Stress-strain behavior of reinforcing steel and concrete under seismic strain rates and low temperatures

This study investigates experimentally the uniaxial stress-strain behavior of reinforcing steel bars and concrete cylinders under various combinations of earth-quake-type strain rate (quasi-static to 0.1 /s) and temperature typical of summer and winter conditions in cold urban regions (+20°C to −40°C). The main objective of these tests was to give an indication of the combined effects of these two parameters on the uniaxial, monotonic, stress-strain curves of these materials. The results of the tensile tests indicate that the yield strength and the tensile strength of reinforcing steel increase moderately as both the strain rate increases and the temperature drops. The results of the compressive tests indicate that the compressive strength and Young’s modulus of concrete increase significantly as the strain rate increases and the temperature decreases.

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Résumé Cette étude a pour but d’évaluer expérimentalement le comportement uniaxial d’éprouvettes d’acier d’armature et de cylindres de béton. Des essais furent réalisés pour différentes combinaisons de températures (+20°C à −40°C) et de taux de déformation typiques d’événements sismiques (quasi-statique à 0.1 /s). L’objectif principal de ces essais était de donner une indication sur les effects combinés de ces deux paramètres sur les courbes contrainte-déformation, uniaxiales et monotones de ces matériaux. Les résultats de ces essais en traction indiquent que la limite élastique et la résistance à la traction de l’acier d’armatures s’accroissent légèrement lorsque que l’on observe à la fois une hausse du taux de déformation et une baisse de la température. Les résultats des essais de compression indiquent que la résistance à la compression et le module d’Young du béton augmentent de manière significantive quand le taux de déformation augmente et que la température baisse.

     

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.

     

Evaluation of UHPFRC activation energy using empirical models

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

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

     

Strength of concrete subjected to high temperature and biaxial stress: Experiments and modelling

The mechanical behaviour of normal weight concrete subjected to high temperature and biaxial stress is not well understood. The investigation reported is twofold. The strength is studied of unsealed concrete and mortar incorporating quarzitic aggregate and bound by Portland cement and subjected to high temperature and biaxial stresses. This involves short-term tests and includes the influence of the composition. Additionally a mechanical model is developed for the failure of concrete subjected to these stresses which incorporates not only the main variable temperature, but also compositional variables which have a significant influence on the strength of concrete at high temperatures.

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Resume Le but de cette recherche était d'améliorer nos connaissances sur la résistance du béton soumis à de hautes températures ainsi qu'à des contraintes biaxiales. De nombreux essais ont été menés sur des éprouvettes non scellées de béton et de mortier à base de CPA. On a aussi étudié, outre le type de sollicitations, l'influence des paramètres de composition les plus importants. Les essais ont révélé que, dans tout le domaine des sollicitations biaxiales en compression, la composition influence directement la diminution de la résistance du béton en fonction de l'augmentation de la température. Le diamètre maximal des granulats s'avère être un facteur déterminant alors que la nature de ces derniers et le rapport eau/ciment n'ont en général que des effects secondaires. L'amplitude de ces influences diffère. Comme le montrent les essais à température normale, les valeurs de la résistance du béton sont affectées par sa composition avant la désintégration de la portlandite entre 450°C et 550°C. Afin de généraliser le comportement observé, on a modélisé la résistance du béton soumis à des contraintes biaxiales à haute température; pour ce faire, le critère de defaillance de Podgorski a été modifié afin de prendre en compte les paramètres suivants: haute température, rapports eau/ciment et granulats/ciment. Avec quelques simples essais de résistance à température normale et élevée, le modèle peut être facilement ajusté pour décrire le comportement d'un béton possédant une composition spécifique. La théorie ainsi développée est bien vérifiée par les résultats des essais.

     

Creep of Portland cement paste at sub-zero temperature

Describes uniaxial creep tests on Portland cement paste specimens at sub-zero temperature. During the course of the tests the stress-strength ratio was maintained constant by continuously increasing the applied load. Linearity was found to hold in low-temperature tests where specimens were loaded at various degrees of maturity, but where hydration under sustained load was halted.

