Shear bond strength of carbon FRP laminates to concrete

Fiber reinforced polymer (FRP) composites are being used in civil infrastructure for applications that include reinforcing bars, column wrapping for improving seismic resistance, and externally bonded reinforcement for the strengthening of walls, beams, and slabs. In particular, FRP laminates are being successfully used for strengthening of existing reinforced concrete (RC) and prestressed concrete (PC) structures. Bond of the external FRP reinforcement to the concrete substrate is of critical importance, for the effectiveness in the technique, because it is the means to develop composite action by the stress transfer between concrete and FRP (De Lorenzis et al. 2001). An important issue in the strengthening of concrete structures using FRP composites is to design against various debonding failure modes. The bond strength between FRP and concrete is a key factor controlling the various forms of debonding failures in FRP strengthened structures (Yao et al. 2005). Although extensive research has been conducted on bonded FRP composites, there is need for further evaluation of the durability of these systems (Gartner et al. 2011). Gartner et al. (2011) introduced a test methodology for the material qualification and performance evaluation of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) bonded to concrete substrate using beam test. The selected bond shear strength test method is a new laboratory method. This test method is currently under evaluation by ACI and a new ASTM is being developed. This method is primarily used for assessment and comparison of CFRP systems subject to environmental conditioning associated with the CFRP bond to concrete. In this thesis, the main purpose in obtaining the material qualification, by evaluation of the durability of the FRP system under consideration, is pursued by comparing the results from the exposed specimen to that of the control specimen. This is done following a Test Method for the Evaluation of Performance for FRP Bonded to Concrete Substrate using Beam Test, which is used for the qualification of the material. The test determines the force that an FRP system can bear before detaching from a concrete beam with a mid-span slot tested in flexure under three-point bending. Failure will occur along the weakest plane within the system comprised of the FRP, adhesive and concrete substrate. The present work is divided to pursue three main goals, validating the test methodology, studying the main factors (i.e., bonded length) affecting bond strength and qualifying the FRP material in terms of bond strength when subjected to accelerate environmental conditioning. Validation of the test methodology is proved through the results of preliminary tests. Once these are performed, the effect of the FRP architecture on the key factors affecting the bond of FRP laminates to concrete is studied. For this purpose some of the specimens are instrumented with strain gauges to have a better understanding of the distribution of the shear stresses between the FRP and the concrete surface. A comparison between the analytically calculated failure load debonding strain and the debonding strain of externally bonded FRP reinforcement contained in the ACI 440 (2008) and in the CNR (2013) is conducted. Data collected from strain gauges are used to develop strain distribution curves. The importance of the influence of an adequate surface preparation is also briefly introduced. Also, data collected from strain gauges are used to plot shear stress versus slip graphs. Furthermore, the qualification of the material in terms of bond strength when subjected to accelerated environmental conditions is carried out. The accelerated aggressive conditions, which simulate different environments and time of exposure, include 100% relative humidity, saltwater, alkali solution, dry heat, freeze and thaw cycles and fuel. Statistical analyses are conducted on the results in order to discard doubtful outcomes and to have statistical evidence of the effect of the environmental conditioning. The compatibility of shear bond results of conditioned specimens with of the control specimens is investigated by studying their dispersion. For this purpose, a one-way ANOVA test is carried out. The ultimate average bond shear stress for each exposure condition is compared to the ultimate average maximum bond shear stress of the control specimens and is such reported as retained strength. The analysis shows the ability of the test method to identify degradation.

