Fracture and failure of thermally damaged concrete under tensile loading

Abstract

Concrete is a brittle composite material where the failure mechanism is closely related to the initiation and propagation of cracks. The presence of microcracks and other defects in concrete allows, unlike in the case of an ideal brittle material, the existence of a failure process that includes the branching and bifurcation of the cracks, which gives rise to the appearance of an inelastic behavior and then to a higher energy consumption during failure and an extension of the zone in which fracture takes place. This work studies the failure behavior of damaged concretes in tension and compares the behavior of concrete of different strength levels and component materials when adopting temperature as the damaging tool. Two water/cement ratios, two types of coarse aggregates and the incorporation of natural pozzolans are included as variables. As a way to evaluate the damage produced in the internal structure of concrete, the dynamic modulus of elasticity was measured on each specimen. Measures of strength, deformability, and fracture energy determined over notched prisms are reported. In a complementary way, the results of compression tests (strength, static modulus of elasticity, and Poisson ratio) over cylindrical specimens are included.

Résumé

Le béton est un matériau composite fragile dans lequel le mécanisme de rupture est étroitement lié à un processus de formation et de propagation des fissures. La présence de microfissures et autres défauts dans le béton conduit, contrairement à ce qui se passe pour un matériau fragile idéal, à l'existence d'un processus de rupture qui comprend ramification et bifurcation des fissures, ce qui donne lieu à l'apparition d'un comportement inélastique; ceci entraîne une plus grande consommation d'énergie pendant la rupture ainsi qu'une extension de la zone dans laquelle s'est produite la fracture. Dans ce travail, on étudie le mécanisme de rupture de bétons endommagés sous des sollicitations de traction. On a adopté la température comme instrument d'endommagement en comparant le comportement de bétons ayant des résistances ainsi que des matériaux constitutifs différents. Les variables sont deux rapports eau/ciment différents, deux types de gros granulats et l'incorporation d'une pouzzolane naturelle. Afin d'évaluer les dommages produits dans la structure inteme du béton, le module d'élasticité dynamique a été mesuré dans chaque éprouvette. La résistance, la déformabilité et l'énergie de fracture se mesurent à l'aide d'éprouvettes prismatiques entaillées. À titre complémentaire sont rapportés les résultats de tests de compression obtenus avec des cylindres (résistance, module d'élasticité statique et coefficient de Poisson).