چسبهای فیبر کربنی: تقویت حداقلی ترکها در پلها و ساختمانها

در زندگی روزمره، از پلاسترها برای درمان برش‌ها و خراش‌های کوچک استفاده می‌کنیم — ساده و مناسب. اما اکنون، هنگامی که ترک‌های ریزی در تیرهای پل‌ها ایجاد می‌شود و دیوارهای ساختمان‌های قدیمی به تدریج با گذشت زمان شل می‌شوند، ماده‌ای به ظاهر سبک به عنوان «نیروی اصلی» در تقویت سازه‌ها ظهور کرده است. فناوری مهندسی نیز راه‌حل مشابهی شبیه به 'چسب زخم' را پذیرفته است — پارچه الیاف کربنی — که به روش‌های کم‌تهاجمی در حال تقویت پل‌ها و ساختمان‌های اطراف ما است.
فرآیند تولید پارچه یک‌جهته

پارچه یک‌جهته الیاف کربنی ماده‌ای رایج در پروژه‌های تقویت با الیاف کربنی است. فرآیند تولید آن عمدتاً شامل چیدمان، تثبیت و قالب‌گیری رشته‌های الیاف کربنی است و هدف اصلی، اطمینان از قرارگیری منظم رشته‌ها در یک جهت واحد (معمولاً طولی) در کنار حفظ خواص مقاومت بالا است. مراحل خاص آن به طور کلی به شرح زیر است:

مرحله اول: آماده‌سازی رشته الیاف کربنی
رشته‌های پیش‌ساز الیاف کربن مبتنی بر PAN (رایج‌ترین نوع در بازار) از الیاف پلی‌آکریلونیتریل از طریق فرآیندهای پیش‌اکسیداسیون و کربونیزاسیون تولید می‌شوند. این رشته‌ها دارای قطر ۵ تا ۷ میکرومتر بوده و استحکام کششی بسیار بالایی دارند.
مرحله دوم: فرآیند پیچش طولی (وارپینگ)
با استفاده از دستگاه پیچش طولی، هزاران تا ده‌ها هزار رشته الیاف کربن به صورت موازی و یکنواخت در لایه‌های طولی (وارپ) قرار می‌گیرند. کشش و دقت ترازبندی به شدت کنترل می‌شود تا خواص یک‌جهته حفظ شود و از انحراف عرضی جلوگیری شود.
مرحله سوم: فرآیند بافت یا تثبیت
با استفاده از الیاف عرضی بسیار نازک (مانند الیاف شیشه یا نایلون)، نخ‌های طولی با بافت یا چسباندن ثابت می‌شوند. در حین بافندگی، نخ‌های پود با نخ‌های تار با چگالی پایین (چند نخ در سانتیمتر) به صورت متقاطع قرار می‌گیرند و ساختاری از نوع «تار فشرده، پود شل» ایجاد می‌کنند که تقویت‌کننده است بدون اینکه استحکام را کاهش دهد. همچنین می‌توان از امولسیون رزین اپوکسی برای چسباندن مواد در یک بافت بدون پود استفاده کرد، هرچند بافندگی روش متداول‌تری است.
مرحله چهارم: پرداخت سطح
تمیز کردن ناخالصی‌ها، افزایش زبری سطح یا اعمال عامل جفت‌سازی به منظور بهبود چسبندگی به چسب و سازگاری بهتر با رزین.
مرحله پنجم: تنظیم و پیچش
پس از خشک‌کردن و تنظیم، محصول تحت بازرسی کیفیت قرار گرفته و بسته‌بندی می‌شود تا به کالای نهایی تبدیل شود. در سراسر این فرآیند، تمرکز اصلی بر حداکثر کردن استحکام بالای نخ‌های کربنی طولی است، در حالی که نخ‌های عرضی تنها عملکرد تثبیت کمکی دارند.

هستهٔ کلیه فرآیند، تضمین همترازی موازی و استحکام کششی بالا در رشته‌های طولی الیاف کربن است، در حالی که الیاف عرضی تنها نقشی کمکی در تثبیت دارند. در نتیجه، پارچه الیاف کربن یک‌جهته به‌طور کامل از خواص کششی الیاف کربن در راستای طولی آن بهره می‌برد و بنابراین برای کاربردهای تقویت سازه‌ای که تحت تنش‌های کششی قرار دارند، بسیار مناسب است.

