Bond behavior in fiber reinforced polymer composites and fiber reinforced cementitious matrix composites

The use of fiber reinforced composites for strengthening reinforced concrete (RC) structures has gained great popularity in the last few decades. Fiber reinforced polymer (FRP) composites represent an effective solution for strengthening existing reinforced concrete structures due to their mechanical properties and relatively low cost. FRP composites have been extensively studied, and design codes/recommendation/guidelines are available. One of the most important concerns regarding the use of FRP for strengthening RC structures is the proper design to preclude debonding failure. The bond behavior of FRP-concrete joints is studied in this thesis by means of a fracture mechanics approach, assuming that the debonding is characterized by a pure Mode II failure. The most important analytical formulations for the evaluation of the bond strength of FRP-concrete joints are analyzed and discussed. The accuracy of each analytical model studied is assessed through the use of a wide experimental database including different test set-ups and composite materials. Furthermore, the accuracy of several analytical models for the evaluation of the effective bond length, i.e. the minimum length needed to fully develop the bond strength of the FRP-concrete joint, is assessed. A promising alternative to FRP composites is fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) composites. FRCM composites are comprised of high strength fibers applied to the concrete substrate through the use of inorganic cementitious matrix. FRCM composites are still in their infancy, and very limited work is available in the literature. In the second part of this thesis, an extensive experimental campaign conducted on PBO FRCM-concrete joints is presented and discussed. Since the weakness of FRCM-concrete joints is located at the matrix-fiber interface, the study of the stress-transfer mechanism between the fibers and the matrix is of particular importance. Specimens with different bonded lengths and bonded widths are presented. The fracture mechanics approach used to study the FRP-concrete joints is extended to the study of FRCM-concrete joints, and the exsistence of an effective bond length similar to that observed for FRP-concrete joints is investigated. The results obtained through the fracture mechanics approach are used for the implementation of numerical models to investigate the fiber-matrix interface bond behavior for FRCM-concrete joints that include more than one layer of matrix.

L’utilizzo di compositi fibrorinforzati per il rinforzo e l’adeguamento di strutture esistenti in calcestruzzo armato (c.a.) ha raggiunto una grande popolarità negli ultimi decenni. Tra i materiali compositi, l’utilizzo dei cosiddetti polimeri fibrorinforzati (fiber reinforced polymer, FRP) rappresenta una soluzione efficace per l’intervento su strutture esistenti in c.a. grazie all’elevata resistenza meccanica ed al costo relativamente non elevato del materiale. Gli FRP sono stati largamente studiati negli ultimi anni e sono attualmente disponibili diverse linee guida per la progettazione di questo tipo di rinforzo in tutto il mondo. Uno dei problemi di maggiore importanza nell’utilizzo di compositi FRP è costituito dalla valutazione della resistenza al distacco (debonding) del composito dal supporto su cui è applicato. In questa tesi viene analizzato il comportamento di giunti FRP-calcestruzzo nel contesto della meccanica della frattura, assumendo che la rottura per distacco sia assimilabile ad un modo di rottura di tipo II. Le più importanti formulazioni analitiche per la valutazione della resistenza d’adesione del composito al substrato sono analizzate e discusse. L’accuratezza di ognuno dei modelli analitici considerati è stata valutata per mezzo di un esteso database sperimentali in cui sono presenti i risultati di test condotti su diversi materiali compositi e con diverse configurazioni di prova. Viene inoltre valutata l’accuratezza di alcuni modelli analitici per il calcolo della lunghezza effettiva d’aderenza, cioè della lunghezza minima necessaria per poter sviluppare appieno il meccanismo di adesione FRP-calcestruzzo. Una promettente alternativa all’utilizzo dei compositi FRP è rappresentata dai cosiddetti materiali compositi a matrice cementizia (fiber reinforced cementitious matrix, FRCM), costituiti da fibre lunghe ad alta resistenza applicate a supporti in calcestruzzo per mezzo di matrici cementizie. I compositi FRCM rappresentano una novità nel mondo del rinforzo di strutture esistenti in c.a. e la letteratura disponibile a riguardo è ancora assai limitata. Nella seconda parte di questa tesi viene presentata e discussa una vasta campagna sperimentale condotta su provini di FRCM di diversa lunghezza e larghezza costituiti da fibre in PBO e matrice cementizia applicata su supporti in calcestruzzo. Dal momento che la rottura nei giunti FRCM-calcestruzzo avviene all’interfaccia fibra-matrice, lo studio del meccanismo di trasmissione degli sforzi da fibra a matrice è di particolare importanza in questi compositi. L’approccio di meccanica della frattura applicato nel caso di giunti FRP-calcestruzzo è esteso al caso dei compositi FRCM ed è indagata la possibile esistenza di una lunghezza effettiva d’aderenza simile a quella osservata nei compositi FRP. I risultati ottenuti dall’approccio di meccanica della frattura sono utilizzati per l’implementazione di modelli numerici che permettono di studiare il comportamento di adesione fibra-matrice in compositi che includano più di uno strato di matrice cementizia.