Processes of cracking in strain hardening in cementitious composites

Abstract

The recent technological development of a great variety of fibers has been creating new opportunities for the improvement of fiber reinforced cementitious composites (FRCC) as structural materials. Their design nowadays aims at the development of materials with exceptional energy dissipation ability and extreme tensile performance. The intention is to mitigate the limitations of conventional concrete deriving from its quasi-brittle nature, often revealed by the catastrophic collapse of structures during extreme loading events or the early loss of functional properties of structural members due to insufficient durability. In the past few decades the research carried out in the FRCC field has suggested different approaches to the design of these materials. In particular, when the FRCC is designed to develop strain-hardening in tension and multiple cracking, these materials are typically classified as Strain Hardening Cementitious Composites. Two main properties are often equated when defining the composition and fiber reinforcement used, and these are ductility and strength. The results available in the literature suggest that a trade-off between these two exists. The examples of cementitious composites showing higher tensile strengths are often of moderate ductility, whereas the examples of the most ductile cementitious composites show moderate tensile strengths. In a broad perspective, these composites are generally classified as Ultra High Performance Fiber reinforced Cement-based Composites (UHPFRCC). In the perspective of structural design, strain-hardening ability in tension is often referred to as the most relevant feature of SHCC materials. The structural problems that can be effectively solved by using these materials are numerous and diverse. Strain-hardening in tension is the result of the ability of the material to develop multiple cracks. This relevant material property represents a dual advantage in engineering applications: while more cracking develops at the same prescribed tensile deformation, the individual crack openings are much smaller, often invisible to the naked eye. The resulting benefits in terms of durability and preservation of functional properties of the structural elements are evident. Conversely, higher energy dissipation ability exists at the level of a single crack, which is multiplied by the large number of cracks typically developed. The result is a material that can be designed to exhibit high toughness, among other beneficial material features. The mechanical behavior of FRCC is the result of a delicate balance of multiple factors. The interfacial bonding and fiber pull-out properties, the material parameters of the fibers and of the matrix, the distribution of material flaw sizes in the matrix, the fiber orientation and their dispersion in the matrix play an important role in the resulting composite mechanical behavior. The study of the influence of all these parameters separately is complex, given that they perform in a highly coupled manner. Considerable knowledge exists about the micro-mechanisms and composite behavior of these materials, and a group of experimental testing procedures are already widely accepted as effective to characterize their mechanical behavior. However, this research field is still undergoing significant technological and scientific developments. This research is focused on the characterization of the cracking processes in SHCC materials. The strategy followed considers mostly the material meso-scale, although micro- and macro-scales are also included, but with less significance. The objective is to contribute to extend the knowledge about the nature of the cracking initiation and propagation mechanisms in these composites, as well as to contribute to the development of the numerical strategies dedicated to the simulation of the structural behavior of SHCC members. To this purpose, alternative testing procedures are proposed to characterize the cracking processes in SHCC. These include alternative specimen geometries, test setups, and the use of innovative techniques of high resolution analysis of deformations, based on digital imaging. The last part of this research is dedicated to exploring classical elasto-plasticity to the simulation of the structural behavior of SHCC under generic tri-axial states of stress. Lastly, some indications for future developments and refinements of the present research are suggested.

