Experimental analysis of fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) confined masonry columns

The increasing use of Fiber Reinforced methods for strengthening existing brick masonry walls and columns, especially for the rehabilitation of historical buildings, has generated considerable research interest in understanding the failure mechanism in such systems. This dissertation is aimed to provide a basic understanding of the behavior of solid brick masonry walls unwrapped and wrapped with Fiber Reinforced Cementitious Matrix Composites. This is a new type of composite material, commonly known as FRCM, featuring a cementitious inorganic matrix (binder) instead of the more common epoxy one. The influence of the FRCM-reinforcement on the load-carrying capacity and strain distribution during compression test will be investigated using a full-field optical technique known as Digital Image Correlation. Compression test were carried on 6 clay bricks columns and on 7 clay brick walls in three different configuration, casted using bricks scaled respect the first one with a ratio 1:2, in order to determinate the effects of FRCM reinforcement. The goal of the experimental program is to understand how the behavior of brick masonry will be improved by the FRCM-wrapping. The results indicate that there is an arching action zone represented in the form of a parabola with a varying shape according to the used configuration. The area under the parabolas is considered as ineffectively confined. The effectively confined area is assumed to occur within the region where the arching action had been fully developed.

Produzione di compositi a matrice di alluminio con rinforzo particellare nanometrico

Le leghe di alluminio da fonderia rivestono un ruolo fondamentale in ambito industriale e in particolare il settore dei trasporti ha notevolmente incrementato il loro impiego per la realizzazione di componenti strutturali. Al fine di aumentare ulteriormente la resistenza specifica, tali leghe possono essere impiegate come matrici per lo sviluppo di compositi (Metal Matrix Composites, MMCs), le cui fasi di rinforzo possono avere diversa composizione, forma e dimensione. In particolare, nel caso di rinforzo particellare, più le particelle sono piccole e finemente disperse nella matrice, più elevato può essere l’incremento delle prestazioni meccaniche. In quest’ottica, la ricerca ha portato allo sviluppo dapprima di compositi caratterizzati da un rinforzo micrometrico e, in anni recenti, si sta concentrando sul rinforzo nanometrico (Metal Matrix Nano Composites, MMNCs). I nano-compositi possono essere ottenuti attraverso metodologie differenti: tecniche in situ, in cui il rinforzo viene generato all’interno della matrice attraverso opportune reazioni chimiche, e tecniche ex situ, in cui i dispersoidi vengono inseriti nella matrice fusa, una volta già formati. Sebbene l’incremento prestazionale ottenibile da tali materiali sia stato dimostrato, è necessario far fronte ad alcune problematiche connesse a ciascuna tecnologia produttiva quali, ad esempio, il controllo dei parametri di processo, per quanto riguarda le tecniche in situ, e l’ottenimento di una efficace dispersione delle nano-particelle all’interno della matrice, nel caso delle metodologie ex-situ. Lo scopo della presente attività di tesi è lo studio di fattibilità, basato anche su un’ampia indagine bibliografica, e l’implementazione di metodologie produttive, su scala di laboratorio, volte allo sviluppo di MMNCs a matrice in lega di alluminio (A356, Al-Si-Mg). L’interesse è stato posto in primo luogo sul processo in situ di gas bubbling, mirato all’ottenimento di rinforzo d’allumina, indotto dalla reazione tra matrice metallica e gas ossidante (in questo caso aria secca industriale). In secondo luogo, dal punto di vista delle tecniche ex situ, è stato approfondito l’aspetto della dispersione delle particelle di rinforzo nel fuso, prestando particolare attenzione alla tecnica di trattamento ultrasonico del metallo.

Studio e sviluppo di tecniche per la produzione di nanocompositi a matrice di alluminio

