Application of smart curing concept called internal curing (IC) is the most promising strategy for mitigating autogenous shrinkage and related early-age cracking in cement-based materials with low water-to-cement ratio. There are still many theoretical and practical questions that need to be answered before IC could become a standard method. Many of these questions concern the most appealing of water-regulating additives for IC called Superabsorbent Polymers (SAP). The clear linkage between SAP material properties, the moment of water release and the effect on autogenous shrinkage is still missing, which blocks formulating recommendations for use of particular potential IC agents in concrete construction. In this treatise various aspects that are decisive for effectiveness of IC in mitigating autogenous shrinkage were examined. The choice of materials was purposefully limited to two compositions of Ultra-High Performance Concrete (UHPC), one fine-grained and one coarse-grained mixture, and one particular, in-depth characterized SAP. The objectives of examination which shaped the final experimental programme were: assessment of IC agent absorption capacity, specification of periods of water migration from fresh concrete mixture into SAP and from SAP back into hardening concrete, determination of effect of SAP addition on cement hydration, evaluation of IC influence on and determination of start of effective autogenous shrinkage and, finally, assessment of autogenous shrinkage with selfsame IC agent but for different matrices. Ideally, description of the mechanisms behind the action of IC at different stages of concrete life and reasoning of differences observed for the UHPCs under investigation had to be provided. First, the main components of the system – UHPC and SAP material – were characterized as to their suitability for IC application. Special attention was paid to the material properties which affect water transport. Usage of different testing methods was necessary here and included: testing with ESEM, FT-IR, tea-bag test, sol fraction content examination and X-ray computed tomography (for SAP) as well as air content measurement and various methods for characterization of the porosity and other features of the microstructure. The observed delay in the start of pozzolanic reactions in case of fine-grained UHPC was rather surprising, but, under consideration of porosity, shed new light on permeability of young UHPC. The work at hand revealed numerous methods that can be used for studying the absorption capacity of polymers, but hardly representative for the behaviour of those polymers within concrete matrix. Because of its general availability and the relatively robust testing procedure, it was decided to focus on possibilities and limitations of using tea-bag test for evaluation of absorption capacity of SAP. New interpretation of tea-bag test results was deduced which enabled assessment of maximum absorption capacity of SAP from measurement of consistency of concrete before and after modification with IC. Influence of IC on hydration process was revealed by using two non-destructive methods, in particular ultrasonic measurement and concrete temperature record. It could be shown that the ionic polymer exhibits complex effects including retardation and acceleration of individual chemical processes. Additionally, X-ray computed tomography (CT) and instrumented ring tests were performed in order to understand scientific significance of the characteristic event appearing during shrinkage measurements, taken as time-zero (= starting point for evaluation of autogenous shrinkage data). Linkage of time-zero with certain phenomenon, e.g., changes of the SAP particles volume or specific value of yield stress, but not with final set, was suggested for the future investigations. By using two setups based on corrugated tube protocol it was possible to register and compare autogenous shrinkage of both UHPCs without and with modification by IC. The effectiveness of IC was shown to be dependent on the matrix in which IC was implemented. This was related to the observed changes in pore percolation that resulted from different absorption behaviour of SAP in the two UHPCs under investigation. Furthermore, the effect of fibres on effectiveness of IC was discussed. Description and discussion of mechanisms behind IC was supported by measurement of capillary pressure, total shrinkage tests with simultaneous mass loss measurement, free autogenous shrinkage tests and the CT measurement. Valuable source of information was furthermore the in-depth literature review. The most appealing finding of the work and the biggest paradox revealed was high efficiency