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El hormigón reforzado con polímeros (FRP) se considera un método innovador y económico de reparación estructural.En este estudio, se seleccionaron dos materiales típicos [polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) y polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP)] para estudiar el efecto de refuerzo del hormigón en entornos hostiles.Se ha discutido la resistencia del hormigón que contiene FRP al ataque de los sulfatos y los ciclos de congelación-descongelación relacionados.Microscopía electrónica para estudiar la degradación superficial e interna del hormigón durante la erosión conjugada.El grado y el mecanismo de la corrosión por sulfato de sodio se analizaron por valor de pH, microscopía electrónica SEM y espectro de energía EMF.Se han utilizado ensayos de resistencia a la compresión axial para evaluar el refuerzo de columnas de hormigón con restricciones de FRP, y se han obtenido relaciones tensión-deformación para varios métodos de retención de FRP en un entorno erosivo acoplado.Se realizó un análisis de errores para calibrar los resultados de las pruebas experimentales utilizando cuatro modelos predictivos existentes.Todas las observaciones indican que el proceso de degradación del hormigón restringido con FRP es complejo y dinámico bajo tensiones conjugadas.El sulfato de sodio inicialmente aumenta la resistencia del concreto en su forma cruda.Sin embargo, los ciclos posteriores de congelación y descongelación pueden exacerbar el agrietamiento del concreto, y el sulfato de sodio reduce aún más la resistencia del concreto al promover el agrietamiento.Se propone un modelo numérico preciso para simular la relación tensión-deformación, que es fundamental para diseñar y evaluar el ciclo de vida del hormigón reforzado con FRP.
Como un método innovador de refuerzo de concreto que ha sido investigado desde la década de 1970, FRP tiene las ventajas de peso ligero, alta resistencia, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga y construcción conveniente1,2,3.A medida que disminuyen los costos, se vuelve más común en aplicaciones de ingeniería como la fibra de vidrio (GFRP), la fibra de carbono (CFRP), la fibra de basalto (BFRP) y la fibra de aramida (AFRP), que son los FRP más utilizados para el refuerzo estructural4, 5 El método de retención de FRP propuesto puede mejorar el desempeño del concreto y evitar el colapso prematuro.Sin embargo, varios entornos externos en la ingeniería mecánica a menudo afectan la durabilidad del concreto limitado por FRP, lo que hace que su resistencia se vea comprometida.
Varios investigadores han estudiado los cambios de tensión y deformación en el hormigón con diferentes formas y tamaños de sección transversal.Yang et al.6 encontraron que la tensión y la deformación máximas se correlacionaban positivamente con el crecimiento del grosor del tejido fibroso.Wu et al.7 obtuvieron curvas de tensión-deformación para hormigón reforzado con FRP usando varios tipos de fibras para predecir las deformaciones y cargas últimas.Lin et al.8 encontraron que los modelos de tensión-deformación de FRP para barras redondas, cuadradas, rectangulares y elípticas también difieren mucho, y desarrollaron un nuevo modelo de tensión-deformación orientado al diseño utilizando la relación de ancho y radio de esquina como parámetros.Lam et al.9 observaron que la superposición y la curvatura no uniformes del FRP dieron como resultado una menor deformación por fractura y tensión en el FRP que en las pruebas de tracción de la losa.Además, los científicos han estudiado restricciones parciales y nuevos métodos de restricción de acuerdo con las diferentes necesidades de diseño del mundo real.Wang et al.[10] realizaron ensayos de compresión axial en hormigón total, parcial y sin restricciones en tres modos limitados.Se ha desarrollado un modelo de “tensión-deformación” y se dan los coeficientes del efecto limitante para hormigón parcialmente cerrado.Wu et al.11 desarrolló un método para predecir la dependencia tensión-deformación del hormigón reforzado con FRP que tiene en cuenta los efectos del tamaño.Moran et al.12 evaluaron las propiedades de compresión monotónica axial del concreto restringido con tiras helicoidales de FRP y derivaron sus curvas de tensión-deformación.Sin embargo, el estudio anterior examina principalmente la diferencia entre el concreto parcialmente cerrado y el concreto completamente cerrado.El papel de los FRP que limitan parcialmente las secciones de hormigón no se ha estudiado en detalle.
