NOVA METODOLOGIA PARA O CONTROLO DE QUALIDADE DE SISTEMAS NSM CFRP DURANTE A CURA DO ADESIVO

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1 NOVA METODOLOGIA PARA O CONTROLO DE QUALIDADE DE SISTEMAS NSM CFRP DURANTE A CURA DO ADESIVO José Granja* Pedro Fernandes Andrea Benedetti Miguel Azenha Aluno Doutoramento Univ. Minho / ISISE Guimarães granja@civil.uminho.pt Aluno Doutoramento Univ. Minho / ISISE Guimarães pfernandes@civil.uminho.pt Bolseiro Univ. Minho / ISISE Guimarães andrea.benedetti@outlook.com Prof. Auxiliar Univ. Minho / ISISE Guimarães miguel.azenha@civil.uminho.pt José Sena-Cruz Prof. Associado Univ. Minho / ISISE Guimarães jsena@civil.uminho.pt SUMÁRIO O presente artigo descreve a aplicação de uma técnica inovadora, denominada EMM-ARM (Elasticity Modulus Monitoring through Ambient Response Method), para a monitorização contínua da cura de adesivos estruturais usados em técnicas de reforço estrutural. Foi realizado um estudo simultâneo de ensaios de arranque direto em provetes de betão reforçados com laminados de CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) de acordo com a técnica NSM (Near Surface Mounting) e ensaios EMM-ARM, avaliando a evolução de propriedades/comportamentos desde as primeiras idades. É discutida a relação entre a evolução da rigidez do adesivo e a força de arranque máxima, sendo destacado o potencial da aplicação do EMM-ARM para o controlo de qualidade e como ferramenta de apoio a tomadas de decisão durante o reforço de elementos de betão com a técnica NSM. Palavras-chave: Propriedades viscoelásticas; fluência; betão; caracterização experimental; primeiras idades Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 1

2 1. INTRODUÇÃO Na última década tem existido um uso crescente da técnica de reforço estrutural NSM (Near-Surface Mounted) para aumento da capacidade de carga de estruturas de betão através da utilização de polímeros reforçados com fibras (FRP Fiber Reinforced Polymer), de entre as quais se destacam as fibras de carbono (C) e de vidro (G) [1, 2]. De uma forma resumida, a técnica NSM consiste na abertura de ranhuras no betão de recobrimento do elemento a reforçar, nas quais é colocado o adesivo em estado fresco. O elemento em FRP (barra ou laminado) é colocado no interior da ranhura preenchida com o adesivo estrutural, ficando este FRP totalmente embebido. Hoje em dia, é amplamente aceite que o desempenho dos sistemas de reforço NSM CFRP dependem fortemente das propriedades mecânicas dos adesivos utilizados para fixar os FRP aos elementos de betão [3, 4]. A fluidez inicial dos adesivos permite a correta aplicação destes no interior das ranhuras efetuadas nas peças de betão. Após este período, com o progredir da reação de polimerização os adesivos endurecem, transformando-se num sólido rígido. Este processo, que leva à transformação do adesivo de um estado líquido num polímero vítreo, é designado na literatura como cura [5]. O processo de cura é fortemente dependente das condições ambientais, especialmente da temperatura, conforme já reportado por Matsui [6] e Moussa et al. [7]. Devido a esta forte dependência, torna-se evidente a necessidade da monitorização do processo de cura dos adesivos para: (i) identificar a idade que o material necessita de ter para satisfazer requisitos estruturais mínimos (especialmente importante no caso de sistemas de reforço pré-esforçados [8]), assim como a evolução da rigidez global da peça reforçada ao longo do tempo; (ii) confirmar que as propriedades mecânicas do adesivo epóxido são adequadas; (iii) verificar se a mistura foi bem efetuada; (iv) ser capaz de saber quando o adesivo epóxido possui as propriedades mecânicas que permitam colocar a estrutura reforçada em serviço. Deste modo, são necessários métodos não destrutivos que permitam a obtenção contínua de informações relevantes da cura dos adesivos epóxidos. Foram já propostos diversos métodos não destrutivos para a monitorização da cura dos adesivos epóxidos, tais como: os métodos baseados na frequência de ressonância [9-11], métodos ultrassónicos [12, 13], sensores de fibra ótica (FOs) [14] e espectroscopia Raman [15]. No entanto estes métodos apresentam ainda algumas limitações e/ou o procedimento experimental tem algum nível de complexidade [12, 16-18]. O presente trabalho tem como principal objetivo propor um novo método para permitir o controlo de qualidade contínuo de sistemas de reforço NSM CFRP, através da adaptação de um método existente, denominado EMM-ARM (Elasticity Modulus Monitoring through Ambient Response Method) [19-21] que tem vindo a ser desenvolvido para a monitorização contínua da evolução da rigidez de materiais cimentícios, tais como betão, pasta de cimento e solo estabilizado com cimento. Foi também efetuado em paralelo um estudo do comportamento da ligação betão/adesivo/cfrp ao longo da cura do adesivo através de Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 2

