This diploma thesis deals with the concept of use of nanotechnology for cement composites and UHPC. In the theoretical part of this diploma thesis there are theoretical principles described for successful design of high performance concrete and characteristics of main feedstock and its production. Furthermore, there is a focus on nanoparticles, especially the ones with carbon base in the form of carbon nanotubes CNT, in addition to that, graphenes GN that are new on the market, moreover, graphene oxide GO and its application in cement composites to mechanical characteristics and its durability. The first part of the practical part devotes in trying to find out an optimal parameter for ultrasonic mix with a suitable surface active substance of three graphenes. The other two parts of the practical part are about influence of graphenes on mechanical characteristics, cement paste microstructure, and application in the mix of concrete C 35/45 and UHPC

It is a well-known problem that concrete needs to be made more efficient and that it is the large consumption of cement that is the major contributing factor to the nearby need. There is a zero vision of a climate-neutral concrete where all CO2 emissions in the life cycle of the concrete are to be reset by 2050. It is a question of improving, above all, the process of handling CO2 in the production of cement. This study tackles CO2 emissions from the concrete from a holistic perspective, by exploring optimization possibilities when implementing a newly developed concrete in residential buildings, called Ultra High Performance Concrete (UHPC). While it should be a better alternative for the climate, it should also require less material consumption and be more cost-effective in order to create a competitive alternative to the conventional alternative today, called Normal Concrete (NC). UHPC is during a development phase regarding optimization opportunities and it has been proven in several studies to be able to relate better to a sustainable design, based on a total life cycle progression. This applies above all to large and robust bridge structures where large volume differences are available. The idea behind this study is to highlight the question of whether there is an opportunity to get similar results in the construction of less robust components in residential buildings, since the problem with the mix design for UHPC has been the overall high cost in relation to NC. In recent years, this cost has been reduced and now there are opportunities to effectively introduce UHPC into another segment.In this study, columns and beams were dimensioned in a residential NC building and a residential UHPC building with ETABS (CSI 2019). Furthermore, the components of the buildings were compared, based on the aspect of a sustainable design from a total LCA. What was investigated were the differences in total material consumption, CO2 emissions, and costs.The study showed that the UHPC components were better based on all aspects after its total LCA. The total cement consumption was larger, but the building received at the same time an estimated double the lifespan of the NC- building. The total material consumption in the form of total component volumes became smaller, the total annual CO2 emissions became smaller and the total annual costs became smaller as well. / Det är ett välkänt problem att betong behöver klimateffektiviseras och att det är den storacementkonsumtionen som är den stora bidragande faktorn till det närliggande behovet. Detfinns en nollvision om en klimatneutral betong där alla CO2- utsläpp under betongenslivscykel (LCA), ska nollställas fram till år 2050. Det är en fråga om att framför allt förbättraprocessen gällande hantering av CO2 vid produktion av cement. Den här studien angriperCO2- utsläppen från betongen ur ett helhetsperspektiv, genom att undersökaoptimeringsmöjligheter vid implementering av en nyutvecklad betong i bostadshus, kalladUltra High Performance Concrete (UHPC). Samtidigt som den ska vara ett bättre alternativför klimatet, ska den också kräva mindre materialåtgång och vara mer kostnadseffektiv föratt kunna skapa ett konkurrenskraftigt alternativ till det