کامپوزیت
ترکیب دو یا چند ماده با یکدیگر به طوری که به صورت شیمیائی مجزا و غیر محلول در یکدیگر باشند و بازده و خواص سازهای این ترکیب نسبت به هر یک از اجزاء تشکیل دهنده آن به تنهایی، در موقعیت برتری قرار بگیرد را کامپوزیت مینماند. به عبارت دیگر کامپوزیت به دستهای از مواد اطلاق میشود که آمیزهای از مواد مختلف و متفاوت در فرم و ترکیب هستند و اجزاء تشکیل دهنده آنها هویت خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمیشوند. با توجه به این امر، کامپوزیت از آلیاژ فلزی متفاوت است.
مهمترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، میتوان خواص آنها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند.
- مقاومت مکانیکی نسبت به وزن بالا
- مقاومت در برابر خوردگی بالا
- خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
- خواص عایق حرارتی خوب
دستهبندی کامپوزیتها از دیدگاه زیستی
- کامپوزیتهای طبیعی مانند استخوان، ماهیچه، چوب
- کامپوزیتهای مصنوعی(مهندسی)
دستهبندی کامپوزیتهای مهندسی از لحاظ فاز زمینه ماتریس
- CMC کامپوزیتهای با زمینه سرامیکی Ceramic Matrix Composites
- PMC کامپوزیتهای با زمینه پلیمریPolymer Matrix
- MMC کامپوزیتهای با زمینه فلزی Mettal Matrix Composites
کامپوزیتهای پایه پلیمری ( PMC)
کامپوزیتهای پایه پلیمری مهمترین دسته از کامپوزیتها هستند. طیف وسیعی از صنایع، از صنایع رده بالا مثل تولید قطعات هواپیما گرفته تا صنایع رده پایین مثل تولید سینک ظرفشویی و …. از کامپوزیتهای پایه پلیمری تولید میشوند و درحال حاضر ۵۹ درصد بازار کامپوزیتها را به خود اختصاص دادهاند و به همین دلیل بزرگترین زیر مجموعه مواد مرکب محسوب میگردند .
امروزه اغلب صنایع از مزایای منحصر به فرد این مواد بهره میجویند و ردپای کامپوزیتها را در حوزههای زیر میتوان جستجو نمود.
- صنایع حمل و نقل شامل حمل و نقل هوایی ، جاده ای ، ریلی و دریایی
- صنایع نظامی و هوا – فضا
- صنایع انرژی در حوزه های تولید و انتقال برق ، صنعت نفت ، گاز و پتروشیمی
- صنعت ساخت و ساز شامل صنایع زیر بنایی و صنعت ساختمان
- صنایع خودرو و قطعه سازی
- صنایع مبلمان شهری
- وسایل خانگی
- لوازم ورزشی
کامپوزیت های پایه پلیمری در حال حاضر تنها به میزان ۱ درصد نسبت به شروع کاربری خود یعنی صنایع هوا – فضا کاربرد دارند و قسمت عمده الباقی در صنایع ساخت و ساز و حمل و نقل به کار گمارده میشوند. درحقیقت توسعه فناوری تولید کامپوزیتهای پایه پلیمری این امکان را فراهم کرده است تا اغلب صنایع از مزایای منحصر به فرد این مواد بهره جویند. مطابق آمار ارائه شده، بیشترین میزان مصرف کامپوزیتها معطوف به صنعت ساخت و ساز مشتمل بر ساختمان ابر سازه ها، صنایع نفت و گاز و لوله هستند.
مزایای کامپوزیتهای پایه پلیمری
مزایای سازههای مبتنی بر کامپوزیتهای پلیمری نسبت به نمونههای سنتی بتنی، چوبی و فلزی که باعث نفوذ آنها درگستره وسیعی از صنایع مختلف شده است، بشرح ذیل است.