3 ensaios de arranque direto em provetes de betão reforçados com laminados de CFRP através da técnica NSM. A relação entre a evolução do módulo de elasticidade do adesivo epóxido e a força de arranque máxima foi determinada, avaliando a possibilidade da correlação entre estas duas grandezas, com importante potencial para efetuar o controlo de qualidade in-situ. 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL O programa experimental foi composto por duas partes: (i) foram efetuados ensaios EMM- ARM para monitorizar a evolução da cura do adesivo estrutural usado nas aplicações de reforço com FRP; e (ii) ensaios de arranque direto em provetes de betão reforçados com laminados CFRP segundo a técnica NSM para avaliar a evolução do comportamento da ligação entre CFRP e o betão desde as primeiras idades. Por forma a verificar a capacidade do método proposto na avaliação da rigidez do adesivo epóxido, foram efetuados ensaios de tração direta de acordo com a norma ISO 527-2:2012 [22] para a obtenção do módulo de elasticidade. Todos os provetes de ensaio foram realizados com a mesma mistura de adesivo epóxido, e os procedimentos de ensaio foram realizados em ambiente controlado, com temperatura e humidade relativa constantes de 20±1 C e 60±5 %, respetivamente. 2.1 EMM-ARM O método EMM-ARM baseia-se na colocação do material em estudo (e.g. pasta de cimento) no interior de um molde auto-portante (e.g. tubo acrílico), em condição estrutural definida (e.g. encastrado), monitorizando de forma contínua a frequência de ressonância da viga mista resultante. Através do conhecimento da evolução da frequência de ressonância e da aplicação das equações de equilíbrio da viga mista, é possível obter o valor do módulo de elasticidade do material testado de forma contínua e automática. De modo a adaptar o método EMM-ARM ao estudo de adesivos epoxídicos usados nas aplicações NSM CFRP foi necessário introduzir algumas alterações tanto ao nível do esquema de ensaio como do procedimento. De seguida será fornecida uma breve descrição das adaptações ao esquema e procedimentos de ensaio introduzidas neste trabalho. Para consulta de informação detalhada sobre a aplicação original em pastas de cimento (e sua validação), na qual esta aplicação se baseia, consultar o trabalho de Azenha et al. [20]. Uma vez que o adesivo epóxido é um material com uma granulometria que se aproxima da pasta de cimento foi decidido usar um molde de dimensões semelhantes ao empregue na versão do EMM-ARM aplicada a pastas de cimento. Este molde consiste num tubo cilíndrico com diâmetros interno e externo de 16 e 20 mm, respetivamente, encastrado numa das extremidades por forma a materializar um sistema estrutural em consola. Posteriormente são monitorizadas as acelerações na extremidade livre da viga [20]. Na versão original aplicada a pastas de cimento a viga possui um vão livre de 450 mm. Contudo, devido à menor rigidez expectável para o adesivo epóxido quando comparada com a rigidez da pasta Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 3

