¿Aplicación de materiales compuestos FRP en ingeniería de refuerzo estructural?
El desarrollo de la ingeniería civil depende en gran medida de la aplicación y desarrollo de nuevos materiales y nuevas tecnologías con excelentes propiedades. En el campo del refuerzo y reconstrucción de estructuras existentes, no sólo se requiere que los materiales sean económicos, hermosos y convenientes de construir, sino que también se requiere mejorar significativamente la capacidad de carga de la estructura después de la construcción. Los materiales compuestos FPR desempeñan un papel cada vez más importante debido a sus excelentes propiedades mecánicas y su amplia aplicabilidad.
Los materiales compuestos de fibra de vidrio incluyen principalmente fibra de carbono (CFRP), fibra de aramida (AFRP) y fibra de vidrio (GFRP), y sus formas materiales incluyen principalmente láminas, varillas y perfiles. Las ventajas del FRP son: peso ligero, alta resistencia, alto módulo elástico, buena resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión y durabilidad, bajo coeficiente de expansión térmica, etc. Además, los materiales compuestos de FRP pueden ahorrar materiales, se pueden cortar libremente y la construcción es conveniente y rápida. Aunque la inversión inicial es grande, los costes de mantenimiento son bajos y los beneficios económicos evidentes. Por lo tanto, los materiales compuestos FRP (láminas) tienen un enorme potencial de aplicación en proyectos de refuerzo de estructuras civiles.
1 Características básicas de los materiales compuestos de fibra de vidrio
Con el desarrollo de los materiales de fibra reforzada, la fibra de carbono, la fibra de aramida y la fibra de vidrio se han convertido en importantes materiales de refuerzo en la ingeniería estructural actual. La siguiente tabla muestra las propiedades mecánicas básicas de algunos compuestos típicos de FRP (láminas).
Las propiedades de los materiales compuestos de fibra de vidrio son diferentes. En términos de resistencia a la tracción y módulo de tracción, la fibra de vidrio y la fibra de aramida son generalmente aproximadamente 1/3 más bajas que la fibra de carbono. En términos de alargamiento de rotura, la fibra de aramida es generalmente aproximadamente 2 veces mayor que la fibra de carbono, y la fibra de vidrio es generalmente aproximadamente un 70% mayor que la fibra de carbono. En términos de tenacidad y resistencia al impacto, la fibra de aramida y de vidrio es mucho mejor que la fibra de carbono; la resistencia a la corrosión alcalina de la fibra de aramida y de vidrio no es tan buena como la de la fibra de carbono. Las diferencias de rendimiento en otros aspectos no se detallarán aquí.
2 Aplicación de los materiales compuestos FRP en el campo de la ingeniería de refuerzo estructural
2.1 Edificaciones civiles, puentes y plantas industriales
Debido a sus excelentes propiedades mecánicas, el FRP Se utilizan materiales compuestos. Es ampliamente utilizado en el refuerzo de edificios civiles y plantas industriales, incluyendo principalmente: ① Refuerzo de vigas. Las funciones de las barras de acero incluyen resistencia a la flexión y resistencia al corte. Durante el proceso de refuerzo por flexión, la dirección de la fibra del material compuesto FRP es consistente con la dirección axial de la viga y generalmente se une al lado de tensión de la viga, lo que mejora la capacidad de carga de la viga. Según las pruebas pertinentes, siempre que la viga no esté demasiado reforzada, la aplicación de una capa de AK-60 puede aumentar la capacidad de carga en aproximadamente un 30%, y la aplicación de dos capas de AK-60 puede aumentar la capacidad de carga en un 40%. Durante el refuerzo de corte, la dirección de la fibra del material compuesto de FRP es perpendicular a la dirección axial de la viga (2) Refuerzo de placa; Generalmente, el espacio de refuerzo del tablero es relativamente alto y la apariencia no se verá afectada después del refuerzo. Por lo tanto, es una opción ideal utilizar materiales compuestos de FRP delgados y suaves como refuerzo. ③Barras de acero de columna. La tela de aramida y la tela de fibra de vidrio son materiales ideales para reforzar las columnas. Debido a su pequeño módulo elástico, su ductilidad es mejor que la de la fibra de carbono (módulo elástico 235 GPA y al pulir bordes y esquinas, generalmente solo requiere unos 10 mm y generalmente no es necesario pulir, mientras que la fibra de carbono requiere aproximadamente); 30 mm si se utiliza fibra de aramida, se pueden ahorrar muchas horas de trabajo.
