نگاهی به کامپوزیتها

مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور
مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور یک دهم سرانه مصرف در کشورهای پیشرفته است و سالانه 7 میلیون تن مواد کامپوزیتی به ارزش 145 میلیارد دلار در صنایع مختلف جهان مصرف می*شود که صنعت ساخت و ساز با 42 درصد بالاترين كاربرد اين مواد را به خود اختصاص مي*دهد. به گفته دکتر مهرداد شکریه ، رئیس موسسه کامپوزیت ایران، سرانه مصرف کامپوزیت در کشورهای پیشرفته جهان 3کیلوگرم است در حالی که این سرانه در کشور ما تنها 3/0 کیلوگرم است ولی درعین حال ایران از نظر سرانه مصرف مواد کامپوزیتی، همرده کشورهای آسیایی قرار دارد. علت پایین بودن سرانه مصرف مواد کامپوزیتی در این قاره وسعت این قاره و نیز وجود کشورهای فقیردر این منطقه است،در عین حال کشور ژاپن با سرانه 5/4 کیلوگرم در سال به عنوان نمونه*ای از یک کشورآسیایی پیشرفته با مصرف سرانه مواد کامپوزیتی است

کاربرد کامپوزیت در ساخت تراورس
شركت تاي تك واقع در هوستون در ايالت تگزاس، يك واحد تابعه از گروه تكنولوژيهاي آمريكاي شمالي است. اين شركت بيش از شش سال است كه در زمينة توسعه و آزمايش تراورس ها (چوبهاي عرضي كه در زير ريل راه آهن قرار مي*گيرند) كار مي كند. تاي تك با استفاده از پلاستيك بازيافتي و مواد دور ريختني كه با افزودني ها و پر كننده هاي ويژه اي مخلوط شده اند، يك نوع تراورس ساخته است.
تراورس هايتاي تك هم اندازة تراورس هاي چوبي هستند و مي توانند همانند چوب ميخ كوبي شوند. برخلاف چوب اين تراورس ها نمي شكنند و ترك برنمي دارند، همچنين مستعد پوسيدگي نيستند، حشرات نمي توانند به آنها آسيبي بزنند و خواص خود را نيز به مدت طولاني تري حفظ مي كنند.
هشتاد درصد محتواي اين تراورس ها را ضايعات بازيافتي كم قيمت، مثل ضايعات رزيني آسياب شده، لاستيك خرد شده از تايرهاي بازيافتي و ضايعات فيلم هاي پلي اتيلني با دانسيته بالا(HDPE) تشكيل مي دهند. به اين مواد اصلي، پركننده ها و تقويت كننده ها نيز افزوده مي شوند. سپس تراورس ها، قالبگيري شده و درون قالب، سردمي شوند تا شكل و ابعاد مناسب خود را حفظ كنند.
قيمت نهايي تراورس هاي كامپوزيتي برابر با قيمت يك تراورس چوبي با كيفيت بالا خواهد بود؛ يعني بين 30 تا 40 دلار در آمريكا و حدود 50 دلار در اروپا.
اخيراً شركت تاي تك قراردادي دو ساله به ارزش 10 ميليون دلار براي تامين تراورس هاي كامپوزيتي راه آهن يونيون به پاسفيك منعقد ساخته است. تاي تك اميدوار است كه بيش از پنج درصد بازار تراورس هاي عرضي جهان را در اختيار بگيرد. به اين ترتيب سالانه بيش از سه ميليون تراورس توليد خواهد كرد.
چنانچه از متن خبر فوق مشاهده مي شود، تراورس هاي كامپوزيتي با داشتن قيمتي معادل قيمت بهترين نوع چوبي آن، از مزاياي ديگري نظير سهولت كاربرد، عمر طولاني تر و خواص مكانيكي بهتر برخوردار هستند كه اقتصادي بودن استفاده از آنها را مسلم مي سازد. علاوه بر اينها مواد اوليه مورد استفاده براي ساخت اين تراورس ها اغلب از مواد ارزان هستند كه از ضايعات كارخانجات ديگر به دست آمده اند.
