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High Performance Fiber Reinforced Cement Composites 2: Proceedings of the International Workshop PDF

527 Pages·1996·13.681 MB·English
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Cover Page i High Performance Fiber Reinforced Cement Composites 2 (HPFRCC2) Page ii Typical stress­elongation response of high performance fiber reinforced cement composite Page iii High Performance Fiber Reinforced Cement Composites 2 (HPFRCC2) Proceedings of the Second International Workshop  ‘High Performance Fiber Reinforced Cement Composites’   Sponsored by RILEM, ACI, ACBM,  the University of Michigan and the University of Stuttgart. Ann Arbor, USA  June 11–14, 1995  EDITED BY A.E.Naaman Department of Civil and Environmental Engineering,  The University of Michigan  Ann Arbor, Michigan, USA AND H.W.Reinhardt Institut für Werkstoffe im Bauwesen,  University of Stuttgart, Germany   E & FN Spon  An Imprint of Chapman & Hal  London ∙ Glasgow ∙ Weinheim ∙ New York ∙ Tokyo ∙ Melbourne ∙ Madras Page iv Published by E & FN Spon, an imprint of Chapman & Hall,  2­6 Boundary Row, London SE1 8HN, UK  Chapman & Hall, 2­6 Boundary Row, London SE1 8HN, UK  Blackie Academic & Professional, Wester Cleddens Road, Bishopbriggs,  Glasgow G64 2NZ, UK Chapman & Hall GmbH, Pappelallee 3, 69469 Weinheim, Germany Chapman & Hall USA, 115 Fifth Avenue, New York, NY 10003, USA Chapman & Hall Japan, ITP­Japan, Kyowa Building, 3F,   2­2­1 Hirakawacho, Chiyoda­ku, Tokyo 102, Japan  Chapman & Hall Australia, 102 Dodds Street, South Melbourne,  Victoria 3205, Australia Chapman & Hall India, R.Seshadri, 32 Second Main Road, CIT East,  Madras 600 035, India First edition 1996 This edition published in the Taylor & Francis e­Library, 2005.  To purchase your own copy of this or any of Taylor & Francis or Routledge’s collection of thousands of eBooks please go to www.eBookstore.tandf.co.uk.  © 1996 RILEM ISBN 0­203­62729­6 Master e­book ISBN  ISBN 0­203­63250­8 (OEB Format)  ISBN 0 419 21180 2 (Print Edition) Apart from any fair dealing for the purposes of research or private study,  or criticism or review, as permitted under the UK Copyright Designs and  Patents Act, 1988, this publication may not be reproduced, stored, or  transmitted, in any form or by any means, without the prior permission  in writing of the publishers, or in the case of reprographic reproduction  only in accordance with the terms of the licences issued by the  Copyright Licensing Agency in the UK, or in accordance with the terms  of licences issued by the appropriate Reproduction Rights Organization  outside the UK. Enquiries concerning reproduction outside the terms  stated here should be sent to the publishers at the London address  printed on this page. The publisher makes no representation, express or implied, with  regard to the accuracy of the information contained in this book and  cannot accept any legal responsibility or liability for any errors or  omissions that may be made. A catalogue record for this book is available from the British Library Publisher’s Note  This book has been produced from camera ready copy provided by the  individual contributors in order to make the book available for the  Workshop. Page v Contents    Preface   xv  Workshop   xvii  Acknowledgments   xix   1 Characterization of high performance fiber reinforced cement composites HPFRCC 1     A.E Naaman and H.W.Reinhardt     1.1  Relative meaning of “advanced” and/or “high performance”    2     1.2  Definition and applications of high performance fiber reinforced cement composites—HPFRCC    3     1.3  Conditions to achieve quasi­strain hardening and multiple cracking    3     1.3.1  Solution based on mechanics of composite materials       1.3.2  Solution based on micro­mechanics of crack bridging and fracture        1.3.3  Solution based on fracture energy of debonding       1.4  Comparison of critical fiber volume fraction   14     1.5  Minimum volume fraction of fibers   17     1.6  Toughness and fracture energy   17     1.6.1  Toughness index       1.6.2  Fracture energy and energy of pull­out        1.7  Additional needs for characterization   21     1.8  Concluding remarks   22     1.9  Acknowledgments   22     1.10  References   23 2 Specific production and manufacturing issues 25     