A reação química entre os hidróxidos alcalinos presentes no cimento e fases minerais reativas presentes no agregado dá origem a um gel sílico-alcalino que ao adsorver água se expande, podendo causar expansão e fissuração do concreto, afetando a sua durabilidade. Este fenômeno é chamado de reação álcali-agregado (RAA) e embora seja conhecido há aproximadamente 70 anos no meio técnico, e principalmente estar relacionado às grandes barragens e estruturas de concretos diversas de Usina hidrelétricas, nos últimos anos outros tipos de estruturas têm sido afetadas, inclusive fundações de edifícios, deixando ainda mais o problema em evidência. As medidas preventivas para esta reação já são conhecidas há muito tempo e aplicadas rotineiramente em estruturas de usinas hidrelétricas quando se tem agregados reativos, sendo recentemente normalizadas no Brasil. Porém, ainda existem grandes carências em se combater o fenômeno quando já se encontra instalado no concreto. Diante do exposto, este trabalho, desenvolvido dentro do programa de P&D de Furnas/ANEEL, teve como principal objetivo verificar a potencialidade de compostos a base de Silanos através de testes laboratoriais com vistas à aplicação em concretos contendo agregados reativos na tentativa de minimizar as expansões residuais em estruturas que já se encontram afetadas. As atividades desenvolvidas contemplam ensaios em barras de argamassas que foram tratadas, em três etapas distintas, com compostos a base de silanos. A primeira etapa foi desenvolvida como projeto piloto, e seus resultados serviram de apoio para a realização das etapas seguintes. Nas segunda e terceira etapas foi verificada a atuação dos produtos na prevenção e na mitigação da RAA, respectivamente. Os resultados obtidos na primeira etapa não foram satisfatórios, pois as expansões foram maiores do que as da referência. Já para a segunda e terceira etapas, os procedimentos para aplicação dos tratamentos previram que as barras fossem tratadas sem que estivessem previamente expostas à solução de NaOH, conforme realizado na primeira etapa, o que possivelmente ocasionou o acréscimo das expansões, sem a eficiência do produto. Os resultados obtidos nessas etapas se mostraram eficientes tanto na prevenção quanto na mitigação das expansões residuais da RAA e, embora o lítio produza uma maior eficiência na redução das expansões, os tratamentos à base de silano, e principalmente do tipo octiltrietoxisilano, mostraram muito promissores. Após o lítio, o tratamento à base do silano OCTEO, no teor de 10%, com o surfactante tipo DMSO, em aplicação múltipla, se mostrou mais eficiente. Para complemento da parte experimental da pesquisa, foram realizados ensaios de absorção de água por imersão e análises por microscopia eletrônica de varredura e verificou-se o efeito dos produtos de tratamento nos poros das argamassas. / The chemical reaction between cement alkaline hydroxides and reactive silica present in some aggregates produces an alkaline silicate gel that expands when it adsorbs water and can cause concrete expansion and cracking, thereby affecting durability. This phenomenon is known as alkali-aggregate reaction (AAR) and was first detected over 70 years ago as the cause of deterioration especially in large dams and a number of other concrete structures in hydroelectric power plants in general. In recent years, AAR has also been noted in other types of structure, such as building foundations, bringing the problem more dramatically to the fore. Preventive measures for AAR have long been known and are routinely applied in hydroelectric power plant structures when there are reactive aggregates. These measures have been recently standardized in Brazil. Nevertheless there are still flaws in our knowledge regarding how to mitigate expansion when this phenomenon is already present in the concrete. Considering these aspects, the main purpose of this study, developed within Furnas/ANEEL Research and Development Program, is to verify, at laboratory level, the mitigating potential of silane compounds in residual expansion in affected mortars which contain reactive aggregates. Assays were performed on bars of mortar treated with silane compounds in three different stages. The first stage was developed as a pilot study with results serving as support for the following stages. The second and third stages verified the activity of the products in the prevention and mitigation of AAR, respectively. The results obtained in the first stage were unsatisfactory as the expansions were greater than the references. The second and third stage treatments required bars not previously exposed