Multi-scale investigation on durability and long-term behaviour of concrete elements strengthened with CFRP laminates according to the EBR and NSM techniques

Abstract

In recent decades, the strengthening of existing reinforced concrete (RC) structures has become an option widely adopted, entailing a sustainable way of preserving and extending the service life of such structures. Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) laminates have been increasingly used as strengthening material mainly by using the passive techniques such as Externally Bonded Reinforcement (EBR) and Near Surface Mounted (NSM). Furthermore, EBR technique can be improved with the use of active external prestressing by means of the Mechanical Anchorage (MA) and Gradient Anchorage (GA). Typically, structural epoxy adhesives are used to ensure the bond between CFRP laminates and the concrete surface. The present work intends to contribute for the existing knowledge on the durability and long-term behaviour of RC structures strengthened with CFRP laminates under natural ageing since the available literature in this area is scarce. The study carried out comprises an extensive multi-scale experimental program involving three types of specimens at meso- and full-scale, namely: (i) specimens of the involved materials, (ii) specimens to study the bond between CFRP laminates and concrete, and (iii) RC slabs strengthened in flexure with CFRP laminates under sustained load. Four natural environments were selected to induce ageing mainly by carbonation, freeze-thaw cycles, elevated temperatures, and airborne chlorides from seawater. Additionally, a control and a water immersion environment were considered. The evolution of the durability was evaluated mainly throughout mechanical characterization of the materials and bond specimens up to 2 years. The RC slabs under sustained load were continuously monitored for 3 years. The experimental program was complemented with attempts of correlations between accelerated and natural ageing, and with proposals for improving the existing design guidelines.

Nas últimas décadas, o reforço de estruturas de betão armado (BA) existentes tornou-se uma opção largamente adotada, consistindo numa forma sustentável de preservar e prolongar a vida útil dessas estruturas. Os laminados de Polímeros Reforçados com Fibra de Carbono (CFRP) têm vindo a ser cada vez mais utilizados como material de reforço, principalmente utilizando técnicas passivas tais como a colagem externa de laminados (Externally Bounded Reinforcement, EBR) e a inserção de laminados no betão de recobrimento (Near Surface Mounted, NSM). Além disso, a técnica EBR pode ser tornada mais eficiente através da aplicação de pré-esforço externo ativo e utilizando o método da Ancoragem Mecânica (MA) ou do Gradiente de Ancoragem (GA). Tipicamente, são utilizados adesivos epóxi para garantir a ligação entre os laminados de CFRP e o betão. O presente trabalho pretende contribuir para o conhecimento existente sobre durabilidade e comportamento a longo prazo de estruturas de BA reforçadas com laminados de CFRP em ambientes de envelhecimento natural uma vez que a literatura nesta área é escassa. O estudo realizado comtemplou um extenso programa experimental multi-escala incluindo três tipos de provetes à mesoescala e escala real, nomeadamente: (i) provetes dos materiais envolvidos, (ii) provetes para estudo da ligação entre laminados de CFRP e betão e (iii) lajes de BA reforçadas à flexão com laminados de CFRP sob carregamento constante. Foram considerados quatro ambientes naturais para indução de envelhecimento sobretudo por carbonatação, ciclos gelo-degelo, temperaturas elevadas e ação dos cloretos transportados pelo ar da água do mar. Adicionalmente, foi considerado um ambiente de controlo e um ambiente de imersão continua em água. A evolução da durabilidade foi avaliada sobretudo pela caracterização mecânica dos provetes dos materiais e da ligação durante 2 anos. As lajes de BA reforçadas com laminados de CFRP sob carregamento constante foram monitorizadas continuamente durante 3 anos. O programa experimental foi complementado com tentativas de comparações entre envelhecimento acelerado e natural, e ainda com propostas para melhorar as normas de projeto existentes.