Simulation of silica fume blended cement hydration

A model is proposed in this paper to simulate silica fume (SF) blended cement hydration based on the kinetics, stoichiometry and physical chemistry of cement hydration and pozzolanic reaction. The pozzolanic reaction degree, volume fraction of hydration products, capillary porosity and gel porosity can be obtained from model simulation. By using proper amount of silica fume replacement, the microstructure of silica fume blended cement paste is improved since the volume fraction of C-S-H gel is increased, Ca(OH)₂ content and capillary porosity are decreased due to pozzolanic reaction compared with ordinary Portland cement (OPC) paste. The effects of silica fume particle size, glass phase content and the percentage of silica fume replacement on pozzolanic reaction degree, volume fraction of hydration products, and capillary porosity are simulated. The simulation results show that finer silica fume particles with higher glass phase content (GP) are of higher reactivity. There is an optimum silica fume replacement; extra silica fume only acts as inert filler because there is no enough Ca(OH)₂ from cement hydration to react with it pozzolanically.

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Résumé Le modèle proposé dans cet article simule l'hydratation de ciment mélangé à de la fumée de silice et est basé sur la cinétique, la stoichiométrie et la physico-chimie de l'hydratation du ciment et la réaction pozzolanique. Le degré de réaction pozzolanique, la fraction volumique des produits de l'hydratation, la porosité capillaire et la porosité de gel peuvent être obtenues par un modèle de simulation. En utilisant la bonne quantité de remplacement de fumée de silice, la microstructure de la fumée de silice mélangée à la pate de ciment est améliorée étant donné que la fraction volumique du gel C-S-H augmente, que le taux de Ca(OH)₂ et la porosité capillaire décroissent en raison de la réaction pozzolanique lorsque l'on compare avec une pate de ciment à base de Portland ordinaire (OPC). Les effets de la taille des particules de fumée de silice, le contenu de la phase de verre et le pourcentage de remplacement de fumée de silice sur le degré de réaction pozzolanique, la fraction volumique des produits d'hydratation et la porosité capillaire sont simulés. Les résultats de cette simulation montrent que de plus fines particules de fumée de silice avec une plus grande quantité de phase de verre (GP) sont de forte réactivité. Il existe un remplacement de fumée de silice optimal; de la fumée de silice en plus ne sert que de filler inerte car il n'y a pas assez de Ca(OH)₂ à partir de l'hydratation du ciment pour provoquer une réaction pozzolanique

     

Effects of elevated temperature exposure on heating characteristics, spalling, and residual properties of high performance concrete

This paper describes results of NIST's experimental program that focuses on effects of elevated temperature exposure on residual mechanical properties of HPC. Residual mechanical properties were measured by heating the 102×204 mm cylinders to steady state thermal conditions at a target temperature, and loading them to failure after the specimens had cooled to room temperature. The test specimens were made of four HPC mixtures with water-to-cementitious material ratio (w/cm) ranging from 0.22 to 0.57, and room-temperature compressive strength at testing ranges from 51 MPa to 93 MPa. Two of the four HPC mixtures contained silica fume. The specimens were heated to a maximum core temperature of 450°C, at a heating rate of 5°C/min. Experimental results indicate that HPCs with higher original strength (lowerw/cm) and with silica fume retain more residual strength after elevated temperature exposure than those with lower original strength (higherw/cm) and without silica fume. The differences in modulus of elasticity are less significant. However, the potential for explosive spalling increased in HPC specimens with lowerw/cm and silica fume. An examination of the specimens' heating characteristics indicate that the HPC mixtures which experienced explosive spalling had a more restrictive process of capillary pore and chemically bound water loss than those which did not experience spalling.

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Résumé Cet article décrit les résultats du programme expérimental au NIST sur les effets que des températures élevées ont sur les propriétés résiduelles du BHP. Les propriétés mécaniques résiduelles ont été mesurées par la méthode suivante: des cylindres (102×204 mm) sont d'abord chauffés jusqu'à équilibre à une température choisie, puis stabilisés à température ambiante; enfin ils sont chargés en compression jusqu'à la rupture. Les échantillons étaient préparés à partir de quatre mélanges BHP avec des rapports eau/matériaux cimentaires (e/mc) entre 0.22 et 0.57. Les résistances à la compression de ces mélanges étaient entre 51 MPa et 93 MPa. Deux des mélanges contenaient de la fumée de silice. Les échantillons étaient chauffés jusqu'à une température interne de 450°C, à un taux de chauffage de 5°C/min. Les résultats expérimentaux indiquent que le BHP, avec une résistance à la compression initiale supérieure (e/c plus bas) et contenant de la fumée de silice, retient une résistance à la compression résiduelle plus élevée que les échantillons ayant une résistance à la compression plus basse (e/c plus élevé) et sans fumée de silice. Les différence entre les modules d'élasticité sont moins marquées. Par contre, la possibilité d'éclatement de surface est supérieure pour les échantillons avec le rapport e/mc plus bas et contenant de la fumée de silice. Un examen des caractéristiques thermiques des échantillons indique que les mélanges BHP qui explosent subissent une perte plus limitée d'eau capillaire et chimiquement absorbée en comparaison avec les échantillons sans éclatement de surface.

