FACULTY OF ENGINEERING Department of Mechanics of Materials and Constructions Reinforcement of concrete beams in bending with externally bonded textile reinforced cementitious composites Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the award of the degree of Doctor in de ingenieurswetenschappen (Doctor in Engineering) by Ir. Svetlana Verbruggen 17 th June 2014 Advisors: Prof. dr. ir. Jan Wastiels Prof. dr. ir. Tine Tysmans
Abstract In most industrialized countries, the infrastructure like bridges and buildings is fully built. Nevertheless there is a constant change in needs and a constant degradation of this infrastructure, introducing the need for strengthening and repair. Recent developments in cement composites have led to the development of high fibre volume fraction Textile Reinforced Cements (TRC) (up to 25%). Their high mechanical performance enables the use of these materials in structural applications, such as strengthening and repair of concrete structures. The use of a TRC has some advantages when compared to the existing (Carbon) Fibre Reinforced Polymer ((C)FRP) techniques, especially the material s resistance against fire and high temperatures. The literature review indicates that open grid TRCs (resulting in relatively low fibre volume percentages, typically 2-5 %) have a high potential as external reinforcement, but are incapable to reach the same strengthening level as obtained for FRP solutions. To achieve comparable strengthening capacities, dense fibre textiles combined with a fine grained mortar can be used. Inorganic Phosphate Cement is such a fine grained cementitious matrix material. In combination with dense randomly oriented glass fibre textiles, a durable TRC with high tensile (60MPa) and compressive (90MPa) strength is created. In order to understand the interaction between the concrete substrate and the external TRC, non-internally-reinforced beams, externally reinforced in bending are tested. The influence on the loadbearing and cracking behaviour of the application of additional bolt connections, the pre-treatment of the concrete surface and the contact area between the reinforcement and the concrete are investigated. Hereafter, a more realistic situation is studied, including the presence of internal reinforcement and the existence of precracks in the concrete volume. To validate this new external reinforcement technique with high fibre volume fraction TRCs, a comparison against the established technique based on CFRP reinforcement is performed. The crack pattern and its evolution in the concrete volume are studied using Digital Image Correlation (DIC)
measurements, which are for some experiments compared to Acoustic Emission (AE) results. These experimental campaigns demonstrate the possibilities and the feasibility of the use of a high fibre volume fraction TRC as an external bending reinforcement for concrete beams. The effectiveness of bolts is illustrated in the case where failure is governed by peeling-off at a mixed flexural and shear crack. A concrete pre-treatment, prior to the application of the TRC proves to be necessary, although the exact type does not influence the loadbearing or cracking behaviour. The initial high stiffness of externally reinforced concrete beams is retained significantly longer than the analytically predicted cracking moment and than the one of a non-externally reinforced alternative, having positive effects on the serviceability limit state of deflection. This phenomenon can be attributed to the crack bridging capacity of the external reinforcement. Applying the same TRC cross section over a larger concrete contact area, results in a more efficient crack bridging, with more and less wide cracks. Even though a beam s high initial stiffness seems to be lost by pre-cracking (due to the instant growth of the existing cracks) the overall loadbearing behaviour, failure mode and ultimate load do not change. Due to its lower strength and stiffness, a larger TRC cross section is needed compared with the CFRP strips; when this larger cross section results in a larger contact area with the concrete substrate several advantages are obtained concerning the cracking and loadbearing behaviour.