konventionella alternativet idag,kallad Normal Concrete (NC). UHPC är under en optimeringsfas och den har bevisats i flerastudier kunna förhålla sig bättre till en hållbar design, utifrån en total LCA. Det gäller framförallt stora och robusta brokonstruktioner där stora volymskillnader är disponibla. Tankenmed den här studien är att lyfta fram frågan om det finns möjlighet att få liknande resultatvid byggnation av mindre robusta komponenter i bostadshus, i ju med att problemet medmix-designen för UHPC, har varit den generella höga kostnaden i förhållande till NC. Påsenare år har den kostnaden kunnat reduceras och nu finns möjligheterna att effektivtkunna införa UHPC till ytterligare ett segment.I studien jämfördes pelare och balkar i ett UHPC- hus med motsvarande komponenter i ettNC- hus utifrån aspekten en hållbar design, ur en total LCA. Husen dimensionerades i ETABS(CSI 2019) utefter samma förutsättningar med hänsyn till kravet på bärförförmågorna. Detutgjorde skillnader hos volymerna på komponenterna, som således påvisade hurmaterialåtgången förändrades. CO2- utsläppen och kostnaderna påverkades avbetongkompositionerna och skillnaderna hos de materiella egenskaperna av respektivebetongtyp. I slutändan redovisades vilken betongtyp som genererade minsta och störstaårliga CO2- utsläpp och kostnader.Resultatet visade att UHPC- komponenterna minskade den totala betongåtgången underbyggprocessen med 27,1%, samt minskade armeringsåtgången med 12,0%, men attcementåtgången nästan fördubblades och motsvarade en ökning på 99,4%. CO2- utsläppenvart således betydligt större efter byggprocessen, men i förhållande till ett totaltlivcykelförlopp, minskade de totala årliga utsläppen med 18,8%. Det fanns en kritisk punktdär UHPC- komponenterna måste ha en LCA på minst 97,5 år i förhållande till NCkomponenternas LCA på 60 år, för att vara mer lönsamma utifrån totala CO2- utsläpp.Kostnaderna vart också betydligt större för UHPC- komponenterna efter byggprocessen,men efter en total LCA, minskade de totala kostnaderna med 39,0%. Det fanns en kritiskpunkt, där LCA- förloppet måste uppgå till minst 73,2 år i förhållande till NCkomponenternas LCA på 60 år, för att vara mer lönsamma utifrån totala kostnader.Enligt det framtagna resultatet fanns det goda möjligheter för pelare och balkar i UHPChuset att förhålla sig bättre utifrån en hållbar design, än vad motsvarande komponenter förNC- huset gjorde, efter en total LCA. Pelare och balkar i bostadshus kan bli ett nytt segmentatt introducera UHPC till, även om pålitligheten för studien är begränsad av betydelsefullafelkällor och tillgängliga kunskaper inom området för närvarande.

Der vorliegende Bericht beschreibt das Verhalten von ultrahochfestem Beton unter zweiaxialer Druckbeanspruchung. Bisher wurden ein Feinkornbeton und zwei Grobkornbetone mit unterschiedlichen Faserzusätzen untersucht. Die Zylinderdruckfestigkeiten nach 28 Tagen betragen rund 150, 160 und 170 N/mm². Besonders bei dem Feinkornbeton wurde eine überwiegend horizontale Ausrichtung der Stahlfasern festgestellt, die zu einer Anisotropie im Materialverhalten führte. Zusammenfassend muss festgestellt werden, dass die zweiaxiale Druckfestigkeit von UHPC nur geringfügig größer ist als die einaxiale. Für die Mischungen mit 2,5 Vol.-% Fasergehalt übersteigt die Festigkeit bei einem Spannungsverhältnis von Spannung 1 zu Spannung 2 gleich Eins die einaxiale Festigkeit um 7 bzw. 10 %. Bei dem Beton mit 0,9 Vol.-% Fasergehalt lag diese zweiaxiale Festigkeit sogar geringfügig unter der einaxialen. Bei der Bemessung von UHPC dürfen somit die vom Normalbeton bekannten Festigkeitssteigerungen unter mehraxialer Druckbelastung, wie sie z.B. bei reinen Druckknoten von Stabwerkmodellen angesetzt werden, nicht verwendet werden! Für die Beschreibung der Bruchkurve kann nach jetzigem Erkenntnisstand das Bruchkriterium nach OTTOSEN als eine gute Näherung empfohlen werden. Die Versuche haben gezeigt, dass sich UHPC in vielen, zum Teil sicherheitsrelevanten Bereichen anders verhält als Normalbeton. Für eine umfassende Beschreibung des Tragverhaltens sind weitere Versuche unter dreiaxiale Druckbelastung und kombinierter Druck-Zug-Belastung notwendig.

