סוגי חומר גלם של סיבי פחמן ודרגות חוזק

סיב פחמן לחיזוק מבני מדורג לפי ביצועים מכניים נמדדים — חוזק, מודול ומתיחה — לא לפי תווית חומר גלם של אגד-סיבים, והמספר שקובע את התכנון הוא לרוב לא בכלל החוזק הנקוב של הסיב ממילא. מדריך זה מסביר ממה עשוי סיב הפחמן, כיצד הוא למעשה מסווג, וכיצד בחירת הדרגה משפיעה על תכנון חיזוק, בהתבסס על דפי נתונים ותקני תכנון של FidStrong. כדי להפוך מספרים אלה למפרט, ראו כיצד לקרוא דף נתונים טכני של CFRP.

ממה עשוי סיב הפחמן?

כמעט כל סיב פחמן מבני — וכל מוצר פחמן של FidStrong — מבוסס PAN: חומר מוצא של פוליאקרילוניטריל נמתח לחוטים, מחומצן (מיוצב), ולאחר מכן מפוחמם בטמפרטורה גבוהה לסיב פחמן כמעט טהור עם מיקרו-גבישים גרפיטיים בעלי כיוון צירי גבוה. מסלול שני, חומר מוצא מבוסס זפת (pitch), קיים בתעשייה הרחבה יותר עבור סיב במודול אולטרה-גבוה, אך מדובר בנישה מחוץ לתחום עבודות החיזוק. המעטפת הכללית של החומר עבור סיב פחמן משתרעת על טווח רחב — מודול של כ-200–800 GPa וחוזק של 2,500–6,000 MPa — אך חיזוק מבני משתמש רק בקצה בעל המודול הנמוך יותר והחוזק הגבוה יותר של טווח זה.

כיצד מסווגים סיב פחמן — ומדוע לא לפי “מספר T”?

לפי ביצועים נבדקים. דרגה אמינה מוגדרת לפי חוזק מתיחה, מודול והתארכות נמדדים תחת ASTM D3039, לא לפי ייעוד מותג אגד-הסיבים של חומר המוצא. FidStrong מדרגת את הבד שלה לפי סוג חוזק — דרגה A (חוזק גבוה), B (בינוני), C (חסכוני) — כל אחת עם ערכים מפורסמים ונבדקים; תווית חומר-גלם של אגד-סיבים לא אומרת לכם שום דבר שניתן לאימות לגבי הקומפוזיט המוגמר. ספק שמוביל עם דרגת מותג אגד-סיבים במקום זוג חוזק-ומודול נבדק עם שיטה מאחוריו, מוכר את הסיב, לא את מערכת החיזוק.

חוזק גבוה לעומת מודול גבוה — מהי ההפשרה?

הם פועלים זה נגד זה. ערכי קוד מייצגים (CNR-DT 200) מראים מערכת מודול נמוך ב-160 GPa / 2,800 MPa / מתיחת קרע 1.6% ומערכת מודול גבוה ב-300 GPa / 1,500 MPa / 0.5% — הכפלה גסה של המודול כמעט מחצה את החוזק וחותכת את מתיחת הכשל פי שלושה בערך. מודול גבוה יותר קונה קשיחות (פחות שקיעה, יותר עומס משותף לפני שהפלדה נכנעת); הוא לא קונה חוזק. רוב בדי החיזוק נמצאים ברצועת מודול סטנדרטי, וטיוטת נספח J של יורוקוד מכשירה מלכתחילה רק מערכות עם 150 GPa ≤ Ef ≤ 230 GPa.

האם בד כבד יותר אומר סיב חזק יותר?

לא — טעות נפוצה. בתוך דרגה אחת, המשקל השטחי (g/m²) קובע בקנה מידה את העובי של השכבה המוקשה ואת הכוח שהשכבה יכולה לשאת, לא את סוג החוזק המהותי של הסיב: FSC200 (200 g/m²) מתקשה לעובי 0.111 mm, FSC300 לעובי 0.167 mm, FSC600 לעובי 0.333 mm. בד דרגה A במשקל 300 g/m² בעל אותו מודול של 240 GPa וחוזק ממוצע של 4,500 MPa כמו דרגה A במשקל 200 g/m² — רק העובי והקיבולת הכוללת למטר שונים. בחרו משקל לפי הקיבולת הדרושה לכם לכל שכבה; בחרו דרגה לפי סוג החוזק והקשיחות.

מדוע אותו בד מציג שני חוזקים שונים מאוד?

מכיוון שקיימים שני בסיסי חתך לגיטימיים, וההבדל דרמטי. על בסיס שטח-סיב-נטו, FSC200A מציג 4,500 MPa ב-240 GPa; על בסיס למינציה מוקשה גולמית (הסיב מדולל לתוך מלוא העובי הרווי בשרף) אותו בד מציג כ-1,248 MPa ב-66.6 GPa — ירידה של כ-3.6× עבור אותו חומר בדיוק. לעולם אל תערבבו בסיסים בחישוב אחד, ולעולם אל תתכננו לפי מספר ייחוס של סיב יבש: דף הנתונים של הלוח של FidStrong קובע במפורש שערך הסיב היבש שלו, 5,800 MPa, הוא לייחוס בלבד ואסור להשתמש בו לתכנון (ערך התכנון הוא נתון הלמינציה של 2,800–3,400 MPa).