Foundry aluminum alloys play a fundamental role in several industrial fields, as they are employed in the production of several components in a wide range of applications. Moreover, these alloys can be employed as matrix for the development of Metal Matrix Composites (MMC), whose reinforcing phases may have different composition, shape and dimension. Ceramic particle reinforced MMCs are particular interesting due to their isotropic properties and their high temperature resistance. For this kind of composites, usually, decreasing the size of the reinforcing phase leads to the increase of mechanical properties. For this reason, in the last 30 years, the research has developed micro-reinforced composites at first, characterized by low ductility, and more recently nano-reinforced ones (the so called metal matrix nanocomposite, MMNCs). The nanocomposites can be obtained through several production routes: they can be divided in in-situ techniques, where the reinforcing phase is generated during the composite production through appropriate chemical reactions, and ex situ techniques, where ceramic dispersoids are added to the matrix once already formed. The enhancement in mechanical properties of MMNCs is proved by several studies; nevertheless, it is necessary to address some issues related to each processing route, as the control of process parameters and the effort to obtain an effective dispersion of the nanoparticles in the matrix, which sometimes actually restrict the use of these materials at industrial level. In this work of thesis, a feasibility study and implementation of production processes for Aluminum and AlSi7Mg based-MMNCs was conducted. The attention was focused on the in-situ process of gas bubbling, with the aim to obtain an aluminum oxide reinforcing phase, generated by the chemical reaction between the molten matrix and industrial dry air injected in the melt. Moreover, for what concerns the ex-situ techniques, stir casting process was studied and applied to introduce alumina nanoparticles in the same matrix alloys. The obtained samples were characterized through optical and electronic microscopy, then by micro-hardness tests, in order to evaluate possible improvements in mechanical properties of the materials.

Studio del comportamento meccanico di compositi ottenuti per SMC

I materiali compositi più diffusi sono quelli a matrice polimerica (PMC, Polymer Matrix Composites) con fibre di rinforzo, largamente utilizzati per la loro capacità di conciliare ottima resistenza meccanica con elevata leggerezza. Nel presente elaborato di tesi sono state studiate le caratteristiche meccaniche di materiali compositi a matrice resinosa, epossidica, rinforzati con fibre di carbonio chopped, ovvero fibre spezzate e disposte in modo del tutto casuale all’interno della matrice, mediante analisi microstrutturale e prove di trazione. Viene descritto il processo di produzione delle piastre di materiale composito ottenuto per SMC (Sheet Moulding Compound) da cui sono stati ricavati i provini. Lo studio a livello microstrutturale è stato possibile grazie all’inglobamento nella resina di alcune sezioni dei provini, le cui superfici sono state esaminate al microscopio acquisendo una quantità di immagini tale da permettere la ricostruzione della superficie stessa tramite software ed il calcolo percentuale delle porosità tramite SolidWorks. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita utilizzando la macchina per le prove di trazione presente nell’hangar della sede di Forlì della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna: la preparazione dei provini è basata sull’applicazione di tabs di alluminio. I provini in materiale composito sono stati forniti in quattro differenti tipologie riguardanti la pressione a cui sono stati prodotti: 25, 50, 100 e 150 bar. Lo scopo dell’elaborato è stabilire la pressione ottimale di produzione dei provini, a cui il materiale composito mostra le migliori proprietà meccaniche, in particolare la più alta resistenza a carico di trazione. Le prove sono state condotte su provini a tre diverse lunghezze, per diversificare le modalità di stress meccanico. I risultati sono stati poi analizzati per stabilire quale valore di pressione di processo conferisce le migliori caratteristiche meccaniche al materiale.

Solvent regeneration of activated carbon mixed-matrix membranes for the removal of micropollutants from wastewater

The constantly increasing demand of clean water has become challenging to deal with over the past years, water being an ever more precious resource. In recent times, the existing wastewater treatments had to be integrated with new steps, due to the detection of so-called organic micropollutants (OMPs). These compounds have been shown to adversely affect the environment and possibly human health, even when found in very low concentrations. In order to remove OMPs from wastewater, one possible technique is a hybrid process combining filtration and adsorption. In this work, polyethersulfone multi-channel mixed-matrix membranes with embedded powdered activated carbon (PAC) were tested to investigate the membrane’s adsorption and desorption performance. Micropollutants retention was analyzed using the pharmaceutical compounds diclofenac (DCF), paracetamol (PARA) and carbamazepine (CBZ) in filtration mode, combining the PAC adsorption process with the membrane’s ultrafiltration. Desorption performance was studied through solvent regeneration, using seven different solvents: pure water, pure ethanol, mixture of ethanol and water in different concentration, sodium hydroxide and a mixture of ethanol and sodium hydroxide. Regeneration experiments were carried out in forward-flushing. At first regeneration efficiency was investigated using a single-solute solution (diclofenac in water). The mixture Ethanol/Water (50:50) was found to be the most efficient with long-term retention of 59% after one desorption cycle. It was, therefore, later tested on a membrane previously loaded with a multi-solute solution. Three desorption cycles were performed after which, retention (after 30 min) reached values of 87% for PARA and 72% for CBZ and 55% for DCF, which indicates decent regenerability. A morphological analysis on the membranes confirmed that, in any case, the regeneration cycles did not affect either the membranes’ structure, or the content and distribution of PAC in the matrix.