2.2 Metros y túneles
Debido a que los metros y túneles son estructuras subterráneas, las fuerzas que soportan son diferentes a las del suelo. En el techo y los lados del túnel, tiene el efecto de la presión del suelo y los requisitos de espacio libre, por lo que el método de refuerzo tradicional no es factible al reparar grietas, y el uso de refuerzo y reparación de tela de aramida (no conductora) puede cumplir con sus diversos Requisitos, porque las grietas en la bóveda o las paredes laterales de los metros o túneles son generalmente multidireccionales e irregulares, lo que requiere que el material de reparación tenga buena resistencia al corte y sea un material no conductor, por lo que se utiliza aramida en los túneles subterráneos. paño.
2.3 Chimeneas y torres de agua
Dado que las chimeneas y torres de agua se están desarrollando a grandes altitudes, su refuerzo y mantenimiento son particularmente difíciles, y los métodos de refuerzo tradicionales (como los métodos de ampliación de la sección transversal) y métodos de unión de acero) son básicamente difíciles de resolver. Para tales problemas, es un buen método utilizar materiales compuestos (especialmente fibras de aramida) que sean livianos, de alta resistencia, resistentes a la corrosión y duraderos.
Comparación de 3 métodos de refuerzo diferentes
3.1 Método de sección ampliada
Este método de refuerzo mejora la capacidad de carga de la estructura al aumentar el área de tensión en general. Se utiliza para algunas estructuras pequeñas que no requieren un gran espacio libre. Aunque este método tiene la ventaja de su bajo costo, aumenta el peso de la estructura original, reduce el espacio libre y tiene un largo período de construcción, lo que tiene grandes limitaciones. Actualmente rara vez se utiliza en proyectos más grandes.
3.2 Método de unión del acero
Cuando se utilizan placas de acero como refuerzo, las placas de acero generalmente se pegan en el borde exterior de la estructura reforzada para sellar grietas y defectos en las partes pegadas para Limitar la deformación del hormigón. Las características del refuerzo de acero adherido son: ① Puede mejorar tanto la resistencia estructural como la rigidez; ② Es adecuado para estructuras remachadas con pegamento (estructuras de acero) y refuerzo de nodos (3) Tiene una gran tasa de alargamiento y es adecuado para impactos y; refuerzo estructural vibratorio; ④ El tratamiento superficial de la placa de acero es estricto y la superficie de la junta es fácil de oxidar; ⑤ La concentración de tensión en el extremo de la placa de acero gruesa hace que el concreto se despegue fácilmente;
Como se puede ver en lo anterior, se debe prestar atención a varios puntos al utilizar este método de refuerzo: ① Los requisitos de tamaño de la placa de acero son muy estrictos.
La resistencia a la flexión debe ser más delgada para garantizar la coordinación con la deformación de la estructura original, no solo debe ser más gruesa durante el corte, sino que también la placa de acero del extremo debe extenderse a un área de tensión más pequeña durante el anclaje para evitar que la concentración de tensión dañe la carga; -capacidad de carga de la estructura; (2) Una vez completado el pegado, se deben tratar las grietas de los bordes de la placa de acero ③ El tratamiento anticorrosión de la placa de acero también es una tarea a largo plazo; Por tanto, su coste es muy elevado y su rango de aplicación tiene ciertas limitaciones. Generalmente sólo se utiliza en lugares con estrictos requisitos de rigidez.
