Residual performance of fire-exposed textile reinforced concrete: experimental investigations and modeling techniques

Abstract

Textile reinforced concrete (TRC) is a promising composite material with enormous potential in structural applications because it offers the possibility to construct lightweight but strong and sustainable elements. However, despite the reasonably good heat resistance of the inorganic matrices and the well-established knowledge on the high-temperature performance of the commonly used fibrous reinforcements, their application in TRC elements with very small thicknesses makes their effectiveness questionable. The concrete cover protecting the textile reinforcement is an order of magnitude smaller than in the case of steel-reinforced concrete elements. Furthermore, the experimental investigations that have been conducted so far are limited; hence, several knowledge gaps can be identified in the current state-of-the-art. Finally, among the published relevant studies there are large inconsistencies in the testing methods and conditions; thus, it is difficult to draw reliable conclusions about the thermomechanical behavior of the material.This research investigates the residual performance of TRC after exposure to fire via an extensive experimental campaign which provided data on the loadbearing resposne (tensile and flexural) of six TRC compositions, on a wide range of temperatures (20 °C to 700 °C). The six compositions differed by the reinforcing material (carbon or combination of glass and carbon), the sizing of the reinforcement (uncoated, polymer coated or impregnated) and the amount of reinforcement. The novelties of this campaign lie in (i) the quantification of the effect of the textile sizing and the protective concrete cover, (ii) the investigation of the performance of hybrid reinforcement, and (iii) the heat treatment of the specimens with actual fire tests (with durations varying between 7 and 37 minutes). The test results were modeled by analytical and numerical approaches. Existing analytical approaches were used as a tool to describe the behavior of fire exposed TRC in tension, while numerical simulations were developed to model its flexural performance. The novelty of the numerical model lies in the application of a mechanical layer-wise model in combination with a heat transfer model that determines the exposure temperature at every position of a fire-exposed specimen.The thesis concludes that the most decisive parameter for the residual capacity of TRC after exposure to fire is the surface treatment of the reinforcement; uncoated carbon fiber textiles being the best solution (owing to the superiority of carbon fibers at elevated temperature compared to other materials). Polymer coatings lead to faster reduction of the mechanical properties as temperature increases (due to the deterioration of the textile-to-matrix interface as the coating burns) while impregnation with epoxy resins inhibits an increased risk of thermal spalling due to the evaporation of the resin. Based on the provided knowledge, compositions with hybrid reinforcement can also present a favorable behavior with a proper design. This research also shows that the temperature profile of a fire exposed TRC element can be determined with a conduction heat transfer model and, consequently, the flexural performance of the element can be modeled with a layer-wise technique (assigning the predicted temperature to each layer). This modeling technique can be used to simulate correctly the flexural capacity of a heated element. Based on the flexure tests and their numerical simulation it is concluded that the mortar plays a key role too on the residual flexural capacity of fire exposed TRC elements; hence, its contribution should be modeled with accuracy. Finally, this research showed that the applicability of the Aveston-Cooper-Kelly theory can be applied to TRC elements at high temperatures as long as a representative degradation law is adopted. Such a law can be obtained by fitting analytical expressions to experimental results on fire exposed TRC elements tested in tension.

