In the field of structural engineering a lot of work has been done to understand the correlation between mix design and mechanical properties but, on the other hand, many improvements were also done in order to correlate the needed properties of concrete to be cast with the structure to be built. During the last thirty years concrete have been mutating from a soft granular medium to a proper non-Newtonian fluid. To take advantage from the full potential of the modern fluid concretes such as SCC (self compacting concrete), prediction tools of the form filling taking into account the properties of the concrete, the shape and size of the structural element, the position of reinforcements, and the casting techniques are needed. The purpose of this thesis was to create a macro-scale rheological profile of chosen self-compacting concrete in its early ages from water addition, and to provide experimental information of interactions between fluid and solid particles in order to further develop the discrete element method (DEM) for numerical modelling. In a literary review a state of the art was created in two different sections. A theoretical background of basics of rheology was created with focus on physical phenomena involved in rheology of concretes and experimental ways to analyse properties of the material. Followed by a review of existing methods of numerical simulation. In a further step an extensive experimental project was carried out in order to investigate reference concrete at two different scale level. Firstly experiments at macro-level were performed with a study of the time dependent rheological behaviour of fresh concrete with rheometer. Further, experiments on meso-level on cement paste and mortar were developed and performed in order to investigate the normal and shear interaction between discrete particles suspended in a fluid. The necessary material parameters, especially those representative of the suspension fluid micromechanical behaviour, force-displacement relationships, yield force and bond strength were investigated by these experiments. Thesis closes with an outlook and general conclusion of the work containing suggestions for future development of the research performed.

Nel campo dell'ingegneria strutturale è stato fatto molto lavoro per studiare la correlazione che intercorre tra mix design e le proprietà meccaniche del calcestruzzo, ma, d'altro canto, molti miglioramenti sono stati fatti anche per correlare le proprietà richieste per i getti di calcestruzzo alle strutture da costruire. Durante gli ultimi trent'anni il calcestruzzo è mutato dall’essere un fluido granulare fino a diventare ad un vero e proprio fluido non-Newtoniano. Per sfruttare appieno il potenziale dei moderni calcestruzzi fluidi come i calcestruzzi auto-compattanti, si rivelano indispensabili strumenti di previsione della capacità di fluire del materiale in grado di tenere conto delle proprietà del calcestruzzo, della forma e delle dimensioni dell'elemento strutturale e della posizione delle armature. Lo scopo di questa tesi è stato quello di creare un profilo reologico su scala macroscopica per il calcestruzzo auto-compattante oggetto di studio nella prima ora in seguito all’aggiunta dell’acqua, e di fornire informazioni sperimentali riguardo le interazioni tra particelle immerse in un fluido viscoelastico (pasta di cemento; malta) per poi sviluppare ulteriormente la modellazione numerica ( DEM). Si è eseguito uno studio sullo stato dell’arte diviso in due sezioni principali. La prima parte incentrata sulle basi della reologia, con particolare riguardo ai fenomeni fisici alla base della reologia dei calcestruzzi ed ai principali metodi per le sperimentazioni reologiche dei materiali cementizi. La seconda costituita da una revisione dei metodi esistenti di simulazione numerica. Nella ricerca sperimentale è stato condotto a due scale di riferimento differenti un ampio progetto sperimentale per lo studio del calcestruzzo auto-compattante prescelto. In primo luogo sono stati effettuati gli esperimenti per lo studio delle caratteristiche reologiche dipendenti dal tempo del calcestruzzo dal punto di vista macroscopico utilizzando un reometro. Successivamente sono stati prima ideati e poi eseguiti degli esperimenti a livello mesoscopico sulla pasta cementizia e sulla malta con l’obbiettivo di studiare l'interazione normale e taglio tra particelle sospese all’interno del fluido. Con questi esperimenti sono stati studiati nei particolari tutti i parametri necessari riguardanti i materiali oggetto di studio, in particolare le caratteristiche rappresentative della sospensione delle particelle all’interno del fluido visco-elastico e le relazioni forza-spostamento. La tesi si conclude con una revisione del lavoro svolto, con le conclusioni generali riguardanti il progetto eseguito ed infine con delle riflessioni per lo sviluppo futuro della ricerca svolta.

