Mechanical behaviour of thermally damaged high-strength steel fibre reinforced concrete

The incorporation of steel fibres can compensate the inherently brittle behaviour of high strength concrete. This paper studies the residual mechanical behaviour of thermally damaged high strength steel Fibre Reinforced Concrete (FRC). The type and content of fibres were included as variables, a mortar and a normal strength fibre concrete were also tested. Two exposure conditions werre selected, I hour at 500°C and 24 hours at 150°C. FRC follow similar residual compressive behaviour as the plain concrete, but the presence of fibres lead to slight increase in strength and in the stress at which cracks initiate. Flexural tests on notched beams were performed (RILEM TC 162-TDF recommendation). It was found that the shape of the load-deflection curves in FRC exposed to 150°C was similar to the undamaged concrete. The reductions in flexural strength were lower in FRC than in plain concrete, and the equivalent post-peak strength was less affected than first-crack strength, showing the effect of fibre reinforcement. For the most severe exposure condition the degradation of the material is reflected by an increased non-linearity, nevertheless some FRC still exhibited a strengthening type behaviour and kept an almost constant load capacity during the post-peak.

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Résumé L'incorporation des fibres d'acier dans le béton peut compenser le comportement fragile du béton de haute résistance. Est étudié dans ce travail le comportement mécanique résiduel du béton de haute résistance renforcé de fibre d'acier (BRF) endommagé par la température. On a considéré comme variables le type et le dosage de fibres; et on a aussi étudié un mortier et un béton de résistance normale. On a adopté deux conditions d'exposition à haute température, 1 heure à 500°C et 24 heures à 150°C. Les bétons renforcés de fibres d'acier (BRF) présentent un comportement résiduel en compression identique à celui du béton normal, mais la présence de fibres produit un léger accroissement de la résistance à la compression et de la contrainte où la formation de fissures commence. On a réalisé des essais de traction en flexion dans des éprouvettes prismatiques entaillées (recommandation de la commission technique RILEM TC 162-TDF). Les courbes charge-déformation du BRF exposé à 150°C présentent la même forme que celles du béton de référence. Par rapport au béton normal, les BRF ont une réduction inférieure de la résistance en flexion; de plus, la résistance équivalente après pic a·été moins affectée que la résistance des premières fissures, mettant en évidence l'effet de la présence des fibres. On a trouvé un accroissement de la non-linéarité dans les échantillons plus endommagés, alors que les BRF présentaient toujours un comportement de renforcement et maintenaient une capacité de charge pratiquement constante pendant l'après-pic.

     

Experimental and theoretical investigation of the shear resistance of steel fibre reinforced prestressed concrete X-beams—Part II: Theoretical analysis and comparison with experiments

This is the second part of two papers on the experimental (Part I) and theoretical (Part II) resistance of steel fibre reinforced precast concrete beams. High strength steel wire, and thin amorphous metal fibres have been introduced into prestressed concrete X beams in order to study their behaviour under shear loads. Experimental tests have determined shear strengths at the ultimate and cracking loads, and shown increased ductility with up to 2% fibre content. From these tests two different methods are proposed for predicting the ultimate shear capacity—these are the fibre supplement additive method, and the modified FRC principal tensile stress method. The principal tensile strength of the fibre reinforced concrete is given as a function of compressive strength and fibre volume. The means value of the ratio of the calculated to the test strength is 0.89 without partial safety factors, and, being conservative, is proposed for use in design. A calculation model is presented.

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Résumé Cette partie est la deuxième de deux articles sur les expériences (part I) et la théorie (partie II) sur la résistance des poutres en béton préfabriqué renforcé de fibres d'acier. Des aciers à haute adhérence et de minces fibres métalliques amorphes ont été introduits dans des poutres X en béton précontraint pour étudier leur comportement sous l'action des efforts tranchants. Des essais expérimentaux ont déterminé la résistance ultime au cisaillement et les charges de fissuration, et ont montré une hausse de la ductilité avec un volume allant jusqu'à 2% de fibres. Sur la base de ces essais, deux méthodes différentes sont proposées pour la prédiction de la résistance ultime au cisaillement—la méthode des fibres supplémentaires additionnelles et la méthode de la contrainte de tension principale du béton de fibres d'acier. La résistance principale en tension du béton renforcé de fibres est donnée comme fonction de la résistance à la compression et du volume de fibres. La valeur moyenne du rapport entre la résistance calculée et celle donnée par les essais est de 0,89 sans facteur de majoration, et, étant conservatrice, elle est proposée comme méthode de calcul. Le modèle de calcul est présenté.

