Cracking risk of high-performance cement composites due to restrained autogenous shrinkage with and without soaked lightweight aggregate

• Autorzy: Zieliński Adam , Schindler Anton K. , Kaszyńska Maria

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.147679

Warianty tytułu

PL

Ryzyko pękania wysokowartościowych kompozytów cementowych z i bez nasączonego kruszywa lekkiego z powodu ograniczenia skurczu autogenicznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Due to the large amount of binder and low water-cement ratio, high-performance cement composites have high compressive strength and a dense hardened cement paste microstructure. External curing is insufficient, as it cannot reach the interior parts of the structure, which allows autogenous shrinkage to occur in the inside. Lack of prevention of autogenous shrinkage and high restraint causes structural microcracks around rigid components (aggregate, rebars). Consequently, this phenomenon leads to the propagation of internal microcracks to the surface and reduced concrete durability. One way to minimize autogenous shrinkage is internal curing. The use of soaked lightweight aggregate to minimize the risk of cracking is not always sufficient. Sorption and desorption kinetics of fine and coarse fly ash aggregate were tested and evaluated. The correlation between the development of linear autogenous shrinkage and the tensile stresses in the restrained ring test is assessed in this paper. A series of linear specimens, with cross-section and length custom designed to match the geometry of the concrete ring, were tested and analyzed. Determination of the maximum tensile stresses caused by the restrained autogenous shrinkage in the restrained ring test, together with the approximation of the tensile strength development of the cement composites were used to evaluate the cracking risk development versus time. The high-performance concretes and mortars produced with mineral aggregates and lightweight aggregates soaked with water were tested. The use of soaked granulated fly ash coarse lightweight aggregate in cementitious composites minimized both the autogenous shrinkage and cracking risk.

PL

Z powodu dużej ilości spoiwa i niskiego wskaźnika woda-cement, wysokowartościowe kompozyty cementowe mają wysoką wytrzymałość na ściskanie i szczelną mikrostrukturę. Zewnętrzna pielęgnacja jest niewystarczająca, ponieważ nie może dotrzeć do wewnętrznej struktury materiału, co pozwala na wystąpienie skurczu autogenicznego. Brak zabezpieczenia materiału przed skurczem autogenicznym i wysoki poziom ograniczenia odkształceń powodują mikropęknięcia wokół sztywnych ośrodków materiałowych (kruszywo, pręty zbrojeniowe). W konsekwencji zjawisko prowadzi do propagacji mikropęknięć wewnętrznych do strefy powierzchniowej i utraty trwałości betonu. Jednym ze sposobów minimalizacji skurczu autogenicznego jest pielęgnacja wewnętrzna. Zastosowanie namoczonego kruszywa lekkiego w celu zminimalizowania ryzyka pękania jest nie zawsze wystarczające. Zbadano i oceniono kinetykę sorpcji i desorpcji drobnego i grubego kruszywa lekkiego z granulowanego popiołu lotnego. W artykule przedstawiono korelację między rozwojem liniowego skurczu autogenicznego a naprężeniami rozciągającymi w teście pierścienia ograniczającego wg ASTM C1581. Zbadano i przeanalizowano serię próbek liniowych o przekroju poprzecznym i długości dostosowanych do geometrii próbek pierścieniowych. Określenie maksymalnych naprężeń rozciągających wywołanych przez ograniczony skurcz autogeniczny w teście pierścieniowym wraz z przybliżonym rozwojem wytrzymałości na rozciąganie kompozytów cementowych użyto do oceny rozwoju ryzyka pękania w czasie. Badania objęły wysokowartościowe betony i zaprawy z kruszywem naturalnym i kruszywem lekkim nasączonym wodą. Zastosowanie w kompozytach cementowych grubego kruszywa lekkiego zminimalizowało zarówno rozwój skurczu autogenicznego i ryzyko pękania.

Słowa kluczowe

EN

autogenous shrinkage; high-performance concrete; cracking risk; restrained shrinkage; early-age concrete; cracking; internal curing; lightweight aggregate

PL

skurcz autogeniczny; ryzyko pęknięcia; beton wysokowartościowy; skurcz ograniczony; pękanie betonu; beton młody; pielęgnacja wewnętrzna; kruszywo lekkie

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 4
• Strony: 603--618
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Zieliński Adam

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Environmental, Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7949-1831

autor

Schindler Anton K.

• Department of Civil and Environmental Engineering, Auburn University, Auburn, USA

• https://orcid.org/0000-0002-5906-2885

autor

Kaszyńska Maria

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Environmental, Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8867-6974

