Fracture instability in heated concrete : a reassessment of the fundamental mechanisms behind explosive spalling

Concrete spalling, characterized by the detachment of fragments from heated surfaces during a fire, remains a complex and challenging phenomenon influenced by thermal, mechanical, and hygral factors. Existing literature proposes two primary driving mechanisms—pore pressure and thermal stress—yet fails to fully explain the explosive nature of concrete failure. However, none of them can alone explain how concrete could be fractured and the ensuing pieces be accelerated and violently projected at a distance. The magnitude of compressive stress due to restrained thermal dilation at the heated surface is generally far from the material strength, and the corresponding elastic energy is much less than the kinetic energy observed in laboratory tests. Moreover, the effective stress generated by pore pressure can hardly exceed the tensile strength, due to the poor interconnection of the pores in concrete. The synergistic combination of these two factors is most probably the reason behind concrete failure. This PhD dissertation introduces a novel "two-stage mechanism" to elucidate the intricacies of spalling, combining incipient crack formation and unstable crack propagation. Witnessing cover delamination in many post-fire assessments of structures shows how the first stage can be considered as a distinct stage. In stable cover delamination, large fractured concrete plates remain partially connected to the core without spalling. This type of damage doesn't impact the protection of reinforcing bars and may even enhance it by disrupting material continuity. The study critically discusses significant findings from the literature and presents recent discoveries by the author. The cracking behaviour of concrete material is the key parameter which is engaged in both stages of spalling. Therefore, this thesis starts by proposing an innovative frameless test rig to assess the real fracture behaviour of concrete which acts as resisting force for both stages of spalling. The post-peak behaviour of different concretes might be an important not expressly addressed issue for stable cracks in the spalling phenomenon in NC. Then, each stage of concrete spalling is analysed in more detail. The first stage, incipient crack formation, involves the synergistic interaction of external loads inducing high compressive stress and hydrostatic tension from pore pressure. This stage sets the foundation for the second stage and is influenced by various parameters, including cracks in restrained or loaded sections, mesoscale heterogeneity, element shape, weak planes and strain incompatibility of rebars, and cracking fostered by pore pressure. The crack onset stage is discussed by comparing different concrete samples by means of FEM modelling, considering the shape of the structure as a significant factor in the triggering force. The second stage, unstable crack propagation, leads to the rapid opening of cracks and the high-speed projection of particles. The study identifies thermal energy accumulated by the heated concrete as a potential driving force. The conversion of thermal energy into mechanical work requires flash vaporization of water from a thin concrete layer with sufficient pore saturation. Experimental test adds new insights into the fundamental mechanisms behind explosive spalling. The crack instability stage is addressed, highlighting the role of moisture in inducing acceleration leading to a novel small-scale screening test setup. The value of net pressure inferred by measuring the relative acceleration between the spalled parts shows values which are close to saturated pressure corresponding to the spalling temperature in the crack. The ability of this setup to categorize spalling sensitivity in different concrete mixes is validated against standard fire tests. The proposed two-stage mechanism offers a consistent interpretation of spalling phenomena, addressing the stability of ensuing cracks and providing a foundation for future research directions. This PhD thesis also emphasizes the significant obstacle posed by spalling in the widespread utilization of concrete, affecting both normal-grade and high-performance varieties. Despite the superior mechanical and durability performance of high-performance concrete, its susceptibility to spalling presents challenges for structural design. In conclusion, this PhD dissertation outlines a comprehensive and systematic approach to understanding concrete spalling, offering new insights for both academic and practical applications.