Die neuen 3D-Entwurfs-, Berechnungs- und Fertigungsverfahren in Kombination mit dem Werkstoff ultrahochfester Beton (UHPC) bieten das Potenzial, den Beton-Leichtbau zu revolutionieren [1]. Die Herausforderung bei der Herstellung von geometrisch komplexen und hochpräzisen UHPC-Bauteilen liegt dabei im Schalungsbau. Da bisher keine verfügbaren abfallfreien und somit nachhaltigen alternativen Schalungsmaterialien bzw. -systeme identifiziert werden konnten, wurde der Forschungsansatz entwickelt, frei geformte Schalungen für Betonbauteile unter Verwendung von CNC-gefrästen recycelbaren Industriewachsen zu verwenden. Die Erforschung dieses Ansatzes hin zu einer anwendbaren Non-Waste-Schalungstechnologie wurde in einem gemeinsamen Forschungsprojekt des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) und des Instituts für Tragwerksentwurf (ITE) der TU Braunschweig durchgeführt. Im Folgenden werden die wesentlichen Inhalte des Vorhabens, ausgehend von der Auswahl geeigneter Wachse, über die Untersuchung der Zerspanbarkeit bis hin zur Betonierung und anschließenden Analyse der Schalungen und Abgüsse, vorgestellt und diskutiert. Grundlegende Erkenntnisse wurden u. a. bereits 2016 in [2]–[5] veröffentlicht. Diese werden hier teilweise wiedergegeben und zudem mit zusätzlichen Informationen ergänzt. Die wesentlichen Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben werden zusammengefasst. Ausführliche Informationen zur Entwicklung der Non-Waste-Wachsschalungstechnologie finden sich in der 2019 veröffentlichten Dissertation von Jeldrik Mainka [6]. / The new 3D design, calculation and manufacturing methods in combination with ultra-high strength concrete (UHPC) off er the potential to revolutionise lightweight concrete construction [1]. The challenge in the production of geometrically complex and high-precision UHPC components lies in formwork construction. As no available waste-free and thus sustainable alternative formwork materials or systems have been identified so far, the research approach was developed to use freely shaped formwork for concrete components using CNC-milled recyclable industrial waxes. The research of this approach towards an applicable non-waste formwork technology was carried out in a joint research project of the Institute for Machine Tools and Production Engineering (IWF) and the Institute of Structural Design (ITE) of the Technical University of Braunschweig. In the following, the main contents of the project, starting with the selection of suitable waxes, the investigation of machinability up to the concreting and subsequent analysis of the formwork and castings are presented and discussed. Basic findings have already been published in 2016 in [2]–[5]. These are partly reproduced here and supplemented with additional information. The main findings of the research project are summarised. Detailed information on the development of non-waste wax formwork technology can be found in the dissertation by Jeldrik Mainka [6], published in 2019.

Diese Arbeit basiert auf der Untersuchung von hochfesten und ultrahochfesten Betonen mit und ohne Fasern unter zwei- und dreiaxialer Druckbeanspruchung. Die Auswirkung der unterschiedlichen Betonzusammensetzung ist für verschiedene Beanspruchungen nicht gleich ausgeprägt, dennoch konnten grundlegende Zusammenhänge herausgearbeitet werden. Anhand der Bruchbilder konnten die drei Versagensmechanismen Druck-, Spalt- und Schubbruch identifiziert werden, deren Charakteristik über die Kalibrierung an vier speziellen Versuchswerten direkt in das Bruchkriterium einfließen. Dieses stellt eine Erweiterung der Formulierung von OTTOSEN dar, so dass das spröde und z. T. anisotrope Verhalten von Hochleistungsbeton berücksichtigt wird. Die beobachteten Spannungs-Dehnungs-Verläufe korrelieren mit den Versagensformen. Deshalb wird ein Stoffgesetz getrennt für den Druck- und den Zugmeridian aufgestellt, dessen Parameter sich mit zunehmendem hydrostatischen Druck verändern. In die Anfangswerte fließen die Betonzusammensetzung und herstellungsbedingte Anisotropien ein. Die lastinduzierte Anisotropie infolge einer gerichteten Mikrorissbildung wird in dem vorgestellten Stoffgesetzt über richtungsabhängige Parameter ebenfalls berücksichtigt.

