A aplicação estrutural de betões de elevado desempenho (HPC e UHPC)

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil

Design Guide for Precast UHPC Waffle Deck Panel System, including Connections, June 2013

Abstract: As a part of an innovation project funded by the Federal Highway Administration (FHWA) Highways for LIFE program, a full-depth precast, ultra-high-performance concrete (UHPC) waffle deck panel and appropriate connections suitable for field implementation of waffle decks were developed. Following a successful full-scale validation test on a unit consisting of two panels with various types of connections under laboratory conditions, the waffle deck was installed successfully on a replacement bridge in Wapello County, Iowa. The subsequent load testing confirmed the desirable performance of the UHPC waffle deck bridge. Using the lessons from the completed project and outcomes from a series of simple and detailed finite element analyses of waffle decks, this report was developed to serve as a guide for broadening the design and installation of the UHPC waffle deck panel in new and existing bridges. Following an introduction to UHPC and waffle deck panels and a summary of completed work, this document presents information on waffle deck design, design of connections, redecking using waffle deck panels, and guidance on precast fabrication, construction, and installation of UHPC waffle deck panels.

Structural Characterization of UHPC Waffle Bridge Deck and Connections, TR-614, 2014

The AASHTO strategic plan in 2005 for bridge engineering identified extending the service life of bridges and accelerating bridge construction as two of the grand challenges in bridge engineering. These challenges have the objective of producing safer and more economical bridges at a faster rate with a minimum service life of 75 years and reduced maintenance cost to serve the country’s infrastructure needs. Previous studies have shown that a prefabricated full-depth precast concrete deck system is an innovative technique that accelerates the rehabilitation process of a bridge deck, extending its service life with reduced user delays and community disruptions and lowering its life-cycle costs. Previous use of ultra-high performance concrete (UHPC) for bridge applications in the United States has been considered to be efficient and economical because of its superior structural characteristics and durability properties. Full-depth UHPC waffle deck panel systems have been developed over the past three years in Europe and the United States. Subsequently, a single span, 60-ft long and 33-ft wide prototype bridge with full-depth prefabricated UHPC waffle deck panels has been designed and built for a replacement bridge in Wapello County, Iowa. The structural performance characteristics and the constructability of the UHPC waffle deck system and its critical connections were studied through an experimental program at the structural laboratory of Iowa State University (ISU). Two prefabricated full-depth UHPC waffle deck (8 feet by 9 feet 9 inches by 8 inches) panels were connected to 24-ft long precast girders, and the system was tested under service, fatigue, overload, and ultimate loads. Three months after the completion of the bridge with waffle deck system, it was load tested under live loads in February 2012. The measured strain and deflection values were within the acceptable limits, validating the structural performance of the bridge deck. Based on the laboratory test results, observations, field testing of the prototype bridge, and experience gained from the sequence of construction events such as panel fabrication and casting of transverse and longitudinal joints, a prefabricated UHPC waffle deck system is found to be a viable option to achieve the goals of the AASHTO strategic plan.

Design and Performance Verification of UHPC Piles for Deep Foundations, TR-558, 2008

The strategic plan for bridge engineering issued by AASHTO in 2005 identified extending the service life and optimizing structural systems of bridges in the United States as two grand challenges in bridge engineering, with the objective of producing safer bridges that have a minimum service life of 75 years and reduced maintenance cost. Material deterioration was identified as one of the primary challenges to achieving the objective of extended life. In substructural applications (e.g., deep foundations), construction materials such as timber, steel, and concrete are subjected to deterioration due to environmental impacts. Using innovative and new materials for foundation applications makes the AASHTO objective of 75 years service life achievable. Ultra High Performance Concrete (UHPC) with compressive strength of 180 MPa (26,000 psi) and excellent durability has been used in superstructure applications but not in geotechnical and foundation applications. This study explores the use of precast, prestressed UHPC piles in future foundations of bridges and other structures. An H-shaped UHPC section, which is 10-in. (250-mm) deep with weight similar to that of an HP10×57 steel pile, was designed to improve constructability and reduce cost. In this project, instrumented UHPC piles were cast and laboratory and field tests were conducted. Laboratory tests were used to verify the moment-curvature response of UHPC pile section. In the field, two UHPC piles have been successfully driven in glacial till clay soil and load tested under vertical and lateral loads. This report provides a complete set of results for the field investigation conducted on UHPC H-shaped piles. Test results, durability, drivability, and other material advantages over normal concrete and steel indicate that UHPC piles are a viable alternative to achieve the goals of AASHTO strategic plan.