to NaOH, differently from the first stage and which may have been the cause of the increased expansion and product inefficiency. The results in these stages proved satisfactory both in preventing and mitigating AAR residual expansions, and although lithium is more efficient in reducing expansions, silane based treatments, mainly the octyltriethoxysilane types proved most promising. Following lithium, the most efficient treatment was 10% content OCTEO silane with a DMSO type surfactant applied in multiple layers. To complement the experimental part of the study, assays on water absorption through immersion were performed as well as scanning electron microscopy to verify the effect of the treatment products on the mortar pores.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-10-29Bitstream added on 2014-06-13T19:12:01Z : No. of bitstreams: 1 silva_djf_me_ilha.pdf: 2179863 bytes, checksum: 355cf90186323e4d66dfc92b04ecf1cc (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Várias pesquisas realizadas com compostos a base de lítio tem mostrado resultados satisfatórios na redução da expansão associada à reação álcali-sílica (RAS), mas ainda existem muitas dúvidas sobre seus mecanismos de ação. A presente pesquisa avaliou os efeitos de uma adição química a base de nitrato de lítio (LiNO3) na redução da expansão associada a RAS, utilizando várias dosagens. Os estudo dos efeitos do LiNO3 na RAS foi feito pelo método acelerado das barras de argamassa (ASTM C-1260) utilizando dois tipos de agregado reativo. Também foram realizados ensaios de expansão com uma adição mineral a base de cinza volante a fim de correlacionar os efeitos de uma adição mineral com uma química na redução da expansão devido a RAS. Ensaios de resistência à compressão e trabalhabilidade foram realizados também buscando algum efeito do LiNO3 nestas propriedades. Os resultados do ensaio ASTM C-1260 indicaram que as adições de lítio foram efetivas na redução da expansão para os dois tipos de agregados reativos, sendo que para as condições e materiais utilizados na presente pesquisa foi necessário uma de adição de LiNO3 com relação molar (Li2O/Na2Oeq) de 7,00 para reduzir a expansão ao valor aceitável pela norma de 0,10% aos 16 dias. Foi observado também intensidades de redução da expansão diferentes entre os dois tipos de agregados estudados devido a diferença de reatividade dos mesmos. Verificou-se um limite de adição de lítio para o basalto, onde não havia mais redução significativa de expansão com o aumento da dosagem de adição. Observou-se também que as misturas contendo LiNO3 reduziram a expansão ao longo dos 30 dias, enquanto nas misturas contendo FA a expansão continuou a aumentar ao longo do teste. Os ensaios de condição de trabalhabilidade e de resistência à compressão mostraram que o LiNO3 não afeta consideravelmente estas propriedades. / Lithium compounds have been shown satisfactory results for the reduction of the expansion due to alkali-silica reaction (ASR), but there are many doubts about its mechanisms of action. The present research evaluated the effects of a chemical addition to lithium nitrate based (LiNO3) on the reduction of expansion associated with ASR, utilizing several dosages. For the study of the effects of the LiNO3 on the ASR it was used the accelerated mortar bar method (ASTM C-1260), with two kinds of reactivate aggregate. Mortar bars were molded also with a mineral addition of fly ash based (FA) with the objective to compare the effects of a mineral addition with a chemistry on the expansion due ASR. Compressive strength and consistence index tests had been carried also for searching some effects of the LiNO3 at these properties. The results from ASTM C-1260 showed that the addition of LiNO3 were effective on the expansion reduction for two kinds of reactive aggregate, which current conditions and materials on this research required a LiNO3 addition with (Li/Naeq) of 7,00 molar ratio to decrease the expansion to an acceptable value of 0,10% on 16 days. Also, the intensity of the expansion reduction was observed between two kinds of studied aggregates by their reactivity difference. A lithium additive upper bound was verified for the basalt, where it did not have more significant reduction of expansion with the increase of the dosage of addition. Also, was observed that admixtures that contained LiNO3 have reduced the expansion trough 30 days, while on the admixtures that contained FA the expansion grew up. The results obtained for the compressive strength and consistence index tests showed no significant differences between mixtures with and without LiNO3 admixture.

