La Cina ha fatto passi da gigante nella ricerca e nell’applicazione pratica del rinforzo strutturale e del rafforzamento utilizzando compositi in fibra di carbonio. I metodi comuni utilizzati in ingegneria includono l'allargamento della sezione, il rivestimento in acciaio, la precompressione, l'incollaggio di piastre in acciaio e l'incollaggio di compositi in fibra di carbonio. I metodi di rinforzo tradizionali sono generalmente obsoleti, con processi e tecniche di costruzione complessi che possono influire sul peso della struttura e sull'area utilizzabile. Al contrario, il metodo di incollaggio composito in fibra di carbonio offre vantaggi quali elevata robustezza, efficienza, resistenza alla corrosione, facilità di costruzione e nessun aumento delle dimensioni strutturali, rendendolo ampiamente utilizzato nei progetti di ingegneria.

1. Principi di rinforzo composito in fibra di carbonio

Il rinforzo in fibra di carbonio delle strutture in calcestruzzo è un metodo moderno la cui ricerca è iniziata negli anni '80 ed è stato introdotto in Cina nel 1996. Ha rapidamente guadagnato l'attenzione della comunità ingegneristica, diventando un argomento caldo per la ricerca e l'applicazione. Questo metodo prevede l’incollaggio di compositi in fibra di carbonio sulla superficie delle strutture in calcestruzzo, aumentandone la resistenza e migliorandone le prestazioni attraverso il lavoro collaborativo delle fibre e della struttura.

2. Materiali compositi in fibra di carbonio

I materiali principali utilizzati per rinforzare e riparare strutture in calcestruzzo con compositi in fibra di carbonio sono tessuti in fibra di carbonio e resine compatibili. I compositi in fibra di carbonio sono noti per la loro elevata resistenza, elevato modulo elastico, leggerezza ed eccellente resistenza alla corrosione, con una resistenza alla trazione circa dieci volte quella delle normali barre di acciaio. Le resine compatibili includono resine di base, resine livellanti e resine leganti. Queste resine migliorano la qualità del legame delle fibre di carbonio e aiutano a formare un corpo di materiale composito con il calcestruzzo, migliorando la resistenza alla flessione e al taglio della struttura.

2.1 Tessuti in fibra di carbonio

I tessuti in fibra di carbonio possono essere classificati in base alle materie prime in tessuti a base PAN, a base di viscosa e a base di asfalto. Variano anche in base alle specifiche, inclusi tessuti in fibra di carbonio da traino 1K, 3K, 6K, 12K e 24K o superiori e in base al processo di carbonizzazione in tessuti grafitizzati, carbonizzati e preossidati. Inoltre, differiscono nei metodi di tessitura, come tessuti intrecciati, lavorati a maglia, intrecciati e preimpregnati.

2.2 Materiali di incollaggio

Gli adesivi utilizzati per il rinforzo composito in fibra di carbonio comprendono tre tipi: primer (resina di base), resina di riparazione (materiale livellante o mastice) e resina impregnante. Il primer rinforza la superficie del calcestruzzo, migliorando il legame tra il calcestruzzo e i compositi in fibra di carbonio. La resina di ripristino livella la superficie del calcestruzzo facilitando l'adesione dei teli in fibra di carbonio. La resina impregnante lega le fibre di carbonio tra loro e al calcestruzzo, formando un materiale composito che resiste alle forze esterne. Le prestazioni della resina impregnante sono determinanti per l'efficace rinforzo delle strutture in calcestruzzo.

3. Prestazioni superiori delle strutture in cemento armato composito in fibra di carbonio

• Modulo elastico e ad alta resistenza:I compositi in fibra di carbonio offrono un'elevata resistenza alla trazione, circa dieci volte quella dell'acciaio, e un modulo elastico paragonabile all'acciaio.

• Resistenza alla corrosione e durata:I compositi in fibra di carbonio sono chimicamente stabili e non reagiscono con acidi, alcali o sali, fornendo un'eccellente resistenza alla corrosione e durata per le strutture rinforzate.

• Basso coefficiente di dilatazione termica:I compositi in fibra di carbonio hanno un coefficiente di dilatazione termica molto basso, quasi nullo nella direzione delle fibre.

• Facilità di costruzione e alta efficienza:Il rinforzo con tessuti in fibra di carbonio non richiede macchinari pesanti o attrezzature di grandi dimensioni, occupa uno spazio minimo e consente un taglio flessibile e un'installazione rapida.

• Qualità costruttiva garantita:I tessuti in fibra di carbonio, essendo flessibili, possono aderire bene alle superfici irregolari dopo le riparazioni, raggiungendo un tasso di adesione effettivo superiore al 95%.

• Impatto minimo sulle strutture:La leggerezza e il profilo sottile dei compositi in fibra di carbonio non aumentano significativamente il peso o le dimensioni della struttura originale, mantenendo lo spazio utilizzabile.

• Ampia gamma di applicazioni:Adatto per rinforzare diversi tipi di strutture, forme, materiali e vari punti deboli negli elementi strutturali.

4. Applicazioni del rinforzo composito in fibra di carbonio nelle strutture in calcestruzzo

Nell'ingegneria pratica, i tessuti in fibra di carbonio vengono utilizzati principalmente per il rinforzo. La tecnologia è matura e ampiamente applicata in diversi settori:

• Miglioramento della capacità di taglio:I tessuti in fibra di carbonio contribuiscono alla resistenza al taglio simile alle staffe e aiutano a prevenire lo snervamento prematuro dell'armatura principale trattenendo il calcestruzzo e sopportando le sollecitazioni di trazione.

• Aumentare la capacità di piegatura:Incollando i tessuti in fibra di carbonio alla superficie tesa degli elementi strutturali, la loro capacità di flessione viene notevolmente migliorata.

• Migliorare le prestazioni sismiche:I tessuti in fibra di carbonio possono migliorare la duttilità e la capacità di assorbimento di energia degli elementi in calcestruzzo, in particolare nei giunti trave-colonna e nei pilastri sottoposti a carico assiale, fornendo un eccellente rinforzo sismico.

• Aumentare la resistenza alla fatica:Le travi in ​​cemento armato e le travi in ​​cemento precompresso rinforzate con tessuti in fibra di carbonio mantengono resistenza e rigidità dopo ripetuti cicli di carico, estendendo significativamente la loro durata a fatica e riducendo la deformazione.

5. Limitazioni del rinforzo composito in fibra di carbonio nelle strutture in calcestruzzo

• Fragilità:Le fibre di carbonio sono elastiche lineari e fragili e richiedono una deformazione significativa della struttura per sfruttare appieno le loro proprietà.

• Problemi di adesione:Il rinforzo in fibra di carbonio può subire cedimenti di adesione, portando a modalità di cedimento fragile nelle strutture in cemento armato.

• Ricerca limitata sulle prestazioni a lungo termine:Mancano ricerche sulle prestazioni del calcestruzzo rinforzato con fibra di carbonio sotto carichi a lungo termine e di impatto.

• Lacune teoriche:Sebbene esista una ricerca approfondita sui meccanismi di rinforzo a taglio e flessione dei materiali in fibra di carbonio in travi e colonne, vi è una comprensione limitata della loro applicazione nelle pareti a taglio.

Nel complesso, la tecnologia di rinforzo composito in fibra di carbonio offre significativi vantaggi economici, sociali e ambientali. Con lo sviluppo di materiali in fibra di carbonio, la riduzione dei costi di produzione e la ricerca continua, questa tecnologia vedrà una crescente applicazione nel rinforzo delle strutture in calcestruzzo, promettendo un futuro luminoso.