Changing the Cross-Sectional Shapes of the Prestressed Rovings in Warp-Knitted Glass and Carbon Reinforcing Fabrics

No mundo da construção, o concreto é uma maravilha de compressão; é incrivelmente forte quando espremido, mas racha facilmente quando puxado. Para corrigir essa fraqueza, engenheiros inserem barras de aço dentro do concreto, uma técnica conhecida como reforço. No entanto, o aço tem uma falha: ele enferruja. Nas últimas décadas, construtores recorreram a um tipo diferente de reforço feito de milhares de minúsculos fios de vidro ou carbono agrupados. Esses feixes, chamados de rovings, são tecidos em tecidos que são então esticados e inseridos no concreto. Esse processo, chamado de protensão, coloca o concreto sob pressão constante, permitindo que as estruturas sejam mais finas, leves e muito mais resistentes ao fissuramento. A chave para fazer isso funcionar reside no próprio tecido. Quando esses feixes de fibras são puxados, eles não apenas esticam como um elástico; sua forma interna muda. Os milhares de fios individuais dentro do feixe se deslocam, deslizam e se rearranjam. Se o feixe se achatar demais ou mudar de forma de maneira errada, pode perder sua aderência ao concreto circundante, enfraquecendo toda a estrutura. Compreender exatamente como esses feixes se deformam sob tensão é essencial para prever quanto tempo um edifício durará e quanto peso poderá suportar com segurança.

Pesquisadores da Universidade Politécnica Peter, o Grande, de São Petersburgo, propuseram-se a observar esse rearranjo invisível em tempo real. Eles focaram em dois tipos específicos de tecidos de malha de urdume, um método de fabricação que cria estruturas abertas, semelhantes a malhas. Um tipo de tecido utiliza um padrão de ponto chamado "tricot", que cria uma estrutura diagonal e intertravada, enquanto o outro utiliza um ponto "pilar", que forma um padrão de corrente mais vertical. A equipe testou tecidos feitos tanto de fibras de vidro quanto de carbono, submetendo-os a níveis crescentes de tensão. Eles não simplesmente puxaram o tecido até que ele se rompesse; em vez disso, pararam em pontos específicos — 25%, 50% e 75% da resistência máxima do tecido — para examinar o que estava acontecendo dentro dele. Para fazer isso, congelaram o tecido em seu estado esticado usando uma resina de cura rápida, cortaram fatias minúsculas e as observaram sob um microscópio potente. Em seguida, utilizaram um software de computador para mapear a posição de cada fibra individual dentro da seção transversal do feixe, criando uma imagem estatística detalhada de como os fios se moveram conforme a carga aumentava.

Os resultados revelaram uma diferença dramática entre os dois padrões de ponto. Nos tecidos fabricados com o ponto tricot, a seção transversal do feixe de fibras mudou significamente conforme a carga aumentava. Inicialmente, esses feixes tinham uma forma oval achatada, com as fibras espalhadas por uma área ampla. À medida que a tensão subia, o feixe começava a se comprimir, perdendo sua forma achatada e tornando-se mais circular. As fibras, que antes estavam espalhadas, migraram para o interior, em direção ao centro do feixe. Esse rearranjo ocorreu mais rapidamente nas fases iniciais do estiramento, especificamente entre o início e os 25% da carga máxima. Quando o tecido atingiu 75% de sua resistência, o feixe havia se transformado em uma forma muito mais próxima de um círculo, e as fibras estavam densamente compactadas perto do meio. Essa mudança significava que o feixe estava perdendo o contato com o material circundante, um fator crítico porque a ligação entre a fibra e o concreto depende da área de superfície do feixe tocando o cimento.

Em contraste absoluto, os tecidos feitos com o ponto pilar comportaram-se de forma muito diferente. Esses feixes começaram com uma forma quase circular e mantiveram-se assim durante todo o processo de estiramento. Mesmo quando a tensão aumentou para 75% da força máxima, a seção transversal dos feixes de ponto pilar encolheu apenas ligeiramente em diâmetro. As fibras não migraram dramaticamente em direção ao centro; em vez disso, mantiveram sua distribuição original e uniforme. Os pesquisadores descobriram que o ponto pilar proporcionava uma geometria muito mais estável, resistindo ao achatamento e à reformulação que ocorreram nas amostras de tricot. Essa estabilidade sugere que o ponto pilar pode oferecer uma aderência mais consistente ao concreto, já que a forma do reforço não passa por uma transformação radical sob carga.

O estudo também destacou que esse remodelamento não é apenas uma questão de o feixe ficar menor; é uma migração interna complexa de milhares de filamentos individuais. No ponto tricot, as fibras movem-se das bordas externas para o núcleo, reduzindo efetivamente o "comprimento de contato" — o perímetro do feixe que toca o concreto. Os pesquisadores calcularam que o comprimento de contato cai bruscamente no primeiro quarto do processo de estiramento, após o qual se estabiliza. Essa descoberta sugere que as mudanças mais críticas ocorrem cedo, e que esticar o tecido além de um certo ponto não altera significativamente o arranjo interno adicionalmente. A diferença entre as fibras de vidro e de carbono também foi observada, com os feixes de carbono contendo muito mais filamentos individuais do que os de vidro, embora ambos tenham seguido as mesmas regras gerais ditadas pelo seu padrão de ponto.

Em última análise, o trabalho fornece um mapa claro de como esses tecidos de alta tecnologia se comportam sob estresse. Mostra que a escolha do padrão de ponto não é meramente um detalhe de fabricação, mas um fator fundamental na forma como o reforço interage com o concreto. Para engenheiros que projetam estruturas de concreto protendido, isso significa que o ponto tricot, embora comum, sofre uma transformação geométrica significativa que pode afetar o desempenho a longo prazo do material. O ponto pilar, ao manter sua forma, oferece um perfil mecânico diferente. A pesquisa confirma que, para prever a resistência e a durabilidade dessas estruturas modernas, deve-se olhar além da simples resistência das fibras e compreender a geometria complexa e mutável dos feixes que as mantêm unidas.