Characterization of the structural performance of strain-hardening fiber reinforced cementitious composites

Abstract

H συνεχόμενη επέκταση του δομημένου περιβάλλοντος και η υιοθέτηση δυτικών προτύπων στον “αναπτυσσόμενο” κόσμο δημιουργούν νέα ζητήματα και ανάγκες σχετικά με την βιωσιμότητα του σκυροδέματος. Οι πρόσφατες εξελίξεις στο βιώσιμο και οικολογικά φιλικό δομικό σχεδιασμό έχουν οδηγήσει στην ανάγκη μείωσης των υλικών λατόμευσης (αδρανή), της περιεκτικότητας σε νερό του σκυροδέματος και του τσιμέντου στο οποίο οφείλονται οι εκπομπές CO2, και την αντικατάστασή τους με ανακυκλωμένα υλικά ή βιομηχανικά παραπροϊόντα. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες προσπάθειες για την αειφόρο ανάπτυξη του σκυροδέματος είναι η χρήση της ιπτάμενης τέφρας (ΙΤ), ένα παραπροϊόν της βιομηχανίας ενέργειας που διαφορετικά καταλήγει σε χώρους απορριμμάτων δημιουργώντας πολλά περιβαλλοντικά προβλήματα. Όταν χρησιμοποιείται ως μερική αντικατάσταση του τσιμέντου (συνήθως 10-20%), η ΙΤ λειτουργεί ως ποζολάνη ενισχύοντας την ανθεκτικότητα και την αντοχή του σκυροδέματος σε βάθος χρόνου. Στην παρούσα μελέτη η χρήση της ΙΤ πραγματοποιείται σε ασυνήθιστα υψηλά επίπεδα αντικατάστασης του τσιμέντου της τάξης του 60%. Τα χονδρόκοκκα αδρανή εξαλείφονται και το τσιμεντοειδές υλικό που προκύπτει είναι ενισχυμένο με συνθετικές ίνες που ενισχύουν την αντοχή σε συρρίκνωση και εφελκυσμό, όπως επίσης και την ικανότητα παραμόρφωσης. Το αποτέλεσμα είναι ένα πραγματικά καινοτόμο τσιμεντοειδές υλικό με εντυπωσιακή ολκιμότητα σε εφελκυσμό, που διατηρεί την εφελκυστική του αντοχή σε τιμές παραμορφώσεων μέχρι και 200 φορές μεγαλύτερες από την ικανότητα παραμόρφωσης του κανονικού σκυροδέματος. Με σχετική επικάλυψη των ινών ελέγχεται η συνεργασία των ινών με την τσιμεντούχα μήτρα, βελτιώνοντας έτσι αποτελεσματικά και την ικανότητα παραμόρφωσης του υλικού και τον τρόπο αστοχίας του σκυροδέματος. Η διαθεσιμότητα αυτών των νέων τσιμεντοειδών υλικών με ολκιμότητα σε εφελκυσμό είναι μια ευκαιρία για την ανάπτυξη εναλλακτικού σχεδιασμού των κατασκευών σκυροδέματος που θα εκμεταλλεύεται την αυτογενή περίσφιξη που παρέχεται από τις ίνες επιτρέποντας σημαντική οικονομία στην χρήση των εγκάρσιων οπλισμών χάλυβα, για πιο ανθεκτικές και βιώσιμες κατασκευές. Ωστόσο, προκειμένου να ενσωματωθούν στους σύγχρονους κανονισμούς υπάρχει μεγάλη ανάγκη για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων αυτών των νέων τύπων σύνθετων υλικών. Στην παρούσα διατριβή, η οποία περιλαμβάνει αναλυτική και πειραματική διερεύνηση, η έμφαση δίνεται στο χαρακτηρισμό της συμπεριφοράς αυτών των τύπων σύνθετων υλικών υπό εφελκυσμό, θλίψη, κάμψη, διάτμηση, συνάφεια ράβδων χάλυβα αγκυρωμένων σε μήτρες όλκιμων τσιμεντοειδών υλικών καθώς επίσης και δομικών μελών που υπόκεινται σε ανακυκλιζόμενη ένταση. Προτείνονται βαθμονομημένες πειραματικές μέθοδοι χαρακτηρισμού αντοχής / ικανότητας παραμόρφωσης και κατάλληλα συσχετισμένα προσομοιώματα της μηχανικής συμπεριφοράς του υλικού προκειμένου να υποστηρίξουν συστάσεις σχεδιασμού για δομικά μέλη που υποβάλλονται σε πολύπλοκες εντατικές καταστάσεις. Τα πειραματικά αποτελέσματα χρησιμοποιούνται επίσης για τη βαθμονόμηση των παραμέτρων που χρειάζονται για μη γραμμική προσομοίωση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων δομικών μελών που κατασκευάζονται από όλκιμα τσιμεντοειδή σύνθετα μείγματα. Από τις δοκιμές φαίνεται ότι σε περιπτώσεις όπου η ρηγμάτωση πραγματοποιείται με σχηματισμό ενός μεγάλου δικτύου λεπτών ρωγμών (δηλ. κατανεμημένης μη-γραμμικότητας), το υλικό επιδεικνύει γενικά ανώτερη συμπεριφορά. Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι είναι εφικτή η κατασκευή μιας νέας γενιάς τσιμεντοειδών υλικών, όπου η αντοχή εφελκυσμού και η ικανότητα παραμόρφωσης είναι τόσο υψηλές ώστε να παρέχουν ένα εντελώς διαφορετικό πλαίσιο για τη διαμόρφωση της μηχανικής συμπεριφοράς του σκυροδέματος και επακολούθως των λεπτομερειών όπλισης. Επιπρόσθετα η βελτιωμένη απόδοση μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερες διαστάσεις δομικών μελών, μείωση της ποσότητας χάλυβα οπλισμού ιδιαίτερα για την περίπτωση της διάτμησης και περίσφιξης, διευκολύνοντας έτσι τις κατασκευαστικές και ενεργειακές απαιτήσεις.

