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Il calcestruzzo rinforzato con polimeri (FRP) è considerato un metodo innovativo ed economico di riparazione strutturale.In questo studio, sono stati selezionati due materiali tipici [polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) e polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP)] per studiare l'effetto di rinforzo del calcestruzzo in ambienti difficili.È stata discussa la resistenza dei calcestruzzi contenenti FRP all'attacco dei solfati e ai relativi cicli di gelo-disgelo.Microscopia elettronica per studiare il degrado superficiale e interno del calcestruzzo durante l'erosione coniugata.Il grado e il meccanismo della corrosione del solfato di sodio sono stati analizzati mediante valore di pH, microscopia elettronica SEM e spettro energetico EMF.I test di resistenza alla compressione assiale sono stati utilizzati per valutare l'armatura delle colonne in calcestruzzo vincolate con FRP e sono state derivate le relazioni sforzo-deformazione per vari metodi di ritenzione FRP in un ambiente accoppiato erosivo.L'analisi degli errori è stata eseguita per calibrare i risultati dei test sperimentali utilizzando quattro modelli predittivi esistenti.Tutte le osservazioni indicano che il processo di degrado del calcestruzzo limitato con FRP è complesso e dinamico sotto sollecitazioni coniugate.Il solfato di sodio inizialmente aumenta la resistenza del calcestruzzo nella sua forma grezza.Tuttavia, i successivi cicli di gelo-disgelo possono esacerbare la fessurazione del calcestruzzo e il solfato di sodio riduce ulteriormente la resistenza del calcestruzzo promuovendo la fessurazione.Viene proposto un modello numerico accurato per simulare la relazione sforzo-deformazione, che è fondamentale per la progettazione e la valutazione del ciclo di vita del calcestruzzo vincolato con FRP.
Come metodo innovativo di rinforzo del calcestruzzo che è stato oggetto di ricerca sin dagli anni '70, FRP presenta i vantaggi di leggerezza, elevata resistenza, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica e costruzione conveniente1,2,3.Man mano che i costi diminuiscono, sta diventando più comune nelle applicazioni ingegneristiche come la fibra di vetro (GFRP), la fibra di carbonio (CFRP), la fibra di basalto (BFRP) e la fibra aramidica (AFRP), che sono gli FRP più comunemente usati per il rinforzo strutturale4, 5 Il metodo di ritenzione FRP proposto può migliorare le prestazioni del calcestruzzo ed evitare il collasso prematuro.Tuttavia, vari ambienti esterni nell'ingegneria meccanica spesso influiscono sulla durabilità del calcestruzzo limitato da FRP, compromettendone la resistenza.
Diversi ricercatori hanno studiato i cambiamenti di sollecitazione e deformazione nel calcestruzzo con diverse forme e dimensioni della sezione trasversale.Yang et al.6 ha scoperto che lo stress e la deformazione finali erano correlati positivamente con la crescita dello spessore del tessuto fibroso.Wu et al.7 hanno ottenuto curve sforzo-deformazione per calcestruzzo vincolato con FRP utilizzando vari tipi di fibre per prevedere le deformazioni e i carichi ultimi.Lin et al.8 hanno scoperto che anche i modelli di sollecitazione-deformazione FRP per barre tonde, quadrate, rettangolari ed ellittiche differiscono notevolmente e hanno sviluppato un nuovo modello di sollecitazione-deformazione orientato al design utilizzando il rapporto tra larghezza e raggio dell'angolo come parametri.Lam et al.9 hanno osservato che la sovrapposizione e la curvatura non uniformi dell'FRP risultavano in una minore deformazione per frattura e sollecitazione nell'FRP rispetto alle prove di trazione della soletta.Inoltre, gli scienziati hanno studiato vincoli parziali e nuovi metodi di vincolo in base alle diverse esigenze di progettazione del mondo reale.Wang et al.[10] hanno eseguito test di compressione assiale su calcestruzzo completo, parziale e non ristretto in tre modalità limitate.È stato sviluppato un modello "deformazione-tensione" e sono forniti i coefficienti dell'effetto limite per calcestruzzo parzialmente chiuso.Wu et al.11 ha sviluppato un metodo per prevedere la dipendenza tensione-deformazione del calcestruzzo vincolato con FRP che tiene conto degli effetti dimensionali.Moran et al.12 hanno valutato le proprietà di compressione assiale monotona del calcestruzzo vincolato con strisce elicoidali in FRP e ne hanno derivato le curve sforzo-deformazione.Tuttavia, lo studio di cui sopra esamina principalmente la differenza tra calcestruzzo parzialmente chiuso e calcestruzzo completamente chiuso.Il ruolo degli FRP che limitano parzialmente le sezioni in calcestruzzo non è stato studiato in dettaglio.
