Non-linear analytical model for FRCM coupons in tension

Externally bonded FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix) materials are nowadays quite diffused to reinforce existing structures: taking as reference FRP (Fiber Reinforced Polymer), the replacement of an organic matrix with mortar is more compatible with masonry substrates, and the reversibility of the reinforcement is more appealing for the architectural heritage conservation. At the same time, due to the low strength of the mortar layers, complex failure mechanisms are observed for FRCMs, which still need comprehensive theoretical investigations. Indeed, not only the mortar-fiber interface may behave non-linearly, but also the mortar may crack and affect the overall behavior. The tensile test on coupons is commonly used as a direct approach to characterize the properties of the reinforcing package, and there is a wide consensus on approximating the global behavior with a trilinear law; however, the different test set-ups and the inhomogeneity of the material itself bring about large dispersion of the experimental results. This paper aims at proposing a simplified analytical model to consider the damage mechanisms in FRCM coupons in tension, including interface slippage, mortar cracking, and their simultaneous occurrence. The accuracy of the model is then verified by comparing the results with experimental data. The conditions under which such failure mechanisms occur and the effects of material properties are also investigated with a view to complement the understanding of experimental observations from a theoretical perspective

Innovative Structural Materials and Sections with Strain Hardening Cementitious Composites

abstract: The motivation of this work is based on development of new construction products with strain hardening cementitious composites (SHCC) geared towards sustainable residential applications. The proposed research has three main objectives: automation of existing manufacturing systems for SHCC laminates; multi-level characterization of mechanical properties of fiber, matrix, interface and composites phases using servo-hydraulic and digital image correlation techniques. Structural behavior of these systems were predicted using ductility based design procedures using classical laminate theory and structural mechanics. SHCC sections are made up of thin sections of matrix with Portland cement based binder and fine aggregates impregnating continuous one-dimensional fibers in individual or bundle form or two/three dimensional woven, bonded or knitted textiles. Traditional fiber reinforced concrete (FRC) use random dispersed chopped fibers in the matrix at a low volume fractions, typically 1-2% to avoid to avoid fiber agglomeration and balling. In conventional FRC, fracture localization occurs immediately after the first crack, resulting in only minor improvement in toughness and tensile strength. However in SHCC systems, distribution of cracking throughout the specimen is facilitated by the fiber bridging mechanism. Influence of material properties of yarn, composition, geometry and weave patterns of textile in the behavior of laminated SHCC skin composites were investigated. Contribution of the cementitious matrix in the early age and long-term performance of laminated composites was studied with supplementary cementitious materials such as fly ash, silica fume, and wollastonite. A closed form model with classical laminate theory and ply discount method, coupled with a damage evolution model was utilized to simulate the non-linear tensile response of these composite materials. A constitutive material model developed earlier in the group was utilized to characterize and correlate the behavior of these structural composites under uniaxial tension and flexural loading responses. Development and use of analytical models enables optimal design for application of these materials in structural applications. Another area of immediate focus is the development of new construction products from SHCC laminates such as angles, channels, hat sections, closed sections with optimized cross sections. Sandwich composites with stress skin-cellular core concept were also developed to utilize strength and ductility of fabric reinforced skin in addition to thickness, ductility, and thermal benefits of cellular core materials. The proposed structurally efficient and durable sections promise to compete with wood and light gage steel based sections for lightweight construction and panel applicationDissertation/ThesisDoctoral Dissertation Civil and Environmental Engineering 201