Experimental identification of interactions between fluid and solid particles in fresh cementitious composites

GALVANI, FILIPPO
2013/2014

Abstract

In the field of structural engineering a lot of work has been done to understand the correlation between mix design and mechanical properties but, on the other hand, many improvements were also done in order to correlate the needed properties of concrete to be cast with the structure to be built. During the last thirty years concrete have been mutating from a soft granular medium to a proper non-Newtonian fluid. To take advantage from the full potential of the modern fluid concretes such as SCC (self compacting concrete), prediction tools of the form filling taking into account the properties of the concrete, the shape and size of the structural element, the position of reinforcements, and the casting techniques are needed. The purpose of this thesis was to create a macro-scale rheological profile of chosen self-compacting concrete in its early ages from water addition, and to provide experimental information of interactions between fluid and solid particles in order to further develop the discrete element method (DEM) for numerical modelling. In a literary review a state of the art was created in two different sections. A theoretical background of basics of rheology was created with focus on physical phenomena involved in rheology of concretes and experimental ways to analyse properties of the material. Followed by a review of existing methods of numerical simulation. In a further step an extensive experimental project was carried out in order to investigate reference concrete at two different scale level. Firstly experiments at macro-level were performed with a study of the time dependent rheological behaviour of fresh concrete with rheometer. Further, experiments on meso-level on cement paste and mortar were developed and performed in order to investigate the normal and shear interaction between discrete particles suspended in a fluid. The necessary material parameters, especially those representative of the suspension fluid micromechanical behaviour, force-displacement relationships, yield force and bond strength were investigated by these experiments. Thesis closes with an outlook and general conclusion of the work containing suggestions for future development of the research performed.
MECHTCHERINE, VIKTOR
ING VI - Scuola di Ingegneria Edile-Architettura
29-apr-2015
2013/2014
Nel campo dell'ingegneria strutturale è stato fatto molto lavoro per studiare la correlazione che intercorre tra mix design e le proprietà meccaniche del calcestruzzo, ma, d'altro canto, molti miglioramenti sono stati fatti anche per correlare le proprietà richieste per i getti di calcestruzzo alle strutture da costruire. Durante gli ultimi trent'anni il calcestruzzo è mutato dall’essere un fluido granulare fino a diventare ad un vero e proprio fluido non-Newtoniano. Per sfruttare appieno il potenziale dei moderni calcestruzzi fluidi come i calcestruzzi auto-compattanti, si rivelano indispensabili strumenti di previsione della capacità di fluire del materiale in grado di tenere conto delle proprietà del calcestruzzo, della forma e delle dimensioni dell'elemento strutturale e della posizione delle armature. Lo scopo di questa tesi è stato quello di creare un profilo reologico su scala macroscopica per il calcestruzzo auto-compattante oggetto di studio nella prima ora in seguito all’aggiunta dell’acqua, e di fornire informazioni sperimentali riguardo le interazioni tra particelle immerse in un fluido viscoelastico (pasta di cemento; malta) per poi sviluppare ulteriormente la modellazione numerica ( DEM). Si è eseguito uno studio sullo stato dell’arte diviso in due sezioni principali. La prima parte incentrata sulle basi della reologia, con particolare riguardo ai fenomeni fisici alla base della reologia dei calcestruzzi ed ai principali metodi per le sperimentazioni reologiche dei materiali cementizi. La seconda costituita da una revisione dei metodi esistenti di simulazione numerica. Nella ricerca sperimentale è stato condotto a due scale di riferimento differenti un ampio progetto sperimentale per lo studio del calcestruzzo auto-compattante prescelto. In primo luogo sono stati effettuati gli esperimenti per lo studio delle caratteristiche reologiche dipendenti dal tempo del calcestruzzo dal punto di vista macroscopico utilizzando un reometro. Successivamente sono stati prima ideati e poi eseguiti degli esperimenti a livello mesoscopico sulla pasta cementizia e sulla malta con l’obbiettivo di studiare l'interazione normale e taglio tra particelle sospese all’interno del fluido. Con questi esperimenti sono stati studiati nei particolari tutti i parametri necessari riguardanti i materiali oggetto di studio, in particolare le caratteristiche rappresentative della sospensione delle particelle all’interno del fluido visco-elastico e le relazioni forza-spostamento. La tesi si conclude con una revisione del lavoro svolto, con le conclusioni generali riguardanti il progetto eseguito ed infine con delle riflessioni per lo sviluppo futuro della ricerca svolta.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/107535