Evaluation of Self-healing FRCM/Concrete Interfacial Bond. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Report M.O.Osta.pdf Restricted to Repository staff only until 25 May 2024. Download (12MB)

Arabic Abstract

يعد نظام تقوية FRCM أحد أكثر الطرق حداثة وكفاءة المستخدمة في تقوية وتعديل الهياكل الخرسانية الحالية. إحدى المشكلات الرئيسية التي يمكن مواجهتها في أنظمة FRCM هي التشققات التي تحدث في المونة الاسمنتية، مما قد يؤدي إلى فشل النظام بسبب عدة أسباب مثل تقليل قوة الرابطة وانزلاق المونة وإتلاف حديد التسليح بسبب دخول السوائل الضارة داخل الشقوق والتي تم إثباتها في هذه الدراسة. تقدم هذه الرسالة، بالتالي، طريقة جديدة لتقوية النظام الذي يجمع بين نظام FRCM مع مادة هندسية ذكية، العامل البكتيري الذاتي الشفاء، من خلال دراسة سلوك الرابطة لأنظمة FRCM ذات الشفاء الذاتي وكفاءتها في الشفاء الذاتي. بدأ العمل بتوصيف المواد ذاتية الشفاء الممزوجة في خلطات مختلفة من المونة. تشتمل الخلطات الأصلية المستخدمة على مونة معدة في المختبر (LM)، ومونة إصلاح تجاري تقليدي غير قابل للشفاء ذاتيًا (SM و SMF) ، ومونة إصلاح ذاتي الشفاء جاهزًا تجاريًا (RM). تم خلط المونة LM وSM وSMF بجرعتين (1.5٪ و 2.5٪) من عامل بكتيري ذاتي الشفاء كبديل جزئي للأسمنت. بهدف تعويض تكلفة عوامل الشفاء الذاتي، تم إجراء تهجين آخر بين مونة الشفاء الذاتي الجاهز وأضعف الخلطات الثلاثة التي تم اختبارها (LM وSM وSMF) لدعم الاستدامة. تم إجراء التحقيقات بما في ذلك الاختبارات الميكانيكية، وتقييم البنية الدقيقة، وكفاءة الشفاء، وتحليل الارتباط الرقمي للصور لدراسة إمكانية تحقيق الشفاء الذاتي والأداء الميكانيكي المقبول. باستخدام اصطلاحات تسمية عينة Xy ، حيث X هو اسم المونة و y هي النسبة المئوية لعامل الشفاء الذاتي ، أظهرت الخواص الميكانيكية أن عينة SM1.5 لديها أفضل نقاط القوة لجميع الخلطات المختبرة ، في حين أن مونة SMF هي الأسوأ في السلوك من جميع النواحي (الميكانيكية والشفائية) بحكم تركيبته. فيما يتعلق بكفاءة الشفاء، أظهرت RM و SM1.5 و SM2.5 و LM2.5 كفاءة ملحوظة. بعد ذلك ، تم التحقق من نموذج الارتباط بين الخواص الميكانيكية لمرحلة ما قبل التنشيط وكفاءة الشفاء الذاتي ، وتم تقييم مؤشر أداء أكثر عمومية يجمع خصائص القوة الميكانيكية وكفاءة الشفاء الذاتي للخلطات. من أجل دراسة أنظمة FRCM ذاتية الشفاء ، تم إدخال العامل البكتيري ذاتي الشفاء في مصفوفة FRCM لتعزيز قدرتها على الشفاء الذاتي والقضاء على مخاوف FRCM المذكورة أعلاه. تم استخدام أربعة خلطات فقط في هذه التحقيقات: LM0 كعنصر تحكم و LM2.5 و SM1.5 و RM. تم استخدام غراء إنشائي لتعديل الرابطة بين سطح الخرسانة والمونة في بعض العينات ، مما أدى إلى إنتاج LM2.5-G و SM1.5-G. تظهر نتائج اختبار الحزمة أن RM لها قوة ارتباط عالية جدًا وسلوك مطيل. أظهرت نتائج اختبار السحب أن عينات SM1.5-G تتمتع بأعلى قوة سحب ، تليها عينات RM-G و RM ، مما يعكس الرابطة العالية ويثبت كفاية الغراء الهيكلي في الترابط. كشف تحليل DIC عن نتائج إجهاد أكثر منطقية، والتي يمكن أن تفسر السلوك الفعلي لأنظمة FRCM ونمط الفشل، والذي كان انزلاق نسيج FRCM داخل المونة بسبب الشقوق فيها. نتيجة لذلك، تم فحص كفاءة الشفاء الذاتي عن طريق التكسير المسبق لعينتين من RM بنسبة 80٪ و 90٪ من الحمل النهائي، على التوالي ، و LM0 بنسبة 60٪ من الحمل النهائي بسبب طبيعتها الضعيفة. تم بعد ذلك غمر العينات المكسورة مسبقًا في الماء لبدء عملية الشفاء قبل اختبارها مرة أخرى لتحديد نسبة استعادة القوة. تم اكتشاف أن RM-80٪ يمكن أن يستعيد 88٪ من قوته الأصلية ، واستعاد RM-90٪ 85٪ ، في حين أن LM0 يمكن أن يستعيد 80٪ فقط. تم التوصل إلى أن التئام الشقوق يمكن أن يحمي الألياف عن طريق سد الفجوات ومنع دخول السوائل الضارة، وكذلك إعادة تقوية المونة والسماح لها باستعادة جزء من قوتها الأصلية. علاوة على ذلك، تمت دراسة تأثير إعداد الاختبار على سلوك الخرسانة FRCM. باستخدام جهاز اختبار الرابطة العالمية لإجراء اختبارات الرابطة ، وجد أن إعداد الاختبار له تأثير كبير على سلوك وضع الفشل لنظام FRCM ، كما يثبت تحليل DIC أن السلالات والضغوط المتكونة في كل اختبار مختلف جدا