Développement des bétons nano-modifiés aux performances améliorées

In light of the well-established multi-scale nature of flaws in concrete, it follows that existing diverse attempts in fiber-reinforced concrete (FRC) technology-intended to mitigate the inherent tendency of concrete to cracking-remain relatively inefficient. This is majorly attributed to the fact that the large inter-fiber spacing in conventionally used macrofibers does not promote an effective bridging of multiscale cracks. As a result, increasing research and development are currently being invested to develop concretes incorporating nanoscale particles. Thus, nanoscale fibers emerged as a promising tool for manipulating concrete nanostructure towards a controlled macrobehavior necessary for enhanced overall performance. In this context, while carbon nanostructure (CNS) such as carbon nanofibers (CNF) and carbon nanotubes (CNT) have gained a relative popularity, it should be noted that eco-efficiency incentives would favor the currently emerging nanocellulose materials (NCM) extracted from cellulose-based systems, the most abundant and renewable resource on the planet. NCM have been demonstrated as a means to engineer superior composite properties necessary for versatile applications including optics, biomedical applications, and transparent electronics. The current study is aimed at disclosing the possibilities of re-engineering concrete properties using a new type of NCM, namely, cellulose filaments (CF) in order to achieve superior concrete performance necessary for specific applications. CF are cellulosic fibrils with a nanometric diameter (30–400 nm) and micrometric length (100–2000 µm), thereby exhibiting the highest aspect ratio (100–1000) among all currently available NCM. The study focuses on the influence of CF as a tool for nano-tailoring the properties of concrete in its three major states (fresh, hardening, and hardened). As a result, three applications in relation to the above concrete states were identified through intensive experimentation: (i) enhancing the properties of fresh concrete by using CF as a viscosity modifying admixture (VMA), (ii) enhancing the properties of hardening concrete by using CF as a shrinkage reducing admixture (SRA), and (iii) improving the performance of concrete at the hardened state by using CF as a nanoscale reinforcement. The study further aims at leveraging those different enhancements in concrete properties obtained with CF towards developing a new concrete formulation that optimizes the advantages of CF. The enhancement of concrete properties at fresh state was undertaken in the context of valorizing the hydrophilic and flexible nanoscale CF to function as a VMA in self-consolidating concrete (SCC) whereby the design of flowable (yet stable and robust) mixtures requires a delicate balance between flowability and stability. For this, CF were incorporated at concentrations ranging from 0.05 to 0.30% per weight of binder in cement pastes and SCC. CF were demonstrated as a valuable tool not only for rheology modification, but also to impart collateral positive effects on mechanical performance (strength enhancement of 12–26% in compression, splitting-tension, and flexure) when compared to commercially available VMA of Welan Gum type. CF were found to serve as a VMA due to the buildup of flexible nanoscale networks as demonstrated by a geometry-based percolation model as well as by microstructure investigations. Interestingly, this effect was found to be accompanied by a shear thinning effect attributable to the streamlining of flexible nanocellulose fibrils in the direction of flow under increasing shear rates, thereby potentially enhancing pumpability. The potential of CF to enhance the properties of hardening concrete was attempted in the context of exploiting the hydrophilic and hygroscopic characters of CF to mitigate autogenous shrinkage (AS) in ultra-high-performance concrete (UHPC). While s such, when UHPC formulation was adjusted to accommodate CF at rates of 0-0.30% per cement mass, and silica fume content was varied (from 15 to 25%), CF were found to be more beneficial in reducing AS at early-age with a reduction of up to 45% during the first 24 hours and 35% at 7 days. On the other hand, adjusting SF content from 25 to 15% had a negligible effect on AS at early-age (0–4% reduction at 1 day) but a higher effect at later-age (28% reduction at 7 days) attributable to the time-dependent pozzolanicity of silica fume. However, this alternative was found to have