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Investigation on the use of foamed plastic waste as natural aggregates replacement in lightweight mortar
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Use of foamed polypropylene fibers to improve fiber/matrix bond for cementitious composites
No full textData on thermal conductivity, water vapour permeability and water absorption of a cementitious mortar containing end-of-waste plastic aggregates
Full text linkpeer reviewedThe data presented in this article are related to the research article entitled “Hygro-thermal and
durability properties of a lightweight mortar made with foamed plastic waste aggregates ” (Coppola et al., 2018). This article focuses the attention on thermal conductivity, water vapour permeability and water absorption of a lightweight cementitious mortar containing foamed end-of-waste plastic aggregates, produced via foam extrusion process. Thermal conductivity, water vapour permeability and water absorption data are made available to allow comparison and/or extend the analysis. Experimental investigations showed that the presence of plastic aggregates decreased thermal conductivity,water vapour resistance and capillary water absorption
Hygro-themal and durability properties of a lightweight mortar made with foamed plastic waste aggregates
Full text linkpeer reviewedIn the present study, hygro-thermal and durability related properties of a cementitious mortar containing highly porous foamed aggregates obtained from polymeric end-of-waste materials were investigated. The evaluation of capillary water absorption, thermal conductivity, water vapour permeability and sulfate attack resistance of samples where natural quartz sand was replaced by 10%, 25% and 50% in volume with foamed aggregates was carried out. Experimental investigations showed that the presence of plastic aggregates decreased mortar density (up to 36%, compared to the reference sample, for the maximum investigated natural sand volume replacement) as well as thermal conductivity (10% for the 50% volume replacement). Moreover, water vapour transmission rate increased at increasing natural sand replacement while capillary water absorption decreased. Finally, after fifteen cycles of sulfate attack test, lightweight mortars evidenced a lower mass loss compared to the reference sample. The results were related to morphological modifications in the mortars bulk porosity, demonstrating by mercury intrusion porosimetry investigations, that polymeric foamed aggregates determine a variation of the pores microstructure, resulting in an increased pores dimension
Modélisation des phénomènes de séchage dans les bétons à base de granulats recyclés
Full text linkConcrete is the most used building material in the construction industry, with a production estimated to be about 1 billion tons/year in the European Union. Natural aggregate (NA) is one of the main ingredients of concrete, whose production reached about 2.8 billion tons in Europe in 2017. It is today evident that natural aggregates and sand are becoming a scarce resource and their availability becomes therefore an important challenge.
Furthermore, environmental concerns regarding the construction industry have risen, particularly regarding CO2 emissions and waste production from construction and demolition activities (C&D Waste).
That’s why the construction industry needs to develop and implement processes able to incorporate recycled products into its building materials. Recycled Concrete Aggregates (RCA) produced from crushed C&DW as a replacement of natural aggregates is one of those solutions which has made it a thoroughly studied field.
RCA consist of coarse particles containing natural aggregates as well as residual cement paste which impairs negatively their properties compared to NA. Indeed, the use of RCA inside concrete increases the porosity and may therefore reduce its durability. The focus of this master thesis is to analyse the influence of RCA on transfer properties (water retention curves, permeability and porosity) and drying behaviour of concrete. Indeed, a better knowledge of those properties will help to determine the effect of RCA on the durability of concrete as water and vapour transfers are the necessary condition to observe degradation processes like carbonation, chloride ion diffusion or alkali-aggregate reaction.
A numerical model for drying phenomena of concrete samples with recycled aggregates is developed in this thesis. To support this modelling, an experimental programme with sorption and desorption tests as well as porosity and permeability determination, is implemented.
To better study the influence of the RCA alone, several concrete mixes are studied: a reference composition with natural aggregates and the same composition with RCA (same granulometric curve), a mix with natural aggregates but another cement type and, finally, a mortar without any aggregates. The three concrete compositions have the same paste content and type as it highlights the influence of the change of aggregates/cement type.
The modelling is performed with a nonlinear finite element software developed at the University of Liège (called Lagamine). It follows the theory of nonlinear finite elements modelling of flows in porous media and consists of a coupled thermo-hydraulic study of the material.