A reação química entre os hidróxidos alcalinos presentes no cimento e fases minerais reativas presentes no agregado dá origem a um gel sílico-alcalino que ao adsorver água se expande, podendo causar expansão e fissuração do concreto, afetando a sua durabilidade. Este fenômeno é chamado de reação álcali-agregado (RAA) e embora seja conhecido há aproximadamente 70 anos no meio técnico, e principalmente estar relacionado às grandes barragens e estruturas de concretos diversas de Usina hidrelétricas, nos últimos anos outros tipos de estruturas têm sido afetadas, inclusive fundações de edifícios, deixando ainda mais o problema em evidência. As medidas preventivas para esta reação já são conhecidas há muito tempo e aplicadas rotineiramente em estruturas de usinas hidrelétricas quando se tem agregados reativos, sendo recentemente normalizadas no Brasil. Porém, ainda existem grandes carências em se combater o fenômeno quando já se encontra instalado no concreto. Diante do exposto, este trabalho, desenvolvido dentro do programa de P&D de Furnas/ANEEL, teve como principal objetivo verificar a potencialidade de compostos a base de Silanos através de testes laboratoriais com vistas à aplicação em concretos contendo agregados reativos na tentativa de minimizar as expansões residuais em estruturas que já se encontram afetadas. As atividades desenvolvidas contemplam ensaios em barras de argamassas que foram tratadas, em três etapas distintas, com compostos a base de silanos. A primeira etapa foi desenvolvida como projeto piloto, e seus resultados serviram de apoio para a realização das etapas seguintes. Nas segunda e terceira etapas foi verificada a atuação dos produtos na prevenção e na mitigação da RAA, respectivamente. Os resultados obtidos na primeira etapa não foram satisfatórios, pois as expansões foram maiores do que as da referência. Já para a segunda e terceira etapas, os procedimentos para aplicação dos tratamentos previram que as barras fossem tratadas sem que estivessem previamente expostas à solução de NaOH, conforme realizado na primeira etapa, o que possivelmente ocasionou o acréscimo das expansões, sem a eficiência do produto. Os resultados obtidos nessas etapas se mostraram eficientes tanto na prevenção quanto na mitigação das expansões residuais da RAA e, embora o lítio produza uma maior eficiência na redução das expansões, os tratamentos à base de silano, e principalmente do tipo octiltrietoxisilano, mostraram muito promissores. Após o lítio, o tratamento à base do silano OCTEO, no teor de 10%, com o surfactante tipo DMSO, em aplicação múltipla, se mostrou mais eficiente. Para complemento da parte experimental da pesquisa, foram realizados ensaios de absorção de água por imersão e análises por microscopia eletrônica de varredura e verificou-se o efeito dos produtos de tratamento nos poros das argamassas. / The chemical reaction between cement alkaline hydroxides and reactive silica present in some aggregates produces an alkaline silicate gel that expands when it adsorbs water and can cause concrete expansion and cracking, thereby affecting durability. This phenomenon is known as alkali-aggregate reaction (AAR) and was first detected over 70 years ago as the cause of deterioration especially in large dams and a number of other concrete structures in hydroelectric power plants in general. In recent years, AAR has also been noted in other types of structure, such as building foundations, bringing the problem more dramatically to the fore. Preventive measures for AAR have long been known and are routinely applied in hydroelectric power plant structures when there are reactive aggregates. These measures have been recently standardized in Brazil. Nevertheless there are still flaws in our knowledge regarding how to mitigate expansion when this phenomenon is already present in the concrete. Considering these aspects, the main purpose of this study, developed within Furnas/ANEEL Research and Development Program, is to verify, at laboratory level, the mitigating potential of silane compounds in residual expansion in affected mortars which contain reactive aggregates. Assays were performed on bars of mortar treated with silane compounds in three different stages. The first stage was developed as a pilot study with results serving as support for the following stages. The second and third stages verified the activity of the products in the prevention and mitigation of AAR, respectively. The results obtained in the first stage were unsatisfactory as the expansions were greater than the references. The second and third stage treatments required bars not previously exposed to NaOH, differently from the first stage and which may have been the cause of the increased expansion and product inefficiency. The results in these stages proved satisfactory both in preventing and mitigating AAR residual expansions, and although lithium is more efficient in reducing expansions, silane based treatments, mainly the octyltriethoxysilane types proved most promising. Following lithium, the most efficient treatment was 10% content OCTEO silane with a DMSO type surfactant applied in multiple layers. To complement the experimental part of the study, assays on water absorption through immersion were performed as well as scanning electron microscopy to verify the effect of the treatment products on the mortar pores.

