Durability of ultra high performance fibers reinforced concrete

Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC), known for its compact microstructure and strain-hardening behavior, offers improved mechanical performance and enables the construction of slender structures, reducing material usage. While its low porosity suggests durability, limited research exists on its long-term behavior, particularly regarding reinforcement corrosion. Besides, some of its peculiar characteristics such as the presence of steel fibers or cracks in the cement paste present a debated issue. Additionally, UHPFRC disposal poses environmental challenges, emphasizing the importance of recycling and reusing UHPFRC to minimize waste and promote sustainability. This research project investigates the durability of UHPFRC with a focus on the corrosion behavior of steel within this type of concrete. Besides, it examines various factors such as steel fibers, surface preparation, and cracks to understand their impact on UHPFRC performances. The study evaluates both commercial and non-commercial UHPFRCs, analyzing their mechanical and durability properties, together with microstructure and corrosion behavior of steel inside UHPFRC. Specifically, two commercial UHPFRCs of different producers and two non-commercial UHPFRCs (with 0.2 and 0.3 water-cement ratio) are considered. The research also includes the condition assessment of a real UHPFRC structure experiencing early cracking and explores the potential for recycling UHPFRC as aggregate in new concrete production, investigating its durability properties. Commercial UHPFRCs exhibit high mechanical parameters, such as compressive strength and elastic modulus. Comparatively, non-commercial UHPFRCs have slightly lower mechanical performance. The microstructural analysis indicates that UHPFRCs have a dense microstructure and strong bond between aggregates and cement paste, as well as between fibers and cement paste. However, a cement paste zone with increased porosity is found between fibers and concrete. Durability tests confirm that commercial UHPFRCs exhibit a very compact microstructure, while non-commercial UHPFRCs have slightly lower performance. As far as corrosion behavior of reinforcements in UHPFRC is concerned, all reinforcements showed passive conditions, making it difficult to study corrosion propagation. Electrical resistivity of commercial UHPFRCs and non-commercial UHPFRC with the lowest w/c ratio (0.2) increased with humidity content due to excess cement promoting hydration. In contrast, non-commercial UHPFRC with the highest w/c ratio (0.3) exhibited resistivity behavior similar to ordinary concrete. Curing time significantly influenced electrical resistivity, with 28-day cured specimens showing resistivity one order of magnitude higher than 7-day cured ones. UHPFRC with shorter curing times had resistivity comparable to ordinary concrete, leading to higher corrosion rates and increased galvanic coupling risks between steel fibers and rebar. This latter phenomenon is analyzed, and tests results show that the rebar consistently exhibits the lowest potential and acts as the anode. However, the results demonstrate that in alkaline concrete without chlorides, the driving voltage is low, and the impact of this phenomenon is negligible. Conversely, in the presence of chlorides (when the rebar is in an active state), the corrosion rate of the rebar increases, but the coupling phenomenon occurs under cathodic control, thereby reducing the consequences of coupling. Furthermore, anodic potenthiodynamic tests in solutions on brass coated fibers, show that brass depletion occurs in coated fibers within UHPFRC, suggesting that the interaction between fibers and other metals (i.e., rebars) within UHPFRC happens without the presence of brass coating. The inclusion of conductive fibers in UHPFRC can increase porosity parameters, such as water absorption and sorptivity, and significantly affect electrical resistivity, making it less resistive compared to UHPC without fibers, while lab-scale accelerated tests involving applied voltage may yield misleading results due to fiber interference, necessitating the development of specific test procedures and cautious interpretation of results involving external voltage. The surface morphology of UHPFRC can affect durability parameters, but no systematic effect has been found on sorptivity and indirect electrical resistivity, with fibers having a stronger impact. Surface morphology mainly influences chloride concentration at the surface, with cut surfaces allowing higher chloride penetration, although the overall rate of chloride diffusion remains low, indicating a high bulk resistance to penetration. Cracks in UHPFRC increase the risk of rebar corrosion, particularly in large cracks, and self-healing can help mitigate this effect. Besides, chlorides remain trapped in healed cracks. The performance of UHPFRC can be negatively affected by early-age defects, as evidenced by the condition assessment of a real UHPFRC canopy. Early cracking can occur in UHPFRC elements produced in molds with multiple edges and high stiffness, resulting in significant crack openings due to autogenous shrinkage that hinder self-healing, emphasizing the importance of proper curing. Finally, the use of recycled UHPFRC as aggregate in new concrete production shows potential in enhancing resistance to chloride and carbonation penetration, despite some challenges in workability.

