مورد دوام کامپوزیت‌های FRP بحث خواهد شد.
6-2- مقاومت
مصالح FRPمعمولاً مقاومت کششی بسیار بالایی دارند, که از مقاومت کششی فولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت کششی بالای میلگردهای FRP کاربرد آنها را برای سازه‌های بتن آرمه, خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بسیار مناسب نموده است. مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی, نسبت حجمی, اندازه و سطح مقطع فایبرهای بکار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت کششی محصولات FRP برای میله‌های با الیاف کربن 1100 تا MPa2200, برای میله‌های با الیاف شیشه 900 تا MPa1100, و برای میله‌های با الیاف آرامید 1350 تا MPa 1650 گزارش شده است [15]. با این وجود, برای بعضی از این محصولات, حتی مقاومت‌های بالاتر از MPa 3000 نیز گزارش شده است. توجه شود که بطور کلی مقاومت فشاری میله‌های کامپوزیتی FRP از مقاومت کششی آنها کمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاری محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت کششی آنها MPa700 است [3].

6-3- مدول الاستیسیته
مدول الاستیسیته محصولات FRP اکثراً در محدوده قابل قبولی قرار دارد؛ اگر چه اصولاً کمتر از مدول الاستیسیته فولاد است. مدول الاستیسیته میله‌های کامپوزیتی FRP ساخته شده از الیاف کربن, شیشه و آرامید به ترتیب در محدوده 100 تا GPa 150, GPa 45 و GPa 60 گزارش شده است [15].

6-4- وزن مخصوص
وزن مخصوص محصولات کامپوزیتی FRP به مراتب کمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص کامپوزیتهای CFRP یک سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در کامپوزیتهایFRP از مزایای عمده آنها در کاربردشان به عنوان مسلح کننده بتن محسوب می‌شود [14].

6-5- عایق بودن
مصالح FRP خاصیت عایق بودن بسیار عالی دارند. به بیان دیگر, این مواد از نظر مغناطیسی و الکتریکی خنثی بوده و عایق محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میله‌های FRP در قسمتهایی از بیمارستان که نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند, و در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی [16], و همچنین در باند فرودگاهها و مراکز رادار بسیار سودمند خواهد بود.

6-6- خستگی
خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره, خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنش‌های تناوبی قرار دارند, منجر شود. در مقایسه با فولاد, رفتار مصالح FRP در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنش‌های کمتر از یک دوم مقاومت نهایی, مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند [17].

6-7- خزش
پدیده گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد؛ با این وجود چنانچه کرنش ناشی از خزش جز کوچکی از کرنش الاستیک باشد, عملاً مشکلی بوجود نمی‌آید. در مجموع, رفتار خزشی کامپوزیت‌ها بسیار خوب است؛ به بیان دیگر, اکثر کامپوزیتهای در دسترس, دچار خزش نمی شوند [18].

6-8 – چسبندگی با بتن
خصوصیت چسبندگی, برای هر ماده‌ای که به عنوان مسلح کننده بتن بکار رود, بسیار مهم تلقی می شود. در مورد میله های کامپوزیتی FRP, اگر چه در بررسی بسیار اولیه, مقاومت چسبندگی ضعیفی برای کامپوزیت‌های از الیاف شیشه گزارش شده بود, تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای میله‌های کامپوزیتی FRP گزارش می کند.

6-9- خم شدن
چنانچه کامپوزیتهای FRP در بتن مسلح بکار گرفته شوند, به جهت مهار میلگردهای طولی, میلگردهای عرضی و تنگ‌ها, لازم است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم کردن میله‌های FRP بسیار دشوارتر از خم کردن میلگردهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجود FRP, نمی‌توان خم کردن را در کارگاه انجام داد. اگر چه در صورت لزوم, می‌توان خم میله‌های کامپوزیتی FRP را با سفارش آن به تولید کننده در کارگاه انجام داد.

6-10- انبساط حرارتی
خصوصیات انبساط حرارتی فولاد و بتن بسیار به هم نزدیک هستند؛ ضریب انبساط حرارتی این دو ماده به ترتیب: و می‌باشد. ضریب انبساط حرارتی میله‌های FRP اغلب از بتن متفاوت است. به طور خلاصه ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP با الیاف کربن و شیشه به ترتیب برابر با و می‌باشد. بدترین حالت مربوط به آرامید است که ضریب انبساط حرارتی آن منفی بوده و برابر با می‌باشد [19].

