Abstract: The use of self-consolidating concrete (SCC) in the concrete industry in cast-in-place applications, including repair applications, is growing given the various advantages offered in both fresh and hardened states. The present study deals with the design and performance of fiber-reinforced self-consolidating concrete (FR-SCC) as a repair material of concrete infrastructure. The study also considers the use of various steel and synthetic fibers (five fibers in total) that were used to produce FR-SCC and fiber-reinforced self-consolidating mortar (FR-SCM) that can be employed for structural and non-structural repair applications. The study evaluates the effect of material properties and mixture composition of the fibrous concrete and mortar on workability, mechanical, visco-elastic, durability, and structural behavior. The investigation that is presented in this thesis included the testing of 28 full-scale beams under four-point flexural loading. The majority of these beams were repaired by casting concrete to fill a relatively thin section along the tension zone of the beams. The repair technique was based on the FR-SCC characteristics including the maximum fiber volume and length. This technique required mixtures of high range of fluidity. The optimized FR-SCC and FR-SCM mixtures exhibited excellent flow characteristics along the 3.2-m long beams without blockage, segregation, nor debonding at the interface of repair-substrate concrete. Based on the structural characteristics of the composite beams, the overall performance of the beams repaired using the FR-SCC and FR-SCM was similar or higher (up to 2.6 times) than that of monolithic beams made with conventional vibrated concrete (CVC). The use of optimized FRSCC mixtures enabled the replacement of 50% of the tension steel reinforcement in repair sections; i.e., the number of bars in the tension zone decreased from three bars to two bars with the addition of fibers in the SCC without mitigating structural performance. The degree of prediction of crack width, cracking load/moment, ultimate loads, and deflection of various FR-SCC and FR-SCM mixture was evaluated using several design and code models. The results indicate that these code models can provide safe predictions for crack and ultimate loads, as well as crack width of FR-SCC. The deflection of FR-SCC is unsafe but predictable by these code models. In total, 18 large-scale beams were tested in four-point for flexural creep. FR-SCC incorporating steel fibers combined with expansive agent provided overall performance up to 10 times of that obtained with CVC with the same fiber type and volume. The cracking under constant load was reduced by 60% to 80% using self-consolidating fibrous mixtures made with or without expansion agents, compared to SCC without fibers. The best combination to reduce the cracking potential when the restrained shrinkage ring test was employed was obtained with SCC mixtures made with steel fibers and expansive agent. Models were elaborated to predict the time-to-cracking for FR-SCC and FR-SCM mixtures based on mixture modulus of elasticity and drying and autogenous shrinkages. The project involved extensive testing of highly flowable fibrous materials to determine drying shrinkage (nearly 260 prisms), modulus of rupture (nearly 180 prisms), as well as compressive and splitting tensile strengths and elastic modulus (nearly 2100 cylinders). Based on the results, models were proposed to predict these key material properties that affect the performance of FR-SCC and FR-SCM used in repair applications. In addition to FR-SCC, the investigation also was set to evaluate the feasibility of using fiber-reinforced superworkable concrete (FR-SWC) in construction and repair applications. Such highly flowable concrete that requires limited vibration consolidation can represent some advantages over FR-SCC (lower admixtures demand, lower risk of segregation, greater robustness, lower formwork pressure, etc.). The energy needed to ensure proper consolidation, using either vibration or rodding, applied on samples made with FR-SWC was determined. The energy requirement took into consideration the development of mechanical properties, the resistance to segregation, and the development of proper surface quality. The study also demonstrated the higher overall structural performance of optimized FR-SWC compared to the corresponding FR-SCC mixtures. The findings of the thesis on the design and performance of highly workable fiber-reinforced cementitious materials should facilitate the acceptance of such novel high-performance material in infrastructure construction and repair applications. // Résumé: L'utilisation du béton autoplaçant (BAP) dans l'industrie du béton dans les applications du coulage sur place incluant les applications de la réparation, est en croissance vu les divers avantages offerts à l'état frais et à l'état durci. La présente étude traite de la conception et la performance des bétons autoplaçants fibrés (BAPF) en tant que matériau de réparation des infrastructures en béton. L'étude