Bond behaviour between CFRP and concrete for NSM systems under sustained loading

Abstract

The rehabilitation of civil structures has been gaining importance during the last decades. Owing to their mechanical, corrosion resistance and lightweight properties, Carbon Fibre-Reinforced Polymers (CFRP) present an excellent solution to strengthen Reinforced Concrete (RC) structures, being the Near-Surface Mounted (NSM) one of the main used techniques because of a better protection of the FRP against external agents. During their service life, civil structures are submitted to cyclic temperatures due to the day and night cycles, which can affect the durability of the strengthening system. It is therefore of outmost importance to study how these actions can affect the NSM CFRP-concrete bond performance to properly design the strengthening systems and avoid premature failures.

In this thesis, the sustained-loading bond behaviour of NSM CFRP-concrete joints has been evaluated from experimental and numerical points of view. A numerical methodology based on a finite differences model has been implemented to predict the instantaneous global response of the bonded joints. To verify the numerical model, an experimental programme on the instantaneous behaviour of NSM CFRP-concrete specimens was performed through single shear tests until failure. Different values of groove thicknesses and bonded lengths were tested to study the effect of these parameters on the global response of the bonded joint in terms of failure mode and ultimate load. A parametric study was then performed to investigate the effect of the main parameters of the bond-slip law in the ultimate load and effective bonded length.

Afterwards, the effect of high service temperature and sustained loading on the creep behaviour of the bonded joint was studied through (i) single shear tests in NSM CFRP-concrete specimens, and (ii) tensile tests on epoxy adhesive specimens. Five experimental series were carried out inside a climatic chamber under different service temperatures for 1000 hours. In the sustained loading tests, the effect of the sustained load level, the groove thickness and the bonded length were studied. Results showed that the evolution of strain (in the adhesive) and slip at the loaded end (in the NSM CFRP-concrete specimen) increased with the average temperature and the sustained load level.

Thereafter, after sustained loading tests, instantaneous tests were carried out until failure for all the specimens to study the residual capacity of the specimens. An overall slight decrease on the mechanical properties of the bonded joints (ultimate load and stiffness) and the adhesive (tensile strength and elastic modulus) were observed.

Finally, the numerical procedure developed to predict the instantaneous behaviour of the bonded joint was adapted to calculate the creep behaviour of the NSM CFRP-concrete joints by implementing the degradation of the bond-slip law with time. From this numerical methodology, the evolution of slip at the loaded end with time was obtained for each specimen configuration and was compared with the experimental results

Durant les últimes dècades, la rehabilitació d’estructures civils ha adquirit especial importància. Els materials compostos de fibra de carboni i matriu polimèrica (en anglès, Carbon Fibre Reinforced Polymers, CFRP) s’han introduït en el sector com a solució excel·lent per al reforç estructural de formigó armat, gràcies a les seves propietats mecàniques, la seva resistència a la corrosió i la seva lleugeresa. La tècnica del reforç inserit al recobriment (en anglès, Near-Surface Mounted, NSM) ha resultat ser una de les principals metodologies emprades gràcies a la protecció de l’FRP envers als agents externs. No obstant això, la durabilitat del reforç extern es pot veure afectada durant la seva vida útil, ja que les estructures es troben sotmeses a agents externs com càrregues sostingudes i temperatures cícliques degudes al cicle dia-nit. Per tal de dissenyar correctament el sistema de reforç i evitar fallades prematures per desenganxament del CFRP, és extremadament important estudiar com aquestes accions poden afectar a l’adherència entre el formigó i el reforç NSM CFRP.

Aquesta tesi presenta un estudi del comportament de la unió adherida NSM CFRP-formigó des d’un punt de vista experimental i numèric. Inicialment, es va dissenyar una metodologia numèrica basada en un model de diferències finites per a predir la resposta global instantània de les unions adherides. Posteriorment, per a verificar el model numèric, es va realitzar una campanya d’assajos experimentals per estudiar l’adherència de la unió NSM CFRP-formigó a través d’assajos d’adherència fins a la ruptura. Es van assajar espècimens amb diferents valors d’amplada de regata i de longituds adherides per investigar l’efecte d’aquests paràmetres en la càrrega última i el mode de falla de la unió adherida. Mitjançant la metodologia numèrica, es va realitzar un estudi paramètric per investigar la influència dels principals paràmetres de la llei adherència-lliscament en la càrrega última i en la longitud d’adhesió efectiva de les unions adherides.

A continuació, es va estudiar l’efecte de diferents temperatures de servei i nivells de càrrega sostinguda en la fluència de la unió adherida a través de (i) assajos d’adherència d’espècimens NSM CFRP-formigó i (ii) assajos a tracció d’espècimens d’adhesiu epòxid. Es va realitzar un total de cinc campanyes experimentals. Els espècimens es van assajar dins d’una cambra climàtica combinant tres nivells de càrrega sostinguda i diverses temperatures durant 1000 hores. Dels resultats experimentals es va observar que l’evolució de la deformació unitària (en adhesius) i de lliscament a l’extrem carregat (en espècimens NSM CFRP-formigó) augmentava a mesura que la temperatura mitjana de la cambra i el nivell de càrrega sostinguda augmentaven.

Tot seguit, els espècimens sotmesos a assajos en servei es van assajar fins a ruptura per tal d’estudiar-ne la capacitat residual d’aquests. D’aquests assajos es va observar un decreixement general de les propietats mecàniques de les unions adherides (en termes de càrrega última i rigidesa) i dels espècimens d’adhesiu (en termes de resistència a tracció i mòdul elàstic).

Finalment, el procediment numèric desenvolupat per a predir el comportament instantani de les unions adherides va ser adaptat per al càlcul del comportament a llarg termini de la unió NSM CFRP-formigó a partir de la implementació de la degradació de la llei adherència-lliscament amb el temps. Amb aquesta metodologia numèrica es va calcular l’evolució del lliscament a l’extrem carregat amb el temps per a cada configuració d’espècimen i es va fer la comparació amb el corresponent assaig experimental