of IC in mitigating autogenous shrinkage and simultaneously appearance of stage where very clear reverse in mode of polymer volume change was observed. This suggests partial reabsorption of water initially released. This puts interpretation of operative shrinkage mechanisms and ones standing behind IC effect in a new perspective. / Die innere Nachbehandlung (Internal Curing – IC) ist die derzeit aussichtsreichste Strategie, um das in zementgebundenen Baustoffen mit niedrigen Wasser/Zement-Werten ausgeprägt auftretende autogene Schwinden wirksam zu verringern und die damit einhergehende Rissbildung in jungem Beton zu vermeiden. Vor einer breiten baupraktischen Anwendung des IC sind noch viele offene Fragen zu beantworten. Die meisten dieser Fragen betreffen die derzeit interessanteste Klasse von wasserregulierenden Stoffen für das IC – die superabsorbierenden Polymere (SAP). Von entscheidender Bedeutung ist hier der noch weitgehend unerforschte Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften der SAP, dem Zeitpunkt der Wasserabgabe und der Auswirkung auf das autogene Schwinden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Einflussfaktoren auf die Wirksamkeit von SAP zur Verringerung des autogenen Schwindens untersucht. Für die Experimente wurde ein feinkörniger und ein grobkörniger ultra-hochfester Beton (UHPC) sowie ein schon detailliert charakterisiertes SAP genutzt. Das experimentelle Programm wurde auf folgende Untersuchungsziele ausgerichtet: Absorptionsvermögen der SAP, Zeitfenster der Wassermigration aus dem Frischbeton in das SAP sowie vom SAP in den erhärtenden Beton, autogenes Schwindmaß sowie effektiver Beginn des autogenen Schwindens. Ziel der Arbeiten ist die Beschreibung der Mechanismen, die IC zugrundliegen – und dies zu verschiedenen Betonaltern und unter Berücksichtigung der an den untersuchten UHPC beobachteten Unterschiede. Bei der Charakterisierung der Hauptkomponenten des betrachteten Systems – UHPC und SAP – wurde auf die Materialeigenschaften fokussiert, die den Wassertransport beeinflussen. Dazu wurden u. a. folgende Untersuchungsmethoden angewendet: ESEM, FT-IR, Teebeuteltest, Sol-Fraction Test, Röntgentomographie (für SAP) sowie verschiedene Verfahren zur Charakterisierung der Poren im Beton. Im feinkörnigen UHPC wurde überraschenderweise ein verzögerter Beginn der puzzolanischen Reaktion festgestellt, der bei Berücksichtigung der vorliegenden Porosität zu einer Neubewertung der Permeabilität von UHPC in jungem Alter führte. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Beschreibung des Wasserabsorptionsvermögens von SAP benannt, deren Aussagekraft bei Anwendung dieser Polymere im Beton aber sehr eingeschränkt ist. Aufgrund seiner einfachen Verfügbarkeit und Robustheit wurde daher der Teebeutetest zur Bestimmung der Wasserabsorption des SAP genutzt. Die Wasserabsorption der SAP im Beton wurde durch Gegenüberstellung von Konsistenzmessungen am Beton vor und nach Zugabe von SAP und Ergebnissen der Teebeuteltest abgeschätzt. Der Einfluss des IC auf die Hydratation wurde zerstörungsfrei mit Ultraschall- und Betontemperaturmessungen erfasst. Auf dieser Grundlage konnten Hypothesen zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen ionischem Polymer und der Beschleunigung oder Verzögerung einzelner chemischer Prozesse formuliert werden. Mit Hilfe von instrumentierten Ringversuchen und X-ray Computertomographie wurden die Auswirkungen des IC mit SAP auf das autogene Schwinden, den Aufbau von Zwangsspannungen bei behindertem Schwinden und Time-Zero diskutiert. Dabei konnte ein Zusammenhang zwischen Time-Zero und verschiedenen Phänomenen, wie z. B. Volumenänderung des SAP oder der Fließgrenze des erhärtenden Betons, nicht aber zum Ende des Erstarrens aufgezeigt werden. Das autogene Schwinden beider untersuchter UHPC (jeweils mit und ohne IC) wurde mit Hilfe von Corrugated Tube-Versuchen gemessen. Es konnte gezeigt werden, dass wie Wirksamkeit des IC von der Betonzusammensetzung sowie der in den UHPC infolge Wechselwirkungen mit den SAP verschieden ausgebildeten Porenstruktur der Matrix abhängt. Weiterhin konnte ein Einfluss von Faserzugaben auf die Wirksamkeit des IC gezeigt werden. Die Beschreibung und Diskussion der Mechanismen des IC wurde durch Messungen des Kapillardrucks, des Gesamtschwindens, des freien autogenen Schwindens, des Masseverlustes und Computertomographie unterstützt. Eine wichtige Erkenntnisquelle war zudem die umfangreich gesichtete und diskutierte Literatur. Das interessanteste und zugleich paradoxe Ergebnis der Untersuchungen ist die Tatsache, dass die bei Einsatz von SAP beobachtete Verringerung des autogenen Schwindens eindeutig mit einer zeitgleichen Umkehr der Volumenänderung der SAP einhergeht: die bis dahin dominierende Wasserabgabe geht in eine erneute Wasseraufnahme über. Dies stellt die Interpretation der Triebkräfte des Schwindens und die dem IC zugrundliegenden Mechanismen in einen neuen Zusammenhang.