4 de cimento, foi decidido reduzir o vão livre da viga mista para 250 mm, como é apresentado nas Fig. 1a e 1b. Esta redução do vão livre e consequente redução do comprimento total do tubo de acrílico (de 550 para 330 mm) permite melhorar a resolução em frequência e também facilitar a operação de moldagem do adesivo epóxido no interior do molde Provete Tampa de propileno Dispositivo de fixação Dispositivo de fixação Cilindro de acrílico Øint/Øext=16/20mm Tampa de propileno Cilindro de acrílico Øint/Øext=16/20mm Tampa de propileno Acelerómetro Acelerómetro a) b) 250 Provete Tampa de propileno c) d) Figura 1. Configuração da viga EMM-ARM para o ensaio do adesivo epoxídico: a) Configuração final em ensaio; b) Vista explodida; c) Foto da injeção do epóxi no molde; d) Foto do ensaio em curso [dimensões: mm]. Devido às características de fluidez do adesivo epoxídico após a mistura o procedimento experimental teve de sofrer algumas adaptações relativamente à implementação original para pastas de cimento. Com efeito, o adesivo epóxido precisa de ser inserido do tubo para ensaio através dum processo de injeção com seringa de 100 ml (ver Fig. 1c). Apenas após a injeção completa do adesivo epóxido no tubo de acrílico é que são regularizadas as superfícies de topo, e aplicadas as tampas de extremidade em polipropileno. Seguidamente, a viga de ensaio é colocada na posição de ensaio final (Fig. 1d) e é iniciada a medição das acelerações verticais na extremidade da viga através de um acelerómetro leve (PCB 352A10 com 5.8 g de massa; 100 mv/g de sensibilidade; e uma gama de leitura entre 0.5 e Hz). Refira-se que o ensaio EMM-ARM decorre apenas com recurso à excitação ambiental (por exemplo: pessoas a andar nas proximidades, a ventilação da câmara, vibrações provocadas por equipamentos mecânicos, entre outros). No presente caso, com vista à amplificação da excitação, recorreu-se ao uso de um ventilador na proximidade do sistema de ensaio. Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 4

5 Foi usado um sistema de aquisição da National Instruments NI USB-9233 com 24 bits conectado a um PC com objetivo de registar as acelerações medidas pelo acelerómetro. Os ensaios foram iniciados logo após a colocação dos acelerómetros, que ocorreu aproximadamente 20 minutos após o início da mistura dos componentes do adesivo epoxídico. As acelerações foram adquiridas em séries de 5 minutos, intervaladas de 10 minutos entre si, e com frequência de aquisição de 1 khz. Em seguida, foram calculados os espetros de frequência dos acelerogramas adquiridos através do procedimento de Welch [23]. A explicação detalhada de todo o procedimento de identificação modal é apresentado no trabalho de Azenha et al. [20]. As frequências de ressonância das vigas mistas foram identificadas para cada série de 5 minutos através do pico de maior amplitude do espetro de frequências. As frequências de ressonância identificadas foram por fim relacionadas com o módulo de elasticidade do adesivo epóxido através da aplicação da equação de equilíbrio dinâmico do sistema estrutural (consola em vibração livre). A dedução completa desta equação pode ser consultada no trabalho de Azenha et al. [20]. A solução final da equação diferencial apresenta a seguinte forma: a 3 2 w m p cosh a L cos a L 1 cos a L sinh a L cosh a L sin a L 0 EI (1) a w m 4 2 EI onde: E é o módulo de elasticidade (em [Pa]); I é o momento de inércia da secção homogeneizada d da viga mista (em [m 4 ]); m é a massa distribuída ao longo da consola (em [kg/m]); m p é a massa concentrada localizada na extremidade livre da consola e representa a massa do acelerómetro e da tampa (em [kg]); L é o vão livre a consola (em [m]); f é a primeira frequência de ressonância da viga mista (em [Hz]), e a correspondente frequência angular é definida como w=2πf. Assim, para cada frequência medida foi possível obter o correspondente valor de EI da viga mista. Ora, considerando que a interação entre o adesivo e molde é perfeita e uma vez que o módulo de elasticidade do acrílico (E a) é conhecido, o módulo de Young do adesivo epóxido (E e) pode ser estimado através da seguinte equação: E e EI E I a a (2) e I sendo I a e I e os momentos de inercia do acrílico e do adesivo epóxido, respetivamente. Desta forma é possível relacionar a evolução da frequência de ressonância do primeiro modo de vibração com a evolução do módulo elástico do material durante todo o período de ensaio. Por forma a verificar a repetibilidade desta versão adaptada de EMM-ARM aplicada a adesivos epóxidos, foram efetuados dois ensaios em simultâneo, usando a mesma mistura Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 5

