Self-compacting concrete : properties of fresh and hardening concrete for civil engineering applications

This licentiate thesis consists of three papers, A-C. In Paper A the consequence of using self-compacting concrete for civil engineering applications regarding the fresh and young stage and possible consequences on production techniques are studied. This study includes an investigation and evaluation of production techniques for a full-scale project, and an examination of fresh and hardening concrete properties for SCC where influences from different ingoing materials are investigated. The outcome from the project was satisfactory. In paper B various concrete mixes have been examined in order to find possible relations between workability tests and rheological parameters in order to make it possible to classify a fresh self-compacting concrete mix according to rheological properties. In paper C load carrying capacities of cracked as well as un-cracked concrete railway sleepers have been investigated. The cracking is believed to be caused by delayed ettringite formation.The tests show that small cracks do not seem to influence the load-carrying capacity and it is first when the cracking is very severe that the load-carrying capacity is reduced significant.Godkänd; 2003; 20070217 (ysko

Performance based concrete mix-design : aggregate and micro mortar optimization applied on self-compacting concrete containing fly ash

This thesis is dealing with the field of self-compacting concrete (SCC). SCC is supposed to fill the form properly and enclose the reinforcement without any external vibration. The fresh properties of such a concrete are thus essential. SCC was first introduced in Japan in the middle of 1980th. Due to the high demands on its fresh properties, the mix-design process is more complex for SCC than for normal vibrated concrete and generally, it has higher content of powder materials, such as cement and mineral additives. In this thesis, a performance based mix-design method is proposed. Performance based means that concrete shall be composed regarding the properties of available materials and due to the properties of the element to be cast. The main objective with performance based concrete mix-design is to utilize the properties of the available materials to increase the cost- effectiveness in concrete production. The main part of the thesis has been to propose how available materials can be combined, due to their specific properties, for further use in concrete. The material selection shall, in addition to the material related properties, be based on the performance of the structural element to be cast. In the thesis, a method to choose an appropriate micro mortar is presented as well as how an appropriate aggregate grading curve can be combined based on material related properties. To fully utilize the potential of the suggested method, a connection parameter between micro mortar and aggregates is introduced. A structured method for how decisions can be made, based on results from micro mortar tests and aggregate optimization tests, to compose a SCC mix that is appropriate for its specific field of application is suggested. SCC has a relatively high content of powder materials. In addition to cement, lime-stone filler or fly ash is often used. Fly ash is an industrial by-product from coal-fired power stations and it has been proven to be a sufficient concrete making material when replacing cement in varying amounts. Swedish concrete producers do not have a tradition in using fly ash in any wider extension because of the lack of nationally produced fly ashes. However, there is an increasing interest to use more fly ash as filler material in concrete in Sweden. Fly ash is a pozzolnaic material, which means that it will influence the young and hardened properties. This thesis contains an investigation of the effect of fly ash on the hardening properties. A numerical prediction model for heat development and strength growth is presented. The prediction model will for instance facilitate the possibility to calculate appropriate form removal times for concrete with different water to powder ratios containing varying amounts of fly ash. In addition, the risk for early thermal cracking of concrete containing fly ash in varying amounts has been investigated. It was concluded that mixes containing fly ash and limestone filler have an increased early-age creep. It was also concluded from a numerical stress analysis that the risk for early age through cracks is significantly decreased for mixes containing fly ash. The estimated risk for surface cracks was not improved by an incorporation of fly ash. The estimated risk for surface cracks for concrete containing limestone filler was significantly lower in comparison to the other tested mixes, i.e. Portland cement concrete and concrete containing fly ash, which might be a combined effect from moderate heat development and increased early-age creep.Självkompakterande betong (SKB) skall fylla formen och omsluta armeringen utan yttre vibrering. SKB introducerades i mitten av 1980-talet och Japan var pionjärer inom området. För att SKB skall kunna flyta ut ordentligt utan att ballasten separerar så ställs det höga krav på den färska betongen. Den största skillnaden mellan SKB och normal-vibrerad betong nämns ofta som lägre vatten pulver tal, större andel cementpasta, lägre andel grovballast samt inblandning av effektiva superplastiserare. Mycket forskning har bedrivits inom området sedan SKB introducerades för första gången, och flertalet proportionerings metoder har utvecklats genom åren. I den här avhandlingen ges ett förslag på hur man kan välja tillgängligt material på bästa möjliga sätt så att det passar det tänkta tillämpningsområdet, s.k. utförandebaserad optimering. Syftet med utförandebaserad optimering är att tillvarata egenskaperna från det tillgängliga materialet på bästa möjliga sätt.Metodiken bygger på enkla verktyg för att karakterisera egenskaper som är av vikt för den färska betongblandingen. En metodik för finbruksoptimering tillsammans med en metod för hur man kan välja en lämplig graderingskurva föreslås. Resultaten från dessa två kopplas sedan samman med en föreslagen kopplingsparameter, vilken möjliggör en direkt översättning mellan finbruksfasen och den valda graderingen. En strukturerad metod föreslås för hur delmaterialen kan sättas samman utifrån tillämpningsområdet samt hur justeringar kan göras för att förändra de färska egenskaperna. Självkompakterande betong innehåller en relativt hög andel finpulvrigt material, tex. kalkstensfiller, silika eller flygaska. Flygaska är en mineralprodukt som uppstår vid koleldning vid el- och värmeproduktion. Flygaskans sfäriska och släta partiklar i kombination med dess låga densitet har visat sig ha fördelaktiga egenskaper i den färska betongen. Flygaska har inte varit särskilt vanligt vid svensk betongtillverkning, främst på grund liten inhemsk produktion av högkvalitativ flygaska. Intresset för flygaska har dock ökat under de senaste åren. Då flygaska har pozzolana egenskaper så kommer dess inblandning i betong att påverka de unga och mogna egenskaperna.Den här avhandlingen inkluderar en undersökning av flygaskans inverkan på egenskaperna i den unga betongen. En numerisk tendensmodell är etablerad, vilken gör det möjligt att prediktera värme- och hållfasthetsutveckling i en betong innehållande flygaska i varierande mängd samt för varierande vattencementtal. Det möjliggör beräkningar av t.ex. formrivningstid eller åtgärder för att förhindra tidig frysning då flygaska används. Risken för tidiga temperatursprickor hos betong innehållande flygaska har även testats. Resultaten visar att risken för genomgående sprickor minskar signifikant för betong innehållande flygaska i jämförelse med betong tillverkad av endast Portland cement. Risken för tidiga ytsprickor blir dock inte förbättrad med inblandning av flygaska.Godkänd; 2008; 20081027 (ysko