Os compósitos de matriz cimentícia com endurecimento em tração têm demonstrado desenvolvimentos substanciais no passado recente. As enormes vantagens que representam relativamente aos betões convencionais, ou até mesmo quando comparados com os betões reforçados com fibras convencionais, justificam os intensos esforços de investigação e desenvolvimento que lhe têm sido dedicados. No passado recente, a investigação no domínio dos materiais compósitos de matriz cimentícia tem seguido diferentes estratégias para a definição da sua composição. Estas estratégias estão fundamentalmente dirigidas para o desenvolvimento de elevado desempenho em tração, nomeadamente através da capacidade de formação de múltiplas fendas e de endurecimento em tração após a formação da primeira fenda. As duas principais propriedades mecânicas que são equacionadas no desenho destes materiais são a ductilidade e a resistência à tração. De acordo com os resultados publicados por diversos autores, parece haver um equilíbrio entre estas duas propriedades, verificando-se que os exemplos existentes de compósitos com maior resistência à tração demonstram moderada ductilidade, e em contrapartida os exemplos de compósitos de maior ductilidade revelam moderada resistência à tração. Considerando o comportamento estrutural dos materiais compósitos de matriz cimentícia, o endurecimento em tracção é considerado como a propriedade mais importante destes materiais. O tipo de problemas estruturais que podem ser solucionados recorrendo a estes materiais são numerosos, e provavelmente novas aplicações surgirão num futuro próximo, dadas as suas excepcionais vantagens mecânicas. O endurecimento em tracção resulta da capacidade do material para desenvolver múltiplas fendas em tracção, sem fraturar. Esta importante propriedade material representa uma dupla vantagem em termos estruturais: enquanto o número de fendas originadas para o mesmo nível de deformação é muito superior, a abertura de fenda observada ´e muito inferior aos valores que tipicamente se verificam em betões convencionais, sendo quase sempre invisíveis a olho nu. Deste comportamento material resultam benefícios claros em termos de durabilidade e preservação das propriedades funcionais dos elementos estruturais. Em simultâneo, dado que a capacidade de dissipação de energia durante o processo de fendilhação ao nível de uma única fenda é substancialmente superior, o elevado número de fendas originado confere a estes materiais elevada tenacidade. O comportamento mecânico dos compósitos de matriz cimentícia resulta de um equilíbrio delicado de múltiplos factores. As propriedades mecânicas das fibras utilizadas, das fases que constituem a matriz, da interface fibra-matriz, da distribuição de defeitos na matriz, da orientação preferencial das fibras e sua dispersão na matriz, entre outras, todas desempenham um papel crucial nas propriedades mecânicas do compósito resultante. O estudo de todos estes parâmetros de forma isolada ´e praticamente impossível, dado que todos eles se relacionam de forma bastante complexa. Existem já sólidos conhecimentos quanto à mecânica microestrutural e os procedimentos a seguir na definição da composição dos compósitos de matriz cimentícia. No entanto, dada a complexidade do seu comportamento e a crescente exigência das aplicações a que se destinam, existe ainda uma permanente atualização do conhecimento deste tipo de materiais e um contínuo desenvolvimento das suas capacidades e propriedades mecânicas. O potencial do conceito associado aos materiais de matriz cimentícia não se encontra ainda totalmente explorado, e são previsíveis desenvolvimentos futuros de elevado interesse para a engenharia estrutural. O presente trabalho insere-se neste contexto de aprofundamento da documentação do comportamento mecânico e dos processos de fendilhação nos materiais de matriz cimentícia. A estratégia definida considera fundamentalmente a meso-escala do material, ainda que a micro-escala e a macro-escala sejam também frequentemente invocadas ao longo deste trabalho. O objectivo principal é o de contribuir para aprofundar o conhecimento actual acerca da natureza dos mecanismos de iniciação e propagação de fendas nestes materiais, assim como de contribuir para o desenvolvimento de estratégias numéricas para a simulação do comportamento estrutural destes materiais. Para este fim, são propostos procedimentos de ensaio alternativos ou complementares aos já existentes e utilizam-se ferramentas inovadoras para a documentação de deformações com elevada resolução, baseadas na análise de imagens digitais. A última parte deste trabalho ´e ainda dedicada à utilização dos conceitos clássicos de elastoplasticidade para a simulação do comportamento estrutural destes materiais quando submetidos a estados de tensão tri-axiais. Por fim são enumeradas algumas sugestões para desenvolvimentos futuros, baseadas nos resultados obtidos neste trabalho.