adverse effects on mechanical performance (32% lower flexural capacity). Finally, the potential of CF as a nanoscale reinforcement was investigated on cement pastes and on concrete. In the former, strength enhancement in engineering properties (compressive strength, flexural capacity, and elastic modulus) of up to 25% were achieved. In the latter, strength improvements of up to 16% (in compression), 34% (in splitting tension), 22% (in flexure), and 96% (in energy absorption) were obtained. To disclose the mechanisms underpinning the effect of CF on strength of cement systems, the above findings were supplemented by microstructure investigations, namely, degree of hydration and micromechanical properties (indentation modulus M, hardness H, and contact creep modulus C) of major microstructure phases using nanoindentation coupled with quantitative energy-dispersive spectroscopy (NI-QEDS). As a result, the improved macromechanical performance was found to sprout from a twofold microstructure change, i.e.: an increased degree of hydration and higher micromechanical properties of C-S-H gel matrix (~12–25%). To leverage the above different advantages offered by CF on cement and concrete composites, particularly the nanoreinforcing effect and the potential synergy between the nanoscale CF and macrofibers, a novel multi-scale fiber-reinforced strain-hardening cementitious composite (SHCC) was developed. The design of this SHCC followed a new approach that couples packing density optimization with micromechanical tailoring. Thus, high-volume ground-glass pozzolans (HVGP) were incorporated under the guidance of particle pacing optimization to replace fly ash (FA) commonly used in SHCC such that composite strength can be increased. The newly formulated SHCC was further improved in terms of ductility and strain-hardening capacity by the incorporation of CF whereby the latter was a useful tool to nanomodify SHCC matrix and interface properties towards enhanced strain-hardening behavior. In outcome, HVGP-SHCC formulations with GP replacement of fly ash of up to 100% were developed. The resulting formulations have self-consolidation ability (mini-slump dimeter in the range of 250 mm) and exhibited (at 28 days) 60-75 MPa compressive strength, 9-15 MPa flexural capacity, 3-6 MPa tensile strength, 2-5% tensile strain capacity, and a significantly increased electrical resistivity (up to 60% enhancement). Thus, the mechanical properties of the newly developed HVGP-SHCC exceed those reported in the commonly used high-volume fly ash (HVFA)-SHCC. Nevertheless, while the strength enhancement obtained with GP does not jeopardize composite ductility up to 40% GP content, a reduced ductility was noticed at GP>40%. As a result, CF were used to impart a nanoreinforcing effect to HVGP-SHCC as well as to nanomodify the interface properties of PVA fibers. In outcome, a twofold effect was obtained by nanomodifying SHCC with CF: (i) CF imparted higher elastic modulus to the bulk cementitious matrix (Em) thereby contributed to attenuating the crack tip toughness (J_tip=K_m^2/E_m) with Km being matrix fracture toughness, (ii) CF led to attenuating the excessive frictional bond encountered at higher GP content (densifying the matrix and increasing its strength, but limiting strain-hardening behavior) and imparted a characteristic slip-hardening effect (β) which contributed towards improving composite strain-hardening capacity and ductility. Thus, enhancement in ultimate strain-capacity above 200% as compared to systems without CF were obtained. Therefore, with the incorporation of CF, it was possible to produce SHCC with up to 100%GP replacement of FA while exhibiting higher strength and ductility. To scale-up the enhanced mechanical performance (particularly the high strength and ductility) demonstrated by the new SHCC, the latter was used as a topping to develop a novel type of composite deck slabs at full-scale (dimensions of up to 2400 × 900 mm). The composite deck slabs thus constructed are intended to benefit from the improved strength and ductility of nanomodified HVGP-SHCC topping such that better compatibility between the steel deck and its concrete topping can be obtained. This has the potential to increase the performance of composite deck slabs under shear bond failure, a major failure mode in composite deck slabs. Results indicated that, compared to composite deck slabs with a high-strength concrete topping having similar compressive strength as the nanomodified HVGP-SHCC, the slabs constructed with the SHCC exhibited up to 35 and 