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:

Effect of cold drawing on susceptibility to hydrogen embrittlement of prestressing steel

This paper compares the behaviour under aggressive environmental conditions of a prestressing steel in two forms (bar and wire) of different yield strengths, to investigate the influence of this material parameter on their susceptibility to hydrogen-assisted cracking in aqueous environments. Slow strain-rate tests using pre-cracked, specimens were performed under various environment conditions. Different fatigue pre-cracking loads were used to analyse the influence of the stress state in the vicinity of the crack tip on the hydrogen-assisted cracking process. The results confirm the well-known fact that the highest-strength steel is the most susceptible to hydrogen embrittlement. A model of hydrogen diffusion in metals— including the effects of both hydrogen concentration and hydrostatic stress distribution—is proposed to explain these results on the basis of the stress-strain curve of the material. Consideration is given to compressive residual stresses induced in the vicinity of the crack tip during the fatigue pre-cracking process. The model is able to explain the different susceptibility to hydrogen embrittlement of the two steels.

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Resume On utilise couramment deux types d’aciers dans le béton armé: les aciers tréfilés (C−Mn) ou trempés (Si−Cr). Bien que leur limite élastique soit assez élevée pour garantir une durée de service normale dans la zone d’élasticité, leur résilience est moindre que celle des aciers ductiles de limite élastique inférieure, et ils sont, par conséquent, plus sujets à des défauts tels que fissures ou encoches. De plus, ces aciers peuvent se fissurer sous l’influence d’une ambinace corrosive. On compare ici le comportement dans des conditions agressives, d’un acier de précontrainte C−Mn sous forme de barre ou de fil, de limites élastiques différentes, afin d’étudier l’influence, de ce paramètre du matériau sur la fissuration favorisée par l’hydrogène en milieux aqueux et, par suite, l’effet (bénéfique ou non) du procédé de tréfilage de ce point de vue particulier. Le programme expérimental consistait en une série d’essais de déformation à vitesse lente sur des éprouvettes pré-fissurées dans des conditions ambiantes variées. On a utilisé différentes charges de pré-fissuration en fatigue pour analyser l’influence de l’état de contrainte au voisingage de l’extrémité de la fissure sur le processus de fissuration favorisé par l’hydrogène. Les résultats confirment le fait bien connu, à sovoir que le fil tréfilé (acier de haute résistance) est davantage sujet à la fragilisation par l’hydrogène que la barre laminée à chaud (résistance plus basse), ce qui montre que le tréfilage réduit la résistance d’un acier de précontrainte à la fissuration favorisée par l’hydrogène. Dans la partie théorique, on propose un modèle de diffusion de l’hydrogène dans les métaux—qui tient compte des effets de la concentration en hydrogène et de la distribution des contraintes hydrostatiques—pour expliquer les résultats expérimentaux à partir de la courbe contrainte/déformation établie pour chaque matériau. On tient compte des contraintes en compression résiduelles qui se produisent au voisinage de l’extrémité de la fissure pendant le processus de pré-fissuration en fatigue, et qui sont modélisées selon les distributions de Rice pour un matériau élastique idéalement plastique. Le modèle permet d’expliquer les différentes susceptibilités à la fragilisation à l’hydrogène des deux formes d’acier de précontrainte à haute résistance (barre et fil): après la pré-fissuration en fatigue, la barre laminée à chaud présente une zone plastique plus large que le fil tréfilé, et l’hydrogène doit couvrir une plus longue distance avant d’atteindre le point critique, ce qui explique pourquoi la barre laminée est moins susceptible à la fragilisation à l’hydrogène.

     

The strengthening and deformation behaviour of reinforced concrete beams upgraded using prestressed composite plates

Externally bonded steel plates have been used world-wide for over twenty years to strengthen concrete members, but the disadvantages include the transportation and installation of heavy plates and steel corrosion. Polymeric composites avoid these disadvantages and provide an equally effective method of strengthening. The advantages of composites are exploited further by prestressing them before bonding to the concrete. This paper is concerned with the response of such prestressed members to applied load. After strengthening with externally bonded carbon fibre reinforced polymer (CFRP) plates, a number of beams of 1.0 m and 4.5 m lengths were tested in four point bending. The plates were bonded without prestress and with prestress levels ranging from 25% to 50% of the plate strength. The ultimate capacities of the non-prestressed beams were significantly higher than those of the unplated members and plate prestress brought about yet further strengthening. Prestressed plates are utilised more efficiently than non-prestressed plates, since a given plate strain is associated with a lower structural deformation in a prestressed member. The internal steel rebars yielded at a higher proportion of the ultimate capacity in the prestressed beams. Prestressing lowers the position of the neutral axis so more of the concrete section is loaded in compression, making more efficient use of the concrete.

