خلاصه

در سالهای اخیر استفاده از مواد کامپوزیتی در بخش هایی از قبیل ساخت وساز،مواد شیمیایی،صنایع دریایی،هوافضا و حمل ونقل متداول شده است. الیاف کامپوزیتی شامل: شیشه،کربن و آرامید می باشد؛ نوع دیگری از آن الیاف معدنی بازالت است که جایگزینی ارزشمند در مقایسه با الیاف کربن و شیشه از جهت پایین بودن هزینه و استحکام می باشد. از این رو به کار بردن کامپوزیت مسلح کننده بازالت کاربرد سازه ای دارد. بازالت یک سنگ آتشفشانی با گستره دسترسی در جهان می باشد. متناسب با نوع استفاده، الیاف بازالت دارای مزیت های بسیاری نسبت به برخی از الیاف های موجود است.

در این مطالعه سعی بر آن است که به بررسی خصوصیات الیاف بازالت و مقایسه آن با دیگر الیاف کامپوزیتی پرداخته شود. نتایج نشان دهنده مقرون به صرفه بودن، پیشرفته تر بودن خواص فنی و آثار غیرمخرب زیست محیطی الیاف بازالت در مقایسه با دیگر الیاف ها است.

کلمات کلیدی: الیاف بازالت، خصوصیات فنی، مواد کامپوزیتی

. ۱ مقدمه

در زمان حاضر، استفاده از الیاف سازه ای به علت وزن سبک و بکارگیری در اجزای سازه ای اهمیت ویژه ای دارد. انواع متفاوتی از مواد کامپوزیتی معرفی شده و در مقیاسی از ماکرو تا نانو کامپوزیت مورد مطالعه قرار گرفته اند. بازالت یک سنگ آتش فشانی طبیعی به رنگ سیاه یا تیره می باشد. سنگ بازالت نوعی سنگ آذرین و دارای ساختار بلورین و شیشه ای با فراوانی بسیار در پوسته زمین است که بیشتر در کف اقیانوسها یافت می شود. آزمایشات اولیه تولید الیاف بازالت به ۱۹۲۳ در ایالات متحده آمریکا برمی گردد. در خلال جنگ جهانی دوم و به دنبال آن در دهه ۱۹۵۰، با تحقیقات انجام شده در بعضی کشورها، دانش و فنآوری تولید الیاف بازالت پیشرفت کرد ولی هیچگونه محصول تجاری تولید نشد. در ۳۰-۴۰ سال گذشته، بیشتر تحقیقات و همچنین تجاری سازی محصولات الیاف بازالت در روسیه و جمهوری های شوروی سابق انجام شده است.در دهه های گذشته الیاف بازالت توسعه بسیاری یافته است؛گداختن بازالت در دمای ۱۴۰۰℃ و بدست آوردن الیاف مناسب به ضخامت ۹-۱۳ میکرومتر. این الیاف بدلیل مشخصات گرمایی بالا به عنوان پوششی برای حفاظت در مقابل آتش استفاده می شود.

در این مقاله به بررسی خصوصیات مکانیکی الیاف بازالت و همچنین مقایسه آن با دیگر الیاف کامپوزیتی پرداخته شده است.

۱دانشجوی کارشناسی ارشد سازه،دانشگاه گیلان

اولین همایش بین المللی و چهارمین همایش ملی عمران شهری دانشکده فنی دانشگاه آزاد اسلامی واحد سنندج
۱۳، ۱۴و ۱۵ اسفند ماه ۱۳۹۲

.۲ ساختار مصالح FRP

مواد ۱FRP از دو جزء اساسی تشکیل می شوند: فیبر (الیاف) و رزین(ماده چسباننده)

۱,۲ فیبرها (الیاف)

فیبرها که اصولا الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می شوند بسته به نوع فیبر قطر آن در محدوده ۵ تا ۲۵ میکرون می باشد. این الیاف تا مرحله گسیختگی از خود رفتار کشسان خطی نشان می دهند. بسته به نوع فیبر مورد استفاده قرار گرفته، کامپوزیت های FRP به چهار دسته تقسیم می شوند:
الیاف شیشه ۲(GFRP) ، الیاف کربن ۳(CFRP) ، الیاف آرامید ۴(AFRP) و الیاف بازالت . ۵(BFRP )

۱,۱,۲ الیاف شیشه (GFRP)

به عنوان الیاف به کار گرفته شده برای مقاوم سازی خود به سه دسته الیاف شیشه نوع S ، الیاف شیشه نوع E و الیاف ضد قلیایی تقسم بندی می شوند. الیاف شیشه نوع S ، مقاومت و سختی بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع E دارند اما هیچکدام از این دو نوع الیاف در برابر مواد قلیایی مقاوم نیستند. الیاف شیشه، رایج ترین و پر مصرف ترین الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت است و یکی از ویژگی های مهم الیاف شیشه هزینه پایین آن (به خصوص در مقایسه با الیاف کربن) است.

