Over the past decades, several new technologies/materials (such as WMA, RAP, rubber, polymers, bio-binders…etc.) were incorporated into asphalt mixtures. However, current mix-design specifications evaluate all mixtures containing these different additives/technologies based on volumetric. Further, RAP incorporation in asphalt mixtures is still limited, and the influence of lowered production temperatures on RAP contribution in RAP-WMA mixtures is understudied. To tackle these issues, this study presents a comprehensive evaluation of the effect of production factors ( RAP content and source, binder grade, and production temperatures) on the effective binder in WMA-RAP mixtures, and the role of the effective binder in controlling mixture performance.The experimental program included evaluation of the compaction, cracking, and rutting performance of WMA-RAP mixtures produced with a different combination of the production factors. The Semi-Circular Bend (SCB) test at intermediate temperatures was used for cracking evaluation, while the Indirect Tension Test at High Temperatures (IDT-HT) was used for rutting evaluation. Further, the study included rheological characterization of extracted binder from the mixtures to investigate the role of the effective binder on cracking performance. The results showed that the effective binder properties are changed significantly with changes in the production factors, as measured by the extracted binder rheological properties. Also, the properties of the effective binder showed a direct control of the mixture performance as measured by the IDT-HT strength and the flexibility index obtained from the SCB test. Binder selection limits were developed for lab-produced WMA-RAP mixtures based on the Glover-Rowe parameter. Finally, a validation study was conducted using data from four different projects, including a field project in Texas, FHWA’s accelerated loading facility, a laboratory mixture study in Wisconsin, and a New Hampshire DOT study to confirm the refine the findings of this study. / Civil Engineering

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Dans le cadre du développement de nuances d’aciers toujours plus performantes en termes de résistance à l’effort et à l’endommagement, les aciers Dual-Phase (DP) présentent un bon compromis résistance/ductilité. Cependant, il est nécessaire de disposer de meilleures connaissances concernant les mécanismes menant à la rupture de tels aciers. Les mécanismes d’endommagement ont ainsi été étudiés dans cette thèse à l’aide de la tomographie aux rayons X. Des essais de traction in-situ ont été réalisés sur plusieurs nuances d’aciers DP, un acier ferritique et un acier martensitique afin de caractériser chaque étape de l’endommagement ductile. Des observations qualitatives et des données quantitatives concernant la germination de l’endommagement, la croissance des cavités et la coalescence ont été recueillies lors de ces essais. Ces données quantitatives ont ensuite été utilisées pour le développement et/ou la validation de modèles d’endommagement. Une prédiction de la cinétique de germination a ainsi été proposée et la version du modèle de croissance de cavités de Rice et Tracey corrigée par Huang et prenant mieux en compte l’effet de la triaxialité a été validée expérimentalement. L’étape de coalescence des cavités menant à la rupture des matériaux a pour la première fois été caractérisée de façon quantitative dans un matériau industriel et des critères de coalescence ont été appliqués localement sur les couples de cavités présentes dans le matériau. L’utilisation de ces modèles analytiques a permis une meilleure compréhension des propriétés agissant sur les phénomènes mis en jeu. L’effet de la part cinématique de l’écrouissage sur la germination et la croissance de l’endommagement a notamment été souligné et validé par des essais de chargements complexes. / As part of the current context of requiring ever more efficient grades of steels in terms of resistance to stress and to damage, the Dual-Phase steels (DP) present an acceptable strength/ductility compromise. It is nevertheless necessary to have a better understanding of the mechanisms leading to the fracture of such steels. Damage mechanisms were studied in this PhD using X-ray tomography. In-situ tensile tests were carried out on several grades of DP steel, a ferritic steel and a martensitic steel in order to characterize each step of ductile damage. Qualitative observations and quantitative data on the nucleation of damage, the void growth and the coalescence of cavities were collected during these tests. This quantitative data was then used for the development and/or the validation of damage models. A prediction of the kinetic of nucleation was proposed and the Huang’s correction of the void growth model of Rice and Tracey accounting for the triaxiality was experimentally validated. For the first time, the step of void coalescence leading to fracture of materials was quantitatively characterized in an industrial material and coalescence criteria were locally applied on couples of neighboring cavities present in the studied specimen. The use of analytical models enabled a better understanding of the properties influencing the studied damage phenomena. The effect of the kinematic part of the strain hardening on void nucleation and void growth was notably emphasized and validated by performing complex loading tests.

