Repeatability of self-healing capacity in fibre reinforced concrete with crystalline additives

This thesis aims to study the self-healing capacity of a series of steel fibre reinforced concrete specimens. The experimental campaign involves two different concrete dosages: containing and not containing a crystalline additive. Thus, it is possible to compare the response of the autogenous self-healing (without additive) and the engineered self-healing (with additive) under the same conditions. The crack is induced in the specimen by means of an indirect tensile splitting test, known as “Double Edge Wedge Splitting (DEWS)” test. The test configuration and the notches on the samples allow to establish a weakest section where cracking occurs. In this way, it is possible to consider the influence of the fibre orientation. The mechanical response is different for specimens with fibres passing through the critical section, compared to those in which the fibres are parallel to the critical section. The self-healing capacity assessment involves several healing treatments of different durations, each of which is preceded by a DEWS test that generates a crack opening of 0.25 mm. After each test, the specimens are stored under one of the following conditions: water-immersion, outdoor exposure and periodic cycles (alternating water and outdoor environment). The cracking-and-healing campaign has been running for an entire year. The main analysis of the results regards the self-sealing capacity. The partial or complete sealing of the crack may extend the service life of the concrete element by reducing the penetration of the degradation agents. For this reason, the crack sealing phenomena is also known as durability recovery. In order to quantify the self-sealing capacity of the samples, a semiautomatic image processing methodology is proposed. The image acquisition is carried out using an optical microscope. According to the results, the most suitable conditions for the complete crack sealing is the permanent immersion in water. The self-sealing enhancing effect of the crystalline additive is only evident for narrow cracks, below 0.15 mm, in water-immersed conditions. In addition, the crystalline additive seems to favour the precipitation of the healing products in the long term.

Il presente elaborato ha come oggetto l’analisi della capacità autoriparante di una serie di provini in calcestruzzo fibrorinforzato con fibre in acciaio (0.51% in volume). L’analisi coinvolge un totale di 65 provini sottoposti a dei cicli di fessurazione-autoriparazione per la durata di un anno. La metà dei provini è stata provvista dell’aggiunta di un additivo cristallino all’impasto, dove l’additivo agisce come catalizzatore della suddetta capacità di autoriparazione. La fessurazione è stata indotta attraverso prove di trazione indiretta secondo una metodologia denominata “Double Edge Wedge Splitting (DEWS)” su provini quadrati, pretagliati in modo da avere un orientamento delle fibre differente, e fessurati fino a valori di apertura di fessura prestabiliti (0,25 mm). Tra una prova e quella successiva i provini sono stati sottoposti ad un periodo di cura sotto diverse condizioni ambientali (aria, acqua e cicli asciutto-bagnato). In particolare, i primi cicli di esposizione sono state di 1, 3 oppure 6 mese a cui seguivano dei trattamenti di cura lunghi 1 e 2 mesi alternativamente fino a raggiungere l’intero anno. L’analisi principale riguarda la richiusura della fessura. La capacità di autorichiusura della fessura è sostanzialmente legata al recupero della durabilità. La totale o parziale richiusura delle fessure può allungare la vita di servizio della struttura in calcestruzzo, poiché rappresenta un impedimento all’ingresso agli agenti di degradazione. La quantificazione della richiusura delle fessure è stata possibile grazie allo sviluppo di un’apposita metodologia semiautomatica di trattamento delle immagini. Tramite l’analisi dei risultati si è constatato che la costante presenza di acqua, sia per immersione diretta sia per cicli asciutto/bagnato, è la sola condizione in grado di garantire una totale richiusura della fessura. Inoltre, si è osservato che l’effetto dell’additivo cristallino sulla capacità di autoriparazione del calcestruzzo è soltanto decisivo per fessure large meno di 0.15 mm. Nonostante ciò, i provini contenenti l’additivo cristallino offrono miglioramenti più significativi nel lungo termine.