Multi-scale and multi-physics investigation on durability and long-term behavior of concrete structures strengthened with CFRP systems: accelerated versus natural ageing

Abstract

All over the world, if one looks at built structures, most of them were made using concrete. In most cases, concrete is used with an embedded reinforcing material (e.g., steel) to improve its tensile strength, thus yielding to reinforced concrete (RC). The adoption of concrete dates to many centuries ago, but its current use has been a hindrance, as it emits the unwanted high levels of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere. Apart from this, aging, poor construction practices, need for changing the use of a structure, new regulations, among others, have led to questioning the sustainability and long-term performance of built RC structures. Rehabilitation in the form of “strengthening systems” can be a promising solution. This PhD thesis aimed at addressing the durability and long-term performance of RC structures strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) composites using non-prestressed Externally Bonded Reinforcement (EBR) and Near-Surface Mounted (NSM) techniques, and the EBR prestressed via mechanical and gradient anchorages. Multi-scale and multi-physics investigations on specimens exposed to laboratory-controlled (accelerated) and outdoor (natural) environments for up to 6 years were performed. These are key findings for up to 6 years of aging: (i) at material level: concrete and CFRP laminates generally resisted against degradation; however, water diffusion through epoxy adhesives substantially decreased their tensile strengths and elastic moduli by 60-66 and 70-75 %, respectively; numerical and analytical models for the adhesive water diffusion simulated accurately the experimental results; (ii) at bond level: EBR and NSM generally resisted against degradation; but the latter degraded its bond strength under freeze-thaw cycling and water exposure by nearly 9 and 12 %, respectively; furthermore, numerical models for the EBR followed the experimental results; (iii) at structural element level: experimental data show that higher CFRP axial stiffness and presence of prestressed systems decreased the instantaneous deflection significantly, while the latter increased more the time-dependent deflections due to creep and shrinkage effects but led to total deflections much smaller compared with non-prestressed systems; analytical models for short-term flexural analysis showed an excellent agreement with experimental tests, owing to newly proposed equations; different mid-span deflection analytical models predicted well the experimental results, and time-dependent factor curves were established to predict deflections up to 50 years. Finally, environmental conversion factors were proposed at material and bond levels, being equal to 0.26 and 0.75, respectively, for the harshest environments.

Em todo o mundo, quando se analisam as estruturas construídas, a maioria delas foi produzida com betão. Na maioria dos casos, no betão é incorporado um material de reforço (p.e., aço) para melhorar a resistência à tração, dando origem ao betão armado (BA). A adoção do betão remonta a muitos séculos, mas sua utilização mais recente tem sido um obstáculo, pois emite elevados níveis de CO2 indesejado para a atmosfera. Além disso, práticas de construção inadequadas, a necessidade de alterar o uso de uma estrutura e o desenvolvimento de novas regulamentações, entre outros aspetos, têm posto em causa a sustentabilidade e o desempenho a longo prazo das estruturas em BA. A reabilitação na forma de “sistemas de reforço” pode ser uma solução promissora. Esta tese de doutoramento teve como objetivo abordar a durabilidade e o desempenho a longo prazo de estruturas de BA reforçadas com compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) utilizando a técnica de reforço externo não pré-esforçado (EBR), a técnica da inserção do reforço no betão de recobrimento (NSM), e as técnicas EBR pré-esforçadas por intermédio de ancoragens mecânicas e gradiente. Foram realizadas investigações multiescala e multifísicas em provetes/protótipos expostos a ambientes controlados em laboratório e em ambientes naturais por períodos até 6 anos. Estas são as principais conclusões obtidas: (i) ao nível do material: betão e laminados de CFRP geralmente resistiram à degradação; no entanto, a difusão de água através de adesivos epóxi diminuiu substancialmente suas resistências à tração e módulos de elasticidade em 60-66 e 70-75 %, respectivamente; modelos numéricos e analíticos para a difusão de água simularam com rigor suficiente os resultados experimentais; (ii) ao nível de ligação: as técnicas EBR e NSM geralmente resistiram à degradação; mas no caso da NSM degradou a resistência de ligação sob exposição ao gelo-degelo e à imersão em água em quase 9 % e 12 %, respectivamente; modelos numéricos para a EBR concordaram com os resultados experimentais; (iii) ao nível do elemento estrutural: a maior rigidez axial do CFRP e a presença de pré-esforço, diminuíram significativamente a flecha instantânea; por sua vez o pré-esforço conduziu a maiores deformações diferidas; os modelos analíticos para análise das deformações mostraram uma excelente concordância com ensaios experimentais, devido às novas formulações propostas; os modelos de previsão da deformação até 6 anos permitiram a sua extrapolação até 50 anos. Fatores de redução ambientais foram propostos a nível do material e da ligação, com valores de 0.26 e 0.75, respetivamente, para os ambientes mais críticos.