الیاف کربن

الیاف کربن به الیافی گفته می شود که حداقل دارای 90 درصد کربن باشد، فیبر کربن بدون بو بوده، در آب حل نمی شود و مشکی رنگ است که مقاومت بسیار بالایی در برابر مواد خورنده مانند اسیدها، بازها و مواد عالی دارد.

ضریب انبساط گرمایی خطی الیاف cfrp در دماهای بالا و پایین ناچیز می باشد که همین امر باعث پایداری ابعادی الیاف کربن در دماهای متفاوت ‌گردیده است. این الیاف کربنی از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند و بصورت تک جهته و دو جهته موجود می باشند.

الیاف کربن چیست؟

الیاف کربن یا CFRP مخفف CARBON FIBER REINFORCED POLYMER می باشد. این پوشش ها همچنین به پوشش کامپوزیتی نیز شناخته می شوند، رزین توسط الیاف تقویت می گردد و ماده مرکب سومی تولید می شود که خواصی متفاوت از خواص اجراء اصلی تشکیل دهنده ( رزین و الیاف ) دارد. بسته به نوع کاربرد از رزینهای متعددی در این صنعت شامل اپوکسی، پلی استر، وینیل استر استفاده می گردد. همچنین نوع الیاف و روش بافت آن نیز بنا به کاربردهای مختلف متفاوت است، که از جمله آن الیاف کربن، شیشه و غیره را می توان نام برد. 

ویژگی ها و مزایای الیاف کربن CFRP:

• مقاومت بالای فیبر کربن در برابر حرارت
• وزن سبک
• مقاومت کششی بالا
• بیشترین مقدار ضریب ارتجاعی نسبت به الیاف شیشه و کولار
• مقاومت مناسب الیاف و فیبر کربن در برابر خستگی
• دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی
• نفوذ ناپذیری در برابر اشعه x
• رسانایی الکتریکی بسیار خوب فیبر کربن

کاربرد الیاف کربن CFRP:

• مقاوم سازی سازه ها
• صنایع دفاعی و هوافضا
• خودرو سازی
• صنایع پزشکی
• بخش انرژی

سبک بودن الیاف کربن و مقاومت کششی بالای آنها سبب شده تا در ساختمان سازی خصوصاً در مباحث صنعت کامپوزیت FRP در زمینه مقاومسازی و بهسازی لرزه ای بسیار مورد استفاده قرار گیرند.

موارد استفاده از الیاف کربن CFRP در ساختمان سازی و راهسازی:

• تقویت سازه ها با کامپوزیت CFRP
• تقویت کننده ی بتن‌های پر مقاومت
• ساخت دیوارهای سبک و مقاوم
• سازه های پس کشیده و پیش تنیده کربنی
• استفاده در جداره داخلی تونل ها

عملکرد الیاف کربن CFRP در زمینه مقاوم سازی سازه ها:

در مواردی که سازه های بتنی به هردلیلی مانند افزایش بار گذاری، تغییر آئین نامه، ضعف در ساخت و ... نیاز به مقاوم سازی داشته باشد، می توان از الیاف کربن به همراه رزین اپوکسی برای مقاوم سازی استفاده نمود. این مواد پس از سخت شدن لایه سختی را تشکیل می دهند که قدرت بار گذاری سازه های بتنی مانند تیرها، دالها، ستون و دیوار برشی را افزایش می دهد. 

• افزایش کرنش ستونهای بتنی با استفاده از دورپیچ های CFRP :

رفتار بتن هنگام افزایش میزان بار وارده بر ستون بصورتی است که تمایل دارد در جهت عمود بر جهت اعمال بار از هم باز شود. افزایش شکل پذیری ستون در زمان مقاوم سازی و بهسازی آن باعث میگردد تا ظرفیت جذب انرژی و شکل پذیری ستون که اهمیت ویژه ای به عنوان یک عضو فشاری در حین بارهای لرزه ای دارد نیز افزایش یابد. محصور کردن عرضی بتن یا همان دور پیچ کردن آن توسط افزودن لایه هایی از الیاف کربن به وسیله ی رزین اپوکسی های نانو، مقاومت نهایی ستون را حداقل 2 برابر و ظرفیت تغییر شکل بتن را 5 برابر افزایش می دهد. استفاده از الیاف CFRP برای تقویت خمشی تیرهای بتنی گزینه مناسبی است زیرا این الیاف مقاومت کششی در حدود 7 برابری نسبت به ورقهای فولادی دارند. با چسباندن صفحات CFRP به بخشی از تیر بتنی که تحت نیروی خمشی قرار می گیرد یعنی قسمت تحتانی آن، مقاومت خمشی تیر به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. در هنگام زلزله سختی تیرها مسئله بسیار پر اهمیتی است که آزمایشات نشان می دهد سختی تیرهای تقویت شده با الیاف CFRP بعد از ترکخوردگی به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. 