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Résumé On rend complte d'une étude du fluage uniaxial du ciment Portland à des températures inférieures à O°C. Il a été choisi un rapport eau/ciment de 0,5. Les éprouvettes, après la cure initiale, ont été confinées dans des moules d'acier. Les éprouvettes, de 7,62×12,70×35,56 cm, ont été entreposées pour différentes durées dans une enceinte maintenue à 75% d'humidité relative et à 24°C, avant d'être soumises, dans une chambre froide à −11°C, à une charge continue. En tout 9 éprouvettes ont été essayées. Ces éprouvettes ont été coulées en même temps que des cylindres qui ont servi à déterminer la résistance; les éprouvettes, elles, servaient à l'observation du phénomène, et l'on faisait varier les charges qu'on leur appliquait de telle sorte que le rapport contrainte/résistance était maintenu constant à 0,15. Alors que la procédure idéale d'essai aurait exigé une variation continue et graduelle de la charge appliquée, la méthode ici a été de modifier la charge par paliers. Partant d'une valeur connue, par exemple 15% de la résistance à un jour, la charge a été ajustée périodiquement. Cinq des 9 éprouvettes ont été chargées à 1, 6, 7, 17 et 28 jours après le coulage et maintenues sous charge pendant 28 jours. Pour toutes les éprouvettes, on a noté les observations initiales puis, après application de la charge requise, de nouvelles observations ont été faites. La fréquence des observations a ensuite varié selon l'age de l'éprouvette. Les 4 autres éprouvettes ont servi aux mesures d'élasticité et de retrait. Les mesures d'élasticité ont été également faites sur les 5 premières éprouvettes lors du premier chargement et de nouveau une fois que tous les relevés de fluage ont été faits. A partir de ces résultats, des familles de courbes de fluage longitudinal ont été obtenues pour les éprouvettes à différents ages de chargement. Après un temps donné, les valeurs du fluage sont les mêmes pour toutes les éprouvettes aux différents ages de chargement. Les essais en chambre froide ont ainsi prouvé que l'hypothèse: Fluage=CN, où C est une constante et N le rapport contrainte/résistance, reste valide quelle que soit la maturité au chargement, à condition que le procédé de maturation soit arrêté avant le chargement.

     

Fibre reinforced gypsum binder composite, its microstructure and durability

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

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

     

The impact-echo response of concrete plates containing delaminations: numerical,experimental and field studies

This paper describes the use of the impact-echo technique— a non-destructive testing technique based on the use of transient stress waves— for detecting delaminations in concrete plate-like structures such as bridge decks, slabs, and walls. Results obtained from numerical (finite element) analysis and controlled-flaw laboratory studies are presented and used to explain the elastic impact response of delaminated plates. Current impact-echo instrumentation is described, and results obtained from concrete bridge decks containing delaminations caused by corrosion of reinforcing steel are presented. These results provide a better understanding of the impact response of delaminated plates.

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Resume On décrit ici l’utilisation de la technique impact-écho-méthode d’essai non destructive basée sur l’utilisation d’ondes de pression acoustique transitoires-pour détecter les clivages dans des plaques de béton, telles que tabliers de pont, poutres et murs. On présente les résultats fournis par les méthodes numériques (élément fini) et l’étude en laboratoire sur éprouvette fissurée témoin, qui sont utilisées pour expliquer la réponse élastique à l’impact des plaques détériorées. On décrit l’appareillage courant et l’on expose les résultats obtenus sur des tabliers de ponts en béton qui présentent des clivages dus à la corrosion de l’armature. Ces résultats contribuent à mieux faire comprendre la réponse à l’impact de plaques détériorées.

     

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

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

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

     

Pullout and bond of glass-fibre rods embedded in concrete and cement grout

Consideration is being given to replacing steel rebars with glass-fibre rods in some specific areas, particularly those in which premature failure due to corrosion has been observed. This paper presents the results of an experimental study of pullout behaviour and bond characteristics of glass-fibre rods embedded in normal and high-strength concretes and in cement grout. The results of the study show that glass-fibre rod bond strength is about 12 MPa and the optimal anchored length approximately 10 times the rod diameter. The average modification factor of top-cast reinforcement was found to be equal to 1.23 and 1.18 for normal and high-strength concrete, respectively. Other considerations, such as bond slip, are also discussed in the paper. Comparisons with steel reinforcement are made whenever appropriate.

