Consolidamento e rinforzo della muratura con materiale fibroso immerso in matrice cementizia:applicazione ad un edificio storico.

L’obiettivo che sarà perseguito consisterà, dopo un’attenta ricerca di tipo bibliografico, nella definizione delle diverse fasi legate all’introduzione, in strutture esistenti, di un composito fibrorinforzato con grande attenzione verso i FRCM, fiber reinforced cement matrix, caratterizzati da un recente sviluppo, che saranno messi a confronto con i tradizionali FRP, fiber reinforced polymer. Ad oggi l’Italia è mancante di una linea guida per i materiali fibrorinforzati di tipo FRCM, quindi in un’ottica di colmare tale lacuna, per quel che è possibile, la seguente attività di tesi proverà ad enunciare, avvalendosi dei punti chiavi della linea guida degli FRP, i passaggi relativi alla progettazione ,esecuzione e collaudo di strutture mediante rinforzo con fibre lunghe dentro a matrice cementizia. Si cercherà di fornire un quadro completo dello stato attuale dell’impiego dei FRCM nel recupero storico, in modo da fornire delle tracce di comprovata validità in merito alla scelta del tipo d’intervento ottimale da eseguire.

Steel and macro-synthetic self-compacting fibre reinforced concrete, experimental study on the long-term deformations

Experimental study on the long-term deformations of the fibre reinforced concrete. Steel and macro-synthetic fibers were used to evaluate the shrinkage, creep, mid-span deflection, cracking and rupture analysis of three different types of samples. At the end the main topics of ACI guidelines were analyzed in order to perform an overview of design.

Sustainable inorganic Binders and Their Applications in Building Engineering: A Green Alternative to Ordinary Portland Cement

In the last decades, the building materials and construction industry has been contributing to a great extent to generate a high impact on our environment. As it has been considered one of the key areas in which to operate to significantly reduce our footprint on environment, there has been widespread belief that particular attention now has to be paid and specific measures have to be taken to limit the use of non-renewable resources.The aim of this thesis is therefore to study and evaluate sustainable alternatives to commonly used building materials, mainly based on ordinary Portland Cement, and find a supportable path to reduce CO2 emissions and promote the re-use of waste materials. More specifically, this research explores different solutions for replacing cementitious binders in distinct application fields, particularly where special and more restricting requirements are needed, such as restoration and conservation of architectural heritage. Emphasis was thus placed on aspects and implications more closely related to the concept of non-invasivity and environmental sustainability. A first part of the research was addressed to the study and development of sustainable inorganic matrices, based on lime putty, for the pre-impregnation and on-site binding of continuous carbon fiber fabrics for structural rehabilitation and heritage restoration. Moreover, with the aim to further limit the exploitation of non-renewable resources, the synthesis of chemically activated silico-aluminate materials, as metakaolin, ladle slag or fly ash, was thus successfully achieved. New sustainable binders were hence proposed as novel building materials, suitable to be used as primary component for construction and repair mortars, as bulk materials in high-temperature applications or as matrices for high-toughness fiber reinforced composites.

Effetto dell'addizione di fibre corte di carbonio su microstruttura e proprietà di materiali a base di ZrB2