6 de adesivo. Na Fig. 1 são apresentadas as características geométricas dos moldes usados nos ensaios EMM-ARM, assim como as densidades do acrílico e do adesivo epoxídico. Os valores do módulo de elasticidade e da densidade do acrílico foram verificados experimentalmente através da identificação da frequência de ressonância e da pesagem do molde vazio (com uma balança Kern PLS com precisão de 0.01 g) antes de se iniciar os ensaios. Quadro 1. Características dos provetes utilizados. Referência Ia [mm 4 ] Ie [mm 4 ] Massa na extremidade [g] Densidade do acrílico [kg/m 3 ] Densidade do adesivo epóxido [kg/m 3 ] EMM EMM Ensaio de arranque direto Como foi referido anteriormente, para avaliar a evolução do comportamento da ligação entre os laminados de CFRP e o betão durante a cura do adesivo epoxídico, foram realizados ensaios de arranque direto em provetes de betão reforçados com laminados de CFRP segundo a técnica NSM. Na Fig. 2a apresenta-se a geometria dos provetes e a configuração de ensaio adotada para os ensaios de arranque direto (DPT). Estes ensaios foram realizados com recurso a provetes cúbicos de betão com 200 mm de aresta, em cada um dos quais foi embebido um laminado CFRP de acordo com a técnica NSM. Foram executadas ranhuras com uma secção transversal de 15 5 mm 2 para a introdução do laminado de CFRP com secção transversal de mm 2. No presente trabalho foi adotado um comprimento de amarração (L b) de 60 mm. Para evitar a rotura prematura devido à formação de cone de betão na extremidade carregada, o comprimento de amarração foi iniciado a 100 mm a partir da face superior do provete (do lado carregado). Foi aplicada uma chapa de aço com 20 mm de espessura na face superior dos cubos de betão (ancorada ao pórtico de ensaio) de modo a garantir deslocamentos verticais desprezáveis durante os ensaios de arranque. Esta chapa de aço foi fixa à base por intermédio de 4 varões roscados M10. Foi aplicado nestes um momento de aperto de 30 N m, que induz um estado inicial de compressão ao betão de cerca de 2.0 MPa. Os ensaios efetuaram-se num sistema servo-controlado, sendo monitorizada a força de arranque (F) por intermédio de uma célula de carga, com capacidade máxima de 200 kn e precisão de 0.05%. O deslizamento no final da zona carregada (s l) foi monitorizado através de um LVDT com um campo de medida de ±2.5 mm com precisão de 0.05%. Os ensaios foram realizados em controlo de deslocamento, através de um outro LVDT colocado entre o atuador e a amarra, a uma velocidade de 2 m/s. Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 6

7 F (s ) LVDT l Laminado de CFRP Varão roscado Porca Chapa de aço 100 Extremidade carregada Bloco de betão 200 Laminado de CFRP Adesivo epóxi Adesivo epóxi 40 wg Extremidade livre Base a) b) Figura 2: Ensaio de arranque direto: a) geometria do provete e configuração do ensaio; b) foto [dimensões: mm]. Na preparação dos provetes reforçados foi necessário seguir diversas etapas das quais se destacam as seguintes: (i) abertura das ranhuras com uma máquina de corte; (ii) limpeza das ranhuras com ar comprimido e dos CFRP com acetona; (iii) preparação do adesivo de acordo com a respetiva ficha técnica; (iv) aplicação do adesivo na ranhura e na superfície do laminado; (v) inserção do CFRP no interior da ranhura; (vi) acabamento final através do alisamento da superfície. Depois da abertura das ranhuras realizaram-se algumas medições da geometria das mesmas. A partir dessas medições verificou-se que as ranhuras apresentavam uma largura média de 5.21 mm (com um coeficiente de variação, CoV=2.92%) e uma profundidade de mm (CoV=2.66%). De salientar que o reforço dos provetes foi efetuado cerca de 30 dias após a abertura das ranhuras e que estas se encontravam secas. Durante este período todos os componentes (provetes de betão, laminados CFRP e componentes do adesivo epóxido) foram mantidos no interior da câmara climática a T=20±1 C e RH=60±5%. Como foi salientado anteriormente, o reforço dos provetes foi efetuado em ambiente controlado e todos os provetes foram reforçados em simultâneo usando a mesma mistura de adesivo epóxido. Após o reforço, os provetes foram mantidos no mesmo ambiente controlado até a data de ensaio. Os provetes de betão à data de reforço tinham 3 anos de cura e a resistência à compressão média em cilindros era de MPa (CoV=5.22%). Os laminados de CFRP usados no presente trabalho experimental tinham secção transversal de mm 2 e foram produzidos pela S&P Clever Reinforcement (marca comercial: CFK 150/2000 fornecimento em rolos). Este tipo de laminados consiste em fibras de carbono unidirecionais aglutinadas por um adesivo epoxídico de éster de vinilo e apresenta uma superfície lisa. No trabalho de Fernandes et al. [24] são apresentadas as propriedades mecânicas deste laminado, obtidas de acordo com a norma ISO 527-5:2009 [25], sendo o Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 7