- کاهش وزن سازه ساخته شده با توجه به معماری قابل تغییر بر اساس خواست طرح
- ایمن بودن در برابر پدیده خوردگی
- قابلیت تحمل بارهای سیکلی و مقاومت بسیار مناسب در برابر پدیده خستگی
- سادگی روشهای تولید و امکان تولید اشکال بسیار پیچیده باروشهای بسیار آسان ، کارآمد و مقرون به صرفه
- سهولت فرایندهای تعمیر و عیب یابی
- ضریب انبساط حرارتی پایین و عایق مناسب حرارتی
- عایق الکتریکی
- بهبود اتصالات و امکان تولید یکپارچه
- خصوصیات ارتعاشی بسیار مناسب و مقاوم بودن نسبت به پدیده تشدید در ارتعاشات نسبت به فلزات
- قابلیت مونتاژ آسان
کامپوزیتهای ساختمانی
کامپوزیتهای ساختمانی (Structural Composites) از پرکاربردترین مواد کامپوزیتی محسوب میشوند. زیرا به دلیل افزایش جمعیت در سراسر دنیا و روند رو به کاهش منابع طبیعی و سوختهای فسیلی، استفاده از مواد مصنوعی در مصارف مختلف،لازم است و به نظر می رسد که کامپوزیتها از جمله این مواد هستند. به عبارت دیگر از کاربردهای شاخص مواد کامپوزیتی، استفاده از آنها در صنعت ساختمان بوده که جایگزین مناسبی برای آهن و چوب در مصارف ساختمانی است. به طور کل مقاومت بسیار بالا و وزن بسیار کم، کاربری کامپوزیتها را ساده کرده است. اصولا سازههای ساختمانی مخصوصاً سازههای بتن آرمه در هنگام اجرا یا بهره برداری به دلایل مختلف از جمله ضعف اولیه یا عمر زیاد، تحت اثر عوامل مختلف محیطی یا مکانیکی تضعیف میشوند. روشهای سنتی تقویت این سازهها نیز با مشکلاتی همراه است. بنابراین تعمیر و تقویت خارجی و داخلی سازهها با مواد کامپوزیتی و یا ساخت سازههای تمام کامپوزیتی میتواند بر طول عمر و کیفیت ساختمان کمک شایانی داشته باشد.
دلایل استفاده از ساختارهای کامپوزیتی در مصارف ساختمانی
معماری
ظاهر ساختمان یکی از مشخصههای اصلی از جنبه زیبایی شناختی است. با استفاده از کامپوزیتهای ساختمانی میتوان در زمینههای زیر فعالیت کرد.
- پلها و دهنههای طویلتر
- تیرهای نازکتر
- ستونهای با ظرافت بیشتر
- طراحی متنوع تر
اقتصادی
در کلیه فعالیتهای اقتصادی، برآورد هزینه از جمله پارامترهای اصلی است. توجه به این گزینه در صنعت ساخت و ساز به دلیل فراگیر بودن و روند رو به رشد قیمت مصالح ساختمانی مهم و ضروری است. استفاده از کامپوزیتهای ساختمانی منجر به :
- کاهش وزن تجهیزات مورد استفاده در ساختمان
- کاهش سطوح نیازمند به آبکاری و پوشش دهی
- ایجاد پلهای طولانی تر همراه با کاهش وزن
- ساخت اتاقهای بدون ستون
- کاهش زمان و هزینه مورد نیاز برای ساخت ساختمان
کاربردهای متنوع کامپوزیتهای ساختمانی
با توجه به افزایش جمعیت در سراسر دنیا و روند رو به کاهش مواد و منابع طبیعی و سوختهای فسیلی باید استفاده از مواد مصنوعی را تا سطحی که به طبیعت آسیبی نرسانند افزایش دهیم تا بتوانیم منابع طبیعی بیشتری را از خطر حفظ کنیم. کامپوزیتها ازجمله این منابع هستند که در صنعت ساختمانی میتوانند جایگزینهای مناسبی برای آهن و چوب باشند که امروزه در بخشهای مختلف ساخت و ساز ساختمان کاربرد دارند و کامپوزیتهای ساختمانی از پرکاربردترین مواد کامپوزیتی محسوب میشوند.
