รู้จัก 'GFRP' นวัตกรรมทดแทนโครงสร้างเหล็ก ตัวเลือกที่เบากว่า ดี(กว่า)เพื่อโลก

หลายวันมานี้นั่งดูภาพข่าวการเร่งให้ความช่วยเหลือผู้รอดชีวิตในเหตุการณ์ตึกถล่มจากเหตุการณ์แผ่นดินไหว เห็นอุปสรรคใหญ่ (ที่อาจเป็นสาเหตุของการพังถล่มของตึก สตง.แบบที่หลายคนคาดเดาด้วย) นั่นก็คือ “เหล็กเส้น” หรือเหล็กข้ออ้อยขนาดใหญ่ หนัก และระเกะระกะขัดขวางทีมกู้ภัย ซึ่งผลตรวจเหล็กจากตึก สตง. มีทั้ง ‘ผ่าน-ไม่ผ่าน’ มาตรฐาน

จากที่เคยเห็นจัดแสดงในมหกรรมด้านความยั่งยืนหลายครั้ง แม้สะดุดตาแต่ไม่ค่อยใส่ใจเพราะคิดว่ามันไกลตัว วันนี้กลับมาทบทวนแล้วมัน “ใกล้ตัว” กว่าที่เราคิด นั่นคือเรื่องของนวัตกรรมทดแทนโครงสร้างเหล็กที่ทำจากไฟเบอร์กลาส (GFRP) ซึ่งให้คุณสมบัติเช่นเดียวกับเหล็กโครงสร้าง

GFRP คืออะไร?

Glass Fiber Reinforced Polymer หรือ GFRP คือวัสดุเสริมแรงไฟเบอร์กลาส (GFRP Rebar) ที่ผลิตขึ้นจากเส้นใยไฟเบอร์กลาสที่ผ่านขบวนการดึงขึ้นรูปแล้วผสมเรซิน มีรูปร่างหน้าตา รวมถึงขนาดที่สามารถแทนที่เหล็กได้อย่างสบาย ด้วยคุณสมบัติรับแรงดึงสูงและมีน้ำหนักที่เบากว่าหลายเท่าตัว ทำให้มีการใช้ในเครื่องบิน เรือ สะพาน และงานก่อสร้างที่ต้องการวัสดุที่แข็งแรง รวมถึงต้องการความทนทานต่อการกัดกร่อน ซึ่งในสหรัฐและแคนาดามีการใช้ GFRP มานานพอสมควร ส่วนในไทยเริ่มมีให้เห็นมากขึ้นในปัจจุบัน

ข้อดีของ GFRP นวัตกรรมทดแทนเหล็ก (ในแง่ของวิศวกรรม)

• มีความแข็งแรง (Tensile strength) สูงกว่าเหล็กถึงสองเท่า
• มีน้ำหนักเบากว่าเหล็ก ขนส่งง่าย ขนย้ายสะดวก ทำให้น้ำหนักโครงสร้างเบาลง
• มีความทนทานต่อการกัดกร่อนจากน้ำทะเลหรือสารเคมี ไม่เป็นสนิม จึงไม่ทำให้คอนกรีตเสียหาย และไม่ต้องบำรุงรักษา
• ไม่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า
• ใช้งานร่วมกับเหล็กเส้นได้

ข้อดีของ GFRP นวัตกรรมทดแทนเหล็ก (ในแง่ของสิ่งแวดล้อม)

