Recycled steel fiber reinforced concrete for structural elements subjected to chloride attack: mechanical and durability performance

Tese de Doutoramento em Engenharia CivilAs fibras de aço recicladas (FAR) provenientes da indústria de reciclagem de pneus tem sido usadas com sucesso no betão para melhorar o seu comportamento pós-fendilhação e a sua capacidade de absorção de energia. Para elementos estruturais expostos em ambientes com cloretos, um dos aspetos mais importantes da durabilidade do Betão Reforçado com Fibras de Aço Recicladas (BRFAR) é a resistência à corrosão. No entanto, a durabilidade do BRFAR é quase inexistente, nomeadamente no que respeita aos efeitos do ataque de cloretos, o que limita a mobilização de todo o potencial do BRFAR. A presente tese tem como objetivo avaliar o comportamento mecânico e o desempenho de durabilidade do BRFAR sob ataque de cloretos, englobando investigação experimental e analítica/numérica, cujo conhecimento pode futuramente contribuir para regras de projeto e ferramentas de dimensionamento de estruturas em BRFAR. As atividades de investigação realizadas abrangeram duas principais áreas, a tecnologia de produção do BRFAR e a investigação da suscetibilidade à corrosão do BRFAR. Na primeira área, foi realizado um programa experimental para caracterizar as FAR, em termos de geometria, composição química, propriedades mecânicas e microestrutura. A influência dos detritos de borracha aderidos à superfície das FAR foi avaliada no desempenho das FAR como reforço do betão e na sua resistência à corrosão. Uma composição sustentável de BRFAR foi desenvolvida e avaliadas as suas propriedades mecânicas através de ensaios de flexão e de compressão. A segunda área incluiu um programa experimental para caracterizar a corrosão das FAR e investigar os seus efeitos nos mecanismos de reforço das fibras desenvolvidos durante o arrancamento da fibra do betão fendilhado previamente exposto a ambiente corrosivo. Adicionalmente, o comportamento pósfendilhação do BRFAR sob ataque de cloretos foi caracterizado através de ensaios de tração indireta e ensaios com placas redondas. Nestes ensaios, foi considerada a influência da abertura de fenda, do período de exposição em cloretos e do perfil de distribuição/orientação das fibras. Os resultados experimentais foram utilizados para realizar simulações numéricas por análise inversa de modo a derivar as leis constitutivas pós-fendilhação do BRFAR. Foi ainda estimada uma previsão simplificada do teor crítico de cloretos correspondente ao início da corrosão das fibras e do desempenho a longo prazo de um elemento estrutural de BRFAR exposto a um ambiente marítimo agressivo. Além disso, foram avaliados os benefícios técnicos, ambientais e económicos do uso do BRFAR desenvolvido para aplicação em elementos estruturais, ao nível do material e em comparação com Betão Reforçado com Fibras de Aço Industriais.Recycled Steel Fibers (RSF) derived from the tire recycling industry have been successfully used in concrete to improve its post-cracking load bearing capacity and energy absorption performance. For structural elements exposed to chloride environments, an important aspect of Recycled Steel Fiber Reinforced Concrete (RSFRC) durability is the corrosion resistance. However, research on the durability of RSFRC is almost inexistent, namely concerning the effects of chloride attack, which may limit the mobilization of the full potential of RSFRC. The present thesis aims to assess the mechanical behavior and durability performance of RSFRC under chloride attack involving both experimental and analytical/numerical research, which knowledge may contribute for future design guidelines and design tools for RSFRC structures. The research activities carried out covered two main fields, the technology of RSFRC manufacturing and the investigation on the corrosion susceptibility of RSFRC. In the first field, an experimental program was carried out to characterize the RSF in terms of geometry, chemical composition, mechanical properties and microstructure. The influence of rubber particles attached to RSF surface was assessed in the performance of RSF as concrete reinforcement and in its corrosion resistance. A sustainable mix composition of RSFRC was attained and their mechanical properties were evaluated by three-point notched beam bending tests and compressive tests. The second research field involved an experimental program to characterize the RSF corrosion and to investigate the corrosion effects of RSF on the fiber reinforcement mechanisms developed during the fiber pull-out from cracked concrete previously exposed to corrosive environment. Additionally, the postcracking behavior of RSFRC under chloride attack was characterized from double edge wedge splitting tests and round panel tests. In these tests, the influence of the crack width, chloride exposure period and fiber distribution/orientation profile was considered. The experimental results were used to perform numerical simulations by inverse analysis, aiming to derive the post-cracking constitutive laws of RSFRC. A simplified prediction of the critical chloride content corresponding to the beginning of fiber corrosion and of the long-term performance of a RSFRC structural element exposed to a specific dry-wet aggressive maritime environment was performed. In addition, the technical, environmental and economic benefits of using the developed RSFRC for application to structural elements were assessed at material level and compared to Industrial Steel Fiber Reinforced Concrete