Además, el estudio evaluó el desempeño del concreto restringido con FRP en términos de resistencia a la compresión, cambio de deformación, módulo inicial de elasticidad y módulo de endurecimiento por deformación bajo diversas condiciones.Tijani et al.13,14 encontraron que la capacidad de reparación del hormigón limitado por FRP disminuye con el aumento del daño en los experimentos de reparación de FRP en hormigón inicialmente dañado.Ma et al.[15] estudiaron el efecto del daño inicial en columnas de hormigón reforzado con FRP y consideraron que el efecto del grado de daño sobre la resistencia a la tracción era insignificante, pero tenía un efecto significativo sobre las deformaciones laterales y longitudinales.Sin embargo, Cao et al.16 observaron curvas de tensión-deformación y curvas envolventes de tensión-deformación del hormigón reforzado con FRP afectado por el daño inicial.Además de los estudios sobre la falla inicial del concreto, también se han realizado algunos estudios sobre la durabilidad del concreto limitado con FRP en condiciones ambientales adversas.Estos científicos estudiaron la degradación del hormigón restringido con FRP en condiciones adversas y utilizaron técnicas de evaluación de daños para crear modelos de degradación para predecir la vida útil.Xie et al.17 colocaron hormigón reforzado con FRP en un ambiente hidrotermal y encontraron que las condiciones hidrotermales afectaron significativamente las propiedades mecánicas del FRP, lo que resultó en una disminución gradual de su resistencia a la compresión.En un ambiente ácido-base, la interfaz entre el CFRP y el concreto se deteriora.A medida que aumenta el tiempo de inmersión, la tasa de liberación de la energía de destrucción de la capa de CFRP disminuye significativamente, lo que finalmente conduce a la destrucción de las muestras interfaciales18,19,20.Además, algunos científicos también han estudiado los efectos del congelamiento y descongelamiento en el concreto limitado en FRP.Liu et al.21 observaron que las barras de refuerzo de CFRP tienen una buena durabilidad en ciclos de congelación y descongelación según el módulo dinámico relativo, la resistencia a la compresión y la relación tensión-deformación.Además, se propone un modelo que está asociado al deterioro de las propiedades mecánicas del hormigón.Sin embargo, Peng et al.22 calcularon la vida útil de los adhesivos de hormigón y CFRP utilizando datos de temperatura y ciclo de congelación-descongelación.Guang et al.23 realizaron pruebas rápidas de congelación y descongelación del hormigón y propusieron un método para evaluar la resistencia a las heladas basado en el espesor de la capa dañada bajo la exposición de congelación y descongelación.Yazdani et al.24 estudió el efecto de las capas de FRP en la penetración de iones de cloruro en el hormigón.Los resultados muestran que la capa de FRP es químicamente resistente y aísla el concreto interno de los iones de cloruro externos.Liu et al.25 simularon las condiciones de la prueba de pelado para concreto FRP corroído por sulfato, crearon un modelo de deslizamiento y predijeron la degradación de la interfaz de FRP-concreto.Wang et al.26 estableció un modelo de tensión-deformación para concreto erosionado con sulfato restringido con FRP a través de pruebas de compresión uniaxiales.Zhou et al.[27] estudió el daño al hormigón no confinado causado por ciclos combinados de congelación y descongelación de sal y, por primera vez, utilizó una función logística para describir el mecanismo de falla.Estos estudios han hecho un progreso significativo en la evaluación de la durabilidad del hormigón limitado con FRP.Sin embargo, la mayoría de los investigadores se han centrado en modelar medios erosivos bajo una condición desfavorable.El concreto a menudo se daña debido a la erosión asociada causada por diversas condiciones ambientales.Estas condiciones ambientales combinadas degradan severamente el desempeño del concreto restringido con FRP.
Los ciclos de sulfatación y congelación-descongelación son dos parámetros típicos importantes que afectan la durabilidad del concreto.La tecnología de localización de FRP puede mejorar las propiedades del hormigón.Es ampliamente utilizado en ingeniería e investigación, pero actualmente tiene sus limitaciones.Varios estudios se han centrado en la resistencia del hormigón restringido con FRP a la corrosión por sulfatos en regiones frías.El proceso de erosión del hormigón totalmente cerrado, semicerrado y abierto por sulfato de sodio y congelación-descongelación merece un estudio más detallado, especialmente el nuevo método semicerrado descrito en este artículo.También se estudió el efecto del refuerzo en columnas de hormigón intercambiando el orden de retención y erosión del FRP.Los cambios microcósmicos y macroscópicos en la muestra causados ​​por la erosión de los enlaces se caracterizaron mediante microscopio electrónico, prueba de pH, microscopio electrónico SEM, análisis de espectro de energía EMF y prueba mecánica uniaxial.Además, este estudio analiza las leyes que rigen la relación tensión-deformación que se produce en los ensayos mecánicos uniaxiales.Los valores límite de tensión y deformación verificados experimentalmente se validaron mediante análisis de error utilizando cuatro modelos límite de tensión-deformación existentes.El modelo propuesto puede predecir completamente la deformación y la resistencia máximas del material, lo cual es útil para futuras prácticas de refuerzo con FRP.Finalmente, sirve como base conceptual para el concepto de resistencia a las heladas salinas del concreto FRP.
Este estudio evalúa el deterioro del concreto limitado con FRP usando corrosión por solución de sulfato en combinación con ciclos de congelación y descongelación.Los cambios microscópicos y macroscópicos causados ​​por la erosión del hormigón se han demostrado mediante microscopía electrónica de barrido, pruebas de pH, espectroscopia de energía EDS y pruebas mecánicas uniaxiales.Además, se investigaron las propiedades mecánicas y los cambios de tensión-deformación del hormigón reforzado con FRP sujeto a erosión adherida mediante experimentos de compresión axial.