Submitted by Flavio Hiochio Sato null (sato@dec.feis.unesp.br) on 2018-02-05T12:49:07Z No. of bitstreams: 1 FLAVIO SATO TESE ELETRICA_Final.pdf: 4905931 bytes, checksum: 7de4992b81a9e515eaf26a3c238221b5 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-02-05T18:40:28Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sato_fh_dr_ilha.pdf: 4905931 bytes, checksum: 7de4992b81a9e515eaf26a3c238221b5 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-05T18:40:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sato_fh_dr_ilha.pdf: 4905931 bytes, checksum: 7de4992b81a9e515eaf26a3c238221b5 (MD5) Previous issue date: 2017-12-08 / O desenvolvimento de sistemas capazes de monitorar e controlar informações estão sendo cada vez mais utilizados, permitindo maior refinamento e confiança nos resultados. Na área instrumental de laboratório, existem situações que exigem maior controle sobre o ensaio. Com o atual avanço na área de microprocessadores, microcontroladores, sensores inteligentes, entre outros, têm impulsionado a utilização dos mesmos na melhoria e confiabilidade de processos mecânicos, químicos, físicos, biológicos, de inteligência artificial, de melhoria de qualidade de vida de pessoas com deficiência. Os processos podem ser melhorados utilizando equipamentos que possuem sistemas embarcados capazes de processar informações e fazer o controle a partir de sistemas operacionais que antes só eram possíveis nos computadores. Na área das grandes estruturas de concreto não é diferente, deve-se monitorar algumas variáveis que resultam em uma manifestação patológica conhecida como reação álcali-agregado, que é um fenômeno de expansão que afeta a durabilidade e a resistência mecânica do concreto, este fenômeno está ligado à algumas variáveis, a umidade relativa interna é umas delas. Existem várias pesquisas no sentido de inibir as reações álcali-agregados, e é sabido que um importante passo antes do acontecimento da reação álcali-agregado em obras hidráulicas, como as usinas hidroelétricas é o monitoramento da umidade e da temperatura no interior do concreto e, acompanhamento das fissuras inerentes do processo de expansão. O presente trabalho implementou um sistema de monitoramento de baixo custo, de temperatura e umidade para estruturas de concreto de barragens hidroelétricas, demonstrando a desnecessidade de monitoramento da umidade relativa por esta já estar a 100% no interior do concreto, paralelamente, desenvolveu-se um sistema de automação em usinas hidroelétricas para o controle dos deslocamentos desta reação, foi feito o levantamento das técnicas de correlação de imagens digitais (CID) e contatou-se que é promissor desde que o processamento dos programas de refinamento das imagens acompanhe a tecnologia de câmeras com alta resolução. / The development of systems able to monitor and control information is increasingly being used, allowing greater refinement and confidence in results. In the instrumental area of the laboratory, there are situations that require greater control over the test. With the current progress in the area of microprocessors, microcontrollers, intelligent sensors, among others, have encouraged the use of these in the improvement and reliability of mechanical, chemical, physical, biological, artificial intelligence, improving the quality of life of people with deficiency. Processes can be improved by using equipment that has embedded systems that can process information and control from operating systems that were previously only possible on computers. In the area of large concrete structures is not different, it is necessary to monitor some variables that result in a pathological manifestation known as alkali-aggregate reaction, which is an expansion phenomenon that affects the durability and the mechanical resistance of the concrete, this phenomenon is connected to some variables, the relative humidity is one of them. There are several researches to inhibit alkali-aggregate reactions and is known that an important step before the occurrence of the alkali-aggregate reaction in hydraulic works such as hydroelectric plants is the monitoring of humidity and temperature inside the concrete and, the inherent fissures of the expansion process. The present work implemented a low cost, temperature and humidity monitoring system for concrete structures of hydroelectric dams, demonstrating the lack of relative humidity monitoring because it is already 100% inside the concrete, in parallel, a system of automation in hydroelectric power plants to control the displacements of this reaction, a survey of digital image correlation techniques (DIC) was made and it has been contacted since the processing of image refinement programs accompanies the technology of cameras with high resolution.

