FRP Malzeme-Lif Takviyeli Polimer Kompozit Malzeme

FRP Kompozit Malzeme Nedir? Lif  Takviyeli Polimer Kompozit Malzeme Nedir? (Fibre Reinforced Polymer)

Lif takviyeli polimer (FRP) kompozitler bir polimer bileşen olan matrisinin içine gömülmüş liflerden oluşmaktadır. Lif ve bu polimer bileşen matrisin birleşiminden oluşan kompozit malzeme orijinal bileşenlerinden daha üstün özelliklere sahiptir. Malzemeyi oluşturan bileşenlerin her biri bu yeni kompozit malzemede kendi karakteristik yapısı ve özelliklerini korur. FRP kompozitler çelik veya alüminyum gibi geleneksel yapı malzemelerinden farklı özellik gösterirler. FRP kompozitler anizotropik yani uygulanan yük yönünde farklı özellik ve davranış gösterirler.

FRP-Lif Takviyeli Polimer Kompozit Malzemenin Bileşenleri

Lifler

Lif takviyeli polimer (FRP) kompozitler bünyesinde liflerin ana görevleri, yükü taşımak ve FRP’de rijitlik, mukavemet, termal kararlılık ve diğer yapısal özellikleri sağlamaktır. FRP kompozitinin performansı, liflerin tipi, hacim oranı, yönü ve matrisin mekanik özellikleri ile değerlendirilebilir. Liflerin yönü, yapısal elemanın yükleme yönü ile aynı yönde olursa liflerin yüksek mukavemet ve rijitlik özelliklerinden yararlanılabilir. Kompozit malzemede, lifler genellikle matris hacminin %30 – %70’ini oluşturur. Yapısal uygulamalar için kullanılan kompozitlerdeki en yaygın lif türleri “cam, aramid ve karbondur”.

Karbon Lif

Yapısal mühendislik uygulamalarında dayanımları nedeniyle karbon lifler güçlendirme için yaygın olarak kullanılmaktadır. Karbon lifler çok dayanıklıdır ve sıcak ve nemli ortamlarda ve yorulma yüklerine maruz kaldıklarında çok iyi performans gösterirler. Nemi emmezler. Uzunlamasına yönlerinde negatif veya çok düşük ısıl genleşme katsayısına sahiptirler, bu da onlara mükemmel boyutsal kararlılık kazandırmaktadır. Bununla birlikte, bu lifler termal ve elektriksel olarak iletkenlerdir. Karbon lifler çok yüksek yorulma ve sünme direncine sahiptir. Bu liflerin darbe dayanıklılığı, aramid ve cam liflerden daha azdır. İlk çıktığında karbon lifler maliyet bakımından pahalı olmasına rağmen, bu malzemenin tüketimi büyük ölçüde arttıkça ve kalite iyileştikçe, maliyet önemli ölçüde azalmıştır. Genel bir kural olarak, lifin çapı ne kadar küçük olursa, mukavemeti o kadar yüksek olmaktadır, ancak çoğu zaman çap küçüldükçe maliyet artmaktadır

Cam Lif

Cam liflerin karakteristik özellikleri, yüksek mukavemet, kimyasallara karşı yüksek dirençli olması ve düşük maliyetli olmasıdır. Cam liflerin dezavantajları düşük çekme modülü, taşınırken aşınmaya karşı direncinin düşük olması, nispeten düşük yorulma direncine sahip olmaları ve kırılgan olmalarıdır.

Cam lifler ayrıca sünme kopmasına karşı hassastır ve uzun süreli gerilmeler altında mukavemet kaybederler. Cam liflerin yüke dayanma sınırı genellikle en yüksek mukavemetin % 60’ından daha azdır.

Aramid Lif

Bu lifler bugün kullanılan takviye lifleri arasında en düşük özgül ağırlığa ve en yüksek çekme-mukavemet-ağırlık oranına sahiptir. Cam liften % 43 daha hafif ve çoğu karbon lifden yaklaşık % 20 daha hafiftirler. Yüksek mukavemete ek olarak, lifler ayrıca kimyasal ve termal bozulmanın yanında aşınma ve darbeye karşı da iyi bir direnç gösterirler. Karbon lifleri gibi, lif uzunlamasına yönünde negatif genleşme katsayısına sahiptirler. Nispeten yüksek fiyatlı olması, kesme ve işlenmedeki zorlukları, yüksek nem emme, düşük erime sıcaklıkları ve nispeten zayıf basınç özellikleri onları yapısal mühendislik uygulamalarında FRP kompozit için daha az kullanılır hale getirmiştir.

