Effect of concrete composition and self-healing method on bond behaviour of cracked normal concrete and self-consolidating concrete

Mousavi Ojarestaghi, Seyed Sina (2020). Effect of concrete composition and self-healing method on bond behaviour of cracked normal concrete and self-consolidating concrete. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The interaction between the steel reinforcing bar and surrounding concrete is one of the most important issues that control the efficiency of the composite behaviour of reinforced concrete structures. Moreover, a good interfacial behaviour between concrete and reinforcement is necessary to achieve durable performance for a reinforced concrete structure. However, most previous studies have focused on the interfacial behaviour of reinforcing bars with the undamaged and intact surrounding concrete. There are only few researches on pre-cracked concrete with different pre-cracking conditions. Moreover, there is a need for developing practical solutions to mitigate interfacial damages due to the pre-cracking phenomenon. Hence, this thesis intends to experimentally and analytically study the reinforcing steel-concrete bond behaviour in presence of the pre-cracking phenomenon. Additionally, a practical approach is studied to determine the self-healing possibility of cracks at the rebar-concrete interaction. Two types of superabsorbent polymers (SAP) are used in concrete mixtures, in dosages of 0.25%, 0.50%, and 1.0%, to accelerate the self-healing process. The used methodology consists of a pre-cracking process along with re-curing periods (healing periods) for healing splitting cracks. Splitting test (Brazilian test) is used to simulate pre-loading and to obtain initial precracking. Crack widths of 0.10-0.50 mm are studied in the present thesis. A total number of 230 pull-out tests are carried out to obtain the rebar-concrete interfacial response in terms of bond-slip envelope curves, allowing examination of the initial bond stress, bond strength, residual bond stress, average bond stress, and energy observed by the bond mechanism. Seven concrete types are tested in the present thesis including normal concrete (NC) with a normal slump, NC with flowing slump, NC with air-entraining admixture (AE), self-consolidating concrete (SCC), SAP modified NC, SAP modified air-entraining NC, and SAP modified SCC. Finally, statistical analyses are performed to better investigate and point out the main findings. Experimental results show that the pre-cracking phenomenon leads to a significant reduction in the bond strength, average bond stress, and residual bond stress. Bond strength degradation is presented as a function of crack width. Results show that crack widths larger than 0.15 mm have a considerable impact on bond properties. Moreover, Results regarding bond strength reduction due to pre-cracking show that compared to NC, SCC is less sensitive to this phenomenon. The higher value of slump flow can be the main reason for this observation. Regarding the self-healing method, results indicate that SAP particles significantly promote strength regaining in the pre-cracked concrete, exposed to wet-dry cycles, especially for a 14 higher dosage of SAP and crack width smaller than 0.30 mm. Air-entraining admixture has a considerable impact on the performance of the self-healing process so that concrete containing AE has a higher healing improvement factor as compared to the non air-entraining mixture. Scanning electron microscopy (SEM) analysis shows a large amount of calcium, oxygen, and carbon in healing products at both internal and external surfaces of cracks. This study would be an initial investigation of the crack-healing in the critical region of the rebar-concrete interaction, which should be continued by further research, notably the effect of AE on the crack-healing of SAP concrete and influence of supplementary cementitious materials (SCMs) on the results of the present thesis. Moreover, results of the present study demonstrate that SAP particles are more efficient in SCC mixtures, as compared to NC mixtures, to heal the initial cracks at the rebar-concrete interface. Moreover, micro-CT scanning results show that the improvement healing factor for self-sealing of cracks is higher than self-healing (strength recovery) one, as more efforts are needed to regain strength recovery than the crack closure.

Titre traduit

Effet de la composition du béton et de la méthode d'autocicatrisation sur le comportement d'adhérence du béton normal fissuré et du béton autoplaçant