اين مساله علاوه بر ايجاد يك منبع درآمد براي اين كارخانجات منجر به خروج آن ها از طيف آلاينده هاي زيست محيطي و تبديل به مواد بازيافت شده و مفيد مي گردد. به علت عدم پوسيدگي، استفاده از اين تراورس ها در مناطق مرطوب به صرفه تر از نوع چوبي آن است. با توجه به آمار ارائه شده در مطلب فوق، وجود بازار بزرگي در جهان براي اين محصول قابل تصور است. روش جديد، همچنان كه شركت تاي تك پيش بيني كرده است، سهم خوبي از بازار را بدست خواهد آورد.
در كشور ما ساليانه مقادير بسيار زيادي تراورس راه آهن تعويض يا بهسازي مي گردد و اين جداي از هزينة هنگفت بستن خط و تغيير ريل ها و زيرسازي هاي لازم است. اما اگر همين تراورس ها با كامپوزيت تقويت شوند عمر 7 ساله تراورس ها را تا 30 سال مي توان افزايش داد و در ازاي پرداخت هزينة اوليه دو يا سه برابر، هزينة تعمير و تعويض تا 4 برابر كاهش مي يابد و در نهايت صرفة اقتصادي دارد.

رواج کاربرد کامپوزیت در پل سازی
پروفيل هاي كامپوزيتي كه به روش پالتروژن تهيه مي شوند، كاربرد فراواني در ساخت پل ها دارند. پل هاي كامپوزيتي حاصل، در مقايسه با پل هاي مشابه از جنس بتن و فولاد، از سبكي، طول عمر و سرعت نصب بيشتري برخوردارند و هزينة نصب كمتري دارند.
يکي از وسيع ترين کاربردهاي محصولات پالتروژني در ساختمان، توليد سازه هاي باربر است. ساخت پل ها و زيرسازه ها با پروفيل هاي پالتروژني به شدت مورد توجه مهندسين آمريکايي و اروپايي قرار گرفته است.عمر مفيد بالا و کاهش هزينه*هاي نگهداري پل در طول دورة کاري، دليل استقبال از کامپوزيت ها در ساخت پل ها مي*باشد.سازه هاي بزرگي که توسط تيرهاي فولادي ساخته شده اند در طول عمرشان چندين بار رنگ آميزي مي شوند. تعمير و نگهداري و رنگ آميزي اين تيرهاي فولادي به ويژه در پل هاي قديمي بلند که دسترسي به آنها مشکل است، بسيار پرهزينه مي باشد.
سطوح پل هاي کامپوزيتي نيز از پانل هاي كامپوزيتي ساخته مي شوند. استفاده از پانل هاي کامپوزيتي روشي مناسب براي کاهش هزينه هاي تعمير و نگه داري اين سازه هاست. اين پانل ها از روش هايي همچون لايه چيني دستي و پالتروژن ساخته مي شوند و با طول عمر بالا و استحکام بيشتر، جايگزين ايده آلي براي مشابه فولادي خود هستند. سطوح پل هاي کامپوزيتي بصورت طول هاي پيوسته توسط فرآيند پالتروژن طراحي و توليد مي گردند.
اين قطعات متناسب با احتياج مصرف کننده مي تواند در سايزهاي مختلفي بريده شود تا با ابعاد پل موردنظر سازگار باشند. پل*هاي کامپوزيتي اکنون به عنوان پل هاي دايمي براي راههاي اصلي بسياري از کشورهاي پيشرفته بکار گرفته مي*شوند. اين پل ها به ميزان قابل قبولي اهداف موردنظر طراحان را برآورده ساخته اند. نخستين نمونه اين پل ها در ايالات متحده آمريکا طراحي و تست شدند و اولين نمونه آن در روستايي در ويرجينيايغربي نصب شد. نصب پل ها در ويرجينياي غربي ثابت کردند که کامپوزيت ها بطور عملي براي ساخت پل هاي هوايي بسيار مفيد هستند. اين يک مرحله مهم در توسعه پل هايي بود که با كامپوزيت ها ساخته شده اند .
