Influence of interfacial bonding behavior on the compressive performance of sprayed mortar reinforced masonry walls

Abstract

(English) This thesis investigates the adhesion behavior between sprayed mortar and masonry substrates, focusing on the influence of compressive strength, mortar age, and surface roughness on adhesion strength. Through detailed experiments and comprehensive analysis, it seeks to better understand these factors and their impact on rehabilitation techniques for masonry structures. The results of this investigation not only expand theoretical knowledge about the adhesion behavior between mortar and masonry but also provide practical recommendations to improve the durability and effectiveness of retrofitting interventions.

Experiments were conducted on samples with different compressive strengths (15 MPa, 30 MPa, and 45 MPa) to assess how these factors affect both tensile and shear adhesion strength. It was observed that the tensile adhesion strength decreases with increasing compressive strength of the masonry due to the brittle nature of high-strength materials. Specifically, masonry with a compressive strength of 15 MPa showed tensile adhesion strength ranging from 0.2 to 1 MPa, while masonry with a compressive strength of 40 MPa showed values concentrated between 0 and 0.1 MPa. This behavior is due to the fact that high-strength masonry tends to fail more abruptly, reducing its capacity to maintain adhesions under tension.

On the other hand, the shear adhesion strength showed a positive correlation with compressive strength. Substrates with higher compressive strength provided greater shear capacity due to better mechanical interlocking facilitated by surface roughness. Experimental results demonstrated that the shear adhesion strength was almost double that of the tensile strength, highlighting the importance of surface texture in adhesion performance.

The age of the mortar is also a crucial factor. Tests were conducted at 7 and 28 days to evaluate the development of adhesion strength over time. At 7 days, the adhesion strength was relatively low due to the ongoing hydration process and incomplete development of the mortar's mechanical properties. However, at 28 days, the adhesion strength increased significantly as the mortar achieved higher levels of hydration and improved mechanical properties. This underscores the importance of allowing adequate curing time in practical applications to ensure the longevity and effectiveness of reinforced structures.

Surface roughness is a determining factor in adhesion strength. We measured roughness using the Joint Roughness Coefficient (JRC) and the arithmetic mean deviation (Ra) to quantify its impact. It was found that rougher surfaces facilitated better mechanical interlocking, improving adhesion strength. This finding highlights the importance of surface preparation in rehabilitation applications, where increasing the substrate's roughness can significantly enhance adhesion performance.

The experiments revealed three typical modes of failure: adhesion disconnection, specimen fracture, and adhesion material fracture. Adhesion disconnection occurred when the adhesion strength was weaker than the individual strengths of the mortar and masonry, resulting in a clean separation at the interface without significant damage. Specimen fracture was mainly observed in samples with a fragile surface layer developed during mortar curing. Adhesion material fracture involved the rupture of the adhesion material itself, highlighting the impact of shear stress on adhesion integrity.

(Català) Aquesta tesi investiga el comportament de l'adhesió entre morter projectat i substrats d’obra de fàbrica, centrant-se en la influència de la resistència a la compressió, l'edat del morter i la rugositat de la superfície sobre la resistència de l'adhesió. A través d'experiments detallats i una anàlisi exhaustiva, es busca entendre millor aquests factors i el seu impacte en les tècniques de rehabilitació d'estructures d’obra de fàbrica. Els resultats d'aquesta investigació amplien el coneixement teòric sobre el comportament de l'adhesió entre morter i maçoneria, i proporcionen recomanacions pràctiques per millorar la durabilitat i efectivitat de les intervencions de retrofitting.

Els experiments es van realitzar en mostres amb diferents resistències a la compressió (15 MPa, 30 MPa i 45 MPa) per avaluar com aquests factors afecten la resistència a la tracció i al tall de l'adhesió. Es va observar que la resistència a la tracció de l'adhesió disminueix amb l'augment de la resistència a la compressió de l’obra de fàbrica a causa de la naturalesa fràgil dels materials d'alta resistència. En particular, l‘obra de fàbrica amb una resistència a la compressió de 15 MPa va mostrar una resistència a la tracció que varia entre 0,2 i 1 MPa, mentre que l’obra de fàbrica amb 40 MPa de resistència va mostrar valors concentrats entre 0 i 0,1 MPa. Aquest comportament es deu al fet que l’obra de fàbrica d'alta resistència tendeix a fallar de manera més abrupta, reduint la seva capacitat per mantenir adhesions sota tensió.

D'altra banda, la resistència al tall de l'adhesió va mostrar una correlació positiva amb la resistència a la compressió. Els substrats de major resistència a la compressió proporcionaven una major capacitat de tall a causa del millor encaix mecànic facilitat per la rugositat en la interfície. Els resultats experimentals van demostrar que la resistència al tall de l'adhesió era gairebé el doble que la resistència a la tracció, subratllant la importància de la textura superficial en el rendiment de l'adhesió.