     

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.

     

Experimental and theoretical investigation of the shear resistance of steel fibre reinforced prestressed concrete X-beams—Part I: Experimental work

This is the first part of two papers on the experimental (Part I) and theoretical (Part II) resistance of steel fibre reinforced precast concrete beams. Short steel fibres have been introduced into prestressed concrete X beams in order to study their behaviour under shear loads. The X beams, which have circular web profiles, were chosen to represent longitudinal sections from 215 mm deep prestressed precast hollow cored floor units, which are known to fail in shear in a brittle manner. No shear links were used. Round hooked end high strength steel (HS), and thin amorphous metal (AM) fibres were used in volume fractions up to 2.0%. The maximum flexural strength of fibre reinforced concrete (FRC) was 10.28 N/mm², some 50% greater than plain concrete. In the plain concrete beams the ratio η of the ultimate shear resistance to the cracking resistance was 1.0, as expected. For the fibre beams η=1.43 to 1.52 for the HS fibres and η-1.23 for the AM fibres. Theoretical and empirical equations were developed using modified FRC principal tensile stress methods to predict ultimate shear strength and are given in Part II.

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Résumé Il s'agit de la première partie d'un article sur la résistance des poutres en béton préfabriqué renforcé de fibres d'acier, présentant les expériences (partie I) et la théorie (partie II). De courtes fibres d'acier ont été utilisées dans des poutres X précontraintes pour étudier leur comportement sous l'action de forces de cisaillement. Les poutres X, qui ont des ames de profil circulaire, ont été choisies pour représenter des sections longitudinales des dalles alvéolées précontraintes de 215 mm d'épaisseur, qui sont connues pour leur mode de rupture casant sous l'action des efforts tranchants. L'armature de cisaillement n'a pas été utilisée. Des crochets ronds en acier à haute adhérence et de minces fibres métalliques amonrphes ont été utilisés jusqu'à des fractions de 2% du volume. La résistance à la tension maximale sous l'effet de flexion du béton de fibres d'acier était de 10,28 N/mm², soit 50% de plus que pour le béton normal. Pour les poutres en béton normal, le rapport η entre la résistance ultime au cisaillement et la résistance à la fissuration était de 1,0, comme prévu. Pour les poutres en fibres d'acier ce rapport était entre 1,43 et 1,52 pour l'acier à haute adhérence et 1,23 pour les fibres métalliques amorphes. Des équatins théoriques et empiriques ont été développées à l'aide de méthodes de contrainte de tension principlale du béton de fibres d'acier modifiées pour la prédiction de la résistance ultime au cisaillement; celles-ci sont données dans la deuxième partie.

     

Considérations relatives au comportement à la fissuration et à la rupture de béton renforcé de fibres

Résumé Dans ce travail, les quteurs proposent un modèle mathématique de la résistance à la fissuration du béton renforcé de fibres métalliques. Ce composite est, entre autres, caractérisé par un coefficient d'efficacité des fibres dont une nouvelle définition est présentée. Les résultats de quatre séries d'essais sur poutres réalisées au LHCH sont comparés à ceux déduits de la formule de la résistance à la fissuration. Se fondant sur les résultats d'un grand nombre d'essais sur poutres, les auteurs présentent ensuite un modèle de résistance à la rupture dont une approche analytique est exposée en annexe. Les données de ces considérations sur le béton renforcé sont comparées à celles connues sur le béton armé. Enfin, des résultats prometteurs d'une solution mixte, béton renforcé d'armatures continues et de fibres, sont commentés.

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Summary In this work the authors propose a mathematical model of cracking resistance of concrete reinforced with metal fibres. This composite is moreover characterized by a coefficient of fibre efficiency of which a new definition is given. The results of four series of tests on beams carried out at LHCH are compared with those drawn from the cracking resistance formula. Basing their conclusions on the results of a large number of beam tests, the authors then present a model for ultimate load. The analytical approach for this is stated in the appendix. The data of these aspects of fibre-reinforced concrete are compared with those known for reinforced concrete. Finally, comments are given on the promising results of a solution with a material containing both continuous reinforcement and fibres.