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Stabstahl und Fasern bewehrtem Ultrahochfesten Beton (UHPC)

Ultrahochfester Beton (UHPC) ist ein sehr gefügedichter zementgebundener Werkstoff, der sich nicht nur durch eine hohe Druckfestigkeit, sondern auch durch einen hohen Widerstand gegen jede Form physikalischen oder chemischen Angriffs auszeichnet. Duktiles Nachbruchverhalten bei Druckversagen wird meist durch die Zugabe dünner kurzer Fasern erreicht. In Kombination mit konventioneller Betonstahl- oder Spannbewehrung ermöglicht UHPC die Ausführung sehr schlanker, weitgespannter Konstruktionen und eröffnet zugleich neue Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel die flächenhafte Beschichtung von Brückendecks. Durch das Zusammenwirken kontinuierlicher Bewehrungselemente und diskontinuierlich verteilter kurzer Fasern ergeben sich unter Zugbeanspruchung Unterschiede gegenüber dem bekannten Stahl- und Spannbeton. In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein Modell entwickelt und durch eine umfangreiche Versuchsreihe abgesichert. Ausgangspunkt sind experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verbundverhalten von Stabstählen in einer UHPC-Matrix und zum Einfluss einer Faserzugabe auf das Reiß- und Zugtragverhalten von UHPC. Die Modellbildung für UHPC-Zugelemente mit gemischter Bewehrung aus Stabstahl und Fasern erfolgt auf der Grundlage der Vorgänge am diskreten Riss, die daher sehr ausführlich behandelt werden. Für den elastischen Verformungsbereich der Stabbewehrung (Gebrauchslastbereich) kann damit das Last-Verformungs-Verhalten für kombiniert bewehrte Bauteile mechanisch konsistent unter Berücksichtigung des bei UHPC bedeutsamen hohen Schwindmaßes abgebildet werden. Für die praktische Anwendung wird durch Vereinfachungen ein Näherungsverfahren abgeleitet. Sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass der faserbewehrte UHPC bei Kombination mit kontinuierlichen Bewehrungselementen selbst kein verfestigendes Verhalten aufweisen muss, um insgesamt verfestigendes Verhalten und damit eine verteilte Rissbildung mit sehr keinen Rissbreiten und Rissabständen zu erzielen. Diese Beobachtungen können mit Hilfe der bisher zur Verfügung stehenden Modelle, die im Wesentlichen eine Superposition isoliert ermittelter Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des Faserbetons und des reinen Stahls vorsehen, nicht nachvollzogen werden. Wie die eigenen Untersuchungen zeigen, kann durch ausreichend dimensionierte Stabstahlbewehrung zielgerichtet und ohne unwirtschaftlich hohe Fasergehalte ein gutmütiges Verhalten von UHPC auf Zug erreicht werden. Die sichere Begrenzung der Rissbreiten auf deutlich unter 0,1 mm gewährleistet zugleich die Dauerhaftigkeit auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Durch die Minimierung des Material- und Energieeinsatzes und die zu erwartende lange Nutzungsdauer lassen sich so im Sinne der Nachhaltigkeit optimierte Bauteile realisieren.

