Cement based materials reinforced with recycled steel fibres: mechanical, durability and structural performance

Abstract

Recent research is showing that the addition of Recycled Steel Fibres (RSF) from postconsumed tyres can decrease significantly the brittle behaviour of cement based materials, by improving its toughness and post-cracking resistance. In this sense, Recycled Steel Fibre Reinforced Concrete (RSFRC) seems to have the potential to constitute a sustainable material for structural and non-structural applications. To assess this potential, experimental and numerical research was performed on the use of RSFRC in elements failing in bending and in shear. The values of the fracture mode I parameters of the developed RSFRC were determined by performing inverse analysis with test results obtained in three point notched beam bending tests. To assess the possibility of using RSF as shear reinforcement in Reinforced Concrete (RC) beams, three point bending tests were executed with three series of RSFRC beams flexurally reinforced with a relatively high reinforcement ratio of longitudinal steel bars in order to assure shear failure for all the tested beams. By performing material nonlinear simulations with a computer program based on the Finite Element Method (FEM), the applicability of the fracture mode I crack constitutive law derived from the inverse analysis was assessed for the prediction of the mechanical behaviour of these beams. The performance of the formulation proposed by RILEM TC 162 TDF and CEB-FIP 2010 for the prediction of the shear resistance of fibre reinforced concrete elements was also evaluated. Furthermore, the use of thin cement based (mortar) panels reinforced with relatively high content of RSF for structural reinforcement was explored. The mechanical properties and the durability performance of this Recycled Steel Fibre Reinforced Mortar (RSFRM) were characterised. The panels were produced by using a mixing technique similar to the one is used in the Slurry Infiltrated Fibre Concrete (SIFCon) technology. Then, their potentialities as a shear strengthening solution for RC beams deficiently reinforced in shear were investigated by performing three point bending tests with RC beams of “I” cross section shape (shear strengthened with this type of panels). Advanced numerical simulations and an analytical study were carried out to contribute for a better understanding of the effectiveness of the shear strengthening technique with RSFRM panels.

A investigação desenvolvida no passado recente tem demonstrado que a adição de Fibras de Aço Recicladas (FAR) provenientes de pneus usados pode reduzir, de forma significativa, o comportamento frágil dos materiais de matriz cimentícia, melhorando a sua ductilidade e resistência pós-fendilhação. Neste sentido, o Betão Reforçado com Fibras de Aço Recicladas (BRFAR) apresenta-se como um material de caráter sustentável tanto para aplicações estruturais como não estruturais. Para melhor avaliar este potencial, desenvolveu-se investigação experimental e numérica relativa à utilização do BRFAR em elementos de betão sujeitos a rotura por flexão e por corte. Os parâmetros de fratura tipo I do BRFAR desenvolvido foram obtidos recorrendo a análise inversa dos resultados experimentais de ensaios de flexão, em três pontos, de vigas entalhadas. Para avaliar a potencialidade de utilização de FAR no reforço ao corte de vigas em Betão Armado (BA), foram realizados ensaios de flexão (três pontos) em três séries de vigas em BRFAR reforçadas à flexão com uma elevada percentagem de armadura longitudinal de forma a assegurar uma rotura por corte da totalidade das vigas ensaiadas. Através de simulações numéricas em regime não linear material efetuadas recorrendo a ferramentas baseadas no Método dos Elementos Finitos (MEF), a aplicabilidade das leis constitutivas relativas ao Modo I de fratura, obtidas recorrendo a análise inversa, foi avaliada na previsão do comportamento mecânico dessas vigas. A eficácia das formulações propostas pelo RILEM TC 162 TDF e pelo CEB-FIP 2010 para a previsão da resistência ao corte de elementos em betão reforçados com fibras foi, também, avaliada. Além disso, a utilização de painéis finos constituídos por material de base cimentícia (argamassa) reforçados com uma elevada quantidade de FAR para reforço estrutural foi explorada. As propriedades mecânicas e de durabilidade desta Argamassa Reforçada com Fibras de Aço Recicladas (ARFAR) foram caraterizadas. Os painéis foram produzidos recorrendo à técnica de mistura utilizada no fabrico dos Slurry Infiltrated Fibre Concrete (SIFCon). Seguidamente, as potencialidades da sua utilização como solução de reforço ao corte de vigas em BA com défice de reforço ao corte foram avaliadas recorrendo a ensaios de flexão (três pontos) de vigas de betão armado com secção em I (reforçadas ao corte com os painéis desenvolvidos). Paralelamente, realizaram-se simulações numéricas avançadas e um estudo analítico com o intuito de contribuir para um maior conhecimento relativo à eficiência da utilização desta técnica de reforço com painéis finos em ARFAR.