Treten im Beton mehraxiale Spannungszustände auf, führen diese gegenüber einer einaxialen Beanspruchung zu einer signifikanten Änderung des Materialverhaltens. Neben einer festigkeitssteigernden bzw. -abmindernden Wirkung ergeben sich ebenfalls große Unterschiede im Spannungs-Dehnungs-Verhalten. Zur effizienten Konzipierung von Betonstrukturen unter komplexen Beanspruchungszuständen ist daher die Kenntnis des veränderten Materialverhaltens notwendig. Zur experimentellen Bestimmung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens eines Ultrahochleistungsbetons mit einer einaxialen Druckfestigkeit von über 170 N/mm² wurden mehraxiale Belastungsversuche an würfelförmigen Probekörpern durchgeführt. Die Untersuchung umfasste insgesamt 35 zwei- und dreiaxiale Spannungsverhältnisse unter proportionaler Laststeigerung mit vorrangiger Betrachtung von Zug-Druck-Druck-Beanspruchungen. Für die Einleitung der Zugbeanspruchungen in die Prüfkörper wurde eine neue Methode entwickelt, bei der mittels einbetonierter Schrauben die Belastung auf den Beton übertragen wird. Die Bestimmung des Verformungsverhaltens erfolgte im Inneren der Probekörper mit sechs tetraederförmig angeordneten Faser-Bragg-Gittern. Die somit direkt gemessenen Dehnungen ermöglichen die nachträgliche Berechnung der Komponenten des Dehnungstensors des Bezugskoordinatensystems. Für den untersuchten Ultrahochleitsungsbeton fallen die auf die einaxiale Druckfestigkeit bezogenen mehraxialen Festigkeitswerte mit zunehmendem hydrostatischen Druckspannungsanteil der Beanspruchung geringer aus als bei Normalbetonen. Weiterhin weist das Verformungsverhalten eine größere Sprödigkeit gegenüber Normalbetonen auf, so dass auch unter dreiaxialen Druckspannungszuständen die Probekörper schlagartig versagen. Aus den gemessenen Spannungs-Dehnungs-Linien werden neben den maximalen Festigkeiten die Festigkeitswerte an der Elastizitätsgrenze, der Affinitätsgrenze sowie beim Volumenminimum der Probekörper bestimmt. Zur Approximation dieser charakteristischen Werte wurde eine Grenzflächenbeschreibung entwickelt und an den Versuchsergebnissen kalibriert. Des Weiteren erfolgte die Zusammenstellung einer Datenbank mit in der Literatur verfügbaren mehraxialen maximalen Festigkeitswerten von Betonen mit einaxialen Druckfestigkeiten von 10 N/mm² bis 180 N/mm² und die Kalibrierung des entwickelten Modells zur Grenzflächenbeschreibung in Abhängigkeit der einaxialen Druckfestigkeit. Die bei der Kalibrierung der Grenzfläche für einzelne Betonfestigkeitsklassen bestimmten Freiwerte hängen dabei stark von den vorliegenden Versuchsdaten und speziell vom Wertebereich der hydrostatischen Spannungsanteile der maximalen Beanspruchungen ab. Die Approximation des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens der mehraxial beanspruchten Probekörper erfolgt mittels eines schädigungsbasierten Materialgesetzes. Hierbei wird für den anfänglich isotropen Beton zum einen eine lastinduzierte isotrope Schädigung und zum anderen eine lastinduzierte orthotrope Schädigung angenommen, die von den auftretenden Hauptdehnungen abhängig ist. Mit dem entwickelten Materialgesetz werden sehr gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Spannungs-Dehnungs-Linien erreicht, so dass sich ebenfalls eine gute Vorhersage der maximalen Festigkeitswerte ergibt. / Concrete under multiaxial stress states shows significant changes of the material behaviour compared to uniaxial loading. Besides strength increasing and decreasing effects, also great differences in the stress-strain behaviour occur. In order to design concrete structures efficiently concerning complex stress states, the knowledge about the modified material behaviour is necessary. To determine experimentally the stress-strain behaviour of an ultra high performance concrete with a uniaxial compressive strength of about 170 N/mm², multiaxial loading tests on cubic-shaped