Mechanical and durabiliry properties of environmentally friendly Ultra-High-Performance Concrete (UHPC)

International audienceThis paper deals with mechanical and durability performances of more sustainable Ultra-High Performance Concrete (UHPC) by integrating high volumes of Blast Furnace Slag (BFS). Three substitution rates of cement by slag are explored (30%, 50% and 80%). Results show that a slag content of 30% improves slightly the compressive strength of concrete, whereas the strength of UHPCs containing 50% and 80% of slag are significantly reduced, particularly at early age. At 3 days, when the slag content increases, the porosity of UHPC mixtures with high slag content increases. In contrast, at 90 days, the volume of capillary pores decreases greatly and the global pores network becomes finer, when cement is substituted by BFS. This, results in decreasing gas permeability (1.5-6 times) and chloride diffusion (up 4 times). Results show also that all tested UHPCs have quite the same CO2 depth, after an exposure of 1 year. Indeed, the decrease of porosity, when BFS is added, is balanced by the decrease of pH, which promotes CO2 diffusion.Le présent article traite des performances mécaniques et de durabilité d'un Béton Ultra-Haute Performance (BUHP) plus durable, avec des teneurs en laitier élevées. Trois taux de substitution du ciment par des laitiers des hauts fourneaux (LHF) sont explorés (30%, 50% et 80%). Les résultats montrent qu'une teneur de 30% de laitier améliore légèrement la résistance à la compression, alors qu'avec 50% et 80% de LHF, la résistance à la compression chute significativement. A 3 jours, lorsque la teneur en LHF augmente, la porosité du béton augmente. A 90 jours, la réaction des LHF induit une diminution de la porosité capillaire et le réseau poreux devient plus fin. Ainsi, la perméabilité au gaz et la diffusion des ions chlore diminuent significativement. Les résultats montrent aussi que tous les bétons testés ont une profondeur de carbonatation similaire, après une année d'exposition au CO2. En effet, la diminution de la porosité, due à l'ajout des LHF est équilibrée par la diminution du pH, qui favorise la diffusion de CO 2

Approche d'homogénéisation des matériaux à microstructures complexes: Cas des bétons recyclés

Dans ce travail, nous revisitons dans un premier temps le problème d'Eshelby ([1]) pour des inhomogénéités composites de type ""motif morphologique représentatif"" ([2]). Le cas des inhomogénéités composites ou non ellipsoïdales a été déjà traité sous forme analytique pour des motifs à sphères concentriques ([3]), sous forme semi-analytique pour des motifs à ellipsoides confocaux ([4]) ou encore sous forme numérique pour des cas plus complexes ([2],[5]). Pour ce dernier cas, nous proposons un modèle numérique qui, moyennant une reformulation de la condition aux limites, permet de résoudre le problème de l'inhomogénéité avec un coût de calcul moindre que les méthodes classiques de résolution numérique du problème d'Eshelby sur un domaine supposé très grand. Dans un second temps, nous présentons une approche d'estimation des propriétés mécaniques effectives des milieux hétérogènes dans le cadre des motifs morphologiques composites complexes, cadre dans lequel, à défaut d'une solution analytique, le recours à une résolution numérique par éléments finis s'avère indispensable. Pour ce faire, le modèle éléments finis établi dans un premier temps a été couplé à un code d'homogénéisation pour rendre compte des propriétés mécaniques macroscopiques des matériaux à microstructures complexes comme les bétons recyclés ([6]) dont l'approche micromécanique conduit au problème de l'inhomogénéité composite. En application aux bétons recyclés justement, les propriétés mécaniques effectives de ces matériaux ont été déduites à partir des informations recueillies sur leurs microstructures grâce notamment à la nanoindentation (nature et propriétés mécaniques des granulats, des ITZ, du vieux mortier,...). L'effet des paramètres comme la fraction volumique des granulats recyclés ou de celui du vieux mortier dans le granulat recyclé sur les propriétés macroscopiques ont été aussi évalués. Enfin une confrontation avec les résultats expérimentaux est présentée en vue d'une validation du modèle. Bétons recyclés: bétons à base de granulats recyclés. Références [1] J. D, Eshelby. The Determination of the Elastic Field of an Ellipsoidal Inclusion, and Related Problems. Proc. R. Ser. A241 (A), 376-396. (1957). [2] André Zaoui. Structural Morphology and Constitutive Behaviour of Microheterogeneous Materials. BookTitle : Continuum Micromechanics. Editor : P. Suquet. Springer(1997). [3] Eveline Herve and Andre Zaoui. n-Layered inclusion-based micromechanical modelling.International Journal of Engineering Science (31) 1-10. (1993). [4] H.L.Duan and J. Wang and Z.P. Huang and Y.Zhong. Stress fields of a spheroidal inhomogeneity with an interphase in an infinite medium under remote loading. Proc. R. Soc. A (461) 1055-1080 (2005). [5] Fengjuan Chen and Igor Sevostianov and Albert Giraud and Dragan Grgic. Evaluation of the effective elastic and conductive properties of a material containing concave pores. Int. Jour. of Eng. Science (97) 60-68 (2015). [6] Paula Folino and Hernãn Xarguay. Recycled aggregate concrete-Mechanical behavior under uniaxial and triaxial compression. Construction and Building Materials (56) 21-31. (2014). Approche d'homogénéisation des matériaux à microstructures complexes: Cas des bétons recyclé