Il lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC-CNR, Faenza, RA), ha affrontato la produzione e la caratterizzazione di ceramici a base di boruro di zirconio (ZrB2) con lo scopo di valutare l’efficacia delle fibre corte di carbonio come potenziale rinforzo. Il boruro di zirconio appartiene a una famiglia di materiali noti come UHTC (Ultra-High Temperature Ceramics) caratterizzati da elevato punto di fusione e in grado di mantenere la resistenza meccanica e operare con limitata ossidazione a temperature superiori ai 2000°C. Il principale ostacolo nella produzione dei materiali a base di ZrB2 è il processo di sintesi, infatti, a causa della loro elevata temperatura di fusione, per ottenere un materiale completamente denso è necessario utilizzare processi a temperatura e pressione elevati (T > 2000°C e P > 30 MPa), condizioni che vanno ad influenzare la microstruttura della matrice e delle fibre e di conseguenza le proprietà meccaniche del materiale. L’aggiunta di additivi di sinterizzazione idonei permette di ottenere materiali perfettamente densi anche a temperature e pressioni inferiori. Tuttavia lo ZrB2 non viene ampiamente utilizzato per applicazioni strutturali a causa della sua fragilità, per far fronte alla sua bassa tenacità il materiale viene spesso rinforzato con una fase allungata (whiskers o fibre). È già oggetto di studi l’utilizzo di fibre corte e whiskers di SiC per tenacizzare lo ZrB2, tuttavia la forte interfaccia che viene a crearsi tra fibra e matrice, che non permette il pull-out delle fibre, ci porta a credere che una fibra che non tenda a reagire con la matrice, presentando un’interfaccia più debole, possa portare ad una tenacizzazione più efficace. Per questo scopo sono stati realizzati mediante pressatura a caldo due materiali rinforzati con fibre corte di carbonio: ZrB2 + 5% vol MoSi2 + 8% vol fibre di carbonio e [ZrB2 + 2 % peso C] + 8% vol fibre di carbonio, indicati rispettivamente con Z5M_Cf e Z2C_Cf. Sono stati analizzati e discussi diversi aspetti del materiale rinforzato tra cui: il comportamento di densificazione durante la pressatura a caldo, l’evoluzione della microstruttura della matrice, la distribuzione e la morfologia delle fibre, l’influenza del rinforzo sulle proprietà meccaniche di durezza e tenacità e sulla resistenza all’ossidazione. L’elaborato è strutturato come segue: inizialmente sono state introdotte le caratteristiche generali dei ceramici avanzati tra cui le proprietà, la produzione e le applicazioni; successivamente è stata approfondita la descrizione dei materiali a base di boruro di zirconio, in particolare i processi produttivi e l’influenza degli additivi di sinterizzazione sulla densificazione e sulle proprietà; ci si è poi concentrati sull’effetto di una seconda fase allungata per il rinforzo del composito. Per quanto riguarda la parte sperimentale vengono descritte le principali fasi della preparazione e caratterizzazione dei materiali: le materie prime, disperse in un solvente, sono state miscelate mediante ball-milling, successivamente è stato evaporato il solvente e la polvere ottenuta è stata formata mediante pressatura uniassiale. I campioni, dopo essere stati sinterizzati mediante pressatura uniassiale a caldo, sono stati tagliati e lucidati a specchio per poter osservare la microstruttura. Quest’ultima è stata analizzata al SEM per studiare l’effetto dell’additivo di sinterizzazione (MoSi2 e carbonio) e l’interfaccia tra matrice e fase rinforzante. Per approfondire l’effetto del rinforzo sulle proprietà meccaniche sono state misurate la durezza e la tenacità del composito; infine è stata valutata la resistenza all’ossidazione mediante prove in aria a 1200°C e 1500°C. L’addizione di MoSi2 ha favorito la densificazione a 1800°C mediante formazione di una fase liquida transiente, tuttavia il materiale è caratterizzato da una porosità residua di ~ 7% vol. L’addizione del carbonio ha favorito la densificazione completa a 1900°C grazie alla reazione dall’additivo con gli ossidi superficiali dello ZrB2. La microstruttura delle matrici è piuttosto fine, con una dimensione media dei grani di ~ 2 μm per entrambi i materiali. Nel caso del materiale con Z5M_Cf sono presenti nella matrice particelle di SiC e fasi MoB derivanti dalla reazione dell’additivo con le fibre e con la matrice; invece nel materiale Z2C_Cf sono presenti grani di carbonio allungati tra i bordi grano, residui delle reazioni di densificazione. In entrambi i materiali le fibre sono distribuite omogeneamente e la loro interfaccia con la matrice è fortemente reattiva. Nel caso del materiale Z5M_Cf si è formata una struttura core-shell con lo strato più esterno formato da SiC, formato dalla reazione tra il siliciuro e la fibra di C. Nel caso del materiale Z2C_Cf non si forma una vera e propria interfaccia, ma la fibra risulta fortemente consumata per via dell’alta temperatura di sinterizzazione. I valori di durezza Vickers dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf sono rispettivamente 11 GPa e 14 GPa, valori inferiori rispetto al valore di riferimento di 23 GPa dello ZrB2, ma giustificati dalla presenza di una fase meno dura: le fibre di carbonio e, nel caso di Z5M_Cf, anche della porosità residua. I valori di tenacità dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf, misurati con il metodo dell’indentazione, sono rispettivamente 3.06 MPa·m0.5 e 3.19 MPa·m0.5. L’osservazione, per entrambi i materiali, del fenomeno di pull-out della fibra, sulla superficie di frattura, e della deviazione del percorso della cricca, all’interno della fibra di carbonio, lasciano supporre che siano attivi questi meccanismi tenacizzanti a contributo positivo, unitamente al contributo negativo legato allo stress residuo. La resistenza all’ossidazione dei due materiali è confrontabile a 1200°C, mentre dopo esposizione a 1500°C il materiale Z5M_Cf risulta più resistente rispetto al materiale Z2C_Cf grazie alla formazione di uno strato di SiO2 protettivo, che inibisce la diffusione dell’ossigeno all’interno della matrice. Successivamente, sono stati considerati metodi per migliorare la densità finale del materiale e abbassare ulteriormente la temperatura di sinterizzazione in modo da minimizzare la degenerazione della fibra. Da ricerca bibliografica è stato identificato il siliciuro di tantalio (TaSi2) come potenziale candidato. Pertanto è stato prodotto un terzo materiale a base di ZrB2 + Cf contenente una maggiore quantità di siliciuro (10% vol TaSi2) che ha portato ad una densità relativa del 96% a 1750°C. Questo studio ha permesso di approcciare per la prima volta le problematiche legate all’introduzione delle fibre di carbonio nella matrice di ZrB2. Investigazioni future saranno mirate alla termodinamica delle reazioni che hanno luogo in sinterizzazione per poter analizzare in maniera più sistematica la reattività delle fibre nei confronti della matrice e degli additivi. Inoltre riuscendo ad ottenere un materiale completamente denso e con fibre di carbonio poco reagite si potrà valutare la reale efficacia delle fibre di carbonio come possibili fasi tenacizzanti.

