Surface modification of fabric reinforcements for frcm systems: effect on the mechanical properties and durability

Over the last decades Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) systems have gained great interest as a promising technique for the reinforcement and rehabilitation of concrete and masonry structures. However, due to the lack of anecdotal information or documented long-term performance, at present relatively few is known about the durability of these materials under different environmental exposure. Therefore, a comprehensive understating of the different mechanisms responsible for the deterioration of FRCM systems over time is still an issue. This is due to the different kind of environmental stress that the composite may have to withstand during its life, and on the great varieties of materials (cementitious matrices and fabrics) that can be employed. Moreover, when textile are modified with some kind of coatings, as it has been proposed by different studies to improve the mechanical properties of the composite, the overall performance of the composite over time will also be affected by the different kind of coatings possibly applied. The primary aim of this work is to understand how different techniques, proposed in the literature for the modification of FRCM reinforcements, influence the ability of the composite to withstand environmental exposures. Secondary, different coatings based on a Carboxylated Styrene Butadiene (SB) polymer formulated with increasing percentage of nanoclay were investigated as modification technique to obtain a composite with improved mechanical properties and durability. Chemically stable carbon fibers as well as AR-glass fibers, which are known to undergo chemical degradation in alkaline environments, have been used. Carbon fibers have been modified with an oxidative solution, a nanosilica coating and an epoxy coating. The experimental nanoclay-SB coatings were applied on AR-glass fibers specifically spun for this project at the Leibniz Institut für Polymerforschung Dresden (IPF), where part of this work has been conducted. Durability test on commercially available reinforcements were also conducted using a Styrene Butadiene preimpregnated AR-glass fabric. Aging protocols adopted include immersion in saltwater and alkaline solution and freeze–thaw cycles. Tests were performed on both the composite material and its components. Compressive and three point bending test were employed to evaluate the change in the matrix properties after environmental exposure. Ionic chromatography and X-ray diffraction (XRD) were used to investigate possible change in the chemical composition of the matrix. Tensile test on single yarn and pull-out test were respectively employed to evaluate the effect of different coatings on the durability of the reinforcement and the composite. Characterization of the composite based on the AR-Glass commercial fabric were performed on FRCM coupons. For the IPF fibers single fiber tensile test and quasi-static single fiber pull-out test were also performed. FTIR, TGA, DSC, XRD, SEM-EDX and AFM analysis were employed for the characterization of the coatings as well as the surfaces of the modified fibers. In general, it could be observed that the chemical stability of the reinforcement plays a minor role on the durability of the composites, and that no conclusion on the ability of the composite to withstand different environmental exposure can be drawn on the base of the components’ behavior. Epoxy resin and nanosilica coatings were both found to improve the interaction of the reinforcement with the matrix and simultaneously preserve the mechanical properties of the composite over time. For the nanoclay coatings an increase in the pull-out load was observed for high amount of nanoclay. However, the best results in terms of polymer-matrix interaction and durability were obtained with the addition of 5% of nanoclay in the polymeric coating.

L’utilizzo di sistemi FRCM si sta progressivamente affermando in campo ingegneris- tico come promettente tecnica per il rinforzo e la riabilitazione di strutture in cemento e in muratura. Tuttavia, a causa della mancanza di documentate informazione sulle prestazioni nel tempo di questi materiali compositi, ad oggi poco è noto della loro capacità di resistere all’esposizione a diversi ambienti potenzialmente aggressivi. La complessità nello studiare i diversi meccanismi responsabili per il deterioramento di questi sistemi nel tempo è data dai diversi tipi di stress ambientale a cui il materiale può essere esposto durante la sua vita di servizio, così come dall’ampia varietà di materiali che possono essere impiegati. Inoltre, per rinforzi modificati con coating organici o inorganici, spesso proposti in letteratura per aumentare le capacità di carico del composito, le performance complessive del sistema saranno influenzate dal tipo di coating applicato. Lo scopo principale di questo studio è verificare come diverse tecniche, proposte in letteratura per la modifica dei rinforzi in rete, influenzino la capacità degli FRCM di mantenere inalterate le proprie proprietà meccaniche a seguito dell’esposizione a diversi ambienti. Inoltre, al fine di ottimizzare sia le proprietà meccaniche che la durabilità del composito, è stato studiata l’efficacia di coating a base stirene-butadiene contenenti diverse percentuali di nano argille. I rinforzi in fibra presi in considerazione in questo studio comprendono sia fibre in carbonio che in vetro, le prime note per godere di un ottima stabilità chimica, le seconde soggette a corrosione in ambiente alcalino. Le fibre in carbonio sono state modificate con una soluzione ossidativa, un coating epossidico e un a base di nano silice. L’efficacia dei coating con nano argille è stata studiata su fibre in vetro alcalino resistente appositamente filate per questo progetto al Leibniz Institute für Polymerforschung (IPF) di Dresda, dove è stato condotto parte di questo lavoro. Come caso studio di sistemi commercialmente disponibili si è fatto uso di un rinforzo in fibra di vetro preapprettato con coating stirene-butadiene. I protocolli d’invecchiamento accelerato adottati comprendo: immersione dei provini in soluzioni alcaline e saline ed esposizione a cicli gelo-disgelo. I test sono stati eseguiti sia sul materiale composito che su i suoi componenti (matrice e rete in fibra). L’effetto dei vari ambienti di esposizione sulla matrice cementizia è stato studiato tramite test a flessione e compressione abbinati a cromatografia ionica e diffrazioni a raggi X. Tensil test e pull-out test sono stati eseguiti su singoli yarn al fine di valutare l’effetto dei caoting sulle proprietà meccaniche e la durabilità del rinforzo e del materiale composito. La caratterizzazione del sistema ottenuto con la rete preapprettata è stato eseguito tramite tensile test. Per le fibre realizzate all’IPF sono stati effettuati anche test micro meccanici su filamenti singoli. Analisi FTIR, TGA, DSC, XRD, SEM-EDX e AFM sono state effettuate per la caratterizzazione dei coating e della superficie delle fibre. In generale si è potuto constatare che la stabilità chimica del rinforzo svolge un ruolo secondario nella durabilità del composito, e che sulla base del comportamento delle singole componenti non si possono trarre conclusioni sulla capacità del composito di sottostare l’esposizione a diversi ambienti. Il coating epossidico e quello a base di nano silice sono in grado sia di aumentare l’interazione delle fibre in carbonio con la matrice, che di preservare le proprietà del composito nel tempo. Per i coating contenenti nano argille, un aumento delle capacità di carico è stato osservato nelle prove di pull-out al crescere della percentuale di nano argille. Tuttavia i migliori risultati in termine d’interazione coating-matrice e durabilità del composito si ottengono per un quantitativo di nano argille pari al 5%.