Giới thiệu
Polyme được gia cố bằng sợi (FRP), cũng có nhựa gia cố bằng sợi, là một vật liệu tổng hợp được làm bằng ma trận polymer được gia cố bằng sợi. Các sợi thường là thủy tinh, carbon hoặc aramid, mặc dù các sợi khác như giấy hoặc gỗ hoặc amiăng đôi khi được sử dụng. Polymer thường là nhựa Epoxy, Vinylester hoặc Polyester, và nhựa Phenol Formaldehyd vẫn được sử dụng. FRPS thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô, biển và xây dựng.
Vật liệu composite được thiết kế hoặc các vật liệu xuất hiện tự nhiên được làm từ hai hoặc nhiều vật liệu cấu thành với các tính chất vật lý hoặc hóa học khác nhau đáng kể vẫn riêng biệt và khác biệt trong cấu trúc hoàn thành. Hầu hết các vật liệu tổng hợp có sợi mạnh, cứng trong một ma trận yếu hơn và ít cứng hơn. Mục tiêu thường là tạo ra một thành phần mạnh và cứng, thường có mật độ thấp. Vật liệu thương mại thường có sợi thủy tinh hoặc carbon trong ma trận dựa trên các polyme nhiệt, chẳng hạn như nhựa epoxy hoặc polyester. Đôi khi, các polyme nhựa nhiệt dẻo có thể được ưa thích, vì chúng có thể đúc được sau khi sản xuất ban đầu. Có nhiều loại hỗn hợp trong đó ma trận là kim loại hoặc gốm. Đối với hầu hết các phần, những điều này vẫn đang trong giai đoạn phát triển, với các vấn đề về chi phí sản xuất cao vẫn chưa được khắc phục. Hơn nữa, trong các vật liệu tổng hợp này, lý do để thêm các sợi (hoặc, trong một số trường hợp, các hạt) thường khá phức tạp; Ví dụ, những cải tiến có thể được tìm kiếm trong creep, mặc, độ bền gãy, ổn định nhiệt, vv.
Polymer gia cố sợi (FRP) là vật liệu tổng hợp được sử dụng trong hầu hết mọi loại cấu trúc kỹ thuật tiên tiến, với việc sử dụng từ máy bay, máy bay trực thăng và tàu vũ trụ thông qua thuyền, tàu và nền tảng ngoài khơi và cho đến ô tô, hàng thể thao, thiết bị chế biến hóa học và cơ sở hạ tầng dân dụng như vậy như cầu và các tòa nhà. Việc sử dụng vật liệu tổng hợp FRP tiếp tục phát triển với tốc độ ấn tượng vì các vật liệu này được sử dụng nhiều hơn ở các thị trường hiện tại của chúng và được thành lập ở các thị trường tương đối mới như thiết bị y sinh và cấu trúc dân sự. Một yếu tố chính thúc đẩy các ứng dụng tăng của vật liệu tổng hợp trong những năm gần đây là sự phát triển của các hình thức vật liệu FRP tiên tiến mới. Điều này bao gồm sự phát triển trong các hệ thống nhựa hiệu suất cao và các phong cách gia cố mới, chẳng hạn như ống nano carbon và hạt nano. Cuốn sách này cung cấp một tài khoản cập nhật về chế tạo, tính chất cơ học, kháng phân tách, dung sai tác động và ứng dụng của vật liệu tổng hợp 3D FRP.
Các vật liệu tổng hợp polymer gia cố (FRPS) ngày càng được coi là một sự tăng cường và/hoặc thay thế cho các thành phần hoặc hệ thống cơ sở hạ tầng được xây dựng từ các vật liệu kỹ thuật dân dụng truyền thống, cụ thể là bê tông và thép. Vật liệu tổng hợp FRP có trọng lượng nhẹ, không ăn mòn, thể hiện cường độ cụ thể cao và độ cứng cụ thể, dễ dàng được xây dựng và có thể được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất. Do các đặc điểm thuận lợi này, vật liệu tổng hợp FRP đã được đưa vào xây dựng và phục hồi các cấu trúc mới thông qua việc sử dụng nó làm cốt thép trong bê tông, sàn cầu, cấu trúc mô -đun, tấm ván khuôn và cốt thép bên ngoài để tăng cường và nâng cấp địa chấn.