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Editorial Note Dr. Long Phan is a RILEM Senior Member. He participates in the work of RILEM TC 129-MHT Test methods for Mechanical properties of concrete at High Temperature. The NIST is a RILEM Titular Member.     

Fracture mechanical properties of high-performance concrete—Influence of silica fume

High-performance concrete and high-quality ordinary concrete, with or without silica fume, were tested for mechanical and fracture mechanical properties. Testing was performed at 28 days and 2 years. Ten percent silica fume resulted in a 20 to 25% increase in the direct tensile strength and a 10 to 20% increase in flexural and compressive strength, but had little effect on the dynamic modulus of elasticity. The brittleness appeared to increase with the presence of silica fume.

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Résumé Les propriétés mécaniques de la rupture ont été testées sur des bétons de hautes performances et sur des bétons ordinaires de haute qualité, avec ou sans fumée de silice. Les essais ont été effectués à 28 jours et à 2 ans. L’ajout de dix pour cent de fumée de silice a pour effet l’augmentation de la résistance en traction directe de 20 à 25% ainsi que l’augmentation des résistances en flexion et en compression de l’ordre de 10 à 20%, mais a peu d’effet sur le module d’élasticité dynamique. Par ailleurs, la fragilité du béton est accrue en présence de fumée de silice.

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Editorial Note Dr. Olafur Wallevik is a RILEm Senior Member. He participates in RILEM TCs 145-WSM (Workability of special concrete mixes) and 174-SCC (Self-Compacting Concrete) as well as in RILEM TC 181-EAS (Early age shrinkage induced stresses and cracking in cementitious systems) as a Corresponding Member.     

Properties of paste-rock interfaces and their influence on composite behaviour

The results are presented of an investigation into the interfacial properties of composite materials based on plain and silica fume pastes, and andesite, dolomite and granite rocks used as commercial concrete aggregates. Microstructural studies are reported, and the observations are shown to assist qualitatively in the interpretation of mechanical test results. Fracture properties of the various combinations show that the mechanical response of the composites is material specific. In general, andesites develop superior interfacial bond properties, and the use of silica fume tends to embrittle composites. For the mix proportions and materials used in this study, no direct (micrographic) evidence of a transition zone between interface and bulk paste could be observed.

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Resume Nous avons étudié les propriétés de l'interface pate/roche sur des éprouvettes de composites réalisées à partir de pate de ciment avec et sans fumée de silice et d'andésite, de pierres dolomitiques et granitiques, utilisées comme granulats commerciaux. Nous avons d'abord abservé la microstructure des faciès de rupture à l'aide du microscope à balayage électronique (MEB) muni à l'intérieur d'un système de ‘stereo pair imaging’. Des sections prélevées perpendiculairement aux faciès de rupture on été polies et examinées à l'aide du MEB équipé d'un détecteur d'électrons rétrodiffusés et d'un détecteur d'électrons secondaires. Pour déterminer les propriétés à la rupture des composites, nous avons appliqué la méthode d'essai ISRM I développée pour la caractérisation à la rupture de carottes de pierre. L'ensemble des observations de la microstructure a servi à l'interprétation qualitative des résultats expérimentaux. Nos résultats montrent que la morphologie des faciès de rupture dépend du type de pierre, de pate, et du type de composite pate/pierre observé. La croissance des fissures se développe soit à l'interface pate/pierre, soit à l'intérieur de la pate. Les pates contenant de la fumée de silice ont tendance à conférer aux composites une adhérence pate/pierre suffisamment bonne pour favoriser la croissance des fissures à travers la pate, à l'exception cependant des composites pate/andésite. Les deux types de fissuration sont accompagnés d'un important phénomène de coalescence des microfissures en retrait du plan de rupture. Finalement, sur les éprouvettes examinées, il n'y a pas d'indication évidente de la présence d'une zone de transition près de l'interface pate/pierre. Les courbes charge/fléchissement obtenues montrent que les éprouvettes de composite pate/andésite possèdent de meilleures propriétés mécaniques que les autres matériaux. Cependant, ce résultat n'a pas été observé avec les éprouvettes de mortiers réalisés à partir de granulats andésite dans les proportions étudiées ici. Les composites contenant de la fumée de silice sont légèrement plus fragiles si on se base sur la réduction de l'aire sous les courbes charge-fléchissement. D'après les résultats expérimentaux obtenus lors de l'étape de la caractérisation à la rupture, les pates sans fumée de silice ont une résistance à la rupture, K_cb, et un travail à la rupture, R_cb, plus élevés que les pates avec fumée de silice. L'andésite améliore les propriétés à la rupture de l'interface. Pour les mortiers, K_cb est peu influencé par la présence de fumée de silice ou par les caractéristiques des différents types de granulats, sauf pour les mortiers réalisés à partir de granulats granitiques. Enfin, l'énergie à la rupture est plus faible pour les mortiers contenant de la fumée de silice. Cette étude montre clairement que l'interaction entre les différentes phases constituant les matériaux composites est complexe et propre à chaque matériau. Des essais réalisés avec soin sont donc nécessaires à l'obtention des propriétés optimales de ces composites.