Versuche zum Biegetragverhalten von UHPC mit kombinierter Bewehrung

Das Biegetragverhalten von ultrahochfestem Beton (UHPC) mit einer kombinierten Bewehrung aus Stabstahl und Stahlfasern wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 1182 untersucht. Dieser Forschungsbericht stellt die durchgeführten experimentellen Untersuchungen dar. Das Versuchsprogramm umfasste Referenzversuche zur Ermittlung der Materialparameter, Verbundversuche an Stabstahl und Stahlfasern, zentrische Zugversuche des faserbewehrten UHPC sowie Vier-Punkt-Biegeversuche an kombiniert bewehrten UHPC-Balken. Maßgebliches Ziel war es, die Rissentwicklung und die Tragfähigkeit von UHPC-Biegebauteilen näher zu untersuchen. Dazu wurden neben den Verformungen in den Versuchen an Balken die Rissbreiten und Rissabstände dokumentiert. Der vorliegende Forschungsbericht bildet die Grundlage für die Dissertation der Autorin, in der Modelle zur Beschreibung der Rissentwicklung unter Gebrauchslasten und der Tragfähigkeit von kombiniert bewehrten UHPC-Balken entwickelt werden. Die Ergebnisse der Material- und Verbundversuche dienen als Eingangsparameter zur Nachrechnung der Versuche. Anhand der Balkenversuche werden die entwickelten Modelle validiert.

Punching Shear Behavior of UHPC Flat Slabs

At the Institute of Structural Engineering of the Faculty of Civil Engineering, Kassel University, series tests of slab-column connection were carried out, subjected to concentrated punching load. The effects of steel fiber content, concrete compressive strength, tension reinforcement ratio, size effect, and yield stress of tension reinforcement were studied by testing a total of six UHPC slabs and one normal strength concrete slab. Based on experimental results; all the tested slabs failed in punching shear as a type of failure, except the UHPC slab without steel fiber which failed due to splitting of concrete cover. The post ultimate load-deformation behavior of UHPC slabs subjected to punching load shows harmonic behavior of three stages; first, drop of load-deflection curve after reaching maximum load, second, resistance of both steel fibers and tension reinforcement, and third, pure tension reinforcement resistance. The first shear crack of UHPC slabs starts to open at a load higher than that of normal strength concrete slabs. Typically, the diameter of the punching cone for UHPC slabs on the tension surface is larger than that of NSC slabs and the location of critical shear crack is far away from the face of the column. The angle of punching cone for NSC slabs is larger than that of UHPC slabs. For UHPC slabs, the critical perimeter is proposed and located at 2.5d from the face of the column. The final shape of the punching cone is completed after the tension reinforcement starts to yield and the column stub starts to penetrate through the slab. A numerical model using Finite Element Analysis (FEA) for UHPC slabs is presented. Also some variables effect on punching shear is demonstrated by a parametric study. A design equation for UHPC slabs under punching load is presented and shown to be applicable for a wide range of parametric variations; in the ranges between 40 mm to 300 mm in slab thickness, 0.1 % to 2.9 % in tension reinforcement ratio, 150 MPa to 250 MPa in compressive strength of concrete and 0.1 % to 2 % steel fiber content. The proposed design equation of UHPC slabs is modified to include HSC and NSC slabs without steel fiber, and it is checked with the test results from earlier researches.

Zum Querkrafttragverhalten von UHPC-Balken mit kombinierter Bewehrung aus Stahlfasern und Stabstahl