specimens were carried out. Altogether, the investigation contained 35 biaxial and triaxial stress ratios under proportionally increasing load with primarily tension-compression-compression loadings. Applying the tensile load on the specimen, a new method was developed, which uses screws embedded in the concrete to transfer the loading. The deformations were measured by using six tetrahedron-shaped arranged Fibre Bragg Gratings inside the concrete specimen. Subsequently, with the directly measured strains the components of the strain tensor of the reference coordinate system could be determined. For the investigated ultra high performance concrete the increase of the multiaxial strength, referring to the uniaxial compressive strength, decreases compared to normal strength concrete with the increasing hydrostatic stress component of the load. Moreover, the deformation behaviour shows an increased brittleness compared to normal strength concrete, so that even under triaxial compressive stress states the specimens fail abruptly. Besides the ultimate strength, from the measured stress-strain curves the strength at the proportional limit, at the limit of affinity as well as at the minimum volume of the specimen is determined. To approximate these characteristic values, a description of a hypersurface is developed and calibrated with the test results. Furthermore, a database with multiaxial ultimate strength values of concretes with uniaxial compressive strengths between 10 N/mm² to 180 N/mm² available from literature was compiled and a calibration of the developed hypersurface model depending on the uniaxial compressive strength was carried out. Thereby, the obtained values of arbitrary parameters of individual concrete strength classes depend severely on the available test results, especially on the range of values of the hydrostatic stress component of the ultimate strength. The approximation of the stress-strain behaviour of the multiaxial loaded specimens is carried out by means of a damage-based material law. For this purpose, concerning the initially isotropic concrete, a load-induced isotropic and orthotropic damage depending on the principle strains is assumed. With the developed material law, very good accordance with the measured stress-strain curves could be achieved, so that also results in a good approximation of the ultimate concrete strength.

Bei den Forschungsaktivitäten wird von aktuellen Fragestellungen der Baustofftechnologie ausgegangen, wobei die Lösung akuter Probleme der Baupraxis und die Schaffung von soliden theoretischen Grundlagen in gleichem Maße angestrebt werden. Die Forschung wird hierbei vor allem durch interdisziplinäres Arbeiten geprägt. Zu den aktuellen Forschungsschwerpunkten zählen insbesondere: Entwicklung neuer zementbasierter Verbundwerkstoffe sowie von Verfahren zu deren Herstellung mit besonderem Akzent auf Faserbetone (Hochduktiler Beton mit Kurzfasern, Beton mit textiler Bewehrung, Ultrahochfester Beton mit innerer Nachbehandlung, Selbstverdichtender Leichtbeton, Beton mit sehr hohem Verschleißwiderstand) Untersuchung der Kurz- und Langzeiteigenschaften von neuen und bestehenden Baustoffen auf mineralischer Basis (Beton, Mörtel, Mauerwerk); Erforschung der für das Materialverhalten maßgebenden Mechanismen sowie der Mittel zu deren gezielten Beeinflussung (Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten unter monotoner, zyklischer und stoßartiger Beanspruchung sowie Schwinden und Kriechen von Beton; Transport von korrosiven Medien unter Berücksichtigung der Rissbildung, Schädigungsmechanismen und Dauerhaftigkeit) Modellierung des Baustoffverhaltens; Ableitung von stoffgesetzlichen Beziehungen; numerische Simulation des Materialverhaltens in unterschiedlichen Stadien seines "Lebens" (Herstellung, Verarbeitung, Erhärtung, mechanische Beanspruchung, Exposition von korrosiven Medien etc.)

