مفتول کامپوزیتی و میلگرد GFRP چیست؟
مفتول کامپوزیتی که با نام‌های مفتول فایبرگلاس، میله فایبرگلاس، میلگرد کامپوزیتی و میلگرد GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) نیز شناخته می‌شود، یک مقطع توپر و گرد است که به روش پالتروژن از هزاران رشته موازی الیاف شیشه و رزین گرماسخت تولید می‌شود. در عرف بازار، قطرهای کوچک که به‌صورت رول (کلاف) عرضه می‌شوند را معمولاً «مفتول» و قطرهای بزرگ‌تر که به‌صورت شاخه عرضه می‌شوند را «میلگرد» می‌نامند؛ اما هر دو یک محصول با خواص ذاتی یکسان هستند.
مفتول های کامپوزیتی ناباک با رزین وینیل استر و درصد وزنی الیاف شیشه بیش از ۸۰ درصد تولید می‌شوند. این ترکیب، بالاترین سطح خواص مکانیکی را در میان محصولات پالتروژنی ایجاد می‌کند و مقاومت عالی در برابر خوردگی، رطوبت و محیط قلیایی فراهم می‌سازد. کاربردهای اصلی مفتول کامپوزیتی عبارت‌اند از: بخیه زدن سنگ، آرماتور بتن در محیط‌های خورنده، قیم درختان و تاکستان‌ها، دسته ابزار، آنتن و دکل‌های سبک، المان‌های عایق در صنعت برق و قطعات فنر مانند.
جدول خلاصه مشخصات فنی میلگرد کامپوزیتی ناباک
کارت‌های زیر مهم‌ترین اطلاعات فنی مفتول کامپوزیتی را خلاصه می‌کنند و در ادامه هر گروه از خواص در یک جدول جداگانه همراه با استاندارد تست آمده است:
خواص مکانیکی مفتول کامپوزیتی
جدول زیر نتایج تست مکانیکی مفتول کامپوزیتی را نشان می‌دهد:
| ویژگی | استاندارد آزمون | واحد | مقدار (در جهت طولی) |
|---|---|---|---|
| استحکام کششی در نقطه شکست | ASTM D3916 | MPa | حداقل ۱۲۰۰ |
| استحکام کششی در ازدیاد طول ۱٪ | ASTM D3916 | MPa | حداقل ۴۰۰ |
| ازدیاد طول در نقطه شکست | ASTM D3916 | % | حداقل ۲.۵ |
| مدول کششی | ASTM D3916 | GPa | حداقل ۵۰ |
| استحکام خمشی در نقطه شکست | ASTM D4476 | MPa | حداقل ۱۲۰۰ |
| مدول خمشی | ASTM D4476 | GPa | حداقل ۵۰ |
| حداقل قطر خم (بدون آسیب) | آزمون کارخانه | — | پیچیدن دور استوانه‌ای با قطر ۴۰ برابر قطر مفتول |
تفسیر مهندسی خواص مکانیکی
استحکام کششی ۱۲۰۰ مگاپاسکال یعنی مفتول کامپوزیتی در کشش، دو تا سه برابر میلگرد فولادی معمولی (تنش تسلیم حدود ۴۰۰ مگاپاسکال) مقاومت دارد. این عدد با پیش‌بینی قانون مخلوط ها برای کامپوزیتی با حدود ۶۵ تا ۷۰ درصد حجمی الیاف شیشه کاملاً هم‌خوانی دارد (مقاله پیش بینی خواص کامپوزیت های پلیمری را ببینید). استانداردهای ASTM D3916 و ASTM D4476 به‌طور خاص برای آزمون کشش و خمش میله‌های پالتروژنی تدوین شده‌اند و در آن‌ها انتهای نمونه با گیره‌های ویژه نگه داشته می‌شود تا میله در محل گیره له نشود.
مدول کششی ۵۰ گیگاپاسکال حدود یک‌چهارم فولاد (۲۰۰ گیگاپاسکال) است؛ بنابراین مفتول کامپوزیتی زیر بار یکسان، حدود چهار برابر بیشتر کشیده می‌شود. این ویژگی در کاربردهایی مانند بخیه سنگ و قیم گیاه که انعطاف‌پذیری مطلوب است مزیت محسوب می‌شود، اما در طراحی آرماتور بتن باید در کنترل عرض ترک و خیز لحاظ گردد.