Bibliografia

• [1] A.K. Schindler, D. Trejo, and R.W. Barnes, Self-consolidating concrete for prestress precast applications. Special Publication 247, American Concrete Institute, 2007.
• [2] G. de Schutter, Self-compacting concrete. Caithness u.a: Whittles, 2008.
• [3] R. Siddique, Self-compacting concrete: materials, properties and applications. Woodhead Publishing, 2019.
• [4] H. Okamura and M. Ouchi, “Self-compacting high performance concrete”, Progress in Structural Engineering and Materials, vol. 1, no, 4, pp. 378-383, 1998, doi: 10.1002/pse.2260010406.
• [5] L. Barcelo, M. Moranville, and B. Clavaud, “Autogenous shrinkage of concrete: A balance between autogenous swelling and self-desiccation”, Cement and Concrete Research, vol. 35, no. 1, pp. 177-183, 2005, doi: 10.1016/j.cemconres.2004.05.050.
• [6] P. Lura, O.M. Jensen, and J. Weiss, “Cracking in cement paste induced by autogenous shrinkage”, Materials and Structures, vol. 42, no. 8, pp. 1089-1099, 2009, doi: 10.1617/s11527-008-9445-z.
• [7] E-i. Tazawa, Autogenous shrinkage of concrete proceedings of the workshop by JCI. London: E & FN Spon, 1999.
• [8] P. Gao, T. Zhang, R. Luo, J. Wei, and Q. Yu, “Improvement of autogenous shrinkage measurement for cement paste at very early age: Corrugated tube method using non-contact sensors”, Construction and Building Materials, vol. 55, no. 6, pp. 57-62, 2014, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.12.086.
• [9] E-i. Tazawa and S. Miyazawa, “Estimation of autogenous shrinkage of concrete”, Doboku Gakkai Ronbunshu, vol. 571, pp. 211-219, 1997, doi: 10.2208/jscej.1997.571_211.
• [10] E-i.Tazawa and S. Miyazawa, “Influence of cement and admixture on autogenous shrinkage of cement paste”, Cement and Concrete Research, vol. 25, no. 2, pp. 281-287, 1995, doi: 10.1016/0008-8846(95)00010-0.
• [11] P. Nath and P. Sarker, “Effect of fly ash on the durability properties of high strength concrete”, Procedia Engineering, vol. 14, no. 2, pp. 1149-1156, 2011, doi: 10.1016/j.proeng.2011.07.144.
• [12] D. Ballekere Kumarappa, S. Peethamparan, and M. Ngami, “Autogenous shrinkage of alkali activated slag mortars: Basic mechanisms and mitigation methods”, Cement and Concrete Research, vol. 109, pp. 1-9, 2018, doi: 10.1016/j.cemconres.2018.04.004.
• [13] E. Holt, Early age autogenous shrinkage of concrete. Technical Research Centre of Finland, 2001.
• [14] J. Liu, Z. Ou, J. Mo, Y. Wang, and H. Wu, “The effect of SCMs and SAP on the autogenous shrinkage and hydration process of RPC”, Construction and Building Materials, vol. 155, no. 7, pp. 239-249, 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.08.061.
• [15] J. Saliba, E. Rozière, F. Grondin, and A. Loukili, “Influence of shrinkage-reducing admixtures on plastic and long-term shrinkage”, Cement and Concrete Composites, vol. 33, no. 2, pp. 209-217, 2011, doi: 10.1016/j.cemconcomp.2010.10.006.
• [16] H. Liu, G. Duan, and J. Zhang, “Drying shrinkage and creep properties of self-compacting concrete with expansive agent and viscosity modified admixture”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 3, pp. 539-551, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.141901.
• [17] M. Kaszyńska and A. Zieliński, “Effect of lightweight aggregate on minimizing autogenous shrinkage in self-consolidating concrete”, Procedia Engineering, vol. 108, no. 3, pp. 608-615, 2015, doi: 10.1016/j.proeng.2015.06.186.
• [18] A.B. Hossain and J. Weiss, “Assessing residual stress development and stress relaxation in restrained concrete ring specimens”, Cement and Concrete Composites, vol. 26, no. 5, pp. 531-540, 2004, doi: 10.1016/S0958-9465(03)00069-6.
• [19] J. Weiss, W. Yang, and S.P. Shah, “Influence of specimen size/geometry on shrinkage cracking of rings”, Journal of Engineering Mechanics, vol. 126, no. 1, 2000, doi: 10.1061/(ASCE)0733-9399(2000)126:1(93).
• [20] B.E. Byard, A.K. Schindler, and R.W. Barnes, “Early-age cracking tendency and ultimate degree of hydration of internally cured concrete”, ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 24, no. 8, pp. 1025-1033, 2012, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000469.
• [21] Z. He, X. Zhou, and Z. Li, “New experimental method for studying early-age cracking of cement-based materials”, ACI Materials Journal, vol. 101, no. 1, pp. 50-56, 2004.
• [22] Y. Liu, A.K. Schindler, and J.S. Davidson, “Finite-element modeling and analysis of early-age cracking risk of cast-in-place concrete culverts”, Journal of the Transportation Research Board, vol. 2672, no. 27, pp. 24-36, 2018, doi: 10.1177/0361198118774157.
• [23] A. Radlińska, M. Kaszyńska, A. Zieliński, and H. Ye, “Early-age cracking of self-consolidating concrete with lightweight and normal aggregates”, ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 30, no. 10, 2018, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002407.
• [24] Test method No.: NY 703-19 E Moisture content of lightweight fine aggregate. New York State Department of Transportation, Materials Bureau, 2008.
• [25] A. Zieliński and M. Kaszyńska, “Calibration of steel rings for the measurement of strain and shrinkage stress for cement-based composites”, Materials, vol. 13, no. 13, 2020, doi: 10.3390/ma13132963.
• [26] J.R. Tenório Filho, M.A. Pereira Gomes de Araújo, D. Snoeck, and N. de Belie, “Discussing different approaches for the time-zero as start for autogenous shrinkage in cement pastes containing superabsorbent polymers”, Materials, vol. 12, no. 18, art. no. 2962, 2019, doi: 10.3390/ma12182962.
• [27] K.A. Riding, J.L. Poole, A.K. Schindler, M.C. Juenger, and K.J. Folliard, “Statistical determination of cracking probability for mass concrete”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 26, no. 9, 2014, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000947.
• [28] K. van Breugel, S.J. Lokhorst, “Stress-based crack criterion as a basis for prevention of through-cracks in concrete structures at early ages”, in International RILEM Conference on Early Age Cracking in Cementitious Systems. RILEM, 2003, pp. 229-236.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).