Roofs are the most vulnerable part of the building envelope that often get damaged when subjected to hurricane winds. Damage to the roofs has a devastating impact on the entire structure, including interior losses and service interruptions. This study aimed at the development of a novel light-weight composite flat roof system for industrial, commercial and multi-story residential buildings to withstand Category 5 hurricane wind effects based on the Florida Building Code requirements for hurricane-prone regions, the strictest wind design code in the United States. The proposed roof system is designed as a combination of two advanced materials: ultra-high performance concrete (UHPC), reinforced with high strength steel (HSS). The novel combination of these two materials in a specially designed cross section led to a lightweight low-profile ultra-thin-walled composite roof deck, with only 17 pounds per square foot self-weight, 4-inch overall depth and only ¾-inch thick flanges and webs, with no shear reinforcement or stirrup. Two groups of specimens, single-cell and multi-cell, were fabricated and tested in four-point flexure to determine the ultimate bending capacity and ductility of the system. Each group of specimens included two short-span (9 ft.) samples (due to the laboratory constraints) -- one specimen subjected to positive bending and the other one subjected to negative bending, representing the critical loading conditions including the effects of wind pressures. All specimens exhibited pure flexural failure in a ductile behavior and with no sign of shear failure. Finite element models of laboratory specimens were also developed and calibrated based on experimental data in order to project the performance of the system for larger and more realistic spans. The experimental work and the finite element analyses showed that the proposed roof system with its given section has adequate flexural and shear strength, and also meets serviceability requirements for a 20-foot long span. Moreover, connections for the roof system were proposed, including panel-to-panel connections and roof-to-wall connections. In addition to safety, the other advantages of the proposed roof system in comparison to the equivalent reinforced concrete roofs include a three-fold reduction in self-weight, a three-fold reduction in overall profile height, and a five-fold reduction of steel reinforcement. Together, these advantages may lead to an increased span length beyond what is typically feasible for the conventional reinforced concrete slabs. All these features translate the proposed deck to a sustainable roof system.

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût. / Abstract : Conventional concrete (CC) may cause numerous problems on concrete structures such as corrosion of steel reinforcement and weaknesses of concrete construction. As a result, most of structures made with CC require maintenance. Ultra-high-performance concrete (UHPC) can be designed to eliminate some of the characteristic weaknesses of CC. UHPC is defined worldwide as concrete with superior mechanical, ductility, and durability properties. Conventional UHPC includes between 800 and 1000 kg/m³ of cement particles, 25–35%wt of silica fume (SF), 0–40 wt% of quartz powder (QP), and 110–140 wt% quartz sand (QS) (the percentages are based on the total cement content of the mix by weight). UHPC contains steel fibers to improve its ductility and tension capacity. The huge amount of cement used to produce UHPC not only affects production costs and consumes natural resources, limestone, clay, coal, and electric power, but it also negatively impacts the environment through carbon dioxide (CO[subscript 2]) emissions, which can contribute to the greenhouse effect. Additionally, the particle-size distribution (PSD) of cement exhibits a gap at the micro scale that needs to be filled with more finer materials such as SF. Filling this gap solely with SF requires a high amount of SF (25% to 30% by cement weight) which is a limited resource and involves high cost. This significantly also decreases UHPC workability due to high Blaine surface area of SF. QS and QP use is also costly and consumes natural resources. As such, they are considered as impedances for wide use of UHPC in the concrete market and fail to satisfy sustainability requirements. Furthermore, based on an Environment Canada report, quartz causes immediate and long-term environmental harm because its biological effect makes it an environmental hazard. Furthermore, UHPC is generally sold on the market as a prepackaged product, which limits any design changes by the user. Moreover, it is normally transported over