     

Restrained shrinkage tests of fibre-reinforced concrete ring specimens: effect of core thermal expansion

Restrained shrinkage tests of fresh concrete using conventional ring specimens with a steel core are sometimes not effective because of their relatively low cracking sensitivity. Modified ring specimens with a Perspex core having a high coefficient of thermal expansion were developed with the object of obtaining a test method which can provide cracking sensitivity results within a short time. An analysis of stress distribution is presented, taking into account the geometry and elasticity characteristics of the ring and core in specimens subjected to restrained shrinkage and heating. For tests of fresh plain and fibre-reinforced concretes, a Perspex core with additional stress concentrators (wedges) was used.

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Resume Les essais de retrait empêché du béton frais réases sur des éprouvettes annulaires conventionnelles avec un noyau d'acier sont parfois peu probants du fait d'une scresibilité à la fissuration relativement faible. On a fabrigre des éprouvettes modifiées dont le noyau en Perspex presente un coefficient élevé de dilatation thermique, afin d'obtenir une méthode d'essai capable de fournir des résultats sur la sensibilité à la fissuration. On présente une analyse de la répartition des contraintes qui prend en compte la géométrie et les caractéristiques élastiques de l'anneau et du noyau dans les éprouvettes soumises au retrait empêché et à l'élévation de température. Pour les essais de béton frais ordinaire et renforcé de fibres, on a utilisé un noyau en Perspex avec des concentrateurs de contraintes supplémentaires.

     

Pull-out behaviour of hooked steel fibres

A programme of research is described that has investigated the fracture of steel fibre reinforced sprayed concrete under flexural load, with the aim of developing a stress-profile model to predict flexural behaviour in the form of a load-deflection response. This paper reports the work associated with establishing the pull-out characteristics of hooked end fibres. The effects of matrix strength, fibre embedment length and orientation are described, together with the interaction of these parameters. The relationships established can be used to model the tensile response of a beam at varying crack width and hence form a key part of the stress-profile for predicting residual flexural strength, which is an essential requirement of a much needed design rationale for steel fibre concrete.

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Résumé Le programme de recherche décrit porte sur la rupture du béton projeté renforcé de fibres d'acier sous charge en flexion. Il a pour objectif de développer un modèle de profil de contrainte capable de prévoir le comportement en flexion sous la forme d'une réponse charge-déflexion. Cet article présente un travail lié à l'établissement des caractéristiques d'arrachement de fibres aux extrémités crochetées. Les effets de la résistance de la matrice, de la longueur d'enfoncement et l'orientation des fibres sont décrits, ainsi que l'interaction de ces paramètres. Les relations établies peuvent être utilisées pour modéliser la réponse en tension d'une poutre à une largeur de fissuration variable, et donc pour former la majeure partie du profil de contrainte visant à prévoir la résistance à la flexion résiduelle, qui est l'une des exigences essentielles d'une argumentation très attendue sur l'étude des bétons renforcés de fibres.

     

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.     

Effect of high volume fly ash on mechanical properties of fiber reinforced concrete

This paper reports the effects of incorporating high volume fly ash in fiber reinforced concrete. Fly ash was mixed as a partial fine aggregate replacement of approximately one third of the fines volume. The fibers were polypropylene or steel fibers at a maximum proportion of 1% by volume of the concrete. The results showed that fiber reinforced concrete that included high fly ash volume achieved compressive and tensile strength values that are more than double those of concrete without fly ash. Values of other mechanical properties have also achieved significant increase due to fly ash addition. It is suggested that a large quantity of fly ash is necessary to enhance the efficiency of fiber reinforcement. Polypropylene fibers resulted in gains up to 50% while steel fibers achieved gains up to more than 100%. This enhancement is believed to be due to the microstructural modification and densification in the transition zone between the matrix and the fibers.

