Experimental Analysis of Bond of SRP´s Applied to Masonry Bricks with Flexible Polymers

Abstract

Zdivo je jedním z nejstarších a nejvíce používaných stavebních materiálů, který umožnil vytvořit některé z nejproslulejších historických památek světa. Bohužel, mnohé z těchto konstrukcí nesplňují současné požadavky na únosnost, buď kvůli degradaci anebo kvůli změně používání, a proto je třeba je opravovat a/nebo zesilovat. V současnosti se pro opravy a/nebo zesilování betonových a zděných konstrukcí často používají externě lepené kompozity. Tyto kompozity se obvykle k podkladu lepí pomocí epoxydových pryskyřic, což má za následek rychlý a křehký mód porušení, které nastává zcela bez nebo po velmi malých varovných příznacích blížícího se kolapsu. Při porušení navíc často dochází k poškození opravovaného zdiva. Existuje řada studií, které se zabývají popisem chování vlákny vyztužených polymerů (FRP) lepených na beton nebo zdivo epoxydovými pryskyřicemi. Nicméně z výše zmíněných důvodů jsou v současnosti předmětem výzkumu alternativní spojovací metody, které se vyznačují duktilnějším chováním. Tato diplomová práce prezentuje experimentální výsledky výzkumného programu, jehož cílem je objasnit chování polymerů vyztužených ocelovými vlákny (SRP), které jsou lepeny na zdivo pomocí poddajných polymerních adheziv. Aby bylo možné vyhodnotit vliv parametrů adheziv, různé konfigurace byly testovány smykovou zkouškou s jednoduchým přeplátováním. Zkoušky byly prováděny jak s měkkými hliněnými cihlami, tak i s tvrdými extrudovanými cihlami. Byly též vytvořeny numerické modely, jejichž výsledky byly porovnány s experimenty. Kohezivní chování ve smyku, charakterizované módem porušení, diagramem zatížení-posun, rozdělením deformace, modelem prokluzu a lomovou energií bylo porovnáno pro různé konfigurace adheziv. Obecně výsledky ukázaly, že systémy s polyuretanovým lepidlem vykazují více poddajné a duktilní chování, než systémy s obvyklými epoxydovými lepidly. Při použití polyuretanového adheziva také dochází k vhodnějšímu rozdělení deformací podél celé délky spoje, což redukuje koncentrace napětí, které se obvykle vyskytují v systémech s epoxydovými pryskyřicemi. Obzvláště v případě měkkých hliněných cihel polyuretan vykazoval lepší celkové chování ve srovnání s tužšími epoxydovými adhesivy (t.j. epoxydovou pryskyřicí a nestékavou maltou). Na druhou stranu, u extrudovaných tvrdých cihel bylo obtížné dosáhnout dostatečné soudržnosti s viskózním polyuretanem v důsledku jejich hladké a málo porézní povrchové struktury. Proto byly pozorovány nižší hodnoty maximálního zatížení pro vzorky lepené polyuretanem ve srovnání se vzorky s tužší a méně viskózní epoxydovou pryskyřicí nebo nestékavou maltou.

Masonry is one of the oldest and most commonly used construction materials, providing the structural form for some of the most renowned historic monuments across the globe. Unfortunately, many of these historic structures no longer meet current loading demands, either due to degradation or a change of use and therefore require either repair and/or strengthening schemes. Currently, externally bonded composites have been widely adopted to help repair and/or strengthen both reinforced concrete and masonry structures. However, these composites are commonly adhered to the substrates with epoxy resin, which lead to very rapid and brittle failure modes, with little to no warning signs of impending failure. Furthermore, common failure forms also result in damage to the masonry substrate. Therefore, while there have been many studies characterizing the behaviour of fibre reinforced polymers (FRPs) adhered with epoxy resin to concrete/masonry substrates, alternate bonding schemes which provide for more ductile behaviour are currently being researched. This thesis presents experimental results on an investigative program developed to provide further clarity on the behaviour of steel reinforced polymers (SRP) bonded to brick masonry substrates using flexible polymer adhesives. In order to assess the influence of different adhesive parameters, various adhesive configurations were tested through single-lap shear tests. Furthermore, tests were carried out on both soft-mud as well as extruded hard bricks. Numeric models were also developed, where results were compared to that of the experimental results. The shear bond performance of the various adhesive configurations were compared in terms of failure mode, load-displacement curves, strain distributions, bond-slip models, and fracture energy. In general, the results showed that the systems using polyurethane adhesives present a more deformable and ductile response compared to systems using the common epoxy resin adhesives. The use of the polyurethane adhesive also allowed for a better distribution of strains across the entirety of their bond length, reducing peak stress concentrations as commonly seen in epoxy resin bonded systems. Specifically, for the soft-mud bricks, the polyurethane provided for a better overall performance than the stiffer epoxy adhesives (i.e. epoxy resin and non-sag mortar). Alternately, due to the smooth and scarcely porous surface of the extruded hard bricks, the extruded hard bricks presented difficulties in achieving an adequate bond with the viscous polyurethane. Therefore, lower maximum loads were recorded for specimens adhered with polyurethane compared to those adhered with the stiffer and less viscous materials.