considère également l'usage de différentes fibres métalliques et synthétiques (cinq fibres au total) qui ont été utilisées pour produire des BAPF et des mortiers autoplaçants fibrés (MAPF) pour des applications de réparations structurales et non structurales. L'étude évalue l'effet des propriétés du matériau et la composition des bétons et mortiers fibrés sur l'ouvrabilité, les propriétés mécaniques, viscoélastiques, de durabilité et le comportement structural. L'étude présentée dans cette thèse a inclus 28 poutres à grande échelle testées sous un chargement flexionnel à quatre points. La majorité de ces poutres a été réparée par le coulage du béton pour remplir une section relativement mince tout au long de la zone tendue des poutres. La technique de réparation a été basée sur les caractéristiques des BAPF incluant le volume maximal et la longueur maximale de fibres. Cette technique a requis des mélanges de haut niveau de fluidité. Les BAPF et MAPF ont exhibé d'excellentes caractéristiques d'écoulement le long de 3,2 m, la longueur de la poutre, sans blocage, ségrégation, ni décollement à l'interface entre le béton de base et le béton de réparation. En se basant sur les caractéristiques structurales des poutres composites, la performance globale des poutres réparées en utilisant les BAPF et les MAPF était similaire ou supérieure (jusqu'à 2,6 fois) que celle des poutres monolithiques fabriquées d'un béton conventionnel vibré (BCV). L'utilisation des mélanges de BAPF optimisés a permis de remplacer 50% du ferraillage tendu dans les sections de réparation; c'est-à-dire que le nombre des barres d'armatures dans la zone tendue a réduit de trois barres à deux barres avec l'addition de fibres dans le BAP sans mitiger la performance structurale. Le degré de prédiction de la largeur de fissures, charge de fissuration, charge ultime et déflexion de différents mélanges de BAPF et MAPF a été évalué en utilisant quelques designs et modèles de codes. Les résultats ont montré que ces modèles ont pu fournir de prédictions sécuritaires pour les charges de fissuration et ultime, ainsi que la fissuration des BAPF. La déflexion des BAPF est non sécuritaire mais reste prédictible par ces modèles de codes. En total, 18 poutres à grande échelle ont été testées en fluage flexionnel de quatre points. Des BAPF contenant des fibres métalliques combinées avec un agent expansif ont fourni une performance globale jusqu'à 10 fois celle obtenue avec un BCV contenant le même type et volume de fibres. La fissuration sous une charge constante a été réduite de 60% à 80% en utilisant des mélanges autoplaçants fibrés fabriqués avec ou sans agents expansifs, par rapport au BAP sans fibres. La meilleure combinaison pour réduire le potentiel de fissuration avec l'essai du retrait restreint a été obtenue avec des mélanges de BAP contenant de fibres d'acier et un agent expansif. Des modèles ont été élaborés pour prédire le temps de fissuration des mélanges de BAPF et MAPF basés sur le module d'élasticité du mélange et les retraits de séchage et endogène. Le projet comportait de nombreux essais sur les mélanges fibrés de haute fluidité à savoir la détermination du retrait de séchage (près de 260 prismes), le module de rupture (près de 180 prismes), ainsi que la résistance en compression, la résistance en traction et le module d'élasticité (plus de 2100 cylindres). En se basant sur les résultats, des modèles ont été proposés pour prédire ces propriétés clés qui affectent la performance des BAPF et MAPF destinés aux applications de réparation. En plus des BAPF, l'étude a aussi été faite pour évaluer la faisabilité de l'utilisation des bétons semi-fluides fibrés (BSFF) dans les applications de construction et de réparation. Tels bétons de haute fluidité requérant une consolidation limitée peuvent présenter certains avantages par rapport aux BAPF (plus faible demande en adjuvants, plus faible risque de ségrégation, robustesse supérieure, plus faible pression sur les coffrages, etc.). L'énergie nécessaire pour assurer une propre consolidation, en utilisant soit la vibration ou le piquage, appliquée sur des échantillons de BSFF a été déterminée. Les exigences de cette énergie considèrent le développement des propriétés mécaniques, la résistance à la ségrégation et la propre qualité de surface. L'étude a aussi démontré une performance structurale globale supérieure des BSFF optimisés par rapport aux mélanges de BAPF correspondant. Les conclusions de la thèse sur le design et la performance des matériaux cimentaires renforcés de fibres et de haute fluidité devraient faciliter l'acceptation de tels nouveaux matériaux de haute performance dans les applications de la construction et la réparation des infrastructures.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/6636 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Kassimi, Fodhil |
| Contributors | Khayat, Kamal H. |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | English, French |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Fodhil Kassimi |
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