La fissuration d’éléments minces en béton dès le jeune âge correspond à une réalité observée sur des ouvrages en construction. Cette fissuration concerne des bétons courants de bâtiments, pour lesquels les matériaux de qualité optimale ne sont pas toujours disponibles, en particulier au niveau des granulats. Le but de cette thèse est de définir une approche expérimentale d’étude de ces phénomènes et de proposer des interprétations pour les sensibilités relatives à la fissuration en fonction de la nature des granulats et de leurs taux de saturation initiaux. La sensibilité des moyens de mesures existants conçus pour des bétons spéciaux (BAP et BHP) a d’abord dû être<p>vérifiée. Un nouveau dispositif expérimental a été développé dans le but de mieux décrire l’évolution de la résistance et de la capacité de<p>déformation en traction du béton jeune. Les indicateurs globaux (macroscopiques) apparaissent plus sensibles que les indicateurs de la microstructure pour rendre compte des différences de comportement observées. L’évolution du module élastique, du retrait plastique et endogène corrélées à l’évolution de la capacité de déformation et de la résistance en traction permettent de mieux caractériser le risque<p>potentiel de fissuration par retrait empêché. La fin de prise correspond à une phase critique. L’influence de la saturation des granulats est<p>indirecte, et résulte des variations du rapport Eau d’ajout/Ciment, à rapport Eau efficace/Ciment constant. La nature des granulats intervient au niveau des évolutions relatives de la résistance en traction et du module élastique. La méthodologie peut être appliquée à l’étude d’autres types de bétons et d’autres paramètres de formulation. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans les structures en béton précontraint, les phénomènes de fluage et de retrait tendent à réduire les efforts de précontrainte initialement prévus pour maintenir le béton dans un état minimisant les forces de traction et donc la fissuration. La compréhension et la prédiction de ces phénomènes par le biais de modèles sont donc primordiales pour la conception et la maintenance à long terme des ouvrages du génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires.L’objectif de cette thèse est d’élaborer un cadre de modélisation micromécanique pour décrire de manière unifiée le retrait et le fluage dans les matériaux cimentaires. Pour cela, l’étude se base sur l’échelle de la microstructure poreuse du gel de C-S-H où les mécanismes intrinsèques de ces déformations différées du béton opèrent. Une approche d’homogénéisation numérique modélisant ces phénomènes dans des microstructures poreuses à morphologies quelconques est développée. Une description explicite du réseau poreux ainsi que de la phase liquide de l’eau pendant les processus de séchage/humidification est prise en compte. Les mécanismes concernant lesdéformations différées dans la phase solide sont modélisés par la théorie de la microprécontrainte-solidification (MPS). Les simulations à l’échelle microscopique sont réalisées par une approche originale couplant la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) et la méthode des éléments finis (FEM). La LBM est utilisée pour décrire la distribution du liquide capillaire à l’échelle du pore,tandis que la FEM est employée pour simuler la déformation du squelette solide sous l’action combinée de l’eau dans l’espace poreux et d’un chargement macroscopique.La démarche proposée permet, au travers des simulations, de mieux comprendre les mécanismes liés à la non saturation et aux effets capillaires dans les milieux poreux. En particulier, la prise en compte de morphologies réalistes de microstructures et des ménisques formés conduit à différents régimes de retrait/gonflement. Ainsi les effets de l’intensité de la pression capillaire,de la tension de surface et des surfaces de chargement sur la réponse élastique du squelette solide sont évalués. Enfin, nous proposons une extension des approches précédentes au cas d’un squelette viscoélastique se déformant sous les effets de la pression capillaire et des tensions de surface. A partir des observations numériques réalisées, nous proposons un modèle pour décrire le fluage et le retrait du gel de C-S-H de manière unifiée / In pre-stressed concrete structures, creep and shrinkage tend to reduce the pre-stress forces which are initially produced so as to maintain concrete in a state minimizing traction