طرح توجیهی میلگرد کامپوزیت | FRP

معزفی طرح توجیهی میلگرد کامپوزیت | FRP

کامپوزیتها را معمولا زیر مجموعه خانواده پلاستیکها طبقه بندی می کنند. پلاستیکها محصولاتی هستند که شامل هر ترکیبی از گروه بزرگ و متنوع موادی که تماما یا قسمتی دارای پیوندی از کربن با عناصری چون اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن و یا سایر عناصر آلی یا معدنی بوده و در حالت نهایی به صورت جامد و در بعضی مراحل ساخت مایع است. و بنابراین غالبا در طی کاربرد دارای قابلیت تغییر شکل بطور مختلف بر اثر حرارت یا فشار به تنهایی یا توام می باشد.

ز آنجا که پلاستیکها ارتباط نزدیکی با رزینها دارند، عموما آنها را با هم اشتباه می گیرند. رزینها مواد جامد یا نیمه جامدی صمغی شکل هستند که در ساخت محصولاتی نظیر رنگها، جلادهنده ها و پلاستیکها به کار می روند. محصولات پلاستیکی معمولا از رزینهایی که فرآیند گردیده و جامد شده اند، ساخته می شوند. به علت خواص مناسب پلاستیکها کاربرد بسیار وسیعی در صنایع مختلف برای آنها وجود دارد، لیکن برای بهبود خواص فیزیکی آنها لازم است از تقویت کننده ها در آن استفاده نمود. الیاف خاص مورد استفاده در این زمینه عبارتند از: الیاف شیشه ای، فلزی، کربنی، پلیمری، معدنی، هیبرید.

مواد کامپوزیتی از یک اسکلت پیش تنیده تشکیل شده اند که به وسیله یک ماتریس پلیمری پیوسته احاطه شده اند. اسکلت یک ماده کامپوزیتی بایستی قادر به پذیرش تغییرات دلخواه باشد. فایبرگلاس ماده اصلی تقویت کننده مورد استفاده در مواد کامپوزیتی می باشد (در بیش از 90 %موارد). مواد کامپوزیتی مورد استفاده در تولید گریتینگ و پروفیلهای پلیمری به ترتیب به دو صورت رشته های خرد شده و صفحات بافته شده می باشند. که طی فرآیند خاصی با مواد ساختاری ترکیب و شکل دهی می شوند. الیاف شیشه علاوه بر دارا بودن نسبت استحکام به وزن مناسب، مقاومت شیمیایی مناسبی نیز دارند. متداول ترین الیاف شیشه ای بکار رفته در این صنعت الیاف نوع E) شیشه آهکی بر و سیلیکات آلومینیوم) می باشند. سایر انواع گلاسهای مورد استفاده در این صنعت عبارتند از:

• گلاس نوع S (استحکام بالا)
• گلاس نوع A (شامل مواد قلیایی)
• گلاس نوع C (مقاوم به خوردگی)

مواد مورد استفاده در ماتریس شامل یکی از مواد زیر می باشند: رزین پلی استر، رزین وینیل استر یا رزین اپوکسی، فتالیک، اکرلیک و … ، که رزین‌های وینیل استر، فنولیک، اپوکسی و اکرلیک در تولید پروفیل‌ها به کار می‌روند.

مزایای استفاده از مواد کامپوزیتی عبارتند از:

• استحکام بالا: مواد کامپوزیت برای نیازهای استحکامی خاص در یک کاربرد می توانند طراحی شوند. مزیت بارز کامپوزیتها نسبت به سایر مواد، توانایی استفاده از تعداد زیادی از ترکیبات رزینها و تقویت کننده ها و بنابراین رسیدن به خواست مشتری از نظر خواص مکانیکی و فیزیکی سازه می‌باشد
• سبکی: کامپوزیتها موادی را ارائه می دهند که که می توانند برای استحکام بالا و وزن کم به کار برده شوند.
• مقاوم به خوردگی: کامپوزیتها مقاومت بالایی در محیطهای شیمیایی خورنده و دمایی بالا دارند. کامپوزیتها مواد منتخب در ساخت قطعاتی که در معرض محیط‌های باز، کاربردهای شیمیایی و دیگر شرایط محیطی می‌باشند، هستند
• انعطاف پذیری طراحی: این مواد را می توان با شکلهای پیچیده و با هزینه کم، قالب‌گیری نمود
• با دوام بودن: سازه های کامپوزیتی عمری طولانی دارند. این قابلیت با حداقل نیازمندیهای تعمیر و نگهداری توام گشته است. در مقایسه با گریتینگ‌های فولادی و آلومینیومی، گریتینگهای پالترود شده (که محصول مورد نظر می باشند) دارای مزایای زیر هستند:

