Fibre reinforced gypsum binder composite, its microstructure and durability

The effect of E-type glass fibre on the strength and durability of gypsum binder composites was studied under different climatic conditions and by accelerated methods. After 50 cycles of wetting and drying at 60°C an irregular deposition of gypsum binder products was found at the surface of glass fibres. Durability of E-type glass (borosilicate) fibres employed as reinforcement in the gypsum binder composites was examined after immersion into aqueous extract of gypsum binder at temperature 27° to 60°C. The exposed glass fibres were studied by scanning electron microscope and by weight loss determination. Deterioration of E-type glass fibres was observed at 50° and 60°C on exposure to aqueous gypsum binder extract which is directly related to the durability of gypsum binder composites. It is concluded that gypsum binder composites should be used under 50°C.

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Résumé L’effet de la fibre de verre de type E sur la force et la durabilité des matériaux liants à base de gypse a été étudié sous différentes conditions climatiques et par des méthodes accélérées. Après 50 cycles de mouillage et séchage à 60°C, une déposition irrégulière de liants à base de gypse a été dévouverte à la surface des fibres de verre. La durabilité des fibres de verre (borosilicate) de type E utilisées afin de renforcer les matériaux liants à base de gypse a été examinée après immersion dans un extrait aqueux du liant à base de gypse à une température de 27 à 60°C. Les fibres de verre exposées ont été scannées et étudiées à l’aide d’un microscope électronique et leur perte de poids a été déterminée. Une détérioration des fibres de verre de type E a été observée à 50 et 60°C après exposition à l’extrait aqueux du liant à base de gypse, qui est directement lié à la durabilité des liants à base de gypse. En conclusion, les composites liants à base de gypse doivent être utilisés à une température inférieure à 50°C.

     

Use of recycled concrete aggregate in high-strength concrete

The results of a test programme to study the use of recycled concrete aggregate (RCA) in high-strength, 50 N/mm² or greater, concrete are described. The effects of coarse RCA content on the ceiling strength, bulk engineering and durability properties of such concretes have been established. The results showed that up to 30% coarse RCA had no effect on concrete strength, but therafter there was a gradual reduction as the RCA content increased. A method of accommodating the effects of high RCA content, involving simple adjustment to water/cement ratio of the mix is given. It is shown that high-strength RCA concrete will have equivalent engineering and durability performance to concrete made with natural aggregates, for corresponding 28-day design strengths. The practical implications of the study for concrete construction are discussed.

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Résumé Sont décrits ici les résultats d’une série d’essais destinés à étudier l’utilisation de granulats provenant du recyclage d’éléments en béton (RCA) dans des bétons de haute résistance (50 MPa et plus). Les effets de la teneur en gros granulats recyclés sur la résistance des plafonds et des batiments, ainsi que les propriétés de tels bétons ont été établis. Les résultats ont montré qu’une teneur allant jusqu’à 30% en gros granulats recyclés n’a pas d’effet sur la résistance du béton, mais qu’au dessus de 30%, la résistance diminue progressivement à mesure que la teneur en gros granulats recyclés augmente. Une méthode visant à accommoder les effets dus à une forte proportion de RCA, nécessitant un simple ajustement du rapport eau/ciment dans le mélange, est proposée. Il est prouvé que le béton RCA de haute résistance aura des qualités de résistance et de durabilité équivalentes à celles de bétons constitués de granulats naturels, pour les résistances mécaniques à 28 jours prévues. Les implications pratiques de l’étude sur la réalisation d’ouvrages en béton sont présentées.

     

The theoretical basis of a method to determine the fracture energyG F of concrete

RILEM Technical Committee 50-Fracture Mechanics of Concrete, has put forward a proposal for a recommendation for the determination of the fracture energy G_F of mortar and concrete. The significance of G_F in the strength of concrete structures is discussed and it is demonstrated that G_F in some cases, for example for shear failure of beams and slabs without shear reinforcement, is a material property which may be as important as normal strength properties. For the measurements of energy absorption a three-point bend test on a notched beam has been proposed. The choice of test specimen and of evaluation method is discussed.

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Résumé La Commission Technique 50-FMC de la RILEM, Mécanique de la rupture du béton a proposé, en vue d’une recommandation, une méthode de mesure de l’énergie de rupture G_F. Les bases de cette méthode sont exposées dans le présent rapport. La rupture du béton par traction peut être décrite par deux courbes (fig. 2). La première décrit la relation contrainte/déformation relative à l’ensemble du matériau et la seconde représente la relation contrainte/déformation dans la seule zone endommagée, durant le processus de rupture. L’aire de la surface délimitée par la seconde courbe est représentative de l’énergie de rupture appelée G_F. Au moyen de courbes approximatives simplifiées, données à la figure 3, on a analysé la résistance de certaines structures dont la rupture survient par traction (fig. 4 à 6). II a été démontré que la sensibilité de la résistance par rapport aux variations des propriétés du matériau peut être déduite de ces courbes. Pour des échantillons de béton de qualités et de dimensions usuelles, la sensibilité par rapport aux variations de G_F peut être à peu près du même ordre de grandeur que celle relative aux variations de la résistance à la traction f_t. On peut donc conclure que G_F est une propriété importante du matériau qu’il conviendrait de prendre en compte dans certains types de sollicitations de structures comme par exemple la résistance au cisaillement dans les dalles. C’est la raison pour laquelle il est nécessaire de disposer d’une méthode standard pour sa détermination. La méthode d’essai proposée par la Commission Technique RILEM 50-FMC est un essai par flexion sur une poutre entaillée où l’énergie absorbée durant l’essai est mesurée. Le choix des dimensions du spécimen et l’évaluation des résultats de l’expérience sont également discutés.