M.Cheyrezy,J.I.Daniel,H.Krenchel,H.Mihashi,J.Pera,P.Rossi and Y.Xi     2.1  Introduction   26     2.2  Matrices   27     2.3  Fibers   27     2.4  HPFRFCC reinforced with non­metallic fibers    28     2.4.1  Asbestos cement       2.4.2  Cellulose­pulp cements        2.4.3  Polypropylene cements       2.4.4  Carbon­mat­mortar composites (CMMC)        2.4.5  Glass­fiber reinforced composite (GFRC)        2.5  HPFRCCs reinforced with steel fibers   32     2.5.1  Reactive powder concrete (RPC)       2.5.2  LCPCs multifiber HPFRCCs       2.5.3  Compact reinforced composite (CRC)       2.5.4  Fiber reinforced chemically activated fly ash (FR­CAFA) Page vi     2.6  Manufacturing of HPFRCCs reinforced with non­metallic fibers    38     2.6.1  General       2.6.2  Mixing equipment and procedures       2.6.3  Placement       2.6.4  Curing       2.7  Manufacturing of HPFRCCs reinforced with metallic fibers   39     2.7.1  Mixing equipment and procedures       2.7.2  Placement       2.7.3  Vibration       2.7.4  Demoulding       2.7.5  Curing       2.7.6  Heat treatment       2.8  Conclusions   41     2.9  References   42 3 Micromechanical models of mechanical response of HPFRCC 43     V.C.Li,H.Mihashi,H.C Wu,J.M.Alwan,A.Brincker,H.Horii,C.K.Y.Leung,M.Maalej and H.Stang     3.1  Introduction   44     3.2  Uniaxial tensile response   45     3.2.1  Introduction       3.2.2  Behavior before first cracking       3.2.3  The steady state cracking criterion       3.2.4  Condition for further cracking       3.2.5  Multiple cracking regime       3.2.6  Effect of interfacial dual slip on multiple cracking       3.2.7  Tensile behavior of HPFRCC with main reinforcements       3.2.8  Effect of fiber weaving structure on tensile behavior of HPFRCC       3.2.9  Conclusions       3.3  Uniaxial compressive response   59     3.3.1  Introduction       3.3.2  A micromechanical model       3.3.3  Combined strengthening and weakening effect of fiber addition       3.3.4  Further discussions and conclusions       3.4  Flexural response   66     3.4.1  Introduction       3.4.2  Flexural strength of quasi­brittle FRCC        3.4.3  Flexural strength of strain­hardening FRCC        3.4.4  Conclusion       3.5  Fracture response   75     3.5.1  Introduction       3.5.2  Discontinuous­aligned­fiber composites        3.5.3  Discontinuous­randomly­distributed­fiber composites        3.5.4  Strain hardening cementitious composites       3.5.5  Conclusions       3.6  Elastic modulus   85     3.6.1  Introduction Page vii     3.6.2  Pseudo three phase model       3.6.3  Homogenization based model       3.6.4  Conclusions       3.7  Discussions and conclusions   93     3.8  References   96 4Cyclic behavior, fatigue strength, endurance limit and models for fatigue behavior of FRC 101     V.Ramakrishnan,C.Meyer,A.E.Naaman,G.Zhao and L.Fang     4.1  Introduction  102     4.2  Flexural fatigue strength of FRC  103     4.2.1  Loading rate       4.2.2  Flexural fatigue investigations at a moderate frequency (20 Hz)       4.2.3  Flexural fatigue testing at low frequency       4.3  Flexural fatigue testing of slurry infiltrated fiber reinforced concrete (SIFCON)  117     4.3.1  Tests done in USA       4.3.2  Tests done in China       4.4  Behavior of FRC under compressive cyclic loading  121     4.5  Models for fatigue strength and fatigue life prediction  130     4.6  Cyclic behavior and modeling  131     4.6.1  Cyclic behavior       4.6.2  Continuum damage mechanics based models       4.6.3  Models combining continuum damage mechanics and plasticity theory       4.6.4  Micromechanics models       4.6.5  Conclusions       4.7  References  143 5Fiber­matrix interfaces  149  A.Bentur,S.T.Wu,N.Banthia,R.Baggott,W.Hansen,A.Katz,C.K.Y.Leung,V.C.Li,B.Mobasher,A.E.Naaman,R.Robertson,P.Soroushian,H.Stang   and L.R.Taerwe     5.1  Introduction  150     5.2  The microstructure of the interfacial transition zone  151     5.2.1  Macro­fibers        5.2.2  Micro­fibers        5.2.3  Bundled fibers       5.3  Failure and damage processes  156     5.4  Pull­out resistance and its modeling   158     5.4.1  Pull­out of aligned and straight fibers        5.4.2  Influence of lateral stresses and strains       5.4.3  Effect of fiber orientation       5.4.4  Effect of fiber bundling and multiple pull­out        5.4.5  Effects of pull­out rates and environmental temperature        