2-2- معرفی محصولات طرح – میلگرد کامپوزیتی

محصول طرح حاضر میلگردها کامپوزیتی است. میلگرد کامپوزیتی از نظر شکل ظاهری مشابه میلگرد آهنی متداول هستند ولی بجای فولاد از الیاف شیشه با مقاومت بسیار بالا نسبت به فولاد به همراه یک نوع رزین پلیمری ساخته شده اند. میلگرد کامپوزیت FRP به عنوان جایگزینی مناسب برای میلگردهای فولادی در بسیاری از سازه های بتنی می باشد.

شکل  1: میلگرد کامپوزیتی تولید شده توسط شرکت (مجری طرح)

میلگردهای کامپوزیتی مصالحی هستند که از ترکیب الیاف شیشیه و رزین پلیمری گرما سخت (رزین اپوکسی هارنر یا رزین پلی استر) ساخته می‌شوند. بطور کلی استفاده از میلگرد فولادی در سازه‌هایی که در معرض نمک و یا خوردگی شدید هستند، به دلیل زنگ زدگی فولاد و خرابی بتن بسیار نگران کننده بوده و راه حل‌های مختلفی نظیر پوشش های گالوانیزه، بتن های آغشته به پلیمر و پوشش های اپوکسی در سال‌های اخیر پیشنهاد شده است. در این بین استفاده از FRP  به دلیل صرفه اقتصادی خوب و مقاومت مکانیکی و خوردگی عالی رواج بیشتری پیدا کرده است.

مقاومت کششی و مدول الاستیسیته میلگرد کامپوزیتی به عوامل مختلفی از قبیل درصد حجم الیاف، نوع رزین اپوکسی یا رزین پلی استر، جهت قرارگیری الیاف شیشه و کنترل کیفیت در حین تولید بستگی دارد.

2-3- کد آیسیک میلگرد کامپوزیتی

بر اساس استعلام از سامانه اطلاعات محصولات صنعتی، معدنی و کشاورزی سازمان صمت (بهین‌یاب) و مطابق پروانه بهره برداری صادر شده از سوی وزارت صنعت، معدن و تجارت ، کد آیسیک محصولات طرح مطابق جدول 6 می‌باشد.

جدول 3: کد آیسیک محصولات اصلی واحد تولیدی

4-2- شماره و تعرفه گمرکی میلگرد کامپوزیتی

بر اساس استعلام اخذ شده از سامانه اطلاعات محصولات صنعتی، معدنی و کشاورزی وزارت صنعت، معدن و تجارت، (بهین‌یاب)، کد تعرفه کمرگی محصولات طرح مطابق جدول زیر می‌باشد.

جدول 4: کد تعرفه گمرکی محصولات طرح

2-5- استانداردهای میلگرد کامیپوزیتی

در محصولات نهایی که به دست مصرف کنندگان می رسد، کیفیت هر محصول بستگی به عوامل زیر دارد

۱ -کیفیت مواد اولیه

۲ -کیفیت خط تولید

۳ -تجربه پرسنل تولیدی

عامل اول یعنی کیفیت مواد اولیه بیشترین تاثیر را روی کیفیت محصول نهایی خواهد داشت. بنابراین قبل از استفاده از مواد اولیه در خط تولید، می بایست تست‌های اولیه‌ای در مورد این مواد انجام پذیرد و در صورت دارا بودن استانداردهای مجاز از آنها در خط تولید استفاده شود.

با مراجعه به فهرست استانداردهای تدوین شده موسسه استاندارد تحقیقات صنعتی ایران استانداردهای زیر (جدول 8) برای محصولات این طرح تدوین شده است. رعایت استاندارد فوق برای کلیه تولیدکنندگان الزامی می‌باشد.

