Princípio do reforço da estrutura da ponte com Folha de fibra de carbono unidirecional

As técnicas e métodos de armadura existentes para a superestrutura da ponte antiga são principalmente o método de armadura de seção ampliada, o método de aço externo, o método de concreto pulverizado, o método de armadura de ponto de apoio adicional, o método de armadura de aço colado, a tecnologia de armadura protendida ou o método de mudança do coeficiente de distribuição transversal da ponte, etc.. Estes métodos têm as suas próprias vantagens e pontos fortes, mas a maior parte da construção é complicada, e existem algumas deficiências.

Folha de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) ligada externamente é uma tecnologia de reforço desenvolvida no exterior nos últimos 20 anos.O princípio é semelhante ao da armadura de chapa de aço, que é colar materiais de tração no lado de tração da estrutura para compartilhar a força com a estrutura e fortalecer a armadura.O plástico reforçado com fibra de carbono, também conhecido como Carbon~Fiber Reforcement Polymer (CFRP), é um material composto avançado composto de fibra de carbono e resina matriz. A fibra de carbono é um material de carbono fibroso com um teor de carbono de mais de 90% na sua composição química.Para melhorar a afinidade entre a fibra de carbono e a matriz, a própria fibra precisa ser tratada de superfície para formar um grupo ativo que possa reagir com a matriz. Como o elemento carbono não pode ser fundido a alta temperatura (sublimação a 3800K), é insolúvel em vários solventes. Portanto, até o momento, não foi possível fazer fibra de carbono com a substância simples do carbono. Fibras de carbono podem ser preparadas por carbonização em fase sólida de fibras orgânicas de alto peso molecular ou pirólise em fase gasosa de hidrocarbonetos de baixo peso molecular. Atualmente, as fibras de carbono são feitas principalmente de fibras de poliacrilonitrila (PAN) ou de pitch mesofásico (MPP) através de carbonização de alta temperatura, e são caracterizadas por resistência à tração extremamente alta e boa resistência à corrosão.A fibra carbonizada é monofilamento, e o diâmetro geralmente está entre 5um~8um.É composto por um grande número de monofilamentos de fibra de carbono para formar materiais de fibra de carbono para engenharia.

A resina matriz inclui resina de poliéster insaturada, resina epóxi e resina de éster de vinilo, etc., que pode ser reticulado e curado sob a ação de um agente de cura, de modo que o material de fibra e a resina sejam colados, mostrando o desempenho superior do material composto. Atualmente, a resina matriz utilizada com fibra de carbono é principalmente resina epóxi, pois a primeira consideração para os plásticos reforçados com fibra de carbono para reforço de engenharia civil é a resistência da resina e a segurança e saúde do pessoal da construção e do próprio ambiente de construção. Como a resina epóxi tem as vantagens de alta resistência, bom alongamento, baixa irritação e sem solventes voláteis, tornou-se a principal matriz do material na estrutura de reforço plástico reforçado com fibra de carbono.Resina epóxi modificada, sua função é conectar o monofilamento de fibra de carbono dispersa, fazê-la suportar a força juntos, e exercer a força global.

