The time-dependent behaviour of cracked textile reinforced concrete (TRC)
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The use of concrete faces drawbacks in the form of anthropogenic carbon dioxide emissions and a lower tensile strength threshold. The use of textile-reinforced concrete (TRC) is sought to tackle both these issues. Firstly, TRC elements provide an option for thinner structural elements and secondly, it improves the concrete’s post-crack behaviour when considering the short-term loading. However, there is limited research on the behaviour of TRC when subjected to long-term uni-axial loading, mainly due to the time-consuming nature of such related investigations. The purpose of this study is to investigate the behaviour of TRC composites when subjected to various sustained uniaxial loading levels for sustained time periods. This is accomplished by conducting both short- and long-term tests. The short-term investigations focus on the interaction between the textile and matrix and are assessed by delving into the pull-out of yarns from the matrix and uniaxial tensile strength tests. The long-term behaviour is investigated by performing tensile creep tests on predamaged and non-damaged specimens. The sustained loads applied ranged between 10 % and 75 % of the ultimate tensile static load test results. The single-yarn pull-out tests showed that the pull-out behaviour depends on the embedment length. Shorter lengths (25 and 35 mm) exhibited strain-softening behaviour with pull-out being the dominant failure mechanism. If the embedment length increases (30, 40, and 60 mm), then strain-hardening dictates the pull-out behaviour. Pull-out was found to be the failure mechanism for the 30 and 40 mm lengths and rupturing for the 60 mm embedment length. Additionally, the dynamic stage of the pull-out response was also identified to be associated with a bottleneck mechanism forming. This mechanism results from the imprint the warp yarn leaves in the matrix, constricting and dilating the extraction
pathway. Particle fragments also cause congestion of the pathways, increasing the pull-out resistance. The uniaxial static pull-out tests were conducted with specimens containing two to six layers of textiles. It was discovered that the number of weft yarns in the observed section dictated the maximum number of cracks formed when considering the crack saturation. All samples also showed a ductile failure attributed to the telescopic failure mechanism. Moreover, the stiffness degradation showed that the samples failed when the secant modulus lowered to 2 GPa. The latter occurred regardless of the number of cracks and number of textiles, indicating that stiffness was related to the failure as opposed to the reinforcing area. The stiffness degradation is argued to be tied to the telescopic mechanism taking place. The sustained uniaxial load tests showed that the time-dependent strain increased with time and increasing sustained load level. The samples with a stress-level below 60 % did not fracture during the period over which the loads were sustained. However, the samples loaded at 75 % stress levels fractured within 10 minutes of loading. The residual strength tests also highlighted that the straightening of fibres during the sustained loading period, known as the training effect, enhanced the strength of the specimens compared to samples that were not subjected to sustained loads but with the same specimen age. Pre-damaged specimens also exhibited lower time-dependent strains compared to those with no predamage. This observation is also attributed to the training effect. The implications of the training effect was also noticed when considering the loading history of samples by increasing the stress level for a select few specimens.