• ลดการใช้เหล็ก ด้วยคุณสมบัติที่ทดแทนเหล็กได้ แต่มีน้ำหนักเบากว่า จึงช่วยลดการใช้เหล็กในการก่อสร้าง ลดการขุดแร่เหล็กที่เป็นทรัพยากรธรรมชาติมาใช้
• ลดการปล่อย CO2 การผลิต GFRP ก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์น้อยกว่าการผลิตเหล็ก ซึ่งเป็นการช่วยลดผลกระทบต่อสภาพอากาศโลก
• ลดขยะ เพราะทนทานต่อการกัดกร่อน GFRP จึงแทบจะไม่ต้องมีการบำรุงรักษา หรือทาสีกันสนิม การใช้ GFRP จึงช่วยลดปริมาณการใช้ทรัพยากรในการซ่อมแซมบำรุงรักษา ช่วยลดการต้องเปลี่ยนวัสดุใหม่ และลดขยะจากการทิ้งวัสดุที่เสื่อมสภาพ
• ลดการใช้พลังงานในการขนส่ง ด้วยน้ำหนักที่เบากว่าเหล็ก ทำให้ลดการใช้พลังงานในกระบวนการขนส่งและการติดตั้ง ซึ่งเท่ากับลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gases)
• เป็นวัสดุตัวเลือกด้านเทคโนโลยีเพื่อโลก เพราะมีความยืดหยุ่นในการใช้งาน GFRP จึงถูกนำไปใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น พลังงานทดแทน โครงสร้างอาคาร และระบบขนส่ง ซึ่งส่งเสริมการพัฒนาอย่างยั่งยืน

การทดสอบคุณสมบัติของ GFRP

ข้อมูลการศึกษาความเป็นไปได้และการใช้ GFRP ในโครงสร้างคอนกรีต Feasibility and Utilization of GFRP in Concrete Structures ที่เผยแพร่ในวารสารวิจัยทางวิศวกรรมและเทคโนโลยีระดับนานาชาติInternational Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) อธิบายการทดสอบคุณสมบัติของ GFRP ดังนี้

ความแข็งแรงดึง (Tensile strength) GFRP มีความแข็งแรงกว่าเหล็กสองเท่า หากวัดกันที่ Tensile strength GFRP มีความแข็งแรงดึงสูง 500-1200 MPa เมื่อเทียบกับเหล็กเส้นที่มีความแข็งแรงดึงประมาณ 250-550 MPa ความแข็งแรงของ GFRP ขึ้นอยู่กับขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลาง และมีความสัมพันธ์แบบตรงข้ามกับขนาดนี้ คือยิ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก ความแข็งแรงก็จะยิ่งสูงขึ้น แต่ GFRP จะค่อนข้างไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ โดยเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 200°C ความแข็งแรงของ GFRP จะลดลง

ความแข็งแรงอัด (Compressive strength) GFRP เปราะมากกว่าเหล็ก จึงค่อนข้างเปราะบางและไม่เหมาะกับการใช้ในส่วนที่ต้องรับแรงอัด เช่น เสาที่รับน้ำหนักมากๆ เนื่องจากเส้นใยมีคุณสมบัติที่ไม่ทนทานต่อแรงอัด Compressive strength มากเท่าไร แต่สำหรับการใช้งานทางแนวราบส่วนใหญ่  GFRP ยังถือว่ามีประโยชน์มาก

โดยความแข็งแรงอัดของ GFRP จะอยู่ที่ประมาณ 40-60% ของความแข็งแรงดึง ซึ่งหมายความว่าเมื่อเทียบกับความแข็งแรงในการดึง (ที่ใช้ทดสอบการยืดของวัสดุ)  GFRP จะรับแรงอัดได้น้อยกว่าเหล็ก ในขณะเดียวกันความยืดหยุ่นของ GFRP ในการรับแรงอัด (คือความสามารถในการยืดหยุ่นตัวเมื่อมีแรงอัด) ก็ต่ำกว่าความยืดหยุ่นในการรับแรงดึง ซึ่งค่าความยืดหยุ่นของ GFRP อยู่ที่ประมาณ 40-55 GPa ในขณะที่เหล็กมีค่าความยืดหยุ่นสูงถึง 210 GPa