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Résumé Le renforcement des éléments en béton par placage de plaques d’acier est pratiqué partout dans le monde depuis plus de vingt ans; cependant cette méthode présente les inconvénients du transport et de l’installation des plaques lourdes d’acier, ainsi que de la corrosion de l’acier. Des matériaux composites-polymère évitent ces inconvénients tout en fournissant une méthode aussi efficace de renforcement. Les avantages présentés par les composites peuvent être davantage améliorés par leur précontrainte avant leur placage au béton. Ce article traite de la réponse de tels éléments précontraints sous mise en change. Après renforcement par placage de plaques en polymère renforcé de fibres de carbone, des poutres ayant une longueur de 1,0 m et de 4,5 m ont été soumises à des essais de flexion-4 points. Les plaques étaient appliquées sans précontrainte et avec des niveaux de précontrainte allant de 25 à 50% de leur résistance. Les capacités ultimes des poutres non-précontraintes se sont montrées significativement plus hautes que celles des éléments non-renforcés par des plaques, et la précontrainte des plaques a apporté une résistance encore meilleure. Les plaques précontraintes sont plus efficaces que les plaques non-précontraintes, la contrainte sur une plaque donnée étant associée avec une déformation structurelle moindre dans l’élément précontraint. Dans les élément précontraints, les armatures métalliques internes ont cédé à une plus haute proportion de la capacité ultime. La précontrainte diminue la position de l’axe neutre et une plus grande partie de la section en béton est donc chargée en compression, résultant en une utilisation plus efficace du béton.

     

Drying induced moisture losses from mortar to the environment. Part II: numerical implementation

This paper presents a novel methodology to appropriately account for boundary conditions in numerical analyses of moisture fields in cementitious materials. The proposed methodology consists of using experimentally obtained moisture emissivity coefficients together with the vapour pressure difference between the environment and the exposed surface (based on the average surface humidity content). The performance of such methodology (implemented on DuCOM, a computational code suitable for calculation of moisture/temperature fields in cementitious materials) is evaluated by comparing the numerical predictions with the experimental results presented in the Part I companion paper. Influences of the many environmental conditions reported in Part I are investigated for validation of the proposed numerical methodology: temperature, relative humidity, wind speed and age of exposure of specimens. Furthermore, an additional numerical formulation for inclusion of the effect of evaporative cooling, based on the computation of additional heat fluxes induced by evaporative moisture losses, is presented, together with a validation example. Finally, two numerical sensitivity analyses are put forward for clarification of the relative importance of the parameters involved in moisture loss from cementitious materials, as well as the relevance of the evaporative cooling.

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Résumé Cet article présente une nouvelle méthodologie afin de mieux tenir compte des conditions limites lors d’analyses numériques des champs d’humidité dans les matériaux cimentaires. La méthodologie proposée consiste à utiliser des coefficients d’émissivité d’humidité obtenus expérimentalement associés avec la différence de pression de vapeur entre l’environnement extérieur et la surface exposée du béton (basée sur le contenu moyen de l’humidité à la surface). La validité de cette méthodologie (intégrée dans un logiciel de calcul des champs d’humidité et de température des matériaux cimentaires—appelé DuCOM) est évaluée en comparant les prédictions aux résultats expérimentaux rapportés dans l’article précédant (partie 1). Les influences des nombreuses conditions environnementales rapportées dans la partie 1 y sont vérifiées et validées, notamment: la température, l’humidité relative, la vitesse du vent et la durée d’exposition des spécimens. En outre, une formulation numérique additionnelle pour inclure l’effet du refroidissement par évaporation (basée sur le calcul des flux de chaleur additionnels induits par évaporation) est présentée et validée avec un exemple. En conclusion, deux analyses de sensibilité sont présentées pour clarifier l’importance relative des paramètres impliqués dans la perte d’humidité des matériaux cimentaires et pour démontrer la pertinence de l’influence du refroidissement par évaporation.

