استفاده از کامپوزیت های پلیمری در صنعت ساختمان
صنعت ساختمان یکی از بزرگترین مصرف کنندگان کامپوزیت های پلیمری در جهان است. مواد کامپوزیت پلیمری تقویت نشده سالهاست که توسط صنایع ساخت و ساز در کاربردهای غیر باربر مانند تزئینات، ظروف آشپزخانه، روکش ها و دیوارپوش ها استفاده می شود. در دهه گذشته، تلاش های بسیاری برای انتقال کامپوزیت های پلیمری تقویت شده (RPC) به صنعت ساختمان برای استفاده در کاربردهای بابری اولیه صورت گرفته است. مزایای بالقوه ای که معمولآ برای RPC بیان می شود شامل استحکام بسیار بالا، سختی بسیار بالا، دوام مناسب، تحمل وزن خوب و هزینه تعمیرات کمتر است. در نتیجه، RPC در کاربردهایی مانند بازسازی و مقاوم سازی، تقویت جایگزین بتن و در موارد نادر برای ساختارهای کامپوزیت الیافی مورد بررسی قرار می گیرند. با این حال تا به امروز، تعداد کاربردهای ساختاری اولیه آنها در صنعت ساختمان نسبتآ کم است و به نظر می رسد مسائلی مانند هزینه، عدم وجود کدهای طراحی، عدم استاندارد سازی صنعت، درک ضعیف صنعت کامپوزیت از صنعت ساختمان، کمبود طراحان باتجربه در زمینه مواد کامپوزیت پلیمری و ساختمانی/ عمرانی معمولآ استفده از این مواد را در مضیقه قرار می دهند. با این حال، این مقاله پیشنهاد می کند که با توجه به اهمیت روزافزون پایداری در انتخاب مواد، برخی از مواد کامپوزیت الیافی می توانند نسبت به مصالح ساختمانی سنتی برتری داشته باشند.
مواد کامپوزیتی دو یا چند فاز را ترکیب کرده و حفظ می کنند تا ماده ای با خواص بسیار برتر از هر یک از مواد پایه تولید کنند. مواد کامپوزیت هزاران سال است که صنعت ساختمان استفاده می شود؛ بیش از 2000 سال است که از کاه برای تقویت آجر استفاده می شود و امروزه نیز این روش کاربرد دارد. همچنین، شواهدی از کاربرد فلز برای تقویت سطح کششی تیرهای بتنی در یونان در حدود 1000 سال پیش وجود دارد. کامپوزیت های پلیمری مواد چند فازی هستند که از ترکیب رزین های پلیمری مانند پلی استر، وینیل استر و اپوکسی با فیلرها و الیاف تقویت کننده برای تولید مواد حجیم با خواص بهتر از مواد پایه تولید می شوند. فیلرها اغلب برای تأمین حجم مواد، کاهش هزینه، کاهش چگالی ظاهری یا ایجاد خواص زیبایی شناختی استفاده می شوند. الیاف با مقاومت بالایِ شیشه، آرامید و کربن بعنوان ابزار اصلی حمل بار استفاده می شوند، در حالی که رزین پلیمری از الیاف محافظت کرده و آنها را به یک واحد ساختاری منسجم متصل می کند؛ این مواد معمولآ مواد کامپوزیت الیاف نامیده می شوند. کامپوزیت های پلیمری سالهاست که در کاربردهای غیر باربر در صنعت ساختمان مانند حمام ها، روکش ها، دیوارپوش ها و تزئینات استفاده می شوند. در سال 1999، این صنعت دومین مصرف کنندۀ بزرگ کامپوزیت های پلیمری در جهان بود که 35 درصد از بازار جهانی را به خود اختصاص داد. در سالهای اخیر، مواد کامپوزیتی الیافی بطور فزاینده ای برای کاربردهای باربر سازه ای در صنعت ساختمان مورد توجه قرار گرفته اند و خود را بعنوان یک جایگزین بادوام و رقابتی برای بازسازی و مقاوم سازی سازه های عمرانی موجود برای فولاد در بتن تقویت شده و همچنین گسترش ساختارهای شهری جدید معرفی کرده اند.
