Rheology and thixotropy of high performance fibre reinforced cementitious composites : an experimental and numerical investigation

In this work rheology of high performance fibre reinforced cementitious composites is analysed. Advanced cement based materials have been increasingly adopted in the civil engineering industry and the study of their rheological properties is fundamental not only for an optimum mix-design but also to design the casting procedures. In particular, in case of fibre reinforced composites, an ad-hoc rheology is necessary in order to achieve a randomly uniform dispersion of fibres within the casting and to govern their orientation within the formwork. If the mechanisms influencing the rheological behaviour of cement pastes and mortars are understood fairly well today, the effect of the fibres on these properties is still under investigation. Therefore, the key aim of this work is to study the influence of steel fibres on the rheology of mortars, in particular on high performance cementitious composites. An experimental program consisting on mini-slump flow tests at different “aging” times has first been carried out on three mixes with increasing amount of steel fibres: a reference mortar with no fibres (M00) and two other mixes with 40 kg/m3 (M40) and 80 kg/m3 (M80) of fibres. The slump flow diameter and the final spreading time were correlated via empirical formulas to the yield stress and the plastic viscosity of the mixes, i.e. the two basic rheological parameters of the Bingham model. Performing the tests for all the three mixes at five different “aging” times (0, 30, 60, 90 and 120 minutes), it was also possible to evaluate the effect of the fibres in time. Furthermore, the influence of the fibres was investigated also on the thixotropic behaviour of the cementitious composites. An experimental campaign was carried out using a rheometer with dedicated protocol. Again the experiments were performed at different resting times, so that also the time-dependent behaviour of the fibres was detectable. Finally, a three-dimensional numerical simulation of the mini-slump flow tests was performed in order to first back identify the experimental results and to have a tool that allows to predict the flow of these cementitious composites. This instrument can be very useful for further applications, in particular to correctly predict the casting procedure of cementitious composites that can be tailored to specific applications.

In questo lavoro viene analizzata la reologia di composti cementizi fibrorinforzati ad elevate prestazioni. I composti cementizi ad elevate prestazioni stanno trovando un utilizzo sempre maggiore nell’industria dell’ingegneria civile e lo studio delle loro proprietà reologiche diventa di fondamentale importanza non solo per l’ottenimento di un ottimo mix-design ma anche per la progettazione della fase di getto. Specialmente nel caso di composti fibrorinforzati, una reologia studiata ad-hoc è necessaria sia per ottenere una dispersione uniforme delle fibre che per governare il flusso di queste ultime all’interno del cassero. Sebbene, ad oggi, si abbia una buona conoscenza dei meccanismi che influenzano le proprietà reologiche delle paste cementizie e delle malte, è ancora in fase di studio l’effetto delle fibre sulle suddette proprietà. Pertanto, questo lavoro si è posto come obiettivo lo studio dell’influenza delle fibre sulla reologia delle malte, nello specifico dei composti cementizi ad elevate prestazioni. Per questo scopo, è stata eseguita una campagna sperimentale costituita da prove di abbassamento al mini-cono. Queste prove sono state effettuate a differenti tempi di riposo del composto cementizio e su tre miscele aventi una crescente quantità di fibre: una malta senza fibre (M00) – che è stata assunta come miscela di riferimento – e due miscele con 40 kg/m3 (M40) e 80 kg/m3 (M80) di fibre. Mediante l’utilizzo di formule empiriche è stato possibile correlare il diametro finale di spandimento e il tempo necessario per raggiungere tale diametro con lo sforzo di snervamento e la viscosità della miscela (le due proprietà fondamentali alla base del modello costitutivo di tipo Bingham). Avendo effettuato le prove anche a diversi tempi di riposo (0, 30, 60, 90 e 120 minuti), è stato possibile valutare anche come evolvesse l’effetto delle fibre nel tempo. Inoltre, è stata analizzata l’influenza delle fibre anche sul comportamento tixotropico dei composti cementizi. Per questo scopo, la campagna sperimentale è stata effettuata avvalendosi dell’utilizzo di un reometro con un apposito protocollo. Anche in questo caso, gli esperimenti sono stati svolti a diversi tempi di risposo, in modo tale da cogliere l’evoluzione dell’effetto delle fibre nel tempo. Infine, si è effettuato una simulazione numerica tridimensionale delle prove ad abbassamento al mini-cono. Lo scopo di questa simulazione era duplice: in primis, si volevano verificare i risultati sperimentali e inoltre si voleva possedere uno strumento che fosse in grado di predire il flusso di questi composti cementizi. Questo strumento può essere molto utile per eventuali applicazioni future, in particolare per predire il flusso dei materiali cementizi nelle fase di getto, che può essere studiata ad-hoc per specifiche applicazioni.