Early age crack assessment of concrete structures Experimental investigation of decisive parameters

Abstract

Concrete in the hardening phase is subjected to volume changes caused by thermal dilation and autogenous deformation. If these volume changes are restrained they may lead to cracking and further to functionality-, durability, and esthetical problems. The volume changes of concrete and the associated cracking risk can however be predicted by the use of calculation methods to assess the concrete’s early age structural behaviour. On the basis of such calculations and corresponding laboratory experiments, proper choice of concrete type, mineral additives and execution methods on-site can be taken to minimize or avoid cracking. Hardening phase crack risk assessment of concrete structures is the main topic of the current PhD work. The overall aim of the current study has been to contribute to an increased basic knowledge and understanding of early age concrete material properties (behavior) and also to investigate calculation methods to assess the concrete’s structural behavior under realistic temperature curing conditions. Five concretes with a varying amount of fly ash, 0 %, 17 %, 25 %, 33 % and 45 %, have been investigated (the fly ash content is given as percentage of the total amount of “cement + fly ash”). For each concrete, an extensive experimental test program has been performed; including heat development, compressive strength, tensile strength, E-modulus in tension and compression, creep in tension and in compression, autogenous deformation development and restrained stress development. During testing, considerable focus was given to the effect of curing temperature, i.e. 20 oC isothermal versus realistic temperature conditions. The obtained test results have been used as a basis for restrained stress calculations performed with the calculation approaches Excel, CrackTeSt COIN and DIANA. By using laboratory experiments and analytical approaches, the concretes’ strainand stress development and crack risk has been assessed. The concretes’ crack risk was reduced with increasing fly ash content in spite of a corresponding reduction in strength; this was mainly because the maximum temperature also was strongly reduced. The experimental test program has also included numerous tests in the Temperature-Stress Testing Machine (TSTM), which has been reconstructed and verified during the current work. The reconstruction has provided a more advanced management of the experiments and more extensive output from each test. By applying a representative degree of restraint and temperature history, the TSTM is now able to directly simulate the stress development of a given section of a concrete structure. In addition, the TSTM has been used as the answer for early age stress calculations, thus allowing for an evaluation and/or calibration of 1) the chosen calculation approaches and 2) the appurtenant material parameters determined from the previously described experimental test series. The work conducted in this thesis forms the basis for future enhancement on the knowledge on materials modeling, structural behavior, concrete mix-design and execution methods.

Sammendrag

I herdefasen utsettes betongen for volumendringer forårsaket av termisk dilatasjon og autogen deformasjon. Dersom disse volumendringene er fastholdte, kan de føre til opprissing av betongen og videre til redusert funksjonalitet, bestandighet og estetikk. Betongens volumendringer og den tilhørende risikoen for opprissing kan imidlertid estimeres og evalueres ved hjelp av beregningsmetoder basert på betongens egenskaps-, tøynings- og spenningsutvikling i herdefasen. På grunnlag av slike beregninger og tilhørende laboratorieforsøk, kan rissrisikoen reduseres og om mulig også unngås ved hjelp av f.eks. betongens sammensetning og utførelsesmetoder. Det overordnede målet i denne studien har vært å bidra til en økt grunnleggende kunnskap og forståelse av betongens materialegenskaper i tidlig alder, og også å undersøke beregningsmetoder for å vurdere betongens tøynings- og spenningsutvikling under realistiske temperaturbetingelser. Fem betonger med en varierende mengde flyveaske, 0 %, 17 %, 25 %, 33 % og 45 %, har blitt undersøkt (flyveaskeinnholdet er gitt som prosent av den totale mengden av «sement + flyveaske»). For hver betong er det gjennomført et omfattende forsøksprogram, inkludert varmeutvikling, trykkfasthet, strekkfasthet, E-modul under strekk og trykk, kryp i strekk og i trykk, autogen deformasjon og spenningsutvikling. Betydelig fokus er viet effekten av herdetemperatur, dvs. 20 °C isoterme herdeforhold versus realistiske temperaturforhold. Forsøksresultatene har blitt brukt som basis for spenningsberegninger gjennomført i programmene Excel, CrackTeSt COIN og DIANA. Ved hjelp av laboratorieforsøk og beregningsmetoder har betongenes rissrisiko blitt estimert og redusert ved hjelp av tilsetning av flyveaske. Forsøksprogrammet har også inkludert en rekke tester i en moderne spenningsrigg (Temperature-Stress Testing Machine - TSTM), som har blitt rekonstruert og verifisert under det nåværende arbeidet. Oppdateringen av spenningsriggen har medført en mer avansert styring av forsøkene samt mer omfattende resultater fra hver test. Ved å bruke en representativ fastholdningsgrad og temperaturhistorie er spenningsriggen nå i stand til direkte å simulere spenningsutviklingen i en konstruksjons kritiske snitt. Spenningsriggen har også blitt brukt som fasit for spenningsberegninger, og har slik dannet et grunnlag for vurdering og kalibrering av 1) de valgte beregningsmetodene og 2) de tilhørende materialparametere bestemt fra den tidligere beskrevne forsøksserien.