استفاده از پلی یورتان در کامپوزیت پوشش بتن

استفاده از پلی یورتان در کامپوزیت های پوشش بتن

هدف از این مطالعه بررسی اثر پوشش های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) بر خواص مکانیکی سازه های بتنی، به ویژه آنهایی که در تولید قطب های توزیع برق استفاده می شوند، است. این پوشش ها از الیاف کربن، شیشه، هیبرید و آرامید در یک ماتریس پلی یورتان تشکیل شده اند. الیاف آرامید از لباس های دور ریخته شده بالستیک برای تولید FRP تهیه می شود. برای دستیابی به این هدف، تست های خمشی، ضربه شارپی و چسبندگی بر روی بتن مسلح FRP انجام شد. علاوه براین، تحلیل میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نیز بر روی نواحی شکست مواد آزمایش شده برای مقاومت ضربه ای انجام شده است. نتایج به دست آمده نشان داد که تمام پارچه های مورد استفاده در این مطالعه خواص مکانیکی نمونه های بتنی همچون استحکام خمشی و چقرمگی را افزایش دادند. تفاوت های مشاهده شده بین انواع الیاف را می توان به ساختارهای شیمیایی منحصر به فرد هر فیبر و برهمکنش های مربوط به آنها با ماتریس پلی یورتان در رابط نسبت داده شود. همچنین این یافته ها نشان می دهند که چنین پوشش هایی عملکرد مکانیکی سازه های بتنی را به طور قابل توجهی افزایش می دهند.

تیرهای بتنی نقش مهمی در خطوط انتقال هوایی داشته و مقرون به صرفه هستند. تیرهای بتنی همچنین به طور گسترده در شبکه‌های توزیع برق شهری و روستایی استفاده می‌شوند. با این حال، به دلیل استانداردهای ایمنی ضعیف در انتخاب قطب، نصب تیر، تصادفات اتومبیل و شرایط نامساعد جوی مکرر، تعداد قابل توجهی از ریزش تیرهای بتنی اخیرا در شبکه های توزیع رخ داده است. این یک چالش مهم برای پایداری سیستم قدرت محسوب می شود. بنابراین برای تجزیه و تحلیل عوامل منجر به فروپاشی قطب بتنی، ارزیابی ایمنی آنها، و اجرای اقدامات پیشگیرانه اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اعتماد شبکه های توزیع ضروری است. برهمین اساس، کاوش فناوری های طراحی شده برای تقویت بتن این قطب ها مناسب است و هدف آن افزایش مقاومت آنها در برابر ضربه های مکانیکی و جلوگیری از شکستگی است که می تواند منجر به فروپاشی کامل سازه شود. کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) به طور گسترده در ساخت سازه هایی مانند پایه های بتنی و ستون استفاده می شوند. کامپوزیت‌های FRP همچنین در بخش‌های مختلف ازجمله ساخت‌وساز عمرانی، هوافضا، دریایی، حمل‌ونقل و دیگر حوزه های مهندسی کاربرد دارند. از این کامپوزیت ها برای بهبود نواقص ساختاری استفاده می شود و به عنوان جایگزینی برای میله های فولادی معمولی یا رشته های پیش تنیدگی عمل می کنند. این رویکرد در افزایش استحکام و دوام موثر سازه های بتنی اثبات شده است. علاقه به کامپوزیت های FRP به ترکیب خواص فیبر نسبت داده می شود که شامل خواص مکانیکی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و چگالی کم مواد پلیمری معمولی می شود. ازمیان پلیمرهای موجود در بازار، پلی یورتان (PU) از خواص مکانیکی برتری نسبت به بسیاری دیگر از پلیمرها برخوردار است که انعطاف پذیری بالا، مقاومت در برابر محیط های تهاجمی و پایداری حرارتی را فراهم می کنند. ترکیب تقویت شده با فیبر که برای تقویت خارجی اجزاء استفاده می شود، مزایای مکانیکی و عملی سازه را تقویت می کند. این ترکیبات در زمینه های مختلف استفاده می شود و به دلیل کاهش عیوب چسبندگی و مقاومت خوب در برابر رطوبت قابل توجه هستند. پلی یورتان (PU) ازطریق پیوند یورتان (–NH–CO-O-) ناشی از واکنش چندافزودنی یک ایزوسیانات (دی یا چند عاملی) با یک پلیول تشکیل می شود و ممکن است شامل معرف های دیگری مانند عوامل پخت، اکستندرهای زنجیره ای، کاتالیزورها، عوامل دمنده، سورفکتانت ها، پرکننده ها وغیره باشد.

