Continuous characterization of stiffness of cement-based materials: experimental analysis and micro-mechanics modelling

Abstract

The structural performance and durability of reinforced concrete structures are strongly influenced by the material properties of concrete. Concrete’s characteristics endure strong evolution since casting, passing from a solid suspension to a structural material. Therefore, it is extremely important to understand and predict the structural behaviour of concrete since the beginning of the hardening process for a good structural design, particularly in regard to the development of self-induced stresses (due to heat of hydration and shrinkage). Apart from these issues related to structural design, relevant urges are brought about by the necessity of shortening construction schedules, both due to pressures by society, as well as due to economic and sustainability concerns. In view of these motivations, there are enough reasons to justify the importance of having experimental methods that allow continuous monitoring of the evolution of mechanical properties of concrete since very early ages, both in laboratory environment and “in-situ”. In such concern, several methods experimental have been proposed throughout the years, particularly in regard to the evaluation of the E-modulus of concrete. However, the most widespread methods still present limitations/complexities which make them inadequate for the wider intents mentioned above. Thus a new experimental method called EMM-ARM (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method) was proposed in 2009, which is based on the modal identification of a composite beam (acrylic and concrete) during the curing period of concrete, allowing the continuous measurement of concrete E-modulus since casting. Despite the good results obtained during the first implementation prior to this thesis, the EMM-ARM is still lacked extensive validation and presented several laminations that needed to be overcome. Following the encouraging results obtained in the first application of EMM-ARM, the work reported in this thesis intended to achieve an improved robust tool based on EMM-ARM to provide early information of the cementitious materials stiffness, readily available for application on behalf of both scientists and practitioners. In pursuit of that goal, relevant changes were introduced in EMM-ARM, particularly in concern to the geometry and materials involved in the EMM-ARM mould, as well as to the modal identification of technique. These changes allowed overcoming the identified constraints and to significantly improve the usability and robustness of the method. This thesis also presents a systematic study of the application of EMM-ARM compared to competing methods that mechanical characterization of cementitious materials at early ages with mutual validation objectives. This systematic study allowed proving that the results of EMM-ARM are metrologically robust and also to clearly identify the strengths and limitations of EMM-ARM. After the optimization and validation of EMM-ARM the method was applied in different conditions such as: (i) different isothermal curing temperatures in the range 10-40ºC; (ii) the implementation in a construction site; and (iii) non-isothermal conditions. This research also permitted demonstrating that EMM-ARM can be used to characterize a wide range of materials that undergoes chemical hardening such as structural epoxy adhesives. In addition, a new version of EMM-ARM for monitoring the concrete viscoelasticity during the fresh state was suggested. The thesis ends with a foray into the microstructural simulation of the stiffness evolution of cementitious materials by taking advantage of the unprecedented quantitative experimental information obtained with EMM-ARM. The stiffness evolution of cement pastes, simulated by μic/AMIE, developed at EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) was validated through comparison with EMM-ARM results.

A performance estrutural e a durabilidade de estruturas de betão armado são fortemente influenciadas pelas propriedades do betão. As características do betão sofrem uma grande evolução desde a betonagem, passando de uma suspensão de sólidos para um material estrutural. Desta forma torna-se extremamente importante compreender e prever o comportamento estrutural do betão desde o inicio do processo de endurecimento para se conseguir efetuar um correto dimensionamento estrutural, especialmente no que diz respeito ao desenvolvimento de tensões autoinduzidas (devido ao calor de hidratação e à retração). Adicionalmente a estas questões relacionadas com o dimensionamento estrutural, o desempenho estrutural do betão é também relevante do ponto de vista da redução dos períodos de construção devido a pressões da sociedade assim como devido a questões económicas e de sustentabilidade. Tendo em conta estas motivações, há razões suficientes para justificar a importância a existência de métodos experimentais que permitam a monitorização continua da evolução das propriedades mecânicas do betão desde as primeiras idades, tanto para a aplicação em laboratório assim como “in-situ”. Nesse sentido vários métodos experimentais têm vindo a ser propostos ao longo dos anos, particularmente no que diz respeito à avaliação do módulo de elasticidade de betão. No entanto, os métodos mais disseminados ainda apresentam limitações e/ou complexidades que os tornam inadequados para os propósitos mais amplos acima mencionados. Desta forma um novo método experimental foi proposto em 2009 chamado EMM-ARM (Elasticity Modulus Measurement through Ambient Response Method) que é baseado na identificação modal de uma viga composta (acrílico e betão) durante o processo de cura, permitindo a monitorização continua do modulo de elasticidade do betão desde a betonagem. Apesar dos bons resultados obtidos durante a primeira aplicação do método antes desta tese, o EMM-ARM ainda requer uma extensa validação e apresenta algumas limitações que necessitam de ser eliminadas. Na sequência dos resultados encorajadores obtidos na primeira aplicação do EMM-ARM, o trabalho reportado nesta tese pretende alcançar uma ferramenta melhorada e robusta baseada no EMM-ARM para fornecer informação antecipada sobre a rigidez materiais cimentícios e fornece-la em tempo real ao utilizador. Na busca deste objetivo foram introduzidas alterações relevantes no EMM-ARM, particularmente no que diz respeito à geometria e materiais envolvidos no molde, assim como na técnica de identificação modal. Estas adaptações permitiram superar as limitações identificadas e melhorar significativamente a usabilidade e a robustez do método. Esta tese apresenta também um estudo sistemático da aplicação do EMMARM comparado aos métodos concorrentes capazes de caracterizar as propriedades mecânicas dos materiais cimentícios nas primeiras idades com o objetivo de fazer a validação mútua dos métodos. Este estudo sistemático permitiu provar que os resultados obtidos pelo EMM-ARM são metrologicamente robustos e ainda identificar claramente os pontos fortes e limitações do método. Após a otimização e validação do EMM-ARM, o método foi aplicado sob diferentes condições, tais como: (i) diferentes temperaturas isotérmicas de cura na gama entre 10-40ºC; (ii) a implementação num estaleiro de obra; e (iii) condições não-isotérmicas. Este trabalho permitiu também demonstrar que o EMM-ARM pode ser utilizado para caracterizar uma vasta gama de materiais que sofre endurecimento químico, tais como adesivos epoxídicos. Adicionalmente, foi ainda sugerida uma nova versão do EMM-ARM para monitorizar a viscoelasticidade do betão durante o estado fresco. A tese termina com uma incursão na simulação microestrutural da evolução da rigidez de materiais cimentícios, tirando partido da informação experimental quantitativa sem precedentes obtida com o EMM-ARM. A evolução rigidez de pastas de cimento, simulada pelo modelo μic/AMIE, desenvolvido na EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) foi validada através de comparação com os resultados obtidos pelo EMM-ARM.