     

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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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.

     

Dynamic pressurization method for measuring permeability and modulus: II. cementitious materials

In a companion paper, the theory behind a novel method for measuring permeability and bulk modulus is derived. The new method is termed ‘dynamic pressurization’ (DP). In this paper, an apparatus for the new method is described, and the test procedure is applied to cement pastes and concretes. The test involves rapidly applying a hydrostatic pressure to a saturated cylinder, then measuring the time-dependent deformation response of the material. The test is found to be repeatable, and the fitting function described in the companion paper is found to adequately fit the measured data. The measured permeability of the cement pastes compares well to measured values on identical materials using a different technique. The measured bulk moduli of the solid phase of the hardened cement pastes and concretes obtained in the DP test are in the range of expected values based on literature values for the Young’s moduli of clinker and hydration products.

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Résumé Dans le premier article de cette série, la théorie à la base d’une nouvelle méthode de mesure par ‘pressurisation dynamique’ (PD) de la perméabilité et du module de déformation a été présentée. Dans cet article, un appareil permettant de réaliser cette nouvelle procédure expérimentale est décrit. Des examples d’application de cet essai à des éprouvettes de pate de ciment et de béton sont également donnés. La technique consiste à appliquer, sur un court laps de temps, une pression hydrostatique sur un cylindre saturé et de suivre l’évolution de la déformation du matériau en fonction du temps. Les résultats démontrent que l’essai est reproductible. De plus, les données confirment la validité de la fonction de relaxation identifiée dans le premier papier de cette série. Les résultats démontrent qu’il existe une bonne corrélation entre les valeurs de perméabilité mesurées pour des pates de ciment avec la nouvelle méthode et celles obtenues pour des matériaux similaires en utilisant une technique différente. Les modules de déformation mesurés pour le squelette solide de pates et de bétons durcis avec la méthode “PD” correspondent aux valeurs publiées dans la documentation scientifiques pour les modules de Young du clinker et des hydrates du ciment.

     

State-of-the-art report

In-situ distortion of fibrous-cement slates is brought about by exposure to different temperature and hygrometric gradient across the material. The aim of the research was to understand in detail the effect of each composition change on the physical properties, and to use this knowledge for the manufacture of slates which would exhibit better mechanical properties. The present research has concentrated on measuring the physical parameters controlling moisture transfer. A second paper (in preparation) shall use these experimental results in a numerical model to simulate moisture movements. The key physical parameters measured include: porosity, saturated permeability, vapour diffusivity and the suction-moisture content relationship. The experimental results show clearly the effects of various treatments (painting the slate, adding additional layers, replacing the fibres, slate compaction) on the physical properties.

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Résumé Les déformations locales dans les ardoises de fibro-ciment peuvent être engendrées par l’existence de gradients de température et d’hygrométrie au sein du matériau. Le but de ce travail est de comprendre en détail l’effet des modifications de composition des ardoises sur leurs propriétés physiques et d’utiliser ces connaissances dans la fabrication d’ardoises présentant de meilleures propriétés mécaniques. Le travail présenté dans cet article est axé sur létude et la mesure des paramètres physiques influant sur les transferts d’humidité. Dans un second article (en préparation) nous présenterons l’élaboration et l’exploitation d’un modèle numérique apte à décrire les phénomènes étudiés. Les paramètres pertinents sont: porosité, perméabilité saturée, succion et perméabilité en fonction de l’humidité relative. Les résultats expérimentaux montrent clairement l’effet des traitements subis par les ardoises (peinture de la surface, ajout d’une couche minérale supplémentaire, remplacement de l’amiante par d’autres fibres, compactage des ardoises) sur leurs propriétés physiques.

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Editorial note A. Raoof is working at the Laboratoire des Matériaux et des Structures (LCPC) France, which is a RILEM Titular Member. A. Sabouraud is working at Pont-⦏-Mousson SA, France, which is a RILEM Titular Member.     