Gli FRP vengono utilizzati in infrastrutture civili per applicazioni che includono barre di rinforzo, rinforzi esterni per il consolidamento di colonne al fine di migliorarne la resistenza sismica, e per rinforzi esterni finalizzati a rafforzare pareti, travi e solette. In particolare, i laminati di FRP sono stati utilizzati con successo per il rafforzamento di strutture esistenti in calcestruzzo armato e in calcestruzzo precompresso. L’adesione del FRP al supporto in calcestruzzo è di fondamentale importanza per l'efficacia della modalità di rinforzo, in quanto è il mezzo per sviluppare un'azione composita, la quale permette il trasferimento delle sollecitazioni tra calcestruzzo e FRP. Una componente importante nel consolidamento delle strutture in calcestruzzo con materiali compositi è quella di effettuare una progettazione finalizzata ad evitare le varie tipologie di collasso per delaminazione. L’adesione fra FRP e calcestruzzo è un fattore chiave per il controllo delle possibili forme di collasso dovute alla delaminazione del FRP dalle strutture con esso rinforzate. Sebbene vaste ricerche siano state condotte su rinforzi esterni in FRP, sono necessarie ulteriori valutazioni della durabilità di tali sistemi (Gartner et al. 2011). Gartner et al. (2011) ha introdotto un test per la valutazione del materiale e delle prestazioni delle fibre di carbonio connesse al supporto in calcestruzzo utilizzando travi di calcestruzzo di piccole dimensioni. Tale metodo di test è un nuovo metodo di laboratorio. Questo metodo è attualmente in fase di valutazione da parte di ACI, e una nuova ASTM è in fase di sviluppo. Il metodo viene utilizzato principalmente per la valutazione e il confronto di sistemi di CFRP connessi al calcestruzzo sottoposti a condizionamento ambientale. In questa tesi, lo scopo principale è la valutazione della durabilità delle proprietà fisiche e meccaniche del rinforzo, al fine di “qualificare” lo stesso per le applicazioni nel campo delle costuzioni. Ciò è perseguito confrontando i risultati di provini esposti a condizionamento ambientale con i risultati dei provini di controllo. Tale confronto viene effettuato seguendo un metodo di test per la valutazione delle performance di FRP connessi ad un substrato di calcestruzzo. La prova determina la forza che un laminato esterno in FRP può sostenere prima di distaccarsi da una trave in calcestruzzo testata a flessione. Lo studio effettuato è finalizzato a perseguire tre obiettivi principali: validazione del metodo di test, studio dei fattori principali (ad esempio, la lunghezza di adesione del FRP) che interessano l’adesione del FRP, e qualificazione del materiale in termini di adesione, se sottoposto a condizionamento ambientale accellerato. La validazione del metodo di prova è conseguita attraverso l’analisi dei risultati dei test preliminari. Una volta effettuati tali test, viene studiato l'effetto della geometria del FRP sui fattori chiave che influenzano l’adesione dei laminati al calcestruzzo; a tale scopo, il rinforzo in FRP è monitorato mediante l’ausilio di estensimentri finalizzati alla conoscienza della distribuzione effettiva degli sforzi di taglio tra FRP e superficie di calcestruzzo. Si effettua inoltre, un raffronto tra le deformazioni del FRP sottoposto a carico di rottura calcolate analiticamente, e le deformazioni massime del FRP precedenti alla delaminazione, calcolate utilizzando le espressioni contenute nell’ACI 440 (2008) e nella CNR (2013). I dati raccolti dagli estensimentri vengono utilizzati per lo sviluppo di curve di distribuzione delle deformazioni. E’ brevemente introdotta l'importanza di quanto influisca una adeguata preparazione della superficie di adesione sul risultato finale. Inoltre, i dati raccolti dagli estensimetri vengono utilizzati per tracciare grafici, i quali rappresentano la relazione sforzo di taglio-slittamento della fibra. Si effettua infine la “qualificazione” del materiale in termini di adesione, quando sottoposto a condizioni ambientali accellerate. Le condizioni aggressive, accelerate in laboratorio, simulano svariate situazioni ambientali con diversi tempi di esposizione. Le condizioni ambientali simulate sono: 100 % di umidità relativa, acqua salata, soluzione alcalina, caldo secco, cicli di gelo e disgelo ed esposizione al carburante. Si conducono analisi statistiche sui risultati al fine di scartare gli outlier ed avere un’evidenza statistica dell'effetto del condizionamento ambientale. La compatibilità dei risultati in termini di sforzo di taglio dei campioni esposti a condizionamento ambientale e dei campioni di controllo è indagata studiando la loro dispersione, a tale scopo si effettua un’analisi della varianza. Lo sforzo di taglio medio sotto carico ultimo per ogni condizione di esposizione è confrontato con lo sforzo di taglio medio sotto carico ultimo dei provini di controllo, ed è riportato come decremento percentuale di tale sforzo. L'analisi dimostra la capacità del metodo di test di identificare la degradazione dell’adesione fra FRP e calcestruzzo, legata a condizioni ambientali avverse.