Finite element modeling of the cement-bone interface beneath the tibial tray of a total knee arthroplasty: Study of the stress shielding effect (modellazione agli elementi finiti dell'interfaccia cemento-osso sotto il piatto tibiale di protesi totale di ginocchio: Analisi dello stress shielding)

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.

A new method for continuous quality control of nsm cfrp systems

In the last decade the near-surface mounted (NSM) strengthening technique using carbon fibre reinforced polymers (CFRP) has been increasingly used to improve the load carrying capacity of concrete members. Compared to externally bonded reinforcement (EBR), the NSM system presents considerable advantages. This technique consists in the insertion of carbon fibre reinforced polymer laminate strips into pre-cut slits opened in the concrete cover of the elements to be strengthened. CFRP reinforcement is bonded to concrete with an appropriate groove filler, typically epoxy adhesive or cement grout. Up to now, research efforts have been mainly focused on several structural aspects, such as: bond behaviour, flexural and/or shear strengthening effectiveness, and energy dissipation capacity of beam-column joints. In such research works, as well as in field applications, the most widespread adhesives that are used to bond reinforcements to concrete are epoxy resins. It is largely accepted that the performance of the whole application of NSM systems strongly depends on the mechanical properties of the epoxy resins, for which proper curing conditions must be assured. Therefore, the existence of non-destructive methods that allow monitoring the curing process of epoxy resins in the NSM CFRP system is desirable, in view of obtaining continuous information that can provide indication in regard to the effectiveness of curing and the expectable bond behaviour of CFRP/adhesive/concrete systems. The experimental research was developed at the Laboratory of the Structural Division of the Civil Engineering Department of the University of Minho in Guimar\~aes, Portugal (LEST). The main objective was to develop and propose a new method for continuous quality control of the curing of epoxy resins applied in NSM CFRP strengthening systems. This objective is pursued through the adaptation of an existing technique, termed EMM-ARM (Elasticity Modulus Monitoring through Ambient Response Method) that has been developed for monitoring the early stiffness evolution of cement-based materials. The experimental program was composed of two parts: (i) direct pull-out tests on concrete specimens strengthened with NSM CFRP laminate strips were conducted to assess the evolution of bond behaviour between CFRP and concrete since early ages; and, (ii) EMM-ARM tests were carried out for monitoring the progressive stiffness development of the structural adhesive used in CFRP applications. In order to verify the capability of the proposed method for evaluating the elastic modulus of the epoxy, static E-Modulus was determined through tension tests. The results of the two series of tests were then combined and compared to evaluate the possibility of implementation of a new method for the continuous monitoring and quality control of NSM CFRP applications.