     

Role of casting position on bond strength of reinforcement in eccentric pullout silica fume concrete specimens

This paper reports on a study designed to investigate the effect of silica fume, bar size, and concrete confinement on the bond-slip characteristics of bottom cast reinforcing bars anchored in eccentric pullout silica fume specimens. The main objective was to assess the effect of casting position by comparing the test results with those of top cast specimens tested earlier and identical except for the casting position. Forty-eight eccentric pullout specimens were tested. The variables were the percentage replacement by mass of cement by silica, the concrete cover over the reinforcing bar, and bar size. Failure of the specimens was governed by splitting of the concrete cover over the anchored bar. The test results indicated that as the percentage silica fume increased, the maximum load capacity and the stiffness of the load-slip curve of the bottom cast bar decreased regardless of bar size or the concrete cover used. The reduction in the ultimate load due to presence of silica fume was independent of casting position. Companion bottom and top cast anchored bars developed similar ultimate load capacity regardless of the percentage replacement silica fume.

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Résumé Ce rapport se base sur une étude relative à l’effet de la fumée de silice, du diamètre des armatures et du confinement du béton sur les caractéristiques de glissement des armatures moulées d’en bas, dans le cas d’échantillons en béton avec pour adjuvant de la fumée de silice. L’objectif principal était de déterminer l’effet de la position de moulage en comparant les résultats d’essais à ceux d’échantillons testés auparavant et identiques sauf pour la position de moulage. Quanrante-huit échantillons ont été testés par le biais d’une extraction excentrée, les variables étant le pourcentage de substitution du ciment par des fumées de silice (en poids), la couverture de béton et la diminution des armatures. Le mode de rupture des échantillons est dominé par l’éclatement de la couche de béton recouvrant les armatures. Les résultats obtenus ont montré que plus le pourcentage de la fumée de silice augmente, plus la capacité maximale de charge ainsi que la courbe glissement-charge des armatures moulées d’en bas diminuent, quel que soit le diamètre des armatures ou l’enrobage de béton. La réduction de la capacité maximale de charge due à la présence de fumée de silice est indépendante de la position du moulage. En effet, des armatures, semblables moulées d’en haut et d’en bas ont développé des capacités maximales de charge similaires quel que soit le pourcentage de substitution en fumée de silice.

     

Bond of reinforcement in eccentric pullout silica fume concrete specimens

The objectives of the study were to investigate the role of specimen type and specimen size on the effect of silica fume on bond strength of reinforcing bars, and to evaluate the effect of bar size and concrete confinement on the anchorage characteristics of the reinforcing bars in silica fume concrete. Forty-eight eccentric pullout specimens were tested. The variables were the percentage replacement by weight of cement by silica, the concrete cover over the reinforcing bar, and the bar size. Failure of the specimens was governed by splitting of the concrete cover over the anchored bar. Test results indicated that as the percentage of silica fume increased, the maximum load capacity and the stiffness of the load-slip curve of the anchored bar decreased, regardless of bar size or the concrete cover used. The results showed that concrete confinement slightly improved the bond resistance in concrete containing more than 10 percent silica fume.

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Résumé Les objectifs de cette étude concement l'influence de la nature et de la taille des échantillons sur l'action de la fumée de silice dans les forces de liaison entre le béton et les armatures d'acier. L'évaluation de l'effet du diamètre des armatures et du confinement du béton sur les caractéristiques d'ancrage des armatures utilisées avec du béton avec comme adjuvant la fumée de silice a été également effectuée. Quarante-huit échantillons ont été testés par le biais d'une extraction excentrée, les variables étant le pourcentage de substitution du ciment par des fumées de silice (en poids), la couverture de béton et la diminution des armatures. Le mode de rupture des échantillons est dominé par l'éclatement de la couche de béton recouvrant les armatures. Les résultats obtenus montrent que plus le pourcentage de la fumée de silice monte, plus la capacité maximale de charge ainsi que la courbe glissement—charge appliqué des armatures ancrées diminuent, quel que soit le diamètre des armatures ou l'enrobage du béton. Un léger confinement, dans le cas d'un béton à plus de 10 pour cent de fumée de silice, sert à augmenter légèrement ces forces de liaison.

     

Resistance of different types of concrete mixtures to sulfuric acid

The resistance of seven different concrete mixtures against a 0.5% sulfuric acid solution was examined. The difference between high sulfate resistant Portland cement and blast furnace cement, as well as the influence of polymer modifications of the concrete and the addition of silica fume were issues of the investigation. All concrete mixtures were submitted to an alternating immersion and drying during 18 weeks in a 0.5% sulfuric acid solution using a testing apparatus for accelerated degradation tests. The corrosion of the concrete was quantified by measuring the change in dimensions of the test specimens with laser sensors. The mixture with addition of silica fume was most vulnerable to corrosion. Depending on the polymer type used, polymer modification of the concrete resulted in an increase and a decrease in the resistance of the concrete respectively. The concrete made with blast furnace cement had the highest resistance of all tested concrete types.

