Strengthening masonry vaults with organic and inorganic composites: An experimental approach

Abstract

Polymer-reinforced fibers are now commonly applied to buildings for structural retrofitting purposes. These materials add greater tensile strength to structures, at the expense of a slight increase in weight. However, they also have other disadvantages such as brittle behavior and lack of water vapor permeability, which are not desired in the conservation of heritage buildings.Alternative composite materials embedded in an inorganic matrix are presented, which solve some of the drawbacks associated with organic matrices. Long steel fibers and basalt textiles are applied to the resistant core of the inorganic matrix to produce a steel-basalt reinforced mortar-based composite. Firstly, a mechanical characterization of the individual components and the resulting material was performed. Secondly, non-strengthened and strengthened real-scale (2.98. m span, 1.46. m high and 0.77. m deep) brick masonry vaults were tested up to failure, in order to demonstrate the mechanical effectiveness of these composite materials. Finally, a comparison between two mortar composite materials (steel-strips/basalt-textiles embedded in a polymer matrix) was performed, with the same real-scale brick-vault failure tests.The experimental campaign demonstrates that the steel/basalt composite mortar is a feasible alternative, which is physically compatible with masonry structures, easy to apply, and effective for the reinforcement of brick vaults.

Actualmente, los polímeros reforzados con fibras se aplican comúnmente a los edificios en trabajos de refuerzo estructural. Estos materiales añaden mayor resistencia a la tracción a los elementos estructurales, a expensas de un ligero aumento de peso. Sin embargo, también presentan otros inconvenientes como el comportamiento frágil y la falta de permeabilidad al vapor de agua, que son efectos no deseados en la conservación de edificios patrimoniales. En este trabajo se presentan materiales compuestos alternativos embebidos en una matriz inorgánica, que solucionan algunos de los inconvenientes asociados a las matrices orgánicas. Se aplican fibras largas de acero y tejidos de basalto al núcleo resistente de la matriz inorgánica para producir un compuesto a base de mortero reforzado con acero y basalto. En primer lugar se realizó una caracterización mecánica de los componentes individuales y del material compuesto resultante. En segundo lugar, se ensayaron hasta la rotura bóvedas de fábrica de ladrillo a escala real (2,98 m de luz, 1,46 m de alto y 0,77 m de fondo) reforzadas y no reforzadas, para demostrar la eficacia mecánica de estos materiales compuestos. Finalmente, se realizó una comparación entre dos materiales compuestos de mortero (fibras largas de acero/tejidos de basalto embebidos en una matriz polimérica), con los mismos ensayos con matriz inorgánica. La campaña experimental demuestra que el mortero compuesto de acero/basalto es una alternativa factible, físicamente compatible con estructuras de mampostería, de fácil aplicación y efectiva para el refuerzo de bóvedas de ladrillo.