Experimental and numerical analysis of the matrix-fibre bond behaviour of inorganic-matrix composites for structural strengthening

In the last two decades, rehabilitation and retrofitting of existing RC and masonry structures have gained large interest in the civil engineering field, since many infrastructure and historical buildings need to be repaired, strengthened and upgraded to satisfy current code requirements. Externally bonded Fibre Reinforced Polymers (FRP) have been shown to be an effective strengthening technique to this purpose, combining ease of installation, high strength-to-weight ratio and relatively limited application time. However, the use of an organic matrix has some disadvantages that can be overcome substituting the resin with an inorganic cementitious binder, to form new generation of high-strength composite materials, the so-called Fibre Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) composites. This new system assures high fire resistance, high compatibility with the substrate and better long-term durability. Moreover, its application has a high reversibility and sustainability, which is important for applications in historical buildings. For this class of materials, the bond behaviour between the matrix and the fibres is essential for the effectiveness of the strengthening, since failure of FRCMs, comprising a single layer of textile, is generally reported to be the debonding of fibres from the embedding matrix. In this thesis, the matrix-textile bond behaviour is investigated through experimental and numerical analyses. An extensive experimental campaign was carried out to study the bond behaviour of PBO-FRCM composite materials, adopting a newly developed pull-out test set-up, designed to overcome some of the drawbacks of existing shear-bond tests. In order to validate this set-up, the experimental results are compared with those obtained by several authors on single-lap direct shear tests on the same PBO-FRCM composites. For this purpose, the experiments are simulated and compared through a three-dimensional finite element model developed in the software Abaqus. These studies demonstrate the technical feasibility of the presented test set-up, which seems to be promising also in the field of quality control assessment. In the last part of this work, a method to obtain engineering parameters for the design of externally bonded FRCM flexural strengthened reinforced concrete (RC) beams, is proposed. The load carrying capacity of a strengthened RC beam is predicted through an analytical approach, taking the results coming from the previous tests as inputs. Since nowadays the use of these composites is a common and widespread practice, but standard testing methods are still lacking, the presented test set-up could be inserted in future guidelines for classification, control and monitoring, provided that further studies will confirm the findings discussed in this thesis for different FRCM composites.

A partire dagli anni ‘90, l’interesse per la riabilitazione e l'ammodernamento di infrastrutture ed edifici di interesse storico o artistico, in cemento armato o in muratura, è notevolmente aumentato per la necessità di ripristinarne il funzionamento e/o di garantire l’adeguamento di tali strutture agli attuali requisiti normativi. I materiali fibro-rinforzati a matrice polimerica (FRP), hanno trovato largo impiego nel consolidamento e nel rinforzo di strutture civili per il loro basso rapporto peso/resistenza, la facilità di installazione e il tempo di applicazione relativamente limitato. Tuttavia, questi materiali presentano alcune limitazioni che possono essere superate mediante l’utilizzo di compositi fibro-rinforzati a matrice cementizia (FRCM). Questo nuovo sistema di rinforzo garantisce un'elevata resistenza al fuoco, compatibilità con i materiali degli elementi da rinforzare e maggiore durabilità. L’utilizzo di materiali a base cementizia è solitamente preferito alle resine organiche nelle applicazioni in cui è necessario preservare caratteristiche estetiche della struttura originaria o in casi in cui si voglia accoppiare in maniera reversibile e sostenibile materiali tradizionali con altri tecnologicamente più avanzati. Nei compositi a matrice inorganica costituiti da un singolo strato di rinforzo, il legame fibra-matrice è di fondamentale importanza per l’efficacia del sistema, in quanto il tipico meccanismo di rottura è per scorrimento delle fibre all’interno della matrice. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di studiare il comportamento tessuto-malta mediante analisi sperimentali e modelli numerici. La valutazione della resistenza del legame fibra-matrice è stata effettuata attraverso numerose prove di laboratorio su campioni di FRCM con fase di rinforzo in PBO. La campagna sperimentale è stata condotta per mezzo di un nuovo sistema di prova a sfilamento (pull-out), i cui risultati sono confrontati con quelli ottenuti da altri autori con prove di taglio (single-lap direct shear tests). Inoltre, per validare il set-up presentato, gli esperimenti effettuati sono stati simulati numericamente con l’utilizzo di modelli tri-dimensionali ad elementi finiti. I risultati ottenuti dimostrano l’affidabilità dell’impostazione di prova, aprendo scenari per una sua futura applicazione in ambito di valutazione e controllo qualità dei materiali. A chiusura dello studio viene proposto un metodo che, partendo dai risultati ottenuti dalle prove di sfilamento, permette di derivare parametri progettuali per la stima della capacità di carico di travi rinforzate a flessione con collasso per scorrimento delle fibre. Nonostante oggigiorno l'uso di tali compositi sia una pratica comune e diffusa, non sono ancora stati definiti metodi di test standardizzati. Il set-up presentato, a condizione di ulteriori studi che confermino i risultati discussi in questa tesi, potrebbe essere inserito in future linee guida per l’identificazione, la qualificazione e il controllo di accettazione.