Mechanical behaviour of laminated functionally graded fibre-reinforced self-compacting cementitious composites

El hormigón autocompactante (HAC) es una nueva tipología de hormigón o material compuesto base cemento que se caracteriza por ser capaz de fluir en el interior del encofrado o molde, llenándolo de forma natural, pasando entre las barras de armadura y consolidándose únicamente bajo la acción de su peso propio, sin ayuda de medios de compactación externos, y sin que se produzca segregación de sus componentes. Debido a sus propiedades frescas (capacidad de relleno, capacidad de paso, y resistencia a la segregación), el HAC contribuye de forma significativa a mejorar la calidad de las estructuras así como a abrir nuevos campos de aplicación del hormigón. Por otra parte, la utilidad del hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA) es hoy en día incuestionable debido a la mejora significativa de sus propiedades mecánicas tales como resistencia a tracción, tenacidad, resistencia al impacto o su capacidad para absorber energía. Comparado con el HRFA, el hormigón autocompactante reforzado con fibras de acero (HACRFA) presenta como ventaja una mayor fluidez y cohesión ofreciendo, además de unas buenas propiedades mecánicas, importantes ventajas en relación con su puesta en obra. El objetivo global de esta tesis doctoral es el desarrollo de nuevas soluciones estructurales utilizando materiales compuestos base cemento autocompactantes reforzados con fibras de acero. La tesis presenta una nueva forma de resolver el problema basándose en el concepto de los materiales gradiente funcionales (MGF) o materiales con función gradiente (MFG) con el fin de distribuir de forma eficiente las fibras en la sección estructural. Para ello, parte del HAC se sustituye por HACRFA formando capas que presentan una transición gradual entre las mismas con el fin de obtener secciones robustas y exentas de tensiones entre capas con el fin de aplicar el concepto “MGF-laminados” a elementos estructurales tales como vigas, columnas, losas, etc. El proceso incluye asimismo el propio método de fabricación que, basado en la tecnología HAC, permite el desarrollo de interfases delgadas y robustas entre capas (1-3 mm) gracias a las propiedades reológicas del material. Para alcanzar dichos objetivos se ha llevado a cabo un amplio programa experimental cuyas etapas principales son las siguientes: • Definir y desarrollar un método de diseño que permita caracterizar de forma adecuada las propiedades mecánicas de la “interfase”. Esta primera fase experimental incluye: o las consideraciones generales del propio método de fabricación basado en el concepto de fabricación de materiales gradiente funcionales denominado “reología y gravedad”, o las consideraciones específicas del método de caracterización, o la caracterización de la “interfase”. • Estudiar el comportamiento mecánico sobre elementos estructurales, utilizando distintas configuraciones de MGF-laminado frente a acciones tanto estáticas como dinámicas con el fin de comprobar la viabilidad del material para ser usado en elementos estructurales tales como vigas, placas, pilares, etc. Los resultados indican la viabilidad de la metodología de fabricación adoptada, así como, las ventajas tanto estructurales como en reducción de costes de las soluciones laminadas propuestas. Es importante destacar la mejora en términos de resistencia a flexión, compresión o impacto del hormigón autocompactante gradiente funcional en comparación con soluciones de HACRFA monolíticos inclusos con un volumen neto de fibras (Vf) doble o superior. Self-compacting concrete (SCC) is an important advance in the concrete technology in the last decades. It is a new type of high performance concrete with the ability of flowing under its own weight and without the need of vibrations. Due to its specific fresh or rheological properties, such as filling ability, passing ability and segregation resistance, SCC may contribute to a significant improvement of the quality of concrete structures and open up new field for the application of concrete. On the other hand, the usefulness of steel fibre-reinforced concrete (SFRC) in civil engineering applications is unquestionable. SFRC can improve significantly the hardened mechanical properties such as tensile strength, impact resistance, toughness and energy absorption capacity. Compared to SFRC, self-compacting steel fibre-reinforced concrete (SCSFRC) is a relatively new type of concrete with high flowability and good cohesiveness. SCSFRC offers very attractive economical and technical benefits thanks to SCC rheological properties, which can be further extended, when combined with SFRC for improving their mechanical characteristics. However, for the different concrete structural elements, a single concrete mix is selected without an attempt to adapt the diverse fibre-reinforced concretes to the stress-strain sectional properly. This thesis focused on the development of high performance cement-based structural composites made of SCC with and without steel fibres, and their applications for enhanced mechanical properties in front of different types of load and pattern configurations. It presents a new direction for tackling the mechanical problem. The approach adopted is based on the concept of functionally graded cementitious composite (FGCC) where part of the plain SCC is strategically replaced by SCSFRC in order to obtain laminated functionally graded self-compacting cementitious composites, laminated-FGSCC, in single structural elements as beams, columns, slabs, etc. The approach also involves a most suitable casting method, which uses SCC technology to eliminate the potential sharp interlayer while easily forming a robust and regular reproducible graded interlayer of 1-3 mm by controlling the rheology of the mixes and using gravity at the same time to encourage the use of the powerful concept for designing more performance suitable and cost-efficient structural systems. To reach the challenging aim, a wide experimental programme has been carried out involving two main steps: • The definition and development of a novel methodology designed for the characterization of the main parameter associated to the interface- or laminated-FGSCC solutions: the graded interlayer. Work of this first part includes: o the design considerations of the innovative (in the field of concrete) production method based on “rheology and gravity” for producing FG-SCSFRC or as named in the thesis FGSCC, casting process and elements, o the design of a specific testing methodology, o the characterization of the interface-FGSCC by using the so designed testing methodology. • The characterization of the different medium size FGSCC samples under different static and dynamic loads patterns for exploring their possibilities to be used for structural elements as beams, columns, slabs, etc. The results revealed the efficiency of the manufacturing methodology, which allow creating robust structural sections, as well as the feasibility and cost effectiveness of the proposed FGSCC solutions for different structural uses. It is noticeable to say the improvement in terms of flexural, compressive or impact loads’ responses of the different FGSCC in front of equal strength class SCSFRC bulk elements with at least the double of overall net fibre volume fraction (Vf).