به طور کلی یکی از مهمترین دلایل استفاده از کامپوزیتهای ساختمانی نقش آن در زیبایی معماری و استفاده از آن به عنوان نمای ساختمان است. اما دلیل دیگر این است که با توجه به روند رو به رشد قیمت مصالح ساختمانی و با توجه به اینکه در برآورد اقتصادی کامپوزیت هزینه بسیار کمتری را برای ساختمان میتراشد استفاده از این محصول بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
کاربرد کامپوزیتهای ساختمانی
- کامپوزیتهای ساختمانی در پوششنما، بام، سقفهای کاذب، نردهها و حصارها، درب و پنجره، اسکلت ساختمان، دکور و پارتیشن بندی سازههای داخلی و لوازم سرویس بهداشتی مانند وان، سینک و… کاربرد دارد.
- اما به طور جزئیتر از موارد مهم مصرف کامپوزیتهای ساختمانی میتوان به کامپوزیت آلومینیومی اشاره کرد که شکلپذیری بالا و پردازش آسانی دارد و در معرض سرما و گرما مسطح باقی میماند. علاوه بر این، مهمترین ویژگی کامپوزیت آلومینیومی ضد حریق بودن آن است.
- میلگردهای کامپوزیتی از دسته کامپوزیتهای پلیمری بوده و از جمله مواد غیرفلزی مقاومی هستند که خواص مهمی چون استحکام کششی زیاد و مقاومت دربرابر خوردگی دارند و کاربردشان در مناطق سردسیر بیشتر است. همچنین جایگزین مناسبی برای آرماتورهای فولادیاند و در بناهای ساحلی کاربرد وسیعی دارند.
- تیرها و پانلهای کامپوزیتی با زمینه پلیمری ویژگیهایی چون قدرت، استحکام، سبکی، قابلیت چرخش و جابهجایی مناسبی دارند و همین طور در جذب انرژیهای داخلی ساختمان نقش مهمی دارند و به عنوان مستحکمترین مصالح ساختمانی میتوانند جایگزین فولاد، بتن و چوب شوند.
- همچنین این پانلها در برابر طوفان و نفوذ حشرات به داخل ساختمان مقاوماند و از ایجاد شکاف و تیرگی در دیواره خانههای پیش ساخته جلوگیری میکنند، علاوه بر این مواد کامپوزیتی دربرابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری از سایر مواد و مصالح دارند و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه دربرابر لرزه هستند.
- ستونهای کامپوزیتی هم یکی دیگر از این نوع کامپوزیتها هستند.
مزیتهای مصالح کامپوزیتی
- سبکی اولین مزیت کامپوزیتهای ساختمانی است و هزینههای ساختمان را تا حد بسیار زیادی پایین میآورد و در مقابله با زلزله اهمیت فراوانی دارد و میتوان گفت در مقایسه با آجر و سیمان ۵۰ برابر سبکتر است. کامپوزیتهای ساختمانی علی رغم سبکی، مقاومت بالایی دارد و انواع فشارها و ضربهها را جذب کرده و در برابرشان مقاومت میکنند.
- یکی از ویژگیهای کامپوزیتهای ساختمانی مقابله با خوردگی و رطوبت است که هزینههای تعمیر و نگهداری را تا حد قابل توجهی پایین آورده و به علت عدم پوسیدگی از نظر بهداشتی هم مطمئنتر بوده و نگرانی از تجمع میکروبها را به حداقل میرساند. همچنین کامپوزیتها در معرض محیطهای باز، کاربردهای شیمیایی و سایر شرایط محیطی و دمایی مقاومت بسیار خوبی از خود نشان میدهند.
- یکی از ویژگیهای مثبت کامپوزیتهای ساختمانی شکلگیری و انعطاف پذیری بالا و متنوع آن در جهتهای گوناگون است که با هزینهها و امکانات کمی قالب گیری میشوند و به طراحان برای خلق اشکال پیچیده آزادی عمل فوق العادهای میدهند.
برخی کامپوزیتهای کاربردی در مهندسی عمران
میلگردهای کامپوزیتی
میلگردهای کامپوزیتی، از دسته کامپوزیتهای زمینه پلیمری بوده که با الیاف لایهای تقویت شدهاند. این میلگردها از جمله مواد غیر فلزی و مقاوم در برابر خوردگی بوده که در کنار خواص مهمی مانند استحکام کششی زیاد، از آنها به عنوان آرماتور استفاده میکنند. این میلگردها در تقویت پلهای بتنی در مناطق سرد سیر کاربرد دارد.