L'edat del morter també és un factor crucial. Es van realitzar proves als 7 dies i als 28 dies per avaluar el desenvolupament de la resistència de l'adhesió amb el temps. Als 7 dies, la resistència de l'adhesió era relativament baixa a causa del procés d'hidratació en curs i el desenvolupament incomplet de les propietats mecàniques del morter. No obstant això, als 28 dies, la resistència de l'adhesió va augmentar significativament a mesura que el morter assolïa nivells més alts d'hidratació i propietats mecàniques millorades. Això destaca la importància de permetre un temps de curat adequat en aplicacions pràctiques per assegurar la longevitat i efectivitat de les estructures reforçades.

La rugositat de la superfície és un factor determinant en la resistència de l'adhesió. Vam mesurar la rugositat utilitzant el Coeficient de Rugositat de la Junta (JRC) i la desviació mitjana aritmètica (Ra) per quantificar el seu impacte. Es va trobar que superfícies més rugoses facilitaven un millor encaix mecànic, millorant la resistència de l'adhesió. Aquesta troballa subratlla la importància de la preparació de la superfície en aplicacions de rehabilitació, on augmentar la rugositat del substrat pot millorar significativament el rendiment de l'adhesió.

Els experiments van revelar tres modes típics de fallada: desconnexió de l'adhesió, fractura de l'espècimen i fractura del material d'adhesió. La desconnexió de l'adhesió va ocórrer quan la resistència de l'adhesió era més dèbil que les resistències individuals del morter i l’obra de fàbrica, resultant en una separació neta en la interfície sense danys significatius. La fractura de l'espècimen es va observar principalment en mostres amb una capa superficial fràgil desenvolupada durant el curat del morter. La fractura del material d'adhesió va involucrar la ruptura del propi material d'adhesió, destacant l'impacte de l'esforç tallant sobre la integritat de l'adhesió.

(Español) Esta tesis investiga el comportamiento de la adhesión entre mortero proyectado y sustratos de obra de fábrica, centrándose en la influencia de la resistencia a la compresión, la edad del mortero y la rugosidad de la superficie sobre la resistencia de la adhesión. A través de experimentos detallados y un análisis exhaustivo, se busca entender mejor estos factores y su impacto en las técnicas de rehabilitación de estructuras de obra de fábrica.

Los experimentos se realizaron en muestras con diferentes resistencias a la compresión (15 MPa, 30 MPa y 45 MPa) para evaluar cómo estos factores afectan tanto la resistencia a la tracción como al corte de la adhesión. Se observó que la resistencia a la tracción de la adhesión disminuye con el aumento de la resistencia a la compresión de la obra de fábrica debido a la naturaleza frágil de los materiales de alta resistencia. En particular, la obra de fábrica con una resistencia a la compresión de 15 MPa mostró una resistencia a la tracción que varía entre 0,2 y 1 MPa, mientras que la obra de fábrica con 40 MPa de resistencia mostró valores concentrados entre 0 y 0,1 MPa. Este comportamiento se debe a que la obra de fábrica de alta resistencia tiende a fallar de manera más abrupta, reduciendo su capacidad para mantener adhesiones bajo tensión.

Por otro lado, la resistencia al corte de la adhesión mostró una correlación positiva con la resistencia a la compresión. Los sustratos de mayor resistencia a la compresión proporcionaban una mayor capacidad de corte debido a un mejor encaje mecánico facilitado por la rugosidad en la interfaz. Los resultados experimentales demostraron que la resistencia al corte de la adhesión era casi el doble que la resistencia a la tracción, subrayando la importancia de la textura superficial en el rendimiento de la adhesión.

La edad del mortero también es un factor crucial. Se realizaron pruebas a los 7 días y a los 28 días para evaluar el desarrollo de la resistencia de la adhesión con el tiempo. A los 7 días, la resistencia de la adhesión era relativamente baja debido al proceso de hidratación en curso y al desarrollo incompleto de las propiedades mecánicas del mortero. Sin embargo, a los 28 días, la resistencia de la adhesión aumentó significativamente a medida que el mortero alcanzaba niveles más altos de hidratación y mejores propiedades mecánicas. Esto destaca la importancia de permitir un tiempo de curado adecuado en aplicaciones prácticas para asegurar la longevidad y efectividad de las estructuras reforzadas.

La rugosidad de la superficie es un factor determinante en la resistencia de la adhesión. Medimos la rugosidad utilizando el Coeficiente de Rugosidad de la Junta (JRC) y la desviación media aritmética (Ra) para cuantificar su impacto. Se encontró que las superficies más rugosas facilitaban un mejor encaje mecánico, mejorando la resistencia de la adhesión. Este hallazgo subraya la importancia de la preparación de la superficie en aplicaciones de rehabilitación, donde aumentar la rugosidad del sustrato puede mejorar significativamente el rendimiento de la adhesión.

Los experimentos revelaron tres modos típicos de falla: desconexión de la adhesión, fractura del espécimen y fractura del material de adhesión. La desconexión de la adhesión ocurrió cuando la resistencia de la adhesión era más débil que las resistencias individuales del mortero y la obra de fábrica, resultando en una separación limpia en la interfaz sin daños significativos. La fractura del espécimen se observó principalmente en muestras con una capa superficial frágil desarrollada durante el curado del mortero. La fractura del material de adhesión involucró la ruptura del propio material de adhesión, destacando el impacto del esfuerzo cortante sobre la integridad de la adhesión.