کامپوزیت شیشه GFRP چیست؟

GFRP یا کامپوزیت شیشه یکی از روش های مقاوم سازی و ترمیم و تقویت انواع سازه هاست. سیستم های GFRP یکی از انواع کامپوزیت های  FRP برای مقاوم سازی و تعمیر ساختمان ها و سازه های بتنی توجه مهندسین را به خود جلب کرده است. در سیستم GFRP  الیاف تقویت کننده ی کامپوزیت الیاف شیشه هستند که این الیاف سازگار با انواع ماتریس ها از جمله رزین اپوکسی، رزین ونیل استر، رزین فنولیک و …  جهت تشکیل کامپوزیت را دارد. سیستم GFRP  نیز در سازه های چوبی، فولادی و بنایی کاربرد دارد. اگر سازه ای تحت شرایط خاص(زلزله یا گود برداری یا …) آسیب دیده باشد یا اگرقصد تغییر کاربری ساختمان (مسکونی به آموزشی) ، تغییر یا افزایش در میزان طبقات سازه را داشته باشیم دیگر سازه موجود ایمنی  و شرایط مطلوب برای تحمل بار های وارده را نخواهد داشت  و نیازمند مقاوم سازی یا ترمیم  و تقویت سازه هستیم.  GFRP  به صورت خارجی براعضای سازه ای مانند تیر، ستون، دال،دیوارها و اعضای سازه ای مانند خرپا ها و دودکش ها و تونل می چسبد. سیستم کامپوزیتی شیشه ای یک جایگزین مناسب برای روش های تقویت سازه ها در قدیم مانند ژاکت فولادی و پوشش های بتنی است به صورتی که علاوه بر مقاوم سازی سازه باعث مقاومت سازه در برابر خورندگی، کاهش وزن سازه می گردد.

کامپوزیت های پلیمری GFRP

GFRP کامپوزیت پلیمری FRP هستند که این کامپوزیت از دو جزء ماتریس و تقویت کننده تشکیل می شوند. در این نوع از مواد کامپوزیتی تقویت کننده فیبرهای شیشه ای هستند که به همراه یک رزین پلیمری که اغلب اپوکسی است ترکیب می شوند. کامپوزیت  شیشه GFRP  یک رشته الیاف شیشه ای هستند که از حرارت دادن مواد معدنی قبل از بلور شدن سرد می شوند بدست می آید. برجسته ترین استفاده از این کامپوزیت در صنعت مقاوم سازی و ترمیم و تقویت سازه ها می باشد. اگر سازه ای تحت شرایط خاص(زلزله یا گود برداری یا …) آسیب دیده باشد یا اگرقصد تغییر کاربری ساختمان(مسکونی به آموزشی) ، تغییر یا افزایش در میزان طبقات سازه را داشته باشیم دیگر سازه موجود ایمنی  و شرایط مطلوب برای تحمل بار های وارده را نخواهد داشت و نیازمند مقاوم سازی یا ترمیم و تقویت سازه هستیم.از دیگر موارد نیاز به مقاوم سازی سازه می توان اعمال بارهای سنگین تر نسبت به زمان طراحی، کاهش ظرفیت باربری در اثر خوردگی فولاد، طراحی نامناسب سازه، تغییر در سیستم سازه، اصلاح استانداردها و آیین نامههای ساختمانی و خرابی ناشی از آتش سوزی و … را نام برد. استفاده از سیستم کامپوزیت پلیمری شیشه ای و یا GFRP نسبت به سایر روش های سنتی مقاوم سازی و بهسازی یک سازه بتن آرمه از جمله ژاکت بتنی، تقویت خارجی عضو سازه ها با فولاد معمولی، افزایش سطح مقطع عضو بتنی، چسباندن ورقهای فولادی و … بسیار مناسب تر و دارای مزایای به سزایی است. از جمله معایب روش مقاومسازی سنتی، صعوبت اجرا، خطر ایجاد پوسیدگی در ورقهای فولادی، غیر انعطاف پذیری ورقهای فولادی، تغییر در وزن اجراء سازه و در نتیجه تغییر فرکانس طبیعی عضو سازهای و … میباشد. از مزایای سیستم کامپوزیت های پلیمر شیشه GFRP حمل و نقل آسان و عدم توقف کاربری و عدم آسیب دیدگی بخش های دیگر سازه می باشد. سیستم GFRP در مرور زمان و در مجاورت گچ و خاک دچار خوردگی نمی شود. هم چنین برای کنترل کیفیت این سیستم بعد اجرای آن برای اطمینان خاطر از عملکرد صحییح می توان از تست POLL OFF  نیز استفاده کرد.