Durabilidade do betão auto-compactável reforçado com fibras de aço

A durabilidade é uma das características mais importantes que o betão deve possuir devido à sua fundamental incidência na vida útil das estruturas. Para os betões convencionais, sem adição de fibras de aço, existem indicadores de durabilidade que são já de utilização corrente. No entanto, para o betão auto-compactável reforçado com fibras de aço (BACRFA) a investigação relacionada com a durabilidade ainda é escassa, nomeadamente os aspetos relacionados com a resistência à corrosão das fibras. Neste seguimento, desenvolveu-se um trabalho experimental com provetes de BACRFA e provetes de betão auto-compactável (BAC) sem fibras, com o objetivo de caracterizar o comportamento mecânico (módulo de elasticidade, resistência à compressão e à flexão) e avaliar parâmetros indicadores de durabilidade (absorção de água por imersão e por capilaridade, permeabilidade ao ar, resistividade elétrica, difusão de cloretos por migração em regime não estacionário e resistência à carbonatação). Os resultados obtidos para os diferentes betões em estudo são apresentados e analisados.

Durabilidade de argamassas de base cimentícia reforçadas com fibras sintéticas

O presente artigo apresenta os resultados obtidos num programa experimental de caracterização de três argamassas de matriz cimentícia reforçadas com diferente tipo de fibras, nomeadamente, fibras de poliacrilonitrila (PAN), vidro (GF), polipropileno (PP) e de álcool polivinílico (PVA). A avaliação do desempenho das fibras como reforço efetivo de materiais de matriz cimentícia, foi realizada com ensaios de avaliação das propriedades reológicas, mecânicas (compressão e flexão) e de durabilidade (absorção de água por capilaridade e permeabilidade ao ar e à água). De modo a comparar e analisar os resultados obtidos, foram também realizados os mesmos ensaios com uma argamassa comercial de base cimentícia. Os ensaios são descritos e os principais resultados obtidos são apresentados e discutidos.Esta investigação foi realizada no âmbito do projeto InoTec - Material inovador de ultra elevada ductilidade para a reabilitação do património construído, promovido pela Empresa CiviTest e pela Universidade do Minho e financiado pelo COMPETE / QREN / FEDER (NORTE-07-0202 FEDER-023024). O primeiro autor agradece a bolsa de investigação atribuída ao abrigo deste projeto. Um especial agradecimento à empresa Owens Corning pelo fornecimento das fibras de vidro, à Exporplas pelas fibras de polipropileno, à Sika pelo superplastificante, à Secil pelo cimento, à CHRYSO pelo VMA e à S&P Clever Reinforcement Ibérica pelo fornecimento da argamassa comercial

Influence of the chloride attack on the post-cracking behavior of Recycled Steel Fiber Reinforced Concrete

The main purpose of the present work is to study the mechanical behavior and durability performance of recycled steel fiber reinforced concrete (RSFRC) under a chloride environment. To this end, the effect of chloride attack on the load-carrying capacity of pre-cracked RSFRC round panels is investigated by performing round panel tests supported on three points (RPT-3ps), considering the influence of the crack width and the fiber distribution/orientation profile. In addition, the influence of the adopted chloride exposure conditions on the post-cracking constitutive laws of the developed RSFRC is also assessed by performing numerical simulations for the prediction of the long-term performance of RSFRC under these aggressive conditions. The tensile stress–crack width relationship of RSFRC is derived by performing an inverse analysis with the RPT-3ps results. The obtained experimental and numerical results show a negligible effect of the chloride attack on the post-cracking behavior of RSFRC for the chloride exposure conditions and pre-crack width levels adopted in this study.This research was funded by C.F. research grant PD/BD/113638/2015 provided by Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) through the Doctoral Program in Eco Construction and Rehabilitation–EcoCoRe, and J.B. through the project ICoSyTec (POCI-01-0145-FEDER-027990) financed by FCT and co-funded by FEDER through Operational Competitiveness and Internationalization Programme (POCI)