Matris

Matris, lifleri birbirine bağlayan FRP kompozitinin polimer bileşenini ifade eder. Yapısal kompozit malzemeler için matris, en yaygın olanı termoset tipi veya termoplastik tipte olabilir. Polyester, vinylester ve epoksi, yüksek performanslı takviye lifleri ile kullanılan en yaygın kullanılan polimerik matris malzemeleridir. Epoksiler polyester ve vinil esterlerden daha pahalıdır, ancak genel olarak daha iyi mekanik özelliklere ve olağanüstü dayanıklılığa sahiptirler.
Yüklerin çoğu, lifler tarafından paylaşıldığı için matrisler FRP kompozitin dayanımına önemli bir katkıda bulunmazlar. Matris reçinesinin ana fonksiyonları, takviye lifleri arasındaki gerilmeyi transfer etmek, lifleri bir arada tutmak için bir tutkal görevi görmek ve lifleri mekanik ve çevresel hasara karşı korumaktır. Matrisler düşük büzülme ve termal genleşme katsayısı, yükü liflere transfer etmek için elastikiyet, yüksek sıcaklıkta dayanım, mükemmel kimyasal direnç ve boyutsal stabilite gibi özelliklere sahiptir. . Kompozitlerin başarılı bir şekilde güçlendirme uygulamalarında kulanılması, matris ve takviye lifleri arasında güçlü bir yapışma ve arayüzey kuvvetleri gerektirir, ayrıca bu güçlü etkileşimin her türlü yükleme sırasında korunması gerekmektedir. Lifler arasında oluşturulan kesme kuvvetleri matrisin özellikleriyle sınırlıdır. Matrisin liflerden daha yüksek bir birim şekil değiştirme kabiliyetine sahip olması önemlidir. Eğer değilse, lifler gücünü kaybetmeden önce matriste çatlaklar olacaktır ve lifler korunmayacaktır.

FRP Kompozit Malzemelerin İnşaat Uygulamalarında Kullanımı

Dünyanın her yerinde betonarme ve yığma yapılar inşa edilmektedir. Bununla birlikte, bu yapıların kullanımdaki değişiklikler, yük değişimleri, tasarımındaki değişiklikler, kullanılan yapı malzemesi veya doğal felaketler nedeniyle zarar gören veya güvensiz yapıların güvenli bir şekilde kullanılması için bu yapıların onarılması ve güçlendirilmesi büyük bir sektördür. Bir yapının dayanım, rijitlik, süneklik ve dayanıklılık eksikliği nedeniyle güçlendirme veya iyileştirme gerektireceği birçok durum vardır.

FRP malzemesi, son yıllarda inşaat sektöründe yapıların iyileştirilmesi ve güçlendirilmesi için giderek artan bir şekilde kullanılan bir kompozit malzeme türüdür. Bunun nedeni, FRP kompozitlerin güçlü, dayanıklı, hafif, yüksek korozyon direncinin ve uygulama özelliklerinin kolay olmasıdır. FRP’ler çelik levhalar gibi korozyondan etkilenmezler, bu da uzun servis ömrüne olanak tanır veya malzeme bakımı gerekliliğini sınırlandırır. Yüksek mukavemet ve rijitlik oranlarına sahip olmaları, FRP uygulaması, çelik levha yapıştırma ile karşılaştırıldığında FRP ağırlığının daha düşük olduğu anlamına gelir. Bu düşük ağırlık taşıma maliyetlerini
azaltır, dar alanlarda bile kurulumu önemli ölçüde kolaylaştırır ve iskele ihtiyacını ortadan kaldırır. Düşük ağırlık aynı zamanda FRP’lerin yapılardaki ölü yüke sadece küçük bir miktar arttırdığı anlamına gelir. Bu, güçlendirmenin yapıya daha fazla yararlı olmasını sağlar ve ayrıca FRP’lere, önemli ek ağırlıkların göçmeye neden olabileceği durumlarda bir onarım seçeneği sağlar. Güçlendirme için kullanılan kompozit malzemelerin kullanımı kolaydır. Çelik levha yapıştırma uygulamasında 2 – 3 metreden daha uzun olmayan levhalar pratik olarak işlenebileceği için, bu teknik ile karşılaştırıldığında FRP uygulamalarında neredeyse sonsuz uzun plakalar veya tabakalar işlenebilir. İnce güçlendirici tabakalar birçok durumda avantajlı olabilir. İnce tabakalar, mevcut yapının boyutunu değiştirmez ve ince beton kaplamalar veya yüzey koruyucu malzemeler ile birleştirilebilmektedir.

