Mechanical behavior and fracture processes of hybrid fiber reinforced concrete

Concrete, the most widely used construction material in the world, is a quasi-brittle material. Because of its brittle nature, plain concrete is susceptible to cracking, and the fracture strain is relatively low. The quasi-brittle nature not only affects the long-term durability but also limits the application of concrete. Adding short fibers is an effective way to reduce the brittleness of concrete and improve the tensile related mechanical properties. Fire is one of the most serious potential risks to most concrete constructions. Concrete structures are likely to experience high temperature by accidental causes or by the special application purpose, leading to catastrophic consequences. The study is aimed to understand the optimum mix design of hybrid fiber reinforced concrete and the effect on mechanical and thermal behavior. The first objective is to analyze the effect of fiber hybridization on the mechanical performance of fiber reinforced concrete. Additionally, the fracture process of the hybrid fiber reinforced concrete under flexural load was studied by digital image correlation. The second objective is to investigate the performance of the thermally damaged hybrid fiber reinforced concrete. The results indicate the hybrid fiber including long hooked-end steel fiber produced a synergistic effect on tensile related mechanical properties. The critical fracture process length increases with the volume fraction of hybrid fiber. The hybrid reinforcement containing long hook-end steel fibers produces better a synergistic effect on inhibiting the extension of FPZ compared than the mono long hook-end fiber one. But the hybrid combination of fibers has a negligible effect on the growth trend of the FPZ length and the critical FPZ length. The thermally damaged hybrid fiber reinforced concrete including steel fibers has a better mechanical performance compared to that including polypropylene fiber. The temperatures above 200 °C seriously deteriorated the compressive strength and flexural strength and changed the fracture process. Water re-curing produced a positive effect on the recovery of the thermally damaged hybrid fiber reinforced concrete.

Il calcestruzzo, il materiale da costruzione più utilizzato al mondo, è un materiale quasi fragile. A causa della sua natura fragile, il calcestruzzo semplice è suscettibile di fessurazione e la deformazione da frattura è relativamente bassa. La natura quasi fragile non solo influisce sulla durabilità a lungo termine, ma limita anche l'applicazione del calcestruzzo. L'aggiunta di fibre corte è un modo efficace per ridurre la fragilità del calcestruzzo e migliorare le proprietà meccaniche legate alla trazione. Il fuoco è uno dei rischi potenziali più gravi per la maggior parte delle costruzioni in calcestruzzo. È probabile che le strutture in calcestruzzo subiscano temperature elevate per cause accidentali o per lo scopo dell'applicazione speciale, portando a conseguenze catastrofiche. Lo studio ha lo scopo di comprendere il mix design ottimale del calcestruzzo fibrorinforzato ibrido e l'effetto sul comportamento meccanico e termico. Il primo obiettivo è analizzare l'effetto dell'ibridazione delle fibre sulle prestazioni meccaniche del calcestruzzo fibrorinforzato. Inoltre, il processo di frattura del calcestruzzo fibrorinforzato ibrido sotto carico flessionale è stato studiato mediante correlazione di immagini digitali. Il secondo obiettivo è quello di indagare le prestazioni del calcestruzzo fibrorinforzato ibrido termicamente danneggiato. I risultati indicano che la fibra ibrida, inclusa la fibra d'acciaio con estremità uncinata, ha prodotto un effetto sinergico sulle proprietà meccaniche legate alla trazione. La lunghezza critica del processo di frattura aumenta con la frazione in volume della fibra ibrida. L'armatura ibrida contenente fibre lunghe in acciaio hook-end produce un migliore effetto sinergico sull'inibizione dell'estensione di FPZ rispetto a quella in fibra mono long hook-end. Ma la combinazione ibrida di fibre ha un effetto trascurabile sul trend di crescita della lunghezza FPZ e della lunghezza critica FPZ. Il calcestruzzo fibrorinforzato ibrido termicamente danneggiato comprendente fibre di acciaio ha prestazioni meccaniche migliori rispetto a quello comprendente fibra di polipropilene. Le temperature superiori a 200 °C hanno gravemente deteriorato la resistenza alla compressione e alla flessione e modificato il processo di frattura. Il ritrattamento con acqua ha prodotto un effetto positivo sul recupero del calcestruzzo fibrorinforzato ibrido termicamente danneggiato.