جدول 5: استانداردهای مرتبط با تولید انواع محصولات کامپوزیتی

2-6- مزایای استفاده از کامپوزیت FRP

• ضخامت کم الیاف اف آر پی سبب نازک بودن ورق های کامپوزیت FRP (در حد میلی‌متر) شده و باعث می‌گردد آنها فضای اضافه اشغال نکند.
• قیمت و هزینه مناسب FRP سبب فروش بالای آن در کشور ایران و سایر کشورها، در سالهای اخیر شده است.
• FRP دارای وزن پایینی بوده و چگالی مصالح و ورق های FRP حاصل کم می باشد.
• مقاومت کششی و مدول الاستیسیته اف آر پی ها بالاست.کامپوزیت FRP مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند.
• مقاومت ضد اسیدی و خورندگی FRP ها سبب کاربرد روز افزون آنها در برابر محیط اسیدی و شیمیایی شده است.
• نفوذ ناپذیری مغناطیسی بالا که مناسب برای مکان هایی که در آنجا دستگاه های حساس به میدان مغناطیسی است.
• مقاومت خوب در برابر ضربه و خستگی
• اتصال ورق FRP به سطوح مختلف بتن و آهن خوب بوده و همپوشانی آن زیاد نیست. که سبب پایین آمدن قیمت FRP می‌گردد.
• حمل و نقل آسان بدلیل وزن پایین الیاف اف ار پی
• سرعت کار بیشتر و نحوه اجرای آسان FRP
• توجیه اقتصادی و قیمت مناسب برای تقویت، ترمیم و مقاوم سازی پروژه های سنگین به عنوان مثال پل ها
• سطح اجرای تمام شده تمیز پوشش بعد از اجرای FRP
• مصالح FRP عایق بسیار مناسبی در مقابل محیط اسیدی، قلیایی، شیمیایی و خورنده می باشد.
• عدم افزایش ابعاد مقاطع در مقاوم سازی با FRP
• امکان بکارگیری چند نوع الیاف FRP جهت اصلاح و بهبود خواص هر کدام از آنها ( بعنوان مثال ارتقاء مقاومت مکانیکی، خستگی و ضریب ارتجاعی در کامپوزیت شیشه GFRP با اضافه نمودن لایه هایی از کامپوزیت کربن CFRP)

2-7- کاربرد کامپوزیت ها

موارد مصرف این مواد در کارهای عمرانی به شرح زیر است

• مقاطع سازه ای (پروفیل ها) در خرپاها و یا سازه هاای قالبی , پانل های دیوار یا طبقات ، پانل‌های عرشه پل‌ها
• میله‌ها، آرماتورها و شبکه‌ها جهت استفاده مجزا و یا به عنوان آرماتورهای داخلی برای اعضای بتنی پیش تنیده
• نوارها (تسمه‌ها) ، صفحات و پوسته ها برای استفاده مجزا و یا به عنوان آرماتورهای خارجی پیش‌تنیده برای اعضای بتنی، چوبی، بنایی و فلزی
• صفحات، پوسته ها و یا مقاطع قالب شده برای استفاده مجزا و یا به صورت مرکب در قالب‌بندی های درجا و تسلیح خارجی اعضای بتنی .

میلگردهای کامپوزیتی به دلیل مزایای فوق العاده نسبت به مصالح سنتی در طول سی سال گذشته مهندسین پل در چند زمینه به اثبات رسانده اند که این مواد مورد استفاده برای تقویت سازه های پل های موجود، تقویت بتن، جایگزین فولاد در سازه های بتن آرمه و به عنوان جایگزین از مواد سنتی در بخش های سازه می توان از ترکیب و یا تمام کامپوزیت به جای فولاد در تمام سازه های پل استفاده نمود که به دلیل استحکام و سختی بالا و به خصوص این نوع میلگردها از نقطه نظر طراحان جالب توجه است و این امکان را فراهم می کند که در کنار مفاهیم طراحی جدید، چیزی فراتر می سازد، که بار مرده را ذخیره کند و این بسیار مهم است در حالی که مقاوم سازی سازه های موجود به وسیله جایگزین همان عرشه ای پل قدیمی است.

