Resilience of concrete structures in the marine environment through microstructural innovation

Abstract

Marine environment is one of the most challenging environments for concrete structures. Structural concrete exposed to marine environment deserves special attention as the sea salts chemically react with the cement matrix which results in loss of strength, cracking, spalling etc. In the present work, the behaviour of two different composites were study: Engineered Cementitious Composites (ECC) and another one based on an Alternative Binder System. A series of experiments, including compressive testing and uniaxial tension were carried out to characterize the mechanical properties of both types of materials. The single crack tension test was performed in the ECC compositions to assess the influence of the type of water used in the composition, at the micromechanical level. The most important characteristic of ECC, multicracking behaviour at increasing tensile strains when subject to direct tension, was confirmed in all mixtures and in all types of cures. Self-healing ability was studyed in ECC mixtures and the results showed that is possible verify that the specimens subjected to lower preloading levels and cured in the same water used to prepare the mixtures have almost fully recovered their initial mechanical characteristics. In the metakaolin based geopolymer, as an alternative binder system, the strain hardening behaviour was reached with one mixture. The geopolymer material is a more sustainable option due to the utilization of by-products and / or wastes materials when compared to the cementitious matrix composite.

O ambiente marítimo é um dos mais desafiadores para as estruturas de betão. Betão armado exposto, ao ambiente marítimo, merece especial atenção devido á presença de sais do mar que reagem com matriz de cimento o que resulta em perda de resistência, fendas, fragmentação, entre outros problemas. Este trabalho consiste no estudo do comportamento mecânico de dois compósitos diferentes: um compósito de matriz cimentícia com endurecimento em tração e um material alternativo de matriz não cimentícia. Os testes de compressão e tensão uniaxial foram realizados de modo a avaliar as propriedades mecânicas dos dois compósitos. Os resultados demonstraram que é possível o aparecimento de múltiplas fendas com o aumento da carga de tração em todas as misturas e em todos os tipos de curas. A capacidade de self-healing de materiais compósitos com endurecimento em tração foi estudado nos compósitos de matriz comentícia e os resultados mostraram que é possível concluir que as amostras submetidas a baixos níveis de pré-carga, curadas na mesma água utilizada para preparar as misturas, tenham recuperado quase totalmente as suas características mecânicas iniciais. O endurecimento à tração também foi obtido por uma mistura de geopolímero que é um material alternativo ao cimento Portland. O geopolímero é uma opção mais sustentável devido à utilização de sub-produtos e/ou resíduos quando comparado com o compósito de matriz cimentícia.