7- دوام کامپوزیت‌های FRP
کامپوزیت‌های FRP شاخه جدیدی از مصالح محسوب می‌شوند که دوام آنها دلیل اصلی و اولیه برای کاربرد آنها در محدوده وسیعی از عناصر سازه‌ای شده است. به همین جهت است که از آنها نه تنها در صنعت ساختمان, بلکه در فضاپیما, بال هواپیما, درهای اتومبیل, مخازن محتوی گاز مایع, نردبان و حتی راکت تنیس نیز استفاده می‌شود. بنابراین از نقطه نظر مهندسی نه تنها مساله مقاومت و سختی, بلکه مساله دوام آنها تحت شرایط مورد انتظار, کاملاً مهم جلوه می‌کند.
مکانیزم‌هایی که دوام کامپوزیت‌ها را کنترل می‌کنند عبارتند از :
1) تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر
2) از دست رفتن چسبندگی بین فایبر و ماتریس
3) کاهش در مقاومت و سختی فایبر

محیط نقش کاملاً تعیین کننده‌ای در تغییر خواص پلیمرهای ماتریس کامپوزیت دارد. هر دوی ماتریس و فایبر ممکن است با رطوبت, درجه حرارت, نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماورا بنفش (UV), ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه کننده نظیر نمک‌ها و قلیایی‌ها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممکن است به صورت سیکل‌های یخ‌زدن و ذوب شدن, تغییراتی را در ماتریس و فایبر باعث گردد. از طرفی تحت شرایط بار‌گذاری مکانیکی, بارهای تکراری ممکن است باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت, ممکن است مساله خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌ای از تمام مسائل مطرح شده در بالا, دوام کامپوزیت‌های FRP را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

7-1- پیر شدگی فیزیکی ماتریس پلیمر
نقش ماتریس پلیمر و تغییرات آن یکی از جنبه‌های مهمی است که در مساله دوام کامپوزیت‌ها باید در نظر گرفته شود. نقش اولیه ماتریس در کامپوزیت انتقال تنش بین فایبرها, محافظت از سطح فایبر در مقابل سائیدگی مکانیکی و ایجاد مانعی در مقابل محیط نامناسب است. همچنین ماتریس نقش به سزائی در انتقال تنش برشی در صفحه کامپوزیت ایفا می‌کند. بنابر این چنانچه ماتریس پلیمر خواص خود را با زمان تغییر دهد, باید تحت توجه خاص قرار گیرد. برای کلیه پلیمرها کاملاً طبیعی است که تغییر فوق‌العاده آهسته‌ای در ساختار شیمیایی (مولکولی) خود داشته باشند. این تغییر با محیط و عمدتاً با درجه حرارت و رطوبت کنترل می‌شود. این پروسه تحت نام پیر‌شدگی (Aging) نامیده می‌شود. تأثیرات پیر شدگی در اکثر کامپوزیت‌های ترموست متداول, در مقایسه با کامپوزیت‌های ترموپلاستیک, خفیف‌تر است. در اثر پیر‌شدگی فیزیکی, بعضی از پلیمرها ممکن است سخت‌تر و ترد‌تر شوند؛ نتیجه این مساله تأثیر بر خواص غالب ماتریس و منجمله رفتار برشی کامپوزیت خواهد بود. با این وجود در اکثر موارد این تأثیرات بحرانی نیست؛ زیرا نهایتاً روند انتقال بار اصلی از طریق فایبر‌ها رخ داده و تأثیرات پیر‌شدگی بر فایبر‌ها فوق‌العاده جزئی است.

7-2- تأثیر رطوبت
بسیاری از کامپوزیت‌های با ماتریس پلیمری در مجاورت هوای مرطوب و یا محیط‌های مرطوب, با جذب سطحی سریع رطوبت و پخش آن, رطوبت را به خود می‌گیرند. معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزایش یافته و نهایتاً پس از چندین روز تماس با محیط مرطوب, به نقطه اشباع (تعادل) می‌رسد. زمانی که طول می‌کشد تا کامپوزیت به نقطه اشباع برسد به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد. خشک کردن کامپوزیت می‌تواند این روند را معکوس کند, اما ممکن است منجر به حصول کامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک (Fick’s Law) تبعیت کرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل و فرج, نوع فایبر, نوع رزین, جهت و ساختار فایبر, درجه حرارت, سطح تنش وارده, و حضور ریزترکها بستگی دارد. در ادامه تأثیر رطوبت را به صورت مجزا بر اجزا کامپوزیت مورد بحث قرار می‌دهیم.

