Durabilidade de materiais compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras usados na reabilitação de estruturas de betão

Tese de doutoramento em Ciência e Engenharia de PolímerosA necessidade de reabilitar as estruturas de betão degradadas, herdadas do século XX, é um dos grandes desafios da Engenharia Civil neste princípio do século XXI. Nos últimos anos tem-se assistido à implementação de técnicas de reforço de estruturas de betão utilizando materiais compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras. Das técnicas existentes, destaca-se a colagem de laminados de compósitos reforçados com fibras de carbono (PRFC) nas faces dos elementos que se pretendem reforçar, de forma a melhorar o seu desempenho aos esforços de flexão e/ou de corte. Os adesivos normalmente utilizados são de natureza epoxídica, com cura à temperatura ambiente. O desconhecimento do desempenho destes sistemas de reforço a longo prazo nos ambientes característicos das aplicações em Engenharia Civil, contínua a ser um entrave para a sua utilização mais generalizada. Com efeito, apesar do sucesso dos PRFC e dos adesivos epoxídicos em indústrias exigentes, como a aeroespacial, existem diferenças ao nível dos ambientes e cargas envolvidos, assim como do tipo de materiais e processos de fabrico utilizados, não sendo possível efectuar uma transposição directa dos resultados dos inúmeros estudos efectuados nesses domínios. A durabilidade dos sistemas de reabilitação por colagem de PRFC, estudada no presente trabalho, é assim uma linha de investigação com um grande interesse prático e actualidade. Prever a durabilidade destas solução de reabilitação exige o conhecimento dos factores de degradação e dos respectivos mecanismos de deterioração que ocorrem, tanto ao nível do próprio material compósito, como da ligação entre este e o betão que é efectuada pelo adesivo epoxídico. O presente trabalho visa contribuir para uma melhor compreensão dos fenómenos de degradação subjacentes ao envelhecimento destes sistemas de reabilitação. A presente tese inclui, para além do enquadramento do tema, uma revisão bibliográfica centrada nos factores de degradação relevantes para estes materiais na aplicação em causa. São apresentados e discutidos os resultados dos estudos de durabilidade implementados sobre três sistemas de reforço comercialmente disponíveis, efectuada ao nível dos materiais – laminados e adesivos – assim como do conjunto que formam quando aplicados na superfície do betão. Avalia-se ainda a possibilidade de aplicar modelos de previsão do desempenho dos materiais a longo prazo. Por último, apresentam-se as principais conclusões e resumem-se as contribuições retiradas deste trabalho, assim como as recomendações a que ele conduziu.The need to rehabilitate the degraded concrete structures inherited from the XX century is an important civil engineering challenge nowadays. One of the most popular techniques used in concrete structures rehabilitation is the external bonding of carbon fibre reinforced polymers (CFRP) laminates. Epoxy resins, cured at ambient temperature, are usually selected as adhesives. Since this technique is relatively unknown to the civil engineer community, there are still concerns related to the overall durability, especially those related to their capacity for sustained performance under harsh environments. In fact, despite the success of CFRP and the epoxy adhesives in demanding industries, like the aerospace, there are critical differences in the environments and involved loads, as well as in the type of materials and fabrication processes used. Therefore, it is not possible to directly transpose the results of the countless studies performed in this field. The determination of long-term behaviour of the rehabilitation systems with CFRP bonding, studied in this project, is a research line with a great practical interest and utility. In order to preview the long-term performance of these rehabilitation techniques it is critical to know factors that affect their durability and understand the degradation mechanisms that occur, both at the level of the composite material per si and in the epoxy adhesive used to bond the composite to the concrete surface. This work aims to contribute for a better knowledge of the degradation phenomena that affect the durability of the rehabilitation systems. This thesis includes a background and a bibliographic review centred in the degradation factors that are relevant for the materials used in this application. Results of the durability studies (at the level of the laminates and adhesives, as well as at the level of its application on concrete) of three reinforcing systems commercially available are presented and discussed. In addition, the possibility of applying established prevision models is also evaluated. Finally, the main conclusions are presented and the original contributions are summarized, as well as the recommendations that can be taken from this study