Inoltre, lo studio ha valutato le prestazioni del calcestruzzo limitato con FRP in termini di resistenza alla compressione, variazione di deformazione, modulo iniziale di elasticità e modulo di incrudimento in varie condizioni.Tijani et al.13,14 hanno rilevato che la riparabilità del calcestruzzo limitato da FRP diminuisce con l'aumentare del danno negli esperimenti di riparazione FRP su calcestruzzo inizialmente danneggiato.Ma et al.[15] hanno studiato l'effetto del danno iniziale su pilastri in calcestruzzo vincolati con FRP e hanno considerato che l'effetto del grado di danno sulla resistenza alla trazione era trascurabile, ma aveva un effetto significativo sulle deformazioni laterali e longitudinali.Tuttavia, Cao et al.16 curve sforzo-deformazione osservate e curve d'inviluppo sforzo-deformazione del calcestruzzo vincolato con FRP interessato dal danno iniziale.Oltre agli studi sul cedimento iniziale del calcestruzzo, sono stati condotti anche alcuni studi sulla durabilità del calcestruzzo con FRP limitato in condizioni ambientali difficili.Questi scienziati hanno studiato il degrado del calcestruzzo con limitazioni di FRP in condizioni difficili e hanno utilizzato tecniche di valutazione dei danni per creare modelli di degrado per prevedere la vita utile.Xi et al.17 hanno collocato il calcestruzzo vincolato con FRP in un ambiente idrotermico e hanno scoperto che le condizioni idrotermiche influenzavano in modo significativo le proprietà meccaniche dell'FRP, determinando una graduale diminuzione della sua resistenza alla compressione.In un ambiente acido-base, l'interfaccia tra CFRP e calcestruzzo si deteriora.All'aumentare del tempo di immersione, il tasso di rilascio dell'energia di distruzione dello strato CFRP diminuisce in modo significativo, il che alla fine porta alla distruzione dei campioni interfacciali18,19,20.Inoltre, alcuni scienziati hanno anche studiato gli effetti del congelamento e dello scongelamento sul calcestruzzo a contenuto limitato di FRP.Liu et al.21 hanno osservato che l'armatura in CFRP ha una buona durabilità nei cicli di gelo-disgelo in base al modulo dinamico relativo, alla resistenza alla compressione e al rapporto sforzo-deformazione.Inoltre, viene proposto un modello associato al deterioramento delle proprietà meccaniche del calcestruzzo.Tuttavia, Peng et al.22 hanno calcolato la durata del CFRP e degli adesivi per calcestruzzo utilizzando i dati relativi alla temperatura e al ciclo di congelamento-scongelamento.Guan et al.23 ha condotto test rapidi di gelo-disgelo del calcestruzzo e ha proposto un metodo per valutare la resistenza al gelo basato sullo spessore dello strato danneggiato sotto l'esposizione al gelo-disgelo.Yazdani et al.24 hanno studiato l'effetto degli strati di FRP sulla penetrazione degli ioni cloruro nel calcestruzzo.I risultati mostrano che lo strato FRP è chimicamente resistente e isola il calcestruzzo interno dagli ioni cloruro esterni.Liu et al.25 hanno simulato condizioni di peel test per calcestruzzo FRP corroso da solfato, creato un modello di scorrimento e previsto il degrado dell'interfaccia FRP-calcestruzzo.Wang et al.26 ha stabilito un modello sforzo-deformazione per calcestruzzo eroso con solfato vincolato da FRP attraverso prove di compressione uniassiale.Zhou et al.[27] hanno studiato i danni al calcestruzzo non confinato causati da cicli combinati di gelo-disgelo del sale e per la prima volta hanno utilizzato una funzione logistica per descrivere il meccanismo di rottura.Questi studi hanno compiuto progressi significativi nella valutazione della durabilità del calcestruzzo con FRP limitato.Tuttavia, la maggior parte dei ricercatori si è concentrata sulla modellazione dei media erosivi in ​​​​una condizione sfavorevole.Il calcestruzzo è spesso danneggiato a causa dell'erosione associata causata da varie condizioni ambientali.Queste condizioni ambientali combinate degradano gravemente le prestazioni del calcestruzzo con limitazioni di FRP.
I cicli di solfatazione e gelo-disgelo sono due tipici parametri importanti che influenzano la durabilità del calcestruzzo.La tecnologia di localizzazione FRP può migliorare le proprietà del calcestruzzo.È ampiamente utilizzato nell'ingegneria e nella ricerca, ma attualmente ha i suoi limiti.Diversi studi si sono concentrati sulla resistenza del calcestruzzo con limitato FRP alla corrosione da solfato nelle regioni fredde.Il processo di erosione del calcestruzzo completamente chiuso, semichiuso e aperto da solfato di sodio e gelo-disgelo merita uno studio più dettagliato, in particolare il nuovo metodo semichiuso descritto in questo articolo.È stato inoltre studiato l'effetto di rinforzo su pilastri in calcestruzzo scambiando l'ordine di ritenzione ed erosione di FRP.I cambiamenti microcosmici e macroscopici nel campione causati dall'erosione del legame sono stati caratterizzati da microscopio elettronico, test del pH, microscopio elettronico SEM, analisi dello spettro energetico EMF e test meccanico uniassiale.Inoltre, questo studio discute le leggi che regolano la relazione sforzo-deformazione che si verifica nelle prove meccaniche uniassiali.I valori di sollecitazione e deformazione limite verificati sperimentalmente sono stati convalidati mediante analisi degli errori utilizzando quattro modelli di sollecitazione-deformazione limite esistenti.Il modello proposto può prevedere completamente la deformazione e la resistenza finale del materiale, che è utile per la futura pratica di rinforzo FRP.Infine, funge da base concettuale per il concetto di resistenza al gelo salino del calcestruzzo FRP.