الف- تأثیر رطوبت بر ماتریس پلیمری
جذب آب به توسط رزین ممکن است در مواردی بعضی از خصوصیات رزین را تغییر دهد. چنین تغییراتی عمدتاً در دمای بالای 120 درجه ممکن است اتفاق بیفتد و در اثر آن سختی کامپوزیت به شدت کاهش یابد؛ اگر چه چنین وضعیتی عمدتاً در مصارف کامپوزیت‌ها در مهندسی عمران و به خصوص در سازه‌های در مجاورت آب, کمتر پیش می‌آید و مورد توجه نیست. از طرفی جذب رطوبت یک تأثیر سودمند نیز بر کامپوزیت دارد؛ جذب رطوبت باعث تورم رزین شده که این مساله به نوبه خود تنش‌های پس‌ماند بین ماتریس و فایبر را که در اثر انقباض ضمن عمل‌آوری کامپوزیت ایجاد شده, کاهش می‌دهد. این مساله باعث آزاد شدن تنش‌های بین ماتریس و فایبر شده و ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. از طرفی گزارش شده است که در کامپوزیت‌هایی که به صورت نامناسب ساخته شده‌اند, در اثر وجود حفره‌ها در سطح بین فایبر و ماتریس و یا در لایه‌های کامپوزیت, نفوذ آب در داخل حفره‌ها و یا در سطح مشترک فایبر و ماتریس ممکن است به سیلان رزین منجر شود [20]. این مساله را می‌توان با انتخاب مناسب مواد رزین و یا آماده‌سازی مناسب سطح فایبر‌ها و نیز بهبود تکنیک‌های ساخت, حذف نمود.

ب – تأثیر رطوبت بر فایبر‌ها
اعتقاد عمومی بر آن است که فایبر‌های شیشه چنانچه به صورت طولانی مدت در کنار آب قرار گیرند, آسیب می‌بینند. دلیل این مساله آن است که شیشه از سیلیکا ساخته شده که در آن اکسیدهای فلزات قلیایی منتشر شده‌اند. اکسیدهای فلزات قلیایی هم جاذب آب بوده و هم قابل هیدرولیز هستند. با این وجود, در اکثر موارد مصرف در مهندسی عمران, از E-glass و S-glass استفاده می‌شود که فقط مقادیر کمی از اکسیدهای فلزات قلیایی را داشته و بنابراین در مقابل خطرات ناشی از تماس با آب, مقاوم هستند. در هر حال کامپوزیت‌های ساخته شده از الیاف شیشه باید به خوبی ساخته شده باشند, بصورتیکه از نفوذ آب به مقدار زیاد جلوگیری ‌کنند؛ زیرا حضور آب در سطح الیاف شیشه انرژی سطحی آنها را کاهش می‌دهد که می‌تواند رشد ترک‌خوردگی را افزایش دهد. از طرفی الیاف آرامید نیز می‌توانند مقادیر قابل توجهی از آب را جذب کنند که منجر به باد کردن و تورم آنها می‌شود. با این وجود اکثر الیاف با پوششی محافظت می‌شوند, که پیوستگی خوب با ماتریس داشته و نیز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد. لازم به ذکر است که تحقیقات متعدد, نشان می‌دهد که رطوبت هیچگونه تأثیرات سو شناخته‌شده‌ای را بر الیاف کربن به دنبال ندارد [21].

ج- رفتار عمومی کامپوزیت‌های اشباع شده با آب
کامپوزیت‌های با ‌آب اشباع شده معمولاً کمی افزایش شکل‌پذیری (Ductility) در اثر نرم‌شدگی Softening)) ماتریس از خود نشان می‌دهند. این مساله را می‌توان یک جنبه سودمند از جذب آب در کامپوزیت‌های پلیمری بر‌شمرد. همچنین افت محدود مقاومت و مدول الاستیسیته می‌تواند در کامپوزیت‌های با آب اشباع شده اتفاق بیفتد. چنین تغییراتی معمولاً برگشت‌پذیر بوده و بنابر‌این به محض خشک شدن کامپوزیت‌, ممکن است اثر خواص از دست رفته مجدداً جبران شود.
شایان توجه است که افزایش فشار هیدرواستاتیک (مثلاً در مواردی که کامپوزیت‌ها در مصارف زیر آب و یا در کف دریا به کار می‌روند), لزوماً به جذب آب بیشتر توسط کامپوزیت و افت خواص مکانیکی آن منجر نمی‌شوند. بدین ترتیب انتظار می‌رود که اکثر سازه‌های پلیمری زیر‌ آب, دوام بالایی داشته باشند. در حقیقت, تحت فشار هیدرواستاتیک, جذب آب به دلیل بسته شدن ریز‌ترک‌ها و ضایعات بین سطحی, کمی کاهش می‌یابد [22].
لازم به ذکر است که جذب آب بر خواص عایق بودن کامپوزیت‌ها اثر می‌گذارد. حضور آب آزاد در ریزترکها می‌تواند خاصیت عایق بودن کامپوزیت را به شدت کاهش دهد.

لینک کمکی