El hormigón confinado de FRP consta de hormigón en bruto, material de envoltura exterior de FRP y adhesivo epoxi.Se seleccionaron dos materiales de aislamiento externo: CFRP y GRP, las propiedades de los materiales se muestran en la Tabla 1. Se utilizaron resinas epoxi A y B como adhesivos (proporción de mezcla 2:1 por volumen).Arroz.1 ilustra los detalles de la construcción de materiales de mezcla de concreto.En la Figura 1a, se utilizó cemento Portland Swan PO 42.5.Los agregados gruesos son piedra basáltica triturada con un diámetro de 5-10 y 10-19 mm, respectivamente, como se muestra en la fig.1b y c.Como relleno fino en la Fig. 1g se utilizó arena natural de río con un módulo de finura de 2,3.Prepare una solución de sulfato de sodio a partir de gránulos de sulfato de sodio anhidro y una cierta cantidad de agua.
La composición de la mezcla de hormigón: a – cemento, b – agregado 5–10 mm, c – agregado 10–19 mm, d – arena de río.
La resistencia de diseño del hormigón es de 30 MPa, lo que da como resultado un asentamiento del hormigón de cemento fresco de 40 a 100 mm.La relación de mezcla de concreto se muestra en la Tabla 2, y la relación de agregado grueso de 5-10 mm y 10-20 mm es de 3:7.El efecto de la interacción con el medio ambiente se modeló preparando primero una solución de NaSO4 al 10 % y luego vertiendo la solución en una cámara de ciclo de congelación y descongelación.
Las mezclas de hormigón se prepararon en una mezcladora forzada de 0,5 m3 y se utilizó todo el lote de hormigón para colocar las muestras requeridas.En primer lugar, los ingredientes del concreto se preparan de acuerdo con la Tabla 2, y el cemento, la arena y el agregado grueso se premezclan durante tres minutos.Luego distribuya uniformemente el agua y revuelva durante 5 minutos.A continuación, las muestras de hormigón se colaron en moldes cilíndricos y se compactaron en una mesa vibratoria (diámetro del molde 10 cm, altura 20 cm).
Después de curar durante 28 días, las muestras se envolvieron con material FRP.Este estudio analiza tres métodos para columnas de hormigón armado, incluidos completamente cerrados, semirrestringidos y sin restricciones.Se utilizan dos tipos, CFRP y GFRP, para materiales limitados.FRP Cáscara de hormigón FRP totalmente cerrada, 20 cm de alto y 39 cm de largo.La parte superior e inferior del concreto ligado con FRP no se sellaron con epoxi.El proceso de prueba semihermético como tecnología hermética propuesta recientemente se describe a continuación.
(2) Usando una regla, dibuje una línea en la superficie cilíndrica de concreto para determinar la posición de las tiras de FRP, la distancia entre las tiras es de 2,5 cm.Luego envuelva la cinta alrededor de las áreas de concreto donde no se necesita FRP.
(3) La superficie de concreto se pule con papel de lija, se limpia con alcohol y se recubre con epoxi.Luego pegue manualmente las tiras de fibra de vidrio sobre la superficie de concreto y presione los espacios para que la fibra de vidrio se adhiera completamente a la superficie de concreto y evite las burbujas de aire.Finalmente, pegue las tiras de FRP sobre la superficie de concreto de arriba hacia abajo, de acuerdo con las marcas hechas con una regla.
(4) Después de media hora, compruebe si el hormigón se ha separado del FRP.Si el FRP se desliza o sobresale, debe repararse de inmediato.Los especímenes moldeados deben curarse durante 7 días para garantizar la resistencia del curado.
(5) Después del curado, use un cuchillo multiusos para quitar la cinta de la superficie de concreto y finalmente obtenga una columna de concreto FRP semihermético.
Los resultados bajo varias restricciones se muestran en la fig.2. La Figura 2a muestra un hormigón CFRP completamente cerrado, la Figura 2b muestra un hormigón CFRP semigeneralizado, la Figura 2c muestra un hormigón GFRP completamente cerrado y la Figura 2d muestra un hormigón CFRP semi-constreñido.
Estilos cerrados: (a) CFRP completamente cerrado;(b) fibra de carbono semicerrada;(c) completamente encerrado en fibra de vidrio;(d) fibra de vidrio semicerrada.
Hay cuatro parámetros principales que están diseñados para investigar el efecto de las restricciones de FRP y las secuencias de erosión en el desempeño del control de erosión de los cilindros.La Tabla 3 muestra el número de muestras de columnas de hormigón.Las muestras para cada categoría constaban de tres muestras de estado idénticas para mantener la coherencia de los datos.En este artículo se analizó la media de tres muestras para todos los resultados experimentales.
(1) El material hermético se clasifica como fibra de carbono o fibra de vidrio.Se realizó una comparación del efecto de dos tipos de fibras sobre el refuerzo del hormigón.
(2) Los métodos de contención de columnas de hormigón se dividen en tres tipos: totalmente limitados, semilimitados e ilimitados.La resistencia a la erosión de las columnas de hormigón semicerradas se comparó con otras dos variedades.
