A China fez avanços significativos na pesquisa e aplicação prática de reforço e reforço estrutural usando compósitos de fibra de carbono. Os métodos comuns usados ​​em engenharia incluem alargamento de seção, revestimento de aço, protensão, colagem de placas de aço e colagem de compósitos de fibra de carbono. Os métodos tradicionais de reforço estão geralmente desatualizados, com processos e técnicas de construção complexos que podem impactar o peso e a área útil da estrutura. Em contrapartida, o método de ligação de compósitos de fibra de carbono oferece vantagens como alta resistência, eficiência, resistência à corrosão, facilidade de construção e nenhum aumento nas dimensões estruturais, tornando-o amplamente utilizado em projetos de engenharia.

1. Princípios de Reforço Composto de Fibra de Carbono

O reforço de estruturas de concreto com fibra de carbono é um método moderno que começou a ser pesquisado na década de 1980 e foi introduzido na China em 1996. Rapidamente ganhou atenção na comunidade de engenharia, tornando-se um tema importante para pesquisa e aplicação. Este método envolve a colagem de compósitos de fibra de carbono à superfície de estruturas de concreto, aumentando sua resistência e melhorando seu desempenho através do trabalho colaborativo das fibras e da estrutura.

2. Materiais Compostos de Fibra de Carbono

Os principais materiais utilizados para reforçar e reparar estruturas de concreto com compósitos de fibra de carbono são tecidos de fibra de carbono e resinas compatíveis. Os compósitos de fibra de carbono são conhecidos por sua alta resistência, alto módulo de elasticidade, peso leve e excelente resistência à corrosão, com resistência à tração cerca de dez vezes maior que a das barras de aço comuns. As resinas compatíveis incluem resinas de base, resinas de nivelamento e resinas de ligação. Essas resinas melhoram a qualidade de ligação das fibras de carbono e ajudam a formar um corpo de material compósito com o concreto, melhorando a resistência à flexão e ao cisalhamento da estrutura.

2.1 Tecidos de Fibra de Carbono

Os tecidos de fibra de carbono podem ser categorizados com base em suas matérias-primas em tecidos à base de PAN, à base de viscose e à base de asfalto. Eles também variam de acordo com a especificação, incluindo tecidos de fibra de carbono de 1K, 3K, 6K, 12K e 24K ou maiores, e pelo processo de carbonização em tecidos grafitados, carbonizados e pré-oxidados. Além disso, eles diferem nos métodos de tecelagem, como tecidos, malhas, trançados e tecidos pré-impregnados.

2.2 Materiais de colagem

Os adesivos utilizados para reforço de compósitos de fibra de carbono incluem três tipos: primer (resina base), resina de reparo (material de nivelamento ou massa) e resina de impregnação. O primer fortalece a superfície do concreto, melhorando a ligação entre o concreto e os compósitos de fibra de carbono. A resina reparadora nivela a superfície do concreto, facilitando a aderência das lâminas de fibra de carbono. A resina impregnante une as fibras de carbono entre si e ao concreto, formando um material compósito que resiste às forças externas. O desempenho da resina impregnante é fundamental para o reforço eficaz das estruturas de concreto.

3. Desempenho superior de estruturas de concreto armado com composto de fibra de carbono

• Módulo elástico e de alta resistência:Os compósitos de fibra de carbono oferecem alta resistência à tração, aproximadamente dez vezes maior que a do aço, e um módulo de elasticidade comparável ao do aço.

• Resistência à corrosão e durabilidade:Os compósitos de fibra de carbono são quimicamente estáveis ​​e não reagem com ácidos, álcalis ou sais, proporcionando excelente resistência à corrosão e durabilidade para estruturas reforçadas.

• Baixo coeficiente de expansão térmica:Os compósitos de fibra de carbono possuem um coeficiente de expansão térmica muito baixo, quase zero na direção da fibra.

• Facilidade de construção e alta eficiência:O reforço com tecidos de fibra de carbono não requer máquinas pesadas ou equipamentos de grande porte, ocupa espaço mínimo e permite corte flexível e instalação rápida.

• Qualidade de construção garantida:Os tecidos de fibra de carbono, por serem flexíveis, podem aderir bem a superfícies irregulares após reparos, alcançando uma taxa de adesão efetiva superior a 95%.

• Impacto mínimo nas estruturas:O peso leve e o perfil fino dos compósitos de fibra de carbono não aumentam significativamente o peso ou as dimensões da estrutura original, mantendo o espaço utilizável.

• Ampla gama de aplicações:Adequado para reforçar diferentes tipos de estruturas, formas, materiais e diversos pontos fracos em elementos estruturais.

4. Aplicações de reforço composto de fibra de carbono em estruturas de concreto

Na engenharia prática, os tecidos de fibra de carbono são usados ​​principalmente para reforço. A tecnologia está madura e amplamente aplicada em diversas áreas:

• Aumentando a capacidade de cisalhamento:Os tecidos de fibra de carbono contribuem para a resistência ao cisalhamento semelhante aos estribos e ajudam a prevenir o escoamento prematuro da armadura principal, restringindo o concreto e suportando tensões de tração.

• Aumentando a capacidade de flexão:Ao unir tecidos de fibra de carbono à superfície de tração dos elementos estruturais, a sua capacidade de flexão é significativamente melhorada.

• Melhorando o desempenho sísmico:Os tecidos de fibra de carbono podem aumentar a ductilidade e a capacidade de absorção de energia dos elementos de concreto, especialmente em ligações viga-pilar e pilares sob carga axial, proporcionando excelente reforço sísmico.

• Aumentando a resistência à fadiga:Vigas de concreto armado e vigas de concreto protendido reforçadas com tecidos de fibra de carbono mantêm a resistência e a rigidez após repetidos ciclos de carregamento, prolongando significativamente sua vida útil em fadiga e reduzindo a deformação.

5. Limitações do Reforço Composto de Fibra de Carbono em Estruturas de Concreto

• Fragilidade:As fibras de carbono são linearmente elásticas e frágeis, exigindo deformação significativa da estrutura para utilizar plenamente suas propriedades.

• Problemas de adesão:O reforço de fibra de carbono pode apresentar falhas de ligação, levando a modos de falha frágeis nas estruturas de concreto armado.

• Pesquisa limitada sobre desempenho a longo prazo:Faltam pesquisas sobre o desempenho do concreto reforçado com fibra de carbono sob cargas de longo prazo e de impacto.

• Lacunas teóricas:Embora exista uma extensa pesquisa sobre os mecanismos de reforço de cisalhamento e flexão de materiais de fibra de carbono em vigas e colunas, há uma compreensão limitada de sua aplicação em paredes de cisalhamento.

No geral, a tecnologia de reforço composto de fibra de carbono oferece benefícios económicos, sociais e ambientais significativos. Com o desenvolvimento de materiais de fibra de carbono, custos de produção reduzidos e pesquisas contínuas, esta tecnologia terá aplicação crescente no reforço de estruturas de concreto, prometendo um futuro brilhante.