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Résumé La résistance de sept bétons différents à l’action corrosive d’une solution contenant 0,5% d’acide sulfurique a constitué le sujet de cette recherche. La différence entre un ciment Portland à haute résistance aux sulfates et un ciment de haut fourneau, ainsi que l’influence de la modification de polymères et de l’ajovt de fumée de silice ont été examinées. Tous les bétons ont été soumis, en alternance pendant 18 semaines, à une immersion dans la solution sulfurique et à un séchage, au moyen de l’appareil d’essais de corrosion accélérée. L’action de la corrosion a été mesurée avec des lasers mettant en évidence les changements de dimension des éprouvettes. Le béton contenant de la fumée de silice a présenté la moins bonne résistance par rapport aux autres bétons. La résistance du béton augmente ou diminue suivant le type de polymère utilisé. Parmi tous les bétons, c’est le béton fait de ciment de haut fourneau qui a offert la meilleure résistance.

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Editorial Note Prof. Dr. Ir. Luc Taerwe is a RILEM Senior Member.     

Tensile creep behavior of high strength concretes at early ages

Early age tensile creep of high strength concrete loaded during the first day after casting was studied. The effect of silica fume was evaluated, using two types of loading scheme: (i) creep which occurs in a restrained autogenous shrinkage test and (ii) creep measured in a conventional test under constant load. The two methods showed that the addition of silica fume increased the early age tensile creep of high strength concrete, when compared to concrete without silica fume but with similar water/binder ratio. This enhanced creep is of practical significance as it provides a mechanism to relieve some of the restraining stress that develops due to autogenous shrinkage.

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Résumé Dans cet article, on a étudié le fluage en traction d'un béton de haute résistance, pendant le premier jour suivant sa fabrication. On a caractérisé l'effet de la fumée de silice, à partir de deux modes de chargement: (1) fluage dans le cas d'un essai en retrait intrinsèque empêché et (2) fluage mesuré dans un essai conventionnel sous charge constante. Les deux méthodes indiquent que l'addition de fumée de silice augmente le fluage initial d'un béton de haute résistance, par rapport à celui d'un béton de même rapport eau/liant sans fumée de silice. Cette augmentation du fluage est d'une signification pratique, en fournissant un mécanisme qui compense en partie les contraintes générées par le retrait intrinsèque.

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Editorial Note Dr. K. Kovler and Prof. A. Bentur are RILEM Senior Members. Technion is a RILEM Titular Member. Prof. Amon Bentur is a Fellow of RILEM and a member of the RILEM Coordinating Committee. He is the Chaiman of TC 159-ETC: ‘Engineering of the interfacial transition zone in cementitious composites’ (co-chaired with Prof. Alxander) and of TC EAS: ‘Early age shrinkage induced stresses and cracking in cementitious systems’. Dr. K. Kovler is a Member of the TC EAS and of TC 162-TDF: ‘Test and design methods for steel fiber reinforced concrete’.     

Pore solution composition and chloride binding capacity of silica-fume cement pastes

Samples of the capillary pore solution, associated with hardened cement pastes containing various proportions of silica-fume and sodium chloride, have been expressed at different stages of curing and analysed to determine concentrations of dissolved ions. The results indicate that partial replacement of Portland cement by increasing percentages of silica-fume causes a regular decrease in alkalinity of the pore solution and a reduction in the chloride-binding capacity of the material. Possible implications regarding the level of corrosion protection afforded to embedded steel are considered.

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Résumé On a préparé des échantillons de pates de ciment Portland mélangé dans diverses proportions de poids à de la poudre de silice (0–30%) avec une proportion constante d'eau, équivalente à 50% des poids combinés du ciment et de la poudre de silice. Dans certains cas, l'eau du mélange contenait du chlorure de sodium en quantités qui correspondaient à 0,4 ou 1% d'ions de chlorure, exprimés en pourcentages des poids combinés du ciment et de la poudre de silice. On a traité les pates dans des récipients scellés pendant des périodes allant jusqu'à 84 jours, puis on les a transférées dans une enceinte en acier spécial, dans laquelle la pression a été appliquée à des niveaux permettant d'exprimer en millimètres les solutions interstitielles capillaires et de les recueillir. On a effectué l'analyse par des méthodes de routine pour déterminer les concentrations dissoutes de Na⁺, K⁺, Ca²⁺, OH⁻, Cl⁻, SO ₄ ²⁻ . On a aussi évalué les quantités d'eau non évaporable dans des échantillons, afin de calculer les proportions du contenu total de chlorure dans les matériaux qui sont restés dissous. Les résultats ont indiqué que le remplacement partiel du ciment Portland par des pourcentages croissants de poudre de silice causait une diminution régulière de l'alcalinité des solutions interstitielles et une réduction de la capacité du matériau servant à lier le chlorure. On a attribué ce dernier effet à l'influence du pH de la solution sur la solubilité de 3CaO.Al₂O₃.CaCl₂.1OH₂O et on a démontré la validité de point de vue au moyen de l'analyse thermale. On a considéré la signification des résultats vis-à-vis du degré de protection de l'armature contre la corrosion et on a constaté qu'un certain nombre de questions demandait de nouvelles recherches.

