Characterization and control of wet-mix sprayed concrete with accelerators

The development of the wet-mix system and the use of the sprayed concrete as a part of the new Austrian tunnelling method (NATM) marked an increase in the use and in the structural responsibility of the material, with special importance in underground construction. Nowadays, sprayed concrete is used in many applications with clear structural responsibility and an ever-growing pressure for the use of environmentally materials is observed. To cope with these trends, new cements and accelerators are developed. The use of new materials creates a special type of sprayed concrete. Moreover, the requirement of thinner layers lead to an increase in the level of stress applied and, consequently, in the structural requirements. Also the lack of standardization in the international instructions and the poor quality control of the material are current drawbacks of the use of sprayed concrete. Therefore, it is obvious that more studies are still needed to achieve an optimized design with the new materials. The general objective of this dissertation is to provide a characterization of wet-mix sprayed concrete with new accelerators and to propose methods for the control of the material. The objective is divided in five different subjects. The first subject considered is the characterization at different levels of mixes with different types of cement and accelerators in laboratory conditions. The results obtained show the differences in behavior of several alkali-free accelerators depending on the type of cement in terms of short and long term properties. The second subject focuses on the adaptation of the UNE-EN 196:2005 for thequality control of mortar mixes with accelerators. An adapted test procedure and new limits for the statistical verification of the results were proposed in order to simplify the comparison between mixes. The third subject covers the correlation between cement paste/mortar and sprayed concrete properties. A large database is used to identify the parameters measured that present the best correlation with each other. The curves and the confident areas obtained allow the simplified estimation of the properties of sprayed concrete based on the results obtained in a small scale with cement pastes and mortars. The fourth subject concerns the indirect estimation of the modulus of elasticity of sprayed concrete using as a reference the compressive strength of the material. The suitability of the equations from different codes and instructions were evaluated showing a poor fit with the experimental results. Therefore, an empirical and a semi-analytical equation were proposed to estimate the modulus of elasticity of the sprayed concrete considering its singular characteristics. Finally, the last subject focuses on the development of an alternative control procedure at sprayed concrete level. For that, finite elements models are used to derive correlations between the calorimetric curves and the evolution of temperature of the sprayed concrete layer with different thickness and types of ground. Considering this, the maturity method is adapted to allow a continuous on site indirect estimation of the mechanical properties of the material.El desarrollo del sistema de proyección de la vía húmeda y el uso del hormigón proyectado en el nuevo método austríaco de construcción de túneles (NATM) ha marcado un incremento del uso y de la contribución estructural del material, con especial interés en la construcción subterránea. Hoy en día, el hormigón proyectado se utiliza en muchas aplicaciones con clara responsabilidad estructural, observándose una presión creciente que implica el uso de materiales sostenibles. Basándose en estas nuevas tendencias, se están desarrollando nuevos cementos y acelerantes. El uso de nuevos materiales crea un tipo especial de hormigón proyectado. Además, el requerimiento de capas más finas involucra elevar los niveles de tensión aplicadas y, en consecuencia, en las exigencias estructurales. Además, la falta de estandarización en las instrucciones internacionales y el pobre control de calidad del material son inconvenientes para el uso del hormigón proyectado. De esta manera, es obvio que se necesitan más estudios para conseguir una optimización del diseño y dosificación del hormigón proyectado con estos nuevos materiales. El objetivo general de esta tesis es caracterizar el hormigón proyectado por vía húmeda con nuevos acelerantes y proponer métodos para el control del material. El objetivo se divide en 5 temas. El primero es la caracterización a distintos niveles de dosificaciones con diferentes tipos de cemento y acelerante en condiciones de laboratorio. Los resultados obtenidos presentan las diferencias en el comportamiento de distintas mezclas con acelerantes libres de álcali dependiendo del tipo de cemento a cortas y largas edades. El segundo tema se centra en la adaptación de la norma UNE-EN 196:2005 para el control de calidad de morteros mezclados con acelerante. En este sentido, se dan los nuevos procesos de fabricación y nuevos límites estadísticos de verificación con el fin de simplificar la comparación entre mezclas estudiadas. El tercer tema trata la correlación entre las propiedades de los hormigones proyectados y las pastas de cemento y morteros. Una amplia base de datos se utiliza para identificar parámetros estudiados para medir su correlación entre el resto. Así se obtienen curvas y áreas de confianza que permiten simplificar la estimación de las propiedades del hormigón proyectado en base a los resultados obtenidos a niveles de pastas de cemento y morteros. El cuarto tema concierne la estimación indirecta del módulo de deformación del hormigón proyectado utilizando como referencia la resistencia a compresión. La estimación utilizando las ecuaciones que se encuentran en distintos códigos e instrucciones presenta mala correlación con los resultados experimentales. De este modo se presentan ecuaciones adaptadas teniendo en cuenta aspectos singulares del hormigón proyectado para ser usadas. Finalmente, se trata el desarrollo de un control de calidad alternativo a nivel de hormigón proyectado. Para eso, un MEF se utiliza para correlacionar las curvas de evolución de temperatura y las de generación de calor de las capas de hormigón proyectado con distintos espesores y tipos de suelo. Considerando esto, el método de maduración es adaptado para estimar de manera continua en el tiempo las propiedades mecánicas del material

