China ha logrado avances significativos en la investigación y la aplicación práctica del refuerzo estructural y el fortalecimiento utilizando compuestos de fibra de carbono. Los métodos comunes utilizados en ingeniería incluyen ampliación de secciones, revestimiento de acero, pretensado, unión de placas de acero y unión de compuestos de fibra de carbono. Los métodos de refuerzo tradicionales generalmente están obsoletos, con procesos y técnicas de construcción complejos que pueden afectar el peso y el área utilizable de la estructura. Por el contrario, el método de unión de compuestos de fibra de carbono ofrece ventajas como alta resistencia, eficiencia, resistencia a la corrosión, facilidad de construcción y ningún aumento en las dimensiones estructurales, lo que lo hace ampliamente utilizado en proyectos de ingeniería.

1. Principios del refuerzo compuesto de fibra de carbono

El refuerzo de estructuras de hormigón con fibra de carbono es un método moderno que comenzó a investigarse en la década de 1980 y se introdujo en China en 1996. Rápidamente ganó atención en la comunidad de ingenieros y se convirtió en un tema candente de investigación y aplicación. Este método implica unir compuestos de fibra de carbono a la superficie de estructuras de hormigón, potenciando su resistencia y mejorando su rendimiento mediante el trabajo colaborativo de las fibras y la estructura.

2. Materiales compuestos de fibra de carbono

Los materiales principales utilizados para reforzar y reparar estructuras de hormigón con compuestos de fibra de carbono son tejidos de fibra de carbono y resinas compatibles. Los compuestos de fibra de carbono son conocidos por su alta resistencia, alto módulo elástico, peso ligero y excelente resistencia a la corrosión, con una resistencia a la tracción aproximadamente diez veces mayor que la de las barras de acero comunes. Las resinas compatibles incluyen resinas base, resinas niveladoras y resinas adhesivas. Estas resinas mejoran la calidad de unión de las fibras de carbono y ayudan a formar un cuerpo de material compuesto con el hormigón, mejorando la resistencia a la flexión y al corte de la estructura.

2.1 Tejidos de fibra de carbono

Los tejidos de fibra de carbono se pueden clasificar según sus materias primas en tejidos a base de PAN, a base de viscosa y a base de asfalto. También varían según las especificaciones, incluidas telas de fibra de carbono de 1K, 3K, 6K, 12K y 24K o más grandes, y por el proceso de carbonización en telas grafitizadas, carbonizadas y preoxidadas. Además, se diferencian en los métodos de tejido, como tejidos tejidos, de punto, trenzados y preimpregnados.

2.2 Materiales de unión

Los adhesivos utilizados para el refuerzo de compuestos de fibra de carbono incluyen tres tipos: imprimación (resina base), resina de reparación (material nivelador o masilla) y resina de impregnación. La imprimación fortalece la superficie del concreto, mejorando la unión entre el concreto y los compuestos de fibra de carbono. La resina reparadora nivela la superficie del hormigón, facilitando la adhesión de láminas de fibra de carbono. La resina de impregnación une las fibras de carbono entre sí y al hormigón, formando un material compuesto que resiste fuerzas externas. El rendimiento de la resina impregnante es crucial para el refuerzo eficaz de estructuras de hormigón.

3. Rendimiento superior de las estructuras de hormigón armado con compuestos de fibra de carbono

• Módulo elástico y de alta resistencia:Los compuestos de fibra de carbono ofrecen una alta resistencia a la tracción, aproximadamente diez veces mayor que la del acero, y un módulo elástico comparable al del acero.

• Resistencia a la corrosión y durabilidad:Los compuestos de fibra de carbono son químicamente estables y no reaccionan con ácidos, álcalis o sales, lo que proporciona una excelente resistencia a la corrosión y durabilidad para las estructuras reforzadas.

• Coeficiente de expansión térmica bajo:Los compuestos de fibra de carbono tienen un coeficiente de expansión térmica muy bajo, casi nulo en la dirección de la fibra.

• Facilidad de Construcción y Alta Eficiencia:El refuerzo con tejidos de fibra de carbono no requiere maquinaria pesada ni equipos grandes, ocupa un espacio mínimo y permite un corte flexible y una instalación rápida.

• Calidad de Construcción Garantizada:Los tejidos de fibra de carbono, al ser flexibles, pueden adherirse bien a superficies irregulares después de las reparaciones, logrando una tasa de adhesión efectiva superior al 95%.

• Impacto mínimo en estructuras:El peso ligero y el perfil delgado de los compuestos de fibra de carbono no aumentan significativamente el peso ni las dimensiones de la estructura original, manteniendo el espacio utilizable.

• Amplia gama de aplicaciones:Adecuado para reforzar diferentes tipos de estructuras, formas, materiales y diversos puntos débiles en elementos estructurales.

4. Aplicaciones del refuerzo compuesto de fibra de carbono en estructuras de hormigón

En la ingeniería práctica, los tejidos de fibra de carbono se utilizan principalmente como refuerzo. La tecnología está madura y se aplica ampliamente en varias áreas:

• Mejora de la capacidad de corte:Las telas de fibra de carbono contribuyen a una resistencia al corte similar a la de los estribos y ayudan a prevenir la fluencia prematura del refuerzo principal al restringir el concreto y soportar tensiones de tracción.

• Aumento de la capacidad de flexión:Al unir tejidos de fibra de carbono a la superficie de tracción de los elementos estructurales, se mejora significativamente su capacidad de flexión.

• Mejora del rendimiento sísmico:Los tejidos de fibra de carbono pueden mejorar la ductilidad y la capacidad de absorción de energía de los elementos de hormigón, especialmente en uniones viga-columna y columnas bajo carga axial, proporcionando un excelente refuerzo sísmico.

• Aumentar la resistencia a la fatiga:Las vigas de hormigón armado y las vigas de hormigón pretensado reforzadas con tejidos de fibra de carbono mantienen la resistencia y la rigidez después de ciclos de carga repetidos, extendiendo significativamente su vida a fatiga y reduciendo la deformación.

5. Limitaciones del refuerzo compuesto de fibra de carbono en estructuras de hormigón

• Fragilidad:Las fibras de carbono son linealmente elásticas y quebradizas, lo que requiere una deformación significativa de la estructura para utilizar plenamente sus propiedades.

• Problemas de adhesión:El refuerzo de fibra de carbono puede experimentar fallas de unión, lo que lleva a modos de falla frágiles en las estructuras de hormigón armado.

• Investigación limitada sobre el desempeño a largo plazo:Faltan investigaciones sobre el rendimiento del hormigón armado con fibra de carbono bajo cargas de impacto y a largo plazo.

• Brechas teóricas:Si bien existe una extensa investigación sobre los mecanismos de refuerzo de corte y flexión de materiales de fibra de carbono en vigas y columnas, existe una comprensión limitada de su aplicación en muros de corte.

En general, la tecnología de refuerzo compuesto de fibra de carbono ofrece importantes beneficios económicos, sociales y ambientales. Con el desarrollo de materiales de fibra de carbono, la reducción de los costos de producción y la investigación en curso, esta tecnología tendrá una aplicación cada vez mayor en el refuerzo de estructuras de hormigón, lo que promete un futuro brillante.