     

Etude de la résistance à l'arrachement de barres enrobées dans du béton de hautes performances

Résumé On présente les résultats d'un programme de recherche sur l'adhérence entre les armatures en acier et les bétons à haute performance élaborés à partir de fumée de silice. Les essais, conduits par arrachement direct, ont pris en compte des paramètres constitutifs de la liaison d'adhérence: longueur d'enrobage, diamètre de la barre enrobée, rugosité de la barre enrobée, et age et résistance du béton d'enrobage. Les résultats, présentés sous la forme de courbes effort d'arrachement/glissement de la barre ou sous la forme de variations de la contrainte moyenne tangentielle d'adhérence en fonction des paramètres des essais, ont permis de mettre en évidence l'effort bénéfique de la résistance mécanique des bétons et de la rugosité de la barre enrobée tandis que les autres paramètres influent peu ou de manière faiblement défavorable. L'ensemble des résultats obtenus permet d'envisager l'extension aux B100 des formules réglementaires actuellement en vigueur pour les bétons ordinaires.

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Summary This paper presents the results of a research program investigating the bond between steel and high performance concrete using pull-out tests. The characteristics of the specimens were changed by varying the embedded length, the bar diameter and roughness, and the age and strength of the concrete. The relationships between the pull-out load and the bond slip and the variations in the average bond stress with all of the parameters studied here emphasized the important influence of the embedded roughness and concrete strength; the effects of the other parameters are far less important. Based on these results an extension is proposed of the present regulatory expressions for the ultimate bond strength of concrete up to B60.

     

The tensile creep and fracture of desiccated concrete and mortar on water sorption

The dynamic effects of water sorption on the strength reduction and the tensile creep of concrete and mortar are investigated. Moisture assisted crack growth is the major mechanism of tensile creep and/or, fracture of the desiccated material. Mechanisms of compressive creep of desiccated concrete on re-saturation with water, are discussed and compared with those of tensile creep.

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Résumé On a étudié les effets dynamiques d'une sorption d'eau sur la diminution de la résistance et le fluage en traction de bétons et de mortiers. La recherche qu'on décrit ici indique que les processus de re-hydratation et de recrystallisation du gel de ciment lors d'une adsorption d'eau déterminent une microfissuration ou la propagation de fissures. On montre que la résistance en traction et le fluage en traction sont extrêmement sensibles aux microfissurations préexistantes, provoquées par la sorption, engendrées par la charge. On examine les mécanismes de fluage en compression du béton séché que l'on resature d'eau et on les compare avec ceux du fluage en compression dans des conditions ordinaires. Les éprouvettes de béton et de mortier (102×102×508 mm) ont été séchées à l'étuve jusqu' à un poids constant, chargées à différents niveaux de contrainte (de 0,55 de la charge ultime jusqu' à 0,15), puis placées dans une chambre humide (94±3% H.R.), où l'on a également placé, après dessication à poids constant, des prismes de traction (102×102×508 mm) pour la détermination de la résistance en traction directe et des cylindres (15×75 mm de diamètre) pour les essais en compression et de traction par fendage. Les éprouvettes de mortier, dont la forte teneur volumétrique en pate de ciment est de 0,69, révèlent une diminution de 80% de la résistance en traction lors de la resaturation, tandis que la diminution de la résistance en compression est de l'ordre de 30%. Du fait de la diminution de la résistance en fonction du temps, de la réhydratation et de la forte microfissuration qui en résulte, les éprouvettes de mortier et de ciment se rompent, à des niveaux de contrainte constants, bien au-dessous de la valeur de la résistance statique ultime en traction.

     

Electrochemical monitoring of corrosion of steel in microsilica cement pastes

The corrosion behaviour of steel in hardened cement pastes containing various proportions of microsilica and sodium chloride has been studied by corrosion potential and linear polarisation measurements. Replacement of increasing proportions of Portland cement with microsilica in pastes of constant total chloride content and water content caused the ratio of free chloride ion concentration to hydroxyl ion concentration in the pore water to increase. This tended to destabilise the passivity of steel during the early stages of hydration but the effect became less significant as curing progressed. It is suggested that the growth of anodic pits may be restrained in microsilica cement pastes owing to the fine pore structure of the material which limits the mobility of chloride ions near the surface of embedded steel.

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Résumé On a étudié la corrosion de l'acier doux dans quelques pates de ciment Portland mélangé dans des proportions de poids différentes à de la poudre de silice (0–30%) avec une proportion constante d'eau, équivalente à 50% des poids combinés du ciment et de la poudre de silice. Dans certains cas, l'eau du mélange contenait du chlorure de sodium en quantités qui correspondaient à 0,4 ou 1% d'ions de chlorure, exprimés en pourcentages des poids combinés du ciment et de la poudre de silice. Dans une recherche précédente on avait déterminé les concentrations dissoutes de Na⁺, K⁺, Ca²⁺, OH⁻, Cl⁻, SO ₄ ²⁻ dans les solutions interstitielles capillaires des échantillons. A la suite de ce travail on a constaté que la proportion [Cl⁻]/[OH⁻] s'accroissait en fonction de la proportion de silice présente dans les échantillons. Par conséquent on s'attendait à ce que la destruction de la couche d'oxyde passivant à la surface de l'acier devienne plus probable en fonction de la proportion de silice. Pour examiner cette hypothèse, on a évalué les tensions d'électrode de l'acier enrobé et les intensités de sa corrosion par une méthode électrochimique. Bien entendu, les résultats ont indiqué que le remplacement partiel du ciment Portland par de la poudre de silice causait l'affaiblissement de la passivation du métal pendant les quelques semaines suivant la préparation des échantillons. Cependant, pour tous les échantillons qui contenaient 0 ou 0,4% de Cl⁻, l'intensité de corrosion diminuait ensuite vers le niveau qui correspondait à la passivation de l'acier. On a évalué la signification de ces résultats.