Design of a new harrow type wool transport mechanism to reduce fibre entanglement

The wool is entangled at several stages of its processing. In the conventional scouring machines, the prongs or the rakes agitate the wool and lead the fiber entanglement. Several scouring systems have been commercialized in order to reduce the fiber entanglement. In spite of the existing technologies, the conventional scouring machines are widely used in wool processing. In this thesis, a new approach for the harrow type wool transport mechanism has been introduced. The proposed mechanism has been designed based on the motion of the conventional harrow type wool transport mechanism by exploiting new synthesis concepts. The developed structure has been synthesized based on the Hrones and Nelson's "Atlas of four bar linkages". The four bar linkage has been applied for the desired trajectory of the developed wool transport mechanism. The prongs of the developed mechanism immerse the wool into the scouring liquor and gently propel forward toward the end of the machine with approximately straight line motion in a certain length instead of circular or elliptical motion typical of the conventional machines.

Recycling of end of life concrete fines (0 - 4 mm) into silica and cement

The purpose of this work is to find a methodology in order to make possible the recycling of fines (0 - 4 mm) in the Construction and Demolition Waste (CDW) process. At the moment this fraction is a not desired by-product: it has high contaminant content, it has to be separated from the coarse fraction, because of its high water absorption which can affect the properties of the concrete. In fact, in some countries the use of fines recycled aggregates is highly restricted or even banned. This work is placed inside the European project C2CA (from Concrete to Cement and Clean Aggregates) and it has been held in the Faculty of Civil Engineering and Geosciences of the Technical University of Delft, in particular, in the laboratory of Resources And Recycling. This research proposes some procedures in order to close the loop of the entire recycling process. After the classification done by ADR (Advanced Dry Recovery) the two fractions "airknife" and "rotor" (that together constitute the fraction 0 - 4 mm) are inserted in a new machine that works at high temperatures. The temperatures analysed in this research are 600 °C and 750 °C, cause at that temperature it is supposed that the cement bounds become very weak. The final goal is "to clean" the coarse fraction (0,250 - 4 mm) from the cement still attached to the sand and try to concentrate the cement paste in the fraction 0 - 0,250 mm. This new set-up is able to dry the material in very few seconds, divide it into two fractions (the coarse one and the fine one) thanks to the air and increase the amount of fines (0 - 0,250 mm) promoting the attrition between the particles through a vibration device. The coarse fraction is then processed in a ball mill in order to improve the result and reach the final goal. Thanks to the high temperature it is possible to markedly reduce the milling time. The sand 0 - 2 mm, after being heated and milled is used to replace 100% of norm sand in mortar production. The results are very promising: the mortar made with recycled sand reaches an early strength, in fact the increment with respect to the mortar made with norm sand is 20% after three days and 7% after seven days. With this research it has been demonstrated that once the temperature is increased it is possible to obtain a clean coarse fraction (0,250 - 4 mm), free from cement paste that is concentrated in the fine fraction 0 - 0,250 mm. The milling time and the drying time can be largely reduced. The recycled sand shows better performance in terms of mechanical properties with respect to the natural one.