خواص فیزیکی مفتول های کامپوزیتی
| ویژگی | استاندارد آزمون | واحد | مقدار |
|---|---|---|---|
| چگالی | ASTM D792 | g/cm³ | ۲.۱۵ |
| سختی | ASTM D2583 | بارکول | ۵۰ |
| جذب آب (۲۴ ساعت) | ASTM D570 | % | حداکثر ۰.۱۰ |
| درصد وزنی الیاف | ISO 1172 | % | حداقل ۸۰ |
| تلرانس بیضوی شکلی (Ovality) | — | mm | حداکثر ۰.۰۵ |
| تلرانس قطر | — | % | ±۵ |
| رنگ و ظاهر | — | — | سفید، بدون ترک و ناهمواری سطحی |
چگالی ۲.۱۵ یعنی مفتول کامپوزیتی حدود ۲۷ درصد وزن فولاد هم‌قطر را دارد. این عدد از چگالی پروفیل‌های پالتروژنی معمولی (حدود ۱.۸ تا ۱.۹) بالاتر است، زیرا درصد الیاف در مفتول بسیار بیشتر است. سختی بارکول ۵۰ نشان‌دهنده پخت کامل رزین است و سریع‌ترین آزمون کنترل کیفیت در خط تولید محسوب می‌شود. جذب آب بسیار کم به دلیل ماتریس متراکم وینیل استر، دوام مفتول را در محیط‌های مرطوب و غوطه‌ور تضمین می‌کند. تلرانس ابعادی دقیق قطر و بیضوی بودن نیز برای کاربردهایی مانند بخیه سنگ و اتصالات دقیق اهمیت دارد؛ جزئیات بیشتر در مقاله تلورانس ابعادی محصولات پالتروژن آمده است.
خواص الکتریکی مفتول کامپوزیتی
جدول خواص الکتریکی، اطلاعات فنی لازم برای استفاده از مفتول فایبرگلاس در صنعت برق را ارائه می‌دهد:
| ویژگی | استاندارد آزمون | واحد | مقدار میانگین |
|---|---|---|---|
| استحکام دی الکتریک | ASTM D149 | kV/mm | ۵ |
| ضریب دی الکتریک (۵۰ هرتز) | ASTM D150 | — | ۵ |
| ضریب تلفات (۵۰ هرتز) | ASTM D150 | — | ۰.۰۵ |
| مقاومت الکتریکی حجمی | ASTM D257 | Ω | ۱۰۱۳ |
| مقاومت الکتریکی سطحی | ASTM D257 | Ω | ۱۰۱۲ |
| مقاومت در برابر جرقه (قوس) | ASTM D495 | s | ۱۲۰ |
مقاومت الکتریکی در حد ۱۰۱۳ اهم، مفتول فایبرگلاس را در رده عایق‌های الکتریکی قرار می‌دهد؛ در حالی که فولاد رسانا است. همین ویژگی دلیل استفاده از میلگرد کامپوزیتی در فونداسیون پست‌های برق، کف اتاق‌های MRI، ریل‌های قطار شهری (برای جلوگیری از جریان‌های سرگردان) و المان‌های عایق تجهیزات برقی است. مقاومت ۱۲۰ ثانیه‌ای در برابر جرقه نشان می‌دهد سطح مفتول در برابر تشکیل مسیر کربنی رسانا زیر قوس الکتریکی پایداری مناسبی دارد. توجه کنید که خواص الکتریکی سطحی در اثر آلودگی و رطوبت سطح کاهش می‌یابد؛ بنابراین در کاربردهای ولتاژ بالا، تمیز نگه داشتن سطح و فاصله خزشی کافی ضروری است.
خواص حرارتی مفتول کامپوزیتی
| ویژگی | استاندارد آزمون | واحد | مقدار |
|---|---|---|---|
| ضریب انبساط حرارتی طولی | ASTM D696 | K⁻¹ | ۸ × ۱۰−۶ |
| تأثیر دما بر خواص مکانیکی | آزمون کارخانه | — | پس از ۱۲۰ ساعت در دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس، در حالی که نمونه دور قرقره‌ای با قطر ۱۰۰ برابر قطر مفتول پیچیده شده بود، نمونه‌ها سالم و بدون تخریب باقی ماندند |
ضریب انبساط حرارتی ۸ × ۱۰−۶ به بتن (حدود ۱۰ × ۱۰−۶) و بسیاری از سنگ‌های طبیعی نزدیک است. به همین دلیل مفتول کامپوزیتی در بتن و در بخیه پشت سنگ، تنش حرارتی قابل توجهی در فصل مشترک ایجاد نمی‌کند. آزمون پایداری حرارتی کارخانه نیز ترکیبی از دمای بالا و تنش خمشی دائمی است: مفتول در حالت خم‌شده به مدت ۱۲۰ ساعت در ۱۰۰ درجه سلسیوس نگه داشته شد بدون آنکه ترک یا جدایش الیاف رخ دهد؛ این آزمون مقاومت رزین وینیل استر در برابر خزش حرارتی را نشان می‌دهد.
