Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Abrahão, Taila Brandes
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37994
Resumo: Structural strengthening plays a fundamental role in the preservation and retrofitting of structures that are nearing the end of their service life, were built according to outdated standards, or require adaptation to new uses that exceed their original capacity. Among the various available techniques, the use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) stands out due to their mechanical strength, corrosion resistance, low density, and minimal alteration of the geometry of the strengthened element. However, premature debonding of CFRP, often caused by adhesive characteristics such as brittle failure mode and low fracture toughness, can compromise the structural stability of the system. In this context, recent research has focused on enhancing the properties of polymer matrices through the incorporation of nanomaterials such as graphene, which provides increased toughness and mechanical strength to the composite. Nevertheless, proper dispersion is essential for the effective performance of the reinforcement, requiring the use of techniques such as ultrasonication or shear mixing to ensure homogeneity. With this in mind, the objective of this study was to evaluate the influence of graphene addition to epoxy resin used in CFRP structural strengthening of reinforced concrete beams. The study was divided into four parts: material characterization, investigation of graphene dispersion in the resin, analysis of the composite produced using the best dispersion method, and application of this composite as an adhesive for CFRP strengthening of reinforced concrete beams. Three different dispersion techniques were employed: ultrasonic bath, ultrasonic processors, and torque rheometer (shear mixing). The materials and compositions were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric and differential thermal analysis (TGA/DTA), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, optical microscopy (OM), transmission electron microscopy (TEM), and tensile strength testing. Based on the results, shear mixing was selected as the most effective method for composite production and subsequent application in CFRP strengthening. The composite was evaluated using FTIR, TGA/DTA, DSC, and tensile strength tests. The beams were tested under four-point bending to determine the cracking and ultimate stresses, as well as to evaluate the failure modes of the specimens. The experimental data showed that the torque rheometer provided the most effective graphene dispersion, resulting in the composite with the most homogeneous distribution and the best balance between strength and elastic modulus. When applied as an adhesive in CFRP strengthening, no statistical difference was observed in cracking and ultimate stresses compared to the neat resin. This performance is associated with the failure mode and factors such as dispersion quality, interaction with concrete, and stiffness of the reinforcement.
id UTFPR-12_2ac60a8e2b57fdbb1934005e319b10d1
oai_identifier_str oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/37994
network_acronym_str UTFPR-12
network_name_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository_id_str
spelling Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armadoEvaluation of the influence of graphene addition to epoxy resin applied to structural reinforcement with carbon fibers in reinforced concrete beamsGrafenoPolímerosDispersãoAnálise estrutural (Engenharia)Resinas epoxiVigas de concretoGraphenePolymersDispersionStructural analysis (Engineering)Epoxy resinsConcrete beamsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::CONSTRUCAO CIVILEngenharia CivilStructural strengthening plays a fundamental role in the preservation and retrofitting of structures that are nearing the end of their service life, were built according to outdated standards, or require adaptation to new uses that exceed their original capacity. Among the various available techniques, the use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) stands out due to their mechanical strength, corrosion resistance, low density, and minimal alteration of the geometry of the strengthened element. However, premature debonding of CFRP, often caused by adhesive characteristics such as brittle failure mode and low fracture toughness, can compromise the structural stability of the system. In this context, recent research has focused on enhancing the properties of polymer matrices through the incorporation of nanomaterials such as graphene, which provides increased toughness and mechanical strength to the composite. Nevertheless, proper dispersion is essential for the effective performance of the reinforcement, requiring the use of techniques such as ultrasonication or shear mixing to ensure homogeneity. With this in mind, the objective of this study was to evaluate the influence of graphene addition to epoxy resin used in CFRP structural strengthening of reinforced concrete beams. The study was divided into four parts: material characterization, investigation of graphene dispersion in the resin, analysis of the composite produced using the best dispersion method, and application of this composite as an adhesive for CFRP strengthening of reinforced concrete beams. Three different dispersion techniques were employed: ultrasonic bath, ultrasonic processors, and torque rheometer (shear mixing). The materials and compositions were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric and differential thermal analysis (TGA/DTA), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, optical