English Abstract

FRCM strengthening system is one of the most modern and efficient methods used in reinforcing and retrofitting existing concrete structures. One of the main issues that could be faced in the FRCM systems is the cracking of the mortar matrix, which could lead to the failure of the system due to several reasons such as decreasing the bond strength, slippage of the matrix and damaging the fabric fibers due to the ingress of harmful liquids within the cracks which was proved in this study. This thesis, therefore, presents a novel method of strengthening system that combines FRCM system with an engineering smart material, the self-healing bacterial agent, studying the bond behavior of the self-healing FRCM systems and their self-healing efficiency. The work began with characterizing the self-healing materials mixed in different mortar mixes. The parent mixes used include one laboratory-prepared (LM), two conventional non-self-healing commercial repair mortars (SM and SMF), and one commercial ready-mix self-healing repair mortar (RM). LM, SM and SMF mortars were admixed with two doses (1.5 % and 2.5 %) of a self-healing bacterial agent as a partial cement replacement. Aimed at offsetting the cost of self-healing agents, another hybridization was made between the ready-mix self-healing mortar and the weakest of the three tested parent mixes (LM, SM, and SMF) to uphold sustainability. Investigations including mechanical tests, microstructural assessment, healing efficiency, and digital image correlation analysis were performed to study the potential for achieving acceptable self-healing and mechanical performance. Using the Xy specimen naming conventions, where X is the mortar name and y is the self-healing agent percentage, the mechanical properties showed that the SM1.5 sample had the best strengths of all the tested mixes, while the SMF mortar portrayed the worst behavior in all aspects (mechanical and healing) by virtue of its composition. In terms of healing efficiency, RM, SM1.5, SM2.5, and LM2.5 showed remarkable efficiencies. Next, a correlation model between the pre-activation phase mechanical properties and the self-healing efficiency was investigated and a more generalized performance index that lumps the mechanical strength properties and the self-healing efficiency of the mixes was evaluated. In order to study the self-healing FRCM systems, the self-healing bacterial agent was introduced into the FRCM matrix in to enhance its self-healing capacity and eliminate the aforementioned FRCM concerns. Only four mixes were used in this investigations: LM0, as control, LM2.5, SM1.5 and RM. A structural glue was used to modify the bond between the concrete surface and the matrix in some specimens, yielding LM2.5-G and SM1.5-G. The beam test results show that the RM matrix has a very high bond strength and a ductile behavior. The pull-off test results showed that the SM1.5-G specimens had the highest pull-off strength, followed by the RM-G and RM specimens, reflecting the high bond and proving the structural glue's adequacy in bonding. The DIC analysis revealed more plausible strain results, which could explain the actual behavior of the FRCM systems and the failure mode, which was slippage of the FRCM textile within the matrix caused by cracks in the mortar matrix. As a result, the self-healing efficiency was investigated by pre-cracking two RM specimens by 80% and 90% of their ultimate load, respectively, and LM0 by 60% of its ultimate load due to its weak nature. The pre-cracked specimens were then immersed in water to initiate the healing process before being tested again to determine the strength regain percentage. It was discovered that the RM-80% could regain 88% of its original strength, and the RM-90% regained 85%, while the LM0 could only regain 80%. It was concluded that crack healing in the matrix could protect the fibers by closing gaps and preventing the ingress of harmful liquids, as well as re-strengthen the matrix and allow it to regain a portion of its original strength. Furthermore, the influence of the test set-up on the FRCM-concrete behavior was studied. Using the universal bond test apparatus to perform the bond tests, it was found that the test set-up has a great influence on the failure mode behavior of the FRCM system and the DIC analysis also prove that the strains and stresses formed in each test are very different.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Mukhtar, F.M.
Committee Members:	Al-Gadhib, A.H. and Obot, I.B.
Depositing User:	MOHAMMAD OSTA (g201906250)
Date Deposited:	25 May 2023 10:10
Last Modified:	25 May 2023 10:10
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142392