سایر کاربردهای کامپوزیت‌ها:

• درتاسیسات فاضلاب مانند تصفیه خانه‌ها، کلاریفایر[1]، منهول[2]، چربی گیر[3]
• در کانال‌ها و لوله‌های بتنی هدایت فاضلاب، پساب های صنعتی و مواد شیمیایی در سازه های بتنی اسکله‌ها و سازه‌های دریایی[4]

در سازه های مجاور دستگاه های MRI در مراکز بهداشتی و درمانی

• در آرماتوربندی لایه های فوقانی در عرشه Deck پلها در مناطق سردسیر و زیر سازی های بتن مسل RCC
• دیواره موقت بتنی در داخل تونل های مترو در نیلینگ و تحکیم خاک
• در شمع Pile های داخل خاک و آب
• در کانال های روباز Culvert و لوله های بتنی هدایت آب
• در بلوکهای بتنی پیش ساخته جاده‌ای New Jersey
• در ساختمانهای پیش ساخته بتنی برای استفاده موقت
• در پانل های پیش ساخته نما GRC
• در دیوارهای پیش ساخته، ستونها و فونداسیون پیش ساخته برای دیوارکشی و محوطه سازی
• در تیرهای برق و تیرهای جایگزین دکل های انتقال نیرو
• در اتاقک پست برق پیش ساخته بتنی
• در آرماتوربندی کف پارکینگ ها و سالن های صنعتی
• در آرماتور بندی قابهای بتنی ساختمانهای شهری
• در آرماتور بندی فونداسیون
• در کف کاذب و سقف کاذب بتنی
• در ساخت کول

2-8- مقایسه کیفی انواع کامپوزیت ها

به طور خلاصه سه نوع الیاف مختلف  جهت ساخت کامپوزیت‌ها کاربرد دارد که در جدول … به بررسی و مقایسه آن‌ها پرداخته شده است.

جدول  2: مقایسه انواع کامپوزیت از نظر آزمون‌های مکانیکی

جدول  3: مقایسه انواع کامپوزیت‌های با انواع الیاف

3-13-2-پیش بینی بازار کامپوزیت های الیاف شیشه GFRP در سال 2022

در سال 2017 پیش بینی شد بازار جهانی کامپوزیت های پلاستیکی تقویت شده با الیاف شیشه GFRP از مقدار 43.93 میلیارد دلار به 59.87 میلیارد دلار در سال 2022 خواهد رسید. CAGR پیش بینی شده برای این بازه زمانی چیزی در حدود 6.4 درصد است. در واقع فاکتورهای متعدد و بسیار متنوعی عامل پیش برنده و محرک اصلی بازار کامپوزیت های GFRP هستند. از صنایع حمل و نقل گرفته تا برق و الکترونیک، انرژی بادی و لوله ها و مخازن، همگی بازارهای بالقوه این محصول هستند.

شکل 9: سرعت رشد بازار کامپوزیت الیاف شیشه در صنعت خودروسازی در طی سال های 2020 تا 2025

اما بازیافت دشوار کامپوزیت های GFRP و قیمت الیاف شیشه، دو عاملی بازدارنده ای هستند که مانع ورود این محصول به بسیاری از زمینه های کاربردی می شود و در نتیجه رشد بازار جهانی آن را تحت تاثیر قرار می دهند. با این وجود، نیاز به تولید قطعات با اشکال پیچیده و سفارشی در صنایع خودروسازی، هوافضا و انرژی های بادی، نرخ و سرعت رشد تولید و حجم بازار کامپوزیت های GFRP را تعیین می کنند.

2-13-4- بازارهای بالقوه کامپوزیت‌های الیاف شیشه GFRP

• صنعت خودروسازی

با وجود اینکه صنعت خودروسازی بیش از یک قرن است که وجود دارد، اما عمده موادی که در این صنعت استفاده می‌شود، تغییر آنچنانی نیافته است. و تنها در چند دهه اخیر مواد پیشرفته، از آلیاژهای منیزیم گرفته تا کامپوزیت‌های الیاف شیشه GFRP، توانسته اند راه خود را به خودروهای نسل جدید باز کنند.