     

Effet de la longueur des fibres sur les propriétés mécaniques des ciments renforcés de fibres cellulosiques

On a étudié l'effet de la longueur des fibres sur les propriétés mécaniques et physiques des ciments renforcés de fibres de cellulose. L'augmentation de la longueur de la fibre renforçante améliore la résistance à la flexion, l'énergie de rupture statique, la résistance au choc et n'a pratiquement aucune influence sur le module de Young, par contre elle diminue la densité du matériau. Les résultats expérimentaux concernant le module de Young, la résistance à la flexion et la densité sont bien en accord avec les prédictions théoriques. L'examen des surfaces de rupture a montré que le mécanisme de rupture dépend aussi de la longueur des fibres incorporées; on passe du mécanisme de fibres déchaussées pour de petites longueurs de fibres au mécanisme de fibres fracturées quand la longueur des fibres devient plus importante.     

Experiments on concrete under repeated uniaxial impact tensile loading

The fatigue behaviour of concrete was a new aspect in the experimental program focused on the behaviour of concrete subjected to uniaxial impact tensile loading. The results obtained in repeated impact tensile loading tests (at stress rates of 2–6 N/mm². ms) indicated that the impact fatigue was associated with progressive crack propagation resulting in accumulative damage of concrete. The upper stress limits varied between 1.7 and 0.6 times the static tensile splitting strength and specimen withstood 1 to 6,055 loading cycles respectively. The influence of water-cement ratio, cement content, specimen humidity, loading/casting direction and compressive strength upon the impact fatigue tensile strength of concrete was studied. The phenomena observed are discussed with the aid of fracture mechanics concepts.

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Résumé Un aspect nouveau dans la recherche du comportement du béton soumis en traction uniaxiale à des charges de choc est le comportement à la fatigue. Ce problème de fatigue a une grande importance pour des pieux de fondation. On a obtenu 89 résultats en faisant des essais répétitifs de choc en traction où la vitesse de mise en tension variait entre 2 et 6 N/mm². ms. Les limites des contraintes ont varié entre des valeurs égales à la résistance du choc en traction uniaxiale (1,7 f_b,r) et 0,6 fois la résistance statique à la traction par fendage. Les éprouvettes ont résisté à des variations de charge de 1 à 6 055. Les résultats montrent que la fatigue au choc allait de pair avec une augmentation progressive de la fissuration provoquée par la dégradation accumulative du béton. Il a été constaté que la résistance du béton à un effort de chocs repétés en traction augmente quand la valeur du facteur eau-ciment et la teneur en ciment augmentent. L'humidité des éprouvettes n'influence pas la résistance à la traction par chocs répétés. La résistance déterminée sur des éprouvettes chargées perpendiculairement à la direction du bétonnage était plus élevée que la résistance mesurée dans un essai où la direction de chargement et du bétonnage étaient parallèles. En général un béton de qualité inférieure a une meilleure résistance aux chocs répétés. On propose des explications des phénomènes observés par les théories de la mécanique de la rupture.

     

High-performance concrete mix for an optimum protection in acidic conditions

High-performance concrete mixes, made with 10% silica fume and various percentages of pulvarized fly ash as an ordinary Portland cement replacement, were prepared and subjected to sulphuric and hydrochloric acid environments. This research was conducted in order to study the effect of various levels of replacement materials and to obtain the optimum mix possessing a maximum protection against acid attack. The parameter investigated was the time, in weeks, taken to cause 20% weight loss of fully-immersed concrete specimens in a 1% solution of sulphuric acid and the same amount of loss in a 1% solution of hydrochloric acid. The investigation indicated that the concrete consisting of 10% silica fume and a maximum of 60% pulvarized fly ash as an ordinary Portland cement replacement showed an optimum protection in the acidic environment.

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Résumé Des mélanges de béton de haute performance obtenus à partir de 10% de fumée de silice et de différents pourcentages de cendres volants (en substitution du ciment Portland ordinaire) ont été préparés et submergés dans des solutions contenant de l'acide sulfurique ou chlorhydrique. L'objet de ces recherches étaient d'étudier l'effet de différentes quantités de matériaux de substitution afin de déterminer le mélange optimal offrant la meilleure protection contre l'action de l'acide. Le paramètre étudié était le temps, exprimé en semaines, nécessaire pour occasionner 20% de perte en masse des échantillons de béton plongés dans une solution à 1% d'acide sulfurique ou à 1% d'acide chlorhydrique. L'étude a montré qu'un béton consitué de 10% de fumée de silice et de 60% de cendres volants au maximum (en substitution du ciment Portland ordinaire) offre une protection optimale dans un environnement acide.