8 módulo de elasticidade, a tensão de rotura e a extensão máxima de GPa (CoV=2.5%), MPa (CoV=1.8%) e 1.6% (CoV=1.8%), respetivamente. O programa experimental foi composto por vinte ensaios de arranque direto às idades: 6, 9, 12, 24, 36, 48, 72, 168, 336 horas, 30 dias e 3 meses. Para cada idade, com exceção das 6 e 9 horas (onde apenas foi ensaiado um provete), foram realizados dois ensaios consecutivos no menor espaço de tempo possível, para verificar a repetibilidade dos resultados. A denominação genérica atribuída a cada provete, relevante para a apresentação dos resultados no Quadro 2, foi: DPTX_Y, em que X representa o número do provete (1, 2,, 20) e Y a idade de ensaio (6 h, 9 h,, 336 h, 30 d, 3 m). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados do programa experimental são cumulativamente apresentados em seguida, começando pelos resultados obtidos pelos ensaios EMM-ARM, seguidos pelos resultados dos ensaios de arranque direto. Por fim, é apresentada a comparação entre os resultados das evoluções do módulo de elasticidade do adesivo epoxídico e da força de arranque máxima. 3.1 Evolução do módulo de elasticidade Na Fig. 3a são apresentadas as evoluções das frequências de ressonância identificadas pelo método EMM-ARM para os dois provetes (EMM1 e EMM2). Vale a pena mencionar que foi abrangida uma vasta gama de frequências durante a cura do adesivo epóxido, variando 27.9 Hz durante todo o período de teste (de 49.9 Hz para 77.8 Hz). As curvas de evolução das frequências ao longo da cura do adesivo epóxido apresentam forma plausível, sendo observável um período inicial dormente de 6.45 horas onde as frequências permanecem num patamar quase constante dentro de uma gama de variação de ±0.6 Hz. Após este período dormente, as frequências evoluem significativamente nas duas vigas até aproximadamente às 35 horas de cura. A partir desse instante ocorreu uma drástica redução da velocidade de evolução das frequências. É ainda de referir que quando comparadas as evoluções das frequências dos dois provetes (EMM1 e EMM2) se pode verificar que estas são bastante semelhantes, demonstrando a repetibilidade do procedimento experimental. Como foi referido na secção 2.1, após a obtenção das frequências de ressonância (Fig. 3a) e de serem conhecidas as características físicas dos provetes (Quadro 1) é possível, através da aplicação das equações (1) e (2) estimar a evolução do módulo de elasticidade do adesivo testado. A estimativa das evoluções do módulo de Young é apresentada na Fig. 3b. Em primeiro lugar, deve ser salientado que as curvas de evolução do módulo de elasticidade apresentam muito boa coerência entre si, demonstrando uma vez mais uma adequada repetibilidade do método EMM-ARM. No período inicial, isto é, durante as primeiras 6.45 horas, o adesivo epóxido apresentou uma rigidez nula, seguido de um drástico aumento da rigidez, atingindo 8.6 GPa às 35 horas. Após este ponto, a evolução do Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 8