این پلیمر باتوجه به ساختار شیمیایی و عملکرد واکنش دهنده ها به صورت ترموپلاستیک، ترموست، الاستومر یا الیاف تولید می شود. کامپوزیت های FRP معمولا با رزین های ترموست تهیه می شوند. به علاوه، افزودن کربن و شیشه در این ساختارها به طور قابل توجهی استحکام خمشی را بهبود بخشیده است. چان و مکی مقاومت خمشی تیرهای بتن مسلح ساخته شده از کامپوزیت های فیبر کربن را با چسب های پلی یورتان (PU-CFRP) درمقایسه با کامپوزیت‌های دارای رزین اپوکسی مورد بررسی قرار دادند. نمونه ها با سه پرایمر پلی یورتان، یک پرایمر اپوکسی و دو فیبر کربن از قبل آغشته به پلی یورتان آماده شدند. نمونه های بتن مسلح بدون آرماتور نیز باهدف ارزیابی اثربخشی تقویت فیبر بررسی شدند. حالت شکست نیز برای هر نمونه بررسی شد.

طیف FTIR رزین، عامل پخت و نمونه های پلی یورتان در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 1:

ارتعاشات کششی گروه هیدروکسیل (-OH) همچنین می تواند در رزین و پلی یورتان 3600-3200 باشد. با این حال، کاهش قابل توجهی در شدت باند در طیف پلی یورتان مشاهده شد که نشان می‌دهد بیشتر گروه‌های هیدروکسیل در رزین با ایزوسیانات واکنش داده و پیوند یورتان را تشکیل می‌دهند. نوار مشاهده شده در این نقطه در ارتعاشات کششی –NH نقش دارد.

جمع بندی

در این مطالعه، پلی یورتان با استفاده از FTIR و TGA با موفقیت بررسی شد. پخت کامل پیوندهای متقابل، باتوجه به عدم وجود پیک جذب –NCO در طیف درمان شده پلی یورتان، مشاهده شد. پایداری حرارتی بالای پلی یورتان نیز احتمالا به دلیل بالا بودن تراکم پیوندهای عرضی مشاهده شد. تمام پارچه های الیافی ارزیابی شده به طور قابل توجهی مقاومت خمشی و چقرمگی کامپوزیت بتنی را افزایش دادند که امکان استفاده از پوشش‌های FRP برای بهبود عملکرد مکانیکی کامپوزیت ها را فراهم می‌کند. AF بهترین تاثیر استحکام؛ CF بالاترین استحکام خمشی؛ GF و HF مقادیر متوسط ​​را نشان دادند. ارزیابی چسبندگی فیبر در پلی یورتان نشان داد که CF بالاترین عملکرد را داشت درحالی که AF کمترین را داشت؛ این امر نشان‌دهنده برهمکنش بهتر ماتریس-فیبر بین CF و پلی یورتان است. تجزیه و تحلیل SEM برهمکنش رابط بین ماتریس پلی یورتان و الیاف، برهمکنش خوب CF، GF و HF با پلی یورتان را نشان داد درحالی که AF تعامل ضعیف تری با پلی یورتان داشت. این یافته ها نتایج حاصل از تست چسبندگی فیبر را تایید می کند و با آزمون خمشی مطابقت دارد که نشان دهنده رابطه مستقیم بین خواص مکانیکی و برهمکنش ماتریس-الیاف است. پارچه آرامید به دست آمده از البسه محافظ بالستیک دور ریخته شده در تقویت بتن کاربرد دارد؛ به ویژه زمانی که در معرض استرس ضربه ای قرار می گیرند. لازم به ذکر است، نتایج به دست آمده با یک لایه پارچه به دست آمدند. یافته های حاصل از این مطالعه یک جایگزین برای استفاده مجدد پارچه الیاف آرامید را نشان می دهد که همراه با بتن تقویت شده با FRP دور ریخته شده است. درصورت استفاده از این جایگزین بر روی تیرهای توزیع برق، با این نوع حفاظت، در برابر ضربه شدید خودرو مقاوم بوده و موجب کاهش مرگ و میر در تصادفاتی که منجر به سقوط خودروها می شوند یا کاهش زمان تعویض تیر پس از وقوع تصادفات می شود.