FRP malzemelerini en çok ihtiyaç duyulan yönde optimize etme olanağı tasarım için bir avantajdır. Takviye liflerinin yerleştirilmesi tasarlanarak, mukavemet gibi özellikler farklı yönlerde kontrol edilebilir. Böylece, güçlendirmenin sadece gerekli yönde hareket etmesine izin verilir ve yapısal davranışların istenmeyen şekillerde değiştirilmesi engellenir. Uzun ince liflerden yapıldığından, FRP’lerin kullanımı çok kolaydır. Eğrilerin etrafına sarmak ve beton yüzeylerde mevcut düzensizlikleri kabul etmek için yapılabilir. Ayrıca, uzunlamasına üretilebilmekte, ek yer ihtiyacı ortadan kaldırılmakta ve üretim aşamasında boyutlandırma hataları ortadan kaldırılarak yerinde kesilebilmektedir. FRP kompozitlerin diğer avantajları, yüksek elastisite modülüne ve yüksek yorulma direncine sahip olmalarıdır. FRP’lerin çeşitli avantajlarına rağmen dezavantajlarıda yok değildir. Bu malzemeler, yangın veya çarpmadan zarar görmeye çok duyarlıdır ve korunmaları gerekmektedir. FRP’ler çevresel etkilerden etkilenirler ve nem, sıcaklık ve UV ışınlarından dolayı bozulmaya uğrarlar.

FRP’lerin, başlangıçtaki yüksek malzeme maliyeti bir dezavantajdır; ancak, kompozitlerin sunduğu nakliye ve kurulum maliyet avantajları nedeniyle, bütün bir güçlendirme projesinin maliyeti düşünüldüğünde çelik levhalarla güçlendirilmiş aynı projenin maliyetine benzer veya daha az olabilir. Malzemenin diğer dezavantajları ise, süneklik değerinin düşük olması, değişken plastik davranış, bölgesel eğriliğe elverişli olması ve kesme dayanımının az olmasıdır. Gevrek olarak göçmeleri de malzemenin olumsuz yanlarındandır. FRP‘ler yüksek sıcaklıklarda kullanım için uygun değildir. Bunun nedeni mekanik özellikleri etkileyen reçine malzemesinin bozulmasıdır. FRP malzemeler, özellikle çekme ve yorulma mukavemeti açısından, çelikten üstün mekanik ve fiziksel özelliklere sahiptir ve bu kaliteler çok çeşitli sıcaklıklar altında da devam etmektedir. FRP’nin elastisite modülünün çelikten daha düşük olması, büyük yer değiştirme ve daha büyük çatlak genişliğine neden olabilir. Betonarme yapılar için çok çeşitli FRP kompozit mevcuttur..

CFRP-(Karbon Lif Takviyeli Polimer) ve GFRP-(Cam Lif Takviyeli Polimer) inşaat mühendisliği uygulamalarında en çok kullanılan kompozitlerdir. AFRP-(Aramid Lif Takviyeli Polimer) kullanımı nispeten yüksek maliyet, sünmeye karşı duyarlılık, dayanıklılık kaygıları (nem emme) ve yüksek sıcaklıklarda performans zayıflığından dolayı daha nadirdir.

FRP malzeme seçimiyle ilgili olarak, diğer kompozitlere göre üstün özellikleri göz önüne alındığında, karbon lif takviyeli polimerlerin beton yapıların güçlendirilmesi için en yüksek potansiyeli sunduğuna inanılmaktadır. CFRP-(Karbon Lif Takviyeli Polimer) kompozitleri GFRP-(Cam Lif Takviyeli Polimer) kompozitlere üstün özelliklere sahiptir, ancak GFRP daha ucuzdur.

Servis ömrü göz önüne alındığında, çalışmalar karbon lif takviyeli polimerlerin aramid ve cam liften daha fazla potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Onların dezavantajları maliyetlerinin yüksek olmasının yanı sıra, malzemenin kendisinde var olan anizotropi (azaltılmış radyal güç) ve üretimlerinde daha yüksek enerjiye ihtiyaç duyulmasıdı.

Kaynak: Dr.İnş.Müh. İLKNUR DALYAN-LİFLİ POLİMERLE FARKLI BİÇİMLERDE GÜÇLENDİRİLMİŞ BETONARME KİRİŞLERİN EĞİLME PERFORMANSLARININ BELİRLENMESİ,