9 módulo de elasticidade atingiu um patamar, onde a rigidez apenas aumento 0.2 GPa (de 8.6 para 8.8 GPa) durante as próximas 109 horas. A Fig. 3b também apresenta os valores do módulo de elasticidade obtidos pelos ensaios de tração em provetes de adesivo epoxídico (E std e E inslop) efetuados aos 10 dias de cura. O primeiro valor E std é o módulo de elasticidade calculado pelo declive de uma reta secante para os pontos de extensão 0.05% e 0.25% no gráfico de tensão-extensão de acordo com a norma ISO 527-2:2012 [22]. O segundo valor E inslop representa o valor do declive de uma linha de tendência linear dos valores inferiores a 1/3 da tensão última do mesmo gráfico, de acordo com a norma americana ASTM D638M-93 [26]. Comparando os valores obtidos pelo EMM-ARM e através dos ensaios de tração verifica-se que existe uma diferença não negligenciável: o valor obtido pelo EMM-ARM às 144 horas é significativamente maior do que o valor de E std obtido às 240 horas, com uma diferença de 1.8 GPa (20.2%). Não obstante desta diferença, se a comparação for efetuada entre os valores do EMM-ARM e de E inslop a diferença é significativamente inferior (0.68 GPa uma diferença de 7.6%), podendo esta ser considerada razoável. Esta grande variação nos resultados entre E std e E inslop devese ao facto de o procedimento de cálculo presente na norma ISO 527-2:2012 [22] não ter em conta os valores limite da extensão do material, fazendo com que o limite superior (0.25%) esteja muito próximo dos valores de extensão máxima obtidos nos ensaios de tração (0.35%). Esta proximidade faz com que o limite superior se localize numa região não linear da curva gráfico tensão-extensão dos ensaios de tração, traduzindo-se em valores de rigidez (calculada) inferiores. Esta proximidade dos resultados é uma boa indicação da capacidade do método EMM-ARM em identificar os valores estáticos do módulo de elasticidade de adesivos epoxídicos. Frequência [Hz] EMM1 EMM Tempo de cura [horas] Módulo de elasticidade [GPa] Tempo de cura [horas] EMM1 EMM2 E inslop E std a) b) Figura 3: Resultados EMM-ARM: a) Evolução das frequências; b) Evolução do módulo de elasticidade. Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 9

10 3.2 Evolução do comportamento da ligação Para analisar o desempenho do comportamento da ligação betão/adesivo/cfrp, foram analisados os seguintes parâmetros nos ensaios de arranque direto: a força de arranque máxima (F l,max), o deslizamento na zona carregada da ligação quando F l,max é atingida (s l,max) e a tensão de corte média na interface CFRP-adesivo ( max).[27]. Os resultados são apresentados no Quadro 2, onde são também apresentados os modos de rotura dos ensaios, onde foi usada a seguinte nomenclatura: D deslizamento na interface adesivo/laminado; FE rotura coesiva (por corte) no adesivo; CC destacamento do betão; SE fendilhação do adesivo epóxido. Idade Quadro 2. Resultados dos ensaios de arranque direto. Idade real de ensaio [horas] Referência F l,max [kn] max [MPa] s l,max [mm] Modo de rotura 6h 5.9 DPT1_6h FE 9h 8.9 DPT2_9h FE 12h 24h 36h 48h 72h 168h 336h 30d 3m 11.2 DPT3_12h FE 12.8 DPT4_12h FE 24.5 DPT5_24h D 25.9 DPT6_24h D 36.9 DPT7_36h D+SE+CC 38.1 DPT8_36h D 49.0 DPT9_48h D+CC 49.9 DPT10_48h D 72.2 DPT11_72h D 73.2 DPT12_72h D+SE+CC DPT13_168h D DPT14_168h D DPT15_336h D DPT16_336h D DPT17_30d DPT18_30d D DPT19_3m D DPT20_3m D Como se pode observar, ocorreram essencialmente dois tipos de rotura ao longo dos ensaios. Inicialmente ocorreu rotura coesiva, por corte, no adesivo (FE) nos ensaios até às 12 horas, confirmando as reduzidas propriedades mecânica que o adesivo apresenta no início da cura. A partir das 24 horas o modo de rotura passou a ser predominantemente por deslizamento na interface adesivo/laminado (D). Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 10