Im Rahmen umfangreicher experimenteller Untersuchungen wurden die Bruchspannungen für Textilbeton unter einaxialer, einsinniger Zugbelastung ermittelt. Im Ergebnis liegen variierende Daten vor, die auf eine nichtdeterministische (unscharfe) Bruchspannung hinweisen. Die Versuchsergebnisse stellen eine moderate Datenbasis für eine statistische Auswertung und Quantifikation der Unschärfe dar. Zur Berücksichtigung der unscharfen Bruchspannung bei der Bemessung mittels einfacher Handrechnungen muss ein deterministischer Sicherheitsabstand eingeführt werden. Der Sicherheitsabstand wird in den derzeit gültigen Normen mit Teilsicherheitsbeiwerten festgelegt, die ein ebenso normativ vorgegebenes Sicherheitsniveau gewährleisten sollten. In diesem Kontext werden im Beitrag auf der Basis von Zuverlässigkeitsbetrachtungen ermittelte Teilsicherheitsbeiwerte für Textilbeton mit AR-Glas- und Carbon-Bewehrung vorgeschlagen. / In the framework of a comprehensive experimental program the ultimate strength of textile reinforced concrete has been determined under consideration of uniaxial tensile load. In result varying data are available which indicate a non-deterministic (uncertain) strength. The experimental results provide a moderate basis for statistical evaluations and the quantification of uncertainty. Furthermore, manual calculation in structural design requires a certain safety distance. For this task, partial safety factors have been defined and incorporated in the design codes to ensure a predefined safety level. In this context, this paper gives suggestions for the definition of partial safety factors for textile reinforced concrete with AR glass and carbon reinforcement.

Hochduktile Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) und Textilbetone (engl.: Textile Reinforced Concrete – TRC) sind zwei neuartige Faserbetone, die ein duktiles und dehnungsverfestigendes Zugverhalten aufweisen. SHCC bestehen aus feinkörnigen Zementmatrizen und kurzen Hochleistungspolymerfasern, während TRC eine Kombination aus feinkörnigen Zementmatrizen und kontinuierlichen zwei- oder dreidimensionalen Textilschichten darstellt. Letztere bestehen aus Multifilamentgarnen aus Kohlenstoff, alkalibeständigem Glas oder Polymerfasern. Die hohe elastische Verformbarkeit beider Verbundwerkstoffe bis zum Erreichen der Zugfestigkeit entsteht aus der sukzessiven Bildung multipler feiner Risse. Neben der hervorragenden Risskontrolle und Duktilität weisen diese Verbundwerkstoffe ein hohes Energieabsorptionsvermögen auf, was in Bezug auf kurzzeitdynamische Belastungen eine durchaus erstrebenswerte Eigenschaft darstellt. Obwohl SHCC eine höhere Dehnungskapazität als herkömmliche TRC zeigen, weisen die Textilbetone eine erheblich höhere Zugfestigkeit auf. Darüber hinaus besitzen die textilbewehrten Betone deutlich niedrigere Einflüsse von Anwendungstechnologie und Maßstab auf das Zugverhalten, d. h. eine bessere Robustheit. Daher stellt die Kombination dieser beiden Bewehrungskonzepte einen vielversprechenden Ansatz dar. Während die Kurzfasern für eine bessere Risskontrolle und Erstrissfestigkeit sorgen, sichern die Textilgelege eine hohe Zugfestigkeit sowie Steifigkeit im gerissenen Zustand und eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte in der Verstärkungsschicht bzw. im Bauteil. Dieser synergetische Effekt kann jedoch nur durch eine zielgerichtete Materialentwicklung erreicht werden, die eine grundlegende Materialcharakterisierung unter verschiedenen Belastungsszenarien erfordert. Im Rahmen des DFG-finanzierten Graduiertenkollegs GRK 2250 „Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite“ werden duktile und Impakt resistente Komposite entwickelt, charakterisiert und erprobt, die als dünne Verstärkungsschichten auf bestehende Konstruktionen bzw. Bauelemente aufgetragen werden und dadurch deren Widerstandsfähigkeit und Resilienz gegen extreme kurzzeitdynamische Beanspruchungen signifikant erhöhen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des A3-Projektes innerhalb des GRK 2250/1 erzielt. Ziel dieser Arbeit war es, die grundlegenden mechanischen Eigenschaften und die Dehnratenabhängigkeit von mineralisch gebundenen Kompositen mit hybrider Faserbewehrung zu erfassen und zu beschreiben. Das Forschungskonzept besteht aus systematischen und parametrischen Untersuchungen der einzelnen Komponenten (Faser, Textil, zementgebundene