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Caractérisation de la surface du béton considérée dans le cas d’une liaison béton/résine synthétique

Résumé L’utilisation de revêtements de matière plastique sur le béton occasionne des contraintes à l’interface dues aux propriétés différentes des matériaux. La durabilité d’un revêtement dépend dans une large mesure de la résistance superficielle du béton. Diverses méthodes d’essai pour déterminer cette résistance superficielle ont été évaluées. On a mis au point un appareillage grace auquel la résistance superficielle et l’adhérence peuvent être étudiées. Dans les conditions de laboratoire, l’appareil fournit des résultats reproductibles et on l’a utilisé également pour l’étude de cas de déterioration.

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Summary When plastics coatings are used, stresses occur on the interface between plastics coating and concrete, which are due to the different properties of these materials. The durability of a coating depends largely on the surface strength of the concrete. For determining the surface strength of concrete various testing methods were evaluated. A testing apparatus was developed by which both the surface strength and the bond may be investigated. Under laboratory conditions the apparatus delivers reproducible results and in practice it was used for the investigation into cases of damage.

     

Evaluation of UHPFRC activation energy using empirical models

The influence of thermal curing on the evolution of the material properties and the UHPFRC behaviour was investigated. Tests results showed a beneficial effect of a high temperature curing on the early age material properties due to the thermo-activation effect on the hydration process. However, an inverse effect was observed at long-term. In our study, activation energy of UHPFRC was evaluated from experimental data by means of empirical models. The traditional maturity-function based on Arrhenius law, generally used to describe thermally activated physical or chemical processes, was used to predict the evolution of the UHPFRC autogenous shrinkage and to validate the applicability of this concept for such cement-based materials. Results showed that the concept based on Arrhenius law could describe correctly temperature effects on UHPFRC for temperature lower than 30°C.

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Résumé  L’influence de la cure thermique sur l’évolution des propriétés et du comportement du Béton Fibré Ultra Performant (BFUP) a été étudiée. Les résultats d’essais ont montré l’effet bénéfique des températures élevées sur les propriétés du matériau au jeune age à cause de la thermo-activation du processus d’hydratation. Néanmoins, un effet inverse a été observé à long terme. Dans cette étude, l’énergie d’activation du BFUP a été évaluée à partir des résultats expérimentaux par le biais de modèles empiriques. Le concept de maturité traditionnel basé sur la loi d’Arrhenius, généralement utilisé pour décrire l’activation thermique des processus physiques et chimiques, a été utilisé pour prédire l’évolution du retrait endogène du BFUP et pour valider l’application de ce concept pour de tels matériaux cimentaires. Les résultats ont montré que le concept basé sur la loi d’Arrhenius décrit correctement l’effet thermique sur le BFUP pour des températures inférieures à 30°C.

     

On the interpretation of low temperature calorimetry data

In contrast to most other methods for characterisation of porosity Low Temperature Calorimetry (LTC) can be applied on virgin (undried) samples. This is especially relevant when testing materials, e.g. cement paste, which is influenced by drying. However, there are a number of factors affecting the interpretation of results obtained by this method. In the present paper, a selection of these has been investigated, in order to determine the possibilities and limitations of using LTC for characterisation of the porosity of cement-based materials. LTC was carried out on a model material with mono-sized pores of approximately 14 nm saturated with either distilled water or a sodium chloride solution, as well as on water, the salt solution, and an artificial pore solution, alone. It was found that supercooling is unavoidable during the liquid-solid phase transition, and that even at low temperature gradients equilibrium cannot be obtained with the sample size used (1 g liquid). Correcting for non-equilibrium between reference block and sample, the Gibbs–Thomson equation seems applicable for estimation of pore sizes of the investigated size. The estimate may be further improved by taking the effect of ions on freezing point depression into account. It is proposed that the connectivity of pores, e.g. in cement-based materials, may be characterised based on cooling curves, whereas the pore size distribution may be characterised based on the heating curve. Cooling should be undertaken at a high rate to limit transport of liquid, whereas heating should be undertaken at a low rate to limit the effect of non-equilibrium.