An application is also carried out in the form of an exterior parking lot's column subjected to real outdoor conditions: at constant and variable temperature, the relative humidity will vary between 40% and 95%, with multiple cycles of 6 months.
Results show that, as predicted, concrete made from Recycled Concrete Aggregates (RCA) is more porous than its Natural Aggregates (NA)-based counterpart. Its water absorption and intrinsic permeability are also superior than for regular concrete. In terms of water retention properties, both concretes are similar, with no significant differences.
The first indicator of durability measured in this thesis is the resistance to carbonation, which showed that concrete made from RCA is more prone to carbonation than concrete with NA.
Nota Bene: this master thesis has been performed during the COVID-19 period when lockdown was applied from March 19th to May 31st, 2020.Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans l’industrie du bâtiment, avec une production estimée à environ 1 milliard de tonnes/an dans l’Union européenne. Les granulats naturels sont l’un des principaux ingrédients du béton, dont la production a atteint environ 2,8 milliards de tonnes en Europe en 2017. Il est aujourd’hui évident que les granulats naturels et le sable deviennent une ressource rare et leur disponibilité devient donc un défi important.
En outre, les préoccupations environnementales concernant l’industrie de la construction ont augmentées, notamment en ce qui concerne les émissions de CO2 et la production de déchets provenant des activités de construction et de démolition (déchets C&D).
C’est pourquoi l’industrie de la construction doit développer et mettre en œuvre des processus capables d’incorporer des produits recyclés dans ses matériaux de construction. Les granulats de béton recyclés produits à partir de déchets C&D broyés en remplacement des granulats naturels sont l’une de ces solutions qui en ont fait un domaine soigneusement étudié.
Les granulats de béton recyclés sont constitués de particules grossières contenant des agrégats naturels ainsi que des résidus de pâte de ciment qui modifient négativement leurs propriétés par rapport aux granulats naturels. En effet, l’utilisation de ces granulats recyclés à l’intérieur du béton augmente sa porosité et peut donc réduire sa durabilité. L’objectif de ce travail de fin d’étude est d’analyser l’influence des granulats recyclés sur les propriétés de transfert (courbes de rétention d’eau, perméabilité et porosité) et le comportement au séchage du béton. En effet, une meilleure connaissance de ces propriétés permettra de déterminer l’effet de ceux-ci sur la durabilité du béton car les transferts d’eau et de vapeur sont la condition nécessaire pour observer des processus de dégradation comme la carbonatation, la diffusion d’ions chlorure ou la réaction alkali-agrégats.
Un modèle numérique pour les phénomènes de séchage d’échantillons de béton avec des agrégats recyclés est développé dans ce travail. Pour soutenir cette modélisation, un programme expérimental comprenant des tests de sorption et de désorption ainsi que la détermination de la porosité et de la perméabilité, est mis en œuvre.
Pour mieux étudier l’influence des granulats recyclés seule, plusieurs mélanges de béton sont étudiés : une composition de référence avec des granulats naturels et la même composition avec les recyclés (même courbe granulométrique), un mélange avec des granulats naturels mais un autre type de ciment et, enfin, un mortier sans aucun granulat. Les trois compositions de béton ont la même teneur en pâte et le même type de pâte car elles mettent en évidence l’influence du changement de type de granulats/ciment.
La modélisation est réalisée à l’aide d’un logiciel d’éléments finis non linéaires développé à l’Université de Liège (appelé Lagamine). Il suit la théorie de la modélisation par éléments finis non linéaires des écoulements dans les milieux poreux et consiste en une étude thermo-hydraulique couplée du matériau.
Une application est également réalisée sous la forme d’une colonne de parking extérieur soumise à des conditions extérieures réelles : à température constante et variable, l’humidité relative variera entre 40 et 95%, avec de multiples cycles de 6 mois.