Resumo: Várias pesquisas realizadas com compostos a base de lítio tem mostrado resultados satisfatórios na redução da expansão associada à reação álcali-sílica (RAS), mas ainda existem muitas dúvidas sobre seus mecanismos de ação. A presente pesquisa avaliou os efeitos de uma adição química a base de nitrato de lítio (LiNO3) na redução da expansão associada a RAS, utilizando várias dosagens. Os estudo dos efeitos do LiNO3 na RAS foi feito pelo método acelerado das barras de argamassa (ASTM C-1260) utilizando dois tipos de agregado reativo. Também foram realizados ensaios de expansão com uma adição mineral a base de cinza volante a fim de correlacionar os efeitos de uma adição mineral com uma química na redução da expansão devido a RAS. Ensaios de resistência à compressão e trabalhabilidade foram realizados também buscando algum efeito do LiNO3 nestas propriedades. Os resultados do ensaio ASTM C-1260 indicaram que as adições de lítio foram efetivas na redução da expansão para os dois tipos de agregados reativos, sendo que para as condições e materiais utilizados na presente pesquisa foi necessário uma de adição de LiNO3 com relação molar (Li2O/Na2Oeq) de 7,00 para reduzir a expansão ao valor aceitável pela norma de 0,10% aos 16 dias. Foi observado também intensidades de redução da expansão diferentes entre os dois tipos de agregados estudados devido a diferença de reatividade dos mesmos. Verificou-se um limite de adição de lítio para o basalto, onde não havia mais redução significativa de expansão com o aumento da dosagem de adição. Observou-se também que as misturas contendo LiNO3 reduziram a expansão ao longo dos 30 dias, enquanto nas misturas contendo FA a expansão continuou a aumentar ao longo do teste. Os ensaios de condição de trabalhabilidade e de resistência à compressão mostraram que o LiNO3 não afeta consideravelmente estas propriedades. / Abstract: Lithium compounds have been shown satisfactory results for the reduction of the expansion due to alkali-silica reaction (ASR), but there are many doubts about its mechanisms of action. The present research evaluated the effects of a chemical addition to lithium nitrate based (LiNO3) on the reduction of expansion associated with ASR, utilizing several dosages. For the study of the effects of the LiNO3 on the ASR it was used the accelerated mortar bar method (ASTM C-1260), with two kinds of reactivate aggregate. Mortar bars were molded also with a mineral addition of fly ash based (FA) with the objective to compare the effects of a mineral addition with a chemistry on the expansion due ASR. Compressive strength and consistence index tests had been carried also for searching some effects of the LiNO3 at these properties. The results from ASTM C-1260 showed that the addition of LiNO3 were effective on the expansion reduction for two kinds of reactive aggregate, which current conditions and materials on this research required a LiNO3 addition with (Li/Naeq) of 7,00 molar ratio to decrease the expansion to an acceptable value of 0,10% on 16 days. Also, the intensity of the expansion reduction was observed between two kinds of studied aggregates by their reactivity difference. A lithium additive upper bound was verified for the basalt, where it did not have more significant reduction of expansion with the increase of the dosage of addition. Also, was observed that admixtures that contained LiNO3 have reduced the expansion trough 30 days, while on the admixtures that contained FA the expansion grew up. The results obtained for the compressive strength and consistence index tests showed no significant differences between mixtures with and without LiNO3 admixture. / Orientador: Jorge Luís Akasaki / Coorientador: Haroldo de Mayo Bernardes / Banca: Marco Antonio Morais Alcantara / Banca: Vladimir Antonio Paulon / Mestre