Questo studio valuta il deterioramento del calcestruzzo limitato da FRP utilizzando la corrosione da soluzione di solfato in combinazione con cicli di gelo-disgelo.I cambiamenti microscopici e macroscopici causati dall'erosione del calcestruzzo sono stati dimostrati mediante microscopia elettronica a scansione, test del pH, spettroscopia energetica EDS e test meccanici uniassiali.Inoltre, sono state studiate le proprietà meccaniche e le variazioni di sollecitazione-deformazione del calcestruzzo vincolato con FRP soggetto ad erosione legata mediante esperimenti di compressione assiale.
Il calcestruzzo confinato FRP è costituito da calcestruzzo grezzo, materiale di rivestimento esterno FRP e adesivo epossidico.Sono stati selezionati due materiali isolanti esterni: CFRP e GRP, le proprietà dei materiali sono mostrate nella Tabella 1. Le resine epossidiche A e B sono state utilizzate come adesivi (rapporto di miscelazione 2:1 in volume).Riso.1 illustra i dettagli della costruzione di materiali di miscela di calcestruzzo.Nella Figura 1a è stato utilizzato il cemento Portland Swan PO 42.5.Gli aggregati grossolani sono pietre di basalto frantumate con un diametro rispettivamente di 5-10 e 10-19 mm, come mostrato in fig.1b e c.Come riempitivo fine in Fig. 1g è stata utilizzata sabbia di fiume naturale con un modulo di finezza di 2,3.Preparare una soluzione di solfato di sodio dai granuli di solfato di sodio anidro e una certa quantità di acqua.
La composizione della miscela di calcestruzzo: a – cemento, b – aggregato 5–10 mm, c – aggregato 10–19 mm, d – sabbia fluviale.
La resistenza di progetto del calcestruzzo è di 30 MPa, il che si traduce in un assestamento del calcestruzzo fresco da 40 a 100 mm.Il rapporto di miscelazione del calcestruzzo è mostrato nella Tabella 2 e il rapporto di aggregato grosso 5-10 mm e 10-20 mm è 3:7.L'effetto dell'interazione con l'ambiente è stato modellato preparando prima una soluzione di NaSO4 al 10% e poi versando la soluzione in una camera con ciclo di congelamento-scongelamento.
Le miscele di calcestruzzo sono state preparate in un mescolatore forzato da 0,5 m3 e l'intero lotto di calcestruzzo è stato utilizzato per posare i campioni richiesti.Prima di tutto, gli ingredienti del calcestruzzo vengono preparati secondo la Tabella 2 e il cemento, la sabbia e l'aggregato grosso vengono premiscelati per tre minuti.Quindi distribuire uniformemente l'acqua e mescolare per 5 minuti.Successivamente, i campioni di calcestruzzo sono stati colati in stampi cilindrici e compattati su un tavolo vibrante (diametro stampo 10 cm, altezza 20 cm).
Dopo la polimerizzazione per 28 giorni, i campioni sono stati avvolti con materiale FRP.Questo studio discute tre metodi per le colonne in cemento armato, tra cui completamente chiuso, semi-vincolato e senza restrizioni.Due tipi, CFRP e GFRP, vengono utilizzati per materiali limitati.FRP Scocca in cemento FRP completamente chiusa, alta 20 cm e lunga 39 cm.La parte superiore e quella inferiore del calcestruzzo legato con FRP non sono state sigillate con resina epossidica.Il processo di test semiermetico come tecnologia ermetica proposta di recente è descritto come segue.
(2) Usando un righello, tracciare una linea sulla superficie cilindrica di cemento per determinare la posizione delle strisce FRP, la distanza tra le strisce è di 2,5 cm.Quindi avvolgere il nastro attorno alle aree di cemento in cui non è necessario FRP.
(3) La superficie del calcestruzzo è lucidata liscia con carta vetrata, pulita con lana d'alcool e rivestita con resina epossidica.Quindi incollare manualmente le strisce di fibra di vetro sulla superficie del calcestruzzo e premere le fessure in modo che la fibra di vetro aderisca completamente alla superficie del calcestruzzo ed eviti la formazione di bolle d'aria.Infine, incollare le strisce FRP sulla superficie di cemento dall'alto verso il basso, secondo i segni fatti con un righello.
(4) Dopo mezz'ora, controllare se il calcestruzzo si è separato dal FRP.Se il FRP scivola o sporge, dovrebbe essere riparato immediatamente.I campioni stampati devono essere polimerizzati per 7 giorni per garantire la resistenza alla polimerizzazione.
(5) Dopo l'indurimento, utilizzare un taglierino per rimuovere il nastro dalla superficie del calcestruzzo e infine ottenere una colonna di calcestruzzo FRP semiermetica.
I risultati sotto vari vincoli sono mostrati in fig.2. La Figura 2a mostra un calcestruzzo CFRP completamente chiuso, la Figura 2b mostra un calcestruzzo CFRP semi-generalizzato, la Figura 2c mostra un calcestruzzo GFRP completamente chiuso e la Figura 2d mostra un calcestruzzo CFRP semivincolato.
Stili chiusi: (a) CFRP completamente chiuso;(b) fibra di carbonio semichiusa;(c) completamente racchiuso in fibra di vetro;(d) fibra di vetro semichiusa.
Esistono quattro parametri principali progettati per studiare l'effetto dei vincoli FRP e delle sequenze di erosione sulle prestazioni di controllo dell'erosione dei cilindri.La tabella 3 mostra il numero di campioni di colonne in calcestruzzo.I campioni per ciascuna categoria consistevano in tre campioni di stato identici per mantenere i dati coerenti.La media di tre campioni è stata analizzata per tutti i risultati sperimentali in questo articolo.