سیستم کامپوزیت شیشه ای از دو جزء تشکیل میشود

۱) پلیمر های شیشه ای یا همان الیاف شیشه ای
۲) ماتریس
آشنایی با پلیمر های شیشه ای:
الیاف شیشه موجود در کامپوزیت شیشه  GFRP قوی تر از سایر مصالح سنتی مانند فولاد و سبکتر از فولاد است. پلیمرهای الیافی موجود در GFRP مصالحی هستند که در صنعت مقاوم سازی مورد استفاده قرار می گیرند. این پلیمر های الیافی از جنس شیشه هستند به صورت پارچه هایی بر روی سازه چسبانیده می شوند و باعث افزایش شکل پذیری عضو و مقاومت ان می گردد.

الیافی که در کامپوزیت شیشه ای استفاده می شود را می توان به دو روش تولید کرد

۱) روش ذوب غیر مستقیم یا روش تولید گلوله
۲) روش ذوب مستقیم
اگر حجم سرمایه اولیه محدود و ظرفیت تولید نیز پایین باشد، استفاده از شیوه غیرمستقیم یا تولید الیاف شیشه یا روش تولید گلوله توصیه می گردد و اگر حجم سرمایه گذاری محدود نباشد و ظرفیت طرح بالا باشد، استفاده از شیوه مستقیم به منظور افزایش بازدهی و سرعت تولید توصیه میشود.
الیاف شیشه مشهورترین تقویت کننده مورد استفاده در صنعت کامپوزیت می‌باشد و انواع مختلفی از آن بصورت تجاری وجود دارند که برخی از آنها عبارتند ازE  ، S،C،ECR،AR. ترکیبات شیمیایی این الیاف با هم متفاوت است و هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب است. تقریباَ تقسیم بندی شش نوع الیاف شیشه و ترکیب

درصدهای آن در زیر نشان داده شده است

Glass- Eمصارف عمومی
glass- Rخواص مکانیکی بالاتر
glass-S خواص مکانیکی بالاتر
glass-c مقاومت شیمیایی مناسب
glass-ECR مقاومت اسید و باز خوب
glass-AR مقاومت اسید و باز خوب