Samenvatting In de meeste geïndustrialiseerde landen is de infrastructuur, zoals bruggen en gebouwen, reeds volledig uitgebouwd. Toch is er een constante degradatie alsook een evolutie in de vereisten van deze infrastructuur, wat de nood voor versteviging en herstelling introduceert. Recente ontwikkelingen in cement-matrix-composieten hebben geleid tot de ontwikkeling van hoge vezelvolumefractie Textiel Verstevigde Cementen ( Textile Reinforced Cements TRC ) (tot 25%). Hun hoge mechanische performantie maakt het gebruik van deze materialen mogelijk in structurele toepassingen, zoals het herstellen en verstevigen van betonnen structuren. Het gebruik van een TRC heeft enkele voordelen in vergelijking met de bestaande (Carbon) Vezel Verstevigde Polymeer ( (Carbon) Fibre Reinforced Polymers (C)FRP ) technieken, waaronder vooral de weerstand van het materiaal tegen brand en hoge temperaturen. De literatuurstudie toont aan dat TRCs met een open-grid-vezelstructuur (resulterend in relatief lage vezelvolume percentages, typisch 2-5 %) een groot potentieel hebben als externe wapening, maar niet in staat zijn om hetzelfde verstevigingsniveau te bereiken als de FRP oplossingen. Om een vergelijkbare verstevigingscapaciteit te bekomen, kunnen vezeltextielen met hoge dichtheid gecombineerd worden met een fijnkorrelige matrix. Anorganisch Fosfaat Cement ( Inorganic Phosphate Cement IPC ) is een dergelijk fijnkorrelig cementachtig matrixmateriaal. In combinatie met dense random georiënteerde glasvezeltextielen kan een duurzaam TRC met een hoge trek (60 MPa) en druk (90 MPa) sterkte gecreëerd worden. De interactie tussen de deficiënte betonnen balk en de externe wapening wordt onderzocht op basis van intern ongewapende balken, extern gewapend in buiging. De invloed op het structureel- en scheurgedrag van het aanbrengen van extra boutconnecties, de voorbehanding van het betonoppervlak en de grootte van het contactoppervlak tussen de wapening en het beton worden onderzocht. Hierna wordt een meer realistische situatie bestudeerd, welke de aanwezigheid van interne wapening en bestaande scheuren in het beton inhoudt. Om deze nieuwe techniek van extern wapenen met hoge vezelvolumefractie TRCs te valideren, wordt een vergelijking met de gevestigde CFRP techniek uitgevoerd. Het scheurpatroon en zijn evolutie in het betonvolume worden bestudeerd door
middel van Digitale Beeld Correlatie ( Digital Image Correlation DIC ), deze resultaten worden voor een aantal experimenten vergeleken met deze van Akoestische Emissie ( Acoustic Emission AE ). Deze experimentele campagnes tonen de mogelijkheden en de haalbaarheid van het gebruik van hoge vezelvolumefractie TRCs als een externe buigingswapening voor betonnen balken aan. De effectiviteit van bouten wordt aangetoond in het geval dat het falen bepaald wordt door onthechting aan een gemengde buigings- en dwarskrachtscheur. Een voorbehandeling van het betonnen oppervlak voor het aanbrengen van de externe wapening bewijst noodzakelijk te zijn, hoewel het exacte type van deze voorbehandeling noch het structurele-, noch het scheurgedrag beïnvloedt. De initiële hoge stijfheid van de extern verstevigde balken wordt beduidend langer behouden dan het analytisch voorspelde scheurmoment en dan dit van een niet extern verstevigde referentiebalk. Dit heeft een positief effect op de bruikbaarheidsgrenstoestand van doorbuiging. Dit fenomeen kan toegeschreven worden aan de scheur-overbruggingscapaciteit van de externe wapening. Wanneer dezelfde TRC dwarsdoorsnede wordt aangebracht over een groter contactoppervlak met het beton, resulteert dit in een efficiëntere scheuroverbrugging, met minder wijde en meer scheuren. Zelfs al gaat de initiële hoge stijfheid van de balken verloren door het aanbrengen van scheuren voor het verlijmen van de wapening, door het onmiddellijk opengaan van de bestaande scheuren, blijven het algemene structurele gedrag, de faalmode en de maximale belasting gelijk. Door de lagere stijfheid en sterkte zal een grotere TRC doorsnede nodig zijn vergeleken met de CFRP banden; wanneer deze grotere doorsnede resulteert in een groter contactoppervlak met het beton, resulteert dit in een aantal voordelen met betrekking tot het structureel- en scheurgedrag.