استفاده از فیبر کربن در صنعت ساخت و ساز در اواخر قرن بیستم میلادی و به دنبال کاربرد آن در صنایع نظامی و هوافضا آغاز شد. در دهه 1990، کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر کربن مورد توجه واقع شدند و در تقویت پل‌ها، ساختمان‌ها و سازه‌های تاریخی و همچنین مقاوم‌سازی زیرساخت‌های موجود مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر کربن منجر به ایجاد روش‌های ساخت نوآورانه در صنعت ساختمان شده‌اند.
تعریف توری و مش
به طور کلی، مش به شبکه‌ای از عناصر به هم پیوسته اطلاق می‌شود که در یک الگوی منظم چیده شده‌اند و اغلب ساختاری توری مانند را تشکیل می‌دهند. مش‌ها معمولاً در صنایع مختلف از جمله هواپیماسازی، خودروسازی، صنعت ساخت و ساز و … استفاده می‌شوند.
در صنعت ساختمان از انواع توری‌ها به عنوان تقویت‌کننده در بتن و اندودهای سیمانی و گچی و تولید کامپوزیت‌های مستحکم و بادوام استفاده می‌شود. مش تقویت‌کننده به جلوگیری از ترک‌خوردگی، کنترل انقباض، افزایش دوام، افزایش ظرفیت باربری و مقاومت کلی عناصر ساختمانی کمک می‌کند. انواع مش‌های مورد استفاده در ساخت و ساز عبارتند از توری‌های فلزی، مش فایبرگلاس، مش کربن و غیره. مش کربن مخصوصاً برای کاربردهایی که استحکام بسیار بالا، وزن کم و مقاومت در برابر خوردگی ضروری است مناسب است.
در ساخت و ساز می‌توان از مش کربن برای تقویت سازه‌های بتنی، مقاوم سازی ساختمان‌ها، تقویت دیوارهای بنایی و سایر کاربردهایی که نیاز به خواص مکانیکی ویژه دارند استفاده کرد. بکارگیری انواع مش در صنعت ساختمان منجر به توسعه روش‌های ساخت نوین و ایجاد راه حل های خلاقانه با کارایی بالا شده است.
درباره مش کربن
مش کربن که به عنوان مش فیبر کربن یا توری کربن نیز شناخته می‌شود، شبکه‌ای سبک وزن و با استحکام بالا است که از الیاف کربن ساخته می‌شود. الیاف کربن یک ماده با کارایی بالا است که با استحکام استثنایی، وزن پایین و تطبیق‌پذیری آن شناخته شده است. این ماده از اتم‌های کربن با پیوندهایی محکم تشکیل شده است که در یک الگوی بسیار منظم (ساختار کریستالی) سازماندهی شده اند.
آرایش و جهت‌گیری دقیق اتم‌های کربن در الیاف کربن همراه با وجود لایه‌های گرافیتی و حلقه‌های آروماتیک (ساختار شش ضلعی)، به خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی استثنایی این ماده کمک می‌کند. ساختار و خواص الیاف کربن را می‌توان در طول فرایند تولید برای برآوردن نیازهای خاص تنظیم کرد. در نتیجه، الیاف کربن به طور گسترده در تولید مواد با کارایی بالا، از جمله پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) و کامپوزیت‌های سیمانی تقویت شده با الیاف (FRCM) استفاده که در صنعت ساختمان بسیار پرکاربردند.
کاربردهای مش کربن چیست؟
همانطور که ذکر شد، توری کربن معمولاً در کاربردهای هوافضا، خودروسازی، صنایع دریایی و مهندسی عمران به دلیل نسبت استثنایی استحکام به وزن و سایر خواص منحصر به فردش استفاده می‌شود. از جمله کاربردهای مش کربن در صنعت ساختمان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تقویت بتن: مش فیبر کربن برای تقویت سازه‌های بتنی مانند پل‌ها، ستون‌ها، تیرها و دال‌ها استفاده می‌شود. تقویت بتن با الیاف کربن می‌تواند به جلوگیری از ترک‌خوردگی و افزایش ظرفیت تحمل بار آن کمک کند
- تعمیر و تقویت سازه: مش فیبر کربن برای تعمیر و تقویت سازه های موجود که دچار تخریب یا آسیب شده اند استفاده می شود. می‌توان از آن برای تقویت و بازسازی ساختمان‌ها، پل‌ها و سایر اجزای زیرساختی که ظرفیت حمل بار خود را به دلیل عواملی مانند خوردگی، پیری یا نقص‌های طراحی از دست داده‌اند، استفاده کرد.
- تقویت دیوارهای مصالح بنایی: در دیوارهای ساخته شده با مصالح بنایی می‌توان از توری و مش کربن برای تسلیح و تثبیت دیوارها استفاده کرد. مش کربن به همراه یک پلاستر سیمانی یا پوششی از جنس رزین اپوکسی روی دیوار اجرا شده و به جلوگیری از ترک و بهبود یکپارچگی ساختاری دیوار کمک می‌کند.
- مقاوم سازی لرزه‌ای: مش الیاف کربن به عنوان یک ماده مهم در مقاوم سازی لرزه‌ای برای افزایش مقاومت ساختمان‌ها و زیرساخت‌ها در برابر زلزله استفاده می‌شود. با افزودن کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر کربن به نواحی بحرانی سازه، می‌توان توانایی آن‌ها برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی و محافظت در برابر آسیب‌های احتمالی در هنگام زلزله را افزایش داد.
- تونل‌ها و سازه‌های زیرزمینی: در ساخت و تعمیر تونل‌ها، می‌توان از مش فیبر کربن برای تقویت دیواره‌های تونل استفاده کرد. تونل‌ها و سازه‌های زیرزمینی اغلی در معرض رطوبت و سایر عوامل شیمیایی هستند. به دلیل مقاومت بالای الیاف کربن در برابر خوردگی، استفاده از آن پایداری و طول عمر سازه‌های زیرزمینی را تضمین می‌کند.