Estudio relativo a la caracterización de aditivos acelerantes para hormigón proyectado por vía húmeda

En el contexto del proceso constructivo de obras de hormigón resulta de especial interés, desde un punto de vista económico, la conjunción de dos etapas del proceso, colocación y compactación, en una sola acción. Esta característica la cumple perfectamente el hormigón proyectado. En esta técnica la propia puesta en obra incluye el proceso de compactación. Esto se consigue mediante la proyección a alta velocidad del material y aire a presión. La proyección del hormigón tiene también inconvenientes, como por ejemplo el rebote del hormigón una vez proyectado, o la disminución de la adherencia de los áridos que conforman el hormigón. Por este motivo se está estudiando la manera de reducir estos inconvenientes y una de las soluciones más eficaces es el uso del aditivo acelerante. De aquí su importancia y el porqué del presente estudio. Tras la realización de este estudio se ha observado que las características de los aditivos acelerantes libres de álcali son similares a las de los aditivos acelerantes basados en aluminatos, pero la similitud en las características se consigue con una mayor cantidad de acelerante libre de álcali respecto el contenido del acelerante basado en aluminatos. Además, con el estudio de diferentes familias de aditivos acelerantes libres de álcalis, se ha observado que la variación de los ácidos que componen los aditivos, tienen diferentes efectos en las características de cada uno de ellos

Estudio relativo a la caracterización de aditivos acelerantes para hormigón proyectado por vía húmeda

En el contexto del proceso constructivo de obras de hormigón resulta de especial interés, desde un punto de vista económico, la conjunción de dos etapas del proceso, colocación y compactación, en una sola acción. Esta característica la cumple perfectamente el hormigón proyectado. En esta técnica la propia puesta en obra incluye el proceso de compactación. Esto se consigue mediante la proyección a alta velocidad del material y aire a presión. La proyección del hormigón tiene también inconvenientes, como por ejemplo el rebote del hormigón una vez proyectado, o la disminución de la adherencia de los áridos que conforman el hormigón. Por este motivo se está estudiando la manera de reducir estos inconvenientes y una de las soluciones más eficaces es el uso del aditivo acelerante. De aquí su importancia y el porqué del presente estudio. Tras la realización de este estudio se ha observado que las características de los aditivos acelerantes libres de álcali son similares a las de los aditivos acelerantes basados en aluminatos, pero la similitud en las características se consigue con una mayor cantidad de acelerante libre de álcali respecto el contenido del acelerante basado en aluminatos. Además, con el estudio de diferentes familias de aditivos acelerantes libres de álcalis, se ha observado que la variación de los ácidos que componen los aditivos, tienen diferentes efectos en las características de cada uno de ellos

Robotic simulation of textile as concrete reinforcement and formwork.