A reação álcali-agregado é uma patologia do concreto conhecida há mais de 60 anos no meio técnico, e envolve os álcalis, provenientes em maior parte do cimento, e certos constituintes mineralógicos dos agregados. O produto desta reação é um gel higroscópico, que, em contato com a água, aumenta de volume consideravelmente. Os danos decorrentes da reação envolvem principalmente o desenvolvimento de um quadro de fissuração intenso, o que acarreta outras diversas manifestações patológicas, e movimentações de peças estruturais. Os relatos mais freqüentes de ocorrência da reação sempre foram em estruturas hidráulicas, tais como as barragens, em função do permanente contato com a água. Entretanto, nos últimos anos, diversos outros tipos de estruturas têm sido afetados, inclusive fundações de edificios, deixando o problema em evidência. O único modo de combater a reação é prevení-la através do uso de adições minerais, e para tal se faz necessário avaliar o agregado em questão, dispondo de um método de ensaio confiável. Este trabalho buscou analisar um dos métodos de ensaio mais utilizados no mundo todo para avaliar a reação álcali-agregado, a ASTM C 1260. Foram modificados alguns parâmetros de moldagem para verificar a influência destes nos resultados de expansão fornecidos pelo ensaio. Avaliaram-se os fatores: relação água/cimento, consistência da argamassa e forma do grão de agregado, e no total foram conduzidos 63 diferentes ensaios de expansão para analisar a influência destes fatores. Ensaios auxiliares foram realizados para justificar os resultados, e utilizou-se tratamento estatístico para verificação da validade dos mesmos. Foi observado que a forma de britagem do agregado, para posterior realização do ensaio, interfere diretamente nas condições de moldagem. E, o mais importante: isto resulta em expansões diferenciadas na idade de avaliação do agregado. Para evitar classificações errôneas de agregados através do uso da ASTM C 1260, uma norma usada em vários países, sugere-se que sejam fixados o maior número possível de parâmetros de moldagem. / The alkali-aggregate reaction 1s a concrete pathology known for more than 60 years, involving the alkalis (mostly from the cement), and some mineralogical components of the aggregates. The product o f this reaction is a hygroscopic gel that, in contact with water, has its volume greatly increased. The damage resulting from this reaction is mainly a situation of intense craking, which causes other pathological manifestations and movements of the structure. The most frequent reports o f this reaction have always been in hydraulic structures, such as dams, caused by the permanent contact with water. However, in the last few years, many other kinds of structures have been affected, including building foundations; which brought the problem to international evidence. The only way to prevent the expansion caused by the reaction is the use o f mineral admixtures as a substitute o f part o f the cement content, but first it is necessary to evaluate the aggregate in use, with a satisfactory test method. This work' s purpose is to analyze one o f the test methods commonly used throughout the world to evaluate the alkali-aggregate reaction, the ASTM C 1260. Some molding parameters have been modified so as to check their influence on the results of expansion obtained through this test. These factors have been evaluated: water/cement ratio, mortar consistency and shape of the aggregate particle. A total of 63 different tests of expansion were conducted to evaluate their influence. Additional tests were done so as to justify the results, and statistical analysis was used to validate the results. It was observe that the way the aggregate is crushed, for subsequent execution of the test, directly interferes in the conditions of molding. And, the most important: the way the aggregate is crushed results in different expansions and it is increased with the age of the evaluation of the test. To prevent a erroneous classification o f the aggregates through the use of ASTM C 1260, a standard used in many countries, it is suggested that test conditions should be better defined.

