Frost resistance of high-strength concrete with low air content
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2019-10-21
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
en
Pages
65 + 23
Series
Abstract
Frost resistance is essential part of durability and service life of concrete structures especially in the Scandinavian countries. Frost resistance of concrete is mainly dependent on water to cement ratio (w/c) and air content. Low w/c-ratio provides more strength, whereas entrained air provides frost protection, but too high air content will also significantly decrease the strength and other mechanical properties of concrete. In this thesis, the effects of air entraining on the frost resistance properties of concrete were studied. Main objective was to investigate what level of air content would be enough to provide sufficient frost resistance with low w/c-ratios. Research included a compact literature review and experimental testing in laboratory. Total of 12 concrete mixes with varying w/c-ratios and air contents were designed and produced. W/c-ratios and air contents were chosen to be relatively low compared to typical concrete production. Both direct and indirect test methods were used to evaluate the frost resistance of the test concretes. Testing was focused on pure frost attack without de-icing solutions. Based on the experiments, it was concluded that use of air entraining seems justified when producing frost resistant concrete, at least when water to cement ratio is 0.35 or higher. All the air entrained concretes performed well in the freeze-thaw tests, which indicates that the required level of air entraining to reach adequate frost resistance is relatively low. Concretes with w/c of 0.35 performed somewhat better in the freeze-thaw tests even without air entraining, but they also had the highest initial air contents. Increasing air content due to air entraining affects the mechanical properties of similar concrete mixes rather consistently. In these tests one additional percent of air decreased the compressive strength of concrete by approximately 5% in all cases. Indirect test methods, such as thin section analysis seemed to predict the results of freeze-thaw tests quite accurately, especially with well air-entrained concretes. Indirect testing could be used as accepting criteria for frost resistance, but in some cases concrete performed well in direct frost exposure even though indirect results indicated the opposite. Freezing dilation results seemed to be more connected to w/c-ratio than air content, which was inconsistent with the results of other freeze-thaw tests. The results indicate that the present requirements for air content and w/c-ratio are still sensible when it comes to the frost resistance of concrete. F-factor works well as a design tool, but the equation could be revised for very low w/c-ratios and air contents.Pakkasenkestävyys on olennainen osa betonirakenteiden käyttöikää etenkin pohjoismaissa. Betonin pakkasenkestävyys riippuu enimmäkseen vesi-sementtisuhteesta (v/s) ja ilmamäärästä. Alhainen v/s-suhde kasvattaa betonin lujuutta ja huokostus parantaa pakkasenkestävyyttä, mutta liian korkea ilmamäärä heikentää lujuutta ja muita mekaanisia ominaisuuksia. Tässä diplomityössä tutkittiin huokostuksen vaikutusta betonin pakkasenkestävyyteen. Päätavoite oli määrittää pakkasenkestävyyteen vaadittava ilmamäärä alhaisilla v/s-suhteilla. Tutkimus koostui kirjallisuuskatsauksesta ja kokeellisesta osuudesta, jossa suunniteltiin ja valmistettiin yhteensä 12 betonia vaihtelevilla v/s-suhteilla ja ilmamäärillä. V/s-suhteet ja ilmamäärät valittiin normaaleja betoniteollisuuden arvoja hieman alhaisemmaksi. Testibetonien pakkasenkestävyyttä arvioitiin suoria ja epäsuoria testimenetelmiä hyödyntäen. Testeissä keskityttiin pakkaskokeisiin ilman suolarasitusta. Kokeiden perusteella huokostuksen käyttö vaikuttaa perustellulta pakkasenkestävän betonin valmistuksessa, ainakin vesi-sementtisuhteen ollessa 0,35 tai suurempi. Pakkasenkestävyyteen vaadittava ilmamäärä käytetyillä v/s-suhteilla vaikuttaa olevan verrattain alhainen, sillä kaikki huokostetut betonit pärjäsivät pakkaskokeissa hyvin. V/s-suhteella 0,35 ilman huokostusta valmistetut betonit pärjäsivät osittain muita hukostamattomia paremmin, mutta niillä oli myös suuremmat alkuilmamäärät. Kasvava ilmamäärä vaikutti betonin mekaanisiin ominaisuuksiin johdonmukaisesti, prosentin lisäys ilmaa vastasi melko tarkasti viiden prosentin puristuslujuuden menetystä kaikilla yhdistelmillä. Epäsuorilla testimenetelmillä pystyttiin arvioimaan suorien pakkaskokeiden tuloksia melko tarkasti, etenkin onnistuneesti huokostetuilla betoneilla. Epäsuorilla kokeilla voitaisiin pystyä osoittamaan riittävä pakkasenkestävyys, mutta joissain tapauksissa betoni pärjäsi suorassa pakkaskokeessa paremmin kuin epäsuoran kokeen tuloksien perusteella olisi arvioitu. Jäätymisdilaatio vaikutti tulosten perusteella riippuvan enemmän v/s-suhteesta kuin ilmamäärästä, toisin kuin kaikkien muiden pakkaskokeiden tulokset. Tulosten perusteella nykyiset pakkasenkestävyyden vaatimukset v/s-suhteen ja ilmamäärän osalta vaikuttavat edelleen käytännöllisiltä. F-luku toimii hyvin mitoitusmenetelmänä, mutta sen toimivuutta voisi vielä parantaa erittäin alhaisilla v/s-suhteilla ja ilmamäärillä.Description
Supervisor
Punkki, JouniThesis advisor
Al-Neshawy, FahimKeywords
concrete, air content, w/c-ratio, frost resistance, freeze-thaw testing, high-strength concrete