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Resume Cet article présente les résultats d’une étude expérimentale qui a trait à l’évaluation des capacités d’adhérence d’une nouvelle tige à base de fibres de verre intoduite pour être utilisée comme armature à béton et comme tige d’ancrage. Plusieurs aspects sont abordés dans l’étude: (i) la résistance d’adhérence, (ii) la longueur optimale de développement d’ancrage, (iii) l’effet de la résistance du béton, (iv) la relation adhérence-glissement et (v) l’influence de la position de la tige d’armature. Il ressort de l’étude que la tige possède des caractéristiques d’adhérence suffisantes pour être utilisée comme armature à béton et tige d’ancrage injectée au coulis de ciment. En particulier, il a été trouvé que la résistance à l’arrachement est de l’ordre de 12 MPa pour les bétons et 4 MPa pour le coulis de ciment. La longueur de développement d’ancrage capable de résister à 700 MPa est de l’ordre de 20d et 30d et celle pour résister à 500 MPa de l’ordre de 10d et 20d, pour les bétons et le coulis respectivement, d étant le diamètre de la tige. Le coefficient de majoration associé à la tige placée en haut est de l’ordre de 1,2.

     

Changes in the structure of hardened cement paste due to high temperature

The investigation performed was aimed at explaining explaining experimentally the changes occurring in the microstructure and phase composition of cement pastes during their exposure to heat in the temperature range 20–800°C. The investigation was performed by means of the following methods; thermal analysis, X-ray diffraction analysis, infrared spectroscopy analysis and mercury porosimetry. During the investigation observations were made regarding the behaviour of the following phases in pastes exposed to heat: Ca(OH)₂, CaCO₃, C−S−H, non-evaporable water and micropores. From an analysis of the experimental results, temperature ranges of the following changes were determined in the structure of the investigated paste: additional hydration of unhydrared cement grains, recrystallization and carbonization of Ca(OH)₂, deformation and transformation of C−S−H phases, non-linear changes in the distribution of pore diameters and total porosity.

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Résumé Les changgements de la microstructure et de la composition des phases résultant de l'effet de température dans le domaine de 20 à 800°C ont été expliqués par la voie expérimentale. Les investigations ont été réalisées en utilisant les méthodes de TG, rayons X, absorption infrarouge et porosimétrie au mercure. Les phases de Ca(HO)₂, CaCO₃, C−S−H, l'eau non évaporable et la microporosité ont été étudées. A partir des résultats obtenus, on a conclu qu'il se produit les changements suivants: hydratation additionnelle des grains de ciment restant anhydre, recristallisation et carbonatation de Ca(OH)₂, déformation et transformation de la structure du gel de la phase C−S−H, accroissement non linéaire de la porosité totale et de la distribution de ses dimensions. Il a été possible d'expliquer que l'hydratation additionnelle du ciment restant anhydre et la recristallisation du Ca(OH)₂ sont dues à l'effet de la vapeur sur la phase environnante (la vapeur libérée lors du processus d'hydratation). Suite à la libération de l'eau chimiquement liée de la phase C−S−H, celle-ci subit une transformation. Pour des températures inférieures à 600°C, elle est instable; pour des températures supérieures, cette transformation est stable, irréversible et similaie à celle de βC ₂ S. L'absence de corrélation entre la qualité d'eau libérée de la pate de ciment et de la porosité totale dans la gamme des températures de 100 à 300°C résulte du retrait qui accompagne le départ de l'eau de la pate de ciment. L'accroissement de la porosité totale se produit dans le régime de 300 à 700°C et en particulier augmente le nombre de pores de grande dimension, d'où la formation de microfissures résultant de phases du ciment et de Ca(OH)₂. La réduction de la porosité totale à 800°C pourrait résulter du début de fusion de la pate de ciment durcie.

