Mechanical and self-healing properties of ultra high performance concrete with low clinker cements and amourphous metal alloy fibers

The construction sector is responsible for around a third of annual carbon emissions, largely due to the production of Portland cement, while also generating large amounts of waste. With concrete being the most used material, improving its durability and reducing its clinker content are key factors for sustainable construction. In light of this, research efforts have been made to reach low-clinker-content mixtures with enhanced durability and mechanical performance. The present work constitutes one such effort conducted within the frame work of the SINCERE project, which focuses on providing tools for carbon footprint and energy performance optimization of historic buildings through innovative materials, practices, energy harvesting technologies and information and communication technology (ICT) tools. This study aims at the characterization of mechanical and self-healing properties of an Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) with reduced clinker content and amorphous metal alloy fibers, while also gauging the effects of the addition of crystalline admixtures. For such end, an experimental campaign was conducted using thin specimens obtained from slab cutting. Mechanical characterization was performed through four-point bending tests, following monotonic and cyclic loading patters until failure. Self-healing assessment required pre-cracking of specimens and exposure to heal ing conditions, paired with microscopy analysis of cracks and re-cracking procedures, culminating into three indexes: Index of Crack Sealing (ICS), Index of Stress Capacity Recovery (ISR) and Index of Stiffness/Damage Recovery (IDaR). Mechanical tests confirmed enhanced flexural strength and ductility in comparison to regular concrete, but not to the same extent as other solu tions studied by other authors. Crystalline admixture showed no mechanical effects, while fiber alignment effect led to increased variability. Self-healing processes were validated across all evaluated indexes, al though with elevated variability. The expected decrease in self-healing ef fectiveness for larger cracks was observed mainly for ICS, while the otherindexes were less predictable. Crystalline admixture delayed crack sealing in early stage healing, with long term healing benefits yet to be gauged. Future assessments for longer healing periods are to be performed and will complement the findings of this study. In conclusion, the studied UHPFRC showed good mechanical and ductility properties as well as early stage healing numbers. However, further tracking of healing parameters is necessary to fully comprehend the materials capabilities.

Il settore edile è responsabile di circa un terzo delle emissioni annuali di carbonio, in gran parte dovute alla produzione di cemento Portland, e genera anche grandi quantità di rifiuti. Poiché il calcestruzzo è il materiale più utilizzato, migliorarne la durabilità e ridurne il contenuto di clinker sono fattori chiave per un'edilizia sostenibile. Alla luce di ciò, sono stati compiuti sforzi di ricerca per ottenere miscele a basso contenuto di clinker con maggiore durabilità e prestazioni meccaniche. Il presente lavoro costituisce uno di questi sforzi, condotto nell'ambito del progetto SINCERE, che si concentra sulla fornitura di strumenti per l'ottimizzazione dell'impronta di carbonio e delle prestazioni energetiche degli edifici storici attraverso materiali, pratiche innovative, tecnologie di recupero energetico e strumenti di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (ICT). Questo studio mira alla caratterizzazione delle proprietà meccaniche e autoriparanti di un calcestruzzo fibrorinforzato ad alta resistenza (UHPFRC) con ridotto contenuto di clinker e fibre di lega metallica amorfa, valutando anche gli effetti dell'aggiunta di additivi cristallini. A tal fine, è stata condotta una campagna sperimentale utilizzando provini sottili ottenuti dal taglio di lastre. La caratterizzazione meccanica è stata eseguita attraverso prove di flessione a quattro punti, seguendo schemi di carico monotonici e ciclici fino alla rottura. La valutazione dell'autoriparazione ha richiesto la pre-fessurazione dei campioni e l'esposizione a condizioni di guarigione, abbinate all'analisi microscopica delle fessure e alle procedure di rifessurazione, culminando in tre indici: Indice di Sigillatura delle Fessure (ICS), Indice di Recupero della Capacità di Sollecitazione (ISR) e Indice di Rigidità/Recupero del Danno (IDaR). I test meccanici hanno confermato una maggiore resistenza a flessione e duttilità rispetto al calcestruzzo tradizionale, ma non nella stessa misura di altre soluzioni studiate da altri autori. L'additivo cristallino non ha mostrato effetti meccanici, mentre l'effetto di allineamento delle fibre ha portato a una maggiore variabilità. I processi di autoriparazione sono stati convalidati in tutti gli indici valutati, sebbene con elevata variabilità. La prevista diminuzione dell'efficacia di autoriparazione per fessure più grandi è stata osservata principalmente per l'ICS, mentre gli altri indici sono risultati meno prevedibili. L'aggiunta di additivi cristallini ha ritardato la sigillatura delle crepe nella fase iniziale di guarigione, con benefici a lungo termine ancora da valutare. Saranno eseguite future valutazioni per periodi di guarigione più lunghi, che integreranno i risultati di questo studio. In conclusione, l'UHPFRC studiato ha mostrato buone proprietà meccaniche e di duttilità, nonché buoni valori di guarigione nella fase iniziale. Tuttavia, è necessario un ulteriore monitoraggio dei parametri di guarigione per comprendere appieno le capacità dei materiali.