     

Developments and applications of high-performance concrete

In High Performance Concrete structures, both the increased strength as well as the improved microstructure can be utilized. Both effects are achieved using an optimized concrete technology, namely an extremely low w/c-ratio and the addition of silica fume. In the case of High Performance Concrete, reinforcement can be minimized and/or the dimensions of the structural members can be reduced. This type of concrete is mainly used for columns, walls, etc. within high-rise buildings, as an alternative to steel structures. However, in comparison with normal reinforced concrete structures, some additional measures are necessary to obtain an adequate fire resistance. Some interesting applications for high-rise buildings in Germany are presented. The dense microstructure of HPC is mainly used in case where, because of chemical attack or abrasion, additional protective measures are necessary in normal concrete structures. These measures can be avoided by using such a concrete.

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Résumé Dans les ouvrages en béton de haute performance, on utilise à la fois l'amélioration de la résistance et l'amélioration de la microstructure. Ces deux effets sont obtenus par l'utilisation d'une technologie optimisée, c'est-à-dire un rapport eau/ciment extrêmement bas et l'ajout de fumée de silice. Dans le cas du béton de haute performance, l'on peut minimiser le renforcement et/ou les dimensions des membres structurels. Ce béton est utilisé principalement pour des colonnes, des murs ... dans des batiments à étages multiples en substitution à des ouvrages en acier. Cependant, en comparaison avec des ouvrages armés ordinaires, il est nécessaire de prendre quelques mesures complémentaires afin d'obtenir une résistance suffisante au feu. Quelques applications intéressantes à des batiments à étages multiples en Allemagne sont présentées. La microstructure dense du BHP est utilisée principalement dans des cas où en raison d'attaque chimique ou d'abrasion, des mesures complémentaires de protection sont nécessaires dans des ouvrages en béton ordinaire. Ces mesures peuvent être évitées par l'utilisation d'un tel béton.

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Editorial note Dr.-Ing. R. Breitenbücher is a RILEM Senior Member and a member of TC 119-TCE on Avoidance of Thermal Cracking in Concrete at Early Ages.     

La technologie des bétons à très haute résistance en Amérique du Nord

C'est vers le début des années 1960 que certains producteurs de béton prêt à l'emploi de la région de Chicago commencent à développer des bétons commerciaux à très haute résistance. La résistance en compression de ce nouveau type de béton augmente petit à petit au fil des ans, si bien qu'il est possible à l'heure actuelle de commander à Chicago un béton prêt à l'emploi dont la résistance en compression garantie à 91 d est de 100 MPa. L'intérêt technologique et économique de tels bétons ne fait plus aucun doute aux yeux des concepteurs américains et le mouvement amorcé dans la région de Chicago se répand rapidement à travers les Etats-Unis et le Canada. Pourquoi et comment fabriquer des bétons à très haute résistance? S'il est assez facile de trouver des réponses à la première question, il faut bien avouer que les recherches effectuées jusqu'à présent dans le domaine de la fabrication des bétons à très haute résistance l'ont été de façon très empirique, si bien qu'il n'existe pas encore de recette miracle pouvant garantir à n'importe quel producteur de béton la possibilité de liverer un béton de chantier de 100 MPa. Il existe cependant un certain nombre de lignes directrices qu'il y a lieu de suivre et un certain nombre d'erreurs qu'il est préférable d'éviter. Quelles sont les propriétés mécaniques des bétons à très haute résistance? Quelles sont les recherches qu'il y aurait lieu de développer pour mieux connaître ce nouveau matériau? A quel niveau s'arrêtera cette ascension de la résistance en compression du béton prêt à l'emploi? Voilà un certain nombre de questions qui seront abordées dans le cadre de cette présentation sur les bétons à très haute résistance.     

Evaluation of the Windsor probe test for estimating compressive strength of concrete

This paper describes an investigation to evaluate the Windsor probe test for estimating compressive strength of concrete. Briefly, the probe test is performed by firing a 3.125 inch (82.6 mm) alloy-steel probe into the hardened concrete. The exposed probe length is recorded and is related to the compressive strength of concrete. The effect of the aggregate hardness is taken care of by using different calibration charts for minerals having different Mohs hardnesses. The results of a study to evaluate the compressive strength of 24×24×8-in. (61×61×20-cm) deep concrete slabs are given. The applications and limitations of the new test are discussed.