Liten risk för tidiga sprickor i självkompakterande betong

Självkompakterande betong verkar inte - trots hög andel finmaterial och snabb värmeutveckling - vara mer sprickbenägen i ung ålder än traditionell vibrerad betong. Ytan bör dock täckas eller vattnas för att undvika plastiska krympsprickor.Godkänd; 2008; 20080603 (ysko

Spruckna betongsliprars bärförmåga vid utmattande last

Concrete sleepers cracked due to delayed ettringite formation have been exposed to fatigue loading. The applied load has been varied between 20 and 62,5 kN where 62,5 kN corresponds to an axle load of 25 tons. 6 of 13 tested sleepers failed after 223 to 136 670 load cycles. 7 of 13 sleepers managed to carry more than 2 million load cycles, which is equivalent to train traffic for about 7 years. The most common type of fracture is bond failure between the wires and the concrete. It is not possible to determine the quality of the bond strength through visual inspections since no relation between the outer and the inner crack pattern has been found. All tested sleepers were classified as red sleepers (severe cracking).Sliprar som spruckit upp på grund av försenad ettringitbildning har utmattningsbelastats. Lasten har i huvuddelen av proven varierats mellan 20 och 62,5 kN där 62,5 kN motsvarar axellasten 25 ton. 6 av 13 sliprar gick till brott efter 223 till 136 670 cykler. 7 av 13 sliprar klarade mer än 2 miljoner cykler vilket motsvarar ca 7 års normal trafik. Brottorsaken är vanligen bristande vidhäftning mellan linor och betong. Kvaliteten på vidhäftningen kan inte avgöras genom en okulär besiktning, eftersom något tydligt samband mellan yttre och inre sprickbildning ej kunnat påvisas. Alla sliprar var klassade som röda (kraftigt uppspruckna) vid provningen. Vissa av dessa var klassade som gula (måttligt uppspruckna) när de anlände till Ltu något år tidigare. De spruckna sliprarnas bärförmåga försämras därför efter hand och utmattningshållfastheten avtar med tiden.Godkänd; 2003; 20061111 (ysko

Load-carrying capacity of cracked concrete railway sleepers : Test of the bending moment capacity, the tensile capacity of fasteners and of the concrete strength

Avdelningen för konstruktionsteknik vid Luleå tekniska universitet (LTU) har på uppdrag av Banverket utfört undersökning av spruckna betongsliprars bärförmåga. I rapporten redovisas resultat, provning och utvärdering av bärförmågan för uppspruckna respektive ej uppspruckna järnvägssliprar av betong. Uppsprickningen tros bero på s.k. försenad ettringitbildning. De sliprar som provats är: 13 spruckna betongsliprar tillhörande klass 1(röda sliprar) 11 delvis uppspruckna betongsliprar tillhörande klass 2 (gula) 4 ej spruckna betongsliprar tillhörande klass 3 (gröna) De prov som utförts är: Böjprov i mittsnitt Böjprov i rälläge Dragprov av befästning (horisontalkraftskapacitet) Kontroll av sliprarnas betonghållfasthet I rapporten redovisas även hur den visuella inspektionen och klassificeringen av sliprarna utförts. Dessutom presenteras möjliga brottmekanismer för befästningarna när de belastas horisontellt. Målet med provningarna har varit att få en uppfattning om hur uppsprickningen påverkar bärförmågan. Resultaten från försöken har jämförts med beräkningar enligt gällande norm. Försöksresultaten visar att ett fåtal sprickor inte påverkar bärförmågan nämnvärt utan det är först när ett väl utvecklat spricksystem utvecklats som bärförmågan avtar avsevärt. Alla gröna och gula sliprar uppfyller i stort sett uppställda krav och även huvuddelen av sliprarna i klass 1, dvs. röda sliprar, har tillräcklig bärförmåga, med en brottsäkerhetsfaktor som varierar mellan 1,65 och 2,13 (böjprov i rälläge). Det är främst när långa längsgående horisontella sprickor uppträder som en väsentlig reduktion i bärförmåga uppträder. Dessa sprickor finns på ca hälften av de röda sliprar som provats (8 av 13).Godkänd; 2001; 20061111 (ysko