Materiale armate cu fibre matriciale polimerice

Polimerii întăriti cu fibre (sau FRP sau materiale matriciale polimerice întărite cu fibre sau pur și simplu materiale întărite cu fibre ) constituie o gamă largă de materiale compozite ^[1] , constând dintr-o matrice polimerică organică cu care o armare continuă a fibrelor cu proprietăți ridicate este impregnată mecanic. Acestea diferă de compozitele cu matrice anorganică armate cu fibre (FRCM), în care matricea anorganică, de ciment sau de var este întărită cu plase realizate din fibre continue.

Sunt cel mai utilizat material până în prezent pentru intervenții de îmbunătățire structurală asupra clădirilor existente: în zona craterului L'Aquila, de exemplu, FRP-urile au fost utilizate ca tehnologie predominantă în 58% din intervenții ^[2]

Utilizarea FRP în Italia este reglementată de Consiliul Superior al LL.PP. (a se vedea paragraful relevant de mai jos).

Istorie

În cele mai vechi timpuri s-a înțeles că prin cuplarea diferitelor materiale împreună, s-au obținut produse finite cu caracteristici mai bune: un exemplu sunt cărămizile făcute cu lut și paie uscate la soare, folosite de civilizațiile din Mesopotamia .

Pentru a avea primele materiale compozite în FRP trebuie să așteptați până în secolul al XX-lea : de fapt, primul produs din fibră de sticlă (o barcă) a fost produs doar la începutul anilor 1940 .

În anii 1960, au apărut fibre de carbon și bor de înaltă rezistență; în timp ce la începutul anilor șaptezeci s-a născut fibra aramidică, cu numele comercial de kevlar .

Proprietăți și beneficii

Ca toate materialele compozite, FRP-urile au un comportament anizotrop și eterogen , dar prezintă un comportament elastic predominant liniar până la colaps.

Aceste materiale au diverse particularități, care variază în funcție de tipul de FRP individual și care determină domeniul de aplicare. Cu toate acestea, toate produsele întărite cu fibre au caracteristici comune, cum ar fi:

• lumină mare
• rezistență mecanică ridicată
• rezistență ridicată la coroziune
• izolatie termica ridicata
• proprietăți dielectrice și nemagnetice ridicate

Comportament static

Fibrele au o rezistență mare la tracțiune și, prin urmare, reprezintă elementele rezistente ale materialului armat cu fibre.

De fapt, atunci când un material întărit cu fibre suferă un efort de tracțiune axial, eforturile efective sunt absorbite de fibre, în timp ce matricei polimerice îi este încredințată singura sarcină de a le distribui printre fibre, determinând astfel o uniformitate a efortului între lor.

Rășina are și funcția de a proteja fibrele de uzură, precum și de a asigura o bună aliniere a acestora.

Materialele din FRP se caracterizează printr-un comportament elastic perfect liniar până la defecțiune.

Tipul matricei polimerice

În FRP, matricea polimerică este alcătuită în mod normal din rășini termorezistente ^[3] , în general rășini epoxidice și mai rar în poliester și poliuretan.

Tipul de fibre

țesătură din fibră de carbon pentru CFRP

Fibrele utilizate pentru producerea de FRP trebuie să aibă fie o rezistență mecanică ridicată, fie un modul elastic ridicat, în funcție de problema de confruntat.

Cele mai frecvente sunt:

• carbon : materialul armat cu fibre este cunoscut sub numele de CFRP ( Carbon Fiber Reinforced Polymer ). Fibrele pot fi:
  • modul de elasticitate ridicat: modul de elasticitate: 390 - 760 GPa ; rezistență la tracțiune: 2400 - 3400 MPa ;
  • rezistență ridicată: modul elastic: 240 - 280 GPa; rezistență la tracțiune: 4100 - 5100 MPa;
• sticlă ^[4] ; materialul întărit cu fibre se numește GFRP ( Polimer armat cu fibră de sticlă ) sau, în italiană, PRFV (poliester armat cu fibră de sticlă ). Fibrele de sticlă pot fi;
  • tip E: modul de elasticitate: 72 GPa; rezistență la tracțiune: 3445 MPa la temperatura camerei ^[5]
  • tip S: modul de elasticitate: 87 GPa; rezistență la tracțiune: 4890 MPa la temperatura camerei ^[5]
• aramid (vezi kevlar ): materialul armat cu fibre este cunoscut sub numele de AFRP ( Polimer armat cu fibre aramidice). Aceste fibre au: modul elastic: 60 -180 GPa; rezistență la tracțiune: 3600 -3800 MPa.