نمونة ديگري از پل هاي كامپوزيتي، يک پل در دانمارک است كه در آن از پروفيل هاي پالتروژني استفاده شد. اين پل با 40 متر طول و 3 متر عرض جهت عبور عابرين پياده، دوچرخه ها و موتور سيکلت ها طراحي شده و بر روي خط راه آهن احداث گرديده است. پل مذکور مي تواند بارهاي معادل kg/m2_500 را تحمل کند و اين استحکام بوسيله يک سطح کامپوزيتي که تنها 12 تن وزن دارد مهيا مي شود. در حالي که سطوح پل هاي بتوني و فولادي که بتوانند همين ميزان استحکام را داشته باشند به ترتيب داراي وزن هاي 90 و 28 تن خواهند بود. ارتفاع اين پل 18.5 متر است. تيرها و پانل هايي که در ساخت اين پل بکارگرفته شده اند از پروفيل هاي پالتروژني ساخته مي شوند. برج ها و بخش هاي ديگر بصورت پيش ساخته نهايي در محل پل نصب مي شوند. به دليل سبکي وزن کامپوزيت ها، نصب پل تنها 18ساعت طول کشيد و مزاحمت و آشفتگي در ترافيک ريل ها به كمترين حد ممكن رسيد.
در فيلادفياي آمريکا با استفاده از کامپوزيت ها، نوعي پل کابلي طراحي شده است که توانايي جمع شدن دارد. اجزاي کامپوزيتي پل ها نسبت به مشابه فولادي خود، علاوه بر سبك تر بودن، از مشخصات مکانيکي بهتري نيز برخوردار است و به آساني و بدون نياز به تجهيزات سنگين يا کارکنان زياد نصب مي شوند. اين پل ها در مكان هايي مانند پارک ملي ايسلند و يا گلدن گيت مورد استفاده قرار گرفته*اند. اکنون ساخت پل هاي عبور وسايل نقليه به شکل يک کار مرسوم تجاري در آمريکاي شمالي و اروپا رونق گرفته است.
هم اكنون در ساخت بسياري از پل ها تماماً از كامپوزيت ها استفاده مي شود. يكي از موارد كاربرد كامپوزيت هاي سبك، در ساخت پل هاي رودخانه ها و مسيرهاي آبي است كه در انگلستان و ساير كشورهاي اروپايي مورد استقبال فراوان واقع شده است. اين پل ها براي عبور قايق ها هستند و حمل و نقل و نصب آنها در نقاط دورافتاده و پست، بدون نياز به تجهيزات بالابر سنگين ممكن مي باشد.
سطح کامپوزيتي، 6 تا 7 برابر سطح بتون آرمه ظرفيت تحمل بار را دارد و اين در حالي است که تنها 20 درصد وزن آنرا داراست. طول عمر آنها نسبت به مشابه فولادي و بتني چندين برابر است. کامپوزيت ها در طول دوره سرما منقبض نمي شوند و مانند آهن در محيط مرطوب زنگ نمي زنند و در محيط دريا دچار خوردگي نمي شوند. سطوح کامپوزيتي براي جايگزين کردن با سطوح قديمي و سنتي در پل ها بسيار مورد استقبال قرار گرفته اند، چرا که داراي ساختار بهتر و بي عيب تري مي باشند. اين جايگزيني مي تواند در زمان کوتاهي انجام شود و کمترين مزاحمت را براي ترافيک و حمل نقل ايجاد نمايد.
توانايي استفاده از کامپوزيت ها در ساخت سازه هاي پيش ساخته و سبک وزن باعث مي شود که هزينه بناي سازه بشدت کاهش يابد. سازه هاي کامپوزيتي سبک وزن مي توانند در چند ساعت نصب شوند. در عوض روزها و هفته ها وقت لازم است تا پل هاي متداول آهني و بتني به شکل سنتي مرسوم نصب گردند. وزن سبک سطوح کامپوزيتي، همچنين قابليت تحمل بار بالاتر را براي پل فراهم مي آورد. کامپوزيت ها مي توانند با مقاومت بالايي كه در برابر خوردگي و خستگي از خود نشان مي دهند، هزينه هاي مربوط به تعمير و نگه داري خود را به حداقل برسانند.