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die gebruik van beton het nadele in die vorm van antropogenetiese koolstofdioksied en 'n laer treksterkte kapasiteit. Die gebruik van tekstiel-bewapende beton (TBB) is geskik om beide hierdie kwessies aan te pak. Eerstens bied TBB-elemente 'n opsie vir dunner strukturele elemente en tweedens verbeter dit die gedrag van gekraakte beton wanneer die korttermynlading oorweeg word. Daar is egter beperkte navorsing oor die gedrag van TBB wanneer dit onderwerp word aan langtermyn eenassige belading, hoofsaaklik as gevolg van die tydrowende aard van sulke verwante ondersoeke. Die doel van hierdie studie is om die gedrag van TBB saamgestelde materiale te ondersoek wanneer dit onderwerp word aan verskeie volgehoue eenassige laaivlakke vir volgehoue tydperke. Dit word bereik deur beide kort- en langtermyntoetse te oorweeg. Die korttermyn ondersoeke fokus op die interaksie tussen die tekstiel en matriks en word geassesseer deur te delf in die uittrek van tekstiel-drade uit die matriks en eenassige treksterktetoetse. Die langtermyngedrag is ondersoek deur trekkruiptoetse op voorafbeskadigde en nie-beskadigde monsters uit te voer. Die volgehoue ladings wat toegepas is, het gewissel tussen 10 % en 75 % van die uiteindelike statiese treklas toets resultate. Die enkel-tekstieldraad uittrektoetse het getoon dat die uittrekgedrag afhang van die inbedlengte. Korter lengtes (25 en 35 mm) het vervormingversagtende gedrag getoon met uittrek as die dominante falingsmeganisme. As die inbedlengte toeneem (30, 40 en 60 mm), dan bepaal vervormingverharding die uittrekgedrag. Uittrek is gevind as die falingsmeganisme vir die 30 en 40 mm lengtes en breek vir die 60 mm inbedlengte. Daarbenewens is die dinamiese stadium van die uittrekreaksie ook geïdentifiseer om geassosieer te word met 'n bottelnekmeganisme wat vorm. Hierdie meganisme is die gevolg van die afdruk wat die tekstieldraad in die matriks laat, wat die onttrekkingspad vernou en verwyd. Deeltjiefragmente veroorsaak ook opeenhoping in die wande, wat die uittrekweerstand verhoog. Die eenassige statiese uittrektoetse is uitgevoer met monsters wat twee tot ses lae tekstiel bevat. Daar is ontdek dat die aantal inslagdraad in die waargenome gedeelte die maksimum aantal krake wat vorm bepaal het wanneer die kraakversadiging in ag geneem word. Alle monsters het ook 'n duktiele faling gehad wat aan die teleskopiese falingsmeganisme toegeskryf word. Verder het die styfheidsdegradasie getoon dat die monsters gefaal het toe die sekante modulus tot 2 GPa verlaag het. Die laasgenoemde het voorgekom ongeag die aantal krake en aantal tekstiele, wat aandui dat styfheid verband hou met die faling in teenstelling met die bewapeningsarea. Daar word beweer dat die styfheidsdegradasie gekoppel is aan die teleskopiese meganisme wat plaasvind. Die volgehoue eenassige treklastoetse het getoon dat die tydafhanklike vervorming toegeneem het met tyd en toenemende volgehoue lasvlak. Die monsters met 'n spanningsvlak onder 60 % het nie gebreek gedurende die tydperk waaroor die ladings gedra is nie. Die monsters wat teen 75 % spanningsvlakke gelaai is, het egter binne 10 minute nadat dit belas is gebreek. Die na-kruip sterktetoetse het ook uitgelig dat die reguitmaak van vesels gedurende die volgehoue laaiperiode, bekend as die oefeneffek, die sterkte van die monsters verbeter het in vergelyking met monsters wat nie aan volgehoue ladings onderwerp is nie, maar dieselfde monsterouderdom gehad het. Voorafbeskadigde monsters het ook laer tydafhanklike vervorming getoon in vergelyking met dié met geen voorafbeskadiging nie. Hierdie waarneming word ook toegeskryf aan die oefeneffek. Die implikasies van die oefeneffek is ook opgemerk wanneer die laaigeskiedenis van monsters oorweeg word deur die spanning vir 'n paar uitgesoekte monsters te verhoog.
