Mechanical behavior of fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) composites for external strengthening of plain concrete members

In the last few decades the use of composite materials in the construction industry has developed immensely due to the need of real estate heritage and civil structures (like dams, bridges, chimneys, water tank, etc.) to be strengthen and retrofitted, to meet the new anti-seismic regulations. To do that, the use of fibric reinforced cementitious matrix (FRCM) composites are going to be an effective alternative to the most known and used rehabilitation materials like the fibre reinforced polymer (FRP) systems. This is mainly due to the replacement of the organic matrix of the FRPs with an inorganic one, which allows a better resistance to high temperatures, applicability and durability in a humid environment, vapour permeability, simplicity of preparation, speed of installation and moreover it is non-toxic for the operators and the environment. The thesis aims to investigate the behaviour of PBO-FRCM composite system, made by a cement-base mortar matrix and polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO) fabric reinforcement, intended for the strengthening of plain concrete structures. The vast experimental campaign started with investigation of the mechanical behaviour of the bare PBO fibres and moved on to tests related to the composite behaviour of the PBO-FRCM system. Experiments were conducted onto the bond between the system and a concrete substrate. Since debonding is one of the most occurring failures, the bond behaviour is a major aspect that needs to be investigated. Finally, the performance of an isolated structural member strengthened with the composite was investigated. Three-point bending tests were conducted on a full-scale plain concrete beam externally strengthened at the tension face with PBO-FRCM system with two and four textile layers.

Negli ultimi anni lo studio dei materiali compositi si è sviluppato a causa della necessità di rinforzare il patrimonio immobiliare e le strutture civili (dighe, ponti, ciminiere, serbatoi d'acqua, etc.), principalmente per il loro adeguamento alle normative antisismiche. Per fare ciò, l'uso di un sistema composito a matrice cementizia fibrorinforzata (FRCM) potrebbe essere in futuro una buona alternativa al più conosciuto e utilizzato sistema composito polimerico fribrorinforzato (FRP), a causa dell'uso, nel primo caso, di una matrice inorganica anziché di una organica. Ciò ha permesso una migliore resistenza alle alte temperature, applicabilità e durata in ambiente umido, permeabilità al vapore, semplicità di preparazione, applicazione e smaltimento, velocità di installazione e inoltre non è dannoso per gli operatori e l'ambiente. Lo scopo della tesi è quello di studiare il comportamento del sistema composito FRCM, costituito da una malta a base di cemento, come matrice, e un rinforzo in tessuto in poliparapenilene benzobisoxazolo (PBO), destinato al rinforzo delle strutture in calcestruzzo. La vasta campagna sperimentale è iniziata con l'analisi del comportamento meccanico delle fibre in PBO, passando poi ai test relativi al comportamento del sistema composito PBO-FRCM. Sono stati in seguito condotti esperimenti sulla connessione tra il sistema composito ed un substrato di cemento. Poichè il distacco è uno delle modalità di rottura più frequenti, il comportamento dell’interfaccia composito-substrato è un aspetto importante che deve essere studiato. Infine, è stata studiata la prestazione di un componente strutturale isolato, rafforzato mediante l’utilizzo del composito. Le prove di flessione, svolte secondo uno schema a tre punti, sono state condotte su travi in cemento non armato, rinforzate esternamente sul lato di tensione con il sistema PBO-FRCM costituito da due e quattro strati di tessuto.