האם הדרגה בכלל קובעת את התכנון?

לעיתים קרובות לא. בחיזוק לכיפוף, המתיחה השמישה מוגבלת על ידי התקלפות — εfe = min(εfd, 0.9εfu), כאשר εfd = 0.41√(f′c/(n·Ef·tf)) (ACI 440.2R Eq. 10.1.1) — כך שההדבקה נכשלת לפני שהסיב מגיע לחוזק הנקוב שלו; בכליאה, רק כ-55% ממתיחת הקרע מזוכה (Kε ≈ 0.55). שימו לב שסיב בעל מודול גבוה יותר נמצא במכנה של εfd, כך שדרגה קשיחה יותר מגיעה למעשה למתיחה המוגבלת בהתקלפות שלה מוקדם יותר. בחירת הדרגה משנה היכן התכנון מוגבל — וכמה קשיחות אתם מוסיפים — יותר משהיא מעלה את החוזק השמיש הגולמי. ראו מכניקת העברת עומס לסיבה.

שאלות נפוצות

האם מספר מותג אגד-סיבים גבוה יותר אומר סיב חזק יותר?

זו אינה תכונת תכנון. דרגות מותג אגד-סיבים הן תוויות שיווקיות של חומר גלם; FidStrong מדרגת פחמן לפי חוזק מתיחה, מודול והתארכות נמדדים לפי ASTM D3039, לעולם לא לפי ייעוד מותג. תכננו לפי הערכים הממוצעים והאופייניים הנבדקים בדף הנתונים, לא לפי תווית אגד-סיבים.

מה ההבדל בין סיב פחמן בעל חוזק גבוה לבין סיב פחמן בעל מודול גבוה?

הם מתפשרים זה בזה. ערכים מייצגים מראים מערכת בעלת מודול נמוך ב-~160 GPa / 2,800 MPa / מתיחה 1.6% לעומת מערכת בעלת מודול גבוה ב-~300 GPa / 1,500 MPa / 0.5%. מודול גבוה יותר מוסיף קשיחות (פחות שקיעה) אך מפחית חוזק ודוקטיליות; רוב בדי החיזוק הם בעלי מודול סטנדרטי וחוזק גבוה.

האם בד כבד יותר (600 g/m²) הוא דרגה גבוהה יותר מבד של 200 g/m²?

לא. בתוך דרגה, המשקל השטחי קובע בקנה מידה את עובי השכבה המוקשה (200→0.111 mm, 600→0.333 mm) ואת הקיבולת למטר, לא את מודול או סוג החוזק של הסיב. דרגה A במשקל 300 g/m² בעלת אותו 240 GPa / 4,500 MPa כמו דרגה A במשקל 200 g/m².

מדוע בד אחד מציג גם ~4,500 MPa וגם ~1,250 MPa?

שני בסיסי חתך, לא שני חומרים. 4,500 MPa הוא בסיס שטח-סיב-נטו (סיב חיזוק חשוף); ~1,248 MPa הוא בסיס למינציה מוקשה גולמית (הסיב מדולל לתוך מלוא עובי השרף). ודאו על איזה בסיס מתבסס מספר ולעולם אל תערבבו אותם בחישוב אחד.

האם אפשר לתכנן לפי מספר הסיב היבש של 5,800 MPa?

לא. ערכי סיב יבש הם לייחוס בלבד — דף הנתונים של הלוח של FidStrong עצמו אוסר שימוש ב-5,800 MPa לתכנון ומפנה אתכם לערכי הלמינציה הטרום-מוקשה (2,800–3,400 MPa). גם אלה בדרך כלל מוגבלים עוד יותר על ידי התקלפות ברגע שהמערכת מודבקת לבטון.

האם בחירה בדרגה גבוהה יותר נותנת לי יותר קיבולת באופן פרופורציונלי?

לעיתים רחוקות. מתיחת התכנון לכיפוף מוגבלת על ידי התקלפות, וכליאה מזכה רק כ-~55% ממתיחת הקרע, כך שחוזק הסיב הגולמי לעיתים רחוקות מנוצל במלואו. דרגה בעלת מודול גבוה יותר מוסיפה קשיחות אך מגיעה למתיחה המוגבלת בהתקלפות שלה מוקדם יותר — בחירת הדרגה מזיזה את מקום ההגבלה יותר משהיא מעלה את החוזק השמיש.

FidStrong מייצרת בד פחמן, לוח, רשת, ומוט זיון מבוססי PAN, כל אחד מדורג לפי ביצועים נבדקים (ASTM D3039) תחת מערכות ISO 9001, 14001, ו-45001. טווחי התכונות כאן מבוססים על דפי נתונים ותקני תכנון של FidStrong (ACI 440.2R, CNR-DT 200, יורוקוד); ודאו ערכי תכנון ובסיס מול דף הנתונים ומהנדס מוסמך.