3.3 Método del material compuesto de FRP
Las características de las barras compuestas de FRP son: ① alta resistencia, alto módulo elástico, espesor delgado, peso ligero (2) el material puede tener cualquier longitud; y cualquier Cruz, puede adaptarse a cualquier superficie curva y cualquier forma de estructura; ③ Resistencia a la corrosión y buena resistencia a la fatiga; (4) Construcción simple, estrechamente combinada con concreto ⑤ El material tiene requisitos estrictos a prueba de humedad y no es adecuado para reforzar las zonas de unión.
En el mercado actual de refuerzo de FRP, la fibra de carbono representa la mayor proporción. La fibra de carbono es un material conductor y frágil que puede soportar grandes cargas estáticas, pero no es adecuado para ferrocarriles, metros y túneles electrificados con altos requisitos de aislamiento. Las fibras de aramida con alta resistencia y alto módulo elástico no tienen tales limitaciones y a menudo pueden soportar cargas de impacto. La forma final de daño de la fibra de aramida es el daño plástico, que también es su ventaja. También tiene grandes ventajas en resistencia al corte. Generalmente se utiliza para reforzar pilas de puentes debido a su excelente resistencia al corte, pero las fibras de aramida deben cortarse con tijeras especiales para cerámica.
4 Selección del material compuesto FRP
4.1 Impacto ambiental
En áreas con alta alcalinidad y alta humedad, se deben seleccionar materiales compuestos de fibra de carbono en lugar de compuestos de fibra de vidrio. materiales En áreas con grandes cambios de temperatura, el coeficiente de expansión térmica de la fibra de vidrio es similar al del hormigón, por lo que se debe utilizar fibra de vidrio y fibra de aramida como buenos aislantes, mientras que la fibra de carbono es conductora. Para evitar una posible corrosión galvánica de las barras de acero, los materiales de fibra de carbono no deben estar en contacto directo con las barras de acero.
4.2 Efecto de la carga
Para estructuras que a menudo están sujetas a cargas de impacto o vibración, se deben preferir los materiales compuestos de fibra de aramida y fibra de vidrio, ya que su tenacidad y resistencia al impacto son mejores que el carbono. Materiales compuestos de fibra. Para estructuras que requieren resistencia a la fluencia y la fatiga, los compuestos de fibra de carbono deberían ser la primera opción. Los materiales de fibra de carbono tienen una resistencia a la fluencia y a la fatiga mucho mejores que los materiales de fibra de aramida y fibra de vidrio.
4.3 Impacto de la capa protectora
El espesor y el tipo de capa protectora deben seleccionarse de acuerdo con los requisitos de los materiales compuestos de FRP. Se deben tomar medidas de protección efectivas contra la resistencia ambiental (como humedad, temperatura, impacto, exposición, etc.). ), resistencia al sitio de construcción, resistencia a la destrucción provocada por el hombre, etc. , para no reducir las propiedades mecánicas de los materiales compuestos de FRP. La capa protectora generalmente utiliza dos métodos: ① Espesar la capa adhesiva de resina fuera del material compuesto de FRP para proporcionar una capa protectora elástica ② Recubrir una capa de mortero de cemento de alta resistencia fuera del material compuesto de FRP para proteger el material compuesto de FRP de daños.
5 Conclusión
En nuestro país, el mantenimiento, refuerzo y transformación de diversos puentes y estructuras de edificios se convertirá en el foco de los proyectos de construcción durante mucho tiempo. En la actualidad, los métodos de refuerzo comúnmente utilizados en China incluyen principalmente refuerzo compuesto de tela de fibra, pegado de placas de acero, ampliación de la sección transversal, etc. Del análisis anterior, se puede ver que el método de refuerzo compuesto de FRP tiene ventajas obvias y buenos beneficios económicos, y será ampliamente utilizado en ingeniería estructural.
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