42% enhancement in ultimate load-carrying capacity and ductility, respectively. Furthermore, composite deck slabs with nanomodified HVGP-SHCC exhibited higher shear bond capacity. Considering theses results, it is perceivable that the newly developed SHCC (implemented from the material level at the nanoscale to the structural level at the macroscale) has benefited from a twofold ecoefficiency perspective. The first concerns the valorization of post-consumer recycled glass into the development of high-performance concrete, thereby contributing to relieve a significant socio-economical burden created by landfilling post-consumer glass. The second concerns exploiting the power of cellulose, the most abundant naturally occurring polymer on the planet, towards a biomimetic design of high-performance multiscale-reinforced cement composites necessary for sustainable and resilient concrete infrastructure systems.Compte tenu de la nature multi-échelle des défauts dans le béton, il s'ensuit que les diverses tentatives existantes en technologie de béton fibré (BF)-visant à atténuer la tendance intrinsèque du béton à la fissuration-demeurent toujours relativement inefficaces. Ceci est attribué non seulement au fait que le grand espacement interfibrillaire des macro-fibres (dans un BF) ne favorise pas un pontage efficace des fissures multi-échelles, mais aussi au fait que le phénomène de fissuration commence tout d’abord à l’échelle nanométrique. En conséquence, des travaux de recherche et de développement considérables ont été investis au cours de la dernière décennie pour développer des bétons incorporant des particules nanométriques. Ainsi, les nanofibres ont émergé comme un outil efficace permettant la manipulation du béton au niveau de sa nanostructure tel que celle-ci soit conçue de manière à contrôler le comportement du béton à l’échelle macroscopique pour obtenir des bétons à performances améliorées. Dans ce contexte, bien que les nanomatériaux à base de carbone tels que les nanofibres de carbone et les nanotubes de carbone ont acquis une popularité relative, certaines préoccupations reliées à leur coût actuel ainsi qu’à la santé humaine et environnementale favoriseraient plutôt les matériaux nano-cellulosiques. Ces derniers ont apparu récemment comme un enjeu permettant de conférer des propriétés composites améliorées nécessaires pour des applications aussi variées telles que les adhésifs, les nano-composites, et les électroniques transparentes. La présente étude vise à explorer les possibilités d’améliorer les propriétés du béton à l'aide d'un nouveau type de matériaux nano-cellulosiques, notamment, les filaments de cellulose (FC), afin d'obtenir des performances améliorées nécessaires pour des applications ciblées. Les FC sont des fibrilles cellulosiques de diamètre nanométrique (30 à 400 nm) et de longueur micrométrique (100 à 2000 µm), présentant ainsi le ratio d’aspect le plus élevé (100 à 1000) parmi tous les matériaux nano-cellulosiques actuellement disponibles. L'étude se concentre sur l'impact de FC comme un outil permettant d’améliorer les propriétés du béton dans ses trois principaux états (frais, durcissant et durci). En conséquence, trois applications en relation avec ces états du béton ont été identifiées grâce à un programme expérimental compréhensive: (i) amélioration des propriétés du béton frais en utilisant le FC comme agent modificateur de viscosité (VMA), (ii) amélioration des propriétés du béton durcissant en utilisant le FC comme un agent réducteur de retrait (iii) amélioration de la performance du béton à l'état durci en utilisant le FC comme un renforcement nanométrique pour conférer un pontage de fissures à l'échelle des hydrates. L'étude vise, en outre, à mettre en vigueur ces différentes améliorations (en propriétés du béton) apportées par l’utilisation de FC pour développer une nouvelle formulation de béton, ainsi optimisant les apports de FC. L’amélioration des propriétés du béton à l’état frais a été entamée dans le cadre de valoriser l’aspect hydrophile des FC, leur taille nanométrique et leur flexibilité afin de conférer un effet VMA dans les bétons autoplaçants (BAP) dont la formulation nécessite un équilibre délicat entre la fluidité et la stabilité. Dans ce contexte, les FC ont été incorporés à des concentrations de 0,05-0,30% en masse de liants dans des pâtes de ciment et des BAP. Les résultats démontrent que les FC peuvent servir d’un adjuvent VMA permettant non seulement d’améliorer la rhéologie, mais aussi de conférer des effets positifs collatéraux aux performances mécaniques (amélioration de 12–26% de la résistance en compression, traction brésilienne et flexion) par rapport aux bétons contenant de VMA conventionnels de type Welan Gum. L’effet VMA des FC est attribué à la formation des réseaux de fibrilles de FC nanométriques et flexibles permettant de percoler les particules cimentaires et accroitre la stabilité des mélanges tel que démontré à travers un modèle de percolation géométrique ainsi que par les études de la microstructure. A ce propos, Il est à noter que l’effet de VMA conféré par les FC est également accompagné d’un effet rhéofluidifiant attribuable à la tendance des FC flexibles à s’aligner dans la direction de l’écoulement du mélange sous un cisaillement croissant. La potentialité des FC d’améliorer les propriétés des bétons durcissant a été évaluée dans le contexte d’exploiter les caractères hydrophiles et hygroscopiques des FC pour atténuer le retrait endogène dans les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP). Ainsi, alors que les BFUP peuvent contenir jusqu’à 25% de fumée de silice (pour accroitre la compacité et maximiser la résistance mécanique), cette teneur élevée en fumée de silice rend la matrice vulnérable au retrait endogène. Cependant, la réduction de la teneur de la fumée de silice jusqu’à 15% résulte à une matrice moins vulnérable au retrait endogène, néanmoins présentant une faible résistance mécanique. Dans ce sens, l’incorporation des FC à des taux de 0-0,30% par masse de liant a permis produire des BFUP ayant 25% de fumée de silice et présentant une réduction en retrait endogène allant jusqu'à 45% et 35% au cours des premières 24 heures et 7 jours, respectivement. Enfin, la potentialité des FC en tant que renforcement nanométrique a été étudiée sur des pâtes de ciment et sur des bétons. Dans le premier cas, des propriétés mécaniques améliorées (résistance à la compression, résistance à la flexion et module d'élasticité) allant jusqu'à 25% ont été obtenues. Dans le deuxième cas, des améliorations de résistance allant jusqu'à 16% (en compression), 34% (en traction brésilienne), 22% (en flexion) et 96% (en ténacité) ont été obtenues. Pour identifier les mécanismes sous-jacents à l'effet des FC sur la résistance mécanique des composite cimentaires, les observations ci-dessus ont été supplémentées par des études de la microstructure, notamment le degré d'hydratation et les propriétés micromécaniques (dureté, module d'indentation, et le fluage par contact) de phases de microstructure en utilisant la méthode de Nanoindentation coupled with quantitative energy-dispersive spectroscopy (NI-QEDS). Ainsi, il a été constaté que les performances macro-mécaniques améliorées découlaient d’un double effet des FC sur la microstructure, à savoir : un degré d’hydratation augmenté (15%) et des propriétés micromécaniques supérieures dans la matrice de C-S-H (~ 12-25%). Pour une mise en valeur des différents apports de la nano-modification des composites cimentaires par l’incorporation des FC, en particulier l’effet nano-renforçant et la synergie entre les FC à l’échelle nanométrique et les macro-fibres, une nouvelle formulation d’un béton de haute performance de type béton écrouissant (Strain-hardening cementitious composites) a été développée. La conception de ce nouveau béton a suivi une nouvelle approche articulant l’optimisation de la compacité granulaire avec les modèles micromécaniques. Ainsi, la poudre de verre (PV) provenant du concassage des bouteilles de verre a été incorporée en remplacement de la cendre volante (CV) – souvent utilisée dans cette application – de manier à optimiser la compacité de la matrice pour améliorer la résistance mécanique. Pa la suite, les FC ont été introduits comme un renforcement nanométrique permettant d’obtenir un béton renforcé à multi-échelle. Les résultats démontrent que les FC ont permis de nano-renforcer la matrice ainsi que d’améliorer les propriétés d'interface entre la matrice et les macro-fibres d'alcool polyvinylique (PVA), permettant ainsi d'améliorer le comportement d'écrouissage. Ainsi, des bétons écrouissant contenant jusqu’à 100% de PV en remplacement de CV ont été développés. Les formulations obtenues ont un caractère autoplaçant (≈250 mm d’étalement) et présentent (à 28 jours) une résistance à la compression de 60-75 MPa, une capacité de flexion de 9-15 MPa, une résistance à la traction de 3-6 MPa, une capacité de contrainte en traction de 2-5% et une résistivité électrique améliorée. Les bétons formulés présentent, alors, des performances mécaniques supérieures à celles des bétons écrouissants contenant