forces and then cracks. Understanding and predicting these phenomena through models are thus highly important for the design and durability of civil engineering structures, such as containment buildings in nuclear power plants.The objective of this thesis is to develop a micromechanical modeling framework to describe shrinkage and creep in cementitious materials in a unified manner. For this purpose, the study focuses on the scale of the porous structure of the C-S-H gel where the intrinsic mechanisms of delayed strains are active. A computational homogenization approach is developed to model these phenomena in porous structures with arbitrary morphologies. An explicit description of the porous network and of the liquid phase of water during the drying/humidification process is taken into account. The mechanisms related to delayed strains in the solid phase are modeled by the microprestress-solidification theory (MPS). The simulations at the microscale are conductedbased on an original approach coupling the Lattice Boltzmann method (LBM) and the finite element method (FEM). The LBM is used to describe the distribution of capillary water in the porous structure, whereas the FEM serves as modeling the strain of the solid skeleton under the capillary water effets and a macroscopic load.The proposed method allows, by means of the simulations, to better understand the mechanisms related to the capillary effects in the porous structure. More specifically, taking into account realistic morphologies of microstructures and of the formed menisci lead to different regimes of shrinkage/swelling. Then, the effects of capillary pressure intensity, of surface tension and of morphologies of capillary surfaces on the elastic response of the solid skeleton are evaluated. Finally, the above approaches are extended to the case of a viscoelastic solid deformed under the action of the capillary water. From numerical observations, we propose a model is proposed to describe the creep and shrinkage of C-S-H gel in a unified way

Dans ce travail, les risques naturels considérés concernent des mouvements de terrains qui résultent de deux phénomènes principaux : retrait et gonflement des sols argileux et l'affaissement à grand rayon lié à la présence des cavités souterraines. Ceux-ci provoquent des tassements différentiels du sol qui génèrent des désordres sur les constructions environnantes : dégâts et fissuration des murs porteurs en maçonnerie, particulièrement aux angles du bâti. Ces dégradations structurales induisent des conséquences économiques importantes dans le cas des maisons individuelles ; elles résultent d'un manque de résistance des maçonneries, du peu de raideur de leur système de fondation et du peu d'efficacité de leur système de contreventement. Cette recherche a pour objectif d'analyser la vulnérabilité du bâti et de proposer des méthodes de renforcement pour les constructions existantes ainsi que des recommandations de dimensionnement pour les constructions. Ces questions nécessitent une connaissance approfondie du phénomène des mouvements des terrains et des modalités de transfert de ces actions à une structure. Pour y répondre, quatre étapes principales ont été effectuées : une étude bibliographique, une analyse de l'interaction sol-structure, un développement d'une justification d'endommagement et d'une méthode de renforcement ou de dimensionnement ainsi qu'une analyse probabiliste des risques. L'étude bibliographique avec des analyses fonctionnelles et statistiques, d'abord, propose un profil de la maison sensible à l'aléa naturel et des cas typiques des désordres sur la construction. Le développement des modélisations par éléments finis ensuite permet d'étudier les phénomènes d'interaction sol-structure. L'analyse de l'interaction sol - structure, au moyen de modélisations par éléments finis, permet d'obtenir des sollicitations dans la maçonnerie. D'abord, des modèles analytique et numérique simplifiés ont été développés pour modéliser des structures simples telles une semelle filante, un système de semelles d'une fondation filante ou un mur en maçonnerie sur un sol élastique de type Winkler ou Boussinesq. Ensuite, des modélisations de structures plus complexes avec tous les éléments du bâti ont été effectuées en développant un code aux éléments finis particulier qui a permis de calculer des bâtiments en maçonnerie sur un sol de type Pasternak. En vue de développer une justification d'endommagement ainsi qu'une méthode de renforcement et de dimensionnement adaptée pour risque «mouvement de terrains », les travaux de recherche focalisent sur la distribution des sollicitations obtenues par des modélisations et analysent les domaines