การยืดตัวและความล้า (Creep and Fatigue) ความเครียดสุดท้ายที่เกิดจากการยืดตัว (Creep) ประมาณ 3% ของความเครียดยืดหยุ่นเริ่มต้น ความล้าของบาร์ GFRP โดยทั่วไปจึงน้อยกว่าเหล็ก (อธิบายง่ายๆ ว่าเหล็กมีความเหนียวมากกว่าเมื่อถูกแรงดึงจะไม่ขาด ขณะที่ GFRP มีความเหนียวน้อยกว่าเมื่อถึงจุดที่ถึงจุดหนึ่งจึงขาดได้ง่ายกว่า)

น้ำหนัก (Weight) เพราะเป็นเส้นใย GFRP จึงมีน้ำหนักเบากว่าเหล็ก ทำให้สามารถบำรุงรักษา จัดเก็บ และขนส่งได้ง่าย

ข้อจำกัดของ GFRP

แม้ว่าจะเป็นวัสดุที่น่าทึ่ง แต่ GFRP ก็ไม่ใช่ข้อยกเว้นจากกฎธรรมชาติ เพราะมีข้อจำกัดบางประการ เช่น ไม่เหมาะกับงานที่ต้องรับแรงกระแทกหนักๆ หรือพื้นที่ที่มีการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง เพราะมีความแข็งแรงอัด (Compressive strength) ที่ต่ำกว่าเหล็ก จึงเหมาะสมที่สุดกับงานในแนวราบ ไม่ว่าจะเป็นสะพาน ถนน หรือคอนกรีตวางบนดิน

การเลือกนำ GFRP มาใช้

สำหรับเหล็กเส้นไฟเบอร์กลาส GFRP เหมาะกับการใช้งานในอาคารที่มีพื้นที่จำกัด เพราะขนย้ายสะดวก ใช้ได้ในโครงสร้างที่ต้องการฉนวนกันไฟฟ้าเพื่อเสริมความปลอดภัย และใช้ในงานโครงสร้างที่อยู่ในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนสูง เนื่องจาก GFRP มีคุณสมบัติเด่นตรงที่ไม่เป็นสนิม สุดท้ายคือ GFRP เหมาะกับการใช้งานโครงสร้างแนวราบ ด้วยคุณสมบัติความแข็งแรงดึง (Tensile strength) ที่มากกว่าเหล็กถึงสองเท่า

นวัตกรรม GFRP จึงนับเป็นวัสดุแห่งอนาคตที่รักษ์โลกมากกว่า และมาพร้อมกับความยั่งยืน ปลอดภัย หากเลือกใช้ให้ถูกประเภท ในวันที่เราต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของโลก GFRP จึงไม่ใช่แค่ตัวเลือกในการพัฒนาโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพ แต่ยังเป็นทางเลือกที่ยั่งยืนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม แม้ต้นทุนในการสร้างจะสูงกว่า แต่เพื่อโลกและผลดีในระยะยาว นวัตกรรมนี้นับว่าตอบโจทย์มากกว่าการใช้เหล็กแบบเดิมๆ และคุ้มค่าต่อการลงทุนเพื่ออนาคตอย่างแน่นอน

สุดท้ายแล้วต้องย้อนกลับที่คำถามตอนเริ่มต้น หากตั้งสมมติฐานว่า ตึก สตง.ใช้ GFRP การค้นหาผู้รอดชีวิตอาจง่ายกว่านี้ จริงหรือไม่?

คำตอบที่ได้คือ หากวัดด้วยน้ำหนักที่เบากว่าเหล็ก และความเปราะที่มากกว่า ถ้าตึก สตง.เป็นโครงสร้างพื้นคอนกรีตเสริม GFRP น้ำหนักก็น่าจะเบากว่า และเปราะแตกมากกว่าเมื่อได้รับแรงกระแทกตอนตกลงมาที่พื้น จึงน่าจะทำให้เหล็กเส้นที่ระเกะระกะลดลง และง่ายต่อการค้นหาผู้รอดชีวิตมากขึ้น 

...นาทีนี้จึงได้แต่ภาวนาให้ปาฏิหาริย์มีจริง และเราพบ “ผู้สูญหาย” มากกว่า “ร่างที่ไร้วิญญาณ”