Mai puțin utilizate sunt borul și fibrele ceramice.

Fibrele sunt formate din filamente continue foarte subțiri (diametru de aproximativ 10 µm) care sunt disponibile comercial sub diferite forme, dintre care cele mai frecvente sunt:

• filament unic ( monofilament )
• mănunchi de filamente sau cablu de rotație ( remorcare ): format din mii de filamente paralele, asamblate fără răsucire;
• fire filate : obținute din mii de filamente paralele, asamblate prin răsucire;
• fire asamblate ( roving ): fire obținute prin asamblarea unui anumit număr de fire filate fără răsucire, dispuse paralel între ele.

fibrele înainte de utilizare sunt transformate în țesături sau pultrudate.

Țesături

Fibrele utilizate pentru întărirea matricei polimerice pot fi transformate în țesături realizate cu ajutorul războinicelor similare cu cele utilizate la producerea produselor textile tradiționale.
Din punct de vedere al configurației geometrice, acestea se pot distinge în:

țesuturi monoaxiale

- alcătuit din fibre sau fascicule de fibre dispuse toate paralel (urzeală) și ținute împreună de o bătătură de filamente care pot fi din același material ca fibrele urzelii sau, mai des, dintr-un material diferit (de exemplu, nailon sau poliester)

țesături biaxiale

- se obțin prin țeserea fasciculelor de fibre după două direcții ortogonale. Ele pot fi realizate folosind ambele fibre de același tip în ambele direcții și fibre de altă natură (de exemplu, carbon într-o direcție și aramid în cealaltă). În acest din urmă caz, materialul este definit ca „hibrid”.

țesături multiaxiale

- se obțin prin aranjarea fibrelor în mai multe direcții, care sunt înclinate diferit una de cealaltă. Pe piață există țesături triaxiale, cu mănunchiuri de fibre țesute de-a lungul a trei direcții înclinate la 120 ° unul față de celălalt și țesături quadriaxiale caracterizate prin prezența a patru ordine diferite de fibre înclinate la 135 ° unul față de celălalt.

În plus față de configurația geometrică, o țesătură este caracterizată de următorii parametri:

greutate (g / m ² );

lățime (mm, cm, m);

secțiune unitară rezistentă (mm ² / m);

rezistența la tracțiune (MPa);

modulul elastic (MPa);

alungire la rupere (%).

țesăturile astfel obținute sunt impregnate pe loc cu rășini polimerice.

Elemente pultrudate

Pultruziunea (din engleza pultrusion: pull + extrusion ) este procesul de producție prin care sunt fabricate unele artefacte compozite.
Această tehnologie constă într-un proces de extrudare similar cu cel utilizat pentru producerea cărămizilor în timpul cărora fibrele sunt trase pentru a asigura alinierea lor perfectă înainte de a fi impregnate cu matricea polimerică.
Un implant de pultruzie include de obicei:

o stație pentru derularea bobinelor de fibră continuă;

un rezervor pentru impregnarea fibrelor cu rășina polimerică;

o stație de turnare și întărire accelerată la cald sau cu microunde pentru a permite polimerizarea rapidă;

un sistem de șenile sau fălci care servesc pentru a exercita forța de tracțiune și pentru a permite avansarea produsului;

o stație pentru tăierea produsului finit la lungimea dorită.

Cu pultruziune se produc numai produse cu o secțiune constantă și cu fibre orientate toate într-o singură direcție.
Prin urmare, cu această tehnologie sunt produse numai foi, profile și bare de diferite forme și secțiuni.
Profilele pultrudate sunt, de exemplu, utilizate în construcții pentru construcția de corpuri de iluminat .

Aplicații

Pe piață există o gamă largă de produse FRP sub formă de foi, benzi, țesături, bare, profile, utilizate în diverse sectoare, cum ar fi:

• electric și energetic: de ex. rețele pentru delimitarea și închiderea transformatoarelor , liniilor electrice de înaltă tensiune, centralelor electrice și stațiilor;
• industrial;
• transport (auto, feroviar, naval și aeroportuar, aerospațial etc.): de ex. plase pentru armarea suprafețelor rutiere supuse traficului intens;
• civile și mai ales în domeniul construcțiilor (structuri de zidărie, beton armat , capac , metal și lemn).

Beton armat din FRP

Betoanele armate din FRP se obțin prin asocierea structurilor din beton armat normal sau precomprimat cu țesături, bare, foi și benzi în material compozit armat cu fibre.

Asocierea celor două materiale în construcții este utilizată din ce în ce mai frecvent pentru recuperarea structurilor existente, evitându-se astfel demolarea acestora. Cu toate acestea, materialele din FRP sunt utilizate și în construcția de clădiri noi.