Over the last decades, numerous techniques have been proposed worldwide to assess the actual damage of critical concrete infrastructure. A method that has progressively been used in North America is a novel microscopic tool, the Damage Rating Index (DRI). This semi-quantitative petrographic tool was developed to reliably appraise both the nature and degree of damage in concrete affected by alkali-silica reaction (ASR), which may threaten the serviceability and the durability of concrete infrastructure around the world. Performing the DRI consists of counting numerous distress features (i.e. closed and open cracks in the aggregate and cement paste) encountered on the surface of polished concrete sections (lab-made specimens or cores extracted from field structures) using a stereomicroscope at 16x magnification; once recognized and counted, the distinct distress features are multiplied by weighting factors whose purpose is to balance their relative importance towards the distress mechanism under consideration (e.g., ASR). Although reliable and efficient, performing the DRI is exceptionally time-consuming, and its results are highly operator sensitive, requiring an experienced petrographer. Therefore, this study proposes using artificial intelligence (AI) through machine learning (ML) techniques to automate the DRI test protocol estimating the damage degree of concrete affected by ASR. The ML subfield known as Deep Learning (DL) was implemented to create human-like intelligence connections using a Convolutional Neural Network (CNN) algorithm, which can predict the DRI results (machine assessment) that are close to those expected (human assessment. This research is divided into two phases: 1) performing cracks recognition using sliding windows and 2) an advanced pixel recognition. In the first phase, the results displayed some inconsistencies in cracks classification; yet, for cracks identification in the cement paste, in particular, this method presented promising results. However, the advanced pixel recognition improved the drawbacks of the first phase, providing a more accurate cracks recognition and classification. The DRI number estimation was subsequently implemented into the CNN model achieving a 74.4% accuracy. Hence, the DRI automation is a revolutionary step towards a more ubiquitous use of the method since less time is required to perform the task, besides avoiding variability among petrographers and enabling non/less experienced professionals to take advantage of this powerful microscopic tool. With a more widely accessible diagnostic tool, ASR-affected critical concrete infrastructure could be more efficiently assessed, which would ultimately increase their safety.

Alkali-Aggregate Reaction (AAR) is one of the most harmful distress mechanisms affecting the serviceability and durability of concrete critical infrastructure worldwide. Over the past decades, several approaches and recommendations have been developed to assess the potential reactivity of aggregates in the laboratory and the efficiency of preventive measures (e.g., supplementary cementing materials – SCMs) to mitigate ASR in the field. Yet, recent findings suggest that the appropriate use of SCMs “only” delayed and does not entirely prevent ASR occurrence. Moreover, once ASR starts in the field, there is no “universal” solution that should be applied in various cases, and each situation should be evaluated as “unique”. Nevertheless, artificially triggering healing agents have been studied in the late years, thus presenting an interesting “physical” solution to reduce the ingress of water and recover damaged concrete elements, which could present an interesting solution for durability-related distress due to ASR. This Ph.D. project focuses on detailed laboratory investigations aiming first to understand the self-healing process of concrete (i.e., by the natural or engineered process). Then, its further influence on ASR-induced expansion and deterioration, either applied internally or externally to the concrete. To achieve this goal, concrete mixtures presenting a wide range of binder compositions, using distinct types of chemical admixtures (e.g., crystalline self-healing), and incorporating five different types/nature of highly reactive aggregates (i.e., coarse and fine) were combined to manufactured concrete specimens in the laboratory. Otherwise, in aging specimens, concrete samples were designed only with GU-cement as the binder material but incorporated two different types/nature of highly reactive aggregates. Then, the samples were exposed to ASR-induced development until they reached pre-determined expansion levels, in which a wide range of sealers and coating materials were applied on the surface of the affected specimens. Mechanical (i.e., stiffness damage test, modulus of elasticity, micro indentation, shear and compressive strengths) and microscopic (damage rating index and scanning electron microscopy) tests were performed on samples at different ages (up to two years of accelerated ASR development). The results show that besides changing AAR-kinetics, the different binder compositions or the chemical admixtures could modify the distress mechanism due to AAR. The addition of crystalline healing agents or their combination with SCMs in concrete not only delayed the development of inner damage but significantly lowered the compressive strength loss at equivalent expansion amplitudes than control specimens. Moreover, the combination of different binder materials modified the chemical and mechanical properties of the ASR-gel, changing its swelling properties and the further damage development in concrete. On the other hand, the wide range of surface treatments used were not able to alter ASR distress mechanism; yet, they changed ASR-kinetics. Moreover, their effectiveness to slower the reaction shows to be significantly influenced by the damage degree to which the surface treatment is applied. Finally, a comprehensive framework enabling the optimized selection of raw materials to prevent or mitigate ASR development is proposed.