la CV. Néanmoins, bien que l’amélioration en résistance mécanique obtenue avec la PV ne compromette pas la ductilité du composite jusqu’à une teneur de 40% de PV, une ductilité réduite a été observée quand la teneur en PV dépasse 40%. Pour ce, le FC a été utilisé pour conférer un effet nano-renforçant ainsi que pour améliorer les propriétés d'interface entre la matrice et les macro-fibres. L’incorporation des FC a démontré un double effet sur le comportement des bétons écrouissants : (i) le module d'élasticité de la matrice plaine des bétons écrouissant est très important en présence des FC. Ceci a contribué à réduire la ténacité de la fissuration, (ii) les FC ont atténué la friction excessive – entre les macro-fibres et la matrice – rencontrée à des teneurs élevées en PV (limitant la ductilité du béton). Les FC ont aussi conféré un effet écrouissant à l’arrachement des macro-fibres de PVA permettant ainsi d’accroitre la capacité de contrainte en traction. Une amélioration en capacité de déformation et en ductilité au-delà de 200% par rapport aux bétons écrouissants sans FC a été obtenue. Ainsi, avec l’incorporation de FC, il était possible de produire des bétons écrouissant contenant jusqu’à 100% de PV en remplacement de CV tout en présentant des résistances mécaniques et ductilités plus importantes. Pour une mise à l’échelle des performances mécaniques améliorées (particulièrement la ductilité importante) démontées par la nouvelle formulation de béton écrouissant, cette dernière a était utilisée comme un surbéton pour développer un nouveau type de dalles composites à échelle réelle (allant jusqu’à 2400 × 900 mm). La nouvelle dalle composite est envisagée de bénéficier de la ductilité améliorée de son surbéton écrouissant de manière à accroitre la compatibilité structurale entre le tablier métallique et son surbéton. Ceci a pour but d’améliorer la résistance à la détérioration de l’adhésion d’interface tablier-béton, un des principaux types de ruptures des dalles composites. Les résultats indiquent que, comparément à des dalles composites construites de béton à haute performance ayant la même résistance en compression que le nouveau béton écrouissant, les dalles composites au béton écrouissant ont démontré une amélioration de 35 et 42% en capacité maximum de chargement et en ductilité, respectivement. De même, les dalles composites au béton écrouissant ont démontré une résistance plus élevée à la détérioration de l’adhésion d’interface tablier-béton, autrement dit, une amélioration à la capacité cisaillement-adhésion connue par shear-bond capacity. À cet égard, la nouvelle formulation du béton écrouissant développée dans le cadre cette étude (et implémentée de l’échelle nano/micro jusqu’à l’échelle structurale réelle) s’est vue bénéficiée de deux aspects liés à l’éco-efficacité. Le premier concerne la valorisation du verre recyclé dans un béton à haute performance, contribuant ainsi à alléger le fardeau socio-économique important créé par l’enfouissement de verre de post-consommation. Le deuxième concerne la mise en exergue de la cellulose-le polymère naturel le plus abondant et le plus renouvelable sur la planète-vers le développement de bétons à haute performance (renforcés à multi-échelle) nécessaires pour des infrastructures en béton plus performantes

MAT-731: MECHANICAL & DURABILITY PROPERTIES OF ENGINEERED CEMENTITIOUS COMPOSITES WITH DIFFERENT AGGREGATES

This paper presents the outcome of a study conducted to exhibit the effect of micro-silica sand and mortar sand on fresh, mechanical and durability properties of Engineered Cementitious Composites (ECCs). ECC is a ductile concrete characterized by strain hardening and multiple-cracking behavior under tension and shear. This study used locally available aggregates instead of standard micro-silica sand to produce cost-effective, sustainable and green ECC mixtures to be used for construction applications. ECCs prepared by both types of sands exhibited almost similar behaviour in terms of fresh, mechanical and durability properties which indicated the viability of producing ECC mixtures with mortar sand. In addition, the behaviour of a standard ECC can still be achieved when producing ECCs made of high volume fly ash (up to 70% cement replacement) along with local mortar sand. By employing results of this research, correlations were derived between mechanical and durability properties

Influence of fiber type and matrix composition on the tensile behavior of strain-hardening cement-based composites (SHCC) under impact loading