اصول تقویت
پارچه فیبر کربن با استفاده از چسب رزین سازگار به سطح سازه متصل می‌شود و ماده مرکب (CFRP) را تشکیل می‌دهد که به‌صورت هماهنگ با ساختار اصلی عمل می‌کند. این پارچه فیبر کربن دارای استحکام کششی بسیار بالایی (حدود ده برابر فولاد) است و از طریق چسب رزین به‌طور محکم به بتن متصل می‌شود. این اتصال بارهای خارجی را به پارچه فیبر کربن منتقل می‌کند و از خواص مقاومت بالای آن برای افزایش مقاومت سازه در برابر خمش، نیروهای برشی و زلزله استفاده می‌کند و همزمان از گسترش ترک‌ها جلوگیری می‌کند.

روش‌های اجرایی

مرحله اول: آماده‌سازی سطح
سطح بتن را تمیز کنید، لایه‌های شل و لایه‌های دارای لکه روغن را با سنگ زدن بردارید تا سطحی صاف و مناسب ایجاد شود.
مرحله دوم: اعمال پرایمر اپوکسی
یک لایه پرایمر روی بتن اعمال کنید تا اطمینان حاصل شود که پارچه به‌درستی چسبیده می‌شود.
مرحله سوم: اعمال پارچه فیبر کربن
پارچه الیاف کربن برش‌خورده را در رزین اپوکسی غوطه‌ور کرده و به مناطق سازه‌ای که نیاز به تقویت دارند (مانند زیر تیرها، ستون‌ها، دال‌های کف و دیوارهای پل) اعمال کنید.
مرحله چهارم: فشردن با غلتک و حذف هوا
به طور مکرر با یک غلتک فشار دهید تا اطمینان حاصل شود که چسب به طور یکنواخت در الیاف نفوذ کرده و تمام حباب‌های هوا خارج شده است؛ دقیقاً مانند فشار دادن محکم یک باند روی زخم.
مرحله پنجم: عمل‌آوری و نگهداری
پس از اینکه چسب سفت شد، پارچه الیاف کربن و بتن به یکدیگر متصل می‌شوند و لایه‌ای بسیار محکم در سطح خارجی ایجاد می‌کنند.

ویژگی‌های تقویت

افزایش ظرفیت باربری: در زیر تیرها اعمال شود → مقاومت در برابر خمش بهبود می‌یابد؛ روی ستون‌ها اعمال شود → استحکام فشاری و عملکرد لرزه‌ای افزایش می‌یابد.

کنترل ترک‌ها: پارچه الیاف کربن از ادامه ترک‌خوردگی در بتن جلوگیری می‌کند، دقیقاً مانند اینکه یک باند از بدتر شدن زخم پوستی جلوگیری می‌کند.

عمر خدماتی طولانی‌تر: مقاوم در برابر خوردگی، برخلاف فولاد که زنگ می‌زند و بنابراین به‌ویژه برای محیط‌هایی مانند پل‌ها که در معرض قرار گرفتن بلندمدت هستند مناسب است.

سبک‌وزن و کارآمد: سرعت ساخت و ساز سریع، نیازی به ماشین‌آلات سنگین ندارد و وزن ساختاری اضافی قابل توجهی ایجاد نمی‌کند.

چرا پارچه کربن فایبر به انتخاب جدید برای تقویت تبدیل شده است؟

در مقایسه با روش‌های سنتی تقویت مانند تقویت با ورق فولادی یا افزایش مقطع، پارچه کربن فایبر مزایای مشخصی دارد:

طبیعت سبک آن تقریباً هیچ بار اضافی بر سازه اصلی وارد نمی‌کند. با وزنی کمتر از ۳۰۰ گرم در متر مربع، پس از کاربرد توزیع بار ساختمان را به‌حداقل میزان تغییر می‌دهد و بنابراین به‌ویژه برای تقویت سازه‌های حساس به وزن خودی مانند ساختمان‌های تاریخی و پل‌ها مناسب است.

مقاومت در برابر خوردگی آن عملکرد پایداری را در محیط‌های سخت تضمین می‌کند. صرف‌نظر از مواجهه با خوردگی ناشی از اسپری نمک در پل‌های ساحلی یا شرایط مرطوب در تیرها و ستون‌های زیرزمین، بافت فیبر کربن عملکردی یکنواخت حفظ می‌کند و عمر مفیدی بیش از ۵۰ سال دارد.

نصب کارآمد به‌طور قابل‌توجهی زمان‌بندی پروژه را کاهش می‌دهد. این روش نیازی به ماشین‌آلات سنگین نداشته و تنها به کاربرد دستی نیاز دارد؛ بنابراین تقویت یک ساختمان هزار متر مربعی معمولاً تنها به ۱ تا ۲ هفته زمان نیاز دارد که به‌مراتب کوتاه‌تر از روش‌های متداول است.