• تقویت برشی یا افزایش شکل پذیری تیرها یا ستونهای بتنی : 

سیستم های CFRP با دور پیچ کردن ستون ها باعث بهبود ظرفیت فشاری بتن، کاهش طول وصله ها و افزایش مقاومت برشی در آنها میگردند، لایه های CFRP را باهدف افزایش مقاومت برشی، به صورت عرضی روی جان تیر موردنظر می چسبانیم زیرا زمانی که عضوی را برای افزایش مقاومت خمشی با استفاده از الیاف CFRP تقویت می کنیم، آن عضو باید بتواند تحمل نیروی برشی اضافی بوجود آمده به علت افزایش مقاومت خمشی را داشته باشد به همین دلیل افزایش تقویت داخلی تیرها به منظور بالابردن ظرفیت برشی و مقاومت نهایی تیر بتنی، بیش از یک مقدار مشخص امکانپذیر نیست. 

• تقویت خمشی و برشی دیوارهای برشی بتنی :

بسیاری از ساختمانهای داری دیوار برشی با وجود اینکه دیوار برشی روشی برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه های بتنی است اما در حین وقوع زلزله دچار آسیب دیدگی جدی و حتی انهدام می شوند، زیرا بسیاری از دیوار برشی های احداث شده به دلیل کمبود مقاومت خمشی یا برشی و بخصوص شکل پذیری، آسیب پذیر و ناکار آمد هستند. استفاده از الیاف CFRP باتوجه به خصوصیات برتر مکانیکی و فیزیکی روشی مناسب در مقایسه با روش های متداول سنتی، جهت تقویت برشی، خمشی و افزایش شکل پذیری دیوارهای برشی است.  

• تقویت خمشی و برشی دالها :

با افزایش ظرفیت خمشی مثبت و منفی دالها، کنترل ترکها و تغییر شکل آن ها با استفاده از الیاف CFRP، اگر طراحی اولیه دال نامناسب باشد و یا دال به دلایلی احتیاج به تقویت داشته باشد، می توان به شکل موثری دال ها را تقویت کرد.

• تقویت اتصالات با استفاده از الیاف کربن :

اتصالات سازه های قدیمی در هنگام وقوع زلزله بسیار ضعیف عمل کرده و رفتار مناسبی از خود نشان نمی دهند همچنین آن ها حساس ترین قسمت سازه بوده و بسیاری از آنها نمی توانند جوابگوی نیاز های امروزی باشند، به دلیل اینکه اتصالات موجود در سازه ها، بر اساس آین نامه های قدیمی طراحی و اجرا شده اند. با استفاده از الیاف CFRP می توان شکل پذیری اتصالات که از مهم ترین عوامل موثر در رفتار سازه های بتن آرمه می باشد را حداقل % 80 افزایش داد. همچنین در نتیجه استفاده از الیاف CFRP ، مقاومت خمشی اتصالات نیز افزایش چشمگیری خواهند داشت. 

• افزایش مقاومت در برابر خستگی، خوردگی، رطوبت و تغییر دما :

یکی از از مهم ترین ویژگی های الیاف کربن CFRP مقاومت بسیار بالایشان در برابر عوامل خورنده مانند رطوبت دما، اسیدها، بازها، نمک ها و سایر عوامل مهاجم در محیط می باشد. الیاف CFRP رفتار مناسبی نسبت به خزش و خستگی از خود نشان می دهد. به همین دلیل امروزه استفاده از این الیاف بسیار محبوب شده است. خستگی تیرهای بتن مسلح رابطه ی مستقیمی با خستگی میلگردهای آن دارد در صورتی خستگی الیاف کربن CFRP به گونه ای است که شکست ناشی از خستگی در این ورق ها از هچ یک از اجزاء متصل شده به آنها آغاز نمی شود، بنابراین الیاف CFRP در مقایسه با فولاد در پدیده خستگی رفتار مناسبی از خود نشان می دهند، همچنین رفتار کامپوزیت های CFRP در مقابل پدیده خزش بسیار خوب است و در واقع اکثر کامپوزیت های موجود، دچار خزش نمی شوند. 