دوام: مقاومت در برابر نور آفتاب و محیط خورنده
مقاومت در زیر نور آفتاب (پرتو فرابنفش)
در رزین مصرفی مفتول های کامپوزیتی ناباک از مواد محافظ در برابر پرتو فرابنفش (UV) استفاده شده است. با این حال، برای محافظت بیشتر در کاربردهای طولانی‌مدت در فضای باز و محیط‌های بدون سقف، امکان اسپری کردن سطح با پوشش پلیمری مخصوص مقاوم به UV وجود دارد. در مفتول‌هایی که درون بتن، پشت سنگ یا زیر خاک قرار می‌گیرند، نیازی به محافظت UV نیست.
مقاومت در محیط های خورنده
نمونه‌های مفتول کامپوزیتی پس از قرارگیری به مدت ۱۲۰ ساعت در آب ۸۰ درجه سلسیوس، در حالی که دور قرقره‌ای با قطر ۱۰۰ برابر قطر مفتول پیچیده شده بودند، سالم و بدون تخریب باقی ماندند. این آزمون تسریع‌شده، ترکیب سخت‌گیرانه رطوبت، دمای بالا و تنش را شبیه‌سازی می‌کند. رزین وینیل استر در برابر آب، محیط قلیایی بتن، آب دریا و بسیاری از اسیدهای رقیق مقاومت عالی دارد؛ برای محیط‌های شیمیایی خاص، جدول جداگانه مقاومت خوردگی بر اساس نوع ماده شیمیایی، غلظت و دما قابل ارائه است.
جدول وزن و ظرفیت کششی مفتول کامپوزیتی بر اساس قطر
با استفاده از خواص ذاتی بالا، مشخصات کاربردی هر قطر محاسبه می‌شود. وزن هر متر از رابطه W = ρ·π·d²/4 و ظرفیت کششی نهایی از F = σt·A با حداقل استحکام ۱۲۰۰ مگاپاسکال به‌دست آمده است:
| قطر (میلی‌متر) | سطح مقطع (میلی‌متر مربع) | وزن مفتول کامپوزیتی (گرم بر متر) | وزن فولاد هم‌قطر (گرم بر متر) | حداقل نیروی کششی نهایی (کیلونیوتن) | حداقل قطر خم (میلی‌متر) |
|---|---|---|---|---|---|
| ۳ | ۷.۱ | ۱۵ | ۵۵ | ۸.۵ | ۱۲۰ |
| ۴ | ۱۲.۶ | ۲۷ | ۹۹ | ۱۵.۱ | ۱۶۰ |
| ۵ | ۱۹.۶ | ۴۲ | ۱۵۴ | ۲۳.۶ | ۲۰۰ |
| ۶ | ۲۸.۳ | ۶۱ | ۲۲۲ | ۳۳.۹ | ۲۴۰ |
| ۸ | ۵۰.۳ | ۱۰۸ | ۳۹۵ | ۶۰.۳ | ۳۲۰ |
| ۱۰ | ۷۸.۵ | ۱۶۹ | ۶۱۷ | ۹۴.۲ | ۴۰۰ |
| ۱۲ | ۱۱۳.۱ | ۲۴۳ | ۸۸۸ | ۱۳۵.۷ | ۴۸۰ |
| ۱۶ | ۲۰۱.۱ | ۴۳۲ | ۱۵۷۸ | ۲۴۱.۳ | ۶۴۰ |
مقایسه میلگرد کامپوزیتی با میلگرد فولادی
| ویژگی | میلگرد کامپوزیتی GFRP (ناباک) | میلگرد فولادی معمولی |
|---|---|---|
| استحکام کششی | حداقل ۱۲۰۰ مگاپاسکال | تسلیم حدود ۴۰۰، نهایی حدود ۶۰۰ مگاپاسکال |
| مدول کششی | حداقل ۵۰ گیگاپاسکال | حدود ۲۰۰ گیگاپاسکال |
| چگالی | ۲.۱۵ | ۷.۸۵ |
| رفتار تا شکست | الاستیک خطی، بدون تسلیم | تسلیم و تغییر شکل پلاستیک |
| خوردگی و زنگ‌زدگی | ندارد | دارد؛ نیازمند پوشش بتن کافی یا گالوانیزه |
| هدایت الکتریکی و مغناطیسی | عایق و غیرمغناطیسی | رسانا و مغناطیسی |
| انبساط حرارتی طولی | ۸ × ۱۰−۶ | حدود ۱۲ × ۱۰−۶ |
| خم کردن در کارگاه | امکان‌پذیر نیست؛ خم‌ها در کارخانه ساخته می‌شوند | امکان‌پذیر |
حمل، انبارش و برش مفتول های کامپوزیتی
- رول‌ها با قطر داخلی بزرگ‌تر از حداقل قطر خم بسته‌بندی می‌شوند؛ هنگام باز کردن رول، انتهای آزاد مفتول را مهار کنید زیرا انرژی الاستیک ذخیره‌شده باعث جهش آن می‌شود.