microscopy (OM), transmission electron microscopy (TEM), and tensile strength testing. Based on the results, shear mixing was selected as the most effective method for composite production and subsequent application in CFRP strengthening. The composite was evaluated using FTIR, TGA/DTA, DSC, and tensile strength tests. The beams were tested under four-point bending to determine the cracking and ultimate stresses, as well as to evaluate the failure modes of the specimens. The experimental data showed that the torque rheometer provided the most effective graphene dispersion, resulting in the composite with the most homogeneous distribution and the best balance between strength and elastic modulus. When applied as an adhesive in CFRP strengthening, no statistical difference was observed in cracking and ultimate stresses compared to the neat resin. This performance is associated with the failure mode and factors such as dispersion quality, interaction with concrete, and stiffness of the reinforcement.O reforço estrutural desempenha um papel fundamental na preservação e adequação de estruturas que estão próximas ao fim de sua vida útil, que foram construídas segundo normas obsoletas ou mesmo, que necessitam de adaptações para novos usos excedentes as suas capacidades originais. Entre as diversas técnicas disponíveis, o uso de polímeros reforçados com fibra de carbono (PRFC) destaca-se por sua resistência mecânica e à corrosão, baixa densidade e mínima alteração na geometria do elemento reforçado. Contudo, o descolamento prematuro do PRFC, decorrente de características dos adesivos, como modo de ruptura frágil e baixa tenacidade à fratura, pode comprometer a estabilidade estrutural do sistema. Aliado a isso, pesquisas recentes têm se concentrado em melhorar as propriedades de matrizes poliméricas por meio da incorporação de nanomateriais, como o grafeno, que oferece maior tenacidade e resistência mecânica ao compósito. Entretanto, a dispersão adequada é imprescindível para o bom funcionamento do reforço, exigindo a utilização de técnicas, como a ultrassonicação ou mistura por cisalhamento, para garantir homogeneidade. Tendo isso em vista, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado. Para isso, o estudo foi dividido em quatro partes: caracterização dos materiais, estudo da dispersão de grafeno na resina, análise do compósito produzido pelo melhor método de dispersão e aplicação desse compósito como adesivo para o reforço com PRFC em vigas de concreto armado. Foram utilizadas três técnicas diferentes para a dispersão: banho ultrassônico, sonicador de ponteira ultrassônico e reômetro de torque (mistura por cisalhamento). Os materiais e as composições foram avaliados pelas técnicas de espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), análise termogravimétrica (TGA/DTA), calorimetria exploratória diferencial (DSC), difração de raios X (DRX), microscopia de força atômica (AFM), espectroscopia Raman, microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e ensaio de resistência à tração. Logo, foi escolhido o método de dispersão, por cisalhamento, como o de melhor performance para produção do compósito e aplicação no reforço com PRFC. O compósito foi avaliado a partir dos ensaios de FTIR, TGA/DTA, DSC e resistência à tração. Já as vigas foram submetidas ao ensaio de tração a quatro pontos, onde foram calculadas a tensão do aparecimento da primeira fissura e tensão de ruptura, além de avaliado o modo de ruptura das amostras. Os dados experimentais mostraram que o reômetro de torque proporcionou a melhor dispersão do grafeno, resultando no compósito com distribuição mais homogênea e o melhor equilíbrio entre resistência e módulo de elasticidade. Quando aplicado como adesivo em reforços com PRFC, não houve diferença estatística nas tensões de fissuração e ruptura em comparação à resina pura. Esse desempenho está ligado ao modo de falha e a fatores como qualidade da dispersão, interação com o concreto e rigidez do reforço.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilUTFPRMazer, Wellingtonhttps://orcid.org/0000-0002-9941-999Xhttp://lattes.cnpq.br/4548225471488796Kloss, Juliana Reginahttps://orcid.org/0000-0002-3632-6219https://lattes.cnpq.br/3968800900294945Medeiros, Arthurhttps://orcid.org/0000-0003-2061-0108http://lattes.cnpq.br/5342292957624622Becker, Danielahttps://orcid.org/0000-0003-3250-576Xhttp://lattes.cnpq.br/8441423152319919Kloss, Juliana Reginahttps://orcid.org/0000-0002-3632-6219https://lattes.cnpq.br/3968800900294945Mazer, Wellingtonhttps://orcid.org/0000-0002-9941-999Xhttps://lattes.cnpq.br/4548225471488796Abrahão, Taila Brandes2025-08-25T18:19:06Z2025-08-25T18:19:06Z2025-05-09info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfABRAHAO, Taila Brandes. Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37994porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-08-26T06:12:39Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/37994Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-08-26T06:12:39Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
dc.title.none.fl_str_mv Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
Evaluation of the influence of graphene addition to epoxy resin applied to structural reinforcement with carbon fibers in reinforced concrete beams
title Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
spellingShingle Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
Abrahão, Taila Brandes
Grafeno
Polímeros
Dispersão
Análise estrutural (Engenharia)
Resinas epoxi
Vigas de concreto
Graphene
Polymers
Dispersion
Structural analysis (Engineering)
Epoxy resins
Concrete beams
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::CONSTRUCAO CIVIL
