Mechanical characterization of fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) materials for structural strengthening

Existing reinforced concrete (RC) structures and masonry often need to be repaired, strengthened and upgraded to satisfy current code requirements. Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) systems represent one novel possibility. The aim of this research is to study the main characteristics of an FRCM system realized with both Carbon and PBO (polyparaphenylene benzobisoxazole) fibers. First, the principal characteristics of matrices (mortars) and meshes were investigated. For the mortars, the dry specific weight, the fresh specific weight and the void content were determined. Also, tensile and compression tests were performed to define the mortar mechanical behavior. For the meshes, several uniaxial tensile tests were performed on both a single yarn and a thin band made by five yarns. Second, characterization tests were performed in order to establish the constitutive relationship and the adhesion properties of the FRCM systems. The constitutive relationship was studied by performing tensile tests, using rigid and clevis grips. The tests were performed on control and aged specimens. Aging consisted of environments such as seawater, alkaline environment, and 100% moisture and high temperature environment, for different periods of time. The adhesion properties were determined performing pull-Off tests on several supports. In particular, the adherence of the Carbon FRCM on masonry and PBO FRCM on concrete were investigated on control and aged specimens. Finally, a practical application was performed. Two PBO FRCM technologies were applied on solid brick masonry and hollow brick masonry. The walls were tested under out of plane load. The results of this study allowed for the full characterization of two FRCM systems so that design properties could be established.

Le strutture esistenti in calcestruzzo e muratura richiedono spesso di essere riparate, rinforzate o adeguate ai più recenti requisiti normativi. I sistemi FRCM rappresentano una nuova possibilità d’intervento. L’obiettivo di questa ricerca è di studiare le caratteristiche principali dei sistemi FRCM costituiti da matrice inorganica e fibre polimeriche. Innanzitutto sono state determinate le principali caratteristiche delle matrici e delle fibre. Riguardo alle malte, sono state valutate le proprietà meccaniche tramite prove di compressione e le caratteristiche fisiche analizzando il peso specifico a secco, il peso specifico della malta fresca e l’indice dei vuoti. Sono state poi eseguite diverse prove di trazione mono-assiale sia su singoli fasci di fibre, sia su strisce di tessuto composte da cinque fasci di fibre. Inoltre, sono state eseguite diverse prove sperimentali per stabilire quale sia il legame costitutivo di un materiale FRCM e quali siano le sue proprietà di adesione al substrato. Il legame costitutivo è stato studiato tramite delle prove di trazione usando sia afferraggi rigidi, sia afferraggi che lasciassero liberi più gradi di libertà. Le prove sono state svolte sia su provini di controllo, sia su provini sottoposti a diversi processi d’invecchiamento quali l’immersione in acqua salata, l’esposizione ad ambienti alcalini o la permanenza in ambienti caldi e umidi. Le proprietà di adesione sono state determinate attraverso prove di pull-Off. In particolare, si è studiata l’aderenza dei materiali FRCM con fibre di carbonio applicati alla muratura e dei materiali FRCM con fibre di PBO applicati al calcestruzzo. Anche queste prove sono state eseguite sia su campioni di controllo, sia su campioni che hanno subito processi d’invecchiamento come quelli già descritti. Infine, è stata studiata un’applicazione strutturale dei materiali FRCM. Due diversi materiali FRCM costituiti da diversi tessuti di PBO sono stati applicati a murature realizzate sia in mattoni pieni, sia in mattoni forati. I muri sono stati sottoposti a prove di flessione. I risultati di questo studio permettono una caratterizzazione completa di alcuni materiali FRCM in modo da poter stabilire le proprietà necessarie alla progettazione.