long distances, unlike CC components. This increases to the greenhouse-gas effect and leads to higher cost of the final product. Therefore, there is a vital need for other locally available materials with similar functions to partially or fully replace silica fume, quartz sand, or quartz powder, and thereby reduce the cement content in UHPC, while having comparable or better properties. In some countries, and Canada in particular, large quantities of glass cannot be recycled because of the high breaking potential, color mixing, or high recycling costs. Most waste glass goes into landfill sites, which is undesirable since it is not biodegradable and less environmentally friendly. In recent years, attempts have been made to use waste glass as an alternative supplementary cementitious material (ASCM) or ultra-fine aggregate in concrete, depending on its chemical composition and particle-size distribution (PSD). This thesis is based on a new type of ecological ultra-high-performance glass concrete (UHPGC) developed at the Université de Sherbrooke. The concrete’s design involved using waste glass of varying particle-size distributions obtained from cullets and optimizing the packing density of the entire material matrix. UHPGC can be designed with a reduced amount of cement (400–800 kg/m³), silica fume (SF) (50–220 kg/m³), quartz powder (QP) (0–400 kg/m³), and quartz sand (QS) (0–1200 kg/m³), while incorporating various waste-glass products: glass sand (GS) (0–1200 kg/m³) with an average mean diameter (d[subscript 50]) of 275 μm, a high amount of glass powder (GP) (200–700 kg/m³) with average diameter (d[subscript 50]) of 11 μm, a moderate content of fine glass powder (FGP) (50–200 kg/m³) with d[subscript 50] of 3.8 μm. UHPGC also contains steel fibers (to increase tensile strength and improve ductility) and superplasticizer (10–60 kg/m³) as well as having a water-to-binder ratio (w/b) as low as that of UHPC. Replacing cement and silica-fume particles with non-absorptive and smooth glass particles improves UHPGC rheology. Furthermore, using FGP as a SF replacement reduces the net total surface area of a SF and FGP blend. This decreases the net particle surface area, it reduces the water needed to lubricate particle surfaces and increases the slump flow at the same w/b. Moreover, the use of waste glass material in concrete leads to lower cumulative heat of hydration, which helps minimize potential shrinkage cracking. Depending on UHPGC composition and curing temperature, this type of concrete yields compressive strength ranging from 130 up to 230 MPa, flexural strength above 20 MPa, tensile strength above 10 MPa, and elastic modulus above 40 GPa. The mechanical performance of UHPGC is enhanced by the reactivity of the amorphous waste glass and optimization of the packing density. The waste-glass products in UHPGC have pozzolanic behavior and react with the portlandite generated by cement hydration. This, however, is not the case with quartz sand and quartz powder in conventional UHPC, which react at high temperature of 400 °C. The waste-glass addition enhances clogging of the interface between particles. Waste-glass particles have high rigidity, which increases the concrete’s elastic modulus. UHPGC also has extremely good durability. Its capillary porosity is very low, and the material is extremely resistant to chloride-ion permeability (≈ 8 coulombs). Its abrasion resistance (volume loss index) is less than 1.3. UHPGC experiences virtually no freeze–thaw deterioration, even after 1000 freeze–thaw cycles. After laboratory assessment, the developed concrete was scaled up with a pilot plane and field validation with the construction of two footbridges as a case study. The higher mechanical properties allowed for the footbridges to be designed with about sections reduced by 60% compared to normal concrete. UHPGC offers several economic and environmental advantages. It reduces the production cost of ultra-high-performance concrete (UHPC) by using locally available materials and delivers a smaller carbon footprint than conventional UHPC structures. It reduces the CO[subscript 2] emissions associated with the production of cement clinkers (50% replacement of cement) and efficiently uses natural resources. In addition, high amounts of waste glass cause environmental problems if stockpiled or sent to landfills. Moreover, the use of waste glass in UHPGC could save millions of dollars that would otherwise be spent for treatment and placing waste glass in landfills. Lastly, it provides an alternative solution to the construction companies in producing UHPC at lower cost.

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.