(3) Las condiciones de erosión son ciclos de congelación-descongelación más solución de sulfato, y el número de ciclos de congelación-descongelación es 0, 50 y 100 veces, respectivamente.Se ha estudiado el efecto de la erosión acoplada en columnas de hormigón reforzado con FRP.
(4) Las piezas de prueba se dividen en tres grupos.El primer grupo es la envoltura de FRP y luego la corrosión, el segundo grupo es la corrosión primero y luego la envoltura, y el tercer grupo es la corrosión primero y luego la envoltura y luego la corrosión.
El procedimiento experimental utiliza una máquina de prueba universal, una máquina de prueba de tracción, una unidad de ciclo de congelación-descongelación (tipo CDR-Z), un microscopio electrónico, un medidor de pH, un medidor de tensión, un dispositivo de desplazamiento, un microscopio electrónico SEM y un analizador de espectro de energía EDS en este estudio.La muestra es una columna de hormigón de 10 cm de altura y 20 cm de diámetro.El concreto se curó dentro de los 28 días posteriores al vertido y la compactación, como se muestra en la Figura 3a.Todas las muestras se desmoldaron después del colado y se mantuvieron durante 28 días a 18-22 °C y 95 % de humedad relativa, y luego algunas muestras se envolvieron con fibra de vidrio.
Métodos de prueba: a) equipo para mantener la temperatura y la humedad constantes;(b) una máquina de ciclo de congelación-descongelación;(c) máquina de ensayo universal;(d) medidor de pH;e) observación microscópica.
El experimento de congelación y descongelación utiliza el método de congelación instantánea como se muestra en la Figura 3b.De acuerdo con GB/T 50082-2009 "Estándares de durabilidad para hormigón convencional", las muestras de hormigón se sumergieron completamente en una solución de sulfato de sodio al 10 % a 15-20 °C durante 4 días antes de congelarse y descongelarse.Después de eso, el ataque de los sulfatos comienza y termina simultáneamente con el ciclo de congelación-descongelación.El tiempo del ciclo de congelación y descongelación es de 2 a 4 horas, y el tiempo de descongelación no debe ser inferior a 1/4 del tiempo del ciclo.La temperatura del núcleo de la muestra debe mantenerse dentro del rango de (-18±2) a (5±2) °С.La transición de congelado a descongelado no debe tomar más de diez minutos.Se utilizaron tres muestras cilíndricas idénticas de cada categoría para estudiar la pérdida de peso y el cambio de pH de la solución durante 25 ciclos de congelación y descongelación, como se muestra en la Fig. 3d.Después de cada 25 ciclos de congelación-descongelación, se retiraron las muestras y se limpiaron las superficies antes de determinar su peso fresco (Wd).Todos los experimentos se llevaron a cabo por triplicado de las muestras, y los valores promedio se usaron para discutir los resultados de la prueba.Las fórmulas para la pérdida de masa y resistencia de la muestra se determinan de la siguiente manera:
En la fórmula, ΔWd es la pérdida de peso (%) de la muestra después de cada 25 ciclos de congelación-descongelación, W0 es el peso promedio de la muestra de concreto antes del ciclo de congelación-descongelación (kg), Wd es el peso promedio del concreto.peso de la muestra después de 25 ciclos de congelación-descongelación (kg).
El coeficiente de degradación de la resistencia de la muestra se caracteriza por Kd, y la fórmula de cálculo es la siguiente:
En la fórmula, ΔKd es la tasa de pérdida de resistencia (%) de la muestra después de cada 50 ciclos de congelación-descongelación, f0 es la resistencia promedio de la muestra de concreto antes del ciclo de congelación-descongelación (MPa), fd es la resistencia promedio de la muestra de hormigón durante 50 ciclos de congelación-descongelación (MPa).
En la fig.3c muestra una máquina de ensayo de compresión para probetas de hormigón.De acuerdo con el "Estándar para métodos de prueba para las propiedades físicas y mecánicas del concreto" (GBT50081-2019), se define un método para probar la resistencia a la compresión de las columnas de concreto.La tasa de carga en la prueba de compresión es de 0,5 MPa/s, y se utilizan cargas continuas y secuenciales durante toda la prueba.La relación carga-desplazamiento para cada espécimen se registró durante las pruebas mecánicas.Se colocaron galgas extensiométricas en las superficies exteriores de las capas de hormigón y FRP de las muestras para medir las deformaciones axiales y horizontales.La celda de deformación se utiliza en pruebas mecánicas para registrar el cambio en la deformación de la muestra durante una prueba de compresión.
