كامپوزیت‌های پایه معدنی تقویت‌شده با الیاف فولادی برای مقاوم‌سازی سازه‌ها
Steel Fiber Reinforced Inorganic Matrix Composites for Strengthening of Structures

خلاصه اختراع :

كاهش هزینه‌های ساخت و ساز، افزایش عمر مفید سازه‌ها و هم‌چنین جلوگیری از ایجاد و رشد خسارت در آن‌ها، از هدف‌های اصلی روش‌های مقاوم‌سازی و بهسازی به‌شمار می‌روند. سامانه‌های كامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف، نقش بسزایی در فراهم كردن این هدف‌ها ایفا می‌كنند. پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف، FRP، معمول‌ترین گونه از سامانه‌های كامپوزیتی هستند كه برای تقویت و بهسازی كاربری‌های سازه‌ای استفاده می‌شوند. كامپوزیت‌های FRP از چسب به‌دست آمده از مواد آلی، به‌طور ویژه اپوكسی، به عنوان پایه تشكیل شده‌اند كه به كمك الیافی از جنس شیشه، كربن، آرامید یا بازالت تقویت می‌شوند. وزن كم، سختی بالا، مقاومت در برابر خوردگی، انعطاف‌پذیری، سرعت بالا در نصب و تغییرهای هندسی اندك را می‌توان از برتری‌های كامپوزیت‌های FRP دانست. با این وجود، مقاومت كم در برابر آتش و قابلت انتقال گرمایی اندك به علت جنس پلیمری بخش پایه، ناتوانی در اعمال بر روی سطح‌های مرطوب و در دماهای پایین، خطر مسمویت سمی برای افراد اجرا كننده و توانایی اندك در نفوذ‌پذیری بخارها از كاستی‌های كامپوزیت‌های FRP هستند. یكی دیگر از كاستی‌های مهم در كامپوزیت‌های FRP این است كه در آن‌ها، رشد ترك در زیرلایه‌ای از المان سازه‌ای و نزدیك به كامپوزیت FRP اتفاق می‌افتد. از این رو، ویژگی‌های مكانیكی و شكست المان تقویت‌شده نقش ویژه‌ای در كارایی بهسازی ایفا می‌كنند. این ویژگی كامپوزیت‌های FRP سبب می‌شود تا نتوان با اطمینان كامل از آن‌ها در تقویت سازه‌های آسیب‌دیده و تاریخی بهره جست. در این اختراع، هدف ارایه‌ی كامپوزیت نوینی است كه كاستی‌های كامپوزیت‌های سنتی FRP را در حد امكان بر طرف سازد. از این رو، مواد معدنی به عنوان جایگزین مواد آلی در پایه‌ی پلیمری كامپوزیت‌های FRP پیشنهاد شدند و الیاف استفاده‌شده برای كامپوزیت پیشنهادی از جنس فولاد در نظر گرفته شده‌اند. بنابر این، كامپوزیت پیشنهادی این اختراع، كامپوزیت پایه معدنی تقویت‌شده با الیاف فولادی (SFRIM) نام‌گذاری می‌شوند. كامپوزیت‌های پیشنهادی SFRIM از یك یا چند لایه الیاف فولادی تشكیل می‌شوند كه به كمك لایه‌هایی از مواد معدنی پوشانده شده‌اند. مواد معدنی به علت ویژگی‌ها و توانایی‌های خود شامل استقامت حراراتی بالا، مقاومت در برابر اشعه‌های فرابنفش، ایجاد تشعشع‌های اندك هنگام تولید و نصب، داشتن تجربه‌های مناسبی در مورد استفاده درست از آن‌ها، به عنوان پایه‌ی سامانه‌های SFRIM مورد استفاده قرار می‌گیرند. در كامپوزیت‌های SFRIM، بر خلاف آنچه در پایه با جنس مواد آلی سامانه‌های FRP رخ می‌دهد، پایه‌ی معدنی به‌طور كامل در داخل الیاف نفوذ نمی‌كند و در نتیجه، در المان‌های تقویت‌شده با سامانه‌ی پیشنهادی SFRIM، جداشدگی سطحی در خود كامپوزیت رخ می‌دهد و در نتیجه، سازه‌ی تقویت‌شده عامل ویژه و با اهمیت در طراحی سامانه‌ی بهسازی نخواهد بود. این ویژگی منحصر به فرد SFRIMها، مكان استفاده از آن‌ها در تقویت سازه‌های قدیمی و آسیب‌دیده را نیز فراهم می‌كند. در كامپوزیت پیشنهادی SFRIM، اصطحكاك بین رشته‌های درونی الیاف با رشته‌های بیرونی آن و هم‌چنین، اندركنش لایه‌ی الیاف با محیط پیرامونی، سبب افزایش باربری كامپوزیت پیشنهادی SFRIM نسبت به كامپوزیت‌های سنتی FRP خواهد شد. علاوه بر این، به علت وجود این اصطحكاك، امكان لغزش لایه‌ی الیاف درون پایه‌ی معدنی به‌وجود می‌آید و شكست نمونه‌های تقویت‌شده با كامپوزیت‌های پیشنهادی به نرمی رخ خواهد داد و رفتار شكل‌پذیر بیشتری نسبت به شكست‌های ترد در كامپوزیت‌های سنتی FRP مشاهده خواهد شد.