آشنایی با نقش الیاف شیشه در GFRP

الیاف شیشه در کامپوزیت  شیشه GFRP اصلی نقش را دارند و سهم اصلی در باربری در کامپوزیت را دارند بدان معنا است که با ایجاد اثر محصور شدگی باید افزایش مقاومت می شود. این الیاف انعطاف پذیری بالایی دارند از این رو در شکل گیری کاموزیت نقش به سزایی دارند و می توان از کامپوزیت GFRP   در مقاوم سازی انواع ستون های دایره ای و منحنی شکل استفاده کرد. الیاف شیشه تراکم بالایی برخوردار است در نتیجه رزین اپوکسی به راحتی می تواند از بین الیاف جریان داشته باشد.
آشنایی با نقش ماتریس در GFRP:
دومین جزء کامپوزیت های پلیمری GFRP  ماتریس است که نقش به سزایی در این ترکیب دارد. این ماتریس پلیمری به عنوان چسب الیاف تقویتی را نگه می دارند و هنگام اعمال بار تغییر شکل می دهند و تنش را به الیاف مستحکم و سفت منتقل میکنند. هم چنین ماتریس های پلیمری خاصیت جذب انرژی را داراست که همین امر سبب کاهش تمرکز تنش می شود. از ویژگی های این ماده ی پلیمری می توان به داشتن ویسکوزیته ی پایین، توانایی پر کردن قالب ها، خیس کردن سریع الیاف تقویت کننده و دیگر تقویت کننده ها و داشتن زمان ژل شدن اشاره کرد. از انواع ماریس پلیمری می توان رزین اپوکسی، رزین فنولیک و… را نام برد.
کامپوزیت شیشه ای GFRP :
کامپوزیت هایی که ماده ی تقویت کننده ی آن شیشه است، به کامپوزیت های شیشه-شیشه موسوم هستند. دانسیته ی کامپوزیت های شیشه ای در محدوده ی ۱٫۶ تا ۲ گرم بر سانتی متر مکعب است که نسبت به فلزات و سرامیک  بسیار پایین تر است. سیستم های GFRP بخاطر انعطاف پذیری بالایی که دارد قابل استفاده در سطوح منحنی و دایره ای است مانند ستون با مقطع دایروی. این سیستم انعطاف بذیری ستون و دیوار را افزایش می دهد. این سیستم بخاطر وجود الیاف شیشهی موجود  انعطاف پذیر و سبک هستند و دارای استحکام فولادی هستند.همچنین به دلیل مقاومت بالای حرارتی الیاف شیشه در برابر حرارت منبسط و سوخته  نمی شوند. در برابر ضربه ی ناگهانی شکسته می شوند. مهم ترین مزایای سیستم GFRP نسبت بالای مقاومت بر وزن آن هاست.سیستم GFRP دارای وزن کم و چگالی کمتر از فولاد و دیگر مصالح است. کامپوزیت GFRP رسانای الکتریکی و حرارتی هستند و در دما ها ی بالا استحکام خود را حفظ می کنند.

ویژگی های کامپوزیت شیشه  GFRP

•  چگالی و وزن کم آن ها
•  رسانای الکتریکی و حرارتی
• ضریب انبساط حرارتی پایین
• حفظ استحکام در دما های بالا

بررسی ویژگی های کامپوزیت در برابر فولاد و المینیوم و مصالح دیگر

۱) چگالی یا وزن
چگالی کامپوزیت های FRP ، ۲٫۱ الی ۱٫۸۵ گرم بر سانتی متر مربع است. این ویزگی سسب صرفه جویی در حمل و نصب و بارگیری می شود.
۲) مقاومت در برابر خوردگی
مواد تشکیل دهنده ی کامپوزیت  شیشه GFRP که همان شیشه و رزین می باشد، مقاومت بالایی در برابر موادشیمیایی صنعتی و محیط های خورنده دارند.  همچنین این مواد مقاوم در برابر آب، رطوبت و تابش مستقیم نور خورشید هستند. مواد کامپوزیت مقاوم در دما های بالا هستند. اما مصالح فولادی در معرض اکسیداسیون (نیاز به رنگ آمیزی یا گالوانیزاسیون ) دارد.
۳) مقاومت مکانیکی
روش تولید، چینش الیاف و نوع رزین و الیاف بکار رفته در تولید قطعات کامپوزیتی نقس اساسی در افزایش یا کاهش مقاومت مکانیکی و سازه ای آن ایفا میکند به گونه ای که این ویژگی ها را در مقایسه با سخت ترین فلزات مستحکم تر می نماید. این در حالی است که فلزات در تمام جهات و شرایط به یک میزان مستحکم هستند اما کامپوزیت ها می توانند به گونه ای مهندسی و طراحی شوند که در یک جهت ویژه استحکام بالاتری داشته باشند. زمانیکه قطعه فلزی ساخته می شود و استحکام بیشتر در یک جهت نیاز باشد قطعه معمولا باید ضخیم تر ساخته شود که این امر منجر به افزایش وزن آن می گردد. کامپوزیتها در عین سبک بودن مستحکم نیز هستند. کامپوزیتهای FRP/GRP بالاترین نسبت استحکام به وزن را در میان سازه های امروزی دارند.
۴) مقاومت الکتریکی
مقاومت الکتریکی کامپوزیت ارتباط مستقیم با مقاومت الکتریکی مواد بکار رفته در تولید آن دارد به عنوان مثال کامپوزیت با الیاف شیشه عایق الکتریکی و با الیاف کربن هادی الکتریکی می گردد
۵) هدایت حرارتی
رسانایی حرارتی مواد کامپوزیتی بسیار پایین بوده و این ویژگی باعث استفاده از آن به عنوان عایق حرارتی شده است همانطور که در گذشته از پشم شیشه جهت عایق کاری ساختمان ها استفاده می گردید.