     

Sulphur sand mixes as building material

Following an extensive research programme lasting more than 4 years, it has been possible to prepare sulphur sand mixtures which are suitable as building material. As compared to normal concrete, sulphur sand mixes exhibit greater compressive and flexural strengths, have equivalent modulus of elasticity, have a lower and much more rapid shrinkage, creep is less under compression and these mixes also retain strength when temperature varies from −30 to 70°C. Durability as measured by 45 temperature cycles (0°C, 70°C) is good. One of the most difficult problem for overcoming the damaging effect of water on sulphur mixes was also studied. Addition of silicon oil 0.5% by weight of sand with or without fillers gave satisfactory and economical solution to this problem. We also found that up to 10% sulphate content in sand the mechanical behaviour of sulphur mixes was not adversely affected. This would permit many quarries of sand with high sulphates to be utilized for such mixes. Glass fibre reinforcement was also tried which gave large increase in tensile strength and improved durability under 100% relative humidity.

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Résumé Grace à un vaste programme de recherche qui a duré plus de 4 ans, il a été possible de préparer des mélanges sable/soufre adaptés comme matériau de construction. Par rapport à un béton normal, les mélanges sables/soufre présentent de meilleurs résistances à la contrainte et à la flexion, un module d'élasticité équivalent, un retrait moindre et plus rapide; le fluage sous compression est inférieur et ces mélanges conservent aussi leur résistance quand la température varie de −30 à 70°C. La durabilité telle qu'elle a été mesurée par 45 cycles de températures (0°C, 70°C) est satisfaisante. On a également étudié l'un des problèmes les plus délicats: compenser l'effet destructeur de l'eau sur les mélanges soufrés. L'addition d'huile siliconée dans la proportion de 0,5% par rapport au poids de sable avec ou sans charge a apporté une solution satisfaisante et économique à ce problème. On a aussi remarqué que jusqu'à 10% de teneur en sulfates dans le sable, la résistance mécanique des mélanges au soufre n'a pas été compromise, ce qui permettrait d'utiliser pour de tels mélanges de nombreuses carrières de sable contenant des sulfates à un taux élevé. On a également essayé des renforcements de fibres de verre qui ont nettement amélioré la résistance à la traction et la durabilité avec une humidité relative de 100%.

     

Dehydration creep of concrete at high temperatures

In this paper, a new approach for modeling the transient component of the load induced thermal deformation is proposed in order to predict the concrete behavior when subjected to high temperatures with a concomitant applied load. This component is conventionally referred to as transient creep strain. In this approach, the transient creep strain is split into a drying creep component and a newly introduced dehydration creep strain. The former is related to the evolution of the hygrometric state of the material, while the latter is related to the material dehydration which results from the heating induced chemical transformations. Therefore, a dehydration variable is defined and then introduced as a driving variable of the transient creep for temperatures exceeding 105°C. This thermo-hydro-damage model is implemented using a finite element code and␣numerical simulations are performed and compared to experimental findings in order to assess the predictive character of the proposed model.

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Résumé Dans cet article, une nouvelle approche pour la modélisation de la composante transitoire de la déformation thermique induite sous charge est proposée afin de prédire le comportement du béton à hautes températures. Cette composante est conventionnellement connue sous le nom du fluage thermique transitoire. Dans cette approche, le fluage thermique transitoire est décomposé en fluage de dessiccation et en une composante, nouvellement introduite, de fluage de déshydratation. La première composante est due à l’évolution hygrométrique du matériau tandis que la deuxième est due à la déshydratation du matériau qui résulte des transformations chimiques induites par l’augmentation de la température. Par conséquent, une variable de déshydratation est définie et est introduite comme une variable régissant le fluage thermique transitoire lorsque la température dépasse 105°C. Ce modèle thermo-hydro-endommageable est implémenté dans un code aux éléments finis. Des simulations numériques sont effectuées et comparées à des résultats expérimentaux pour analyser les capacités prédictives du modèle proposé.

     

Multiaxial strain-softening of concrete

The present paper deals with an experimental investigation of the strain-softening behaviour of concrete subjected to multiaxial loading conditions. A multiaxial apparatus for testing cubical specimens was developed and built at Eindhoven University of Technology. Servocontrols in combination with stiff loading frames allowed for measuring stable post-peak response. Loading was applied to the specimens using brush bearing platens. The failure modes of uni- and triaxially loaded specimens are discussed in the first part of this paper. Important in this context were the results of uniaxial compression tests on prisms with varying height. The experiments revealed a localised fracture mode in uniaxial compression. A constant fracture energy was measured, irrespective of the specimen’s size. Furthermore, from the multiaxial tests it was found that the slope of the descending branch is dependent on the applied symmetric or non-symmetric confinement. It was concluded that strain-softening is the response of the structure formed by the specimen and the complete loading system. In Part II [15] attention will be paid to the behaviour of this “structure” subjected to multiaxial load histories.