به دلیل استفاده از نمک برای جلوگیری از یخ زدگی جادهها، شرایط برای خوردگی میلگردهای فلزی بکار رفته در پلها فراهم میشود. به همین دلیل میلگردهای کامپوزیتی به عنوان یک جایگزین خوب آرماتورهای فولادی در بتن پیشنهاد شدهاند. از این رو آرماتورهای کامپوزیتی به میزان وسیعی در ساخت ساختمان به ویژه احداث بناهای ساحلی بکار میرود.
انواع میلگردهای کامپوزیتی در صنعت ساختمان
- GFRP
- FRP
- AFRP
از آنجایی که این میلگردها، مصالحی ناهمسانگرد هستند نوع و مقدار فیبر و رزین مورد استفاده، سازگاری فیبر و کنترل کیفیت لازم هنگام ساخت آن، نقش اصلی در بهبود خواص مکانیکی آن دارد.
برخی از مزایای میلگردهای کامپوزیتی به صورت زیر دسته بندی میشود.
- مقاومت کششی بیشتر از فولاد
- یک چهارم وزن آرماتور فولادی
- عدم تاثیر در میدان های مغناطیسی و فرکانس های رادیویی
- عدم هدایت الکتریکی و حرارتی
با توجه به موارد ذکر شده، این میلگردها به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازههای دریایی، سازه پارکینگها، عرشه پلها، ساخت بزرگراههایی در مناطقی که تحت تاثیر عوامل محیطی و آب و هوایی هستند و در نهایت سازههایی که در برابر خوردگی و میدانهای مغناطیسی حساسیت زیادی دارند، پیشنهاد میکند.
تیرها و پانلهای کامپوزیتی
تیرها و پانلهای کامپوزیتی با زمینه پلیمری به عنوان مصالح صنعت ساختمان از قدرت، استحکام، سبکی، قابلیت چرخش و جابجایی مناسبی برخوردار بوده و میتوانند در جذب انرژیهای داخلی ساختمان، نقش چشمگیری ایفا کنند. چنانچه این اجزا با ترکیب استاندارد و صحیح ساخته شوند، میتوانند به عنوان یکی از مستحکمترین مصالح ساختمانی مطرح گشته و به راحتی جایگزین مصالحی چون فولاد، بتن و چوب در پروژههای مختلف شوند.
همچنین پانلهای کامپوزیتی در برابر طوفان، باد و نفوذ حشرات خطرناک به داخل ساختمان مقاوم هستند. جلوگیری از ایجاد شکاف و تیرگی در دیواره خانههای پیش ساخته، از سایر مزیتهای این پانلهای کامپوزیتی است.
خرپا
سازهای است که از واحدهای مثلثی شکل تشکیل شده است. این سازه توانایی تحمل نیرویهای کششی و فشاری را داشته و بسته به آنکه از چه موادی ساخته شده، طول عمر متفاوتی خواهد داشت. خرپاهایی که از اجزای کامپوزیتی ساخته شده باشند، طول عمر بالایی داشته و سبک وزن هستند. به همین دلیل در مصارف ساختمانی و ساخت اتاقهای پیش ساخته و سقفهای کاذب مورد استفاده قرار میگیرند.
ستونهای کامپوزیتی
ETFE
یک پلیمر پایه فلوئوروکربن با دوام است که از آن به عنوان مصالح ساختمانی کاربردی در آینده نام برده میشود. این کامپوزیت پلیمری، یک پلاستیک شفاف تفلونی است که جایگزین شیشه و پلاستیکهای معمولی در بسیاری از ساختمانها میشود. از جمله ویژگیهای این کامپوزیت میتوان به وزن بسیار کم آن اشاره کرد، به طوری که با دارا بودن یک درصد وزن شیشه، هم نور بیشتری را از خود عبور میدهد و هم عایق بهتری محسوب میگردد. از دیگر ویژگیهای آن میتوان به دارا بودن حالت ارتجاعی اشاره کرد که این قابلیت توانایی تحمل وزنی معادل ۴۰۰ برابر وزن خود کامپوزیت را به آن میدهد. به دلیل سطوح کربنی این محصول، گرد و غبار و لکه بطور خودکار از سطح آن پاک میشود. این کامپوزیت طول عمر بالایی داشته و قابل بازیافت است.