به منظور افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت و همچنین حفظ عملکرد و در عین حال ایمنی بیشتر، استفاده از این مواد پیشرفته امری ضروری است. می‌دانیم که برای شتاب دادن به یک جسم سبک، نسبت به یک جسم سنگین، انرژی کمتری نیاز است. از اینرو، کاهش 10 درصدی وزن خودرو نیز می‌تواند منجر به افزایش 6 تا 8 درصدی راندمان مصرف سوخت شود.

عوامل و محرک‌های اصلی رشد بازار و خرید الیاف فایبر گلاس در صنعت خودروسازی، افزایش تولید خودرو و افزایش تقاضا برای داشتن محصولی با دوام و سبک و همچنین قوانین سختگیرانه دولت ها برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است.

با توجه به کاربردهای مختلف کامپوزیت های الیاف فایبرگلاس در صنعت خودروسازی مانند استفاده در فضاهای داخلی و بیرونی، مونتاژ ساختاری اجزای قطار، استفاده در موتور، برق و الکترونیک خودرو، آینده بازار جهانی چشم انداز بسیار روشنی دارد. و انتظار می‌رود در طی سال های 2020 تا 2025، با CAGR بیش از 5.5 درصدی، رشد قابل توجه و چشمگیری داشته باشد.

اروپا به دلیل حضور بسیاری از غول های صنعت خودروسازی مانند BMW، Volkswagen، Group PSA و غیره، عمده ترین بازار کامپوزیت های الیاف شیشه GFRP بوده و سریع ترین رشد بازار را به خود اختصاص داده است.

• صنایع دریایی و قایق‌ها

خواص کامپوزیت‌های الیاف شیشه GFRP به طرز ایده آلی برای ساخت قایق‌ها مناسب است. از سال 1942 که انواع الیاف شیشه فایبرگلاس در قایق‌های تفریحی استفاده شد تا کنون، این ماده یکی از برگزیده‌های این صنعت است. گرچه پیش از این، مشکلاتی در جذب آب داشت، اما با ورود رزین‌های مدرن، بیشتر با شرایط مطابق شد و همچنان بر صنایع دریایی حکومت ‌می‌کند. در واقع، بدون GRP‌ها، قایق‌ها به سطح کیفی امروزشان نمی‌رسیدند؛ چرا که روش‌های سنتی ساخت و ساز برای این حجم تولید قایق، بسیار گران هستند و البته قابلیت اتوماسیون نیز ندارند.

صنایع ساخت و ساز مدرن

کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف شیشه GFRP، خواص بیشماری دارند، در نتیجه کاربرد آن‌ها در قسمت‌های مختلف ساختمان و سیستم‌های ساختمانی جدید ‌می‌تواند بسیار سودمند باشد. مقاومت بسیار عالی در برابر خوردگی، نسبت استحکام به وزن بالا و قابلیت سفارشی سازی خواص نهایی، این کامپوزیت‌ها را به جایگزینی مقرون به صرفه برای فولادها تبدیل کرده است. استفاده از آرماتورهای GFRP، به ویژه زمانی که سازه بتنی مورد نظر مستعد خوردگی و حملات مواد شیمیایی باشد، جذاب تر ‌می‌شود.

مصالح ساختمانی سنگین مانند میلگردهای فولادی، به تجهیزات حمل و نقل و نصب بزرگی نیاز دارند که به محیط زیست آسیب ‌می‌رسانند و در عین حال، پیشرفت سریع پروژه‌های عمرانی را نیز مختل ‌می‌نمایند. اما کامپوزیت‌های الیاف شیشه GFRP، به دلیل وزن کم و قابلیت مونتاژ در محل پروژه، توانسته اند کاملا از فولادها پیشی بگیرند.

از جمله کاربردهای کامپوزیت GFRP در صنایع ساخت و ساز، ‌می‌توان به استفاده در زیرساخت‌های حمل و نقلی، معادن و تونل سازی، ساختمان سازی و سازهای بتنی در تماس با آب مانند دیواره‌های حائل رودخانه‌ها و دریا، تاسیسات تصفیه خانه و مخازن و سیستم‌های زهکشی، اشاره نمود.