Cement matrix 2-2 piezoelectric composite— Part 1. Sensory effect

Experimental results of the sensory effect of a cement matrix 2-2 piezoelectric composite are presented. The purpose of the research is to develop a self-sensing actuator exclusively for use in intelligent structures in the civil engineering field. The composite was fabricated by casting cement-based mortar into a series of pre-arranged piezoelectric thin plates. Different from most research work on piezoelectric materials, the current research focuses on the electromechanical properties and mechanical properties of the piezoelectric composite at relatively low frequencies (0.1 to 50 Hz) due to the special requirements for intelligent structures in the civil engineering field. In this frequency range, linear elastic behavior was observed for the composite. Viscosity or hysteresis, which often exists in some polymer matrix piezoelectric composites, was not observed. A complex math form was adopted to characterize the piezoelectric coefficients. It was found that the magnitude of the composite piezoelectric coefficients exhibited a linear dependency on the frequency, while the phase had an asymptotic dependency on the frequency. In the load range used, no dependency of the piezoelectric coefficients on load level was found for the composite.

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Résumé Les résultats expérimentaux de l'effet sensoriel d'un matériau composite constitué d'éléments piézoélectriques de type 2-2 dans une matrice de ciment sont présentés. L'ambition de ce travail est de développer un déclencheur automatique dédié aux structures intelligentes du Génie Civil. Le matériau composite est constitué de fines plaques piézoélectriques organisées au préalable et moulées dans un mortier à base de ciment. Contrairement aux autres études sur les composites piézoélectriques, ce travail se focalise sur les propriétés électromécaniques et mécaniques du matériau à de relativement faibles fréquences (de 0,1 à 50 Hz), qui correspondent aux fréquences propres des structures intelligentes du Génie Civil. Le matériau composite a présenté un comportement élastique dans cette gamme de fréquences. Aucun comportement visquex ou de phénomène d'hystérésis, qui sont caractéristiques des matériaux composites comprenant des éléments piézoélectriques dans des matrices polymères, n'a été observé. Dans ce travail une formulation mathématique complexe a été adoptée pour caractériser les coefficients piézoélectriques. L'ordre de grandeur des coefficients du matériau composite présente une dépendance linéaire vis-à-vis de la fréquence, alors que la phase présente une dépendance asymptotique à cette fréquence. Aucune dépendance des coefficients piézoélectriques vis-à-vis de la charge n'a été observée dans la gamme de charges appliquée dans cette étude.

     

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.

     

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).     

Strength vs. Structure A study for hydraulic cements

Summary A review of the present state-of-the-art in structure versus strength determinations for hydraulic cements is undertaken. Both morphological and mechanical factors are discussed. New electron micrograph studies of the hydrated material at 800 Kv are presented. Evidence is presented to show that the hydrated Portland cement is potentially a very strong material. All the data suggest that primary bonds exist between the aggregations of hydrated material. However the existence of primary bonds is not consistent with the structure of hydrated material as presented in the literature and observed by the author.

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Résumé Cet article a pour but de préciser où en est notre connaissance de la structure des ciments hydrauliques par rapport à la détermination de la résistance. On expose les études présentes et passées relatives à la structure de la pate hydratée, y compris plusieurs études récentes faites au moyen du microscope électronique à haute tension. On montre que la structure de la pate, telle que nous la connaissons actuellement, ne concorde pas avec la résistance potentielle du système que forme la pate hydratée. L'effet renforce l'hypothèse que la pate hydratée de ciment Portland est potentiellement un matériau résistant. La résistance potentielle d'un système hydraté est déterminée d'après les valeurs du “zero-void-modulus” dont nous disposons. Les valeurs sont très fortes pour la pate hydratée par rapport à la résistance effective de la pate, celle-ci devant être tributaire des vides qui existent dans la structure gélifiée de la pate. On montre aussi que les différences entre les résistances entre action et compression du béton peuvent être expliquées rigoureusement d'après les concentrations des contraintes et qu'il n'est pas besoin d'invoquer l'existence de liaisons faibles dans le matériau hydraté. Tout manque de résistance qu'on décèle dans la pate hydratée doit être attribué à la présence de vides ou à d'autres défauts de structure de la pate. Si les valeurs modulaires de la pate hydratée n'indiquent pas un matériau à liaisons faibles, reste alors la question de savoir comment la masse hydratée est susceptible de produire un matériau à module si élevé à partir d'un enchevêtrement d'agrégats d'un matériau hydratant qui ne semble pas présenter de propriété liante primaire. Ce problème ne peut être résolu sans une connaissance adéquate de la structure de la masse hydratante. Il s'impose donc de poursuivre parallèlement les études expérimentale et théorique afin de définir le mécanisme par lequel se développe la résistance.