Khả năng ứng dụng của cốt thép polymer gia cố sợi (FRP) đối với các cấu trúc bê tông thay thế cho các thanh thép hoặc gân dự ứng lực đã được nghiên cứu tích cực trong nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu và các tổ chức chuyên nghiệp trên thế giới. Gia cố FRP cung cấp một số lợi thế như khả năng chống ăn mòn, tính chất không từ tính, độ bền kéo cao, nhẹ và dễ xử lý. Tuy nhiên, chúng thường có phản ứng đàn hồi tuyến tính trong căng thẳng cho đến thất bại (được mô tả là thất bại giòn) và khả năng chống cắt ngang hoặc cắt tương đối kém. Họ cũng có sức đề kháng kém với lửa và khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Chúng mất đi sức mạnh đáng kể khi uốn cong, và chúng nhạy cảm với các hiệu ứng phá vỡ căng thẳng. Hơn nữa, chi phí của họ, cho dù được coi là trên một đơn vị trọng lượng hoặc trên cơ sở khả năng mang lực, cao so với các thanh cốt thép thông thường hoặc gân dự ứng lực. Từ quan điểm kỹ thuật kết cấu, các vấn đề nghiêm trọng nhất với quân tiếp viện FRP là thiếu hành vi nhựa và cường độ cắt rất thấp theo hướng ngang. Các đặc điểm như vậy có thể dẫn đến vỡ gân sớm, đặc biệt là khi có hiệu ứng kết hợp, chẳng hạn như tại các mặt phẳng cắt cắt trong các chùm bê tông cốt thép nơi hành động của chốt tồn tại. Hành động của chốt làm giảm sức kéo kéo dài và điện trở cắt trong gân. Các giải pháp và hạn chế sử dụng đã được cung cấp và các cải tiến liên tục được dự kiến trong tương lai. Chi phí đơn vị của quân tiếp viện FRP dự kiến sẽ giảm đáng kể với thị phần và nhu cầu tăng lên. Tuy nhiên, ngay cả ngày nay, có những ứng dụng mà quân tiếp viện FRP có hiệu quả về chi phí và chính đáng. Những trường hợp như vậy bao gồm việc sử dụng các tấm hoặc tấm FRP ngoại quan trong việc sửa chữa và tăng cường các cấu trúc bê tông, và việc sử dụng lưới FRP hoặc dệt may hoặc vải trong các sản phẩm xi măng mỏng. Chi phí sửa chữa và phục hồi của một cấu trúc luôn luôn, về mặt tương đối, cao hơn đáng kể so với chi phí của cấu trúc ban đầu. Sửa chữa thường đòi hỏi một khối lượng vật liệu sửa chữa tương đối nhỏ nhưng một cam kết tương đối cao về lao động. Hơn nữa, chi phí lao động ở các nước phát triển cao đến mức chi phí vật liệu trở thành thứ yếu. Do đó, hiệu suất và độ bền cao nhất của vật liệu sửa chữa là, hiệu quả chi phí là sửa chữa. Điều này ngụ ý rằng chi phí vật liệu không thực sự là một vấn đề trong sửa chữa và thực tế là các vật liệu sửa chữa FRP tốn kém không phải là một nhược điểm hạn chế.
Khi chỉ xem xét các tài nguyên năng lượng và vật chất, nó xuất hiện, trên bề mặt, đối số cho các vật liệu tổng hợp FRP trong môi trường xây dựng bền vững là đáng nghi ngờ. Tuy nhiên, một kết luận như vậy cần được đánh giá về các lợi thế tiềm năng có trong việc sử dụng các vật liệu tổng hợp FRP liên quan đến các cân nhắc như:
Sức mạnh cao hơn
Trọng lượng nhẹ hơn
Hiệu suất cao hơn
Kéo dài hơn
Phục hồi các cấu trúc hiện có và kéo dài cuộc sống của chúng
Nâng cấp địa chấn
Hệ thống phòng thủ
Hệ thống không gian
Môi trường đại dương
Trong trường hợp vật liệu tổng hợp FRP, các mối quan tâm về môi trường dường như là một rào cản đối với tính khả thi của nó như là một vật liệu bền vững, đặc biệt là khi xem xét sự suy giảm nhiên liệu hóa thạch, ô nhiễm không khí, khói bụi và axit hóa liên quan đến sản xuất của nó. Ngoài ra, khả năng tái chế vật liệu tổng hợp FRP bị hạn chế và không giống như thép và gỗ, các thành phần cấu trúc không thể được tái sử dụng để thực hiện một chức năng tương tự trong cấu trúc khác. Tuy nhiên, đánh giá tác động môi trường của vật liệu tổng hợp FRP trong các ứng dụng cơ sở hạ tầng, cụ thể là thông qua phân tích vòng đời, có thể tiết lộ lợi ích trực tiếp và gián tiếp cạnh tranh hơn so với các vật liệu thông thường.
Vật liệu composite đã phát triển rất nhiều kể từ khi chúng được giới thiệu lần đầu tiên. Tuy nhiên, trước khi các vật liệu composite có thể được sử dụng thay thế cho các vật liệu thông thường như là một phần của môi trường bền vững, một số nhu cầu vẫn còn.
Tính khả dụng của dữ liệu đặc tính độ bền được tiêu chuẩn hóa cho vật liệu composite FRP.
Tích hợp dữ liệu độ bền và phương pháp để dự đoán cuộc sống dịch vụ của các thành viên cấu trúc sử dụng vật liệu tổng hợp FRP.
Phát triển các phương pháp và kỹ thuật để lựa chọn vật liệu dựa trên đánh giá vòng đời của các thành phần và hệ thống cấu trúc.
Cuối cùng, để các vật liệu tổng hợp thực sự được coi là một sự thay thế khả thi, chúng phải có cấu trúc và kinh tế. Nhiều nghiên cứu liên quan đến tính khả thi về cấu trúc của vật liệu composite có sẵn rộng rãi trong văn học. Tuy nhiên, các nghiên cứu hạn chế có sẵn về tính khả thi về kinh tế và môi trường của các tài liệu này từ góc độ của phương pháp tiếp cận vòng đời, vì dữ liệu ngắn hạn có sẵn hoặc chỉ có chi phí kinh tế được xem xét trong so sánh. Ngoài ra, ảnh hưởng lâu dài của việc sử dụng vật liệu composite cần được xác định. Các sản phẩm phụ của sản xuất, tính bền vững của các vật liệu cấu thành và khả năng tái chế vật liệu composite cần được đánh giá để xác định vật liệu composite có thể là một phần của môi trường bền vững. Do đó, trong chương này mô tả các tính chất hóa lý của polyme và vật liệu tổng hợp được sử dụng nhiều hơn trong kỹ thuật dân dụng. Chủ đề sẽ được giải quyết một cách đơn giản và cơ bản để hiểu rõ hơn.