Τα Ινοπλέγματα σε Ανόργανη Μήτρα (ΙΑΜ) είναι ένα πολλά υποσχόμενο σύνθετο υλικό με τεράστιες δυνατότητες σε δομικές εφαρμογές επειδή προσφέρει τη δυνατότητα κατασκευής ελαφρών αλλά ισχυρών και βιώσιμων στοιχείων. Ωστόσο, παρά τη σχετικά καλή αντοχή στη θερμότητα των ανόργανων μητρών και την καλά τεκμηριωμένη γνώση σχετικά με την απόδοση των συνηθισμένων ινωδών οπλισμών σε υψηλές θερμοκρασίες, η εφαρμογή τους σε στοιχεία ΙΑΜ με πολύ μικρό πάχος καθιστά την αποτελεσματικότητά τους αμφισβητήσιμη. Η επικάλυψη από σκυρόδεμα που προστατεύει τον οπλισμό από ίνες είναι μια τάξη μεγέθους μικρότερο από ό, τι στην περίπτωση στοιχείων από σκυρόδεμα οπλισμένο με χάλυβα. Επιπλέον, οι πειραματικές έρευνες που έχουν διεξαχθεί έως τώρα είναι περιορισμένες. Ως εκ τούτου, αρκετά κενά γνώσης μπορούν να εντοπιστούν στην τρέχουσα κατάσταση της τελευταίας τεχνολογίας. Τέλος, μεταξύ των δημοσιευμένων σχετικών μελετών υπάρχουν μεγάλες ασυνέπειες στις μεθόδους και τις συνθήκες δοκιμής. Έτσι, είναι δύσκολο να εξαχθούν αξιόπιστα συμπεράσματα σχετικά με τη θερμομηχανική συμπεριφορά του υλικού.Η παρούσα μελέτη διερευνά την απομένουσα απόδοση των ΙΑΜ μετά την έκθεση σε φωτιά μέσω μιας εκτεταμένης πειραματικής διερεύνησης που έδωσε δεδομένα για τη φέρουσα αντίσταση (εφελκυστική και καμπτική) έξι συνθέσεων ΙΑΜ, σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (20 °C έως 700 °C). Οι έξι συνθέσεις διέφεραν από το ενισχυτικό υλικό (ίνες άνθρακα ή συνδυασμός ινών υάλου και άνθρακα), το τελείωμα του οπλισμού (μη επικαλυμμένο, επικαλυμμένο με πολυμερές ή εμποτισμένο) και την ποσότητα του οπλισμού. Οι καινοτομίες αυτής της εκστρατείας έγκειται στην (i) ποσοτικοποίηση της επίδρασης του τελειώματος του πλέγματος και της προστατευτικής επικάλυψης από σκυρόδεμα, (ii) στη διερεύνηση της απόδοσης του υβριδικού οπλισμού και (iii) στην έκθεση των δειγμάτων σε πρότυπες δοκιμές πυρός (με διάρκεια που κυμαίνεται μεταξύ 7 και 37 λεπτών). Τα αποτελέσματα των δοκιμών προσομοιώθηκαν με αναλυτικές και αριθμητικές προσεγγίσεις. Υπάρχουσες αναλυτικές προσεγγίσεις χρησιμοποιήθηκαν ως εργαλείο για να περιγράψουν τη συμπεριφορά του εκτεθειμένου στη φωτιά υλικού σε εφελκυσμό, ενώ αριθμητικές προσομοιώσεις αναπτύχθηκαν για να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά του σε κάμψη. Η καινοτομία του αριθμητικού προσομοιώματος έγκειται στην εφαρμογή ενός μηχανικού στρωματομένου μοντέλου σε συνδυασμό με ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας που καθορίζει τη θερμοκρασία έκθεσης σε κάθε θέση ενός δείγματος εκτεθειμένου στη φωτιά.Η διατριβή καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η πιο καθοριστική παράμετρος για την υπολειπόμενη αντίσταση των ΙΑΜ μετά την έκθεση σε φωτιά είναι η επιφανειακή επεξεργασία του οπλισμού. Τα μη επικαλυμμένα υφάσματα από ανθρακονήματα είναι η καλύτερη λύση (λόγω της ανωτερότητας των ινών άνθρακα σε αυξημένη θερμοκρασία σε σύγκριση με άλλα υλικά). Οι πολυμερικές επικαλύψεις οδηγούν σε ταχύτερη μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία (λόγω της φθοράς της διεπαφής πλέγματος προς μήτρα καθώς η καίγεται η επικάλυψη του πλέγματος), ενώ ο εμποτισμός με εποξειδικές ρητίνες οδηγεί σε αυξημένο κίνδυνο θερμικής έκρηξης λόγω της ταχείας εξάτμισης της ρητίνης. Με βάση τις υπάρχουσες γνώσεις, οι συνθέσεις με υβριδική ενίσχυση (ίνες άνθρακα και υάλου) μπορούν επίσης να παρουσιάσουν ευνοϊκή συμπεριφορά με σωστό σχεδιασμό. Αυτή η έρευνα δείχνει επίσης ότι το προφίλ θερμοκρασίας ενός εκτεθειμένου στη φωτιά στοιχείου TRC μπορεί να προσδιοριστεί με ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας και, κατά συνέπεια, η καμπτική συμπεριφορά του στοιχείου μπορεί να προσομοιωθεί με μια τεχνική ανά στρώση (εκχωρώντας την προβλεπόμενη θερμοκρασία σε κάθε στρώμα ). Αυτή η τεχνική προσομοίωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσομοιώσει σωστά την καμπτική ικανότητα ενός εκτεθειμένου σε υψηλή θερμοκρασία στοιχείου ΙΑΜ. Με βάση τις δοκιμές κάμψης και την αριθμητική τους προσομοίωση, συμπεραίνεται ότι το κονίαμα παίζει επίσης βασικό ρόλο στην απομένουσα καμπτική ικανότητα των εκτεθειμένων στη φωτιά στοιχείων ΙΑΜ. Ως εκ τούτου, η συμβολή του θα πρέπει να προσομοιωθεί με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια. Τέλος, η παρούσα έρευνα έδειξε ότι όσον αφγορά τα υπάρχοντα αναλυτικά προσομοιώματα, η θεωρία Aveston-Cooper-Kelly μπορεί να εφαρμοστεί σε στοιχεία ΙΑΜ εκτεθειμένα σε υψηλές θερμοκρασίες, αρκεί να υιοθετηθεί ένας αντιπροσωπευτικός νόμος υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων των επιμέρους υλικών (ίνες, μητρικό υλικό). Ένας τέτοιος νόμος μπορεί να επιτευχθεί με την προσαρμογή αναλυτικών εκφράσεων σε πειραματικά αποτελέσματα σε εκτεθειμένα στη φωτιά στοιχεία ΙΑΜ που δοκιμάστηκαν σε εφελκυσμό.