Ultrahochfester Beton besitzt aufgrund seiner Zusammensetzung eine sehr hohe Druckfestigkeit von 150 bis über 200 N/mm² und eine außergewöhnlich hohe Dichtigkeit. Damit werden Anwendungen in stark belasteten Bereichen und mit hohen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit des Materials ermöglicht. Gleichzeitig zeigt ultrahochfester Beton bei Erreichen seiner Festigkeit ein sehr sprödes Verhalten. Zur Verhinderung eines explosionsartigen Versagens werden einer UHPC-Mischung Fasern zugegeben oder wird eine Umschnürung mit Stahlrohren ausgebildet. Die Zugabe von Fasern zur Betonmatrix beeinflusst neben der Verformungsfähigkeit auch die Tragfähigkeit des UHPC. Das Versagen der Fasern ist abhängig von Fasergeometrie, Fasergehalt, Verbundverhalten sowie Zugfestigkeit der Faser und gekennzeichnet durch Faserauszug oder Faserreißen. Zur Sicherstellung der Tragfähigkeit kann daher auf konventionelle Bewehrung außer bei sehr dünnen Bauteilen nicht verzichtet werden. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP 1182 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurden in dem dieser Arbeit zugrunde liegenden Forschungsprojekt die Fragen nach der Beschreibung des Querkrafttragverhaltens von UHPC-Bauteilen mit kombinierter Querkraftbewehrung und der Übertragbarkeit bestehender Querkraftmodelle auf UHPC untersucht. Neben einer umfassenden Darstellung vorhandener Querkraftmodelle für Stahlbetonbauteile ohne Querkraftbewehrung und mit verschiedenen Querkraftbewehrungsarten bilden experimentelle Untersuchungen zum Querkrafttragverhalten an UHPC-Balken mit verschiedener Querkraftbewehrung den Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit. Die experimentellen Untersuchungen beinhalteten zehn Querkraftversuche an UHPC-Balken. Diese Balken waren in Abmessungen und Biegezugbewehrung identisch. Sie unterschieden sich nur in der Art der Querkraftbewehrung. Die Querkraftbewehrungsarten umfassten eine Querkraftbewehrung aus Stahlfasern oder Vertikalstäben, eine kombinierte Querkraftbewehrung aus Stahlfasern und Vertikalstäben und einen Balken ohne Querkraftbewehrung. Obwohl für die in diesem Projekt untersuchten Balken Fasergehalte gewählt wurden, die zu einem entfestigenden Nachrissverhalten des Faserbetons führten, zeigten die Balkenversuche, dass die Zugabe von Stahlfasern die Querkrafttragfähigkeit steigerte. Durch die gewählte Querkraftbewehrungskonfiguration bei ansonsten identischen Balken konnte außerdem eine quantitative Abschätzung der einzelnen Traganteile aus den Versuchen abgeleitet werden. Der profilierte Querschnitt ließ einen großen Einfluss auf das Querkrafttragverhalten im Nachbruchbereich erkennen. Ein relativ stabiles Lastniveau nach Erreichen der Höchstlast konnte einer Vierendeelwirkung zugeordnet werden. Auf Basis dieser Versuchsergebnisse und analytischer Überlegungen zu vorhandenen Querkraftmodellen wurde ein additiver Modellansatz zur Beschreibung des Querkrafttragverhaltens von UHPCBalken mit einer kombinierten Querkraftbewehrung aus Stahlfasern und Vertikalstäben formuliert. Für die Formulierung der Traganteile des Betonquerschnitts und der konventionellen Querkraftbewehrung wurden bekannte Ansätze verwendet. Für die Ermittlung des Fasertraganteils wurde die Faserwirksamkeit zugrunde gelegt. Das Lastniveau im Nachbruchbereich aus Viendeelwirkung ergibt sich aus geometrischen Überlegungen.

Application of ultra high performance concrete (UHPC) as a thin-bonded overlay for concrete bridge decks