کاربرد کامپوزیت در صنعت ساختمان

باید گفت کامپوزیت ها مزایای بسیار زیادی دارند : دارای مقاومت بسیار بالا و وزن بسیار اندک هستند ، کاربری آنها بسیار ساده است و نیاز به تخریب تعمیراتی سازه یا متوقف کردن عملکرد سازه ندارند و در مقابل خوردگي ها نيز بسيار مقاومند. با در نظر گرفتن همة اين خصوصيات و با توجه به مشكلات ساخت وساز، استفاده از آنها اجتناب ناپذير است. اين مواد در صنعت ساختمان كاربرد وسيعي دارند كه مي توان به موارد زير اشاره كرد:

1. تعمير و تقويت خارجي سازه ها:سازه هاي ساختماني مخصوصاً سازه هاي بتن آرمه در هنگام اجرا يا بهره برداري به دلايل مختلف از جمله ضعف اوليه يا عمر زياد تحت اثر عوامل مختلف محيطي يا مكانيكي تضعيف مي شوند. روشهاي سنتي تقويت اين سازه ها داراي دو مشكل اساسي هستند: اولاً در اجرا بسيار مشكل ساز ميباشند. چرا كه براي تقويت مثلاً يك ستون به كمك غلاف بتني بايد قسمتي از سازه تخريب موضعي شود تا قطعات فولادي لازم در سازه جاسازي شوند و سپس بتن ريزي انجام گيرد كه بسيار پردردسر و گاه غيرممكن است. ثانياً با توجه به مشكلات رايج در ساخت بتن، احتمال آنكه قسمت هاي تقويت كننده نتوانند در هنگام اجرا به گونة مناسب با سازة در دست تعمير هماهنگ شوند وجود دارد، كه در صورت وقوع چنين امري سازه انتظارات مورد نظر را برآورده نخواهد كرد.

2. ساخت سازه هاي تمام كامپوزيت:حتي در كشورهايي همچون مالزي، ساخت سازه هاي تمام كامپوزيت از قبيلگنبدها آغاز شده است. در ايران نيز سازه هاي گنبدي شكل وجود دارند كه وزن بتن مورد نياز براي ساخت آنها بالغ بر 70 هزار تن خواهد گرديد و اگر آنها را از كامپوزيت بسازيم وزن آنها تا يك سوم تقليل مي يابد. به اين ترتيب علاوه بر اجراي ساده، مقادير معتنابهي در هزينة زيرسازي صرفه جويي مي گردد و علاوه بر آن عمر سازه نيز با توجه به مقاومت كامپوزيت ها در برابر شرايط محيطي مختلف افزايش مي يابد.3. تعمير و تقويت داخلي سازه ها: در مناطق جنوب و شمال كشور، به دليل زياد بودن رطوبت و ساير مواد خورنده، آرماتورهاي فلزي بتن، دچار پوسيدگي زودهنگام مي شوند كه اين خود باعث كاهش مقاومت آرماتور و ترك برداشتن و گسيختن بتن دراثر ازدياد حجم آرماتورهاي پوسيده ميگردد. در چنين شرايطي آرماتور هاي كامپوزيتي توليد شده توسط فرايند پالتروژن مي توانند پاسخگوي مناسبي به اين مسئله باشد. همچنين گاه براي افزايش استحكام فشاري و كششي ملاتهاي سيمان يا بتن، از الياف كوتاه كامپوزيت ها در تركيب با ملات يا بتن مورد نظر استفاده مي شود. به اين ترتيب مي توان از عملكرد مناسب سازه اطمينان حاصل كرد.
استفاده از الیاف کامپوزیتی در ملات گچ یکی دیگر از نمونه های تقویت سازه ها بوسیله کامپوزیت است. مورد مصرف کامپوزیت های گچی در تهیه پانلهای پیش ساخته برای ساخت دیوارهای گچی است واستفاده از این پانلها سرعت ساخت و سبک سازی ساختمان و مقاومت سازه را در مقابل نیروی زلزله افزایش می دهد. از این نوع کامپوزیت ها میتوان به نوعی کامپوزیت گچی جدید که اخیرا در دانشکده مهندسی معدن ومتالوژی دانشگاه امیرکبیر طراحی وساخته شده است اشاره کرد.