de validité de la démarche proposée par les Eurocodes EC6 et EC8 pour les murs de contreventement en maçonnerie confinée (chainée) ou armée. L'analyse probabiliste des risques, couplant les modèles aux éléments finis développés avec la méthode des simulations de Monte-Carlo, a permis d'étudier la vulnérabilité des maisons individuelles selon les caractéristiques structurales représentatives du bâti existant, dans les régions les plus touchées par les mouvements de terrains. Les résultats de cette analyse ont été unifiés, au sein d'une méthodologie globale de l'évaluation de la vulnérabilité de structures, à l'usage, d'une part, des pouvoirs publics dans l'établissement de cartographies SIG des risques, et d'autre part de la capacité des procédés de renforcement à l'usage des industries / In the present work, the considered natural hazards concern to ground movements resulting from two main phenomena : shrinkage and swelling of clay soils and ground subsidence due to the presence of underground cavities. These phenomena cause differential ground settlements which generate disorders on the structures erected in their neighborhood : damage and cracking of masonry load-bearing walls, especially at the building corners. These structural degradations cause important economic consequences and losses in the case of dwelling houses. These damages result from a lack of masonry resistance or a small stiffness of the foundation system as well as a limited effectiveness of bracing system.This research aims to analyze the vulnerability of buildings and to propose a reinforcement method for the existing constructions as well as design recommendations for structures. These topics require a thorough understanding of the ground movements phenomenon and their transfer as actions on a structure. For this purpose, four main steps were performed : a literature review, an analysis of soil-structure interaction, a development of a damage justification and a method for reinforcement or design, as well as a probabilistic analysis of risk.The literature review with functional and statistical analysis, as a first step, provides a profile of the house susceptible to natural hazard effects and typical cases of building disturbances. The development of finite element method is therefore considered in order to study soil-structure interaction.The analysis of the soil-structure interaction using finite element modeling provides stresses in the masonry. First, simplified analytical and numerical models have been developed for simple structures such as a strip footing, a system of strips foundation or a masonry wall lying on elastic soil (Winkler or Boussinesq). Afterwards, modeling of more complex structures with the whole building elements was made by developing a particular finite element code that allowed the calculation of masonry buildings on a Pasternak soil. To develop a damage justification as well as the reinforcement and design building methods suitable for risk of “ground movements”, this work focuses on the stresses distribution obtained by numerical models and analyzes the validity domain of the approach proposed by Eurocodes EC6 and EC8 for confined masonry or reinforced masonry. By coupling the developed finite element models with the Monte-Carlo method, the probabilistic analysis of risk allows to study the vulnerability of dwelling houses having representative structural characteristics of existing buildings, erected in areas that are the most affected by ground movements. The results of this analysis have been unified into a global methodology for assessing the vulnerability of structures. This methodology is used, in one hand, for the development of GIS mapping of risks and, in other hand, for the reinforcement processes

This diploma thesis deals with the experimental and numerical analysis of volume changes of fine-grained concrete. Experiments were carried out, measuring both the length changes as well as the mass losses and the internal temperature of the test specimens made from fine-grained concrete. The measurements were divided into two parts (phases). The first phase took approx. 72 hours. The second phase was focused on the long-term measurements and will be completed after stabilization of the mass losses and length changes. In the diploma thesis, the first phase of measurement was elaborated in detail, both in terms of experimental and numerical analysis. In addition, a C # .NET program was created to facilitate the processing of raw measurement data from the data logger. Finally, a comparative calculation was performed according to the model B4, where the result of the calculation was compared with the results of the experiment.