New possibilities of concrete constructions in architecture, the traditional formwork can be gradually replaced by the use of flexible textile. At the same time textile reinforcement combined with fabric formwork, introduces an innovative integrated solution in the fabrication of concrete. Based on a simple understanding of the textile weaving and knitting techniques, this project concentrates on the architectural production and the structural optimization of the textile as both concrete reinforcement and formwork. Furthermore, we present a robotic simulation of the process that develops using a series of computational experiments to research the sequence of weaving and/or knitting. Through the computational process and the design simulations, the research is firmly rooted in analog and digital exploration of material and its implementation in architecture, with particular emphasis on the convergence of robotics and computation. Note that the paper deals mainly with the software and weaving simulation as part of a larger research project, without dealing with the production of physical artefacts

Comparison between Analytical Equation and Numerical Methods for Determining Shear Stress in a Cantilever Beam

A three meter-length cantilever beam loaded with a concentrated load at its free end is studied to determine shear stresses. In the present study, three cross sections are considered: rectangle (R); I, and T. The study presents a comparison of maximum shear stresses obtained by means of two methods: classical analytical equation derived by Collingnon, and finite element method (FEM) software. Software programs ANSYS and SAP2000 were used. The results show difference between the maximum shear stresses obtained by the analytical equation and the software, being the last is always higher. The average differences for ANSYS and SAP2000, independently of the cross section, were 12.76% and 11.96%, respectively. Considering these differences, correction factors were proposed to the classical analytical formula for each cross section case to obtain more realistic results. After the correction, the average differences decrease to 1.48% and 4.86%, regardless of the cross section shape

Maturity method to predict the evolution of the properties of sprayed concrete

The maturity method provides a simple approach for assessing the strength evolution of concrete. Although it is already used in the precast industry, no reported applications with sprayed concrete may be found in the literature. Such concrete presents singular characteristics due to the spraying process and, in some cases, due to the introduction of accelerators that modify the kinetics of cement hydration. Consequently, the traditional equations that relate the evolution of mechanical properties and the maturity index might not apply in this case. The objective of this study is to adapt the maturity method to sprayed concrete. An experimental program was conducted with 24 concrete mixes sprayed in laboratory and tested for the evolution of temperature and compressive strength. An alternative equation was proposed to relate the maturity index and the mechanical properties. Subsequently, finite element models were developed to generalize the maturity curves considering the local design parameters.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Adaptation of the standard EN 196-1 for mortar with accelerator

In certain applications, accelerators are added to favour a rapid evolution of mechanical properties in mortar and concrete. In order to assure adequate performance, it is necessary to test the compatibility between the accelerator and other components of the mixture. The EN 934-5 establishes that such evaluation of accelerators should be performed according with the procedure established in the EN 196-1. However, this standard does not take into account the inclusion of the accelerators or the particularities of the mortar produced with these admixtures. The objective of this paper is to adapt the EN 196-1 in order to characterize the strength of mortars with accelerator. First, an experimental parametric study to evaluate the influence of the production procedure on the results was conducted. Based on the results obtained, a modified production process was proposed. Then, a wide experimental program including a total of 40 mixes of mortars with different formulations and contents of accelerators was performed. Based on a statistical analysis, a new admissible variation used to calculate the compressive strength was proposed

Assessment of fibre content and orientation in SFRC with the inductive method. Part 2: Application for the quality control of sprayed concrete

La primera part es troba a dipositada a: http://hdl.handle.net/2117/85890Concrete is the most used construction material in the world despite its fragility and low capacity to bear tensile stresses. Steel fibres may be added to increase the ductility of the material leading to fibre reinforced concrete (FRC) that is used in many applications, such as sprayed concrete. When concrete is sprayed, fibres are rebounded affecting negatively the mechanical behaviour of the FRC. To control the fibre content a new non-destructive method is presented: The inductive method. The present work compares it with the traditional one and proposes a methodology to control the fibre content of the sprayed fibre reinforced concrete (SFRC).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Assessment of fibre content and orientation in SFRC with the inductive method. Part 1: theoretical basis of the method and study of the influence of the type of coil and temperature on its accuracy

La segona part es troba a dipositada a: http://hdl.handle.net/2117/85892The inductive method is a non-destructive test which is capable to estimate both the fibre orientation and the fibre content in steel fibre reinforced concrete (SFRC) samples by the means of a coil and an impedance analyser. In this study, the theoretical basis of the method and the equations for assessing the content and orientation of fibres are given. Finite Element simulations are performed to estimate the parameters of the equations. An experimental program is conducted to evaluate the influences of two different coils and the temperature on the test. The results show that good accuracy and repeatability are obtained with both coils and no correction is needed for consideration of the impact of temperature.Peer ReviewedPostprint (author's final draft