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Résumé Cet article décrit les effets de la cendre volante quand elle est incorporée, en grande quantité, à du béton enrobé de fibres. D'une part, la cendre volante est mélangée au béton de manière à remplacer le contenu en granulat fin qui équivaut à environ un tiers du volume des matériaux fins. D'autre part, le béton est enrobé de fibres, à base de polypropylène ou d'acier, dans une proportion maximale de 1% par volume de béton. Les résultats obtenus démontrent que, mélangé à une quantité volumineuse de cendre volante, le béton enrobé à l'aide de fibres offre, entre autres propriétés mécaniques, une résistance à des efforts de compression et de traction qui dépasse nettement le double de celle que l'on obtient avec du béton dépourvu de cendre volante. On en déduit qu'une grande quantité de cendre volante s'avère nécessaire pour améliorer l'efficacité du renforcement à base de fibres. En outre, l'utilisation de fibres de polypropylène permet d'atteindre une efficacité jusqu' à 50%, tandis que cette dernière excède 100% avec des fibres d'acier. Ces améliorations sont attribuées à la modification et à la densification microstructurelles qui ont lieu dans la zone de transition entre la matrice de béton et les fibres utilisées.

     

Comparative flexural performance evaluation of steel fibre-reinforced concretes acoording to ASTM C1018 shows importance of fibre parameters

The flexural performance of steel fibre-reinforced beams with varying amounts and types of fibre is evaluated in terms of toughness parameters and residual strength factors determined in accordance with ASTM Standard C1018-89. Five types of steel fibre in amounts from 30 to 105 kg m⁻³, and two matrix strength levels, were examined in a program of 117 tests using beams 150 mm wide and 100 mm deep loaded at the third points over a 750 mm span. Significant differences in performance associated with changes in matrix and fibre parameters are clearly identified in this test. First-crack strength depends mainly on characteristics that govern matrix strength and is minimally dependent on fibre parameters such as type, size and amount. Toughness indices and residual strength factors, particularly those corresponding to higher deflections, depend primarily on fibre type, amount and, for geometrically similar fibres, aspect ratio. All are minimally dependent on matrix strength.

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Resume On évalue la performance en flexion de poutres renforcées de fibres d'acier de différents types et dans des quantités différentes, suivant des paramètres de résilience et des facteurs de résistance résiduelle définis selon la norme ASTM C1018-89. On a examiné cinq types de fibres d'acier dans des proportions allant de 30 à 150 kg m⁻³, et deux ordres de résistance de matrice, dans un programme de 117 essais sur des poutres larges de 150 mm et épaisses de 100 mm chargées en trois points sur une portée de 750 mm. On a nettement identifié des différences significatives de performance en liaison avec des variations de paramètres de la matrice et des fibres. La résistance à la fissuration initiale dépend essentiellement des caractéristiques qui gouvernent la résistance de la matrice, et minimalement des paramètres de fibre, tels le type, la dimension et la proportion. Les indices de résilience et les facteurs de résistance résiduelle, en particulier ceux qui correspondent aux flexions les plus fortes, dépendent principalement du type et de la proportion de fibre et, pour des fibres de géométrie similaire, des quantités relatives. Tous dépendent minimalement de la résistance de la matrice.

     

Steel-fibre high-strength concrete prisms confined by rectangular ties under concentric compression

This paper presents results from a continuing research program that aims to investigate the behaviour of high-strength concrete columns and to recommend some design procedures to Brazilian Building Code. The specific current work deals with experimental behaviour of steel fibre high-strength concrete columns (SFHSCC) confined with low ratios of rectangular ties under concentric compression. Twenty-four small-scale SFHSCC were tested under concentric loading and their behaviour were examined and compared with the behaviour of two normal-strength concrete columns. The variables studied in this work were the concrete strength, amount of transversal reinforcement and volumetric fraction of steel fibre. The results indicated that steel fibre not only improves the columns ductility, but also avoids the premature concrete cover spalling. Further, to improve the ductility of high-strength concrete column, the used amount of steel reinforcement is the same when the confinement or steel fibre is applied.