(1) Il materiale ermetico è classificato come fibra di carbonio o fibra di vetro.È stato effettuato un confronto dell'effetto di due tipi di fibre sull'armatura del calcestruzzo.
(2) I metodi di contenimento delle colonne in calcestruzzo sono divisi in tre tipi: completamente limitati, semi-limitati e illimitati.La resistenza all'erosione delle colonne in calcestruzzo semichiuse è stata confrontata con altre due varietà.
(3) Le condizioni di erosione sono cicli di gelo-disgelo più soluzione di solfato e il numero di cicli di gelo-disgelo è rispettivamente di 0, 50 e 100 volte.È stato studiato l'effetto dell'erosione accoppiata su pilastri in calcestruzzo vincolati con FRP.
(4) I provini sono divisi in tre gruppi.Il primo gruppo è l'avvolgimento in FRP e poi la corrosione, il secondo gruppo è prima la corrosione e poi l'avvolgimento, e il terzo gruppo è prima la corrosione e poi l'avvolgimento e poi la corrosione.
La procedura sperimentale utilizza una macchina di prova universale, una macchina di prova di trazione, un'unità di ciclo di congelamento-scongelamento (tipo CDR-Z), un microscopio elettronico, un pHmetro, un estensimetro, un dispositivo di spostamento, un microscopio elettronico SEM e un Analizzatore di spettro energetico EDS in questo studio.Il campione è una colonna di cemento di 10 cm di altezza e 20 cm di diametro.Il calcestruzzo è stato indurito entro 28 giorni dal getto e dalla compattazione, come mostrato nella Figura 3a.Tutti i campioni sono stati sformati dopo la fusione e mantenuti per 28 giorni a 18-22°C e 95% di umidità relativa, quindi alcuni campioni sono stati avvolti con fibra di vetro.
Metodi di prova: a) apparecchiature per mantenere temperatura e umidità costanti;(b) una macchina per cicli di gelo e disgelo;(c) macchina di prova universale;(d) misuratore di pH;(e) osservazione microscopica.
L'esperimento di congelamento-scongelamento utilizza il metodo di congelamento flash come mostrato nella Figura 3b.Secondo GB/T 50082-2009 "Standard di durabilità per calcestruzzo convenzionale", i campioni di calcestruzzo sono stati completamente immersi in una soluzione di solfato di sodio al 10% a 15-20°C per 4 giorni prima del congelamento e dello scongelamento.Successivamente, l'attacco del solfato inizia e termina contemporaneamente al ciclo di congelamento-scongelamento.Il tempo del ciclo di congelamento-scongelamento è compreso tra 2 e 4 ore e il tempo di scongelamento non deve essere inferiore a 1/4 del tempo del ciclo.La temperatura interna del campione deve essere mantenuta nell'intervallo da (-18±2) a (5±2) °С.Il passaggio dal congelamento allo scongelamento non dovrebbe richiedere più di dieci minuti.Tre campioni cilindrici identici di ciascuna categoria sono stati utilizzati per studiare la perdita di peso e il cambiamento di pH della soluzione su 25 cicli di congelamento-scongelamento, come mostrato in Fig. 3d.Dopo ogni 25 cicli di congelamento-scongelamento, i campioni sono stati rimossi e le superfici pulite prima di determinarne il peso fresco (Wd).Tutti gli esperimenti sono stati condotti in triplicato dei campioni e i valori medi sono stati utilizzati per discutere i risultati del test.Le formule per la perdita di massa e resistenza del campione sono determinate come segue:
Nella formula, ΔWd è la perdita di peso (%) del campione dopo ogni 25 cicli di gelo-disgelo, W0 è il peso medio del campione di calcestruzzo prima del ciclo di gelo-disgelo (kg), Wd è il peso medio del calcestruzzo.peso del campione dopo 25 cicli di congelamento-scongelamento (kg).
Il coefficiente di degradazione della resistenza del campione è caratterizzato da Kd e la formula di calcolo è la seguente:
Nella formula, ΔKd è il tasso di perdita di resistenza (%) del campione dopo ogni 50 cicli di gelo-disgelo, f0 è la resistenza media del campione di calcestruzzo prima del ciclo di gelo-disgelo (MPa), fd è la resistenza media di il campione di calcestruzzo per 50 cicli di gelo-disgelo (MPa).
Sulla fig.3c mostra una macchina di prova a compressione per provini di calcestruzzo.In conformità con lo "Standard per i metodi di prova per le proprietà fisiche e meccaniche del calcestruzzo" (GBT50081-2019), viene definito un metodo per testare le colonne in calcestruzzo per la resistenza alla compressione.La velocità di carico nel test di compressione è di 0,5 MPa/s e durante il test viene utilizzato un carico continuo e sequenziale.La relazione carico-spostamento per ciascun provino è stata registrata durante le prove meccaniche.Gli estensimetri sono stati fissati alle superfici esterne degli strati di calcestruzzo e FRP dei provini per misurare le deformazioni assiali e orizzontali.La cella di deformazione viene utilizzata nelle prove meccaniche per registrare la variazione della deformazione del provino durante una prova di compressione.
