A medida que la ola de prefabricación se extiende por el mundo, la "excesiva resistencia y la tenacidad insuficiente" de componentes de hormigón prefabricado (PC) siempre ha sido un punto crítico en la industria. El surgimiento de fibra de carbono, el "mago negro", está haciendo que vigas, placas y columnas evolucionen de "frágiles tiburones" a "hombres de hierro sísmicos".

Punto débil: ¿Por qué los componentes de PC tradicionales no pueden resistir?

Falla frágil: el hormigón ordinario es resistente a la compresión pero no a la tensión, y es fácil romperse instantáneamente cuando se dobla o se impacta.

Corrosión de barras de acero: La erosión de los iones de cloruro en zonas costeras o plantas químicas ha provocado que aumenten las "lesiones internas" de las barras de acero tradicionales.

Grilletes de peso: aumentar la sección transversal para aumentar la capacidad de carga aumentará los costos de transporte y elevación.

La reparación posterior a un terremoto es difícil: una vez que se agrieta el área del nodo, el ciclo de reparación de la operación húmeda en el sitio es largo, lo que retrasa la reanudación del trabajo.

Cuatro funciones disruptivas de la fibra de carbono

Adición interna de "fibra corta" - "reconstrucción de ligamentos" para hormigón

Mecanismo: La adición de un 0,2 %-0,8 % de volumen de fibra de carbono de corte corto forma un soporte tridimensional aleatorio en la matriz. Cuando aparecen grietas, la fibra crea un puente para transferir la tensión, lo que aumenta la tenacidad al impacto de 2 a 4 veces.

• Escenario: Escaleras prefabricadas, segmentos de tuberías de metro, barandillas anticolisión y otros componentes que necesitan ser resistentes a los impactos.

• Datos: Las vigas prefabricadas con 0,4 % de fibra de carbono añadida tienen una reducción del 35 % en la deflexión en el tramo medio y una reducción del 50 % en el ancho de grieta en la prueba de martillo de caída.

Tejido exterior de CFRP: una "armadura invisible" con una resistencia diez veces mayor que la de las barras de acero.

• Mecanismo: La tela de CFRP con una resistencia a la tracción de ≥3000 MPa se pega a la superficie de tracción del componente con pegamento epoxi para formar un sistema de fuerza secundario, que puede aumentar la capacidad de soporte de flexión en un 30%-50% sin aumentar la sección transversal.

• Escenarios:

– Refuerzo rápido de antiguas losas prefabricadas huecas;

– Modernización sísmica de puentes prefabricados (por ejemplo, revestimiento de tejido de CFRP alrededor del área de bisagra plástica de los pilares).

• Caso: Después de fijar dos capas de tela de CFRP a la parte inferior de la viga cajón prefabricada de un determinado paso elevado, se restableció la capacidad de carga máxima a 1,45 veces el diseño original.

"Barras/rejillas de CFRP" prefabricadas: "barras de acero superresistentes" que nunca se oxidan

• Mecanismo: El uso de barras de CFRP para reemplazar las barras de acero tradicionales tiene una densidad de solo 1/5 de la del acero, pero una resistencia a la tracción 10 veces mayor que la del acero y es resistente a la corrosión por iones de cloruro.

• Escenarios:

– Paneles de pared exterior prefabricados para muelles costeros y tanques de almacenamiento de GNL;

– Paneles de puentes prefabricados que necesitan protección contra la corrosión salina en zonas frías de gran altitud.

• Económico: El coste de todo el ciclo de vida se reduce en un 30%, eliminando la necesidad de un recubrimiento anticorrosivo posterior.

Capa de percepción inteligente: permite que los componentes tengan su propio control de salud.

• Mecanismo: Las fibras de carbono cortas uniformemente dispersas hacen que la resistividad del hormigón cambie linealmente con la deformación, realizando un autodiagnóstico de grietas.

• Escenarios:

– Pasillos de tuberías prefabricados integrados, monitoreo de asentamientos en tiempo real;

– Paneles de muro exterior de edificios prefabricados, evaluación rápida de niveles de daños después de un sismo.

¿Cuánto ha mejorado la durabilidad de los componentes prefabricados tras ser blindados con fibra de carbono? Disponemos de comparaciones de datos claras, que se reflejan principalmente en dos aspectos:

1. Indicadores cuantitativos de mejora de la durabilidad

Ancho de grieta: después del refuerzo con tela de CFRP, la tasa de expansión de grietas disminuyó entre un 60% y un 75%; después de 120 ciclos secos y húmedos, el factor de intensidad de tensión en la punta de la grieta disminuyó entre un 50%.

Corrosión de las barras de refuerzo: después de que las barras/rejillas de CFRP reemplazaran a las barras de acero, el coeficiente de permeabilidad de los iones de cloruro disminuyó en un orden de magnitud y la tasa de corrosión de las barras de acero fue <0,01 mm/año.

Ciclo de congelación-descongelación: después de 300 pruebas rápidas de congelación-descongelación (FT), la tasa de retención de la resistencia de unión de la interfaz CFRP-hormigón fue ≥85%, mientras que las muestras no reforzadas solo tuvieron el 50%.

Envejecimiento ultravioleta: después de la irradiación continua con lámpara UV-A de 340 nm durante 1000 h, se observó la atenuación de la resistencia a la tracción de la tela CFRP. <5%, lo que es mucho mejor que la atenuación del 20% de las barras de acero recubiertas de epoxi.

2. Adaptabilidad ambiental: Rendimiento en condiciones de trabajo extremas

Alta temperatura y alta humedad (40 ℃, HR 95%)

Después de 3000 h, la resistencia al corte de la interfaz CFRP-hormigón disminuyó en <8%, cumpliendo con los requisitos equivalentes a 30 años de JTG/T J22-2011 para entornos cálidos y húmedos.

Niebla salina + ciclo seco-húmedo (NaCl 5%, 120 ciclos)

La resistencia de adhesión del hormigón armado tradicional se redujo en un 50%, mientras que la muestra reforzada con CFRP solo se redujo en un 12%.

Congelación-descongelación + sal antihielo (-18 ℃ ↗ +5 ℃, 300 ciclos)

La carga última de la muestra de tela de CFRP disminuyó en <10%, mientras que el del hormigón ordinario disminuyó un 35%.

Por lo tanto, la fibra de carbono no son simplemente "barras de acero más caras", sino la clave para la evolución del hormigón prefabricado, de la "soporte de carga pasiva" a la "detección activa". Quien domine esta clave primero podrá abrir un océano azul de alto valor añadido en el océano rojo de los edificios prefabricados.