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Résumé Cet article présente les résultats d'un programme de recherche continue qui a pour but d'étudier le comportement de poteaux en béton à hautes performances et de recommander quelques procédures de projet pour le Code Brésilien du béton armé. Ce travail traite du comportement expérimental de poteaux en béton fibré à hautes performances, confiné par des étriers rectangulaires, sous compression concentrique. Vingt-quatre poteaux de petite échelle ont été testés sous chargement concentrique et leur comportement a été examiné et comparé à ceux des poteaux en béton conventionnel. Les variables étudiées dans ce travail étaient la résistance du béton, la quantité d'armatures transversales et la fraction volumétrique de fibres d'acier. Les résultats ont indiqué que la fibre d'acier augmente non seulement la ductilité des poteaux, mais empêche l'enrobage prématuré de la couverture des armatures longitudinales. De plus, afin d'améliorer la ductilité de poteaux en béton à hautes performances, la quantité d'armatures en acier utilisée est la même que lorsque l'on utilise un confinement par des étriers rectangulaires ou des fibres d'acier.

     

Crack width evaluation in FRP reinforced concrete members

This study proposes a model for calculating the average width of cracks in reinforced concrete (RC) elements using non metallic reinforcement bars (FRP). This model has already been applied to the case of steel reinforcing bars successfully. It considers the influence of the percentage of reinforcement and the concrete strength. It emphasizes how the mechanical features of FRP (fiber reinforced polymer) bars, and particularly their modulus of elasticity, can affect the crack width. The model is validated with experimental results available in the literature. An example of its application for the calculation of the crack width is shown.

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Résumé  Cet article présente l'application d'un modèle de prévision de l'amplitude des fissures en présence d'armatures non métalliques et de classes de résistance du béton allant de 30 à 80 MPa. L'analyse théorique est utilisée pour interpréter les résultats d'essais expérimentaux sur des traverses en béton armé contenant des polymères renforcés de fibres (FRP) soumises à des forces de traction. Le but de cette recherche était d'étudier et de prévoir la largeur des fissures, en utilisant comme paramètres de base la contrainte dans l'acier et la distance moyenne entre les fissures. La recherche décrit aussi l'amplitude des fissures, pour la même traverse, en présence d'armatures en acier et en polymères renforcés de fibres (FRP).

     

Investigation on strengthening and strain sensing techniques for concrete structures using FRP composites and FBG sensors

This paper reports the results of an experimental investigation on the mechanical properties of the laboratory size rectangular concrete beams with the notch formation on the tension surface strengthened by using fibre reinforced plastic composites, Fibre-optic Bragg grating (FBG) sensors have been embedded at the interface between the concrete surface and external bonded composites to measure the strain variations when the strengthened structures were subjected to three-point bending load. Multiplexing strainsensing technique has been used for measuring the strains in different locations of the beam by using one single optical fibre. External bonded strain gauges were also attached on the surfaces of composites to measure the surface strain and the results were compared with that obtained from the embedded FBG sensors. The observation in the experiments showed that the flexural load capacity of the strengthened concrete beams was increased significantly after strengthening by laying-up the compsite laminate for both plain and notched concrete structures. Debond and concrete failure occurred at the plate end region when the thick composite laminate was used. The embedded FBG sensors could provide the indication to the operator when the structure serviced in strange conditions. The strains measured at the interfaces from the sensors were higher than that from the surface bonded strain gauges in general.

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Résumé Les investigations expérimentales présentées dans cet article portent sur les propriétés mécaniques d'éprouvettes de béton rectangulaires entaillées en surface de la zone de tension puis renforcées au moyen de polymères renforcés de fibres (FRP). Des capteurs à réseau de Bragg à fibre optique (FBG) ont été placés à l'interface entre le béton et le composite afin de mesurer les variations des contraintes quand la structure est soumise à une charge de flexion en trois points. Un multiplexage des capteurs est utilisé pour mesurer les contraintes en différents points de l'éprouvette en n'utilisant qu'une seule fibre optique. Des jauges d'extensométrie ont aussi été placées en surface du composite, leurs résultats sont alors comparés à ceux obtenus à partir des capteurs FBG. Ces expériences ont montré que la résistance au fléchissement des poutres est nettement améliorée grace au renforcement par le composite, ce tant pour les structures intates, que pour les éprouvettes entaillées. Lorsque la poutre est renforcée par une plaque épaisse du composite laminé, la rupture de la liaison avec le béton, ainsi que la rupture du béton, ont lieu au bord de cette plaque. Les capteurs à réseau de Bragg à fibre optique permettent de fournir des indications à l'opérateur lorsque la structure est en service dans des conditions peu usuelles. Les contraintes mesurées par les capteurs. FBG aux interfaces sont en général plus importantes que celles mesurées par les jauges situées en surface du composite.