۲,۱,۲ الیاف کربن (CFRP)

معمولا بر پایه قیر یا پان۶ به دست می آیند. الیاف قیر به کمک مواد پتروشیمی پالایش شده تولید می شوند و الیاف پان طی فرایندی از سوختن کربن ایجاد می شوند. الیاف کربنی بر پایه قیر خصوصیات معمولی تری از خود نشان می دهند ولی مدول کشسانی بالایی دارند. الیاف کربنی نوع پان نیز مصالحی با مقاومت بالا ارائه می دهند. استفاده از الیاف با کرنش زیاد در هنگام شکست بسیار مهم است که الیاف کربن فاقد این خاصیت می باشد. البته بهینه سازی فرایند تولید در طول دهه های گذشته منجر به بهبود فراوان در استحکام و کرنش شکست الیاف کربن شده است. این الیاف به دلیل قیمت بالای آن نسبت به سایر الیاف ها کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

۳,۱,۲ الیاف آرامید (AFRP)

اولین بار در سال ۱۹۷۱ تولید شد و امروزه توسط تولید کننده های متعددی با نام های متنوع تجاری عرضه می شوند. ساختار الیاف آرامید غیر ایزوتروپیک می باشد و مقاومت و مدول بالاتری را در جهت طول تارها از خود ارائه می دهد. رفتار این الیاف در کشش، الاستیک و در فشار، غیر الاستیک است. همچنین این الیاف از نظر مقاومت در برابر خستگی۷ و خزش۸، مشخصات خوبی دارد. الیاف آرامید به علت هزینه بالای تهیه و تولید، تاکنون به تولید تجاری در مقیاس الیاف شیشه و کربن نرسیده است.[۶]

۱ Fiber Reinforced Polymer 2 Glass Fiber Reinforced Polymer 3 Carbon Fiber Reinforced Polymer 4 Aramid Fiber Reinforced Polymer 5 Basalt Fiber Reinforced Polymer 6 PAN 7 Fatigue 8 Creep

اولین همایش بین المللی و چهارمین همایش ملی عمران شهری دانشکده فنی دانشگاه آزاد اسلامی واحد سنندج
۱۳، ۱۴و ۱۵ اسفند ماه ۱۳۹۲

۴,۱,۲ الیاف بازالت((BFRP

فنآوری موجود تولید الیاف پیوسته بازالت، بسیار شبیه فنآوری مورد استفاده در تولید الیاف شیشه E است. تفاوت اصلی در فنآوری در این است که شیشه E از مخلوط پیچیده ای از مواد ساخته میشود در حالی که الیاف بازالت از ذوب سنگ بازالت بدون هیچ افزودنی تولید میشود. مواد پایه بازالتی هیچ مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند و خطرناک نیستند. الیاف بازالت از نظر استحکام کششی، بین شیشه E و شیشه با استحکام بالا قرار دارد

æ از نظر مدول کششی تقریباً معادل شیشه با استحکام بالا و حتی کمی بهتر است. زیان نرساندن به محیط زیست و بازیافت پذیری بهتر آن نیز باید مورد توجه قرار گیرد.انواع گوناگون رووینگ، الیاف سوزنی و رشته های تابیده بازالت در دسترس هستند. قطر الیاف بازالت بیش از ۹-۱۰ میکرومتر است. قطر تک رشته های پشم شیشه و پشم سنگ که به طور گسترده در ساختمان سازی مورد استفاده قرار می گیرند کمتر از ۹ میکرومتر است. این محصول از خواص بالایی نظیر مقاومت در برابر اسیدها وبازها، استحکام مکانیکی بالا، مقاومت حرارتی بالا و جذب صدا برخوردار بوده و در ساخت و تقویت مواد کامپوزیتی کاربردهای موثری دارد. این الیاف به دلیل مشخصات فنی بالا جایگزین برتر و مناسب برای الیاف شیشه، کربنی و آرامید و دیگر الیاف کامپوزیتی می باشد.