5.5  Interfacial effects and stress transfer in fibers for high performance FRC  171     5.5.1  Enhancement of first crack strength Page viii     5.5.2  Strain hardening behavior       5.5.3  Bonding in micro­fibers        5.5.4  Bonding in macro­fibers of deformed shape        5.5.5  Bond enhancement by matrix modification       5.5.6  Durability       5.6  Conclusions  183     5.7  References  185 6Toughness characterization and toughening mechanisms 193     S.P.Shah,A.M.Brandt,C.Ouyang,R.Baggott,J.Eibl,M.A.Glinicki,H.Krenchel,A.Lambrechts,V.C.Li,B.Mobasher, and L.R.Taerwe      6.1  Fracture process in cementitious materials  194     6.2  Toughening mechanisms in fiber reinforced composites  195     6.3  Characterization of interfacial behavior  199     6.3.1  Pullout of an aligned fiber       6.3.2  Pullout of an inclined fiber       6.3.3  Fracture of fibers       6.4  Characterization of composite behavior  205     6.4.1  Fracture mechanics approach       6.4.2  Micromechanics approach       6.5  Measurement of composite toughness  210     6.5.1  ASTM C 1018 method and its limitations       6.5.2  Methods based on fracture mechanics       6.6  Influence of processing technique  216     6.7  Design compressive strain softening curve  220     6.8  The effect of loading rate  221     6.9  Summary  221     6.10  References  224 7Computer models 229     J.M.Alwan,B.Mobasher,J.E.Bolander,C.K.Y.Leung,A.E.Naaman,D.V.Reddy,P.Rossi,P.Stroeven,M.Stroeven,J.G.M.van Mier and M.L.Wang     7.1  Introduction  230     7.2  Outline of chapter  231     7 3  Computer models at the constituent level  232     7.3.1  Tensile behavior of fiber reinforced cementitious composites       7.3.2  Fracture behavior of concrete       7.3.3  Flexural behavior of fiber reinforced composite beams       7.3.4  Structural features of fiber reinforced cementitious composites       7.3.5  Fiber pullout from cementitious matrices       7.3.6  Crack growth in cementitious composites       7.3.7  Rigid particle modeling of FRC       7.4.  Computer models at the engineering (large scale) level  269     7.4.1  Triaxial behavior of SIFCON       7.4.2  Endochronic constitutive modeling for analysis of marine fiber reinforced concrete Page ix     7.4.3  Structural response of fiber reinforced cement based beams       7.5.  References  286 8Reinforced and prestressed concrete using HPFRCC matrices 291     A.E.Naaman,P.Paramasivam,G.Balazs,Z.M.Bayasi,J.Eibl,L.Erdelyi,N.M.Hassoun,N.Krstulovic­Opara,V.C.Li and G.Lohrmann      8.1  Introduction  292     8.1.1  Classes of applications of HPFRCC       8.1.2  Some background with low end FRC composites       8.1.3  Organization of this chapter       8.2  Crack width control in RC beams  295     8.2.1  Introduction       8.2.2  Description and scope       8.2.3  Experiments       8.2.4  Results and discussion       8.3  Composite slabs using slurry infiltrated mat concrete—SIMCON   300     8.3.1  Experimental program       8.3.2  Data analysis and test results       8.3.3  Conclusion       8.4  Repair and rehabilitation using slurry infiltrated mat concrete—SIMCON   304     8.4.1  Introduction       8.4.2  Experimental investigation       8.4.3  Analytical modeling       8.4.4  Conclusions       8.5  Plastic hinge in RC beam­column joint   308     8.5.1  Performance criteria       8.5.2  R/C beam­column connection        8.5.3  Results and discussions       8.5.4  Conclusions       8.6  Seismic joints for precast concrete frames  312     8.6.1  Description of framing system and test program       8.6.2  Main results       8.7  Plastic rotation and ductility index  315     8.7.1  Experimental program       8.7.2  Presentation and discussion of test results       8.7.3  Conclusions       8.8  Over­reinforced RC beams using a slurry infiltrated fiber concrete (SIFCON) matrix   319     8.9  Effects of fibers on impact response of RC beams  321     8.9.1  Preparation and test setup       8.9.2  Experimental results       8.10  Effects of fibers on shear response of RC and PC beams  326     8.10.1  Introduction       8.10.2  Method based on plasticity analysis       8.10.3  Analytical models based on constitutive relations       8.10.4  Semi­empirical equation of ultimate strength        8.10.5  Results and conclusions

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