Nota Bene: ce travail de fin d’étude a été réalisé durant la période de COVID-19 pendant laquelle le confinement a été mis en place du 19 Mars au 31 Mai 2020
Rehabilitation and Strengthening of Bridge Piers with Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete Materials
No full textDans le domaine du béton armé, la réhabilitation des structures vieillissantes est un problème croissant. Les grandes infrastructures critiques connaissent des problèmes de corrosion majeurs, tandis que les techniques de modernisation actuelles présentent un taux de défaillance élevé. Pour faire face à ces défis, de nouvelles technologies ont émergé au cours des dernières décennies pour offrir des moyens innovants de réparation et de renforcement des éléments en béton.
Les matériaux en béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) ont émergé au cours des 25 dernières années et consistent en une matrice de ciment dense renforcée de fibres d'acier. Ces matériaux possèdent une durabilité très élevée et peuvent se comporter de manière ductile en tension, par rapport au béton ordinaire. Ces propriétés permettent une réhabilitation plus durable et efficace des structures en béton. Malgré ces avantages cependant, les solutions BFUP sont peu utilisées par les praticiens en raison du manque de modèles mécaniques, de codes de conception et de procédures de mise en oeuvre. Par conséquent, l'objectif principal de ce projet est de faciliter la mise en oeuvre de ces techniques de réhabilitation.
Pour atteindre cet objectif, tout d'abord, un matériau BFUP a été utilisé comme revêtement de protection pour les voiles critiques au cisaillement, souvent utilisés comme piliers de ponts. A l'aide d'une grande campagne expérimentale, l'objectif de cette partie du projet était de valider la faisabilité technologique de l'utilisation de BFUP comme fine chemise pour les grands éléments verticaux et d'étudier la résistance supplémentaire au cisaillement apportée par le chemisage. Quatre voiles ont été testés jusqu'à la rupture et ont démontré la pertinence de l'hydro-démolition pour la préparation de surface d'éléments en béton existants. Le comportement des voiles a été considérablement amélioré par le chemisage en BFUP, en particulier la résistance au cisaillement. Les voiles renforcés présentaient une rupture plus ductile que l'échantillon de référence. Un modèle cinématique à quatre degrés de liberté a ensuite été proposé et utilisé pour étudier le comportement des voiles chemisés.
De plus, cette thèse comprend des développements significatifs dans la modélisation numérique des membres en BFUP. Le comportement local en tension du BFUP a été décrit par une théorie basée sur les fissures, tandis qu'un environnement de développement basé sur les déformations moyennes est utilisé pour l'analyse globale. Pour permettre la transition entre le comportement local et global, une formulation d'espacement des fissures est proposée pour les membres en BFUP armés. Sur la base de cette formulation, une approche de modélisation complète est proposée pour ces membres et validée par des tests issus de la littérature.
Enfin, la modélisation numérique des BFUP armés a été étendue aux membres renforcés avec du BFUP. Bien que la procédure ait été légèrement simplifiée par rapport aux membres en BFUP armés, l'approche proposée a montré une bonne précision lorsqu'elle a été validée avec des poutres, des colonnes et des voiles renforcés de la littérature. De plus, les voiles de ce projet ont également été modélisés selon la même approche. Pour faire avancer encore plus la stratégie de modélisation, une formulation améliorée d'espacement des fissures a été sugérée à la fin de la thèse pour les éléments renforcés avec des armatures uniformément réparties. Cette nouvelle formulation a prouvé son efficacité lorsqu'elle a été appliquée aux spécimens testés dans ce projet.In the field of reinforced concrete, the rehabilitation of aging structures is a growing problem. Large critical infrastructure is experiencing major corrosion issues, while current retrofit techniques feature a high failure rate. To face these challenges, new technologies have emerged in the last decades to offer innovative ways for the repair and strengthening of concrete members.\\
Ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) materials have emerged in the past 25 years and consist of a dense cement matrix reinforced with steel fibres. These materials possess very high durability and can behave in a ductile manner when in tension, as compared to regular concrete. These properties allow for more durable and effective rehabilitation of concrete structures. Despite these advantages, however, UHPFRC solutions are hardly used by practitioners due to lack of mechanical models, design codes and implementation procedures. Therefore, the main goal of this project is to enable easier implementation of such rehabilitation techniques. \\