Résumé traduit

L'interaction entre la barre d'armature en acier et le béton environnant est un aspect crucial contrôlant l'efficacité du comportement composite des structures en béton armé. De plus, un bon comportement interfacial entre le béton et l'armature est nécessaire pour obtenir des performances durables pour une structure en béton armé. Cependant, la plupart des études précédentes se sont concentrées sur le comportement interfacial des barres d'armature avec le béton environnant intact et exempt de dommages. Il n'y a que peu de recherches sur le béton pré-fissuré avec différentes conditions de pré-fissuration. De plus, il existe un besoin de développer des solutions pratiques pour atténuer les dommages interfaciaux dus au phénomène de pré-fissuration. Par conséquent, cette thèse se propose d'étudier expérimentalement et analytiquement l'adhérence béton-acier d'armature en présence du phénomène de préfissuration. En outre, une approche pratique est étudiée pour déterminer la possibilité d'autoguérison des fissures au niveau de l'interaction barres d'armature béton. Deux types de polymères superabsorbants (SAP) sont utilisés dans les mélanges de béton, à des dosages de 0,25%, 0,50% et 1,0%, pour accélérer le processus d'auto-guérison. La méthodologie expérimentale consiste en un processus de pré-fissuration avec des périodes de cure pour cicatriser les fissures de fendage et la résistance. Le test de fendage (test brésilien) est utilisé pour simuler le préchargement et obtenir les fissures initiales. Des largeurs de fissures allant de 0.10 mm à 0,50 mm sont étudiées dans la présente thèse. Un nombre total de 230 essais d'arrachement sont réalisés pour obtenir la réponse interfaciale armature-béton en termes de courbes enveloppes adhérence-glissement, permettant l'examen de la contrainte initiale, de la résistance d'adhérence, de la résiduelle d'adhérence, de la contrainte d'adhérence moyenne et de l'énergie absorbée par le mécanisme d'adhérence. Sept types de béton sont testés dans la présente thèse, y compris le béton normal (NC) avec un affaissement normal, NC avec affaissement élevé (fluide), NC avec adjuvant entraîneur d'air (AE), béton autoplaçant (SCC), NC modifié avec SAP, NC modifié avec SAP incorporant de l'air -entrainé, SCC modifié avec SAP. Enfin, des analyses statistiques sont effectuées pour mieux analyser et mettre en évidence les principaux résultats. Les résultats expérimentaux montrent que la pré-fissuration engendre une réduction importante au niveau de la résistance de l'adhérence, la contrainte d'ahérence moyenne et la résistance résiduelle d'adhérence. La dégradation de la résistance d'adhérence est corrélée à la largeur de la fissure initiale. Les résultats montrent que des largeurs de fissures supérieures à 0,15 mm ont un impact considérable sur les propriétés de l'adhérence. De plus, 12 les résultats montrent que le béton autoplaçant (SCC) est moins sensible au phénomène de préfissuration que le béton normal (NC). L'affaissement plus élevé du mélange SCC peut être la raison principale de cette observation. Concernant la méthode d'auto-cicatrisation, les résultats indiquent que les particules de SAP favorisent de manière significative la reprise de résistance dans le béton pré fissuré, exposé à des cycles humide-sec, surtout pour un dosage plus élevé de SAP et une largeur de fissure inférieure à 0,30 mm. L'adjuvant entraîneur d'air a un impact considérable sur les performances du processus d'auto-cicatrisation, de sorte que le béton contenant de l'AE a un facteur d'amélioration de cicatrisation plus élevé par rapport au mélange dépourvu d'AE. L'analyse par microscopie électronique à balayage (MEB) montre une grande quantité de calcium, d'oxygène et de carbone dans les produits de guérison déposés sur les surfaces internes et externes des fissures. Cette étude serait une première étude de la cicatrisation des fissures dans la région critique de l'interaction armature-béton, qui devrait être poursuivie par des recherches plus poussées, notamment l'effet de l'AE sur la cicatrisation des fissures du béton SAP et l'influence d'ajouts cimentaires (SCM) sur les résultats de la présente thèse. De plus, les résultats de la présente étude démontrent que les particules SAP sont plus efficaces dans les mélanges SCC, par rapport aux mélanges NC, pour cicatriser les fissures initiales à l'interface barres d'armature-béton. De plus, les résultats de la Microtomographie (Micro-CT) montrent que le facteur d'amélioration de la cicatrisation pour l'auto-scellement des fissures est plus élevé que celui de l'auto-guérison (récupération de la résistance), car plus d'efforts sont nécessaires pour la récupération de la résistance que la fermeture de la fissure.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 315-349).
Mots-clés libres:	adhérence-glissement, béton fissuré, composition du béton, polymère superabsorbant (SAP), béton autoplaçant, barres d'armature en acier
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Guizani, Lotfi
Codirecteur:	Codirecteur Ouellet-Plamondon, Claudiane
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 sept. 2021 13:13
Dernière modification:	30 sept. 2021 13:13
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2709

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