As transportation infrastructure across the globe approaches the end of its service life, new innovative materials and applications are needed to sustainably repair and prevent damage to these structures. Bridge structures in the United States in particular are at risk as a large percentage will be reaching their design service lives in the coming decades. Superstructure deterioration occurs due to a variety of factors, but a major contributor comes in the form of deteriorating concrete bridge decks. Within a concrete bridge deck system, deterioration mechanisms can include spalling, delaminations, scaling from unsuitable material selection, freeze-thaw damage, and corrosion of reinforcing steel due to infiltration of chloride ions and moisture. This thesis presents findings pertaining to the feasibility of using UHPC as a thin-bonded overlay on concrete bridge decks, specifically in precast bridge deck applications where construction duration and traffic interruption can be minimized, as well as in cast-in-place field applications. UHPC has several properties that make it a desirable material for this application. These properties include post-cracking tensile capacity, high compressive strength, high resistance to environmental and chemical attack, negligible permeability, negligible dry shrinkage when thermally cured, and the ability to self consolidate. The compatibility of this bridge deck overlay system was determined to minimize overlay thickness and dead load without sacrificing bond integrity or lose of protective capabilities. A parametric analysis was conducted using a 3D finite element model of a simply supported bridge under HS-20 truck and overload. Experimental tests were conducted to determine the net effect of UHPC volume change due to restrained shrinkage and tensile creep relaxation. The combined effects from numerical models and test results were then considered in determining the optimum overlay thickness for cast-in-place and precast applications.

Development of ultra-high-performance concrete (UHPC) using waste glass materials ─ towards innovative eco-friendly concrete

Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût.

Formulação e análise de desempenho de UHPC reforçado com fibras não metálicas

A evolução dos betões, na procura de estruturas com um maior tempo de vida útil, melhor desempenho ou menores custos de manutenção, tem sido alvo de pesquisa por investigadores de todo o mundo. Neste sentido, o desenvolvimento dos betões de ultra-elevado desempenho (UHPC – Ultra High Performance Concrete), permitiu, desde o seu desenvolvimento inicial, uma multiplicidade de aplicações quer a nível estrutural ou arquitetónico, aportando a estes elementos, vantagens características deste material de construção. No entanto, e particularizando um dos seus constituintes, a aplicação tradicional de fibras metálicas na composição de UHPC, poderá originar alguns fenómenos indesejados de perda de durabilidade, nomeadamente por corrosão destas. Por consequência, julga-se pertinente encontrar alternativas a este componente, de forma a que se obtenha um nível de desempenho semelhante, diminuindo o risco de ocorrência dos fenómenos anteriormente referidos. Neste sentido, o estudo que aqui se apresenta, visa efetuar uma breve abordagem à aplicação de fibras em materiais alternativos tais como fibra de vidro ou fibra de polipropileno. Serão analisadas algumas propriedades em estado fresco e endurecido de várias misturas de betão, com diferentes aplicações de fibras, quer em tipo, quer em dosagem.

Design and Evaluation of a Single-Span Bridge Using Ultra- High Performance Concrete, September 2009

Research presented herein describes an application of a newly developed material called Ultra-High Performance Concrete (UHPC) to a single-span bridge. The two primary objectives of this research were to develop a shear design procedure for possible code adoption and to provide a performance evaluation to ensure the viability of the first UHPC bridge in the United States. Two other secondary objectives included defining of material properties and understanding of flexural behavior of a UHPC bridge girder. In order to obtain information in these areas, several tests were carried out including material testing, large-scale laboratory flexure testing, large-scale laboratory shear testing, large-scale laboratory flexure-shear testing, small-scale laboratory shear testing, and field testing of a UHPC bridge. Experimental and analytical results of the described tests are presented. Analytical models to understand the flexure and shear behavior of UHPC members were developed using iterative computer based procedures. Previous research is referenced explaining a simplified flexural design procedure and a simplified pure shear design procedure. This work describes a shear design procedure based on the Modified Compression Field Theory (MCFT) which can be used in the design of UHPC members. Conclusions are provided regarding the viability of the UHPC bridge and recommendations are made for future research.