Cada 25 ciclos de congelación-descongelación, se extrajo una muestra de la solución de congelación-descongelación y se colocó en un recipiente.En la fig.3d muestra una prueba de pH de una solución de muestra en un recipiente.El examen microscópico de la superficie y la sección transversal de la muestra en condiciones de congelación y descongelación se muestra en la Fig. 3d.Se observó al microscopio el estado de la superficie de varias muestras después de 50 y 100 ciclos de congelación-descongelación en solución de sulfato.El microscopio utiliza un aumento de 400x.Al observar la superficie de la muestra, se observa principalmente la erosión de la capa de FRP y la capa exterior de hormigón.La observación de la sección transversal de la muestra selecciona básicamente las condiciones de erosión a una distancia de 5, 10 y 15 mm de la capa exterior.La formación de productos de sulfato y los ciclos de congelación y descongelación requieren más pruebas.Por lo tanto, la superficie modificada de las muestras seleccionadas se examinó utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) equipado con un espectrómetro de dispersión de energía (EDS).
Inspeccione visualmente la superficie de la muestra con un microscopio electrónico y seleccione un aumento de 400X.El grado de daño superficial en hormigón semicerrado y sin juntas bajo ciclos de congelación-descongelación y exposición a sulfatos es bastante alto, mientras que en hormigón completamente cerrado es insignificante.La primera categoría se refiere a la ocurrencia de erosión del hormigón fluido por sulfato de sodio y de 0 a 100 ciclos de congelación-descongelación, como se muestra en la Fig. 4a.Las muestras de hormigón sin exposición a las heladas tienen una superficie lisa sin características visibles.Después de 50 erosiones, el bloque de pulpa en la superficie se desprendió parcialmente, dejando al descubierto la cubierta blanca de la pulpa.Después de 100 erosiones, las capas de las soluciones se cayeron por completo durante una inspección visual de la superficie de hormigón.La observación microscópica mostró que la superficie del hormigón erosionado por congelación-descongelación era lisa y que el agregado superficial y el mortero estaban en el mismo plano.Se observó una superficie irregular y rugosa en una superficie de hormigón erosionada por 50 ciclos de congelación y descongelación.Esto puede explicarse por el hecho de que parte del mortero se destruye y una pequeña cantidad de cristales granulares blancos se adhieren a la superficie, que se compone principalmente de agregados, mortero y cristales blancos.Después de 100 ciclos de congelación-descongelación, apareció una gran área de cristales blancos en la superficie del concreto, mientras que el agregado grueso oscuro quedó expuesto al ambiente externo.Actualmente, la superficie de concreto es en su mayoría agregados expuestos y cristales blancos.
Morfología de una columna de hormigón de congelación-descongelación erosiva: (a) columna de hormigón sin restricciones;(b) hormigón reforzado con fibra de carbono semicerrado;(c) hormigón semicerrado de PRFV;(d) hormigón CFRP totalmente cerrado;(e) Hormigón PRFV Hormigón semicerrado.
La segunda categoría es la corrosión de columnas de hormigón CFRP y GRP semiherméticas bajo ciclos de congelación-descongelación y exposición a sulfatos, como se muestra en la Fig. 4b, c.La inspección visual (aumento de 1x) mostró que se formaba gradualmente un polvo blanco en la superficie de la capa fibrosa, que se caía rápidamente con un aumento en el número de ciclos de congelación-descongelación.La erosión superficial sin restricciones del hormigón FRP semihermético se hizo más pronunciada a medida que aumentaba el número de ciclos de congelación y descongelación.El fenómeno visible de "hinchazón" (la superficie abierta de la solución de la columna de hormigón está a punto de colapsar).Sin embargo, el fenómeno de pelado se ve parcialmente obstaculizado por el revestimiento de fibra de carbono adyacente).Bajo el microscopio, las fibras de carbono sintéticas aparecen como hilos blancos sobre un fondo negro con un aumento de 400x.Debido a la forma redonda de las fibras y la exposición a la luz desigual, parecen blancas, pero los haces de fibra de carbono son negros.La fibra de vidrio es inicialmente blanca como un hilo, pero al entrar en contacto con el adhesivo se vuelve transparente y el estado del concreto dentro de la fibra de vidrio es claramente visible.La fibra de vidrio es de color blanco brillante y el aglutinante es amarillento.Ambos son de color muy claro, por lo que el color del pegamento ocultará los hilos de fibra de vidrio, dando al aspecto general un tinte amarillento.Las fibras de carbono y vidrio están protegidas contra daños por una resina epoxi externa.A medida que aumentaba el número de ataques de congelación y descongelación, se hicieron visibles más huecos y algunos cristales blancos en la superficie.A medida que aumenta el ciclo de congelación del sulfato, el aglutinante se adelgaza gradualmente, el color amarillento desaparece y las fibras se vuelven visibles.
La tercera categoría es la corrosión del hormigón CFRP y GRP completamente cerrado bajo ciclos de congelación-descongelación y exposición a sulfatos, como se muestra en la Fig. 4d, e.De nuevo, los resultados observados son similares a los del segundo tipo de sección restringida de la columna de hormigón.