Interaction Endommagement/ transfert dans les bétons saturés et partiellement saturés

International audienceIn this research work, we focus on coupling transfer parameters in saturated and unsaturated conditions, to mechanical solicitations. A new experimental set up has developed to apply drying/ wetting cycles in regulated environmental conditions. Results show that transfer parameters increase when solicitation increases. A critical deformation was noted, for rapid increasing of gas permeability. In unsaturated conditions, apparent diffusion coefficients of B45 and B45L, decreases by 30 and 10%, respectively, for applied loading of 55%.Dans ce travail nous nous intéressons à l'influence des sollicitations mécaniques sur les paramètres de transfert des bétons saturés et non saturés, notamment la perméabilité au gaz et la diffusion des ions chlore. Pour ce fait, un nouveau dispositif expérimental a été développé afin de soumettre des échantillons en béton à des cycles d'humidification/ séchage dans des conditions environnementales contrôlées. Nous avons observé que les paramètres de transfert ont tendance à augmenter avec l'augmentation des sollicitations mécaniques. Un seuil a été identifié pour l'accroissement rapide de la perméabilité. En conditions non saturés, et suite à l'application d'une charge de 55% de la charge limite, un effet compactage a été observé, se traduisant par une diminution de 30 et 10%, des coefficients de diffusion apparents des bétons B45 et B45L, respectivement

Impact of Tufa Stone Powder as a Partial Replacement of Aggregate on the Mechanical Performance and Durability of Repair Mortar

The rehabilitation and reconstruction works are usually performed with a view to conserving these landmarks and maintaining them culturally, architecturally and structurally. From this perspective, the mortars utilized in these repairs must be suitable, physiochemically and mechanically, to the ancient materials used in these buildings. Accordingly, it was proposed to evaluate tufa stone powder, a waste product of one of the most widely found stones in the Loire Valley in France, as an ingredient in repair-work mortar mixtures (M1, M2) through partially replacing the fine aggregate it contains with different amounts of this powder (37%, 42%) by weight of mix. Additionally, a third manufacturing mortar (M3) was utilized with both prepared mortars (M1, M2) for comparison with the tufa stone. The mechanical properties (including flexural, compressive and shear strengths, and ultrasonic pulse velocity) and the durability properties (total porosity, thermal dilation and conductivity, capillary absorption, and water and gas permeability) of the three mortars were examined in addition to those of the tufa stone. The results revealed that the prepared mortar, M2, (having lower binder content and a higher amount of substitution with tufa stone powder) has the lowest mechanical performance in comparison with the other mortars, indicating that this mortar is more supple and loose than the authentic tufa masonry. The thermal and durability properties are comparable to that of the tufa stone existent in ancient monuments. Consequently, the prepared mortar (M2) is the most appropriate mortar, for utilization in repairing old landmarks in the Loire Valley in France

Concrete based on recycled aggregates – Recycling and environmental analysis: A case study of paris’ region

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Effect of mechanical damage and wetting/drying cycles on chloride ingress in non-saturated concrete

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Transfert dans les bétons non saturés (influence des laitiers et de l'endommagement mécanique)