کاربرد کامپوزیت شیشه GFRP در صنعت عمران

اشتباهات در طراحی، ضعف در اتصالات، ظرفیت خمشی و کششی ناکافی، ترک در ستون پل و ساختمان ها،سازه ترک خورده و کرمو شده ناشی از خوردگی، افزایش ظرفیت باربری، میلگرد گذاری نا مناسب در خاموت و خوردگی میلگرد بتن، تغییر کاربری سازه(مسکونی به مدرسه) و هم چنین افزایش بارگذاری ثقلی و جانبی، از جمله موارد کاربرد این سیستم در صنعت عمران است.

آماده‌سازی سطح بتن

آماده سازی بتن تاثیر به سزایی بر کیفیت عملکرد سیستم های GFRP  دارد.  در نتیجه  تمام سطوح باید از خاک، گرد و غبار، ترکیبات ترمیم کننده و دیگر مصالح آلوده کننده که ممکن است حفره هایی در پشت کامپوزیت های شیشه ای ایجاد کنند، توسط  پاک کننده صنعتی، پاک شود.
ملات تعمیری باید برای تعمیر تمام سطوح بتنی فرسوده و آسیب دیده مورد استفاده قرار گیرد. تمام سطوح نیاز به ساب زدن با سنگ فرز، شن‌شویی، شستشوی تحت فشار و یا سایر روش های مکانیکی معمول برای رسیدن به یک سطح بتنی مسطح دارند. هم چنین لبه های تیز باید صاف و گرد شده تا حداقل شعاع ۳۰ میلی متر باشد.

کاربرد کامپوزیت شیشه GFRP در دیگر صنایع

استفاده از کامپوزیت های شیشه ای در ارتش به دلیل وزن پایین آن در ساخت هواپیما و هلیکوپتر به طوریکه یک قطعه از فیبر شیشه یک سوم یک قطعه ی فولادی وزن دارد.
استفاده از الیاف شیشه ای برای کاهش الکتریسیته ی ساکن تولید شده در رایانه های لپ تاب و چاپگر ها به دلیل رسانا بودن الیاف شیشه ای

در صنعت خودروسازی برای ساخت اتاقک و قالب های صندلیاستفاده از کامپوزیت های شیشهی در ساخت تجهیزات ورزشی مانند راکت تنیس و کمان ها و …

استفاده از استفاده از این محصول در صنایع پزشکی و ساختن اندام مصنوعی بدلیل داشتن خاصیت رادیوسنتری بالا
استفاده از الیاف های شیشه ای در توربین های بادی به دلیل استحکام و دوام بالاتر نسبت به الیاف شیشه سیستم کامپوزیت GFRP کاربرد گسترده ای در صنعت هوافضا دارد.
استفاده ی پرکاربرد در صنعت هوافضا به دلیل وزن کم و دوام بالاتر از آلومینیوم

سوالات متداول