پروفیلهای کامپوزیتی (FRP)
بزرگترین سهم بازار مصرف مواد مرکب (کامپوزیت)، در اختیار صنعت ساختمان است. در این میان پروفیلهای کامپوزیتی به میزان وسیعی در ساختمان سازی به ویژه احداث بناهای ساحلی و سازههای مستقر شده در شرایط اقلیمی خورنده کاربرد یافته اند. گسترش تکنولوژی ساخت این پروفیلها میتواند علاوه بر مرتفع ساختن نیاز صنعت ساختمان، راهگشای تولید انواع محصولات در صنایع دیگر همچون وسایل ورزشی، خودرو و غیره باشد.
مزایای استفاده از پروفیلهای کامپوزیتی
دلیل عمده استفاده از پروفیلها FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدیده خوردگی و افزایش عمر سازه در برابر ارتعاش است. هرچند که استفاده از پروفیلهای FRP به جای نمونههای فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این پروفیلها، مساله کاهش وزن اهمیت ناچیزی نسبت به دو مورد بیان شده دارد.
نانو کامپوزیتهای ساختمانی
در این دسته از کامپوزیتها، فاز تقویت کننده کمتر از ۱۰۰ نانومتر است. از جمله این مواد تقویت کننده نانو سیلیس آمورف بوده که به عنوان عامل چسبنده به بتنهای با عملکرد بالا افزوده میشود. هم چنین نانو لولههای نوین، دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قویتر و بسیار سبک میکند به طوریکه میتوانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل کرده و در آینده جایگزین الیاف کربنی شوند و در کامپوزیتها به کار برده شوند.
دلیل بالا بودن عمر نانو کامپوزیتها، خواص غیرکشسان آنهاست. در حالی که مواد فلزی حالت کشسان داشته و انرژی جذب شده را میرا می نمایند. بنابراین مواد نانو کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه خواهند بود.
جایگاه کاربرد کامپوزیتهای ساختمانی
- طبق آمار، مصرف کامپوزیت در کشورهای توسعه یافته در صنعت ساختمان، چیزی حدود ۳۸ درصد بازار جهانی این محصولات را به خود اختصاص میدهد، بنابراین نادیده گرفتن کامپوزیت در مواردی که میتواند ناکارآمدی محصولات و روشهای سنتی را جبران کند، به معنای از دست دادن یک تکنولوژی نوین در صنعت ساختمان است که به سرعت هم بهرهبرداری از آن در دنیا رو به افزایش است.
- با مطالعه پیشینه استفاده از کامپوزیت در مییابیم که ابتدا خاصیت شکلپذیری آن در ساخت لوازم بهداشتی داخل ساختمان مورد توجه قرار گرفته است که عمده استفاده از کامپوزیتهای ساختمانی در ساخت وان، سینک و… بوده که بعدها با انجام مطالعات بیشتر به سمت استفادههای زیر ساختاری در بنا کشیده شده است. مثلا در ژاپن به علت زلزلهخیز بودن این کشور، کامپوزیتهای ساختمانی کاربرد فراوانی دارند و در ساخت پلها، تیرها، گاراژها و پارکینگها به شکل گسترده استفاده میشوند همچنین در کشورهای اروپایی چون فرانسه و آلمان ساختمانهایی از جنس مواد مرکب یا همان کامپوزیتهای ساختمانی ساخته میشوند که با جرثقیل قابل حمل هستند.
- در ایران بیشترین درصد استفاده از کامپوزیتهای ساختمانی در مصالح بهداشتی است و هنوز قابلیتهای مقاومتی آن ناشناخته مانده است، ولی باید بدانیم که صرف استفادههای تزئینی از این ماده در مصالح بهداشتی داخلی ساختمان نمیتواند بیانگر رشد به کارگیری این محصول در ساختمانسازی باشد و باید در این زمینه فعالیتهایی در جهت به کارگیری کامپوزیت به شکلهای کاربردیتری هم صورت گیرد.