در این نوع کامپوزیت الیاف لاستیک به صورت فیبرهای کوچک 12 میلیمتری در آمده و کامپوزیت های گچی با 2 تا 5 درصد الیاف ساخته می شود.ازمزیتهای این کامپوزیت ها نسبت به کامپوزیت های گچی ساده این است که می توان با ایجاد حفره هایی در درون پانل های ساخته شده از جنس این کامپوزیت ها هم محلی برای عبور سیم های جریان برق ایجاد کرد و هم عایق پذیری آنها را افزایش داد. مقاومت کششی این نوع کامپوزیت ها نیز نسبت به کامپوزیت های گچی ساده بیش از 12 درصد افزایش یافته است .از طرف دیگر، وجود این الیاف در درون گچ از گسترش ترک در آن جلوگیری می کند.

همانطور که از مطالب بالا برمی آید میتوان استفاده از مواد کامپوزیتی در تقویت سازه را یکی از بهترین راههای مقابله با حوادثی مثل زلزله نام برد.ازآنجاکه اثر زلزله بر سازه، با وزن سازه تقريباً نسبت مستقيم دارد و هر چه سازه سنگين تر باشد، اثر زلزله نيز بيشتر مي گرددچون در روشهاي سنتي تقويت سازه، وزن قسمتهاي تقويت شده حدوداً 1.5 الي 2 برابر مي گرديد، دنيا به كامپوزيت ها كه نسبت مقاومت به وزن بسيار بالا و كاربري ساده اي دارند، روي آورد و از حدود 30 سال پيش استفاده از آنها به عرصة عمل كشيده شد. از کشورهایی که بطورگسترده به سازه های کامپوزیتی برای تقویت سازه های خود روی آورده است میتوان به کشور ژاپن اشاره کرد. در كشور زلزله خيز ما نيز سازه هاي بتني چه در مرحلة اجرا و چه در مرحله بهره برداري، در اثر بارهاي مكانيكي يا عوامل محيطي تضعيف مي گردند و نياز مبرم به تقويت دارند. در راستاي پاسخ گويي به اين نياز، پروژه اي تحت عنوان بررسي رفتار تيرهاي بتن آرمه تعريف شد و برتري كاربرد تيرهاي تقويت شده با كامپوزيت نسبت به نمونه هاي تقويت نشده به 3 روش حل عددي، تحليلي و تست آزمايشگاهي به اثبات رسيد. اين موضوع به عنوان اختراع نيز ثبت گرديده، در كنفرانس بين المللي بتن و توسعه در ايران و كنفرانس مشابهي در هنگ كنگ به صورت مقاله ارائه شد.
هم اكنون پروژه هايي در كشور هستند كه در همان مراحل اوليه قبل از بهره برداري به صورت مناسب اجرا نشده اند و ناچارند به علت عدم استحكام مناسب يا كارا نبودن روش هاي سنتي جهت تقويت، بنا را كاملاً تخريب كنند. به عنوان مثال در پروژة يك بناي ده طبقه در تهران، پيمانكار طرح، طبقات زيرين را بسيار ضعيف اجرا مي كند كه در نتيجه پس از پايان طبقة هشتم، آثار تزلزل در ساختمان پديدار مي شود و به ناچار به استفاده از كامپوزيت ها روي مي آورد.
بحث تقويت با كامپوزيت ها مي تواند در لوله هاي انتقال نيز به كار گرفته شود. به طور مثال لوله هاي انتقال گازغالباً دچار مشكل خوردگي مي گردند و امروزه يكي از روشهاي مناسب تعمير در دنيا، استفاده از كامپوزيت ها مي باشد. يا مثلاً مواردي پيش مي آيد تا لوله اي كه جهت انتقال سيال با دبي كم استفاده شده است به دلايل مختلف از قبيل رشد جمعيت با يك لولة فشار بالا تعويض شود و در اينجاست كه مي توان تنها با تقويت لوله از هزينه هاي اضافي تعويض لوله جلوگيري نمود.