Steel fibre reinforced self-compacting concrete (from micromechanics to composite behavior)

Abstract

The use of steel fibre reinforced self-compacting concrete, SFRSCC, probably, will swiftly increase in the next years, since this composite material introduces several advantages on the concrete technology. In fact, the partial or total replacement of the conventional bar reinforcement by discrete fibres optimizes the construction process. The assembly of the reinforcement bars in the construction of concrete structures has a significant economical impact on the final cost of this type of constructions, due to the man-labour time consuming that it requires. In the modern societies, the cost of the man-labour is significant, from which diminishing the man-labour will decrease the overall cost of the construction. In the fresh state, SFRSCC homogeneously spreads due to its own weight, without any additional compaction energy. Driven by its own weight, the concrete has to fill a mould completely without leaving entrapped air even in the presence of dense steel bar reinforcement.

For these reasons, SFRSCC is a very promising construction material with a high potential of application, mainly in the cases where fibres can replace the conventional reinforcement. At the present time, however, the SFRSCC technology is not yet fully developed and controlled, and, much less, the mechanical behaviour of the SFRSCC material.

The present work has been carried out involving experimental, analytical and numerical research. The main purpose was to achieve, as much as possible, a consistent comprehension of the behaviour of this composite material, and to collect data for the calibration of the analytical formulations and FEM-based numerical models.

The experimental research covers aspects from distinct scale levels. At a micro-level, the micromechanics aspects of fibre reinforcement are ascertained. Passing through a meso-level, where the fibre distribution structure on the hardened concrete is assessed. The research carried out at a micro/meso level enables to have a deeper understanding of the multiple reinforcement mechanisms and factors which influences the overall composite behaviour at a macro-level. Finally, at macro-level, the composite mechanical behaviour, respectively, compressive, flexural and uniaxial tensile behaviour is assessed. The gathered experimental information at the distinct studied scale levels enables to acquire a deeper knowledge of the multiple reinforcement mechanisms involved. Thus, leading to the main goal of creating an integrated numerical approach, that from a rational and sustainable point of view, is able of predicting the mechanical properties of fibre reinforced composites, based on the fibres' micromechanical properties.

A utilização de betão auto-compactável reforçado com fibras de aço, BACRFA, provavelmente, aumentará significativamente no decurso dos próximos tempos, visto que este material compósito introduz vários melhoramentos ao nível dos processos tecnológicos do betão. Na verdade, a substituição total ou parcial das armaduras convencionais, usadas no betão armado corrente, por fibras discretas de aço, contribui para optimização do processo construtivo. Para além dos benefícios tecnológicos, advém vantagens económicas devido a redução na duração do tempo de construção, nomeadamente, na montagem de armaduras convencionais. Nas sociedades modernas, em que a competitividade na indústria da construção se apresenta cada vez mais feroz, bem como com o aumento constante do preço da mão-de-obra, este material apresenta-se cada vez mais como uma solução premente. Contudo, presentemente, a tecnologia afecta ao BACRFA não esta ainda totalmente potenciada, assim como as suas propriedades mecânicas ainda não totalmente conhecidas.

O presente trabalho desenvolvido na área dos BACRFA abrangeu investigação experimental, analítica e numérica. O principal propósito consistiu, quanto o possível, num exaustivo e consistente estudo das propriedades mecânicas deste material compósito, assim como no desígnio da obtenção de dados para a calibração de modelos analíticos e modelos numéricos suportados na formulação dos elementos finitos.

A investigação experimental engloba o estudo do comportamento a diferentes escalas. A um nível micro, os principais mecanismos de reforço das fibras foram estudados e analisados. Passando para uma escala meso, foi dada especial atenção à distribuição das fibras numa matriz endurecida de BACRFA. A investigação do material a uma escala micro/meso permite o melhor conhecimento dos múltiplos mecanismos de reforço que influenciam o comportamento global do material compósito a um nível macro. Finalmente, a um nível macro, o comportamento do material compósito foi aferido para diversos tipos de carregamentos, respectivamente, tracção e compressão uniaxial assim como flexão.

A informação recolhida a diferentes escalas, permitiu um melhor e profuso conhecimento sobre os múltiplos mecanismos de reforço envolvidos no BACRFA. Consequentemente, possibilitou a criação de uma estratégia numérica integrada, que de um ponto de vista racional e sustentável, facilita a previsão das propriedades mecânicas dos BACRFA baseada nas propriedades micro-mecânicas das fibras.