     

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.

     

A new indirect tension test for concrete and other brittle materials

A new indirect test for determining the tensile strength of brittle materials like concrete is presented. The method consists of testing frame-type specimens between the compression platens of a testing machine, the geometry of the frame being such that one of its members is in tension. Frames having three different sizes are tested. Photoelastic investigation has been conducted to determine the tensile stresses in the frame. Tests have been made on cement mortar and concrete frames and the frame size appropriate for determining the tensile strength has been indicated. The tensile strength determined from the frame specimens has been compared with the cylinder splitting strength.

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Résumé On décrit une nouvelle méthode de détermination de la résistance de matériaux fragiles tels que le béton. Cette méthode consiste à placer entre les plateaux de compression d'une machine d'essai des éprouvettes ayant la forme d'un cadre d'une géométrie telle que l'un de ses éléments se trouve en traction. Le cadre se rompt du fait de la rupture de l'élément en traction; ainsi peut-on calculer la résistance en traction du matériau. Trois éprouvettes, désignées par 15 F, 10 F et 5 F, et ayant différentes proportions entre leurs éléments, ont été soumises à l'essai; ces proportions étaient telles que l'élément en traction, de section carrée, présente pour chacune des éprouvettes les dimensions hors-tout respectives suivantes: 15×15×15 cm, 30×10 ×10 cm et 40×5×5 cm. Une étude photoélastique a été faite afin de déterminer la nature et la valeur des contraintes engendrées dans les éléments des trois éprouvettes. Les essais, effectués sur des cadres en mortier de ciment et en béton, ainsi que l'examen photoélastique, ont montré que les éprouvettes 10 F et 5 F se prêtent mieux que les éprouvettes 15 F à la détermination de la résistance en traction des matériaux fragiles. Pour les compositions soumises à l'essai, les résistances en traction obtenues sur 10 F et 5 F atteignaient respectivement une valeur moyenne de 92% et 80% de la résistance fournie par l'essai de fendage sur cylindre. Cette nouvelle méthode peut être une solution du problème de la détermination de la résistance en traction indirecte du béton, avec une éprouvette d'essai telle que: 1) L'application de la charge soit aussi aisée que pour les essais en flexion ou de fendage; 2) il ne s'impose pas d'avoir recours à des dispositifs spéciaux d'amarrage; 3) une contrainte de traction uniforme soit engendrée dans l'élément qui se rompt en traction; 4) la mesure des déformations de traction ne présente aucune difficulté.

     

Methods for determining the strength of concrete

The main aspects of determining the concrete strength in a structure are discussed. An analytical review of tests being practised is presented. A rational field of their applications is recommended.

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Resume On s’est livré à une étude approfondie des différentes méthodes de détermination de la résistance du béton aux stades du calcul, de la maintenance et de l’inspection des ouvrages. On a constaté une différence notable de la résistance du béton des éprouvettes et du béton mis en oeuvre et, aussi bien, les éprouvettes préparées au moment de la mise en oeuvre ne donnent pas de résultats très significatifs. On a prêté une attention particulière aux nombreuses méthodes de détermination directe de la résistance du béton dans les structures. On a aussi considéré et commenté les moyens d’établir et d’interpréter les courbes d’étalonnage. On examine les caractéristiques particulières de différentes méthodes, et, à partir de cette étude, on recommande un champ d’application rationnel. Cet article reflète le point de vue des professionnels soviétiques, qui est peu connu des lecteurs occidentaux. Les auteurs proposent des bases de classification et d’évaluation de différentes méthodes d’essai et, en particulier, de méthodes non destructives.