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Résumé Cet article tient compte d'une étude de l'essai à la sonde “Windsor” et de son aptitude à évaluer la résistance en compression du béton. En bref, on procède à l'essai en enfoncant une sonde en alliage d'acier de 82,6 mm dans le béton durci à l'aide d'un fusil spécialement concu à cet effet. Une relation est établie entre la longuer de sonde dehors et la résistance à la compression du béton. On tient compte de l'effet de la dureté du granulat à l'aide de différentes courbes d'étalonnage pour des minéraux qui présentent différents duretés Mohs. On fournit les résultats d'une évaluation de la résistance en compression de dalles de béton épaisses (61×61×20 cm). On examine les applications et les limites du nouvel essai. La dureté des gros granulats affecte la pénétrantion de la sonde dans le béton pour des cylindres ayant la même résistance à la compression à 28 jours, la longueur dehors de la sonde est de 4 cm dans le cas de béton de calcaire et de 4,2 cm avec du béton de gravier. Les essais indiquent qu'une augmentation de 0,25 cm correspond à un accroissement d'environ 35 kg/cm² de la résistance en compression à 28 jours du béton de calcaire. La valeur correspondante pour le béton de gravier est de 42 kg/cm². Le coefficient de variation moyen par gachée pour la longueur dehors de la sonde est de 4,4% pour le béton de gravier et de 2,1% pour le béton de calcaire, ce qui indique sans doute que le béton confectionné avec des granulats plus tendres peut donner des résultats plus reproductibles qu'un béton fait avec des granulats plus durs. Les corrélations sont bonnes entre la longueur dehors de la sonde et la résistance en compression à 28 jours du béton, si l'on se fie aux mesures faites sur des dalles, des cylindres et des carottes. Pour le béton de gravier les coefficients de corrélation varient de 0,885 à 0,878; pour le béton de calcaire, la variation est de 0,927 à 0,969. L'écart-type de la résistance en compression estimée à 28 jours du béton de gravier, déterminée d'après la longuer dehors de la sonde est de 21 kg/cm² alors qu'il est de 34 kg/cm² pour une détermination d'après les carottes prélevées. Pour du béton de calcaire, les valeurs correspondantes de l'écart-type sont de 31 kg/cm² et de 27 kg/cm². En opérant sur le même béton, la longueur dehors des sondes augmente avec l'age du béton, ce qui montre bien que les mesures à la sonde sont utiles pour déterminer la résistance relative du béton.

     

Long-term moisture transport in high performance concrete

Moisture is decisive for a large number of binding and transport processes in high performance concrete affecting the durability, shrinkage and performance in various environments. An experimental study on the moisture transport properties of 20 concrete mixes was made during seven years, with type of binder, additives and waterbinder ratio as parameters. An upside-down glass cup method was used to obtain the steady-state flow through concrete discs. The moisture diffusion coefficient decreases with a lower water-binder ratio, increasing amount of silica fume, especially when combined with fly ash and it continues to decrease also after four years for w/B lower than 0.40. The moisture diffusion coefficient is much less moisture dependent for HPC than for normal concrete, which means that steady-state moisture profiles through HPC structures will be almost linear. Long-term moisture profiles in submerged HPC will be affected by self-desiccation for a very long time because of the extremely small moisture flow.

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Résumé L'humidité a une influence prépondérante sur un grand nombre de processus d'interaction et de transport qui affectent de manière directe la durabilité, le retrait et le comportement des bétons à haute performance (BHP) soumis à différents types de conditions d'exposition. Une étude expérimentale sur les propriétés de transport d'humidité de 20 mélanges de béton a été effectuée durant une période de sept ans. Les variables étudiées concernaient le type de ciment et d'ajouts ainsi que le rapport eau/liant. Une procédure spéciale a été utilisée de manière à être en mesure de réaliser les essais de transfert d'humidité en régime permanent. Les résultats des essais indiquent que le coefficient de diffusion d'humidité diminue avec une réduction du rapport eau/liant, une augmentation de la teneur en fumée de silice, tout particulièrement lorsque celle-ci est utilisée avec des cendres volantes. Pour des bétons de rapports eau/liant inférieurs à 0,40, la réduction du coefficient d'humidité se poursuit toujours même après 4 ans d'hydration. Le coefficient de diffusion d'humidité des BHP semble être beaucoup moins sensible à la teneur en eau que celui des bétons ordinaires ce qui signifie que les profils d'humidité en régime permanent sont presque linéaires. Les profils d'humidité à long terme dans BHP submergés seront fortement affectés par l'autodessiccation.

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Editorial Note Prof. Lars-Olof Nilsson is a RILEM Senior Member. He participates in RILEM TC 178-TMC ‘Testing and modelling chloride penetration in concrete’.     

Compression densitification of beech wood plasticized with anhydrous ammonia

Compression densitification of ammonia plasticized beech wood is shown to yeild mechanical properties comparable to the best tropical woods. Continued research leading to effective moisture stabilization of the new products is required in order to utilize the outlined production method commercially.

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Résumé Le bois est plastifié par adsorption d'ammoniac. Après désorption de l'ammoniac, la substance du bois retrouve ses propriétés de résistance. Par l'utilisation de cette méthode de plastification temporaire découverte aux Etats-Unis, on a pu montrer que le bois est susceptible de prendre de fortes courbures permanentes. L'étude décrite ici a été entreprise afin de déterminer si le bois de bouleau danois à l'état plastifé peut être densifié par compression perpendiculaire au grain de sorte qu'il constitute un matériau de construction à résistance mécanique accure. On est parti de la présomption que si la paroi de la cellule était réellement plastifiée, le bois densifié devrait montrer des propriétés mécaniques proportionnelles à sa densité après désorption de l'ammoniac. Les résultats expérimentaux ont montré que la densification par compression du bois de bouleau plastifié à l'ammoniac possède des propriétés mécaniques comparables aux meilleurs bois tropicaux. Il s'impose de poursuivre les recherches quant à la stabilisation effective de ces nouveaux produits avant de commercialiser la méthode de production indiquée.