Ogni 25 cicli di congelamento-scongelamento, un campione della soluzione di congelamento-scongelamento veniva prelevato e posto in un contenitore.Sulla fig.3d mostra un test del pH di una soluzione campione in un contenitore.L'esame microscopico della superficie e della sezione trasversale del campione in condizioni di congelamento-scongelamento è mostrato in Fig. 3d.Al microscopio è stato osservato lo stato della superficie di vari campioni dopo 50 e 100 cicli di congelamento-scongelamento in soluzione di solfato.Il microscopio utilizza un ingrandimento 400x.Quando si osserva la superficie del campione, si osserva principalmente l'erosione dello strato FRP e dello strato esterno di calcestruzzo.L'osservazione della sezione trasversale del campione seleziona sostanzialmente le condizioni di erosione a una distanza di 5, 10 e 15 mm dallo strato esterno.La formazione di prodotti solfati e cicli di gelo e disgelo richiedono ulteriori test.Pertanto, la superficie modificata dei campioni selezionati è stata esaminata utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM) dotato di uno spettrometro a dispersione di energia (EDS).
Ispezionare visivamente la superficie del campione con un microscopio elettronico e selezionare l'ingrandimento 400X.Il grado di danneggiamento superficiale nel calcestruzzo semichiuso e senza giunti in PRFV sottoposto a cicli di gelo-disgelo ed esposizione ai solfati è piuttosto elevato, mentre nel calcestruzzo completamente chiuso è trascurabile.La prima categoria si riferisce al verificarsi dell'erosione del calcestruzzo a flusso libero da parte del solfato di sodio e da 0 a 100 cicli di gelo-disgelo, come mostrato in Fig. 4a.I campioni di calcestruzzo senza esposizione al gelo hanno una superficie liscia senza caratteristiche visibili.Dopo 50 erosioni, il blocco di polpa sulla superficie si è parzialmente staccato, esponendo il guscio bianco della polpa.Dopo 100 erosioni, i gusci delle soluzioni sono caduti completamente durante un'ispezione visiva della superficie del calcestruzzo.L'osservazione al microscopio ha mostrato che la superficie del calcestruzzo eroso dal gelo-disgelo era liscia e l'aggregato superficiale e la malta erano sullo stesso piano.È stata osservata una superficie irregolare e ruvida su una superficie di calcestruzzo erosa da 50 cicli di gelo-disgelo.Ciò può essere spiegato dal fatto che una parte della malta viene distrutta e una piccola quantità di cristalli granulari bianchi aderisce alla superficie, che è composta principalmente da aggregato, malta e cristalli bianchi.Dopo 100 cicli di gelo-disgelo, sulla superficie del calcestruzzo è comparsa una vasta area di cristalli bianchi, mentre l'aggregato grossolano scuro è stato esposto all'ambiente esterno.Attualmente, la superficie del calcestruzzo è per lo più inerte a vista e cristalli bianchi.
Morfologia di una colonna di calcestruzzo erosivo gelo-disgelo: (a) colonna di calcestruzzo non vincolata;(b) cemento armato in fibra di carbonio semichiuso;(c) Calcestruzzo semichiuso in PRFV;(d) calcestruzzo CFRP completamente chiuso;(e) Calcestruzzo semichiuso in PRFV.
La seconda categoria è la corrosione di colonne semiermetiche in calcestruzzo CFRP e GRP sotto cicli di gelo-disgelo ed esposizione a solfati, come mostrato in Fig. 4b, c.L'ispezione visiva (ingrandimento 1x) ha mostrato che sulla superficie dello strato fibroso si formava gradualmente una polvere bianca, che si staccava rapidamente con un aumento del numero di cicli di congelamento-scongelamento.L'erosione superficiale illimitata del calcestruzzo semiermetico FRP è diventata più pronunciata con l'aumento del numero di cicli di gelo-disgelo.Il fenomeno visibile del "gonfiore" (la superficie aperta della soluzione della colonna di cemento è sull'orlo del collasso).Tuttavia, il fenomeno del peeling è parzialmente ostacolato dall'adiacente rivestimento in fibra di carbonio).Al microscopio, le fibre di carbonio sintetico appaiono come fili bianchi su sfondo nero a 400 ingrandimenti.A causa della forma rotonda delle fibre e dell'esposizione alla luce non uniforme, appaiono bianche, ma i fasci di fibre di carbonio sono neri.La vetroresina è inizialmente filiforme bianca, ma a contatto con l'adesivo diventa trasparente ed è chiaramente visibile lo stato del cemento all'interno della fibra di vetro.La fibra di vetro è di un bianco brillante e il legante è giallastro.Entrambi sono di colore molto chiaro, quindi il colore della colla nasconderà i fili di fibra di vetro, conferendo all'aspetto generale una sfumatura giallastra.Le fibre di carbonio e di vetro sono protette dai danni da una resina epossidica esterna.Con l'aumentare del numero di attacchi di congelamento-scongelamento, sulla superficie sono diventati visibili più vuoti e alcuni cristalli bianchi.Con l'aumentare del ciclo di congelamento del solfato, il legante si assottiglia gradualmente, il colore giallastro scompare e le fibre diventano visibili.
La terza categoria è la corrosione del calcestruzzo CFRP e GRP completamente chiuso sotto cicli di gelo-disgelo ed esposizione a solfati, come mostrato in Fig. 4d, e.Ancora una volta, i risultati osservati sono simili a quelli per il secondo tipo di sezione vincolata della colonna in calcestruzzo.