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Résumé A l’inverse de la plupart des autres méthodes de caractérisation de la porosité, la calorimétrie à basse température (Low Temperature Calorimetry LTC) peut être appliquée~à des échantillons~bruts sans préparation (séchage)~préalable. Ceci est particulièrement intéressant pour la caractérisation de matériaux sensibles au séchage tels que les pates de ciment. Toutefois,~de nombreux~paramètres peuvent affecter l’interprétation des résultats obtenus par cette méthode. Cet article traite de l’étude de certains de ces paramètres~afin de déterminer le potentiel et les limitations d’utilisation de la LTC~pour la caractérisation de matériaux à matrice cimentaire. Des mesures de LTC ont été réalisées d’une part sur un matériau modèle à distribution de taille de pores unique d’environ 14 nm, saturé soit avec de l’eau distillée soit avec une solution de chlorure de sodium, et d’autre part sur l’eau seule, sur la solution saline, et sur une solution de pore artificielle. Il a été observé que les phénomènes de surfusion sont inévitables pendant la transition de phase liquide–solide, et que même en utilisant des gradients de température faible, l’équilibre ne peut être atteint avec la taille d’échantillon utilisée dans le cas présent (1 g). En apportant les corrections nécessaires de non-équilibre entre le bloc référence et l’échantillon, l’équation de Gibbs–Thomson est toutefois applicable pour l’évaluation de la taille des pores. L’évaluation peut être encore améliorée en tenant compte de. l’effet des ions sur l’abaissement du point de solidification. Il est propose que la connectivité des pores, dans le cas des matrices cimentaires, soit caractérisée sur la base des courbes de refroidissement, tandis que la distribution de taille des pores soit estimée à partir des courbes de chauffage. Le refroidissement doit être rapide afin de limiter le transport du liquide; le chauffage doit en revanche être relativement long afin de prévenir les effets de non-équilibre.

     

Calcium hydrosilicate as a base for producing thermal insulation products

We have conducted research on the process for producing thermal insulation materials using calcium silicates with the addition of glass fibres. These materials have excellent refractoriness, heat resistance, mechanical strength and dimensional stability and are suitable for refractory coatings, as heat insulators, and as a lagging product.

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Resume Nous avons mené une recherche sur le processus de fabrication de matériaux d’isolation avec des silicates de calcium renforcés de fibres de verre. Ces isolants présentent d’excelllentes résistances à la chaleur et au feu, aussi bien que de bonnes résistance mécanique et stabilité dimensionelle, et se prêtent donc à la confection de revêtements réfractaires, d’isolants thermiques et de calorifuges.

     

The effects of age up to 18 years under various exposure conditions on the tensile properties of a polypropylene fibre reinforced cement composites

An 18 year test programme has been completed on the tensile stress-strain performance of cement composites reinforced with two types of polypropylene fibrillated networks. Three storage conditions have been used —natural weathering storage inside in laboratory air, and under water storage. Some composites have been precracked before exposure and others left uncracked before testing. The parameters measured included the elastic modulus and cracking stress of the matrix, complete tensile stress-strain curves and crack distribution in the composite, and the effects of the different weathering conditions on the tensile strength, strain to failure and bond strength of the polypropylene reinforcement. In general terms, it was shown that where the fibre volume remained above the critical fibre volume, the strength, ductility and toughness of the composite was maintained regardless of exposure conditions for very long periods of time. In particular, the material has remained ductile, with a failure strain in excess of 5% after 18 years under water which is unusual for fibre reinforced cement composites.

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Résumé Un programme d’étude d’une durée de 18 ans vient de s’achever sur le fonctionnement en tension des composites ciment renforcés avec deux types de réseaux de polypropylène fibrillé. Trois conditions de conservation ont été utilisées—vieillissement naturel en plein air, conservation ambiante dans le laboratoire, et conservation sous l’eau. Quelques-uns des composites ont été pré-fissurés avant d’être exposés et d’autres sont restés non fissurés jusqu’à l’essai. Les paramètres messurés ont compris le module élastique et la résistance en traction de la matrice, des courbes de contrainte-déformation et la distribution des fissures dans le composite, et les effets de diverses conditions de vieillissement sur la résistance en traction, la déformation à la rupture et la force d’adhérence de l’amature en polypropylène. Il a pu être démontré que lorsque le volume de fibres dépasse le volume critique, la résistance, la ductilité et la dureté du composite ont été maintenues quelles que soient les conditions de l’exposition pendant de très longues périodes. En particulier, le matériau est resté ductile, avec une déformation à la rupture augmentée de 5% après 18 ans sous l’eau, ce qui est rare pour des composites ciment renforcés de fibres.