Compare los fenómenos observados después de aplicar los tres métodos de contención descritos anteriormente.Los tejidos fibrosos en el hormigón FRP totalmente aislado permanecen estables a medida que aumenta el número de ciclos de congelación y descongelación.Por otro lado, la capa del anillo adhesivo es más delgada en la superficie.Las resinas epoxi reaccionan principalmente con iones de hidrógeno activo en ácido sulfúrico de anillo abierto y apenas reaccionan con sulfatos28.Así, se puede considerar que la erosión cambia principalmente las propiedades de la capa adhesiva como resultado de los ciclos de hielo-deshielo, cambiando así el efecto reforzante del FRP.La superficie de hormigón del hormigón semihermético FRP tiene el mismo fenómeno de erosión que la superficie de hormigón sin restricciones.Su capa de FRP corresponde a la capa de FRP de hormigón totalmente cerrado, y el daño no es evidente.Sin embargo, en el hormigón de PRFV semisellado, se producen extensas grietas por erosión donde las tiras de fibra se cruzan con el hormigón expuesto.La erosión de las superficies de hormigón expuestas se vuelve más severa a medida que aumenta el número de ciclos de congelación y descongelación.
Los interiores de hormigón FRP completamente cerrado, semicerrado y sin restricciones mostraron diferencias significativas cuando se sometieron a ciclos de congelación y descongelación y exposición a soluciones de sulfato.La muestra se cortó transversalmente y la sección transversal se observó utilizando un microscopio electrónico con un aumento de 400x.En la fig.5 muestra imágenes microscópicas a una distancia de 5 mm, 10 mm y 15 mm del límite entre hormigón y mortero, respectivamente.Se ha observado que cuando la solución de sulfato de sodio se combina con la congelación-descongelación, el daño al concreto se degrada progresivamente desde la superficie hacia el interior.Debido a que las condiciones de erosión interna del hormigón reforzado con PRFC y PRFC son las mismas, esta sección no compara los dos materiales de contención.
Observación microscópica del interior de la sección de hormigón de la columna: (a) completamente limitada por fibra de vidrio;(b) semicerrado con fibra de vidrio;c) ilimitado.
La erosión interna del hormigón completamente cerrado con FRP se muestra en la fig.5a.Las grietas son visibles a 5 mm, la superficie es relativamente lisa, no hay cristalización.La superficie es lisa, sin cristales, de 10 a 15 mm de espesor.La erosión interna del hormigón semihermético FRP se muestra en la fig.5 B. Las grietas y los cristales blancos son visibles a 5 mm y 10 mm, y la superficie es lisa a 15 mm.La Figura 5c muestra secciones de columnas de FRP de concreto donde se encontraron grietas a 5, 10 y 15 mm.Unos pocos cristales blancos en las grietas se hicieron cada vez más escasos a medida que las grietas se movían desde el exterior del hormigón hacia el interior.Las columnas de concreto sin fin mostraron la mayor erosión, seguidas por las columnas de concreto FRP semi-restringido.El sulfato de sodio tuvo poco efecto en el interior de muestras de concreto FRP completamente cerradas durante 100 ciclos de congelación y descongelación.Esto indica que la causa principal de la erosión del hormigón FRP totalmente restringido es la erosión por congelación y descongelación asociada durante un período de tiempo.La observación de la sección transversal mostró que la sección inmediatamente anterior a la congelación y descongelación era lisa y libre de agregados.A medida que el hormigón se congela y se descongela, las grietas son visibles, lo mismo ocurre con el agregado, y los cristales granulares blancos están densamente cubiertos de grietas.Los estudios27 han demostrado que cuando el concreto se coloca en una solución de sulfato de sodio, el sulfato de sodio penetrará en el concreto, parte del cual se precipitará como cristales de sulfato de sodio y parte reaccionará con el cemento.Los cristales de sulfato de sodio y los productos de reacción parecen gránulos blancos.
El FRP limita por completo las fisuras del hormigón en la erosión conjugada, pero la sección es lisa sin cristalización.Por otro lado, las secciones de hormigón semicerrado y sin restricciones de FRP han desarrollado grietas internas y cristalización bajo erosión conjugada.De acuerdo con la descripción de la imagen y estudios previos29, el proceso de erosión conjunta del concreto FRP no restringido y semi-restringido se divide en dos etapas.La primera etapa del agrietamiento del concreto está asociada con la expansión y contracción durante la congelación y descongelación.Cuando el sulfato penetra en el concreto y se vuelve visible, el sulfato correspondiente llena las grietas creadas por la contracción de las reacciones de congelación-descongelación e hidratación.Por lo tanto, el sulfato tiene un efecto protector especial sobre el concreto en una etapa temprana y puede mejorar las propiedades mecánicas del concreto hasta cierto punto.La segunda etapa del ataque de sulfato continúa, penetrando grietas o huecos y reaccionando con el cemento para formar alumbre.Como resultado, la grieta aumenta de tamaño y causa daños.Durante este tiempo, las reacciones de expansión y contracción asociadas con la congelación y la descongelación exacerbarán el daño interno del concreto, lo que resultará en una reducción de la capacidad portante.
