Long-term durability and FBG-based monitoring of fibre-reinforced composites for the strengthening of civil structures

This doctoral thesis investigates the long-term durability of Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) composites and the feasibility of integrating Fibre Bragg Grating (FBG) optical sensors into mortar-based reinforcement systems for structural health monitoring (SHM). The research addresses two critical gaps in current knowledge: the limited understanding of degradation mechanisms affecting inorganic-matrix composites under aggressive environmental conditions, and the absence of standardized, reliable methodologies for monitoring the in-service behaviour of FRCM and CRM strengthening systems. The first part of the work examines the environmental durability of FRCM composites reinforced with basalt, glass, and carbon fibres. An extensive experimental programme was carried out to assess the mechanical retention of single yarns, dry textiles, and FRCM coupons subjected to artificial ageing in distilled water, alkaline solutions, and elevated-temperature environments for different exposure durations (up to 9000 hours). Tensile tests revealed significant differences in durability depending on the fibre type and the environmental condition. Basalt fibres exhibited marked vulnerability to alkaline attack and thermal exposure, leading to substantial reductions in tensile strength for both yarns and composites. Glass-based systems showed moderate degradation, with the mortar matrix providing partial protection to the embedded fibres depending on temperature. In contrast, carbon-reinforced systems demonstrated excellent stability under all ageing conditions, confirming the intrinsic chemical inertness of carbon fibres and their potential suitability for long-term structural applications. Overall, the results establish a clear hierarchy in environmental resistance among the investigated fibres and provide insight into the role of the matrix in mitigating fibre degradation. The second part of the thesis focuses on the development and validation of an integrated reinforcement–monitoring system based on CRM composites instrumented with embedded FBG sensors. The sensors were applied to glass-fibre meshes and GFRP connectors using epoxy adhesives and were subsequently incorporated into inorganic mortars. Experimental tests, including direct tensile tests on mesh bundles and CRM coupons, single-lap shear bond tests, and pull-out tests on GFRP connectors, were performed to compare FBG strain measurements with those obtained from traditional instrumentation (LVDTs, extensometers) and Digital Image Correlation (DIC). Results show that FBG sensors accurately capture the characteristic stages of mechanical behaviour until failure of the system, including strain localisation associated with crack initiation and propagation. The findings of this research contribute to advancing the understanding of durability mechanisms in inorganic-matrix composite reinforcements and demonstrate the feasibility of integrating fibre optic sensing technologies within strengthening systems. In particular, the embedded FBG sensors proved capable of monitoring internal strain fields directly within the reinforcement layer, enabling the measurement of deformations occurring along the textile that cannot be captured using conventional monitoring systems such as LVDTs, strain gauges, or external optical techniques. This capability provides a unique opportunity to investigate the internal mechanical behaviour of FRCM and CRM reinforcements, offering high-resolution information on strain distribution, crack development, and load transfer mechanisms within the composite system. The combined investigation of durability performance and embedded monitoring therefore represents a step towards the development of durable and self-monitoring composite reinforcements, while also opening new experimental perspectives for studying the mechanical behaviour of these systems, supporting future research on full-scale structural applications and coupled durability–monitoring assessments, and ultimately contributing to improved design strategies and long-term management of strengthened civil infrastructure.

La presente tesi di dottorato analizza la durabilità a lungo termine dei materiali compositi a matrice inorganica (FRCM) e la possibilità di integrare sensori ottici a reticolo di Bragg (FBG) all’interno di sistemi di rinforzo in materiale composito a matrice inorganica per il monitoraggio strutturale (SHM). Il lavoro affronta due carenze principali della letteratura scientifica: la limitata conoscenza dei meccanismi di degrado che influenzano i compositi a matrice inorganica in ambienti aggressivi e l’assenza di metodologie standardizzate e affidabili per il monitoraggio in esercizio dei sistemi di rinforzo FRCM e CRM. La prima parte della ricerca riguarda la durabilità ambientale di sistemi FRCM rinforzati con fibre di basalto, vetro e carbonio. È stato condotto un ampio programma sperimentale volto a valutare la conservazione delle proprietà meccaniche di filati singoli, tessuti secchi e coupon FRCM sottoposti a invecchiamento artificiale in acqua distillata, soluzioni alcaline e ambienti ad alta temperatura, per differenti durate di esposizione (fino a 9000 ore). Le prove di trazione hanno evidenziato comportamenti molto differenti in funzione del tipo di fibra e della condizione ambientale. Le fibre di basalto hanno mostrato una marcata vulnerabilità agli ambienti alcalini e alle alte temperature, con significative riduzioni di resistenza sia nei filati che nei compositi. I sistemi a base di vetro hanno evidenziato degradazioni moderate, con la matrice che fornisce una protezione parziale alle fibre in funzione della temperatura. Al contrario, i sistemi rinforzati con fibre di carbonio hanno mantenuto ottime prestazioni in tutte le condizioni di invecchiamento, confermando l’elevata inerzia chimica del carbonio e la sua idoneità per applicazioni strutturali a lungo termine. La seconda parte della tesi è dedicata allo sviluppo e alla validazione di un sistema integrato di rinforzo-monitoraggio basato su compositi CRM strumentati con sensori FBG incorporati. I sensori sono stati applicati a reti in vetro e connettori in GFRP mediante adesivi epossidici e successivamente inglobati in malte inorganiche. Sono state condotte prove sperimentali, tra cui prove di trazione su bundle di rete e su coupon CRM, prove di aderenza single-lap shear sui rinforzi applicati al supporto in muratura e prove di pull-out su connettori GFRP, confrontando le misure di deformazione e tensione ottenute dai sensori con quelle ricavate da strumentazione tradizionale (LVDT) e da Digital Image Correlation (DIC). I risultati mostrano che i sensori FBG sono in grado di registrare in modo accurato le diverse fasi del comportamento meccanico a rottura del sistema, compresa la localizzazione delle deformazioni associata alla formazione e propagazione delle fessure. Nel complesso, i risultati evidenziano l’importanza della scelta della fibra per garantire la durabilità dei sistemi FRCM e dimostrano la fattibilità dell’integrazione di sensori FBG in matrici inorganiche per un monitoraggio in tempo reale. Il lavoro fornisce indicazioni utili per la progettazione di rinforzi “smart” e durevoli e apre la strada a futuri studi su elementi strutturali in scala reale e sulla valutazione congiunta dei fenomeni di durabilità e monitoraggio.