Studio sperimentale sulla rottura a fatica in regime fessurato di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche

Nello studio sperimentale oggetto della tesi è stato indagato il comportamento a fatica policiclica, in regime fessurato, di calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche. Per tale tipologia di prova non esiste una procedura standardizzata; occorre anche osservare come in letteratura le testimonianze di prove policicliche su FRC siano piuttosto limitate soprattutto in riferimento a calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche in regime fessurato. A tale scopo è stata messa a punto una procedura di prova a flessione su tre punti finalizzata a valutare il comportamento a fatica del materiale. Sono stati testati calcestruzzi con lo stesso dosaggio e con la stessa tipologia di fibre sottoposti a carichi ciclici con diversi ampiezza e stress level. La sperimentazione ha riguardato anche prove di flessione su tre punti di tipo monotono condotte sul medesimo materiale e su calcestruzzi non fibrorinforzati. I dati sperimentali ottenuti dalle prove monotone sono stati impiegati come input per una procedura di analisi inversa finalizzata alla definizione della relazione tensione-apertura di fessura per i materiali testati.

Studio sperimentale del comportamento a fatica di calcestruzzi rinforzati con fibre sintetiche

La presente tesi di Laurea Magistrale ha lo scopo di studiare sperimentalmente il comportamento a fatica dei calcestruzzi rinforzati con fibre macro-sintetiche (Macro Synthetic Fiber Reinforced Concrete, MSFRC). Sono condotte prove cicliche di flessione su tre punti al fine di caratterizzare il comportamento dei calcestruzzi fibrorinforzati in regime fessurato nel caso di fatica ad alto numero di cicli (High Cycle Fatigue, HCF). Oltre a prove di fatica sono condotte anche prove monotone a flessione al fine di ottenere la caratterizzazione meccanica del materiale determinandone i principali parametri di frattura; i risultati di tali prove sono utili anche a definire la procedura di prova definitiva da adottare durante i test di fatica. Le testimonianze presenti in letteratura sul comportamento a fatica degli FRC rinforzati con fibre sintetiche sono molto limitate, specialmente nel caso di fatica ad alto numero di cicli; inoltre le prove cicliche, a differenza delle prove monotone, non sono prove standardizzate e quindi definite dalla normativa. Nel corso della presente campagna sperimentale si cercherà quindi di definire una procedura per poter eseguire in maniera stabile le prove di flessione, monotone e di fatica, su campioni prismatici di calcestruzzo fibrorinforzato. L’idea alla base della campagna sperimentale oggetto di questa tesi è quella di riprodurre, mediante prove di fatica, le usuali condizioni di esercizio a cui sono sottoposte, durante la loro vita utile, strutture come pavimentazioni stradali o industriali; infatti il traffico stradale o il transito di macchinari possono indurre su strutture del genere dei carichi ripetuti nel tempo tali da provocarne il collasso per fatica. La presente tesi è articolata in otto capitoli nei quali verranno evidenziate le principali proprietà, sia meccaniche che fisiche, del materiale composito oggetto dello studio, saranno definite le procedure dei test eseguiti e verranno discussi i risultati derivanti da essi.

Percutaneous cement augmentation for the treatment of depression fractures of the tibial plateau

The management of insufficiency fractures of the tibial plateau in osteoporotic patients can be very challenging, since it is difficult to achieve a stable fixation, an essential condition for the patients' early mobilization. We present a minimally invasive technique for the treatment of proximal tibial plateau fractures, "tibiaplasty", using percutaneous polymethylmethacrylate augmentation. Five osteoporotic patients (7 fractures) with a non-traumatic insufficiency tibial plateau fracture were treated with this technique at the authors' institution from 2006 to 2008. The patients' median age was 79 (range 62-88) years. The intervention was performed percutaneously under general or spinal anesthesia; after the intervention, immediate full weight bearing was allowed. The technique was feasible in all patients and no complications related to the intervention were observed. All patients reported a relevant reduction in pain, were able to mobilize with full weight bearing and would undergo the operation again. No secondary loss of reduction or progression of arthrosis was observed in radiological controls; no revision surgery was required. Our initial results indicate that tibiaplasty is a good treatment option for the management of insufficiency in tibial plateau fractures in osteoporotic patients. The technique is minimally invasive, safe and allows immediate mobilization without restrictions. In our group of patients, we found excellent early to mid-term results.