Bending and fatigue behaviour of externally bonded inorganic-matrix composites

The thesis work reports on the results, procedures, methods and analyses of more than 200 experimental tests performed by the author in the three-year period 2018-2020, at the Materials Testing Laboratory of the Politecnico di Milano. The experimental investigation concerned the mechanical characterization of the adhesion-to-substrate mechanism of inorganic-matrix fiber reinforced composite materials. These materials, typically known as Fabric Reinforced Cementitious Matrix composites (FRCM), are now universally established as innovative externally bonded structural strengthening for reinforced concrete and masonry structures. Due to their low invasiveness, high structural efficiency, high strength-to-weight ratio and partial reversibility after application, they are particularly suitable for the reinforcement of masonry structures. Their execution is simple and quick, it requires adequate preparation of the substrate, on which the FRCM layer is subsequently applied, according to a continuous or discontinuous configuration (wrapping), for a thickness between 10 and 25 mm. Although the application of these composites has proven to guarantee significant increases to the bearing capacity of the reinforced element, their structural efficiency is closely linked to the quality of their bond with the substrate: the premature triggering of a debonding mechanism from the support would, in fact, cause a sudden reduction of the bearing capacity of the reinforced element, and, sometimes, a fragile type failure of the structure. Therefore, over the years, various test set-ups have been developed for the laboratory study of the adhesion properties of FRCM materials, aimed at analysing the effect of different parameters on their adherence capacity and the consequent debonding mode. In particular, this thesis work focused on the experimental and analytical investigation of the influence of out-of-plane bending and high-cycle fatigue load, on the bond behaviour of FRCM composites. A new test set-up was specifically designed to recreate laboratory conditions similar to those of a real inflected element. The experimental evidence was accompanied by analytical interpretations of the results, based on fracture mechanics approaches, aimed at identifying predictive models of the bond behaviour of specific types of FRCM composites. Results showed that strengthening applications subjected to bending may exhibit a higher bond capacity, in reason of the development of normal stresses to the composite plane. The increment in bond capacity can be analytically modelled through the introduction of a snubbing friction effect, localized at the fiber exit point, which can be calibrated on the basis of experimental results. In contrast, this extra friction applied on the textile may determine damaging and rupture of fiber filaments under the effect of prolonged cyclic actions or in case of pronounced deflections, particularly for fragile textiles.

Il presente lavoro di tesi riporta risultati, procedure, metodi e analisi di più di 200 prove sperimentali eseguite dall’autore nel triennio 2018-2020, presso il Laboratorio Prove Materiali del Politecnico di Milano. Le indagini sperimentali hanno riguardato la caratterizzazione meccanica dell’aderenza al substrato di materiali compositi fibro-rinforzati a matrice inorganica. Tali materiali, tipicamente noti come Fabric Reinforced Cementitious Matrix composites (FRCM), sono ormai universalmente affermati come rinforzi strutturali innovativi per strutture in cemento armato e muratura. In ragione della loro scarsa invasività, alta efficienza strutturale, alto rapporto resistenza/peso specifico e parziale reversibilità dopo l’applicazione, si rendono particolarmente adeguati per il rinforzo di strutture in muratura. La loro messa in opera è semplice e rapida, necessita di un’adeguata preparazione del substrato, sul quale viene successivamente applicato lo strato di FRCM, secondo una configurazione continua o discontinua (fasciatura), per uno spessore compreso tra i 10 ed i 25 mm. Sebbene l’applicazione di tali compositi provatamente garantisca significativi aumenti di capacità portante nell’elemento rinforzato, la loro efficienza strutturale è strettamente legata alla qualità dell’aderenza al substrato: il prematuro innesco di un meccanismo di distacco dal supporto determinerebbe, infatti, una brusca riduzione della capacità portante dell’elemento rinforzato, e, talvolta, un cedimento di tipo fragile della struttura. Pertanto, sono stati sviluppati, negli anni, diversi set-up di prova per lo studio in laboratorio delle proprietà di aderenza di materiali FRCM, volti ad analizzare l’effetto di diversi parametri sulla loro capacità aderente e sulla conseguente modalità di distacco. In particolare, il presente lavoro di tesi si focalizza sull’indagine sperimentale ed analitica dell’influenza di flessione fuori piano e sollecitazione ciclica ad alta frequenza, sulla capacità aderente dei compositi FRCM. Un set-up di prova è stato appositamente progettato per ricreare delle condizioni di laboratorio simili a quelle di un elemento reale inflesso. L’evidenza sperimentale è stata affiancata ad interpretazioni analitiche dei risultati, basate su approcci di meccanica della frattura, finalizzati ad individuare modelli predittivi del comportamento aderente di specifiche tipologie di compositi FRCM. I risultati hanno mostrato che applicazioni soggette a flessione esibiscono una maggiore capacità aderente, in ragione dello sviluppo di sforzi normali al piano del composito. Tale incremento di capacità portante è analiticamente riproducibile tramite introduzione del fenomeno localizzato di snubbing friction, calibrato sui risultati sperimentali. Di contro, l’attrito esercitato sul tessuto può determinarne il danneggiamento in caso di inflessioni elevate o di azioni cicliche prolungate, in particolar modo per i tessuti fragili.