Confronta i fenomeni osservati dopo aver applicato i tre metodi di contenimento sopra descritti.I tessuti fibrosi nel calcestruzzo FRP completamente isolato rimangono stabili all'aumentare del numero di cicli di gelo-disgelo.D'altra parte, lo strato di anello adesivo è più sottile sulla superficie.Le resine epossidiche reagiscono principalmente con gli ioni idrogeno attivi nell'acido solforico ad anello aperto e difficilmente reagiscono con i solfati28.Pertanto, si può ritenere che l'erosione modifichi principalmente le proprietà dello strato adesivo a seguito di cicli di gelo-disgelo, modificando così l'effetto rinforzante dell'FRP.La superficie del calcestruzzo semiermetico FRP presenta lo stesso fenomeno di erosione della superficie del calcestruzzo senza restrizioni.Il suo strato FRP corrisponde allo strato FRP del calcestruzzo completamente chiuso e il danno non è evidente.Tuttavia, nel calcestruzzo semi-sigillato in vetroresina, si verificano estese fessure erosive nel punto in cui le strisce di fibre si intersecano con il calcestruzzo a vista.L'erosione delle superfici in calcestruzzo esposte diventa più grave con l'aumentare del numero di cicli di gelo-disgelo.
Gli interni di calcestruzzo FRP completamente chiuso, semichiuso e senza restrizioni hanno mostrato differenze significative se sottoposti a cicli di gelo-disgelo ed esposizione a soluzioni di solfato.Il campione è stato tagliato trasversalmente e la sezione trasversale è stata osservata utilizzando un microscopio elettronico a 400 ingrandimenti.Sulla fig.5 mostra immagini microscopiche a una distanza rispettivamente di 5 mm, 10 mm e 15 mm dal confine tra calcestruzzo e malta.È stato osservato che quando la soluzione di solfato di sodio è combinata con il gelo-disgelo, il danno al calcestruzzo viene progressivamente scomposto dalla superficie verso l'interno.Poiché le condizioni di erosione interna del calcestruzzo vincolato con CFRP e GFRP sono le stesse, questa sezione non confronta i due materiali di contenimento.
Osservazione microscopica dell'interno della sezione in calcestruzzo della colonna: (a) completamente delimitata da fibra di vetro;(b) semichiuso con fibra di vetro;c) illimitato.
L'erosione interna del calcestruzzo FRP completamente racchiuso è mostrata in fig.5a.Le crepe sono visibili a 5 mm, la superficie è relativamente liscia, non c'è cristallizzazione.La superficie è liscia, senza cristalli, spessore da 10 a 15 mm.L'erosione interna del calcestruzzo semiermetico FRP è mostrata in fig.5 B. Sono visibili crepe e cristalli bianchi a 5 mm e 10 mm e la superficie è liscia a 15 mm.La Figura 5c mostra sezioni di pilastri in calcestruzzo FRP in cui sono state riscontrate crepe a 5, 10 e 15 mm.Alcuni cristalli bianchi nelle fessure sono diventati progressivamente più rari man mano che le fessure si spostavano dall'esterno del cemento verso l'interno.I pilastri in calcestruzzo senza fine hanno mostrato la maggiore erosione, seguiti dai pilastri in calcestruzzo FRP semivincolati.Il solfato di sodio ha avuto scarso effetto sull'interno di campioni di calcestruzzo FRP completamente chiusi oltre 100 cicli di congelamento-scongelamento.Ciò indica che la causa principale dell'erosione del calcestruzzo FRP completamente vincolato è associata all'erosione da gelo-disgelo per un periodo di tempo.L'osservazione della sezione trasversale ha mostrato che la sezione immediatamente prima del congelamento e del disgelo era liscia e priva di aggregati.Quando il calcestruzzo si congela e si scongela, sono visibili crepe, lo stesso vale per l'aggregato ei cristalli granulari bianchi sono densamente ricoperti di crepe.Studi27 hanno dimostrato che quando il calcestruzzo viene posto in una soluzione di solfato di sodio, il solfato di sodio penetrerà nel calcestruzzo, parte del quale precipiterà sotto forma di cristalli di solfato di sodio e parte reagirà con il cemento.I cristalli di solfato di sodio e i prodotti di reazione sembrano granuli bianchi.
FRP limita completamente le crepe del calcestruzzo nell'erosione coniugata, ma la sezione è liscia senza cristallizzazione.D'altra parte, le sezioni in calcestruzzo FRP semichiuse e non ristrette hanno sviluppato crepe interne e cristallizzazione sotto erosione coniugata.Secondo la descrizione dell'immagine e gli studi precedenti29, il processo di erosione articolare del calcestruzzo FRP non ristretto e semi-ristretto è diviso in due fasi.Il primo stadio della fessurazione del calcestruzzo è associato all'espansione e alla contrazione durante il gelo-disgelo.Quando il solfato penetra nel calcestruzzo e diventa visibile, il corrispondente solfato riempie le fessure create dal ritiro da reazioni di gelo-disgelo e di idratazione.Pertanto, il solfato ha uno speciale effetto protettivo sul calcestruzzo in una fase iniziale e può migliorare in una certa misura le proprietà meccaniche del calcestruzzo.La seconda fase dell'attacco del solfato continua, penetrando in crepe o vuoti e reagendo con il cemento per formare allume.Di conseguenza, la crepa cresce di dimensioni e provoca danni.Durante questo periodo, le reazioni di espansione e contrazione associate al congelamento e allo scongelamento aggraveranno i danni interni al calcestruzzo, determinando una riduzione della capacità portante.
