Creep behaviour of cracked steel fibre reinforced self-compacting concrete laminar structures

Abstract

Fibre reinforced self-compacting concrete (FRSCC) is a novel type of concrete containing discrete elements, which enhance the concrete’s post-cracking properties. For structural applications, commonly, it contains short discrete steel fibres that are randomly distributed and oriented. Fibre reinforcement can be consider as an alternative to conventional steel bars in order to improve the structural efficiency as well as the in-situ working conditions. Although, in the last decades, fibres were mainly applied in nonstructural elements or even to control early thermal cracking, and plastic or drying shrinkage, they can be used toreduce or even replace the ordinary steel reinforcements in structural concrete elements. In the laminar structures with lower safety requirements such as grade slabs, nowadays, fibres can already be considered as an alternative in order to replace the ordinary bars completely. One of the most important benefits of steel fibre reinforced concrete, SFRC, is the durability improvement, as a consequence of its improved post-cracking properties. For a cracked section, under a sustained load, the time-dependent crack widening has been attributed to two mechanisms: fibre pull-out process and time-dependent fibre creep. Creep is a visco-elastic phenomenon, which mainly occurs in the viscous hydrated cement paste. This may be a concern, since steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) has a high binder content, in part to attain its self-compactibility. Thus SFRSCC may exhibit a relatively high deformability due to long-term loads. The present work aims to increase knowledge within this research area. The main purpose was to achieve as much as possible a consistent comprehension of the behaviour of this material under monotonic and long-term (in the cracked state) loading conditions. Therefore, in the first phase, an experimental campaign was executed in order to understand how fibres were distributed and oriented in SFRSCC laminar structures, and, furthermore, how these parameters influence the overall composite behaviour at a macrolevel. Then, the micro-mechanical aspects of fibre reinforcements were analysed by performing a series of monotonic and long-term fibre pull-out tests. Finally, based on the fibre’s micro-mechanical properties, an integral approach was used to predict the flexural behaviour of SFRSCC laminar structures under monotonic and long-term loading conditions.

Betão auto-compactável reforçado com fibras (BACRF) é um material relativamente recente contendo elementos de reforço discretos, os quais contribuem para o melhoramento das propriedades pós-fissuradas do material. Para aplicações estruturais, usualmente, são utilizadas fibras de aço distribuídas e orientadas aleatoriamente. A aplicação das fibras discretas pode ser encarada como uma alternativa viável ao uso de armadura convencional, fomentando a eficiência estrutural e melhorando as condições de trabalho in-situ. No entanto, nas últimas décadas, as fibras têm sido principalmente utilizadas com um propósito nãoestrutural, para o controlo da fissuração devida ao calor de hidratação, retração plástica e por secagem;as fibras podem ser uma alternativa plausível para a redução ou eliminação da armadura convencional em estruturas de betão armado. Em estruturas laminares com menores exigências do ponto de vista estrutural, como por exemplo lajes / pavimentos térreos, o uso de fibras, atualmente, já é encarado como uma alternativa viável à armadura convencional. Uma das maiores vantagens do betão reforçado com fibras aço, BRFA, é a sua durabilidade, que advém do seu comportamento melhorado no regime pós-fissurado. Para uma secção fissurada submetida a uma carga constante, a evolução da abertura da fissura com o tempo é atribuída a dois mecanismos, nomeadamente, o arrancamento da fibra e a fluência da mesma ao longo do tempo. A fluência é um fenómeno visco-elástico que ocorre principalmente na pasta de cimento hidratada. No caso de betões auto-compactáveis, tal facto pode ser uma preocupação dado que este tipo de betões têm uma quantidade elevada de ligante, em parte para cumprir requisitos de auto-compactibilidade. Por esta razão, os betões auto-compactáveis poderão exibir uma elevada deformabilidade ao comportamento diferido quando sujeitos a cargas constantes. Com este trabalho pretende-se aumentar o conhecimento do comportamento diferido de BACRF no regime pós-fissurado. Numa primeira fase estudou-se a distribuição e orientação das fibras em estruturas laminares de BACRF, e como esses parâmetros influenciam o comportamento mecânico do compósito. Posteriormente, o comportamento micro-mecânico das fibras foi estudado através se uma série de ensaios de arrancamento monotónicos e diferidos no tempo. Finalmente, com base nos ensaios de arrancamento, é proposta uma abordagem integrada para prever o comportamento de estruturas laminares de BACRF em flexão sob ação de cargas monotónicas e diferidas no tempo.