مزایا و معایب مش فیبر کربن
از جمله مهم‌ترین مزایای مش کربن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- نسبت بالای استحکام به وزن: توری الیاف کربن در حالی که به طور قابل توجهی سبک‌تر از مصالح سنتی مانند فولاد یا آلومینیوم است، فوق‌العاده قوی و مستحکم است. این نسبت استحکام به وزن بالا، وزن کلی سازه را بدون کاهش مقاومت کاهش می دهد.
- سختی و استحکام بالا: مش کربن دارای سختی و استحکام استثنایی است که پایداری ساختاری مناسبی را فراهم می‌کند و تغییر‌شکل کامپوزیت تحت بارهای شدید را به شدت کاهش می‌دهد.
- مقاومت در برابر خوردگی: الیاف کربن در برابر خوردگی شیمیایی بسیار مقاوم است و برای استفاده در محیط‌های تهاجمی که سایر مصالح سنتی ممکن است در طول زمان تخریب شوند، مناسب است.
- رسانایی الکتریکی: فیبر کربن رسانای الکتریکی است و استفاده از آن در کاربردهایی که نیاز به رسانایی دارند، ممکن است.
- انبساط حرارتی کم: فیبر کربن دارای انبساط حرارتی کم است و در طیف وسیعی از دماها پایداری ابعادی خود را حفظ می‌کند.
- انعطاف‌پذیری خواص: الیاف کربن را می‌توان در طول فرایند ساخت جهت دستیابی به خواص مکانیکی مختلفی جهت داده و ویژگی‌های آن را متناسب با کاربردهای متفاوت طراحی کرد.
در حالی که فیبر کربن مزایای متعددی را ارائه می‌دهد، محدودیت‌ها و معایب خاصی نیز دارد. برخی از معایب توری فیبر کربنی شامل موارد زیر هستند:
- قیمت بالا: شاید اصلی‌ترین اشکال مش کربن، هزینه تولید بالای آن در مقایسه با بسیاری از مصالح دیگر است. قیمت بالای مواد خام و فرایند پیچیده ساخت موجب قیمت بالای این محصول می‌شود.
- رفتار شکننده: مش فیبر کربن می‌تواند رفتار شکننده‌ای از خود نشان دهد، به این معنی که ممکن است به طور ناگهانی و بدون هشدار زیاد (بدون تغییر شکل هشداردهنده) وقتی تحت فشار بیش از حد قرار گیرد دچار شکست شود. این ویژگی می‌تواند پیش‌بینی وقوع شکست و نیاز به تعمیر و تقویت را دشوار کند.
- تخریب اشعه فرابنفش: کامپوزیت‌های فیبر کربن به قرار گرفتن طولانی مدت در معرض اشعه فرابنفش (UV) حساسند. این مسئله در طول زمان می‌تواند باعث کاهش عملکرد کامپوزیت‌هایی که در معرض نور خورشید هستند شود.
- بازیافت و دفع: بازیافت و دفع توری‌های فیبر کربنی به دلیل ترکیب پیچیده‌ای که دارند چالش برانگیز است و می‌تواند نگرانی‌های زیست محیطی به وجود آورد.
جایگزین مش کربن چیست؟
با توجه به قیمت بالای مش کربن، در پروژه‌هایی که نیازی به خواص مکانیکی بسیار بالای الیاف کربن نیست، می‌توان از مصالح جایگزین استفاده کرد. از جمله مصالح جایگزین برای مش کربن می‌توان به مش فایبرگلاس، توری آرامید (کولار)، مش بازالت، توری هیبریدی کربن-شیشه، مش پلیمری و توری‌های فلزی اشاره کرد. هر کدام از این مواد، خواص و مزایای منحصر به فرد خود را دارند و باید بر اساس نیازهای کاربرد مورد نظر انتخاب شوند.
از بهترین مواد جایگزین مش کربن به خصوص در صنعت ساختمان، توری فایبرگلاس است. یکی از مهم‌ترین مزایای مش فایبرگلاس قیمت کمتر آن در مقایسه با توری کربنی است. فرایند تولید فایبرگلاس پیچیدگی کمتری دارد و مواد اولیه مورد استفاده در ساخت آن عموماً مقرون به صرفه‌تر است. همچنین مش فایبرگلاس از استحکام بالایی برخوردار است.
با وجود این که استحکام این الیاف به اندازه الیاف کربن نیست اما میزان مقاومت آن در بسیاری از کاربردهای ساختمانی کفایت می‌کند. با این حال، با وجود مزایای مش شیشه، در صورتی که به استحکام فوق‌العاده بالا، پایداری ابعادی در دماهای متفاوت و رسانایی الکتریکی نیاز باشد و محدودیت چندانی برای هزینه‌های پروژه وجود نداشته باشد باید به سراغ الیاف کربن رفت. در نهایت، تصمیم بین فایبرگلاس و مش کربن به الزامات و اولویت‌های خاص پروژه بستگی دارد.
سخن پایانی
الیاف کربن امروزه یکی از مهم‌ترین مصالح ساختمانی به ویژه در زمینه مقاوم سازی سازه‌ها و مهار لرزه‌ای اعضای ساختمان است. مش کربن خصوصیات منحصر به فردی را ارائه می‌دهد که در برخی از کاربردها آن را به ماده‌ای غیرقابل جایگزین تبدیل نموده است. استحکام و مقاومت استثنایی، وزن بسیار پایین، دوام طولانی مدت، سازگاری با بسیاری از شرایط محیطی سخت و … از جمله این ویژگی‌ها هستند.