Matrix), ihres Verbundes und der entsprechenden Verbundwerkstoffe. Hierfür wurden zweckbestimmte Prüfkonfigurationen und dreidimensionale Messverfahren angewandt, die in anderen Projekten des GRK 2250/1 entwickelt wurden. Außer uniaxialen, quasistatischen und dynamischen Zugversuchen wurden quasistatische und dynamische Einzelgarnauszugsversuche durchgeführt. Die wichtigsten untersuchten Materialparameter waren die Art der Kurzfaserbewehrung und der Textilien (Material, geometrische und Oberflächeneigenschaften, Art der Tränkung usw.). Auf Basis der mechanischen Experimente wurde ein analytisches Modell eingesetzt und angepasst, dass das Zugverhalten solcher Komposite in Abhängigkeit von verschiedenen Materialparametern abbilden soll. Zusätzlich zu der detaillierten Beschreibung der Materialeigenschaften, der maßgebenden Mechanismen und synergetischen Effekte bilden die erzielten Ergebnisse eine umfangreiche experimentelle Basis für eine empirische und Modell gestützte Weiterentwicklung und Optimierung dieser Verbundwerkstoffe mit Hinblick auf wirtschaftliche und ökonomische Aspekte. / Strain-hardening cement-based composites (SHCC) and textile-reinforced concrete (TRC) are two novel types of fiber-reinforced cementitious composites that exhibit ductile, strain-hardening tensile behavior. SHCC comprises fine-grained cementitious matrices and short, high-performance polymer fiber, while TRC is a combination of a fine-grained, cementitious matrix and continuous two- or three- dimensional textile layers of multi-filament yarns, usually made of carbon or alkali-resistant glass. Both composites yield high inelastic deformations in a strain-hardening phase due to the successive formation of multiple fine cracks. Such cracking behavior stands for high energy absorption of the composites when exposed to extreme loading, without abrupt loss of load-bearing capacity. In comparative terms, SHCC shows superior strain capacity, while TRC yields considerably higher tensile strength. The addition of short fibers strengthens the matrix by efficiently restraining the micro-cracks’ growth and reducing spallation, while the textile reinforcement ensures a secure confinement of the reinforced concrete element (substrate to be strengthened), as well as a favorable stress distribution. The combination of SHCC and textile reinforcement is expected to deliver high tensile strength and stiffness in the strain-hardening stage along with pronounced multiple cracking. In order to achieve a favorable synergetic effect, a purposeful material design is required based on a clear understanding of the mechanical interactions in the composites. In the framework of the DFG Research Training Group GRK 2250, which aims at enhancing structural impact safety through thin strengthening layers made of high-performance mineral-based composites, this work focuses on developing hybrid fiber-reinforced cementitious materials to be applied on the impact rear side. The development concept builds upon a systematic investigation of various aspects of the mechanical behaviors of SHCC and textile at quasi-static and impact strain rates, including the bond properties of fiber to matrix and textile to matrix. Accordingly, uniaxial quasi-static tension tests were first performed on SHCC, bare textile, and hybrid-reinforced composite specimens. The parameters under investigation were types of short fiber and textile reinforcements, reinforcing the ratio for textile as well as bond properties between textile and the surrounding SHCC. Furthermore, impact tension tests were performed to study the strain rate effect on the synergetic composite response. Finally, single-yarn pull-out tests were carried out under both quasi-static and impact loading rates to supplement the comparative assessment of the hybrid fiber-reinforced composites. These tests yielded shear strength-related parameters for quantifying the bond properties of different materials, which were then used as input of the analytical model developed to describe the mechanics of crack propagation and tension stiffening effect of textile-reinforced composites without short fibers. This model is the first step towards a comprehensive analytical description of the tensile behavior of hybrid fiber-reinforced composites based on the experimental data and input parameters attained through the work at hand.