Engenharia Civil
title_short Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
title_full Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
title_fullStr Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
title_full_unstemmed Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
title_sort Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado
author Abrahão, Taila Brandes
author_facet Abrahão, Taila Brandes
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Mazer, Wellington
https://orcid.org/0000-0002-9941-999X
http://lattes.cnpq.br/4548225471488796
Kloss, Juliana Regina
https://orcid.org/0000-0002-3632-6219
https://lattes.cnpq.br/3968800900294945
Medeiros, Arthur
https://orcid.org/0000-0003-2061-0108
http://lattes.cnpq.br/5342292957624622
Becker, Daniela
https://orcid.org/0000-0003-3250-576X
http://lattes.cnpq.br/8441423152319919
Kloss, Juliana Regina
https://orcid.org/0000-0002-3632-6219
https://lattes.cnpq.br/3968800900294945
Mazer, Wellington
https://orcid.org/0000-0002-9941-999X
https://lattes.cnpq.br/4548225471488796
dc.contributor.author.fl_str_mv Abrahão, Taila Brandes
dc.subject.por.fl_str_mv Grafeno
Polímeros
Dispersão
Análise estrutural (Engenharia)
Resinas epoxi
Vigas de concreto
Graphene
Polymers
Dispersion
Structural analysis (Engineering)
Epoxy resins
Concrete beams
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::CONSTRUCAO CIVIL
Engenharia Civil
topic Grafeno
Polímeros
Dispersão
Análise estrutural (Engenharia)
Resinas epoxi
Vigas de concreto
Graphene
Polymers
Dispersion
Structural analysis (Engineering)
Epoxy resins
Concrete beams
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::CONSTRUCAO CIVIL
Engenharia Civil
description Structural strengthening plays a fundamental role in the preservation and retrofitting of structures that are nearing the end of their service life, were built according to outdated standards, or require adaptation to new uses that exceed their original capacity. Among the various available techniques, the use of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) stands out due to their mechanical strength, corrosion resistance, low density, and minimal alteration of the geometry of the strengthened element. However, premature debonding of CFRP, often caused by adhesive characteristics such as brittle failure mode and low fracture toughness, can compromise the structural stability of the system. In this context, recent research has focused on enhancing the properties of polymer matrices through the incorporation of nanomaterials such as graphene, which provides increased toughness and mechanical strength to the composite. Nevertheless, proper dispersion is essential for the effective performance of the reinforcement, requiring the use of techniques such as ultrasonication or shear mixing to ensure homogeneity. With this in mind, the objective of this study was to evaluate the influence of graphene addition to epoxy resin used in CFRP structural strengthening of reinforced concrete beams. The study was divided into four parts: material characterization, investigation of graphene dispersion in the resin, analysis of the composite produced using the best dispersion method, and application of this composite as an adhesive for CFRP strengthening of reinforced concrete beams. Three different dispersion techniques were employed: ultrasonic bath, ultrasonic processors, and torque rheometer (shear mixing). The materials and compositions were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric and differential thermal analysis (TGA/DTA), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, optical microscopy (OM), transmission electron microscopy (TEM), and tensile strength testing. Based on the results, shear mixing was selected as the most effective method for composite production and subsequent application in CFRP strengthening. The composite was evaluated using FTIR, TGA/DTA, DSC, and tensile strength tests. The beams were tested under four-point bending to determine the cracking and ultimate stresses, as well as to evaluate the failure modes of the specimens. The experimental data showed that the torque rheometer provided the most effective graphene dispersion, resulting in the composite with the most homogeneous distribution and the best balance between strength and elastic modulus. When applied as an adhesive in CFRP strengthening, no statistical difference was observed in cracking and ultimate stresses compared to the neat resin. This performance is associated with the failure mode and factors such as dispersion quality, interaction with concrete, and stiffness of the reinforcement.
publishDate 2025
dc.date.none.fl_str_mv 2025-08-25T18:19:06Z
2025-08-25T18:19:06Z
2025-05-09
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv ABRAHAO, Taila Brandes. Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37994
identifier_str_mv ABRAHAO, Taila Brandes. Avaliação da influência da adição de grafeno na resina epóxi aplicada à reforços estruturais com fibra de carbono em vigas de concreto armado. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
url http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37994
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
UTFPR
publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
UTFPR
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
instname_str Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron_str UTFPR
institution UTFPR
reponame_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
collection Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
repository.mail.fl_str_mv riut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.br
_version_ 1850498239651905536