Argamassa de ultra-elevada ductilidade para reabilitação: comportamento mecânico e durabilidade

Foi desenvolvida uma argamassa de ultra elevada ductilidade reforçada com fibras (FRCC) para uma nova técnica de reforço de estruturas existentes. São apresentados os estudos de caracterização do material, do ponto de vista mecânico (compressão e flexão), durabilidade (absorção de água por capilaridade, permeabilidade ao ar e à água, retração por secagem) e aderência ao suporte. É ainda apresentado um estudo da aplicação de diferentes tipos de conetores a empregar na técnica de reforço proposta, cujo desempenho foi determinado pela realização de ensaios de push-out.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) FEDER - Programa Operacional do Nort

Durability of steel fiber reinforced self-compacting concrete

Publicado em "Proceedings of the 5th International Conference on The Concrete Future", ISBN 978-981-07-6067-0For conventional concrete without steel fibers, although still an aspect under discussion, there are some commonly used durability indicators. However, for steel fiber reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) literature is sparse and the aspects of durability, particularly corrosion resistance, still deserve deeper research, mainly the corrosion of the fibers, since its influence on the appearance and on the serviceability limit states of a SFRSCC structure can be a concern. Therefore, in the ambit of an ongoing research project dealing with the development of SFRSCC sandwich panels, durability tests were executed to compare the performance of SFRSCC and self-compacting concrete (SCC) specimens. Nine different tests were performed, applied to SFRSCC and SCC in order to characterize their mechanical properties (elasticity modulus, compressive strength and flexural behaviour) and to evaluate its durability indicators normally used for plain concrete, namely: water absorption by immersion and by capillarity, permeability to air, electrical resistivity, chloride diffusion by migration under nonsteady state and carbonation. The results for the different concretes and curing times up to 28 days are presented and analyzed.(undefined

Durability of steel fiber reinforced self-compacting concrete

Durability is one of the most important aspects of concrete due to its fundamental incidence on the serviceability working conditions of concrete structures. Research on the durability of steel fiber reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) is still scarce, particularly in the aspects of corrosion resistance, which did not yet demonstrate clearly whether the corrosion of steel fibers may or may not lead to cracking and subsequent spalling of the surrounding concrete. For conventional concrete, without steel fibers, there are some widespread used durability indicators, which applicability to SFRSCC and its common values are practically unknown. For this purpose, an experimental work with SFRSCC and self-compacting concrete (SCC) specimens was carried out in order to characterize their mechanical properties and evaluate durability indicators. The results showed that the addition of steel fibers to SCC was very effective in terms of increasing the post-cracking flexural resistance and the energy absorption, and did not affect significantly the selfcompacting requisites and the durability indicators of SCC.The study reported in this paper is part of the research project QREN number 5387, LEGOUSE - Development of cost competitive pre-fabricated modular buildings, involving the Companies Mota-Engil, CiviTest, the ISISE/University of Minho and PIEP. The authors wish to acknowledge the support provided by Maccaferri and Radmix for the supplying of the fibers, Sika for the superplasticizer, Secil for the cement and Omya Comital for the limestone filler. The first author acknowledges the research grant under this project

An experimental investigation on the post-cracking behaviour of Recycled Steel Fibre Reinforced Concrete