Hochduktiler Beton ist ein mit kurzen Kunststofffasern bewehrter Hochleistungs-verbundwerkstoff auf Zementbasis, der unter Zugbelastung eine hohe nichtelastische Verformbarkeit und ein verfestigendes Materialverhalten aufweist. Dieses Verhalten wird durch die Zugabe von diskontinuierlich verteilten Kurzfasern aus Kunststoff erzielt. In der vorliegenden Arbeit wurden einachsige Bauteilzugversuche durchgeführt auf deren Basis das globale und lokale Zugtragverhalten der großformatigen Versuchskörper beschrieben werden kann. Ausgangspunkt sind experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten des Stabstahls und des hochduktilen Betons sowie zu deren gemeinsamen Verbundverhalten. Die Untersuchungen zeigen, dass der Herstellungsprozess das Betongefüge und damit auch das mechanische Verhalten von hochduktilem Beton beeinflusst und dieser auf Grund seiner Zusammensetzung ein ausgeprägtes Schwindverhalten aufweist. Beides muss bei der Untersuchung großformatiger Versuchskörper berücksichtigt werden. Dazu wurden sowohl unbewehrte als auch bewehrte Dehnkörper mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt unter kontrollierten Herstellungsbedingungen in einem konventionellen Mischwerk hergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung erlauben die Abbildung des Last-Verformungsverhaltens unter Berücksichtigung der hohen Schwindmaße durch isoliert ermittelte Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des hochduktilen Betons und des reinen Stahls. Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Beschreibung des kombinierten Tragverhaltens unter Berücksichtigung der rissüberbrückenden Wirkung der Fasern. / SHCC is an advanced construction material developed especially for strain-hardening, quasi-ductile behaviour. Both are achieved through the combined interaction of short polymer fibres dispersed in the cementitious matrix. The resulting tensile behaviour of SHCC is characterized by a progressive formation of multiple cracks and high strain capacity, which influences the structural behaviour especially in combination with steel reinforcement. This thesis reports on experimental investigations to analyse the load-bearing behaviour of R/SHCC members. The investigations included the determination of relevant material properties as well as uniaxial tension tests on steel reinforced slab elements. The aim was to study the effect of multiple cracking on the bond interaction with steel reinforcement and their combined load-deformation behaviour. Specific attention was also given to the influence of the production process and shrinkage behaviour of SHCC. It was shown that production and size related changes of material properties influence the cracking behaviour of SHCC, which can lead to a significant reduction of tensile strain capacity in a structural element. The interaction with steel reinforcement, on the other hand, was found to facilitate multiple cracking and enhance tensile strain capacity during the stage of elastic steel deformations. However, a mutual dependency of SHCC fracture and plastic steel deformations could be observed in the post-yielding stage of the steel rebar. The experimental results were discussed with respect to their implications for constitutive modelling of the tensile load-bearing behaviour. The resulting relationships are based upon the individual material behaviour as well as their bond interaction. Further to that, the effects of SHCC shrinkage and early strain-hardening of steel reinforcement were assessed based on the experimental data. These results contribute to the understanding of the mechanical processes in order to determine the behaviour of steel reinforced SHCC for practical applications.

L’excellente coulabilité, les coûts de production relativement bas, et ratio poids/résistance mécanique élevé des alliages de fonderie Al-Si-Mg en font une des solutions les plus intéressantes dans le secteur automobile ainsi que dans le domaine aérospatial. Toutefois, il est bien connu que la durée de vie de ces composants moulés à grand nombre de cycles (105 < Nf < 107 cycles) est sévèrement réduite lorsque des défauts de fonderie (notamment pores et oxydes) sont débouchants et/ou subsurfaciques sont présents. Ces défauts concentrent les contraintes et peuvent considérablement réduire la période d’amorçage des fissures de fatigue en fonction de leur taille, forme et des caractéristiques microstructurales du matériau. Les défauts internes (à partir desquels les fissures peuvent amorcer et propager sans interaction avec l’air ambiant) ainsi que les défauts de surface (ceux qui sont placés à la surface et en contact direct avec l’air ambiant) vont également nuire la durée de vie des composants moulés. Toutefois, dans le cas des défauts internes, les coefficients de sécurité préconisés par les règles de conception ne font pas intervenir la distance de défaut par rapport à la surface. Le suivi de fissures de fatigue effectué à la surface d’éprouvettes macroscopiques de traction indique que la présence d’un défaut avec une taille supérieure à celle des fissures microstructuralement courtes (√A ≈ 500 μm, taille contrôlée par la SDAS) produit une remarquable réduction de la durée vie. En revanche, la durée de vie n’est pas affectée lorsqu’un défaut plus petit (√A ≈ 300 μm) est présent à la surface car l’amorçage et les premiers stades de propagation sont encore influencés par la SDAS. Les essais de fatigue en torsion pure montrent que la morphologie des surfaces de rupture est fortement influencée par le niveau de contrainte. De plus, le nombre de cycles à l’amorçage est réduit par rapport à la traction. Cet amorçage est multi-site et plusieurs fissures peuvent croitre simultanément au cours de la durée de vie d’une éprouvette, la rupture finale se produisant lors de la jonction de certaines de ces fissures. La propagation des fissures en torsion est largement influencée par la cristallographie locale et les retassures ne semblent pas être des