اگرچه تلاش های بسیاری برای انتقال مواد کامپوزیت الیافی به صنعت ساختمان در حال انجام است، اما به نظر می رسد برای رقابت با مصالح ساختمانی سنتی باید بیشتر تلاش کنند. با این حال، برخی از مواد کامپوزیتی الیافی ممکن است بر مصالح ساختمانی سنتی ترجیح داده شوند زیرا پایداری محیطی در درازمدت اهمیت بیشتری پیدا می کند؛ اگر فولاد و بتن تقویت شده نشانه ای از نگرش صنعت ساختمان نسبت به مصالح جدید باشد، "درازمدت" می تواند بیش از 50 سال باشد. این امر مدت زمان قابل توجهی را برای مسائل مربوط به پایداری زیست محیطی در صنعت ساختمان فراهم می کند و احتمالآ شاهد تغییر در معیارهایی برای ارزیابی جایگزین های مصالح ساختمانی خواهیم بود. این احتمال وجود دارد که انتخاب مواد بیشتر بر مسائل زیست محیطی مانند کاهش استفاده از منابع تجدید ناپذیر و انرژی کمتر متمرکز شود که این روند در حال حاضر، به سمت افزایش تعهدات زیست محیطی برای مواد در دیگر صنایع صورت می گیرد. برای مثال، صنعت خودرو اروپا در حال برداشتن گام هایی در جهت پذیرفتن فلسفۀ "گهواره تا گور" (یا "گهواره تا گهواره" در صورت بازیافت مواد) برای استفاده از مواد است؛ پس ارائه این پیشنهاد غیر منطقی نیست که یک مدل مشابه از این فلسفه را میتوان برای صنعت ساختمان توسعه داد. اگر چنین مدلی اتخاذ شود، بایستی بر استفاده از منابع طبیعی تجدید ناپذیر، قابل بازیافت و زیست تخریب پذیر بیشتر تأکید شود. از نظر انتخاب مصالح ساختمانی، مصالح "سبز" از خواص مواد پرکتیکال مانند سختی، استحکام، مقرون به صرفه بودن، دوام، تطبیق پذیری و استفاده آسان برخوردار است. سه نوع مصالح ساختمانی سنتی ما هر کدام دارای برخی از این خواص ها هستند اما هیچ کدام تمام خواص را ندارند. هدف نهایی توسعه موادی است که نه تنها از خواص اولیه مصالح ساختمانی برخوردار باشد، بلکه خواص یک مادۀ زیست سازگار را نیز دارا باشد. مواد کامپوزیتی ممکن است راه حلی برای این مسئله ارائه دهد. قابلیت خیاطی بی نظیر آنها تقریبآ هر ترکیبی از خواص را امکان پذیر می کند اما هزینه این تطبیق پذیری بالا است. با این حال، این نکته بیشتر نگران کننده است که علیرغم برخی ادعاهای صنعت کامپوزیت، نمی توان خواص زیست محیطی پایدار را برای طیف فعلی مواد در نظر گرفت. برای مثال، تولید الیاف تقویت کننده مانند شیشه، آرامید و کربن به انرژی بیشتری نیاز دارد و شیشه نیز از یک منبع تجدید ناپذیر مشتق می شود. گاهی اوقات ادعا می شود که رزین ها نسبت به موادی مانند فلز دوستدار محیط زیست هستند زیرا از محصولات جانبی صنعت نفت به دست می آیند. با این حال، خودِ صنعت نفت پایدار نیست. همچنین، برخی از فیلرها که برای تأمین حجم برخی از سیستم های رزین استفاده می شوند، از پسماندهای نیروگاه های زغال سنگ تولید شده اند که این صنعت ممکن است در درازمدت به دلیل آگاهی عمومی از آلاینده ها با وجود ذخایر عظیم زغال سنگ چندان پایدار نباشد.
یکی از خواص مواد کامپوزیتی، قابلیت آنها در ترکیب دو یا چند جزء اصلی برای تولید مادۀ حجیم با خواص بهبود یافته نسبت به مواد پایه است. این خواص ممکن است زمینه را برای تولید مصالح ساختمانی مناسب از مواد اولیۀ زیست پایدار فراهم کند. کامپوزیت های زیستی یا بیوالیاف مفهوم جدیدی نیست. الیاف طبیعی مانند کتان، پنبه، کنف و کاه سالها بعنوان مواد تقویت کننده در تولید مصالح ساختمانی استفاده شدند. از طرفی، مواد ماتریس طبیعی با خواص مناسب ممکن است چالش بیشتری ایجاد کنند. تعداد کمی از محصولات رزین طبیعی مانند لاستیک، رزین گیاهی و چسب های حیوانی در دسترس هستند. با این حال، این مواد بطور کلی فاقد خواص پردازش و عملکردی موجود در رزین ماتریس هستند. این به این معنا نیست که تلاش های صرف شده برای توسعۀ فناوری کامپوزیت الیاف فعلی بی نتیجه مانده است. برعکس، تسهیل فرایند انتقال فناوری به "بیوکامپوزیت" در آینده بسیار مهم خواهد بود. روشها، سیستم ها و استانداردهایی باید توسعه یابند که عمومآ برای مواد کامپوزیت الیافی در صنعت ساختمان قابل اجرا بوده و در دسترس باشند.