La durabilité des ouvrages en béton armé est liée à la pénétration d'agents agressifs, tels que les ions chlore, qui contribuent à la corrosion des armatures. Ces ions pénètrent via la porosité du béton lorsque celui-ci subit des cycles d'humidification-sèchage. Ce mouvement cyclique génère un transport couplé d'humidité et d'ions chlore et accélère les problèmes de durabilité, particulièrement pour les zones d'ouvrage soumises au marnage. La première partie du travail de thèse a consisté à développer un nouveau dispositif expérimental simulant l'action de la marée en créant des cycles d'humidification-séchage. Ce dispositif nous a permis de travailler de façon automatisée avec une ambiance à température et humidité contrôlées. Nous avons aussi développé une méthode d'essais originale exploitant la microanalyse électronique (EDS) afin de détecter la présence des ions chlore dans les matrices cimentaires, dès leur jeune âge. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l'analyse des résultats d'une étude expérimentale multi-variables qui a permis d'évaluer l'influence des paramètres de composition (rapport Eau/Liant, laitier), des conditions environnementales (humidité relative, nombre de cycles) ainsi que de l'état d'endommagement sur les paramètres de transfert de différents types de bétons. Les résultats obtenus montrent que, le coefficient de diffusion diminue exponentiellement en fonction du temps, à partir du premier contact. La diminution de l'humidité relative du béton, augmente sa capacité d'absorption et donc la profondeur de pénétration des ions chlore. Cet effet est moindre pour le béton avec du laitier, présentant une faible porosité et une meilleure capacité de fixation, son coefficient de diffusion est plus faible. Nous avons aussi montré que l'évolution du coefficient de diffusion apparent en fonction de l'humidité relative suit une tendance logarithmique. Enfin, l'endommagement mécanique, par compression uniaxiale, augmente remarquablement la perméabilité au gaz et le coefficient de migration des bétons. Pour des taux de chargement entre 55 % et 85 % de la charge limite, l'endommagement ne modifie pas beaucoup les profils en chlorures des échantillons partiellement saturésIn marine environment, the durability of reinforced concrete is governed by agressive agents penetration, such as chlorides which contribute in steel corrosion. These ions pentrate through concrete porosity, when structure undergoes wetting-drying cycles. This cyclic movement generate coupled transport of humidity and chloride ions, which accelerates durability problems, particularly in tidal zone. The first part of this research work has consisted in developing new experimental setup to simulate tidal zone by applying wetting-drying cycles in controlled environmental conditions (temperature and humidity). We have also developed an original test method based on Energy Dispersive Spectrometry analysis, to determine chloride profiles in early age cement matrix. The second part of this work is devoted to the analysis of the results of a multi-variable experimental study carried out to evaluate the relative influence of the mix-parameters (Water-to-Binder ratio, slag), environmental conditions, (relative humidity, cycles-number) and the state of damage on transfer parameters and properties of different concretes. The results obtained show that, the diffusion coefficient decreases versus time. The decrease of the relative humidity of concrete increases its absorption capacity and the chloride penetration. This effect is lower on slag-concrete, which has lower porosity, its diffusion coefficient is less important. We have also observed that the apparent diffusion coefficient has a logarithmic evolution versus relative humidity. Finally, mechanical damage increases significantly the gas permeability and the migration coefficients of concretes. This effect is lower on chloride profiles of partially saturated concretes, for applied loading of 55% to 85%NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocSudocFranceF

Etude de paramètres de durabilité de bétons légers à base de déchets de mousse de polyuréthane rigide

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Effect of slag on transfer parameters and chloride binding isotherms of concrete

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Valorization of coarse rigid polyurethan foam waste in lightweight aggregate concrete

International audienceThis study examines the mechanical properties and the durability parameters of lightweight aggregate concretes (LWAC) incorporating rigid polyurethane (PUR) foam waste as coarse aggregates (8/20 mm). The influence of both the increasing incorporation of FUR foam waste and the presence of superplasticizer on the workability, bulk density, mass loss, drying shrinkage, compressive strength, dynamic modulus of elasticity, total porosity, gas permeability and chloride diffusion coefficient of the different concretes, has been investigated and analyzed. The results showed that the use of FUR foam waste enabled to reduce by 29-36% the dry density of concrete compared to that of the normal weight concrete (made without foam waste). The reduction of density was due to the increase of total porosity in the lightweight concretes, which also induced higher gas permeability and chloride diffusion coefficient. These negative effects on durability of concrete were lowered by improving the characteristics of the cementitious matrix. The mechanical properties of the LWAC ranged between 8 and 16 MPa for the compressive strength and between 10 and 15 GPa for the dynamic modulus of elasticity; the concrete mixture with the higher performances almost satisfied the mechanical and density criteria of structural lightweight concrete. These results consolidate the idea of the use of PUR foam waste for the manufacture of lightweight aggregate concretes