11 Na Fig. 4a apresenta-se gráfico que relaciona a força de arranque com o deslizamento da extremidade da zona carregada para um conjunto relevante de provetes. É possível observar o aumento da rigidez e da resistência da ligação ao longo do tempo. Esta evolução parece ser predominantemente controlada pela cura do adesivo. Às 6 horas de cura, uma vez que o adesivo epóxido ainda não começou a ganhar presa, a força de arranque permaneceu aproximadamente nula. Durante as 18 horas seguintes (até às 24 horas) a rigidez da ligação aumentou significativamente, atingindo um estado de cura do adesivo onde o comportamento da ligação se aproxima muito de um ensaio com o adesivo completamente curado (ensaio aos 3 meses de cura). Esta constatação é consistente com a alteração no modo de rotura ocorrida (de FE para D) como se pode observar na Fig. 4a. Na Fig. 4b são apresentadas as evoluções da força de arranque máxima (F l,max) e o correspondente deslizamento na extremidade da zona carregada ao longo da cura do adesivo epoxídico. É possível constatar que a F l,max apresenta valor nulo às 6 horas de cura, seguido de um período de um aumento significativo até às 24 horas onde atinge o valor final de 24.9 kn com uma variação de 1.28 kn (5.13%). O deslizamento na extremidade da zona carregada foi bastante elevado durante as primeiras horas de cura, em correspondência com o facto do adesivo ainda não estar completamente curado. Após as primeiras 24 horas o s l,max atingiu um patamar com um valor de 0.65 mm com uma variação de ±0.075 mm (11.5%). Força de arranque, F l [kn] DPT1_6h >24h DPT2_9h DPT3_12h DPT4_12h DPT5_24h 12.8 h 11.2 h 8.9 h DPT6_24h DPT7_36h DPT14_168h DPT19_3m FE D Força de arranque, F l,max [kn] F l,max Deslizamento, s l,max [mm] h Deslizamento, s l [mm] Tempo de cura [horas] s l a) b) Figura 4: a) Força de arranque versus deslizamento na zona carregada; b) Evolução da força de arranque máxima e o correspondente deslizamento ao longo do tempo de cura. 3.3 Comparação entre F l,max e o módulo de elasticidade do adesivo epóxido Na Fig. 5a é apresentada a comparação entre a evolução da força de arranque máxima (F l,max) e do módulo de elasticidade do adesivo epóxido. Nesta figura é possível observar que ambas as evoluções apresentam uma cinética de evolução bastante semelhante. No início da presa do adesivo epóxido existe uma boa coerência entre a rigidez e a força de Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 11

12 arranque. Para além disso a evolução da resistência da ligação é consistente com a fase de evolução das reações de cura do adesivo epóxido. Deste modo é possível obter uma correlação relativamente estreita entre o módulo de elasticidade do adesivo epóxido e a força máxima de arranque, apresentada na Fig. 5b. De salientar que os valores representados foram normalizados aos valores obtidos nos ensaios às 72 horas. A partir desta figura é possível observar que a evolução da rigidez do adesivo epóxido apresenta uma cinética mais acelerada em relação à força de arranque máxima durante a fase de maior evolução da cura do adesivo. Apesar deste facto, torna-se evidente que o comportamento da ligação de sistemas de reforço com CFRP pela técnica NSM é fortemente dependente da rigidez do adesivo usado para colar o laminado ao betão. Desta forma, a informação disponibilizada por técnicas não destrutivas como o EMM-ARM, que fornece informação contínua e quantitativa da evolução da rigidez de adesivos epoxídicos, permite apoiar processos de controlo de qualidade e a monitorização in-situ das aplicações de reforço, estimando o tempo mínimo de cura para atingir um valor de projeto da força de arranque. Módulo de elasticidade [GPa] Tempo de cura [horas] EMM1 EMM2 F l,max (FE) F l,max (D) Força de arranque F l,max [kn] F l,max [normalizada] Modo de rutura FE D Módulo de elasticidade [normalizado] a) b) Figura 5: a) Comparação entre a evolução do módulo de elasticidade do adesivo epóxido e da força de arranque máxima; b) Correlação entre o módulo de elasticidade do adesivo epóxido e a força de arranque máxima. 4. CONCLUSÕES Este artigo apresentou uma extensão ao estudo de resinas epoxídicas de um método existente para a monitorização da evolução do módulo de elasticidade de materiais cimentícios desde a moldagem. Este método, intitulado EMM-ARM, é baseado numa técnica não destrutiva de ensaios de vibração ambiental e na identificação contínua da frequência de vibração de uma viga mista em consola. Para além da extensão do método EMM-ARM foi efetuado um estudo simultâneo do comportamento da ligação betão/adesivo/laminado através de ensaios de arranque direto em provetes de betão reforçados com laminados de CFRP pela técnica NSM durante a cura do adesivo epoxídico. Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 12