• ترمیم و افزایش مقاومت مقاطع آسیب پذیر مانند ترک خوردگی، یخ زدگی و کرمو بودن :

به دلیل خصوصیات منحصربفرد الیاف کربن FRP ازجمله: مقاومت بالا، مقاومت شیمیایی، وزن سبک، سهولت اجرا، اجرای سریع و هزینه های کم در مقاوم سازی و ترمیم سازه ها، این الیاف از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند، همچنین به دلیل اهمیت تقویت سازه ها و تاکید فراوان بر روی ترمیم و مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه ها به خصوص در مناطق زلزله خیز، استفاده از الیاف کربن CFRP به شدت افزایش یافته است. علاوه بر آن استفاده از الیاف CFRP به منظور ترمیم و بهسازی آسیب های موجود در اعضای بتنی اعم از ترک خوردگی، یخ زدگی و کرمو بودن در اثر اجرای نادرست، به عنوان مسلح کننده خارجی جهت جلوگیری از خوردگی میلگردها و فرسایش و .. رواج پیدا کرده است.

• تقویت عرشه ی پل با استفاده از الیاف کربن CFRP :

پل ها به عنوان بخش بزرگی در صنعت ساخت و ساز، از همیت ویژه ای برخور می باشند. هدف از مقاوم سازی پل ها با استفاده از الیاف کربن گسترش عملکرد و طول عمر پل ها با وجود افزایش میزان بارگذاری آن است. امروزه عرشه پل های تقویت شده با الیاف کربنی کامپوزیتی به دلیل داشتن ساختاری بی نقص، کاهش بارمرده و وزن سبکتر، اجرای راحتر، ظرفیت خستگی و خمشی بسیار بالا، کاهش چشمگیر در میزان کرنش های میلگردهای تحتانی تیرهای بتنی، استحکام بالا، عدم خوردگی و نگهداری راحت و... به شدت مورد علاقه واقع شده است.  

امروزه از مواد کامپوزیتی با تکنولوژی نانو به دلیل ویژگی های کارآمد و متعدد مانند: مقاومت مکانیکی و استحکام در برابر وزن بالا، مقاومت در مقابل خوردگی و سایش، بالا بودن عمر فرسودگی، عایق حرارتی و صوتی بسیار مناسب و خواص فیزیکی و شیمیایی متعدد دیگر، کاربردهای فراوانی در صنایع نفت، گاز، آبرسانی، خطوط لوله و مخازن، صنایع شیمیایی و انرژی دارد. برخی از این کاربرد های مهم به شرح زیر می باشد:

1. فزایش مقاومت و تنش مجاز مخازن و خطوط لوله
2. مقاوم سازی و بهسازی پالایشگاه ها و تاسیسات نفتی
3. جلوگیری و رفع نشت سیستمهای تأسیساتی
4. جبران ضعف های ناشی از خوردگی های داخل و خارج خطوط لوله 
5. تعمیر خطوط فرسوده تأسیسات با استفاده از الیاف کربن با مقاومت بالا
6. افزایش عمر مفید و کاهش هزینه های تعمیرات و نگهداری در طول بهره برداری
7. محافظت از سیستم های تاسیساتی دربرابر عوامل خورنده داخلی و خارجی 
8. مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سیلوها، مخازن، برج های خنک کننده و دودکش ها  

کاربرد الیاف کربن CFRP در ایزولاسیون و آب بندی مخازن :

از پوشش های کامپوزیتی در خیلی از موارد سازه های فلزی و به ویژه بتنی که به علت عدم اجراء کامل آب بند نبوده استفاده می شود. در حقیقت مخزن کامپوزیتی یکپارچه و آب بندی، در داخل مخازن اصلی پس از اجراء تشکیل می گردد، که مخزن اولیه بتنی فقطدر نقش فریم و قالب این مخزن کامپوزیتی می باشد. حتی در صورت جدایی پوشش از سطح اصلی هیچگاه آب بندی از بین نخواهد رفت. این امر در مورد پوشش مخازن با مقاومت شیمیایی بالا بسیار حائز اهمیت است، بنا براین جهت مخازن محلولهای شیمیایی، آب آشامیدنی، آب صنعتی و غیره از پوشش های الیاف CFRP استفاده می گردد.

تقویت سازه های پلاستیکی و پلی اتیلنی 

مخازن PVC و پلی اتلین دارای مقاومت شیمیایی بسیار بالایی می باشند و اسیدها، قلیاها، حلالها و سایر مواد شیمیایی را تحمل می نمایند. بزرگترین مشکل اینگونه مخازن طول عمرشان است، که در مدت کوتاهی دچار شکست می گردند، ضمن اینکه درز جوش آنها به ویژه در هنگام پر و خالی شدن متعدد سست می شود. به این منظور مخازن پلی اتلین یا PVC توسط الیاف کربن FRP از بیرون تقویت گردیده و علاوه بر ایزوله شدن آن در برابر شرایط جوی، استحکام بالایی پیدا کرده و عمر آن بسیار طولانی می شود. همچنین پایداری بسیار مطلوبی در درز جوش آنها رخ می دهد.