     

On the use of nanoindentation for cementitious materials

Recent progress in experimental and theoretical nanomechanics opens new venues in materials science for the nano-engineering of cement-based composites. In particular, as new experimental techniques such as nanoindentation provide unprecedented access to micromechanical properties of materials, it becomes possible to identify the mechanical effects of the elementary chemical components of cement-based materials at the scale where physical chemistry meets mechanics, including the properties of the four clinker phases, of portlandite, and of the C-S-H gel. In this paper, we review some recent results obtained by nanoindentation, which reveal that the C-S-H gel exists “mechanically” in two different forms, a lowdensity form and a high-density form, which have different mean stiffness and hardness values and different volume fractions. While the volume fractions of the two phases depend on mix proportions, the mean stiffness and hardness values do not change from one cement-based material to another; instead they are intrinsic properties of the C-S-H gel.

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Résumé Les récents progrès en “nanomécanique”, aussi bien sur le plan théorique qu’expérimental, ouvrent de nouvelles perspectives en science des matériaux pour la nano-ingénierie des composites à base de ciment. Grace à de nouvelles techniques expérimentales telles que la ‘nanoindentation’, qui permet d’avoir un accès sans précédent aux propriétés micromécaniques des matériaux, il devient notamment possible d’identifier les effets mécaniques des composants chimiques élémentaires à l’échelle où la chimie rejoint la mécanique; cela inclut les propriétés des quatre phases de clinkers, de la portlandite et du gel de C-S-H. Dans le présent article, nous analysons quelques résultats récents obtenus par nanoindentation; ces résultats révèlent que le gel de C-S-H existe “mécaniquement” sous deux formes différentes, l’une à faible densité et l’autre à forte densité. La valeur moyenne du module d’élasticité, de la dureté, ainsi que la fraction volumique de ces deux formes sont différentes. Alors que la fraction volumique des deux phases dépend de la formulation du mélange, les valeurs moyennes du module d’élasticité et de la dureté sont identiques d’un composite à l’autre; il s’agit de propriétés intrinsèques du gel de C-S-H.

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Editorial Note Prof. Franz-Josef Ulm is a RILEM Senior Member. He was awarded the 2002 Robert L’Hermite Medal. He is Associate Editor forConcrete Science and Engineering.     

A new formula for relaxation of stress-relieved steels

From the basic mechanisms of plastic deformation, a new equation for the isothermal relaxation has been derived, depending on two empirical parameters. Relaxation tests show the validity of the formula to explain isothermal relaxation losses in stress-relieved steels and to take into account the influence of the temperature up to 60°C and the initial stress up to 0.80 u.t.s. A new testing method, as deduced from the formula, for high temperature relaxation tests is proposed. Finally, the equation has been applied to test results from other authors obtaining again an excellent agreement with them.

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Résumé A partir de l’analyse des mécanismes de la déformation plastique on arrive à déduire une expression qui nous donne la déformation plastique en fonction d’une variable qui dépend de la contrainte de la température et du temps: c’est la contrainte effective. En appliquant cette expression au phénomène de la relaxation des aciers de précontrainte, on déduit une nouvelle formule qui détermine la perte de contrainte en fonction de la contrainte effective de l’acier. Cette expression est valable dans un certain intervalle de températures (20 à 60°C), et de tensions (jusqu’à 80% de la charge unitaire maximale) et l’influence du matériel n’est représentée que par deux paramètres empiriques. Pour vérifier la validité de cette expression on expose les résultats des essais qui ont été réalisés sur deux aciers stabilisés. Pour l’un de ces aciers on a exploré l’intervalle de tension et de températures considéré auparavant. Les essais à hautes températures ont été réalisés suivant une nouvelle méthode: tandis que pour les essais à 20°C la vitesse de mise en charge a été de 3,3 MN/m².s, pour les essais à 40°C la vitesse employée a été de 33 MN/m².s et pour les essais à 60°C elle était de 250 MN/m².s. Le temps de maintien de la charge initiale a été réduit à 13 secondes pour les essais à 40°C et à 1,8 secondes pour les essais à 60°C. Les résultats de ces essais s’accordent très bien avec l’expression théorique. Finalement on applique cette expression à d’autres essais qui ont été publiés par le C.U.R. et par Brachet, Jacques et Atallah et on vérifie sa validité avec les résultats de ces essais.

     

The shear strength of pretensioned I-beams with debonded tendons

The paper describes a few tests on the shear failure of unitormly prestressed pretensioned concrete I-beams with unreinforced webs and with debonded tendons in the end zones. All the beams were tested under two-point loading. To predict the behaviour of these beams in shear, empirical expressions developed from the test results for conventional beams by others have been used. Most of these formulae are found to overestimate the bearing capacity by nearly 100 per cent. The results show that the bearing capacity of these beams in shear is not completely independent of the number of debonded tendons and their location on the end face of the beam.