Sulla fig.6 mostra le variazioni di pH delle soluzioni di impregnazione del calcestruzzo per tre metodi limitati monitorati dopo 0, 25, 50, 75 e 100 cicli di congelamento-scongelamento.Le malte cementizie FRP non ristrette e semichiuse hanno mostrato l'aumento più rapido del pH da 0 a 25 cicli di congelamento-scongelamento.I loro valori di pH sono aumentati rispettivamente da 7,5 a 11,5 e 11,4.Con l'aumentare del numero di cicli di congelamento-scongelamento, l'aumento del pH è gradualmente rallentato dopo 25-100 cicli di congelamento-scongelamento.I loro valori di pH sono aumentati rispettivamente da 11,5 e 11,4 a 12,4 e 11,84.Poiché il calcestruzzo FRP completamente incollato copre lo strato FRP, è difficile che la soluzione di solfato di sodio penetri.Allo stesso tempo, è difficile che la composizione cementizia penetri nelle soluzioni esterne.Pertanto, il pH è aumentato gradualmente da 7,5 a 8,0 tra 0 e 100 cicli di congelamento-scongelamento.La ragione del cambiamento di pH viene analizzata come segue.Il silicato nel calcestruzzo si combina con gli ioni idrogeno nell'acqua per formare acido silicico, e il restante OH- aumenta il pH della soluzione satura.La variazione del pH era più pronunciata tra 0-25 cicli di congelamento-scongelamento e meno pronunciata tra 25-100 cicli di congelamento-scongelamento30.Tuttavia, è stato riscontrato che il pH ha continuato ad aumentare dopo 25-100 cicli di congelamento-scongelamento.Ciò può essere spiegato dal fatto che il solfato di sodio reagisce chimicamente con l'interno del calcestruzzo, modificando il pH della soluzione.L'analisi della composizione chimica mostra che il calcestruzzo reagisce con il solfato di sodio nel modo seguente.
Le formule (3) e (4) mostrano che il solfato di sodio e l'idrossido di calcio nel cemento formano gesso (solfato di calcio) e il solfato di calcio reagisce ulteriormente con il metaalluminato di calcio nel cemento per formare cristalli di allume.La reazione (4) è accompagnata dalla formazione di OH- basico, che porta ad un aumento del pH.Inoltre, poiché questa reazione è reversibile, il pH aumenta in un determinato momento e cambia lentamente.
Sulla fig.7a mostra la perdita di peso del calcestruzzo in vetroresina completamente chiuso, semichiuso e interbloccato durante i cicli di gelo-disgelo in soluzione di solfato.Il cambiamento più evidente nella perdita di massa è il calcestruzzo senza restrizioni.Il calcestruzzo non vincolato ha perso circa il 3,2% della sua massa dopo 50 attacchi di gelo-disgelo e circa il 3,85% dopo 100 attacchi di gelo-disgelo.I risultati mostrano che l'effetto dell'erosione coniugata sulla qualità del calcestruzzo a flusso libero diminuisce all'aumentare del numero di cicli di gelo-disgelo.Tuttavia, osservando la superficie del campione, si è riscontrato che la perdita di malta dopo 100 cicli di gelo-disgelo era maggiore che dopo 50 cicli di gelo-disgelo.In combinazione con gli studi della sezione precedente, si può ipotizzare che la penetrazione dei solfati nel calcestruzzo comporti un rallentamento della perdita di massa.Nel frattempo, anche l'allume e il gesso generati internamente determinano una perdita di peso più lenta, come previsto dalle equazioni chimiche (3) e (4).
Variazione di peso: (a) relazione tra variazione di peso e numero di cicli di congelamento-scongelamento;(b) relazione tra variazione di massa e valore di pH.
La variazione della perdita di peso del calcestruzzo semiermetico FRP prima diminuisce e poi aumenta.Dopo 50 cicli di gelo-disgelo, la perdita di massa del calcestruzzo semiermetico in fibra di vetro è di circa l'1,3%.La perdita di peso dopo 100 cicli è stata dello 0,8%.Pertanto, si può concludere che il solfato di sodio penetra nel calcestruzzo a flusso libero.Inoltre, l'osservazione della superficie del provino ha mostrato anche che le strisce di fibre potevano resistere alla pelatura della malta in un'area aperta, riducendo così la perdita di peso.
La variazione della perdita di massa del calcestruzzo FRP completamente chiuso è diversa dalle prime due.La massa non perde, ma aggiunge.Dopo 50 erosioni da gelo e disgelo, la massa è aumentata di circa lo 0,08%.Dopo 100 volte, la sua massa è aumentata di circa lo 0,428%.Poiché il calcestruzzo è completamente colato, la malta sulla superficie del calcestruzzo non si staccherà ed è improbabile che provochi una perdita di qualità.D'altra parte, la penetrazione di acqua e solfati dalla superficie ad alto contenuto all'interno del calcestruzzo a basso contenuto migliora anche la qualità del calcestruzzo.
