Multi parameter analysis on the evaluation of concrete - steel friction in horizontal slip-forming process

Slip-forming is a construction method in which concrete is poured into a continuously moving formwork. During this process, a steel formwork is used to confine and shape the freshly placed concrete. The frictional force between the concrete and the formwork engenders shear and tensile stresses within the concrete cover during sliding, potentially resulting in surface damage and creating difficulties in maintaining a constant speed and shape of the structure. This study aims to experimentally evaluate the frictional forces between extrudable concrete and steel formwork, starting from an experimental campaign, during the horizontal slip forming process. The experimental setup involves a steel plate on which moulds with an open top and bottom surface is positioned, filled with fresh extrudable concrete. A load cell is attached to the mould to measure the frictional forces between the concrete and the steel plate. The experiments have conducted by varying the extrudable concrete mixtures and slip-forming speeds. The results have allowed to quantify the time evolution of the friction coefficients between the concrete and the formwork. The increment of the slipform rate entails higher values of friction and a better identification of the first peak which represents the static friction coefficient. Static friction coefficient increases at lower w/b ratio or lower retarder quantity and lower superplasticizer content and decreases at higher w/b ratio and retarder and superplasticizer quantities. For higher w/b ratio the concrete is fluid, and the friction strictly depends on it: at lower values of water to binder ratio, the mix design parameters (superplasticizer or retarder quantities) take a fundamental role, which is easier to see for higher slipform rates. To better understand the complexity of all the factors interactions, a Design of Experiments was carried out, through which a predictive model was developed for practical application purposes. The results highlight that the appropriate combination of concrete mix, slipping rate and smooth formwork can significantly reduce the frictional forces and improve the efficiency of the slip-forming process. The findings of this study can be useful for improving the slip forming process and optimizing the mix design for concrete structures.

Lo slip-forming è una tecnica costruttiva nella quale il calcestruzzo viene “gettato” in un cassero in movimento continuo. Durante questo processo, viene utilizzato un cassero metallico per confinare e modellare il calcestruzzo appena posizionato. La forza di attrito tra il calcestruzzo e il cassero genera sforzi di taglio e di trazione all’interno dello strato di calcestruzzo durante lo scorrimento, potendo, se non adeguatamente tenuta in conto, causare danni superficiali e creare difficoltà nel mantenere una velocità e una forma costanti della struttura. Questo studio si propone a valutare sperimentalmente le forze di attrito tra il calcestruzzo estrudibile e il cassero metallico durante il processo di slip-forming orizzontale, a partire dati raccolti da una campagna sperimentale. La configurazione sperimentale prevede una piastra metallica su cui sono posizionati stampi con superfici superiori e inferiori aperte con del calcestruzzo estrudibile fresco al loro interno. Una cella di carico è collegata allo stampo per misurare le forze di attrito tra il calcestruzzo e la piastra metallica. Gli esperimenti sono condotti variando le miscele di calcestruzzo estrudibile e le velocità di slip-forming. I risultati mostrano che i coefficienti di attrito tra il calcestruzzo e il cassero aumentano con l'aumentare del tempo di presa. L'incremento della velocità di estrusione comporta valori di attrito più elevati e un migliore riconoscimento del primo picco che rappresenta il coefficiente di attrito statico. Il coefficiente di attrito statico aumenta con un rapporto acqua/legante inferiore o una minore quantità di ritardante e di superfluidificante e diminuisce con un rapporto acqua/legante e una quantità di ritardante e superfluidificante superiori. Per rapporti w/b più elevati, il calcestruzzo è fluido e l'attrito dipende strettamente da esso, mentre per valori inferiori del rapporto acqua/cemento i parametri di progettazione della miscela (quantità di superfluidificante o ritardante) assumono un ruolo fondamentale, più evidente per velocità di scorrimento superiori. Per comprendere meglio la complessità delle interazioni tra tutti i fattori, è stato condotto un “Design of Experiments”, attraverso il quale è stato determinato un modello che può avere una funzione predittiva. I risultati suggeriscono che la giusta miscela di calcestruzzo, la velocità di scivolamento e un cassero liscio possono ridurre significativamente le forze di attrito e migliorare l'efficienza del processo di slip-forming. Le conclusioni di questo studio possono essere utili per migliorare il processo di slip-forming e ottimizzare la progettazione della miscela per le strutture in calcestruzzo.