The diploma thesis deals with the determination of the influence of the maximum density of the cement matrix on the volume changes of concrete, the influence of different admixtures or their combinations on the development of hydration temperatures and on the water separation of concrete. The theoretical part describes the various types of volume changes of concrete, the effects of individual input components and mineral admixtures on water separation, hydration heat development and concrete microstructure. The experimental part is focused on monitoring not only the volume changes of concrete mixtures made using different types of admixtures or their suitable combination until the age of 60 days of maturation, but also the influence of their use on selected mechanical parameters of concrete such as compressive strength, concrete in its fresh state and monitoring changes in the microstructure from long-term aging mixtures.

The diploma thesis deals with influence of the used adhesive to large format tiles properties after installation. Properties on large format tiles were monitored by ultrasonic pulse velocity method. Hydraulic setting adhesives were tested in second part. Strength and modulus of elasticity were tested. The development of shrinkage over time was also monitored. The results were summarized in tabular and graphical form and were examined by simple statistical analysis to determine resulting conclusions.

The diploma thesis describes admixtures for concrete. It deals with the influence of admixtures on the properties of cement composites in the fresh and hardened state. The theoretical part described the individual components of concrete, where the main attention was focused to inert admixtures and their effect on mechanical properties, shrinkage, resistance of cement composites to aggressive medium. Furthermore, the effect of admixtures on concretes with recycled aggregates was described. In the first stage of the practical part, cement mortars with 25, 35 and 50% replacement of cement admixtures were created. In the second stage, concretes with admixtures and a minimum strength class of C30/37 and C50/60 were created. Finely ground granulated slag, micronized limestone and granite stone dust were used as admixtures in mortars and concretes. The change of properties in the fresh and hardened state was observed on cement composites.

Master’s thesis examines the effect of the shrinkage reducing additives on rheological properties of high-strength concrete. The first part is focused on high-strength concrete in terms of their composition and properties. The second part contains a detailed analysis of the cementitious composites shrinkage problems. Total shrinkage is divided into individual elementary shrinkages. For each of them there is a detailed description of causes and factors that affect their sizes. The next part describes the basic additives used to reduce the shrinkage of cementitious composites. The experimental part is focused on verifying the effectiveness of the shrinkage reducing additives during preparation of high-strength concrete. Usage of shrinkage drains for relative strain measurement enables to determine the process of shrinkage immediately after placing the concrete in the form and to obtain the overall curve of the hight-strength concrete volume changes during its setting and hardening. At the end of the thesis, there are overall analysis and summary of the results of the performed experiments.

In theory, this work is devoted to the principles and methods of measurement of volume changes of mortars and concretes. Emphasis is placed on cement self-levelling screeds with initial shrinkage compensation. In the practical part of the work is devoted to the development of prototype measuring system designed for non-contact detection of volume changes hydrating silicate. Using the new measurement method is also practically examined the influence of boundary conditions on hydration volume changes of selected silicate binders, cement mortar and cement levelling compound based on four different connective concepts. In the calculation, this work focuses on the numerical modelling of volume changes of the examined compounds.