     

The effect of shale in quartzite aggregate on the creep and shrinkage of concrete—A comparison with RILEM model B3

This paper presents the results of an investigation into the effects of increasing shale content in nominally “quartzite” aggregates on the creep and shrinkage behaviour of concretes made with such aggregate. The investigation was prompted by concern because of the increasing presence of the weaker and poorly shaped shale particles appearing in the quartzite aggregates being used in the Gauteng region of South Africa. In this investigation, two strength grades of concrete were prepared using varying proportions of shale in the stone and sand fractions of the quartzite aggregates. A secondary outcome of this investigation was the opportunity to assess the effect of aggregate type on the prediction of concrete creep and shrinkage using Model B3. The results indicate that increasing shale content in concrete has a significant effect in increasing both creep and shrinkage strains. Shrinkage increases almost linearly with increasing shale content of the total aggregate. On the other hand, shale in the sand fraction appears to have a larger effect in increasing creep than shale in the stone fraction. An assessment of the need for an aggregate-based adjustment to Model B3 is also presented.

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Résumé Cet article présente les résultats d’une recherche relative aux effects que peut avoir l’augmentation de la teneur en schiste dans des granulats nominalement “quartzites” sur le comportement des bétons faits avec de tels granulats. La présente recherche est née du souci de comprendre la teneur croissante des particules de schiste plus faibles et mal formées apparaissant dans les granulats quartzites utilisés dans la région de Gauteng en Afrique du sud. Au cours de cette recherche, deux gammes de résistance de béton ont été préparées en utilisant des proportions variables de schiste dans les fractions de pierre et de sable des granulats quartzites. La recherche a aussi été l’occasion d’évaluer les effets du type granulat sur la prévision du fluage et du retrait du béton en utilisant le modèle B3. Les résultats indiquent qu’une augmentation de la teneur de schiste dans du béton a un effet significatif sur l’augmentation des contraintes du fluage et du retrait. Le retrait augmente presque linéairement avec l’augmentation de la teneur en schiste du granulat total. D’autre part, le schiste dans la fraction de sable semble avoir un plus grand effet sur l’augmentation du fluage que le schiste dans la fraction en pierre. Une évaluation du besoin d’un réglage basé sur le granulat par rapport au modèle B3 est également présentée.

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Editorial Note Dr. Yunus Ballim is a RILEM Senior Member.     

Calculation of ionic diffusion coefficients on the basis of migration test results

Migration tests are now commonly used to estimate the diffusion coefficients of cement-based materials. Over the past decade, various approaches have been proposed to analyze migration test results. In many cases, the interpretation of test data is based on a series of simplifying assumptions. However, a thorough analysis of the various transport mechanisms that take place during a migration experiment suggests that some of them are probably not valid. Consequently, a more rigorous approach to analyze migration test results is presented. The test procedure is relatively simple and consists in measuring the evolution of the electrical current passing through the sample. Experimental results are then analyzed using the extended Nernst-Planck-Poisson set of equations. A simple algorithm is used to determine for each experiment the tortuosity factor that allows to best reproduce the current curve measured experimentally. The main advantage of this approach resides in the fact that the diffusion coefficients of all ionic species present in the system can be calculated using a single series of data. Typical examples of the application of this method are given. Results indicate that the diffusion coefficients calculated using this approach are independent of the applied voltage and depends only slightly on the concentration level and the chemical make-up of the upstream cell solution.

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Résumé Les essais de migration sont maintenant couramment utilisés pour estimer les coefficients de diffusion des matériaux cimentaires. Récemment, différentes approches ont été proposées pour analyser les résultats de l’essai de migration. Dans la plupart des cas, l’analyse des mesures est basée sur une série d’hypothèses simplificatrices. Cependant, une étude détaillée des mécanismes de transport des ions présents durant l’essai de migration révèle que certaines de ces hypothèses sont probablement incorrectes. Une approche plus rigoureuse de l’analyse des résultats de l’essai de migration est donc présentée. La méthode consiste à mesurer les courants électriques traversant l’échantillon durant l’essai. Ces résultats sont ensuite analysés à l’aide du système d’équations Nernst-Planck—Poisson. Un algorithme numérique permet de trouver pour chaque essai le facteur de tortuosité permettant de reproduire au mieux la courbe de courant mesurée expérimentalement. L’avantage principal de cette méthode est qu’elle permet de calculer le coefficient de diffusion de chacune des espèces ioniques présente dans le matériau sur la base de cette seule mesure de courant. Des exemples d’utilisation de la méthode sont décrits. Les résultats montrent que les coefficients de diffusion évalués selon cette approche sont indépendants du voltage appliqué au cour de l’essai et qu’ils ne dépendent que très légèrement du niveau de concentration et du type de solution utilisé dans le bac amont du montage.

