A new generation of sustainable composite materials for structural strengthening: expiremental and analytical study

Abstract

This dissertation investigated experimentally the development and assessment of geopolymer mortars as a matrix in textile-reinforced mortars (TRM) to introduce a sustainable alternative for structural strengthening of concrete structures. The experimental programme was divided into three distinct parts. The first part included the development of geopolymer mortars through investigation of their mix design and optimisation of their strength. The optimisation campaign included the investigation of the distinct mix design and raw materials and concluded with three optimised mixtures. Then, the optimised geopolymer mortars were subjected to a comprehensive characterisation campaign that assessed basic fresh, physical, mechanical and durability properties. The aim was to better understand how their different mix design affected their overall performance. The second part of the investigation explored the use of two of the optimised geopolymer mortars as a TRM matrix and assessed their bond behaviour with a concrete substrate. The investigative parameters included the number of layers, the bond length and the type of matrix, alongside a cement-based TRM that was also used as a reference. The experimental programme was carried out using a modified beam configuration, which subjected the TRM to indirect tension. The aim was to evaluate the bond strength and effective bond length of each TRM system. A complementary analytical model of the bond behaviour was also developed. The third part of the investigation attempted to use the newly developed geopolymer TRM for the flexural strengthening of reinforced concrete beams. To evaluate their strengthening effectiveness, seven beams were subjected to monotonic four-point-bending, one was unstrengthened and acted as reference, while six were strengthened. The investigative parameters were on par with the bond tests and included the number of layers and the type of matrix. To complement the experimental programme, an analytical model was developed to predict the flexural response of the strengthened beams.

Η παρούσα διατριβή αποτίμησε πειραματικά την ανάπτυξη κονιαμάτων γεωπολυμερούς για χρήση ως μήτρα σε Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ), ώστε να εξετάσει μια βιώσιμη εναλλακτική στον τομέα των δομικών ενισχύσεων για κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος. Η πειραματική διερεύνηση χωρίστηκε σε τρία μέρη. Το πρώτο μέρος περιελάμβανε την ανάπτυξη κονιαμάτων γεωπολυμερούς με διερεύνηση της σύνθεσης τους για τη βελτιστοποίηση της αντοχής. Η βελτιστοποίηση πραγματοποιήθηκε μέσω μελέτη της σύνθεσης με τη χρήση των διαθέσιμων πρώτων υλών και ολοκληρώθηκε με την εύρεση τριών βελτιστοποιημένων μειγμάτων. Στη συνέχεια, ακολούθησε ενδελεχής χαρακτηρισμός των βελτιστοποιημένων κονιαμάτων γεωπολυμερούς με αξιολόγηση βασικών νωπών, φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων αλλά και της ανθεκτικότητας τους. Σκοπός ήταν η καλύτερη κατανόηση της επιρροής της σύνθεσης στη συμπεριφορά των κονιαμάτων. Το δεύτερο μέρος της διερεύνησης εξέτασε την χρήση δύο εκ των βελτιστοποιημένων κονιαμάτων γεωπολυμερούς ως μήτρα σε ΙΑΜ και αποτίμησε την συμπεριφοράς της συνάφειας τους με υπόστρωμα σκυροδέματος. Οι παράμετροι της διερεύνησης συμπεριέλαβαν τον αριθμό των στρώσεων, το μήκος συνάφειας και το είδος της μήτρας, ενώ ταυτόχρονα έγινε σύγκριση με ΙΑΜ με μήτρα από συμβατικό τσιμεντοειδές κονίαμα. Το πειραματικό πρόγραμμα πραγματοποιήθηκε με τη διάταξη της τροποποιημένης δοκού, η οποία υπέβαλε το ΙΑΜ σε έμμεσο εφελκυσμό. Σκοπός ήταν η αξιολόγηση της αντοχής της συνάφειας και η εύρεση του ενεργού μήκους συνάφειας για κάθε σύστημα ΙΑΜ. Συμπληρωματικά, πραγματοποιήθηκε και αναλυτική μελέτη με δημιουργία ενός προσομοιώματος της συμπεριφοράς της συνάφειας. Το τρίτο μέρος της διερεύνησης επιχείρησε να αξιοποιήσει τα νεοαναπτυχθέντα ΙΑΜ γεωπολυμερούς για την καμπτική ενίσχυση δοκών οπλισμένου σκυροδέματος. Για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας της ενίσχυσης, επτά δοκοί υποβλήθηκαν σε μονοτονική κάμψη τεσσάρων σημείων, εκ των οποίων οι έξι ήταν ενισχυμένες, ενώ μία δοκός παρέμεινε χωρίς ενίσχυση και λειτούργησε ως δοκίμιο αναφοράς. Οι παράμετροι διερεύνησης ήταν αντίστοιχες με την μελέτη της συνάφειας και εξέτασαν την επιρροή του αριθμού των στρώσεων και το είδος του κονιάματος της μήτρας. Παράλληλα, δημιουργήθηκε ένα αναλυτικό μοντέλο, το οποίο είχε σκοπό την πρόβλεψη της καμπτικής συμπεριφοράς των ενισχυμένων δοκών.