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Résumé On expose ici une étude expérimentale du phénomène d’adoucissement pour un béton soumis à une sollicitation pluriaxiale. Un équipement d’essai pluriaxial pour éprouvettes cubiques a été mis au point et construit à l’Université de Technologie d’Eindhoven. Un système de servo-commandes et de batis de chargement rigide a rendu possible la mesure de réponses post-crêtes stables. Les charges ont été appliquées aux éprouvettes avec utilisation de balais montés sur les plateaux. On considère dans la première partie de cet article les modes de rupture sous charge uni- et tri-axiale. En regard de cette étude, les résultats d’essais de contrainte uniaxiale sur prismes de différentes hauteurs ont pris de l’importance. On a mis en évidence un mode de rupture localisée sous compression uniaxiale. Quelle que soit la dimension de l’éprouvette, on mesure une énergie de rupture constante. En outre, les essais pluriaxiaux montrent que la pente décroissante de la courbe dépend du choix du confinement symétrique ou pas. La conclusion est que l’adoucissement est la réponse de la structure que composent l’éprouvette et l’ensemble du système de chargement.

     

Residual compressive strength and microstructure of high performance concrete after exposure to high temperature

Experimental programs were carried out to study compressive strength and microstructure of high performance concrete (HPC) subjected to high temperature compared with normal strength concrete (NSC). After the concrete specimens were exposed to a peak temperature of 800°C, the compressive strength was tested. Changes of porosity and pore size distribution of the concrete were measured by using mercury intrusion porosimetry (MIP). Test results show that high performance concrete had higher residual strength although the strength of high performance concrete degenerated much more than the normal strength concrete after high temperature exposed. Variations in pore structure of high performance concrete after high temperature indicated the degradation of the mechanical properties. A model by optimizing the parameters in Ryshkewitch model was developed to predict the relationship between porosity and compressive strength of the high performance concrete.

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Résumé Une série de programmes expérimentaux a été réalisée afin d'étudier la résistance à la compression et la microstructure des bétons à haute performance (BHP) soumis à de fortes températures par comparaison aux bétons ordinaires. Les bétons ont été soumis à une température extrême de 800°C, puis la résistance à la compression a été testée. Les changements de porosité et la répartition de la taille des pores dans le béton ont été mesurés par la technique de porosimétrie au mercure. Les résultats des essais ont montré que les bétons à haute performance présentaient des niveaux de résistance résiduelle mais que la résistance des bétons à haute performance se dégradait beaucoup plus que celle des bétons ordinaires après exposition à haute température. Des variations dans la structure des cavités des bétons à haute performance après exposition à de hautes températures ont indiqué la dégradation des propriétés mécaniques. L'étude a donné lieu au développement d'un modèle par optimisation des paramètres du modèle Ryshkewitch afin de prévoir les relations entre la porosité et la résistance à la compression du béton à haute performance.

     

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 elevated curing temperatures on the strength and durability of concrete

In recent years, high core temperatures of 77–93°C of mass concrete elements during curing have been recorded by the Florida Department of Transportation (FDOT). These curing temperatures have been recorded while still maintaining the maximum differential temperature of 20°C between the core and exterior of mass concrete elements as specified by the FDOT. This study was conducted to evaluate the strength and durability of concrete subjected to elevated curing temperatures. Using typical FDOT class IV mass concrete mixes; it is shown that elevated curing temperature resulted in lower later-age strengths. Blending the cement with fly ash and slag, resulted in increased strength and durability when compared to the plain cement mixes.

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Résumé Ces dernières années, le département des transports de la Floride—Florida Department of Transportation, FDOT—a enregistré des températures élevées de 77 à 93 degrés Celcius dans des blocs de béton massif en cours de séchage. Comme le précise le FDOT, ces températures de séchage ont été enregistrées alors qu’une température différentielle maximum de 20°C était maintenue entre l’intérieur et l’extérieur de ces blocs de béton massif. Cette étude fut conduite pour évaluer la solidité et la durabilité d’un béton exposé à des températures de séchage élevées. En utilisant du béton massif issue de mélanges typiques, classe IV, du FDOT, on démontre que la température de traitement élevée a eu comme conséquence des forces inférieures à un age plus avancé. Les mélanges comportant une addition de scories et de cendres volantes se sont avérés plus solides et plus durables que ceux restés purs.