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Résumé Des essais ont été effectués afin d’étudier l’effet de la suppression de l’adhérence des cables sur la capacité portante en cisaillement des poutres en béton précontraint à cables adhérents. L’ame des poutres essayées n’était pas armée. Les essais ont été effectués avec une machine d’essai universelle OLSEN 1-MN, les poutres étant chargées en deux points avec une portée d’effort tranchant de 500 mm. La longueur sur laquelle l’adhérence a été supprimée et la longueur de transmission des cables de précontrainte étaient d’environ 600 mm. Un enregistreur automatique a fourni les courbes de fléchissement au milieu des poutres. Ces poutres avaient toutes une longueur de 2,90 m et les essais ont été effectués sur une portée de 2.75 m. On a fait varier le nombre de cables à adhérence supprimée et leur localisation dans la zone d’about des poutres. Toutes les poutres ont été rompues en cisaillement oblique. Pour prédire le comportement en cisaillement de ces poutres, on s’est servi d’expressions empiriques élaborées à partir des essais effectués par d’autres sur des poutres conventionnelles. Les résultats d’essai montrent que, lorsque les cables utiles localisés dans la membrure inférieure gardent leur adhérence, la capacité portante de ces poutres sous effort tranchant augmente de 15%. La suppression de l’adhérence de 50% des cables de la membrure inférieure a déterminé une réduction d’environ 20% de la capacité portante en cisaillement, par rapport à une poutre semblable dont les cables étaient restés totalement adhérents. Les résultats d’essai montrent donc que la capacité portante en cisaillement des poutres en béton précontraint à cables adhérents n’est pas entièrement indépendante du nombre et de la localisation des cables à adhérence supprimée dans la zone d’about de la poutre.

     

Cinétique de migration de l’eau sous charge variable dans les systèmes plâtre-argile

Résumé Les platres β sont, après consolidation, des matériaux essentiellement macroporeux (r>100 nm) donc constituent des milieux dans lesquels l’eau liquide peut facilement migrer. L’objectif du travail a été d’essayer de remédier à cet inconvénient en incorporant au platre avant consolidation des solides finement divisés: minéraux argileux de différents types (kaolinite, montmorillonite, mica muscovite, talc, sépiolite et attapulgite) ou liants particuliers constitués d’un minéral argileux thermiquement activé (métakaolinite) additionné ou non d’hydroxyde de calcium ou de ciment Portland artificiel. Le travail a permis de montrer que l’addition de solides divisés précités abaisse la distribution des rayons de pores et, excepté le mélange ‘métakaolin-chaux’, la vitesse de migration de l’eau dans le matériau à des degrés plus ou moins divers. Les résultats concernant ce dernier point ont été obtenus à l’aide d’un montage original permettant l’étude de la migration de l’eau sous charge variable. Une modélisation théorique du phénomène, basée sur une loi de Darcy modifiée, et prenant en compte les valeurs expérimentales des coefficients de perméabilités, des distributions des rayons de pores et de la porosité totale ouverte des matériaux, a pu être proposée.

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Summary After hardening, β-hemihydrate plasters are essentially macroporous materials (r>100 nm) and constitute media into which liquid water can easily migrate. The aim of the present work was to try to remedy such an inconvenience by incorporating into the material, before hardening, finely divided solids such as clay minerals (kaolinite, montmorillonite, muscovite, talc, sepiolite and attapulgite) or a thermally activated clay mineral (metakaolinite) added or not with calcium hydroxide or ordinary Portland cement. The research has allowed us to point out that the abovementioned solids decrease both the pore size distribution and, except for metakaolinite-lime addition, the water migration rate into the material. Results concerning the last point have been obtained by using an original experimental set-up allowing the study of water migration with variable hydraulic charge. A theoretical modelling of the phenomenon, taking into account experimental values of permeability coefficient, pore size distribution and total open porosity of the materials, has been proposed.

     

Effect of organic surface agents on properties of hydrated cement compacts

Summary This paper reports the treatment of bottle-hydrated portland cement with organosilanes, oleic acid and octadecylamine intended to reduce the sorption of water and the corresponding dimensional changes. Compacts were made from the treated hydrated cement powder to simulate cement paste and allow measurements of sorption-dimensional change characteristics and microhardness. It was found that organochlorosilanes are not suitable for the treatment because the HCl released during the reaction produced undesirable side effects and in some cases increased the adsorption and expansion of the cement. Hexamethyldisilazane was more effective, reducing odsorption by 10 to 20%. Oleic acid was effective at concentrations as high as 25% by weight, but serious loss in mechanical property of microhardness was experienced.

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Résumé On expose le traitement de ciment Portland hydraté par des organosilanes, l’acide oléique et l’octadecylamine, afin de réduire la sorption d’eau et les variations dimensionnelles, correspondantes. Les mesures de ces variations dimensionnelles et de la microdureté ont été faites sur des éprouvettes de poudre de ciment hydraté traité et compacté, comme modèle de la pate de ciment hydraté. Il est apparu que les organochlorosilanes ne conviennent pas à cause de l’acide chlorhydrique produit durant la réaction, qui entra?ne des effects secondaires indésirables, et même, dans certains cas, augmente l’adsorption d’eau, et l’expansion du ciment. Plus efficace, l’hexamethyldisilazane réduit l’adsorption de 10 à 20% et l’expansion de 20 à 30%. L’acide oléique agit à des concentrations en poids de l’ordre de 25%, mais on a constaté une importante diminution des propriétés mécaniques et de la microdureté.