     

Scale effect on concrete in tension

Scale effects in the mechanical behaviour of concrete are important phenomena and are the object of many studies internationally. The Laboratoire Central des Ponts et Chaussées has been working for several years on the scale effect on the distribution function of the tensile strength of concrete. Very many direct tensile tests have been performed on specimens of different volumes, made of concretes having different formulations. From these experimental investigations has been derived a general law that can be used to determine the distribution function (mean and standard deviation) of the tensile strength of the concrete versus the volume of the tensile specimen, for concretes having compressive strengths betwen 30 MPa and 130 MPa, from knowledge of just the compressive strength obtained on a standardized cylinder (in France) and the ratio of the volume of the tensile specimen to the volume of the coarsest aggregate in the concrete. It should be emphasized that this law is valid only if, on the one hand, the mode of preservation of the direct tensile specimens is identical to that of the compressive specimens and, on the other, the aggregates used in the concretes are common aggregates, which eliminates light aggregates and very hard aggregates with a high Young's modulus.

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Resume Les effets d'échelle dans le comportement mécanique du béton sont des phénomènes importants qui font l'object de nombreuses études au niveau international. Le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées travaille depuis plusieurs années sur l'effet d'échelle existant sur la fonction de distribution de la résistance à la traction du béton. De très nombreux essais de traction directe ont ainsi été réalisés sur des éprouvettes de volume différent constituées de bétons de formulation également différente. De ces études expérimentales, il a été tiré une loi assez générale qui permet de déterminer, à partir de la seule connaissance de la résistance à la compression obtenue sur cylindre normalisé (en France), et du rapport du volume de l'éprouvette de traction au volume du plus gros grain de béton, la fonction de distribution (moyenne et écart-type) de la résistance à la traction du béton en fonction du volume de l'éprouvette de traction, cela pour des bétons dont la résistance à la compression est comprise entre 30 et 130 MPa. Il faut souligner que cette loi est valable uniquement si, d'une part le mode de conservation des éprouvettes de traction directe est identique à celui des éprouvettes de compression, et d'autre part les granulats utilisés dans les bétons sont des granulats courants, ce qui élimine les granulats légers et les granulats très durs et à fort module de Young.

     

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.     

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.

     

Prestress losses in fibreglass pretensioned concrete compression members

Fibreglass has been used recently as a prestressing material in concrete structures, and it has demonstrated some advantages over steel tendons especially in corrosive environments. An experimental estimation of the long term losses of concrete columns and piles pretensioned with fibreglass (S-2 glass) is presented in this paper. Three identical sets of steel and fibreglass specimens with nominal dimensions of 152 mm×102 mm×2.6 m (6 in ×4 in ×102 in) were instrumented and tested to evaluate prestress losses under axial compression loads at different stress levels. Results after 20 months show that prestress losses in fibreglass tendons are less than those in steel tendons. The effective prestress for fibreglass pretensioned specimens can be predicted accurately using the step-by-step method. The measured data were compared with several models. For a practical applied stress of 0.3f_c ^′, the current ACI and Bazant equations for creep and shrinkage predicted the strain history, prestress losses, and effective prestress of fibreglass pretensioned concrete specimens with good accuracy.

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Resume La fibre de verre a été récemment utilisée comme matériau de précontrainee dans les structures en béton et présente certains avantages sur les armatures d'acier, surtout dans les environnements corrosifs. C'est la dégradation des structures en béton préconstraint et en béton armé dans ce type d'environment qui a conduit à rechercher d'autres matériaux de précontrainte plus durables. C'est ainsi que la fibre de verre est apparue comme une solution de remplacement. Elle a pour propriétés une haute résistance à la traction, une bonne adhérence et une excellente résistance à la corrosion. Le présent rapport donne une estimation expérimentale des pertes à long terme des poteaux et des pieux précontraints par prétension avec de la fibre de verre. Trois séries identiques d'éléments d'acier et de fibre de verre avec des dimensions nominales de 152 mm × 102 mm × 2,6 m ont été essayées pour évaluer les pertes de précontrainte sous des charges de compression axiale à différents niveaux de contrainte. Les résultats après 20 mois ont indiqué qu'avec les armatures d'acier les pertes sont plus importantes qu'avec des armatures de fibre de verre. L'efficacité de la précontrainte des éléments avec fibres de verre peut être déterminée avec exactitude. Les données mesurées sont comparées avec plusieurs modèles de fluage et de retrait. Pour une contrainte de 0,3 f_c ^' exercée, les équations actuelles de l'ACI et Bažant pour le fluage et le retrait ont permis de prévoir avec une assez grande précision le processus de déformation, les pertes de précontrainte et l'efficacité de la précontrainte des éléments de béton à fibres de verre.