     

The shear strength of pretensioned I-beams with debonded tendons

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

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

     

Damage to concrete structures in the Finnish housing stock

Resume Ce rapport traite des types de détérioration les plus répandus dans les constructions en béton de Finlande, et de leur origine. Il s’agit des détériorations de surface, fissures, écaillage et corrosion des armatures. Dans les constructions, des défauts de fabrication comme une résistance du béton inférieure à la normale, des dimensions incorrectes des constructions et un positionnement défectueux des armatures peuvent aussi être responsables de la corrosion. Selon sa gravité, la détérioration fera l’objet d’une classification qui dépend des conditions d’environnement, des normes applicables, des détails structurels et de l’utilisation de la construction.

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Dr Jokela died recently.     

Testing the effectiveness of commonly-used site curing regimes

A range of seven test methods was used to asses the effectiveness of curing on C30 and C50 Portland cement concretes. Curing was by formwork retention, wrapping in wet hessian or wrapping in polythene for periods of between one and seven days. Specimens from each mix were also subjected to both air and water storage. Electrical resistance measurement and water absorption by immersion were ineffective in distinguishing the effects of different curing regimes. Air permeability, water sorptivity, surface pull-off strength, mercury intrusion porosimetry and accelerated carbonation were able to show distinct differences between air storage and immersion in water. These tests were generally ineffective in distinguishing trends for practical curing techniques.

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Résumé Sept méthodes d’essai ont été employées pour évaleur leur efficacité dans la cure, des bétons de ciment Portland C30 et C50. Les cures ont été effectuées au moyen de coffrages de rétention, ou par enveloppement en toile de chanvre mouillé ou en polythène, pour des périodes allant de un à sept jours. Des échantillons de chaque mélange ont également été soumis à l’air et conservés dans l’eau. Les mesures de résistance électrique et d’absorption de l’eau par immersion n’ont pas été efficaces pour différencier les effets des différents méthodes de cure. Par contre, les mesures de perméabilité de l’air, de sorptivité de l’eau, de résistance à tirage superficielle, de porosimétrie de pénétration de mercure et de carbonatation accélérée ont permis de montrer des différences marquées entre la conservation à l’air et à l’eau. En général, ces essais ne se sont pas montrés efficaces pour déterminer des tendances applicables aux techniques de cure dans la pratique.

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Editorial note Dr. B.K. Marsh and M.A. Ali work at the Building Research Establishment, U.K., which is a RILEM Titula Member.     

Code provisions for high strength concrete strength-temperature relationship at elevated temperatures

This paper presents results of experiments, conducted at NIST and elsewhere, to measure compressive strength of concrete at elevated temperature. The paper compares the test data with existing design rules and recommendations to assess their applicability to HSC. Based on the compiled data, the paper proposes new strength-temperature relationship for HSC and discusses the need for standardizing the test procedure for testing concrete at high temperature and for a revision of the current design guides to include new data for properties of concrete at high temperature.

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Résumé Cet article présente les résultats expérimentaux, recueillis au NIST et ailleurs, pour mesurer la résistance à la compression du béton soumis à des températures élevées. Cet exposé compare les données disponibles avec les règles et recommandations existantes pour la conception d’un béton afin de déterminer leur applicabilité pour le béton à haute résistance (HSC). Basé sur les données compilées, cet article propose une nouvelle relation entre la résistance et la température pour le béton à haute résistance, On discute de la nécessité de standardiser la procédure de mesure de la résistance du béton à haute température. On discute aussi de la nécessité de revoir les guides actuels pour y inclure les données récemment disponibles concemant les propriétés du béton à haute tempèrature.

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Editorial Note Dr. Long T. Phan is a RILEM Senior Member. He participates in the work of RILEM TC HTC ‘Mechanical concrete properties at high temperature-Modelling and applications’. Dr. Nicholas J. Carino is also a RILEM Senior Member. Both of them work at NIST, a RILEM Titular Member.