     

Lifetime of concrete dam models under constant loads

This paper presents the results of crack creep tests on three dam models (240 cm high) made with three types of concrete, with maximum aggregate size Φ equal to 3.15, 12 and 25 mm. In order to characterize the material a series of tensile tests was performed for each kind of concrete. In this way the static parameters (Young’s modulusE, ultimate tensile strength σ _u , compressive strength σ _c , fracture energyG _F ) and creep laws were obtained. The tests on the dam models were performed in many phases: in the last one, the load was kept constant in order to examine the effects of concrete relaxation in terms of Crack Opening Displacement and crack propagation. Through the Cohesive Crack model it was possible to simulate the experimental results on gravity dam models by using the creep laws obtained from tensile test. Numerical and experimental results (failure lifetime, load vs. C.M.O.D. (Crack Mouth Opening Displacement), C.M.O.D. vs. time, load vs. time, crack trajectories) were found to be in good agreement.

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Résumé Ce travail présente les résultats d’essais de fluage dans la zone endommagée sur trois modèles de barrage en béton (hauts de 240 cm) avec une dimension maximale des granulats de 3, 15, 12 et 25 mm. Le matériau a été caractérisé par des essais de traction pour chaque type de béton. Ainsi ont été déterminés les paramètres statiques (module de Young, résistance maximale à la traction, résistance à la compression, énergie de rupture) et les lois de fluage du béton. Les essais sur les modèles de barrages ont été conduits en plusieurs phases: dans la dernière, la charge a été gardée constante afin d’examiner les effets de relaxation du matériau en termes d’ouverture de la fissure et de sa propagation. à travers le modèle de la fissure cohésive, il a été possible de simuler les résultats expérimentaux des essais sur les modèles de barrage en appliquant les lois de fluage obtenus dans les essais de traction. Les résultats numériques et expérimentaux (durée de vie à la fatigue, courbes de charge-ouverture de la fissure, ouverture de la fissure temps, trajectoires des fissures) se sont révélés en bonne corrélation.

     

Bending of glass fibre-reinforced plastic (GFRP) plates on elastic supports

This study is concerned with the mechanical properties of a fibreglass reinforced polyester resin of laminar construction with consideration given to the application of the results to the analysis, in bending, of a plate of similar material. Tension and compression tests were performed to obtain the stress-strain relationship and ultimate stresses and strains. Because of the inherent scatter of results due to the nature of the material, average values, along with maximum and minimum limits, are determined. Flexural tests were conducted and moment-curvature relationships were obtained both theoretically and experimentally. Creep tests showed that, for loads well below the failure load, creep effects are almost negligible when the fibres are oriented to the longitudinal axis of the specimen. As the results in bending are not as scattered as those for tension and compression, this leads one to believe that they might be more appropriate for use in plate theory.

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Résumé On étudie les propriétés mécaniques d’une rśine polyester renforcée de fibres de verre et de structures laminaires, en ayant en vue l’application des résultats à l’étude en flexion d’une plaque d’un matériau similaire. Les essais de traction et de compression ont été réalisés afin d’obtenir la relation contrainte/déformation ainsi que les contrainteses et déformations ultimes. La nature du matériau déterminant une dispersion des résultats, on a fixé des valeurs moyennes comportant des limites maximales et minimales. On a réalisé des essais de flexion tant théoriques qu’expérimentaux, et obtenu des relations moment-courbure. Les essais de fluage montrent que pour des charges nettement au-dessous de la charge de rupture les effets du fluage sont presque négligeables si les fibres sont disposées longitudinalement dans l’éprouvette. Comme les résultats en flexion sont moins dispersés que ceux obtenus en traction et en compression, on peut supposer qu’ils se prêtent mieux à être utilisés dans la théorie des plaques.

     

Contrôle des matériaux de construction par dynamostratigraphie

Résumé La fabrication des matériaux de construction nécessite des contr?les systématiques de qualité, en laboratoire. Il est tout aussi important de pouvoir effectuer des contr?lesin situ, une fois l’ouvrage terminé et dans le temps. La dynamostratigraphie apporte une solution à ces deux problèmes. Cette méthode est basée sur la mesure de l’effort de pénétration (R) d’un foret animé simultanément de mouvements de rotation (ϕ) et de translation (x) à des vitesses imposées. L’enregistrement de la variationR(x) permet de constater les variations de résistance mécanique et par là-même l’épaisseur des différents constituants traversés. Deux exemples d’utilisation de la dynamostratigraphie sont présentés à partir de mesures effectuées en laboratoire. Lorsque le matériau n’est pas stratifié—un mortier—la résistance à la pénétration permet de comparer différentes compositions (sable/ciment) et leurs évolutions au cours du séchage. Lorsque le matériau est hétérogène—un béton—la résistance à la pénétration décèle la taille des gravillons et la qualité du mortier. La dynamostratigraphie s’applique avec succès à tous les matériaux.