En la fig.6 muestra los cambios de pH de las soluciones de impregnación de concreto para tres métodos limitados monitoreados después de 0, 25, 50, 75 y 100 ciclos de congelación y descongelación.Los morteros de hormigón FRP sin restricciones y semicerrados mostraron el aumento de pH más rápido de 0 a 25 ciclos de congelación y descongelación.Sus valores de pH aumentaron de 7,5 a 11,5 y 11,4, respectivamente.A medida que aumentaba el número de ciclos de congelación y descongelación, el aumento del pH se ralentizaba gradualmente después de 25 a 100 ciclos de congelación y descongelación.Sus valores de pH aumentaron de 11,5 y 11,4 a 12,4 y 11,84, respectivamente.Debido a que el concreto FRP completamente adherido cubre la capa de FRP, es difícil que la solución de sulfato de sodio penetre.Al mismo tiempo, es difícil que la composición de cemento penetre en soluciones externas.Así, el pH aumentó gradualmente de 7,5 a 8,0 entre 0 y 100 ciclos de congelación-descongelación.La razón del cambio en el pH se analiza como sigue.El silicato del hormigón se combina con los iones de hidrógeno del agua para formar ácido silícico, y el OH- restante eleva el pH de la solución saturada.El cambio de pH fue más pronunciado entre 0-25 ciclos de congelación-descongelación y menos pronunciado entre 25-100 ciclos de congelación-descongelación30.Sin embargo, aquí se encontró que el pH continuó aumentando después de 25-100 ciclos de congelación-descongelación.Esto puede explicarse por el hecho de que el sulfato de sodio reacciona químicamente con el interior del concreto, cambiando el pH de la solución.El análisis de la composición química muestra que el concreto reacciona con el sulfato de sodio de la siguiente manera.
Las fórmulas (3) y (4) muestran que el sulfato de sodio y el hidróxido de calcio en el cemento forman yeso (sulfato de calcio), y el sulfato de calcio reacciona además con el metaaluminato de calcio en el cemento para formar cristales de alumbre.La reacción (4) va acompañada de la formación de OH- básicos, lo que conduce a un aumento del pH.Además, como esta reacción es reversible, el pH sube en un momento determinado y cambia lentamente.
En la fig.7a muestra la pérdida de peso de hormigón GRP completamente cerrado, semicerrado y entrelazado durante los ciclos de congelación-descongelación en solución de sulfato.El cambio más obvio en la pérdida de masa es el concreto sin restricciones.El hormigón sin restricciones perdió alrededor del 3,2 % de su masa después de 50 ataques de congelación y descongelación y alrededor del 3,85 % después de 100 ataques de congelación y descongelación.Los resultados muestran que el efecto de la erosión conjugada sobre la calidad del hormigón de flujo libre disminuye a medida que aumenta el número de ciclos de congelación-descongelación.Sin embargo, al observar la superficie de la muestra, se encontró que la pérdida de mortero después de 100 ciclos de congelación-descongelación fue mayor que después de 50 ciclos de congelación-descongelación.En combinación con los estudios de la sección anterior, se puede plantear la hipótesis de que la penetración de los sulfatos en el hormigón conduce a una desaceleración de la pérdida de masa.Mientras tanto, el alumbre y el yeso generados internamente también dan como resultado una pérdida de peso más lenta, como lo predicen las ecuaciones químicas (3) y (4).
Cambio de peso: (a) relación entre el cambio de peso y el número de ciclos de congelación-descongelación;(b) relación entre cambio de masa y valor de pH.
El cambio en la pérdida de peso del hormigón semihermético FRP primero disminuye y luego aumenta.Después de 50 ciclos de congelación-descongelación, la pérdida de masa del hormigón semihermético con fibra de vidrio es de aproximadamente 1,3 %.La pérdida de peso después de 100 ciclos fue del 0,8%.Por lo tanto, se puede concluir que el sulfato de sodio penetra en el hormigón de flujo libre.Además, la observación de la superficie de la pieza de prueba también mostró que las tiras de fibra podían resistir el pelado del mortero en un área abierta, reduciendo así la pérdida de peso.
El cambio en la pérdida de masa del hormigón FRP totalmente cerrado es diferente de los dos primeros.La masa no pierde, sino que suma.Después de 50 erosiones por heladas y deshielos, la masa aumentó en aproximadamente un 0,08%.Después de 100 veces, su masa aumentó aproximadamente un 0,428 %.Dado que el concreto está completamente vertido, el mortero en la superficie del concreto no se desprenderá y es poco probable que resulte en una pérdida de calidad.Por otra parte, la penetración de agua y sulfatos desde la superficie de alto contenido hacia el interior del hormigón de bajo contenido también mejora la calidad del hormigón.