Design and Performance Verifcation of Ultra-High Performance Concrete Piles for Deep Foundations Final Report, November 2008

The strategic plan for bridge engineering issued by AASHTO in 2005 identified extending the service life and optimizing structural systems of bridges in the United States as two grand challenges in bridge engineering, with the objective of producing safer bridges that have a minimum service life of 75 years and reduced maintenance cost. Material deterioration was identified as one of the primary challenges to achieving the objective of extended life. In substructural applications (e.g., deep foundations), construction materials such as timber, steel, and concrete are subjected to deterioration due to environmental impacts. Using innovative and new materials for foundation applications makes the AASHTO objective of 75 years service life achievable. Ultra High Performance Concrete (UHPC) with compressive strength of 180 MPa (26,000 psi) and excellent durability has been used in superstructure applications but not in geotechnical and foundation applications. This study explores the use of precast, prestressed UHPC piles in future foundations of bridges and other structures. An H-shaped UHPC section, which is 10-in. (250-mm) deep with weight similar to that of an HP10×57 steel pile, was designed to improve constructability and reduce cost. In this project, instrumented UHPC piles were cast and laboratory and field tests were conducted. Laboratory tests were used to verify the moment-curvature response of UHPC pile section. In the field, two UHPC piles have been successfully driven in glacial till clay soil and load tested under vertical and lateral loads. This report provides a complete set of results for the field investigation conducted on UHPC H-shaped piles. Test results, durability, drivability, and other material advantages over normal concrete and steel indicate that UHPC piles are a viable alternative to achieve the goals of AASHTO strategic plan.

Laboratory and Field Testing of an Accelerated Bridge Construction Demonstration Bridge: US Highway 6 Bridge over Keg Creek, RB02-012, 2013

The US Highway 6 Bridge over Keg Creek outside of Council Bluffs, Iowa is a demonstration bridge site chosen to put into practice newly-developed Accelerated Bridge Construction (ABC) concepts. One of these new concepts is the use of prefabricated high performance concrete (HPC) bridge elements that are connected, in place, utilizing advanced material closure-pours and quick-to-install connection details. The Keg Creek Bridge is the first bridge in the US to utilize moment-resisting ultra-high performance concrete (UHPC) joints in negative moment regions over piers. Through laboratory and live load field testing, performance of these transverse joints as well as global bridge behavior is quantified and examined. The effectiveness of the structural performance of the bridge is evaluated to provide guidance for future designs of similar bridges throughout the US.

Compatibility of ultra high performance concrete as repair material : bond characterization with concrete under different loading scenarios

The rehabilitation of concrete structures, especially concrete bridge decks, is a major challenge for transportation agencies in the United States. Often, the most appropriate strategy to preserve or rehabilitate these structures is to provide some form of a protective coating or barrier. These surface treatments have typically been some form of polymer, asphalt, or low-permeability concrete, but the application of UHPC has shown promise for this application mainly due to its negligible permeability, but also as a result of its excellent mechanical properties, self-consolidating nature, rapid gain strength, and minimal creep and shrinkage characteristics. However, for widespread acceptance, durability and performance of the composite system must be fully understood, specifically the bond between UHPC and NSC often used in bridge decks. It is essential that the bond offers enough strength to resist the stress due to mechanical loading or thermal effects, while also maintaining an extended service-life performance. This report attempts to assess the bond strength between UHPC and NSC under different loading configurations. Different variables, such as roughness degree of the concrete substrates, age of bond, exposure to freeze-thaw cycles and wetting conditions of the concrete substrate, were included in this study. The combination of splitting tensile test with 0, 300, 600 and 900 freeze-thaw cycles was carried out to assess the bond performance under severe ambient conditions. The slant-shear test was utilized with different interface angles to provide a wide understanding of the bond performance under different combinations of compression and shear stresses. The pull-off test is the most accepted method to evaluate the bond strength in the field. This test which studies the direct tensile strength of the bond, the most severe loading condition, was used to provide data that can be correlated with the other tests that only can be used in the laboratory. The experimental program showed that the bond performance between UHPC and NSC is successful, as the strength regardless the different degree of roughness of the concrete substrate, the age of the composite specimens, the exposure to freeze-thaw cycles and the different loading configurations, is greater than that of concrete substrate and largely satisfies with ACI 546.3R-06.