Influence of the method of fabrication on strength properties of steel fibre concrete

Abstract

The properties of fibre reinforced composites are largely determined by the method of fabrication. With steel fibre concrete, the geometry of the fibre, the method of casting and compaction, and the compactibility of the fibre concrete mix all significantly influence the disposition of the fibres in the hardened composite. Tests on fibre concrete mixes with adequate flowability characteristics are reported to show that apart from these factors, the size, shape and surface texture of the aggregates all very much affect not only the fibre orientation but also the fibre distribution during the manufacturing process. The degree of compaction as measured by the solidity of the compacted concrete is influenced both by the method of compaction, and when vibrated, by the duration of vibration. Internal vibration increased compressive strength marginally compared to external vibration, but the latter increased the flexural strength substantially compared to internal vibration. The effect of vibration was more pronounced with dry mixes. Increasing the size and the roughness of the surface texture of the aggregates reduced the flexural strength by as much as 25%. Vertical casting reduced not only flexural strength but also the capability of the fibres in resisting stress in the post-cracking stages. Loading in the “as cast” direction produced a small, but noticeable, increase in flexural strength but had negligible effect in compression. Round and smooth aggregates encouraged fibre settlement in the bottom half of the ‘as cast’ section, but this was counteracted by larger aggregate sizes, crushed aggregates and higher fibre volumes. The results show that good mix design and external vibration are necessary to optimise the performance of the fibres.

Résumé

Les propriétés des composites renforcés de fibres dépendent notablement de la méthode de fabrication. La géométrie des fibres la méthode de mise en place et de compactage, les caractéristiques d'écoulement du mélange, tous ces facteurs exercent une influence marquante sur la disposition des fibres dans le cas du béton de fibres d'acier. Les fibres seront plus ou moins libres de se mouvoir au sein du mortier d'enrobage selon le volume relatif mortier d'enrobage/solides, la cohésion du mortier, et selon que l'agglomération des fibres se produit durant leur introduction et/ou durant le malaxage.

Les essais décrits montrent que le béton à consistance raide (selon le «slump test») peut être notablement amélioré si l'on remplace 30% du liant par des cendres de combustibles pulvérisés et par l'emploi d'un agent réducteur d'eau. On montre alors que les effets contraires de la mise en place et du compactage, et de la dimension et d'une texture grossière de la surface des gros granulats sur les propriétés de résistance du composite, peuvent être atténués par rapport à ceux qui s'exercent sur le béton à consistance raide.

On montre que le degré de compactage, qu'on évalue d'après le pourcentage de vides, est influencé à la fois par la méthode de compactage et, si le composite est vibré, par la durée de vibration. La pervibration accroît la résistance à la compression par comparaison à la vibration externe, mais celle-ci accroît plus fortement la résistance à la flexion. L'accroissement de la dimension et de la rugosité de surface des granulats réduit la résistance à la flexion d'au moins 25%. Le bétonnage vertical réduit non seulement la résistance à la flexion mais aussi la capacité des fibres à résister aux sollicitations dans la période de post-fissuration.

Lorsque le bétonnage se fait horizontalement avec vibration externe, la présence de granulats ronds et lisses favorise la concentration des fibres dans la partie inférieure par rapport à la direction du bétonnage, ce qui accroît la résistance à la flexion dans une proportion faible mais non négligeable, dans le cas où la charge est appliquée selon la direction de vibration. Cependant, de plus grandes dimensions de granulats et des volumes plus importants de fibres restreignent la concentration des fibres. Les résultats montrent qu'un bon dosage et la vibration externe sont nécessaires pour optimiser les performances des fibres, qu'on ne saurait d'ailleurs obtenir qu'avec des mélanges se prêtant à un bon compactage.