Estudio del comportamiento de mallas de fibras de carbono embebidas en matriz cementosa (CFRCM) para el refuerzo de estructuras de hormigón
Authors:   , Rodríguez Marcos María 
Published: December 2024

En la actualidad, el grado de concienciación sobre la sostenibilidad ha aumentado, así como la preocupación por el medio ambiente. En este contexto, el uso de materiales de reparación y refuerzo también ha crecido con el fin de aumentar la vida útil de las estructuras. Los materiales compuestos por fibras embebidas en una matriz son una opción viable en lugar de los métodos tradicionales de refuerzo, gracias a su alta resistencia en relación con su bajo peso. Los composites más utilizados son las fibras embebidas en matriz polimérica (FRP), que tienen un comportamiento elástico-lineal hasta la rotura, pero que no siempre pueden aplicarse. Como alternativa, existen los sistemas de fibras embebidos en matriz cementosa (FRCM) que tienen mayor compatibilidad con las estructuras de fábrica, mayor resistencia a altas temperaturas, e incluso una resistencia a fuego similar a las estructuras de hormigón o fábrica; además pueden ser aplicadas en soportes húmedos y permeabilidad al vapor de agua.

Las propiedades de los FRCM son variables, dependiendo de las características de los tejidos y la matriz que los forman, de la interfaz entre ellas, y de la interfaz con el soporte. Antes de su aplicación como refuerzo, es necesario estudiar sus propiedades mediante ensayos de tracción y de otro tipo que permitan caracterizar la interfaz con el soporte. Actualmente, aunque existen guías sobre el refuerzo con FRCM, no hay ensayos específicos estandarizados para estos composites.

Por todo lo expuesto anteriormente, se propone un estudio integral del comportamiento de las fibras de carbono embebidas en matriz cementosa (CFRCM), en el que se analicen las propiedades de las matrices, el comportamiento de las probetas aisladas y el comportamiento del material compuesto una vez aplicado como refuerzo. Además, se propone evaluar el impacto que tienen las propiedades de las mallas y de los morteros en el comportamiento global.

Se analizan las propiedades mecánicas y de durabilidad de los morteros empleados como matrices. El objetivo principal es estudiar la posible mejora en la durabilidad empleando morteros de reparación, a la vez que se refuerza. Las diferentes tecnologías de reparación base cemento de las que se estudian las propiedades mecánicas y prestaciones de durabilidad son morteros Portland tradicional, modificados con polímeros y poliuretanos. Los resultados revelan que los morteros de reparación presentan altas prestaciones a diferentes niveles, siendo apropiados para aplicaciones en las que tanto la durabilidad como las prestaciones estructurales son críticas.

El comportamiento de cada FRCM particular, como ya se ha comentado, depende de la malla y de la matriz que lo forman. Con el objetivo de evaluar la influencia de sus propiedades en el comportamiento global, se comparan sistemas de FRCM con dos mallas diferentes de carbono (con y sin impregnación) y seis morteros mediante ensayos de tracción uniaxial. Los resultados revelan un comportamiento remarcablemente mejor en los sistemas de malla impregnada, especialmente cuando esta se combina con morteros de alta resistencia.

Una vez obtenido el comportamiento de los composites aislados, se analiza el comportamiento de los sistemas aplicados como refuerzo. En esta investigación, se someten 16 vigas de hormigón reforzadas con tres sistemas diferentes de FRCM a ensayos de flexión de tres puntos para caracterizar la interfaz soporte-composite. La resistencia última de las vigas con el mismo volumen de fibras varía hasta un 60% dependiendo del mortero, y la carga última de las vigas reforzadas es de al menos dos veces la de control.

Debido la dificultad de realizar ensayos para estudiar la adherencia, se propone un modelo numérico de las vigas de hormigón reforzadas con FRCM con un enfoque macro en el software DIANA, que permita estimar su comportamiento. El modelo adoptado permite representar la fisuración del hormigón, la del FRCM y el comportamiento general de la viga.

ABSTRACT

Nowadays, the level of awareness of sustainability has increased, parallel to the environmental concern. In this context, the use of structural repair and reinforcement materials has also grown with the aim of increasing the service life of the structures. Composite materials formed by fibres embedded in a matrix are a valid option instead of traditional reinforcement methods, thanks to their high strength-weight ratio. The most employed composite are fibres embedded in a polymer matrix (FRP), with an elastic-linear behaviour until rupture, although they are not always possible to apply. As an alternative, there are systems of fibres embedded in a cementitious matrix (FRCM) that have higher compatibility with masonry structures, higher temperature resistance, even a fire resistance similar to concrete and masonry structures; additionally, can be applied in wet supports and have vapour permeability.

FRCM properties are variable, depend on textile and matrix characteristics, as well as the interface between both and the interface reinforcement-support. It is necessary to assign the properties of the system through tensile tests and tests specific to characterise the interface before their application. Currently, there are guidelines on FRCM reinforcement, but no specific standardised test for these composites.

In accordance with the above, a comprehensive study of the behaviour of carbon fibres embedded in a cementitious matrix is proposed (CFRCM), in which the properties of the matrixes, the behaviour of the coupons and the behaviour once applied as reinforcement are analysed. In addition, it is proposed to evaluate the impact of the properties of the textiles and mortars on the overall behaviour.

Mechanical properties and durability of mortars employed as matrix are analysed. The main objective is to study the possible improvement in durability by using repair mortars while strengthening. The different cement based technologies studied (mechanical properties and durability) are traditional Portland mortars, polymer modified and polyurethane modified mortars. The results reveal that repair mortars have higher performance at different levels, making them suitable for applications where both durability and structural performance are critical.

The behaviour of FRCM systems, as already mentioned, depends on the mesh and the matrix that form it. In order to evaluate the influence of their properties on the overall behaviour, FRCM systems with two different carbon textiles (with and without impregnation) and six mortars are compared using uniaxial tensile tests. The results reveal a markedly better performance of the impregnated mesh systems, especially when combined with high strength mortars.

Once coupons behaviour has been set, the behaviour of the systems applied as reinforcement is analysed. In this research, 16 concrete beams reinforced with 3 different FRCM are three points bending tested to characterised support composite interface. The ultimate strength of the beams with the same fibres content varies by 60% depending on the mortar, and the ultimate load of reinforced beams is at least twice of the control beam.

Due to the difficulty of carrying out tests to study the bond, a numerical model of concrete beams reinforced with FRCM is proposed with a macro modelling approach in DIANA software, which allows estimating their behaviour. The adopted model can represent concrete cracking, FRCM cracking and overall behaviour of the beam.