Il calcestruzzo fibrorinforzato ad altissime prestazioni (UHPFRC), noto per la sua microstruttura compatta e per il suo comportamento di incrudimento in deformazione, offre migliori prestazioni meccaniche e consente la costruzione di strutture snelle, riducendo l'uso di materiale. Sebbene la sua bassa porosità suggerisca una certa durabilità, esistono poche ricerche sul suo comportamento a lungo termine, in particolare per quanto riguarda la corrosione delle armature. Inoltre, alcune delle sue caratteristiche peculiari, come la presenza di fibre d'acciaio o di fessure nella pasta di cemento, rappresentano una questione dibattuta. Inoltre, lo smaltimento dell'UHPFRC pone delle sfide ambientali, sottolineando l'importanza del riciclo e del riutilizzo dell'UHPFRC per ridurre al minimo i rifiuti e promuovere la sostenibilità. Questo progetto di ricerca indaga sulla durabilità degli UHPFRC, con particolare attenzione al comportamento di corrosione dell'acciaio in questo tipo di calcestruzzo. Inoltre, esamina vari fattori come le fibre d'acciaio, la preparazione della superficie e le fessure per capire il loro impatto sulle prestazioni degli UHPFRC. Lo studio prende in considerazione UHPFRC commerciali e non commerciali, analizzandone le proprietà meccaniche e di durabilità, nonché la microstruttura e il comportamento alla corrosione dell'acciaio all'interno degli UHPFRC. In particolare, sono stati presi in considerazione due UHPFRC commerciali di diversi produttori e due UHPFRC non commerciali (con rapporto acqua-cemento di 0.2 e 0.3). La ricerca include anche la valutazione delle condizioni di una struttura UHPFRC reale che presenta una fessurazione precoce ed esplora il potenziale di riciclaggio dell'UHPFRC come aggregato in nuovi prodotti di calcestruzzo. Gli UHPFRC commerciali presentano parametri meccanici elevati, come la resistenza alla compressione e il modulo elastico. In confronto, gli UHPFRC non commerciali hanno prestazioni meccaniche leggermente inferiori. L'analisi microstrutturale indica che gli UHPFRC hanno una microstruttura densa e un forte legame tra aggregati e pasta di cemento, nonché tra fibre e pasta di cemento. Tuttavia, tra le fibre e il calcestruzzo si trova una zona di pasta di cemento con una maggiore porosità. I test di durabilità confermano che gli UHPFRC commerciali presentano una microstruttura molto compatta, mentre gli UHPFRC non commerciali hanno prestazioni leggermente inferiori. Per quanto riguarda il comportamento alla corrosione delle armature negli UHPFRC, tutte le armature hanno mostrato condizioni passive, rendendo difficile lo studio della propagazione della corrosione. La resistività elettrica degli UHPFRC commerciali e del UHPFRC non commerciale con il rapporto a/c più basso (0.2) aumenta con il contenuto di umidità a causa dell'eccesso di cemento che favorisce l'idratazione. Al contrario, gli UHPFRC non commerciali con il rapporto a/c più alto (0.3) hanno mostrato un comportamento di resistività simile a quello del calcestruzzo ordinario. Il tempo di stagionatura ha influenzato in modo significativo la resistività elettrica: i campioni stagionati per 28 giorni hanno mostrato una resistività di un ordine di grandezza superiore rispetto a quelli stagionati per 7 giorni. L'UHPFRC con tempi di stagionatura più brevi presentava una resistività paragonabile a quella del calcestruzzo ordinario, con conseguenti velocità di corrosione più elevate e maggiori rischi di accoppiamento galvanico tra fibre d'acciaio e armature. Quest'ultimo fenomeno è stato analizzato e i risultati dei test mostrano che l'armatura presenta costantemente il potenziale più basso e si comporta da anodo. Tuttavia, i risultati dimostrano che nel calcestruzzo alcalino senza cloruri, la forza motrice è bassa e l'impatto di questo fenomeno è trascurabile. Al contrario, in presenza di cloruri (quando l'armatura è in stato attivo), la velocità di corrosione dell'armatura aumenta, ma il fenomeno di accoppiamento avviene sotto controllo catodico, riducendo così le conseguenze dell'accoppiamento. Inoltre, le prove di potenziodinamica anodica in soluzione su fibre rivestite di ottone mostrano che l'esaurimento dell'ottone si verifica nelle fibre rivestite all'interno dell'UHPFRC, suggerendo che l'interazione tra le fibre e gli altri metalli (cioè le barre d’armatura) all'interno dell'UHPFRC avviene senza la presenza del rivestimento di ottone. L'inclusione di fibre conduttive nell'UHPFRC può aumentare i parametri di porosità, come l'assorbimento dell'acqua e la sorptività, e influire significativamente sulla resistività elettrica, rendendolo meno resistivo rispetto all'UHPC senza fibre, mentre i test accelerati su scala di laboratorio che prevedono l'applicazione di una tensione possono dare risultati fuorvianti a causa dell'interferenza delle fibre, rendendo necessario lo sviluppo di procedure di prova specifiche e un'interpretazione cauta dei risultati che prevedono l'applicazione di un voltaggio esterno. La morfologia della superfcie degli UHPFRC può influenzare i parametri di durabilità, ma non è stato riscontrato un effetto sistematico, a parte per la concentrazione di cloruri in superficie: le superfici di taglio consentono una maggiore penetrazione dei cloruri, anche se il coefficient di diffusione dei cloruri rimane basso, indicando un'elevata resistenza di massa alla penetrazione. Le fessure nell'UHPFRC aumentano il rischio di corrosione delle armature, soprattutto in caso di fessure di grandi dimensioni, e l'autorigenerazione può contribuire a mitigare questo effetto. Inoltre, i cloruri rimangono intrappolati nelle fessure risanate. Le prestazioni dell'UHPFRC possono essere influenzate negativamente da difetti precoci, come dimostra la valutazione delle condizioni di una reale tettoia in UHPFRC. La fessurazione precoce può verificarsi in elementi UHPFRC prodotti in casseri con alta rigidità, con conseguenti fessure dovute al ritiro autogeno che ostacolano l'auto-riparazione, sottolineando l'importanza di una corretta stagionatura. Infine, l'uso dell'UHPFRC riciclato come aggregato nella produzione di nuovi calcestruzzi mostra un potenziale di miglioramento della resistenza alla penetrazione dei cloruri e della carbonatazione, nonostante alcuni problemi di lavorabilità.