Recuperarea structurală

Cele mai frecvente cazuri sunt:

• restabilirea durabilității și a capacității portante (consolidare) a structurilor deteriorate;
• structuri pentru care, pe parcursul vieții lor, sarcinile de proiectare accidentale s-au schimbat;
• structuri necorespunzătoare static din cauza erorilor de proiectare sau de construcție;
• adaptarea structurilor în urma modificărilor reglementărilor actuale (de exemplu, legislația seismică);
• reparații de structuri în urma unui eveniment seismic.

În câmpul seismic, FRP-urile permit creșterea capacității portante și / sau a ductilității unei structuri fără introducerea de noi mase seismice.

Tehnologii adoptate

Cele mai utilizate tehnologii pentru recuperarea structurală sunt:

• așezare manuală : în prezent cea mai răspândită tehnologie, constă în impregnarea țesăturilor uscate unidirecționale sau multidirecționale direct pe șantier folosind rășini epoxidice care acționează atât ca matrice, cât și ca adeziv pentru substratul structural. Această tehnologie poate fi conformă cu două metodologii:
  • întindere uscată - potrivită pentru lucrări mici, constă în esență dintr-o primă fază în care un grund epoxidic foarte fluid este împrăștiat pe substratul de beton care creează cele mai bune condiții de aderență a țesăturii, apoi primul strat de țesătură cu fibrele aliniate de-a lungul direcției dorite și, în final, țesătura este impregnată cu o rășină epoxidică fluidă aplicată, de asemenea, cu o rolă sau perie. Următoarele straturi sunt aplicate cu aceeași secvență;
  • întindere umedă - mai potrivită pentru efectuarea lucrărilor pe suprafețe mari., comparativ cu metoda anterioară, imediat după aplicarea grundului , țesătura tăiată anterior la dimensiunea dorită este aplicată și imersată direct într-o tavă care conține rășina epoxidică fluidă.
• metoda de lipire sau placare a plăcilor: constă în lipirea structurală cu rășini epoxidice de foi pultrudate (în general dreptunghiulare) direct pe substrat, nivelat corespunzător, al elementelor de beton armat normal sau pretensionat care urmează să fie consolidate. Această metodă se bazează pe placa de beton mai clasică în care foile utilizate sunt din oțel (lipite și / sau șurubate).
• Barele montate lângă suprafață sau NSM: constă din lipirea structurală a barelor cilindrice sau dreptunghiulare pultrudate cu rășini epoxidice. În acest caz, se creează caneluri speciale în grosimea betonului care constituie capacul de beton în care sunt poziționate și apoi lipite barele din FRP.

Rășinile epoxidice utilizate ca adeziv garantează atât o aderență excelentă între beton și materialul din FRP, cât și o transmisie adecvată a tensiunilor de forfecare între cele două materiale fără apariția unor fenomene vâscoase periculoase care determină o alunecare relativă între cele două materiale.

Principalele aplicații

Pentru consolidări și / sau armături structurale, cea mai utilizată fibră este cea a carbonului (poliacrilonitril) care garantează proprietăți mecanice ridicate.

Materialele armate cu fibre trebuie utilizate pentru a lucra exclusiv la tracțiune, de fapt:

• pentru consolidarea stâlpilor sau coloanelor (în general pentru elemente în principal comprimate) se folosește pe scară largă tehnologia de înfășurare care constă în încercuirea sau înfășurarea elementului cu benzi din FRP aplicate pe suprafața structurii cu tehnologia de întindere manuală . De fapt, confinarea betonului are scopul de a crește rezistența la rupere și ductilitatea conglomeratului de ciment.
• tehnologia de îngroșare a plăcilor este frecvent utilizată pentru consolidarea structurilor îndoite, cum ar fi grinzile și podelele , aplicând foile pultrudate într-o zonă încordată pentru a exploata rezistența ridicată la tracțiune a materialului compozit ^[6] . Sunt utilizate, de asemenea, țesături aplicate într-o zonă întinsă cu tehnologie de așezare manuală . Mai mult, cu utilizarea țesăturilor, este posibil să se elimine orice dezechilibru în ceea ce privește tăierea, înfășurând capetele grinzilor întotdeauna cu țesături aplicate cu tehnologia de așezare manuală . Mai puțin frecventă este utilizarea barelor cilindrice pultrudate aplicate într-o zonă tensionată cu tehnologia barelor montate aproape la suprafață

Ruperea cauzată de delaminare

La proiectarea unei structuri de îndoire din beton armat armat cu FRP este necesar să se evite mecanismul de defectare a delaminării.