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Summary The manufacture of building materials calls for systematic quality control in the laboratory. It is equally important to be able to carry out control on site, once the construction is completed, and then later during service. Dynamostratigraphy brings a solution to these two problems. This method is based on the measurement of the penetration force (R) of a drill driven simultaneously in rotation (ϕ) and sideways (x) at imposed rates. Recording the variation inR(x) indicates the variation in the mechanical resistance and thereby the thickness of the different constituents penetrated. Details are given of two examples of the use of dynamostratigraphy in the laboratory. When the material examined is not a stratified medium—a mortar—the resistance to penetration will give the possibility of comparing different design mixes (sand/cement) and their modification during drying. When the material is heterogeneous—concrete—the resistance to penetration defines the size of gravel and the quality of the mortar. In fact, dynamostratigraphy can be applied successfully to all materials.

     

Caractérisation thermophysique et mécanique de briques de terre stabilisées en vue de l'isolation thermique de bâtiment

Résumé Cet article présente une étude expérimentale portant sur la caractérisation de matériaux locaux utilisés dans l'isolation thermique des batiments. Ces matériaux sont des briques de terre compressées et stabilisées au ciment. La conductivité thermique et la chaleur spécifique de matériaux à base de latérite incorporant de la pouzzolane et de la sciure de bois a été déterminée. Les résultats montrent que les blocs en latérite + pouzzolane ou en latérite + sciure de bois sont meilleurs isolants thermiques que les blocs en latérite simple. Cependant, ces matériaux composites utilisés pour l'enveloppe du batiment doivent avoir des résistances mécaniques suffisantes pour être utilisés dans la construction. La mesure des propriétés mécaniques telles que la résistance à la compression et la résistance à la traction a montré un faible écart entre les résistances des trois types de matériaux étudiés. Les résistances en traction de la latérite et de la latérite + pouzzolane sont voisines et environ deux fois plus élevées que celle de la latérite + sciure de bois. Ces résultats permettent de préciser les conditions d'utilisation optimale de ces matériaux pour l'enveloppe du batiment.

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Thermophysical and mechanical characterization of stabilized clay bricks for building thermal insulation

An experimental study was carried out in order to determine the properties of local materials used for building thermal insulation. Cement stabilised compressed clay bricks were tested. The thermal conductivity and specific heat of laterite based materials incorporating pouzzolane or sawdust was determined. The experimental results showed that pouzzolane + laterite bricks or sawdust + laterite bricks give better thermal insulation than simple laterite bricks. However, these composite materials used for building shielding must present sufficient mechanical strength to the suitable for constructions. The measurement of mechanical properties such as compressive strength and tensile strength showed little difference between the strength of the three studied materials. The tensile strengths of the laterite and the laterite + pouzzolane bricks were similar. They were about two times that of the laterite + sawdust bricks. The obtained thermal and mechanical results permit to specify the optimal use conditions of the tested materials.

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Méthodes de détermination de la diffusivité hydrique de pâtes de ciments durcies

This paper concerns the determination, of the diffusivity of humidity within cement pastes. This parameter is essential for the implementation of macroscopic physical models concerning coupled heat and mass transfers in porous materials. The response of materials to different kinds of hydrical sollicitations can be exploited in different ways to obtain the diffusivity. As materials are subjected to the different relative humidities of the surrounding air, the Crank method applied to the mass balance equation allows the identification ofD _ω during the transient period before equilibrium. Another method consists of simultaneously exploiting the apparent vapour permeability and the equilibrium states of materials obtained from isothermal adsorption-desorption curves. Finally, the experimental determination of the evolution of the water content profiles, during water transfer experiments, allows the calculation ofD _ω using the Boltzmann or mass balance methods. These experiments demonstrate the differences in the behaviour of materials (differences ofD _ω values) according to various environmental conditions. The nature of the distribution of water at a microscopic level causes great differences on the macroscopic behaviour of the materials.

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Méthodes de détermination de la diffusivité hydrique de pates de ciments durcies

Résumé Dans cet article les auteurs s’intéressent à la détermination de la diffusivité hydrique, D_ω, de pates de ciment. Ce paramètre est essentiel à la mise en œuvre d’un modèle macroscopique des transfersts couplés de chaleur et d’humidité dans les milieux poreux. Les méthodes d’exploitation de la réponse hydrique des matériaux sont présentées pour différents types de sollicitations. Ainsi, lors de la phase de mise en équilibre hydrique des matériaux, au contact d’ambiances à diverses humidités relatives, la méthode de Crank, appliquée à l’équation de conservation de masse, permet d’identifier D_ω. Une autre méthode, consiste á exploiter, simultanément, les perméabilités apparentes à la vapeur, ainsi que les états d’équilibre des matériaux au contact d’ambiances, caractérisés par les isothermes d’adsorption-désorption. Enfin la détermination expérimentale de l’évolution des profils hydriques, lors d’expériences de transferts, permet, au moyen de la méthode de Boltzmann, ou de celle des bilans de masse, de déterminer aussi la diffusivité. Ces diverses expériences mettent en évidence les grandes différences des valeurs de D_ω et donc de comportement des matériaux, selon le type de sollicitation auxquelles ils sont soumis. La nature de la répartition de la phase liquide au niveau microscopique induit de grandes différences dans le comportement macroscopique des matériaux.