- شاخه‌ها روی تکیه‌گاه‌های صاف و هم‌تراز و دور از تابش مستقیم و طولانی آفتاب انبار شوند.
- برای برش از صفحه الماسه، قیچی آهن‌بر یا کمان اره با تیغه ریزدندانه استفاده و ماسک و دستکش رعایت شود؛ جزئیات در مقاله برشکاری کامپوزیت.
- هنگام بارگیری، از تسمه پارچه‌ای (نه زنجیر) استفاده کنید تا سطح مفتول آسیب نبیند.
مفتول کامپوزیتی ناباک
ناباک کامپوزیت مفتول ها و میلگردهای کامپوزیتی را با الیاف شیشه پیوسته، رزین وینیل استر و کنترل کیفیت مستمر تولید می‌کند. هر بچ تولید از نظر قطر، بیضوی بودن، سختی بارکول و ظاهر کنترل می‌شود و در صورت درخواست، گزارش آزمون کشش، خمش و چگالی ارائه می‌گردد. برای استعلام قطرهای قابل تولید، نوع سطح (صاف یا آجدار) و قیمت، با کارشناسان ناباک تماس بگیرید.
پرسش‌های متداول درباره خواص مفتول های کامپوزیتی
استحکام کششی مفتول کامپوزیتی چقدر است؟
استحکام کششی مفتول کامپوزیتی پالتروژنی با الیاف شیشه و رزین وینیل استر در جهت طولی حداقل ۱۲۰۰ مگاپاسکال طبق ASTM D3916 است؛ حدود دو تا سه برابر استحکام تسلیم میلگرد فولادی معمولی.
وزن یک متر میلگرد کامپوزیتی چقدر است؟
با چگالی حدود ۲.۱۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب، وزن هر متر برابر ۲.۱۵ × π × d² / 4 گرم است؛ برای مثال مفتول ۴ میلی‌متری حدود ۲۷ گرم و میلگرد ۱۰ میلی‌متری حدود ۱۶۹ گرم در هر متر وزن دارد، یعنی حدود یک‌چهارم فولاد هم‌قطر.
آیا مفتول فایبرگلاس عایق برق است؟
بله؛ مقاومت الکتریکی حجمی مفتول کامپوزیتی حدود ۱۰ به توان ۱۳ اهم و مقاومت سطحی حدود ۱۰ به توان ۱۲ اهم است و استحکام دی الکتریک آن حدود ۵ کیلوولت بر میلی‌متر اندازه‌گیری شده است.
حداقل قطر خم کردن مفتول کامپوزیتی چقدر است؟
مفتول کامپوزیتی ناباک را می‌توان بدون آسیب دور استوانه‌ای با قطر ۴۰ برابر قطر مفتول پیچید؛ مثلاً مفتول ۴ میلی‌متری دور استوانه ۱۶۰ میلی‌متری. میلگرد کامپوزیتی پس از پخت در کارگاه قابل خم کردن دائمی نیست.
تفاوت مفتول کامپوزیتی و میلگرد کامپوزیتی چیست؟
هر دو یک محصول پالتروژنی از الیاف شیشه و رزین هستند؛ معمولاً به قطرهای کوچک که به‌صورت رول عرضه می‌شوند مفتول کامپوزیتی یا مفتول فایبرگلاس و به قطرهای بزرگ‌تر که شاخه‌ای عرضه می‌شوند میلگرد کامپوزیتی یا میلگرد GFRP گفته می‌شود.
جمع‌بندی
مشخصات فنی میلگرد کامپوزیتی GFRP ناباک، تصویر روشنی از یک ماده بسیار مستحکم، سبک، عایق و مقاوم در برابر خوردگی ارائه می‌دهد: استحکام کششی و خمشی حداقل ۱۲۰۰ مگاپاسکال، مدول حداقل ۵۰ گیگاپاسکال، چگالی ۲.۱۵، درصد الیاف بیش از ۸۰ درصد، مقاومت الکتریکی ۱۰۱۳ اهم و انبساط حرارتی نزدیک به بتن و سنگ. شناخت درست این خواص مفتول های کامپوزیتی، به‌ویژه رفتار الاستیک تا شکست، مدول کمتر از فولاد و حداقل قطر خم، کلید استفاده صحیح از آن‌ها در بخیه سنگ، بتن مسلح، صنعت برق و کشاورزی است. برای دریافت دیتاشیت رسمی، گزارش آزمون و مشاوره فنی، با کارشناسان ناباک کامپوزیت در ارتباط باشید.
این مقاله توسط تیم فنی ناباک کامپوزیت تهیه شده است؛ تولیدکننده مفتول کامپوزیتی و میلگرد GFRP به روش پالتروژن.