sites de nucléation préférentiels. Les durées de vie odes échantillons macroscopiques contenant défauts artificiel internes (Øeq ≈ 2 mm) sont pratiquement similaires à celles obtenues avec un matériau de référence. L’amorçage et la propagation de fissures internes a été rarement observé lors des expériences de tomographie synchrotron. Dans les rares cas où de telles fissures ont pu être observées, le chemin de fissuration semble fortement influencé par la cristallographie alors que les fissures amorcées depuis la surface se propagent globalement en mode I. La vitesse de propagation des fissures internes est très inférieure à celle des fissures se propageant à partir de la surface. / The excellent castability, relatively low production costs, and high strength to weight ratios make Al-Si-Mg cast alloys an attractive choice for use in cheaper and lighter engineering components, in both automotive and aerospace industries. However, it is well known that High Cycle Fatigue (HCF) lives (105 < Nf < 107 cycles) of cast components are severely reduced when casting defects (notably pores and oxides) are present at the free surface or subsurface. They act as stress raisers which can considerably reduce the crack incubation period depending on their size, shape and the microstructural features of the surrounding material. Internal casting defects are of special interest to this work. The application of safety coefficients considers that all casting defects present in a component have the same deleterious effect and no attention is paid, for example, to their distance to the free surface. In other words, internal defects (corresponding to the case where the depth of the defect allows crack nucleation and propagation to essentially occur without interaction with the air environment) are considered as damaging to fatigue life as surface defects (those placed at the free surface and in contact with the air environment). Surface crack monitoring performed on uniaxial fatigue specimens indicates that the presence of a surface microshrinkage exceeding the size of microstructurally small cracks (√A ≈ 500 μm, controlled by the SDAS) readily nucleates a fatigue cracks producing steady crack propagation and remarkable reduction in the expected fatigue life. A smaller surface defect (√A ≈ 300 μm) nucleated a crack that did not reduced the expected fatigue life as in this case early stages of propagation are still nfluenced by the SDAS. Pure torsional cycling reveals that the morphology of fracture surfaces is highly influenced by the stress level. In general, torsional fatigue behaviour is described by having reduced (with respect to uniaxial testing) and multisite crack nucleation periods. Several dominant cracks can evolve simultaneously and the final failure occurs by the linkage of some of those cracks. Crack propagation is controlled by the crystallography and pores do not appear to be preferential nucleation sites. S-N curves show that macroscopic specimens containing Øeq ≈ 2 mm internal artificial defect produce similar fatigue lives to those obtained with a defect-free material. Internal crack nucleation was rarely observed during synchrotron tomography experiments; instead the fatal cracks initiated from much smaller surface defects. Tomographic images show that, in the case of internal propagation, crystallographic paths are formed while surface cracks propagate in mode I. The crack growth rate of internal cracks is much smaller than that of cracks propagating from the free surface.

The presented dissertation thesis is focused on analysis of alternative test method for determination of mechanical parameters of cement based composites. A disk shaped specimen with diameter 150 mm, thickness 60 mm was analysed and its modification for use on compact tension test (CT). Such a test is hereinafter referred to as modified compact tension (shortly MCT or MDCT)). This test configuration was chosen for testing the static and fatigue properties of cement based composites precisely because of its traditional use for fatigue testing of metallic materials. Specimens with a different cross-sections can also be used for MCT, but the work is exclusively focused on circular specimen, for example because it could be easily cut from drill core taken directly from the existing structure, on which the properties are more relevant to the age of the used concrete of the controlled structure. The modified compact tension test was firstly calibrated by numerical simulations involved the tuning of the shape of the numerical model and used material models of concrete and steel. Then the laboratory testing of modified compact tension on several levels were performed. The adequacy of the numerical model was verified against the pilot laboratory testing of the MCT test. Furthermore, the comparison of the modified compact tension test and its suitability for determining of fracture mechanical parameters of cement based composites with the three point bending test, which is the standardized test configuration for these purposes was performed. Another laboratory testing was focused of determining of fracture mechanical parameters of concrete mixture classified in strength class C30/37 and the pilot study of fatigue parameters of the same strength class of the concrete mix. The work was also presented numerical simulations of the push-out test, focused on the connection of concrete and steel with epoxy adhesive.

This master’s thesis deals with evaluation of quality of the connection of low-voltage control circuit cables, with the emphasis on quality assurance of crimps. An analysis of possible quality control methods, including a map of the crimping process, was created. Further, the thesis includes proposals for improvement of the original system. Furthermore, a proposal of non-destructive inspection system was produced. The conclusion summarizes the knowledge gained in quality control of crimping, including practical recommendations.