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Note de la rédaction Mme V. Baroghel Bouny travaille au LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées), France, Membre Titulaire de la RILEM.     

Mix design and mechanical behaviour of some steel-fibre-reinforced concretes used in reinforced concrete structures

This article examines the mechanical behaviour of metal-fibre-reinforced concretes (MFRCs) on two different scales: that of the material and that of the structure. As regards the intrinsic mechanical behaviour of the material, defined as the behaviour observed before the stage of crack localization, it is shown that with MFRCs having the workability of a concrete (a method for optimizing the compositions of MFRCs is proposed) for use in reinforced concrete structures, the compressive and tensile strengths are in all cases less than those of a conventional concrete. On the scale of the structure, on the other hand, the fibres transmit forces across a macrocrack just like the reinforcements of a reinforced concrete. It is therefore on the scale of the structure, and not on that of the material, that metal fibres add ductility. Lorsque l’on considère la littérature portant sur le comportement mécanique des bétons de fibres métal-liques (BFM), on constate que les informations obtenues sont très nombreuses et souvent contradictoires. Ainsi que cela concerne les résistances mécaniques, les problèmes d’adhérence entre les armatures de béton armé et les BFM, ou encore les problèmes de ductilité, les résultats présentés par les divers chercheurs qui travaillent dans ce domaine, sont souvent très différents. Il y a, à notre avis, deux raisons à ce constat:

Measuring the membrane potential across cement-based materials

Cement-based materials tend to self-establish an electric field when exposed to an ionic concentration gradient. This is of importance in several areas of cement technology, particularly where the prediction of ion transport is required, such as in service life prediction of concrete structures and cement-based solidification of hazardous waste. Measurement of the membrane potential across a specimen is the most direct method of quantifying the field. The outcome of research directed at developing a sound method of measuring membrane potentials is reported. Theory important to measure and interpret membrane potentials is presented. The main variables involved in measuring membrane potential are then considered, including specimen configuration, electrolytes and reference electrodes. The greatest obstacle to accurate membrane potential determination is the presence of junction potentials in the test set up. Methods of minimizing and estimating junction potentials are presented. An example is presented involving measuring the potential across 10-mm-thick OPC mortar specimens housed between 0.5 M NaCl and simulated pore solutions, using calomel electrodes and KNO₃ salt bridges. The total junction potential involved was calculated to be around 2.2 mV. The corrected membrane potential started at around −23 mV on first exposure, increasing to a value of around +30 mV by 38 days.

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Résumé Les matériaux à base de ciment exposés à un gradient de concentration ionique tendent à auto-établir un champ électrique. Ceci a une grande importance dans plusieurs domaines de la technologie du ciment, en particulier quand la prédiction du transport d’ions est requise, comme pour la prédiction de la durée de vie des structures en béton ou la solidification à base de ciment des déchets toxiques. La mesure du potentiel de membrane sur une éprouvette est la méthode la plus directe de quantifier le champ. Les résultats de recherches destinées à développer une méthode de mesure des potentiels de membrane sont ici publiés. La théorie relative à la mesure et à l’interprétation des potentiels de membrane est présentée dans cet article. Les principales variables intervenant dans la mesure des potentiels de membrane, dont la configuration de l’éprouvette, les électrolytes et les électrodes de référence, sont alors prises en considération. L’obstacle le plus important à une détermination précise des potentiels de membrane est la présence de potentiels de jonction dans le dispositif expérimental. Les méthodes utilisées pour minimiser et estimer les potentiels de jonction sont décrites. Un exemple est présenté, mettant en jeu la mesure du potentiel à travers des éprouvettes de mortier de ciment Portland ordinaire de 10 mm d’épaisseur, disposées entre une solution de NaCl à 0,5 M et une solution intersticielle artificielle, en utilisant des électrodes au calomel et des ponts salins au KNO₃. Le potentiel de jonction total a été calculé autour de 2,2 mV. Le potentiel de membrane corrigé est parti d’environ −23 mV à la première exposition, augmentant jusqu’à une valeur d’environ +30 mV au 38^e jour.

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Editorial Note Prof. Nick R. Buenfeld is a RILEM Senior Member, He participates in RILEM 178-TMC (Testing and modelling chloride penetration in concrete).