Características da folha de fibra de carbono unidirecional para reforço do feixe

1) Excelente corrosão e resistência ao tempo

A razão mais direta pela qual o plástico reforçado com fibra de carbono é usado como substituto para o aço no campo da engenharia civil é que ele tem resistência à corrosão e resistência ao tempo que o aço pode combinar.A corrosão de barras de aço em estruturas de ponte é uma das doenças mais graves das pontes.De acordo com o relatório do Projeto de Pesquisa Estratégia Rodoviária dos EUA, o custo da reparação de danos causados pela ferrugem nos Estados Unidos em 1986 atingiu 20 bilhões de dólares americanos, e esse custo ainda está aumentando a uma taxa de cerca de 500 milhões de dólares americanos por ano.A corrosão da barra de ferro é geralmente a corrosão eletroquímica. Quando a intrusão do íon cloreto, a alcalinidade do ambiente de concreto, ou o trincamento de tração e outros fatores causam a destruição completa ou parcial do estado de passividade da superfície da barra de aço, uma grande diferença potencial aparece em diferentes partes da superfície da barra de aço, formando um ânodo e um cátodo.Em determinadas circunstâncias (como a presença de oxigênio e água), as barras de aço irão corroer, reduzindo a capacidade de suporte da estrutura.De acordo com os resultados da pesquisa, em um ambiente ácido fraco, após 10.000 ciclos de congelamento, alternando seco e úmido, certo tempo de luz e imersão em água quente 70°C por 30 dias, a durabilidade, resistência à corrosão e resistência ao envelhecimento da fibra de carbono O desempenho não é reduzido, e a resistência à fadiga ainda mantém 80%.A resina epóxi matriz utilizada com fibra de carbono tem boa estabilidade na faixa de pH 3°l3 sob temperatura de uso normal. Além disso, quando o envelhecimento acelerado é de 10000h (aproximadamente equivalente a mais de 35 anos de exposição real na atmosfera), a resistência adesiva da resina matriz correspondente permanece inalterada e tem boa durabilidade. Pode-se observar que o plástico reforçado com fibra de carbono tem excelente resistência à corrosão, e, portanto, em um curto período de tempo tornou-se o substituto mais competitivo para o aço.

2) Processo simples, construção conveniente, alta eficiência de trabalho

A estrutura de ponte reforçada com folha de fibra de carbono não tem nenhum trabalho molhado, nenhum grande equipamento de construção, nenhuma instalação fixa no local e menos espaço de construção.As fibras de carbono comumente usadas são materiais e placas de pano.O material de pano é um tecido de pano de sentido único ou bidirecional. Sua largura pode ser de 20cm, 30cm, 50cm, 100cm, e o comprimento é de 50m/pneu ~100m/roll.O uso no local pode ser cortado com tesouras ou lâminas conforme necessário. Ao contrário das placas de aço, ferramentas de corte especiais não são necessárias.De acordo com estatísticas relevantes, o mesmo é o método de armadura de pasta, e o método de fibra de carbono de pasta é 4 a 8 vezes a eficiência da construção da pasta de aço.

3) Defeitos existentes

(1) A ductilidade insuficiente; (2) A razão de módulo elástico para resistência é muito baixa; (3) A força de cisalhamento transmitida pela camada de resina epóxi é limitada. 

Os defeitos acima mencionados limitam em certa medida a aplicação de plásticos reforçados com fibra de carbono no campo de reforço. Porque a estrutura muitas vezes requer não só reforço de resistência, mas também reforço de rigidez, e as propriedades do material da fibra de carbono determinam o reforço de rigidez que não pode ser realizado por tecnologia comum com melhores benefícios econômicos. Mesmo que uma grande quantidade de plástico reforçado com fibra de carbono seja colada para melhorar a rigidez estrutural, devido às propriedades do material da resina epóxi e à concentração de tensão nas fissuras de flexão e cisalhamento, é fácil fazer com que a interface entre o plástico reforçado com fibra de carbono e o concreto descasque e danifique a ligação.Em última análise, reduzir a confiabilidade da estrutura reforçada. Além disso, devido à alta resistência da fibra de carbono, a tecnologia existente de reforço de fibra de carbono não pode exercer plenamente sua resistência, o que também restringe a aplicação e desenvolvimento de plásticos reforçados com fibra de carbono no campo de reforço.

Conclusão

O reforço unidirecional da folha de fibra de carbono é um novo tipo de tecnologia de reforço que tem desempenho superior que outras tecnologias de reforço não podem combinar, e tem amplas perspectivas de aplicação no campo da armadura de ponte. Embora existam algumas deficiências, ainda é muito adequado para o reforço da estrutura da ponte, desde que seja utilizado de forma razoável e evite fraquezas.A aplicação da tecnologia de reforço unidirecional de fibra de carbono em projetos de reforço de ponte pode promover grandemente a construção de infraestrutura de transporte.