Previamente se han realizado varios estudios sobre la relación entre el pH y la pérdida de masa en concreto restringido con FRP bajo condiciones erosivas.La mayor parte de la investigación analiza principalmente la relación entre la pérdida de masa, el módulo elástico y la pérdida de resistencia.En la fig.7b muestra la relación entre el pH del concreto y la pérdida de masa bajo tres restricciones.Se propone un modelo predictivo para predecir la pérdida de masa del concreto utilizando tres métodos de retención a diferentes valores de pH.Como puede verse en la Figura 7b, el coeficiente de Pearson es alto, lo que indica que efectivamente existe una correlación entre el pH y la pérdida de masa.Los valores de r-cuadrado para concreto no restringido, semi-restringido y completamente restringido fueron 0.86, 0.75 y 0.96, respectivamente.Esto indica que el cambio de pH y la pérdida de peso del hormigón totalmente aislado son relativamente lineales tanto en condiciones de sulfato como de congelación-descongelación.En hormigón sin restricciones y hormigón FRP semihermético, el pH aumenta gradualmente a medida que el cemento reacciona con la solución acuosa.Como resultado, la superficie de hormigón se destruye gradualmente, lo que conduce a la ingravidez.Por otro lado, el pH del concreto completamente cerrado cambia poco porque la capa de FRP ralentiza la reacción química del cemento con la solución de agua.Por lo tanto, para un concreto completamente cerrado, no hay erosión superficial visible, pero aumentará de peso debido a la saturación debido a la absorción de soluciones de sulfato.
En la fig.8 muestra los resultados de una exploración SEM de muestras grabadas con congelación-descongelación de sulfato de sodio.La microscopía electrónica examinó muestras recolectadas de bloques tomados de la capa exterior de columnas de hormigón.La figura 8a es una imagen de microscopio electrónico de barrido de hormigón no cerrado antes de la erosión.Se observa que hay muchos agujeros en la superficie de la muestra, que afectan la resistencia de la columna de concreto antes del deshielo.En la fig.8b muestra una imagen de microscopio electrónico de una muestra de hormigón FRP completamente aislada después de 100 ciclos de congelación y descongelación.Pueden detectarse grietas en la muestra debido a la congelación y descongelación.Sin embargo, la superficie es relativamente lisa y no tiene cristales.Por lo tanto, las grietas sin rellenar son más visibles.En la fig.8c muestra una muestra de hormigón GRP semihermético después de 100 ciclos de erosión por heladas.Está claro que las grietas se ensancharon y se formaron granos entre las grietas.Algunas de estas partículas se adhieren a las grietas.En la Figura 8d se muestra un escaneo SEM de una muestra de una columna de concreto sin restricciones, un fenómeno consistente con la semi-restricción.Para dilucidar aún más la composición de las partículas, las partículas en las grietas se magnificaron y analizaron utilizando espectroscopia EDS.Las partículas básicamente vienen en tres formas diferentes.De acuerdo con el análisis del espectro de energía, el primer tipo, como se muestra en la Figura 9a, es un cristal de bloque regular, compuesto principalmente de O, S, Ca y otros elementos.Combinando las fórmulas anteriores (3) y (4), se puede determinar que el componente principal del material es el yeso (sulfato de calcio).El segundo se muestra en la Figura 9b;según el análisis del espectro de energía, es un objeto acicular no direccional, y sus componentes principales son O, Al, S y Ca.Las recetas combinadas muestran que el material consiste principalmente en alumbre.El tercer bloque que se muestra en la Fig. 9c es un bloque irregular, determinado por el análisis del espectro de energía, que consiste principalmente en los componentes O, Na y S. Resultó que estos son principalmente cristales de sulfato de sodio.La microscopía electrónica de barrido mostró que la mayoría de los huecos estaban llenos de cristales de sulfato de sodio, como se muestra en la Figura 9c, junto con pequeñas cantidades de yeso y alumbre.
Imágenes de microscopio electrónico de muestras antes y después de la corrosión: (a) hormigón abierto antes de la corrosión;(b) después de la corrosión, la fibra de vidrio está completamente sellada;(c) después de la corrosión del hormigón semicerrado de PRFV;(d) después de la corrosión del hormigón abierto.
El análisis nos permite sacar las siguientes conclusiones.Las imágenes del microscopio electrónico de las tres muestras fueron todas de 1k× y se encontraron y observaron grietas y productos de erosión en las imágenes.El concreto sin restricciones tiene las grietas más anchas y contiene muchos granos.El concreto semi-presurizado FRP es inferior al concreto sin presión en términos de ancho de grieta y conteo de partículas.El concreto FRP completamente cerrado tiene el ancho de grieta más pequeño y no contiene partículas después de la erosión por congelación y descongelación.Todo esto indica que el concreto FRP completamente cerrado es el menos susceptible a la erosión por congelación y descongelación.Los procesos químicos dentro de columnas de hormigón FRP semicerradas y abiertas conducen a la formación de alumbre y yeso, y la penetración de sulfato afecta la porosidad.Si bien los ciclos de congelación y descongelación son la causa principal del agrietamiento del concreto, los sulfatos y sus productos rellenan algunas de las grietas y poros en primer lugar.Sin embargo, a medida que aumenta la cantidad y el tiempo de erosión, las grietas continúan expandiéndose y el volumen de alumbre formado aumenta, lo que da como resultado grietas por extrusión.En última instancia, la exposición a la congelación y descongelación y al sulfato reducirá la resistencia de la columna.