Tensiunile de întindere aduse de armătură sunt transferate structurii armate prin solicitări de forfecare transmise de rășina utilizată pentru lipirea de suprafața betonului.

Ruptura prin delaminare este declanșată atunci când structura ajunge la criza sa înainte de a atinge starea limită finală în îndoire și / sau forfecare, după pierderea aderenței dintre materialul compozit și suprafața elementului de beton armat.

Acest mecanism de rupere este de tip fragil și, prin urmare, se manifestă brusc.

Ruptura prin delaminare, în funcție de caz, poate fi declanșată:

• în interiorul autocolantului;
• în interiorul stratului de armare FRP;
• în interiorul betonului cu îndepărtarea foilor de conglomerat, având de obicei o grosime de câțiva milimetri; dar în unele cazuri poate afecta întregul capac de beton ( peeling ).

Clădiri noi

În domeniul construcțiilor noi, materialele din FRP nu au avut dezvoltarea sperată.

Aceste materiale, deși au o ușurință ridicată și o rezistență mecanică în comparație cu materialele clasice de construcție, au limite de aplicare diferite:

• fragilitatea sistemelor de conectare între diferite elemente; pentru a depăși această problemă, se dezvoltă adezivi din ce în ce mai performanți, pentru a înlocui îmbinările din material metalic, care până acum câțiva ani părea a fi singura alternativă posibilă;
• imposibilitatea prelucrării pentru a obține piese speciale (crearea de etrieri și tije în formă în structuri din beton armat );
• costuri mari.

S-a încercat utilizarea profilelor din FRP pentru a le înlocui pe cele din oțel pentru construcția structurilor metalice și a barelor din FRP pentru a înlocui armătura tradițională din oțel (numai sub formă de bare drepte sau plase de distribuție a sarcinii) pentru construcția structurii din beton armat.

Certificare și marcare CE

Materialele din FRP se încadrează în cele prevăzute la litera c) de la punctul 11.1 din Standardele tehnice actuale pentru construcții, aprobate prin Decretul ministerial din 17 ianuarie 2018.

Sistemele FRP ^[7] care au obținut certificatul de verificare tehnică (CVT) conform Ghidurilor pentru identificarea, calificarea și controlul acceptării compozitelor armate cu fibre matriciale polimerice (FRP) din care vor fi utilizate pentru consolidarea structurală a clădirilor existente , publicat cu Decretul președintelui Consiliului Superior al Lucrărilor Publice nr. 220 din 9 iulie 2015. ^[8]

Ghidul menționat anterior include sisteme de armare FRP, realizate folosind fibre lungi și continue de sticlă, carbon sau aramidă și imersate într-o matrice polimerică termorezistentă, excluzând matricile polimerice termoplastice.

Legislație de referință

• CNR DT 200/2004 Instrucțiuni pentru proiectarea, executarea și controlul intervențiilor statice de consolidare prin utilizarea compozitelor armate cu fibre.Materiale, beton armat și structuri de capace, structuri de zidărie .
• CNR DT 201/2005 Studii preliminare menite să elaboreze Instrucțiuni referitoare la intervențiile de consolidare statică a structurilor din lemn prin utilizarea compozitelor armate cu fibre .
• CNR DT 202/2005 Studii preliminare menite să elaboreze Instrucțiuni referitoare la intervențiile de consolidare statică a structurilor metalice prin utilizarea de compozite armate cu fibre .
• CNR DT 203/2006 Instrucțiuni pentru proiectarea, construcția și controlul structurilor din beton armat cu bare din material compozit armat cu fibre .
• CNR DT 204/2006 Instrucțiuni pentru proiectarea, executarea și controlul structurilor din beton armat cu fibre .
• EN 13706 Părți 1-3 Materiale compozite din material plastic armat - Specificații pentru profile pultrudate .
• Liniile directoare privind protecția civilă pentru reducerea vulnerabilității elementelor nestructurale .
• Liniile directoare pentru identificarea, calificarea și controlul acceptării compozitelor polimerice-matriciale armate cu fibre (FRP) care vor fi utilizate pentru consolidarea structurală a clădirilor existente , aprobate prin Decretul președintelui Consiliului Superior al Lucrărilor Publice nr. 220 din 9 iulie 2015

Notă

Bibliografie

• R. Troli - F. Simonelli, Restaurarea structurilor din beton degradat , "Enco Journal" n. 58/2013

Elemente conexe

• Vetronit
• Kevlar
• Fibra de sticla
• Material compozit
• beton

Portal de inginerie

Portalul de materiale