زهکش‌های تقویت شده با کامپوزیت الیاف شیشه GFRP، دچار زنگ زدگی نمی‌شوند و به خوبی تنش‌های کششی ناشی از یخ زدن آب را تحمل ‌می‌کنند. یکی دیگر از خواص GFRP‌ها، دوام و پایداری آن‌ها در آب شور است که نسبت به فولاد معمولی، یک مزیت فوق العاده به حساب ‌می‌آید.

2-13-5- بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس رزین‌های مورد استفاده

واقعیت این است که عملکرد کامپوزیت‌های الیاف شیشه GFRP با توجه به رزین استفاده شده، متغیر خواهد بود. اما بر اساس آمار سال 2016، در میان انواع رزین‌های مورد استفاده در کامپوزیت GFRP، پلی استر بیشترین سهم بازار را به خود اختصاص داده است. ویژگی‌هایی همچون مقاومت به خوردگی مناسب و خواص عملکردی رزین پلی استر موجب شده است این محصول در صنایع هوافضا، خودرو، راه آهن و الکترونیک کاربرد بسیاری داشته باشد.

2-13-6- بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس صنایع مصرف کننده

در سال 2016، با توجه به ارزش و حجم بازار، بخش حمل و نقلی بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌های الیاف شیشه GFRP را به خود اختصاص داده است. و علت این امر نیز به تقاضای محصولات سبک و افزایش راندمان مصرف سوخت، نسبت داده ‌می‌شود. بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس صنعت مصرف کننده نهایی به انرژی بادی، حمل و نقل، لوله و مخازن، دریایی، ساخت و ساز و زیرساخت‌ها، برق و الکترونیک، هوافضا و دفاعی و … تقسیم ‌می‌شود.

2-13-7- بیشترین سهم بازار کامپوزیت‌های GFRP بر اساس منطقه جغرافیایی

در سال 2016، بازار کامپوزیت‌های الیاف شیشه GFRP در آسیا و اقیانوسیه، بالاترین سرعت رشد را ثبت کرده است. انتظار ‌می‌رود در 5 سال آینده نیز بیشترین رشد را داشته باشد که این امر با افزایش مصرف کامپوزیت‌های GFRP، در صنایع مختلف انرژی بادی، ساخت و ساز و زیرساختی، برق و الکترونیک، دور از ذهن نخواهد بود.

در سال 2016 در میان کشورهای آسیا و اقیانوسیه، چین با بیشترین تعداد تاسیسات انرژی بادی با ظرفیت معادل 23328 مگاواتی پیشتاز بازار مصرفی کامپوزیت‌های GFRP بود.

2-13-8- سهم بازار اقتصادهای نوظهور در تقاضای لوله‌های کامپوزیت الیاف شیشه GFRP

تا پیش از این کشورهای آمریکای شمالی و اروپایی، عمده بازار لوله‌های کامپوزیت الیاف شیشه GFRP را به خود اختصاص داده بودند. اما در سال‌های اخیر، شاهد تغییر تقاضا از سوی اقتصادهای نوظهور MEA، APAC و آمریکای لاتین هستیم. همچنین انتظار ‌می‌رود، با رشد صنایع نفت و گاز، مواد شیمیایی، فاضلاب و سایر صنایع مربوطه، در کشورهایی مانند چین، برزیل، مکزیک و هند، شاهد رشد بازار لوله‌های GFRP در آینده باشیم.

اما در منطقه APAC با توجه به افزایش فعالیت‌های ساخت و سازی و معدنی، و همچنین بهبود استانداردهای زندگی در اقتصادهای در حال توسعه و نرخ بالای شهرنشینی در بسیاری از کشورهای منطقه APAC و اهمیت اولویت بندی بهبود و مدیریت آب، انتظار ‌می‌رود حجم تقاضای لوله‌های GFRP افزایش فوق العاده و چشمگیری داشته باشد. همچنین پیش بینی ‌می‌شود در طی چند سال آینده، پیشرفت و بهبود زیرساخت‌های موجود و ایجاد شهرک‌های جدید دارای تاسیسات تصفیه خانه ای، منجر به رشد تصاعدی و روزافزون تقاضای لوله‌های GFRP و قیمت الیاف فایبرگلاس شود.