Relationship between residual stresses and mechanical behavior in ceramic composites

En este trabajo, materiales de tipo alúmina/Y-TZP (ZrO2 tetragonal, estabilizada con 3 mol. % Y2O3), como sistema cerámico popular por sus mejoradas propiedades mecánicas en comparación con las cerámicas de alúmina puras, han sido estudiados en términos de propiedades mecánicas y tensiones residuales. El novedoso método de colado en cinta, consistente en el apilamiento de cintas de cerámica verde a temperatura ambiente y el uso de bajas presiones, se ha escogido para la presente investigación con el fin de poder aprovechar al máximo el futuro desarrollo de materiales laminados de alúmina-óxido de circonio. Se han determinado las propiedades de los materiales obtenidos por este nuevo método de procesamiento comparándolas con las de los materiales obtenidos por “slip casting”, con el fin de analizar si el método propuesto afecta a la microestructura y, por tanto, a las propiedades mecánicas y tensiones residuales propias de estos materiales. Para analizar la idoneidad del proceso de fabricación, utilizado para evitar la presencia de discontinuidades en las intercaras entre las láminas así como otros fenómenos que puedan interferir con las propiedades mecánicas, se estudiaron materiales cerámicos con la misma composición en cintas. Por otra parte también se analizó el efecto de la adición de óxido de circonio sobre la aparición de tensiónes residuales en cerámicas Al2O3/Y-TZP, teniendo en cuenta su notable influencia sobre las propiedades microestructurales y mecánicas de los materiales, así como el requisito de co-sinterización de capas con diferentes materiales compuestos en materiales laminados. La caracterización del material incluye la determinación de la densidad, el análisis de la microestructura, la obtención de las propiedades mecánicas (módulo de elasticidad, dureza, resistencia a la flexión y tenacidad de fractura) así como de las tensiones residuales. En combinación con otros métodos de medida tradicionales, la nanoindentación también se empleó como una técnica adicional para la medida del módulo de elasticidad y de la dureza. Por otro lado, diferentes técnicas de difracción con neutrones, tanto las basadas en longitud de onda constante (CW) como en tiempo de vuelo (TOF), han sido empleadas para la medición fiable de la deformación residual a través del grosor en muestras a granel. Las tensiones residuales fueron determinadas con elevada precisión, aplicando además métodos de análisis apropiados, como por ejemplo el refinamiento de Rietveld. Las diferentes fases en cerámicas sinterizadas, especialmente las de zirconia, se examinaron con detalle mediante el análisis de Rietveld, teniendo en cuenta el complicado polimorfismo del Óxido de Zirconio (ZrO2) así como las posibles transformaciones de fase durante el proceso de fabricación. Los efectos del contenido de Y-TZP en combinación con el nuevo método de procesamiento sobre la microestructura, el rendimiento mecánico y las tensiones residuales de los materiales estudiados (Al2O3/Y-TZP) se resumen en el presente trabajo. Finalmente, los mecanismos de endurecimiento, especialmente los relacionados con las tensiones residuales, son igualmente discutidos. In present work, Alumina/Y-TZP (tetragonal ZrO2 stabilized with 3 mol% Y2O3) materials, as an popular ceramic system with improved mechanical properties compared with the pure alumina ceramics, have been studied in terms of mechanical properties and residual stresses. The novel tape casting method, which involved the stacking of green ceramics tapes at room temperature and using low pressures, is selected for manufacturing and investigation, in order to take full advantage of the future development of alumina-zirconia laminated materials. Features of materials obtained by the new processing method are determined and compared with those of materials obtained by conventional slip casting in a plaster mold, in order to study whether the proposed method of processing affects microstructure and thereby the mechanical properties and residual stresses characteristics of materials. To analyse the adequacy of the manufacturing process used to avoid the presence of discontinuities at the interfaces between the sheets and other phenomena that interfere with the mechanical properties, ceramic materials with the same composition in tapes were investigated. Moreover, the effect of addition of zirconia on residual stress development of Al2O3/Y-TZP ceramics were taken into investigations, considering its significantly influence on the microstructure and mechanical properties of materials as well as the requirement of co-sintering of layers with different composites in laminated materials. The characterization includes density, microstructure, mechanical properties (elastic modulus, hardness, flexure strength and fracture toughness) and residual stresses. Except of the traditional measurement methods, nanoindentation technique was also used as an additional measurement of the elastic modulus and hardness. Neutron diffraction, both the constant-wavelength (CW) and time-of-flight (TOF) neutron diffraction techniques, has been used for reliable through-thickness residual strain measurement in bulk samples. Residual stresses were precisely determined combined with appropriate analysis methods, e.g. the Rietveld refinement. The phase compositions in sintered ceramics especially the ones of zirconia were accurately examined by Rietveld analysis, considering the complex polymorph of ZrO2 and the possible phase transformation during manufacturing process. Effects of Y-TZP content and the new processing method on the microstructure, mechanical performance and residual stresses were finally summarized in present studied Al2O3/Y-TZP materials. The toughening mechanisms, especially the residual stresses related toughening, were theoretically discussed.