Steel fibres resulting from the industry of tyre recycling can be efficiently employed for the reinforcement of concrete structures. Recycled Steel Fibre Reinforced Concrete (RSFRC) is a promising candidate with technical, environmental and economic benefits for the development of ductile, high strength and durable constructive systems, as it is required for breakwater elements used on the protection of coastal zones. For assessing the potentialities of recycled steel fibres (RSF) as concrete reinforcement, an experimental program was performed in the present work by comparing the following properties of concrete reinforced with industrial steel fibres (ISF) and with RSF: compressive strength, modulus of elasticity, flexural strength, flexural toughness and indirect tensile strength. Under chloride attack, the durability performance of RSFRC requires the assessment of its corrosion resistance. To evaluate the corrosion effects on the post-cracking response of RSFRC, double edge wedge splitting tensile tests were conducted in RSFRC specimens previously exposed to aggressive chloride environment. The obtained results demonstrate that, for the adopted industrial and recycled fibres, the last ones had not inferior post-cracking strengthening performance than the first ones. The corrosion action caused a slight decrease of the average post-cracking tensile strength of the RSFRC. The small percentage of rubber attached to RSF surface had a negligible effect in the corrosion resistance of RSFRC.FCT through PTDC/ECMEST/2635/2014 project, as well as the collaboration of CiviTest Company in the production of concretes. The first author would like to thank the FCT for the financial support through the Research Grant PD/BD/113638/2015. The supplying of RSF and ISF from Twincon and Maccaferri Companie

Corrosion effects on pullout behavior of hooked steel fibers in self-compacting concrete

Fiber reinforced concrete structures are subjected to chloride and carbonation penetration that could initiate corrosion of steel fibers, with eventual pernicious consequences in terms of structural and durability performance. Cracks in concrete are known to hasten initiation of steel corrosion in reinforced concrete structures. The investigation of the impact of cracks on the corrosion initiation and the associated interfacial damage between concrete and steel fibers is important for understanding the mechanical behavior of steel fiber reinforced concrete. In the present work, with the aim of studying the corrosion action on the mechanical behavior of cracked Steel Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete (SFRSCC), an experimental program was performed to characterize the corrosion of hooked-end steel fibers and to assess the fiber pullout behavior in cracked concrete, previously subject to the action of corrosion by exposure to aggressive chloride environment.The study reported in this paper is part of the research project QREN number 5387, LEGOUSE - Development of cost competitive pre-fabricated modular buildings, involving the Companies Mota-Engil, CiviTest, the ISISE/University of Minho and PIEP. The authors wish to acknowledge the support provided by Maccaferri and Radmix for supplying the fibers, Sika for the superplasticizer, Secil for the cement and Omya Comital for the limestone filler. The first author acknowledges the research grant under this project

Influência da corrosão no comportamento ao arrancamento de fibras de aço no betão auto-compactável

Quando adicionadas ao betão, a possibilidade de corrosão das fibras de aço , devido à penetração de cloretos e ação da carbonatação, é um parâmetro de durabilidade no betão auto-compactável reforçado com fibras de aço (BACRFA) que requer especial atenção. No BACRFA fendilhado, a corrosão tende a ocorrer nas fibras de aço que atravessam as fissuras, o que pode afetar o seu comportamento à flexão. Deste modo, o estudo do comportamento interfacial fibra/matriz é importante para a compreensão dos efeitos da corrosão das fibras de aço no comportamento mecânico e na durabilidade das estruturas de BACRFA. Com o intuito de avaliar estes efeitos, no presente trabalho desenvolveu-se um ensaio experimental de arrancamento de fibras de aço em BAC fendilhado, sujeitas previamente à ação da corrosão por exposição a um ambiente agressivo de cloretos, sendo a corrosão avaliada por intermédio de técnicas eletroquímicas. Os ensaios eletroquímicos realizados revelaram que a probabilidade de corrosão das fibras de aço num ambiente com cloretos é superior a 90%. No mesmo ambiente, a susceptibilidade para a corros ão das fibras de aço que atravessam uma pseudo-fissura, aumenta com a abertura de fissura provocando um aumento da resistência ao arranque da fibra em BAC fissuradoQREN, número 23024, denominado INOTEC, que envolve a empresa CiviTest e o ISISE/Universidade do Minho. O primeiro autor agradece a bolsa de investigação concedida pelo referido projeto. À Maccaferri e Radmix pelo fornecimento das fibras de aço, à Sika pelo superplastificante, à Secil pelo cimento e à Omya Comital pelo Fíler calcári