Performance of UHPC Mixtures Subjected to Elevated Temperatures and Cyclic Exposures. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Mehboob_Thesis-May2016.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

الخرسانة فائقة الأداء (UHPC) هي نوع خاص من خرسانات العصر الحديث والتي تتمتع بخواص ميكانيكية ممتازة (قوة ضغط الخرسانة أكثر من 150 ميقا باسكال، متانة عالية، إلخ.) و دوامية ممتازة. تشتمل الخرسانة فائقة الأداء (UHPC) على محتوى اسمنت عالي، رمل، كمية كبيرة من غبار السيليكا، و ملدن (Superplasticizer) بحيث تكون نسبة الماء الى المواد الاسمنتية منخفضة. تم إضافة الالياف المعدنية لتحسين الخواص الميكانيكية خاصة لمرحلة ما بعد التشقق. حديثا، تم عمل بعض الأبحاث في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن (KFUPM) لانتاج خلطات الـ (UHPC) باستخدام المواد المحلية و ذلك لدراسة خواصها الميكانيكية و دوامية الخرسانة. و مع ذلك، أداء هذه الخلطات لم يفحص عند تعرضها لدرجات حرارة مرتفعة و تغيرات دورية مثل التسخين ثم التبريد و التبليل ثم التجفيف. مثل هذه الاختبارات مهمة لدراسة مقاومة الحريق و التغيرات المناخية. دورات التبليل و التجفيف عبارة عن محاكاة للمنشآت الخرسانية الواقعة في المناطق المعرضة للمد والجزر بينما دورات التسخين والتبريد عبارة عن محاكاة لتغير درجة الحرارة اليومية في المناطق الساخنة القاحلة. بالتالي هناك حاجة ملحة للبحث في تقييم أداء الخلطات المختارة بعد تعريضها لدرجات حرارة عالية و تغيرات دورية (التسخين ثم التبريد و التبليل ثم التجفيف). في هذا البحث، تم اعتبار ثلاث خلطات من (UHPC)، تم تطويرها في أبحاث سابقة في KFUPM، لتقييم أدائها في تحمل درجات حرارة مرتفعة لفترات زمنية مختلفة و مقاومة التغيرات الدورية للحرارة و الرطوبة. بالنسبة لدورة التبليل ثم التجفيف، تم غمر العينات في الماء المحتوي على 5% من الكلوريد لمدة 6 ساعات ثم تركت تجف لمدة الـ 18 ساعة اللاحقة في دورة واحدة. اما بالنسبة لدورة التسخين و التبريد، فقد تم تسخين العينات الى 70 درجة مئوية لمدة 5 ساعات ثم تبريدها لمدة الـ 19 ساعة اللاحقة في دورة واحدة. عينات الخرسانة فائقة الأداء (UHPC)، المحتوية على الالياف المعدنية و اللامعدنية بنسب مختلفة، تم تعريضها لدرجة حرارة 300 درجة مئوية لفترات زمنية مختلفة. بعد الانتهاء من تعريض الخرسانة، تم اختبار العينات لقياس قوة الضغط المتبقية، مقاومة الانحناء، مقاومة الشد، و معامل المرونة. أداء عينات الخرسانة فائقة الأداء (UHPC) المعرضة للتغيرات الدورية تم تقييمه عن طريق قياس قوة الضغط المتبقية، مقاومة الانحناء، مقاومة الشد، معامل المرونة، المتانة، نفاذية الماء، نفاذية الكلوريد، و كثافة تيار التآكل. نتائج خلطات الـ (UHPC) المحتوية على الالياف المعدنية كانت ممتازة حتى بعد تعريضها الى 300 درجة مئوية لمدة 5 ساعات، انهيار العينات كان مفاجئ و بدون أي إشارات. حتى 180 دورة من التسخين و التبريد و التبليل و التجفيف لم يكن هناك تأثير كبير على الخواص الميكانيكية و دوامية الخرسانة. بدلا من ذلك كل الخواص الميكانيكية تحسنت بشكل طفيف نتيجة تأثير المعالجة الذي احدثه التعرض الدوري. المعلومات التي تم التحصل عليها في هذا البحث تدل على ان خلطات الخرسانة فائقة الأداء (UHPC) تعتبر مناسبة للاستخدام تحت درجات حرارة مرتفعة و كذلك تحت التغيرات في الحرارة و الرطوبة.

English Abstract

Ultra-high performance concrete (UHPC) is a specific type of modern era concrete possessing excellent mechanical properties (compressive strength more than 150 MPa, high fracture toughness, etc.) with excellent durability. The constituents of UHPC include high cement content, fine quartz sand, high dosage of silica fume and superplasticizer at a very low water to binder ratio. Fibers are also added to improve the mechanical properties, specifically for post-cracking behavior. Recently, some research studies were carried out in KFUPM for the production of UHPC mixtures using local materials and for study of their mechanical properties and durability characteristics. However, the performance of the locally developed UHPC mixtures against elevated temperature and long cyclic exposures, such as heat-cool and wet-dry cycles, has not been studied. Such investigations are needed considering the risk of fire and frequent changes in weather conditions. Wet-dry cycles are representation of concrete structures in tidal zone which are exposed to alternate wetting and drying, whereas heat-cool cycles are representative of the daily ambient temperature variation in hot-arid regions. Hence, there was an immense need of research on performance evaluation of already developed UHPC mixtures exposed to elevated temperatures and cyclic exposures (wet-dry, heat-cool cycles). In this work, three mixtures of UHPC, already developed at KFUPM under previous research projects, were considered for evaluation of their performance against elevated temperature exposure with varying durations and against exposure to the heat-cool and wet-dry cycles. For wet-dry cyclic exposure, specimens were submerged into the water containing 5% Cl- for six hours and left to dry for remaining 18 hours in one cycle. For heat-cool cyclic exposure, specimens were heated at 70oC for five hours and cooled down for 19 hours in one cycle. The UHPC specimens, containing the metallic and non-metallic fibers in varying quantity, were exposed to an elevated temperature of 300oC for different exposure durations. After completion of exposures, specimens were tested to evaluate the performance in terms of residual compressive, flexural and splitting tensile strength, and modulus of elasticity. The performance of UHPC specimens subjected to cyclic exposures were evaluated in terms of residual compressive strength, flexural and splitting tensile strength, modulus of elasticity, fracture toughness, water permeability, rapid chloride ion permeability, and corrosion current density. UHPC mixtures with steel fibers have shown excellent performance even after five hours of exposure to 300oC. Although UHPC mixtures with polypropylene fibers have shown satisfactory results even after five hours of exposure to 300oC, their failure was sudden without warning. Up to 180 cycles of heating and cooling and wetting and drying, there was no significant adverse effect of the cyclic exposures on mechanical properties and durability characteristics. Rather almost all mechanical properties were slightly improved due the curing effect of cyclic exposure. The data developed in this study indicate that UHPC mixtures are suitable for use under elevated temperature and thermal and moisture variations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Ahmad, Shamsad
Committee Members:	Maslehuddin, Mohammed and Al-Dulaijan, Salah U.
Depositing User:	MEHBOOB RASUL (g201309130)
Date Deposited:	13 Jul 2016 08:24
Last Modified:	01 Nov 2019 16:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140056