With the increasing development of the built environment and the trend in the developing world towards a consumer-driven lifestyle, the question of concrete’s sustainability gains a new perspective. The recent developments in sustainable and ecologically friendly design of structures has led to the need for reducing materials extracted from the earth (aggregates), water content of concrete and cement that produces CO2, and replacing them with recycled materials or industrial byproducts. One of the most promising attempts for the sustainable development of concrete is the use of fly ash (FA), a byproduct of the energy industry that otherwise ends up in wastelands creating lots of environmental problems; when used as partial cement replacement (usually 10-20%), FA functions as a pozzolan enhancing the durability and long term strength of the end product. In the present study the use of FA is taken to unusual levels of cement replacement in the range of 60%. Coarse aggregate is eliminated and the resulting cementitious material is reinforced with synthetic fine-diameter fibers to enhance shrinkage and tensile strength and deformation capacity. The result is a truly innovative cementitious material with impressive ductility in tension, which sustains its tensile strength up to strains that are 200 times greater than the cracking strain of normal concrete; through pertinent coating of the fibers the compliance of their bond-slip behavior in the cementitious matrix is controlled thereby effectively controlling the deformation capacity and mode of failure. The availability of novel cementitious materials with ductility in tension is an opportunity for the development of alternative designs of concrete structures that take advantage of the autogenous confinement provided by the fibers enabling significant economy in the use of transverse steel reinforcement, for more durable and sustainable structures. However, in order to incorporate these materials in modern codes there is an outstanding need to determine the properties of these new types of composites. In the present thesis, which includes both analytical and experimental components, the focus is placed on the characterization of the behavior of these types of composites under tension, compression, flexure, shear, as well as of the bond mechanism of steel bars embedded in strain hardening structural members and their response under reversed cyclic loading. A number of test procedures and strength / deformation capacity models are proposed through calibration with experimental results in order to support design recommendations for structural members subjected to complex states of stress. The experimental results are also used to calibrate the parameters for advanced nonlinear finite element modeling of structural components made of strain-hardening cementitious composites. From the tests it was seen that in cases where cracking behavior was marked by the formation of a large network of fine cracks (i.e., distributed nonlinearity), a superior overall material toughness was obtained. These findings suggest that a whole new generation of cement based materials is possible, where tensile strength and strain capacities are so high that they provide a totally different context for the formulation of concrete mechanics and consequent reinforcement detailing. Additionally this improved performance can lead to more slender member dimensions, reduced amounts of steel reinforcement particularly for shear and confinement, easing construction effort and energy requirements.