Strain-hardening cement-based composites (SHCC) are a special class of fiber-reinforced concrete which develop multiple, fine cracks when subjected to increasing tensile loading, reaching strain capacities of up to several percent. The tensile behavior of SHCC is a result of a purposeful material design accounting for the mechanical and physical properties of the cementitious matrix, of the reinforcing fibers and of their interaction. The exceptionally high energy dissipation through inelastic deformations before reaching tensile strength makes SHCC suitable for manufacturing or strengthening of structural elements which may be subjected to impact loading. However, the tensile behavior of SHCC is highly strain rate dependent, both in terms of tensile strength and strain capacity. The different strain rate sensitivities of the constitutive phases of SHCC (matrix, fiber and interfacial bond) lead to disproportionate dynamic alteration of their mechanical properties under increasing strain rates and, consequently, to an impairment of the micromechanical balance necessary for strain-hardening and multiple cracking. Thus, high energy dissipation under impact loading can only be ensured through a targeted material design. This work presents a series of mechanical experiments at different strain rates and different scales of investigation with the goal of developing a qualitative and quantitative basis for formulating material design recommendations for impact resistant SHCC. Three different types of SHCC were investigated, consisting of two types of polymer fibers (polyvinyl-alcohol and high-density polyethylene) and cementitious matrices (normal-strength and high-strength). Uniaxial tension experiments were performed on SHCC specimens and on non-reinforced matrix specimens with different testing setups at strain rates ranging from 10-4 to 150 s-1. Besides the measured mechanical properties, special attention was paid to the crack patterns and the condition of fracture surfaces. Additionally, micro-scale investigations were performed to quantify the strain rate dependent changes in the mechanical behavior of individual component phases, i.e., matrix, fibers and fiber-matrix bond. The results obtained from the micromechanical investigations were used in an analytical model for crack bridging. The model links the micromechanical parameters and their strain rate sensitivities to the single-crack opening behavior under increasing displacement rates, making it useful for material design purposes. If given an extensive experimental basis for the fracture mechanical properties of the non-reinforced cementitious matrices, the model can be extended for predicting the strain capacity (multiple cracking) of SHCC under different strain rates.Die hochduktilen Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) bilden eine besondere Klasse von Faserbetonen, die eine multiple Rissbildung unter zunehmenden Zugspannungen aufweisen, was zu einer sehr hohen Bruchdehnung führt. Das dehnungsverfestigende, hochduktile Zugverhalten der SHCC wird durch eine gezielte Materialentwicklung erreicht, die die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der zementgebundenen Matrizen, der Kurzfasern und deren Zusammenwirkung berücksichtigt. Das außergewöhnliche Energieabsorptionsvermögen der SHCC durch plastische Verformungen vor dem Erreichen der Zugfestigkeit qualifiziert diese Verbundwerkstoffe für die Herstellung oder Verstärkung von Bauteilen, die Impaktbeanspruchungen ausgesetzt sein könnten. Jedoch weisen SHCC sowohl bezüglich deren Zugfestigkeit als auch deren Dehnungskapazität ein ausgeprägtes dehnratenabhängiges Verhalten auf. Unter zunehmenden Dehnraten führen die unterschiedlichen Dehnratensensitivitäten der gestaltenden Phasen von SHCC (Matrix, Faser und deren Verbund) zur Beeinträchtigung des mikromechanischen Gleichgewichts, welches für die Dehnungsverfestigung und multiple Rissbildung erforderlich ist. Eine hohe Energiedissipation unter Impaktbeanspruchungen kann deshalb nur durch eine gezielte Materialentwicklung der SHCC hinsichtlich deren Verhaltens unter hohen Dehnraten gewährleistet werden. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Reihe von experimentellen Untersuchungen mit verschiedenen Dehnraten und an unterschiedlichen Betrachtungsebenen, mit dem Ziel eine qualitative und quantitative Basis für Empfehlungen zur Materialentwicklung von Impakt-resistenten SHCC zu schaffen. Drei verschiedene SHCC-Zusammensetzungen wurden untersucht. Die Referenz-Zusammensetzung aus einer normalfesten zementgebundenen Matrix und Polyvinyl-Alkohol-Kurzfasern wurde mit zwei unterschiedlichen SHCC verglichen (hochfest und normalfest), die mit Kurzfasern aus hochdichtem Polyethylen bewehrt wurden. Einaxiale Zugversuche wurden an SHCC-Proben und unbewehrten Matrix-Proben mit verschiedenen Prüfvorrichtungen bei Dehnraten von 10-4 bis 150 s-1 durchgeführt. Zusätzlich zu den gemessenen mechanischen Eigenschaften wurden die Rissbildung und die Bruchflächen detailliert untersucht. Darüber hinaus wurden mikromechanische Untersuchungen durchgeführt, um die Dehnratensensitivität der einzelnen Phasen, d.h. Matrix, Faser und deren Verbund zu beschreiben. Die aus den mikromechanischen Untersuchungen erzielten Ergebnisse wurden als Eingangswerte in einem analytischen Einzelriss-Modell verwendet. Das entwickelte Modell verbindet die mikromechanischen Parameter und deren Dehnratenabhängigkeit mit dem Rissöffnungsverhalten von SHCC bei zunehmenden Verschiebungsraten. Das macht es vorteilhaft für Materialentwicklungszwecke. Das Modell kann für die Vorhersage der Dehnungskapazität von SHCC bei diversen Dehnraten weiterentwickelt werden, wenn eine umfassende experimentelle Basis für die bruchmechanischen Eigenschaften der Matrizen vorliegt

Effect of recycled tyre polymer fibre on engineering properties of sustainable strain hardening geopolymer composites

Strain hardening geopolymer composite (SHGC) processing superior tensile ductility and multiple cracking is a promising alternative to traditional ductile cementitious composites whereas the extremely high cost of polyvinyl alcohol (PVA) fibres limits its large-scale application. This paper presents a feasibility study of replacing PVA fibres with recycled tyre polymer (RTP) fibres to reduce the material cost of fly ash-slag based SHGC and ease the pressure on environmental impact induced by the vast amount of waste tyres, focusing on the influences of PVA fibre content (1.0–2.0% by volume) and RTP fibre replacement dosage (0.25–1.0% by volume) on the engineering properties especially uniaxial tensile behaviour, microstructure, material cost and environmental impact. Results indicate that the incorporation of RTP fibres into SHGC can lessen the loss in flowability and compressive strength due to the addition of PVA fibres. The drying shrinkage of SHGC containing RTP fibres is effectively reduced by about 35.69% and 17.33% as compared with the plain matrix and SHGC containing 2.0% PVA fibre, respectively. Although the presence of more RTP fibres diminishes the uniaxial tensile behaviour of SHGC, the cost and embodied energy of SHGC utilising RTP fibres are reduced by up to 34.52% and 16.23%, respectively. SHGC with 1.75% PVA fibre and 0.25% RTP fibre can be considered as the optimal mixture as it provides adequate engineering properties including a tensile strain capacity of around 2.5%, lower material cost and lower environmental impact compared to the typical SHGC with 2.0% PVA fibre

Dynamic splitting tensile behaviour of engineered geopolymer composites with hybrid polyvinyl alcohol and recycled tyre polymer fibres

Partial replacement of the widely used polyvinyl alcohol (PVA) fibre in engineered geopolymer composites (EGC) with recycled fibres can reduce the material cost and improve sustainability. This study investigates the effect of hybrid PVA and recycled tyre polymer (RTP) fibre content on the quasi-static and dynamic splitting tensile behaviour and microstructure of ambient-cured fly ash-slag based EGC through split Hopkinson pressure bar, scanning electron microscopy and X-ray computed tomography tests. Results indicate that the presence of PVA or RTP fibres can considerably improve the quasi-static and dynamic splitting tensile behaviour of geopolymers. All investigated mixtures are characterised by remarkable strain rate sensitivity within the considered test range, which can be well described using the proposed relationship between dynamic increase factor and strain rate for predictions of dynamic properties. Replacing PVA fibre with 0.25–0.5% RTP fibre can lead to better dynamic splitting tensile properties of EGC compared to that with 2.0% PVA fibre, which can be mainly ascribed to the improved synergistic effect of hybrid fibres in controlling the cracks. The microscopic images reveal that the failure mode of RTP fibres is not sensitive to the strain rate due to its hydrophobic surface feature, which could benefit the energy absorption capacity of EGC under dynamic loading. EGC containing hybrid PVA and RTP fibres holds promise as a cost-effective and sustainable material for applications against dynamic loadings