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Editorial Note Laval University (Canada) and NIST (USA) are RILEM Titular Members. Prof. Jacques Marchand was awarded the 2000 Robert L’Hermite Medal. He is Editor in Chief forConcrete Science and Engineering and Associate Editor forMaterials and Structures. He participates in RILEM TC 186-ISA ‘Internal sulfate attack’. Prof. Kenneth A. Snyder is a RILEM Senior Member. He participates in RILEM TC ICC ‘Internal curing of concretes’.     

Etude de l'extrusion et de la stabilisation par le ciment d'argiles monominérales

L'étude présentée porte sur trois argiles monominérales, choisies de façon à individualiser les paramètres qui peuvent intervenir dans l'évolution des propriétés de terres stabilisées au ciment. Ces terres sont mises en forme par extrusion sous vide dans le but d'obtenir un matériau de construction économiquement intéressant. La montmorillonite ne peut pas être stabilisée par ce procédé car le produit obtenu n'a pas de résistance mécanique et ne présente aucune tenue à l'eau. La palygorskite donne un matériau qui possède une certaine résistance à la compression et à la traction mais qui n'offre qu'une mauvaise tenue à l'eau. Seule la kaolinite permet, après stabilisation par le ciment, de satisfaire à des exigences de fabrication, de résistances mécaniques, de tenue à l'eau, et de stabilité dimensionnelle. Il est important de souligner l'influence des caractéristiques physico-chimiques (limites d'Atterberg, capacité d'échange cationique) sur ces comportements.     

Methodological developments in the testing of wood based panels. Part I: Tensile and compression tests

As part of the European standards studies of CEN Communittee 124, dealing with wood structures, a test methodology has been worked out to establish certain mechanical prosperites of board for structural uses. This article discusses the methodological aspects of calculating the modulus and the strength of wood based board (particleboard and plywood) for tensile and compression stresses. The development of the initial ISO/DIS 8982 standard into a European norm is described with the help of various examples.

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Resume Dans le cadre des travaux normatifs europées du comité 124, traitant de structure bois, une méthodologie d'essais aété élaborée afin d'établir certaines propriétés mécaniques des panneaux pour l'utilisation en structure. Le présent article traite des aspects méthodologiques de la déetermination du module et de la résistance des panneaux à base de bois (panneaux de particules et contreplaqués) pour des sollicitations de traction et de compression. La trans-formation du texte initial ISO/DIS 8982 en norme européenne est relatée à l'aide de différentes illustrations. Les méthodes d'essais pour déterminer les propriétés mécaniques de panneaux en traction et compression semblent adaptées à la vaste famille des panneaux à base de bois. Il ressort d'un point de vue expéerimental, qu'une famille de panneaux, conreplaqués pour notre cas, peuvent être testés avec une seule valeur de vitesse de chargement, ce pour toutes les éprouvettes, tout en satisfaisant aux conditons requises sur le temps à la rupture de chaque éprouvette. La déterminsation du module par moyenne de la rigidité déterminée sur chaque face doit être conduite avec vigilance, les différences entre chaque détermination pouvant excéder 10%. Le comportement en tractino et compression est différent, de par la nature du matériau (résistance) et la forme d'éprouvette (module).

     

Orientation de la portlandite dans les mortiers et bétons de ciment Portland: Influence de la nature et de l’état de surface du support de cristallisation

Résumé Les propriétés de l’auréole de transition, zone interfaciale entre la pate de ciment Portland et les matériaux associés, dépendent de nombreux paramètres parmi lesquels l’orientation des cristaux de portlandite. En effet une orientation préférentielle de cristaux voisins selon leur plan de clivage favorise la propagation des fissures dans l’auréole de transition. Nous présentons ici l’étude de l’influence de la nature du matériau associé au ciment Portland (granulat inerte ou réactif, matériau poreux, armature en acier ordinaire ou galvanisée) sur la croissance des cristaux de portlandite à leur voisinage.