13 Os resultados obtidos confirmaram a capacidade do EMM-ARM na identificação da cinética da cura de adesivos epóxidos, através da monitorização da evolução da rigidez desde a mistura do adesivo. As evoluções da rigidez do adesivo epóxido obtidas demonstraram ainda uma boa repetibilidade do método EMM-ARM. O comportamento da ligação de elementos de betão reforçados com laminados de CFRP pela técnica NSM foi verificado desde as primeiras idades da cura do adesivo epóxido, tendo sido observada uma evolução significativa da força de arranque máxima entre as 6 e as 24 horas de cura do adesivo epoxídico. As evoluções da força de arranque máxima e do módulo de elasticidade do adesivo epóxido obtido pelo EMM-ARM apresentaram uma cinética de evolução bastante semelhante, confirmando que o comportamento da ligação de elementos de betão reforçados com laminados de CFRP pela técnica NSM depende fortemente da rigidez do adesivo. Relativamente às suas aplicações, o EMM-ARM pode ser facilmente implementado in-situ para a monitorização da cura do adesivo epoxídico em condições de cura não controladas, como podem ser as de um estaleiro de obra, e servir de base para a tomada de decisões relativamente à duração das fases de construção ou dos períodos de espera para colocação de uma estrutura reforçada pela técnica NSM-CFRP em serviço. Nesse sentido será necessário o estudo explícito do efeito da temperatura sobre a cinética das reações de polimerização. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi financiado por fundos FEDER através do Programa Operacional para Fatores de Competitividade COMPETE e por fundos nacionais através da FCT Fundação Portuguesa para a Ciência e Tecnologia através dos projetos CutInDur PTDC/ECM/112396/2009 e ViscoDyn EXPL/ECM-EST/1323/2013 e pelo suporte financeiro à unidade de investigação ISISE. Os autores também agradecem a todas as empresas que estiveram envolvidas no apoio dos trabalhos, nomeadamente: S&P Clever Reinforcement Ibérica Lda. O primeiro e segundo autores gostariam também de agradecer à FCT pelas bolsas de doutoramento SFRH/BD/80682/2011 e SFRH/BD/80338/2011, respetivamente. REFERÊNCIAS [1] De Lorenzis, L. e Teng, J. G. "Near-surface mounted FRP reinforcement: An emerging technique for strengthening structures", Composites Part B: Engineering, 2007, Vol. 38, p [2] Lorenzis, L. e Nanni, A. "Characterization of FRP Rods as Near-Surface Mounted Reinforcement", Journal of Composites for Construction, 2001, Vol. 5, p Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 13

14 [3] Czaderski, C., et al. "Effect of curing conditions on strength development in an epoxy resin for structural strengthening", Composites Part B: Engineering, 2012, Vol. 43, p [4] Borchert, K. e Zilch, K. "Bond behaviour of NSM FRP strips in service", Structural Concrete, 2009, Vol. 9, p [5] Gillham, J. K. "Formation and properties of thermosetting and high Tg polymeric materials", Polymer Engineering & Science, 1986, Vol. 26, p [6] Matsui, K. "Effects of curing conditions and test temperatures on the strength of adhesive-bonded joints", International Journal of Adhesion and Adhesives, 1990, Vol. 10, p [7] Moussa, O., et al. "Early-age tensile properties of structural epoxy adhesives subjected to low-temperature curing", International Journal of Adhesion and Adhesives, 2012, Vol. 35, p [8] Michels, J., et al. "Prestressed CFRP Strips with Gradient Anchorage for Structural Concrete Retrofitting: Experiments and Numerical Modeling", Polymers, 2014, Vol. 6, p [9] Schmidt, R., et al. "Measurement of the Young's modulus of moulding compounds at elevated temperatures with a resonance method", Polymer Testing, 2005, Vol. 24, p [10] Deng, S., et al. "Temperature-dependent elastic moduli of epoxies measured by DMA and their correlations to mechanical testing data", Polymer Testing, 2007, Vol. 26, p [11] Tognana, S., et al. "Measurement of the Young's modulus in particulate epoxy composites using the impulse excitation technique", Materials Science and Engineering: A, 2010, Vol. 527, p [12] Lionetto, F. e Maffezzoli, A. "Monitoring the Cure State of Thermosetting Resins by Ultrasound", Materials, 2013, Vol. 6, p [13] Frigione, M., et al. "Nondestructive and in-situ monitoring of mechanical property buildup in epoxy adhesives for civil applications by propagation of ultrasonic waves", Polymer Engineering & Science, 2000, Vol. 40, p [14] Antonucci, V., et al. "Fiber Optics Technique for Quality Control and Monitoring of FRP Installations. FRPRCS-7. Kansas City, USA: American Concrete Institute; p " em Seventh International Symposium of the Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement for Reinforced Concrete Structures Ed. por C. K. Shield, 2005, p [15] Merad, L., et al. "In-situ monitoring of the curing of epoxy resins by Raman spectroscopy", Polymer Testing, 2009, Vol. 28, p Nova metodologia para o controlo de qualidade de sistemas NSM CFRP durante a cura do adesivo 14

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