Concrete is the most widely used construction material worldwide, yet, it presents major sustainability drawbacks due to the CO2 released during the manufacturing of its main constituent, cement. Several approaches are used to improve concrete’s eco-efficiency and reduce the binder intensity index, a metric used to measure the eco-efficiency of concrete, to a value below that of conventional concrete mixtures (i.e., 10 kg/m3.MPa-1 for 25-40 MPa mixtures). Particle Packing Models (PPM) is consequently an approach that can be used to enhance system packing density, reducing cement content while increasing hardened state properties and durability (i.e., reducing porosity). However, packed mixtures normally present issues in the fresh state while their hardened state performance is not fully comprehended. Therefore, this Ph.D. project proposes a new mix-design method called PPM-MP approach to develop eco-efficient mixtures. First, a detailed laboratory investigation was conducted on mixtures developed using the proposed approach in order to understand their fresh and hardened state performance. Concrete samples containing distinct ranges of cement content (320, 250, 200, 150 kg/m3) and slump (180, 90, and 20 +/- 20 mm) were fabricated and a wide range of fresh state tests (pH, temperature, fresh density, air content, slump and rheology over time) and hardened state tests (apparent porosity, surface electrical resistivity, compressive strength, and modulus of elasticity) were performed over time. Then, its performance against the alkali-silica reaction (ASR) induced expansion and deterioration, which is one of the leading and most damaging distress mechanisms issues in durability, was evaluated. In this section of the project, four sustainable concrete mixtures developed with varying cement content (e.g., 325, 250, 200, and 150 kg/m3) were developed and compared to a control mixture containing 420 kg/m3 of cement content. The mixtures were tested over a year under Concrete prism test (CPT) setup, which is the current method used to evaluate concrete ASR and using three different non-boosted test setups (i.e., Wrapped - W, Soaked - S, and Encapsulated - E). Moreover, two distinct types of highly reactive aggregates (e.g., Springhill Greywacke coarse aggregate and Texas Polymictic sand) were selected. Microscopic analysis was used to better understand the impact of ASR on sustainable mixtures, as well as the differences in ASR-damage and crack propagation under different test protocols. The results show the feasibility of producing an eco-efficient mixture in a more efficient manner which may contribute to the Net Zero Concrete targets. The proposed PPM-MP approach improves the sustainability of concrete mixtures and can be used for specific projects requiring 28-day compressive strength ranging from 18 to 45 MPa and slumps (180, 90, and 20 +/- 20 mm).

A reação álcali-sílica é uma patologia de origem química que ocorre em estruturas de concreto. A partir desta reação há a formação de um gel de álcali-sílica que em contato com a água provoca expansão e deformação da estrutura. Esta patologia traz muitos transtornos e prejuízos, principalmente em obras que estão em contato direto com a água (barragens, pontes, piers, etc) e a possibilidade de prever o comportamento e deformações em uma estrutura desse porte é de grande valia. Neste trabalho é feita a modelagem da percolação d\'água em meio poroso por meio do método dos elementos finitos, sem movimentação de malha e fazendo uso de função Heaviside contínua para a percolação. A modelagem da reação álcali-sílica é feita por meio de um modelo paramétrico, com alteração para contemplar regimes não uniformes de umidade e sua interferência na taxa de expansão. A modelagem do campo mecânico é feita pelo Método dos Elementos Finitos Posicional. / The alkali-silica reaction (ASR) is a pathology that occurs in concrete structures. Such pathology creates an alkali-silica gel that when in contact to water promotes expansion and strain on a affected structure. Most buildings that are susceptible to this fenomena are the ones in contact with water, such as dams, piers and bridges. The possibility to predict the ASR behavior and total strain developed would be helpful. In this work, finite element method with fixed mesh is employed to model seepage in a porous media. Also, it\'s used a Heaviside function for the percolation coefficient. The modeling of the alkali-silica reaction is done by a parametric model, modified to non-uniform humidity conditions and it\'s interference on the expansion rate. The modeling of the mechanical field is done by the Positional Finite Element method.