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Summary In concrete the hydration of the paste at the interface with other materials (aggregates, bars) is modified by the physical presence of these materials and possibly by a chemical effect. A transition zone has been pointed out near nonporous materials by microscopic observations. This zone has a thickness of several microns and is caused by a local increase in the water-cement ratio during the mixing phase. The hydration process is modified by this action and results in the formation of large crystals with a high porosity. Sometimes the portlandite crystals are oriented with their cleavage planes along the faces of the aggregate. Due to these characteristics of this zone the development and the extension of the cracks are easier than in the bulk. In this paper the influence of the nature of the material associated with the portland cement paste is presented. Porous and non porous materials, reactive and non reactive aggregates, ordinary and galvanized bars are presented.

     

Investigative methods for the characterisation of historic mortars—Part 2: Chemical characterisation

In addition to the mineralogical characterisation of components of binder and aggregate in historic mortars, it is sometimes necessary to perform a chemical analysis on the materials in historic mortars. Acid dissolution/separation of binder from aggregate is the simplest method, and allows the determination of the chemical composition of the acid-soluble binder and, after separation, information on the mortar’s aggregate. It is limited, when aggregate is acid-soluble. A range of significant analysis can be made including for soluble silica that relates to hydrated calcium silicates in the binder, and thus the hydraulicity of the binder. Other wet chemical analyses can be performed on the acid filtrate for soluble oxides of Fe, Al, Ca, Mg, S, Na and K. There may also be a requirement for the identification of organic substances, pigments and salts within a historic mortar. Chemical analysis forms a 2^nd part of a possible scheme of characterisation of historic mortars that is presented as a flowchart. Chemical analysis also satisfies requirements for information input to conservation, repair and restoration works on historic buildings for the choice of compatible replacement materials. Corroboration of evidence of identification and quantification for chemical composition is best supported by a combination of methods, including mineralogical analysis methods. All methods of characterisation require qualified and experienced people to carry out the analyses.

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Résumé En plus de la caractérisation des composants de liants et granulats de mortiers historiques, il est parfois nécessaire de faire des analyses chimiques sur les matériaux de ces mortiers. La méthode la plus simple est la dissolution ou séparation par acides du liant attaché aux granulats; cette méthode permet de déterminer la composition chimique du liant soluble dans l’acide et, après séparation, fournit des informations sur le granulat du mortier. La méthode n’est pas applicable aux granulats solubles dans l’acide. Il est possible d’établir toute une gamme d’analyses significatives, parmi lesquelles la détermination de la silice soluble, qui fait partie des silicates hydratées de calcium du liant, et par conséquent, sur l’hydraulicité du liant. D’autres analyses chimiques peuvent être faites sur le filtrate acide par rapport aux oxydes solubles de Fe, Ca, S, Na et K. Une identification des substances organiques, des pigments et des sels dans un mortier historique peut être exigée. L’analyse chimique figure dans la seconde partie d’un schéma possible de caractérisation des mortiers historiques, qui est présenté sous forme d’organigramme. L’analyse chimique peut répondre à des besoins d’information pour le choix des matériaux de remplacement compatibles pour des travaux de conservation, de réparation et de restauration relatives aux constructions historiques. La corroboration des preuves d’identification et de quantification par rapport à la composition chimique est mieux soutenue par une combinaison de méthodes, incluant les méthodes d’analyses minéralogiques. Toutes les méthodes de caractérisation nécessitent du personnel qualifié et expérimenté pour exécuter les analyses.

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TC Membership-Chairman: Caspar Groot, The Netherlands;Secretary: Geoff Ashall, United Kingdom;Members: Giulia Baronio, Italy, Peter Bartos, United Kingdom; Luigia Binda, Italy; Jan Elsen, Belgium; John Hughes, United Kingdom; Jan Erik Lindqvist, Sweden; Paul Maurenbrecher, Canada; Ioanna Papayianni, Greece; Margaret Thomson, USA; Koen Van Balen, Belgium; Rob Van Hees, The Netherlands; Alf Waldum, Norway.     

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.