Diversi studi sono stati precedentemente condotti sulla relazione tra pH e perdita di massa nel calcestruzzo limitato da FRP in condizioni erosive.La maggior parte della ricerca discute principalmente la relazione tra perdita di massa, modulo elastico e perdita di forza.Sulla fig.7b mostra la relazione tra il pH del calcestruzzo e la perdita di massa sotto tre vincoli.Viene proposto un modello predittivo per prevedere la perdita di massa concreta utilizzando tre metodi di ritenzione a diversi valori di pH.Come si può vedere nella Figura 7b, il coefficiente di Pearson è alto, indicando che esiste effettivamente una correlazione tra pH e perdita di massa.I valori di r-quadrato per il calcestruzzo non ristretto, semi-ristretto e completamente ristretto erano rispettivamente 0,86, 0,75 e 0,96.Ciò indica che la variazione di pH e la perdita di peso del calcestruzzo completamente isolato è relativamente lineare sia in condizioni di solfato che di gelo-disgelo.Nel calcestruzzo non ristretto e nel calcestruzzo FRP semiermetico, il pH aumenta gradualmente man mano che il cemento reagisce con la soluzione acquosa.Di conseguenza, la superficie del calcestruzzo viene gradualmente distrutta, il che porta all'assenza di gravità.D'altra parte, il pH del calcestruzzo completamente chiuso cambia poco perché lo strato FRP rallenta la reazione chimica del cemento con la soluzione acquosa.Pertanto, per un calcestruzzo completamente chiuso, non vi è erosione superficiale visibile, ma aumenterà di peso a causa della saturazione dovuta all'assorbimento di soluzioni di solfato.
Sulla fig.8 mostra i risultati di una scansione SEM di campioni mordenzati con congelamento-scongelamento di solfato di sodio.La microscopia elettronica ha esaminato campioni raccolti da blocchi prelevati dallo strato esterno di colonne di cemento.La figura 8a è un'immagine al microscopio elettronico a scansione del calcestruzzo non chiuso prima dell'erosione.Si noti che ci sono molti fori sulla superficie del campione, che influenzano la resistenza della colonna di cemento stessa prima del gelo-disgelo.Sulla fig.8b mostra un'immagine al microscopio elettronico di un campione di calcestruzzo FRP completamente isolato dopo 100 cicli di congelamento-scongelamento.Potrebbero essere rilevate crepe nel campione dovute al congelamento e allo scongelamento.Tuttavia, la superficie è relativamente liscia e non presenta cristalli.Pertanto, le crepe non riempite sono più visibili.Sulla fig.8c mostra un campione di calcestruzzo semiermetico in PRFV dopo 100 cicli di erosione da gelo.È chiaro che le fessure si sono allargate e si sono formati dei grani tra le fessure.Alcune di queste particelle si attaccano alle crepe.Nella Figura 8d è mostrata una scansione SEM di un campione di una colonna di cemento senza restrizioni, un fenomeno coerente con la semi-restrizione.Per chiarire ulteriormente la composizione delle particelle, le particelle nelle fessure sono state ulteriormente ingrandite e analizzate utilizzando la spettroscopia EDS.Le particelle si presentano fondamentalmente in tre diverse forme.Secondo l'analisi dello spettro energetico, il primo tipo, come mostrato in Figura 9a, è un cristallo a blocchi regolari, composto principalmente da O, S, Ca e altri elementi.Combinando le precedenti formule (3) e (4), si può determinare che il componente principale del materiale è il gesso (solfato di calcio).Il secondo è mostrato in Figura 9b;secondo l'analisi dello spettro energetico, è un oggetto aciculare non direzionale, e le sue componenti principali sono O, Al, S e Ca.Le ricette di combinazione mostrano che il materiale è costituito principalmente da allume.Il terzo blocco mostrato in Fig. 9c, è un blocco irregolare, determinato dall'analisi dello spettro energetico, costituito principalmente da componenti O, Na e S. Si è scoperto che si tratta principalmente di cristalli di solfato di sodio.La microscopia elettronica a scansione ha mostrato che la maggior parte dei vuoti erano riempiti con cristalli di solfato di sodio, come mostrato nella Figura 9c, insieme a piccole quantità di gesso e allume.
Immagini al microscopio elettronico di campioni prima e dopo la corrosione: (a) calcestruzzo aperto prima della corrosione;(b) dopo la corrosione, la fibra di vetro è completamente sigillata;(c) dopo la corrosione del calcestruzzo semichiuso in PRFV;(d) dopo la corrosione del calcestruzzo aperto.
L'analisi ci consente di trarre le seguenti conclusioni.Le immagini al microscopio elettronico dei tre campioni erano tutte 1k × e nelle immagini sono state trovate e osservate crepe e prodotti di erosione.Il calcestruzzo non ristretto ha le fessure più ampie e contiene molti grani.Il calcestruzzo semi-in pressione FRP è inferiore al calcestruzzo non in pressione in termini di larghezza della fessura e numero di particelle.Il calcestruzzo FRP completamente chiuso ha la larghezza della fessura più piccola e nessuna particella dopo l'erosione da gelo-disgelo.Tutto ciò indica che il calcestruzzo FRP completamente chiuso è il meno suscettibile all'erosione da gelo e disgelo.I processi chimici all'interno di colonne di cemento FRP semichiuse e aperte portano alla formazione di allume e gesso e la penetrazione del solfato influisce sulla porosità.Mentre i cicli di gelo e disgelo sono la causa principale della fessurazione del calcestruzzo, i solfati e i loro prodotti riempiono in primo luogo alcune fessure e pori.Tuttavia, con l'aumentare della quantità e del tempo di erosione, le crepe continuano ad espandersi e il volume di allume formatosi aumenta, provocando crepe da estrusione.Infine, il congelamento-scongelamento e l'esposizione ai solfati ridurranno la resistenza della colonna.