\indent To achieve this goal, firstly, a UHPFRC material was used as a jacket repair for shear-critical walls, often used as bridges' piers. With the help of a large experimental campaign, the objective of this part of the project was to validate the technological feasibility of using UHPFRC as a thin jacket for large vertical elements, and to study the additional shear resistance brought by the jacket. Four walls were tested to failure, and demonstrated the suitability of water-jetting for the surface preparation of existing concrete members. The behaviour of the walls was significantly enhanced by the UHPFRC jacket, especially its shear resistance. The retrofitted walls exhibited a more ductile failure as compared to the reference specimen. A kinematic model with four degrees of freedom has then been proposed and used to study the behaviour of jacketed walls.\\
\indent In addition, this thesis includes significant developments regarding the numerical modelling of UHPFRC members. The local tension behaviour of UHPFRC was described by a crack-based theory, while a framework based on average strains was used for the global analysis. To allow the transition between local and global behaviour, a crack spacing formulation has been proposed for reinforced UHPFRC members. Based on this formulation, a complete modelling approach has been put forward for such members and validated with tests from the literature.\\
Finally, the numerical modelling of reinforced UHPFRC was extended to UHPFRC-strengthened members. While the procedure had been slightly simplified as compared to reinforced UHPFRC members, the proposed approach showed good accuracy when validated with strengthen beams, columns and walls from the literature. In addition, the walls from this project were also modelled following the same approach. To advance the modelling strategy even further, an enhanced crack spacing formulation has been suggested in the end of the thesis for strengthened members with uniformly distributed reinforcement. This new formulation proved its effectiveness when applied to the specimens tested in this project
Charactérisation par Géoradar de couches minces dans les bétons
Full text linkThe Ground Penetrating Radar (GPR) is a non-destructive method used for roads and buildings inspection: it is well adapted to detect the different layers constituting the structures. The objective of this thesis is to develop a method for a fast determination of the properties of a buried layer on the basis of surface GPR measurements. The observation of the GPR waves propagation in numerical simulations led to develop an analytical model, which could be applied to the experimental determination of laboratory layered structures.Le Ground Penetrating Radar (GPR) est une méthode non destructive utilisée pour l'inspection des routes et des bâtiments, bien adaptée pour détecter les différentes couches constituant une structure. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode pour une détermination rapide des propriétés d'une couche enfouie sur base des mesures GPR de surface. L'observation des ondes GPR dans des simulations numériques a mené au développement d'un modèle analytique, qui a pu être appliqué à la détermination expérimentale de structures multicouches de laboratoire
Development and use of foamed recycled fibers to control shrinkage cracking of cementitious mortars
No full textpeer reviewedIn this study a new class of engineered fibers were produced using end of waste materials obtained from post-consumer plastics. Taking into account the rising issue of plastic waste disposal and the importance of fiber/matrix adhesion for composites materials, recycled plastic fibers with improved adhesion were developed. In particular, foamed fibers presenting a rough surface and a porous morphology were obtained by a foam extrusion process using a chemical blowing agent. Fiber reinforced mortars (FRMs) were produced containing foamed fibers at three volume fractions (0.50, 1 and 2 %) and two lengths (15 and 30 mm). FRM plastic shrinkage cracking resistance was investigated: the better adhesion of foamed fibers influenced cracks propagation, reducing crack area and delaying crack openings during shrinkage. Moreover, shorter fibers are better efficient in controlling cracks length while longer fibers are able to reduce cracks width and number
Non-Destructive Methods for the Detection of Delaminations in Concrete Bridge Decks
Full text linkTo detect delaminations in concrete bridge decks, the non-destructive techniques (NDT) permit a frequent inspection of the slabs without damaging the structures.
Within this study, twelve samples were realized, presenting diverse horizontal defects simulating delaminations. They were scanned with high frequency GPR with the common offset (CO) and common mid point (CMP) methods.
The electromagnetic waves speed and defects depth were determined from the CMPs. A 3D visualization program was also created to display the CO measurements.
The visibility of the inserted defects revealed to be dependent on their lateral extension, their thickness and especially their constitutive material
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