Tensile behavior of fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) composites

The rehabilitation of existing buildings that may have deteriorated as a result of aging or that need to meet new requirements, has long been a challenge in the construction industry. Composite materials are widely used in repair of structural elements such as beams, columns, slabs, or walls that require strengthening. The objective of this research is to study the tensile behavior of Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) composite, developed as an alternative to Fiber Reinforced Polymer (FRP) materials. FRCM is different from FRP in that dry fabrics are used with a cementitious matrix instead of fibers impregnated with an organic matrix. While this composite material has a brittle behavior, the cementitious mortar allows for a better bond with the concrete substrate and offers potential fire protection. To obtain a better understanding of material parameters for design, laboratory tests are fundamental in the determination of tensile behavior, which is not yet standardized. Two of the important variables that influence FRCM tensile performance are specimen geometry and gripping configuration. Clevis-type (pin-action) grips are used with metal tabs bonded to the specimen to apply the longitudinal load by surface shear in the contact area, with the contact length being a variable. This choice of grip represents the boundary condition in the field application of FRCM, where the fabric is not anchored at its ends and the failure mode of the FRCM in tension is by slippage of the fibers. The main target of this work is to understand how the tab length affects the strain-stress behavior and to confirm if increasing the tab length can approach the full strength of the fabric, as it happens with the clamped grips, or if there is a limit and an ideal tab length required to be used for characterization. Moreover, studies of the durability behavior of the FRCM composite material and tests on multiple plies systems were conducted, to enlarge the knowledge of this innovative strengthening system.

La riabilitazione di edifici esistenti i quali hanno subito deterioramenti a causa di invecchiamento o che necessitano di garantire nuovi requisiti, è da tempo una sfida per l’industria delle costruzioni. I materiali compositi sono largamente utilizzati per riparare elementi strutturali quali travi, colonne, piastre o pareti che necessitano di essere rinforzati. L’obiettivo di questa ricerca è quello di studiare il comportamento a tensione dell’FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix), sviluppato in alternativa all’FRP (Fiber Reinforced Polymer). L’FRCM si distingue dall’FRP per avere un tessuto secco con matrice cementizia invece che avere delle fibre impregnate da una matrice organica. Mentre l’FRP ha un comportamento fragile, la matrice cementizia permette un miglior legame con il substrato di calcestruzzo o muratura e offre un’ottima resistenza al fuoco. Per comprendere meglio i parametri del materiale necessari per la progettazione, test di laboratorio sono fondamentali per determinare il comportamento a trazione, test che al giorno d’oggi non è ancora standardizzato. Due delle più importanti variabili che condizionano il comportamento a trazione dell’FRCM sono la geometria del provino e sistema di ancoraggio. Per questo studio sono stati utilizzati degli ancoraggi di tipo clevis vincolati a delle piastre metalliche di incollate sul provino e il carico è applicato tramite taglio sull’area di contatto, la lunghezza della quale è variabile. Questo tipo di ancoraggio è stato scelto poiché più rappresentativo delle condizioni in sito dell’FRCM, dove il tessuto non risulta essere ancorato e il meccanismo di rottura dell’FRCM in tensione è per scorrimento delle fibre all’interno della matrice. Il principale obiettivo di questo lavoro è quello di capire come la lunghezza di contatto tra le piastre metalliche ed il provino influenzi la relazione sforzo-deformazione, e comprendere se all’aumentare ti tale lunghezza è possibile arrivare alla rottura delle fibre, come accade per l’ancoraggio a incastro, o se esiste un limite e una lunghezza ideale da usare per la caratterizzazione del materiale. In aggiunta sono stati svolti degli studi sulla durabilità dell’FRCM e sul comportamento di provini con più strati di tessuto.