Lo spacco del calcestruzzo esposto al fuoco (spalling), che consiste nel distacco di frammenti dalle superfici riscaldate durante un incendio, rimane un fenomeno complesso e sfidante influenzato da fattori termici, meccanici e igroscopici. La letteratura esistente propone due meccanismi principali da cui trae origine: la pressione del vapore nei pori e le sollecitazioni indotte dalla dilatazione termica. Tuttavia, questi non riescono a spiegare appieno la natura esplosiva che spesso assume questa frammentazione del calcestruzzo, con la violenta proiezione di scaglie a distanza. L'intensità della sollecitazione di compressione dovuta alla dilatazione termica vincolata della superficie riscaldata è generalmente lontana dalla resistenza del materiale, e l'energia elastica corrispondente è molto inferiore all'energia cinetica osservata nelle prove di laboratorio. Inoltre, la tensione efficace generata dalla pressione nei pori difficilmente può superare la resistenza a trazione, a causa della scarsa interconnessione dei pori nel calcestruzzo. La combinazione sinergica di questi due fattori è molto probabilmente la ragione di questa frattura instabile del calcestruzzo. Questa tesi di dottorato introduce un nuovo "meccanismo in due fasi" per interpretare la complessità dello sfaldamento, combinando la formazione incipiente di fratture e la loro successiva propagazione instabile. Considerando la delaminazione del copriferro osservata frequentemente nelle indagini post-incendio sulle strutture in calcestruzzo, si mostra come il primo innesco di una fessura possa essere considerato una fase distinta. Nella delaminazione stabile del copriferro, estesi strati superficiali di calcestruzzo tendono a separarsi dal nucleo degli elementi strutturali, pur rimanendo ad essi collegati senza sfaldarsi. Questo tipo di danneggiamento non influisce sulla protezione delle armature di rinforzo e potrebbe addirittura migliorarla interrompendo la continuità del materiale. In quest’ottica, lo studio discute criticamente risultati significativi della letteratura integrati da alcune esperienze condotte dall'autore, riscontrando una buona corrispondenza tra l'effettivo verificarsi dello spacco e la combinazione di stress termico e pressione di vapore raggiunta. Il comportamento a trazione del calcestruzzo è un aspetto chiave coinvolto in entrambe le fasi dello sfaldamento. Pertanto, questa tesi inizia proponendo un innovativo banco di prova senza telaio per valutare il reale comportamento a frattura del calcestruzzo che funge da meccanismo resistente in entrambe le fasi dello sfaldamento. La caratterizzazione del comportamento post picco di diversi tipi di calcestruzzo (in particolare di normale o elevata resistenza) può in parte giustificare la loro diversa sensibilità allo spalling. Successivamente, ogni fase del distacco dei frammenti viene analizzata in dettaglio. La prima fase, l'innesco delle fessure, coinvolge l'interazione sinergica di carichi esterni e gradienti termici che inducono elevato stress di compressione e la trazione idrostatica indotta dalla pressione del vapore nei pori. L'innesco delle fessure getta le basi per la successiva fase di propagazione ed è influenzato da diversi parametri, tra cui i vincoli e i carichi esterni, l'eterogeneità a scala mesoscopica, la forma dell'elemento, l'incompatibilità delle deformazioni e i piani deboli generati dalle armature, l'entità della pressione nei pori. La fase di innesco è discussa confrontando diverse prove di calcestruzzo mediante modellazione a elementi finiti, considerando la geometria dell'elemento come fattore significativo del fenomeno. La seconda fase, della propagazione instabile delle fessure, porta al rapido distacco e alla proiezione ad alta velocità dei frammenti. Lo studio identifica l'energia termica accumulata dal calcestruzzo riscaldato come una potenziale forza trainante. La conversione dell'energia termica in lavoro meccanico richiede la vaporizzazione istantanea dell'acqua da uno strato sottile di calcestruzzo i cui pori siano sufficientemente saturi. E' stato messo a punto un metodo di prova su piccoli campioni in grado di riprodurre il fenomeno di propagazione instabile, mettendo a confronto diverse mescole di calcestruzzo con diverso contenuto di umidità. Il metodo di prova consente anche uno screening tra diverse miscele in base alla loro sensibilità allo spalling. La misura dell'accelerazione che si sviluppa nelle parti fratturate ha consentito di stimare la pressione che si genera nella fessura, ottenendo valori prossimi a quello di saturazione alla temperatura raggiunta dal materiale. Il confronto con prove al fuoco su piastre conferma la coerenza tra i risultati alle due scale. Il meccanismo a due fasi proposto offre un'interpretazione coerente dei fenomeni di spacco superficiale, analizzando la stabilità delle fessure che ne conseguono e fornendo una base per future direzioni di ricerca. Una migliore comprensione di questa problematica contribuisce a rimuovere un ostacolo all'utilizzo del calcestruzzo nelle condizioni l'ostacolo all'utilizzo del calcestruzzo nelle condizioni ambientali estreme prodotte da un incendio. Nonostante le migliori qualità meccaniche e la durabilità dei moderni calcestruzzi ad alte prestazioni, la loro maggiore suscettibilità al fenomeno rappresenta tuttora una sfida nella progettazione strutturale.