AFRIKAANS OPSOMMING: Die gebruik van beton het nadele in die vorm van antropogenetiese koolstofdioksied en 'n laer treksterkte kapasiteit. Die gebruik van tekstiel-bewapende beton (TBB) is geskik om beide hierdie kwessies aan te pak. Eerstens bied TBB-elemente 'n opsie vir dunner strukturele elemente en tweedens verbeter dit die gedrag van gekraakte beton wanneer die korttermynlading oorweeg word. Daar is egter beperkte navorsing oor die gedrag van TBB wanneer dit onderwerp word aan langtermyn eenassige belading, hoofsaaklik as gevolg van die tydrowende aard van sulke verwante ondersoeke. Die doel van hierdie studie is om die gedrag van TBB saamgestelde materiale te ondersoek wanneer dit onderwerp word aan verskeie volgehoue eenassige laaivlakke vir volgehoue tydperke. Dit word bereik deur beide kort- en langtermyntoetse te oorweeg. Die korttermyn ondersoeke fokus op die interaksie tussen die tekstiel en matriks en word geassesseer deur te delf in die uittrek van tekstiel-drade uit die matriks en eenassige treksterktetoetse. Die langtermyngedrag is ondersoek deur trekkruiptoetse op voorafbeskadigde en nie-beskadigde monsters uit te voer. Die volgehoue ladings wat toegepas is, het gewissel tussen 10 % en 75 % van die uiteindelike statiese treklas toets resultate. Die enkel-tekstieldraad uittrektoetse het getoon dat die uittrekgedrag afhang van die inbedlengte. Korter lengtes (25 en 35 mm) het vervormingversagtende gedrag getoon met uittrek as die dominante falingsmeganisme. As die inbedlengte toeneem (30, 40 en 60 mm), dan bepaal vervormingverharding die uittrekgedrag. Uittrek is gevind as die falingsmeganisme vir die 30 en 40 mm lengtes en breek vir die 60 mm inbedlengte. Daarbenewens is die dinamiese stadium van die uittrekreaksie ook geïdentifiseer om geassosieer te word met 'n bottelnekmeganisme wat vorm. Hierdie meganisme is die gevolg van die afdruk wat die tekstieldraad in die matriks laat, wat die onttrekkingspad vernou en verwyd. Deeltjiefragmente veroorsaak ook opeenhoping in die wande, wat die uittrekweerstand verhoog. Die eenassige statiese uittrektoetse is uitgevoer met monsters wat twee tot ses lae tekstiel bevat. Daar is ontdek dat die aantal inslagdraad in die waargenome gedeelte die maksimum aantal krake wat vorm bepaal het wanneer die kraakversadiging in ag geneem word. Alle monsters het ook 'n duktiele faling gehad wat aan die teleskopiese falingsmeganisme toegeskryf word. Verder het die styfheidsdegradasie getoon dat die monsters gefaal het toe die sekante modulus tot 2 GPa verlaag het. Die laasgenoemde het voorgekom ongeag die aantal krake en aantal tekstiele, wat aandui dat styfheid verband hou met die faling in teenstelling met die bewapeningsarea. Daar word beweer dat die styfheidsdegradasie gekoppel is aan die teleskopiese meganisme wat plaasvind. Die volgehoue eenassige treklastoetse het getoon dat die tydafhanklike vervorming toegeneem het met tyd en toenemende volgehoue lasvlak. Die monsters met 'n spanningsvlak onder 60 % het nie gebreek gedurende die tydperk waaroor die ladings gedra is nie. Die monsters wat teen 75 % spanningsvlakke gelaai is, het egter binne 10 minute nadat dit belas is gebreek. Die na-kruip sterktetoetse het ook uitgelig dat die reguitmaak van vesels gedurende die volgehoue laaiperiode, bekend as die oefeneffek, die sterkte van die monsters verbeter het in vergelyking met monsters wat nie aan volgehoue ladings onderwerp is nie, maar dieselfde monsterouderdom gehad het. Voorafbeskadigde monsters het ook laer tydafhanklike vervorming getoon in vergelyking met dié met geen voorafbeskadiging nie. Hierdie waarneming word ook toegeskryf aan die oefeneffek. Die implikasies van die oefeneffek is ook opgemerk wanneer die laaigeskiedenis van monsters oorweeg word deur die spanning vir 'n paar uitgesoekte monsters te verhoog.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2023.