Mechanical characterisation and bond behaviour of fibre reinforced cementitious matrix materials for strengthening of masorny structures

Continuous fibres reinforced materials are widely used for strengthening and anti-seismic retrofitting of existing masonry structures. The most popular system is composed of a fibres textile impregnated with an epoxy resin (FRP), this system is characterized by high mechanical properties, lightness and speed of execution, but it is considered incompatible with the masonry substrate and present poor behaviour at high temperatures. In order to solve these problems, the fabric reinforced cementitious materials (FRCM) should be considered. These materials are composed of a dry fibres grid embedded in an inorganic matrix eventually enriched with short fibres. FRCMs are particularly indicated in the reinforcement of historical buildings due to the high compatibility with the substrates, better reversibility, vapour permeability and durability to external agents. Very limited works are available in literature about the investigation of mechanical behaviour of FRCM systems. In this thesis the mechanical properties of the reinforcement system and the bond behaviour of the FRCM materials applied on a masonry substrate are investigated. Three aspects are particularly studied. In the first part, the mechanical behaviour of the system in tension is analysed. Preliminary tests are performed to know the mechanical properties of the components, and an extensive experimental campaign is carried out with a series of tensile tests. FRCM materials with different constituent and geometries were analysed. In particular, the influence of the test set-ups and instrumentation, and the determination of the main mechanical parameters are described. In the second part, the bond behaviour of the system applied on a masonry substrate is investigated. The analysis of the failure modes and the bond properties is very important to understand the behaviour of the material and the more important parameters required for design. A large experimental campaign was performed on different FRCM materials applied on masonry, the influence of the mechanical and physical material properties and geometry is analysed. The analytical bond strength models available in literature, referred to FRP materials applied on a substrate, are critically analysed. A bond strength model is proposed to analyse the bond between FRCM materials and masonry. The shear stress – slip law is investigated to study the stresses distribution at the mortar-textile interface. In the third part the out-of-plane behaviour of a masonry panel reinforced with FRCM systems is experimentally investigated. The thesis presents results and considerations that can provide background data for future Guide Lines and design recommendations for the use of FRCM systems in the rehabilitation of structures.

I materiali compositi fribrorinforzati sono diffusamente utilizzati per il consolidamento di edifici in muratura. La tecnologia più diffusa è rappresentata dagli FRP, sistema costituito da tessuto in fibre impregnato con matrice epossidica. Questo sistema presenta elevate proprietà meccaniche e vantaggi, ma è considerato incompatibile con gli edifici in muratura, e presenta scarsa resistenza alle alte temperature. Una soluzione a queste problematiche è rappresentata dai materiali compositi a matrice inorganica (FRCM). Questi materiali sono costituiti da una rete in fibre impregnata con una matrice inorganica. I materiali FRCM sono particolarmente indicati nel rinforzo di edifici storici per la migliore compatibilità con il substrato, e le proprietà di maggiore reversibilità, permeabilità al fuoco e durabilità agli agenti esterni. I lavori di studio delle proprietà meccaniche di sistemi FRCM disponibili in letteratura sono in numero limitato. In questo lavoro di tesi sono analizzate le proprietà meccaniche dei sistemi di rinforzo e le proprietà di adesione del sistema a un substrato in muratura. Tre aspetti principali sono studiati. Nella prima parte sono analizzate le proprietà meccaniche del sistema di rinforzo. Prove preliminari sono state eseguite sui singoli materiali componenti il sistema di rinforzo, ed è stata sviluppata un’ampia campagna sperimentale con prove di trazione. Sono stati analizzati diversi sistemi di rinforzo FRCM, con materiali componenti e geometrie differenti. E’ ampiamente descritta l’influenza dei set-up di prova, la strumentazione utilizzata e la determinazione dei differenti parametri meccanici. Nella seconda parte è studiata l’adesione del sistema applicato a un substrato in muratura. L’analisi delle modalità di rottura e le proprietà di adesione sono di fondamentale importanza per analizzare il comportamento strutturale del materiale, e i più importanti parametri necessari per la progettazione. Un’ampia campagna sperimentale è stata svolta su differenti materiali FRCM applicati su muratura, analizzando l’influenza delle proprietà meccaniche, fisiche e geometriche del sistema. Sono stati studiati i modelli di adesione disponibili in letteratura e riferiti a materiali FRP applicati su differenti tipi di substrato. Un modello di resistenza al distacco è proposto per analizzare le proprietà di adesione fra sistemi di rinforzo FRCM a substrato in muratura. La legge “shear stress – slip” è stata derivata e applicata per studiare la distribuzione degli sforzi di taglio all’interfaccia tessuto-matrice. Nella terza parte sono descritte indagini sperimentali svolte su pannelli in muratura rinforzati e sottoposti a prove di flessione fuori dal piano. La tesi presenta risultati e considerazioni critiche che possono fornire un background per la stesura di linee guida e raccomandazioni progettuali per l’utilizzo di sistemi FRCM per il rinforzo strutturale.