Shear response of dredged sand concrete elements: experimental behavior and theoretical model

Abstract

(English) The Yangtze River shipping industry is becoming increasingly developed. To ensure the navigability of the Yangtze River, regular channel maintenance is required, which generates a large amount of dredged sand. Utilizing dredged sand concrete (DSC) in new prefabricated building structures is an important way to achieve resource utilization of dredged sand. The shear performance of concrete components in prefabricated structures is not only a critical part of the structural load-bearing calculations but also a significantly variable factor in the application of DSC structures. Based on that, this thesis focuses on the application of dredged sand in new prefabricated concrete components as the main research objective, conducting studies on the performance of dredged sand mortar and concrete as well as the shear performance of components through a combination of experimental and theoretical analysis. The research work developed includes: The changes in the performance of composite materials by replacing fine aggregate with dredged sand (DS) in dredged sand mortar was studied. The effects of DS on dredged sand mortar under two different cementitious systems, rich in mineral powder and rich in fly ash, were analyzed separately. The compressive and flexural strengths of the dredged sand mortar composites were evaluated, and the mechanical properties of the mortar were studied. The durability of the mortar was investigated by measuring its drying shrinkage and water absorption. Additionally, the microstructure of DS mortar was examined to explore the effects of DS on the microstructure of dredged sand mortar. The influence of steam curing systems on the mechanical properties and microstructure of dredged sand concrete was investigated. DSC was produced using different steam curing regimes and DS content. The results show that steam curing has a significant effect on improving the strength of DSC. Under reasonable steam curing, the 1-day strength of DSC can be increased from 2.1 MPa to 27 MPa, with a 7.8% increase in 28-day strength. Furthermore, the study found that the improvement in compressive strength is not directly correlated with the energy consumption of steam curing. Although the energy consumption at 40°C steam curing is 67% higher than at 60°C, the 1-day strength at 40°C is 7.5% lower than at 60°C. However, low-temperature steam curing leaves more room for further strength increase. These results indicate that a reasonable steam curing regime is crucial for the strength of DSC. As a possible field of application of the dredged sand concrete, the shear behavior and load-bearing capacity of large shear key dredged sand concrete dry joints used in precast construction were studied. The studied parameters include the height of the key base, the number of keys, and the concrete strength. The research found that the height of the key base significantly affects the failure mode and shear load-bearing capacity. When the key base height increased by 100%, the shear load-bearing capacity of the joint increased by 156%. Digital Image Correlation (DIC) and Distributed Fiber Optic Sensing (DFOS) technologies revealed the load transfer characteristics in large shear keys, validated the inclined strut principle, and observed changes in the inclined strut angle with the increase in shear key size. Simultaneously, a separation trend was observed at the lower contact surface of the joint due to shear transfer at the large key teeth. Based on these findings, an improved shear strength calculation method for large shear key dry joints was established. The calculation results show that this method is more accurate in predicting the shear strength of large shear key dry joints compared to existing methods for smaller key dry joints.

(Català) La indústria nàutica del riu Yangtsé està en expansió i requereix manteniment regular del canal per garantir la navegabilitat, la qual cosa genera una gran quantitat de sorra dragada. La utilització de formigó amb sorra dragada (DSC) en estructures prefabricades és una solució sostenible per evitar l’acumulació de sorra en abocadors. La resistència a l’esforç de tall de les estructures prefabricades de formigó és un factor crític en els càlculs estructurals i es veu afectada significativament per l’ús de DSC. Aquesta tesi se centra en la utilització de sorra dragada en elements prefabricats de formigó, amb un enfocament en les propietats del morter i formigó amb sorra dragada, així com en el comportament de tall de les estructures mitjançant anàlisis experimentals i modelització teòrica. 1. Estudi experimental del comportament del morter de ciment amb sorra dragada (DS) Es van analitzar els efectes de la substitució de l’agregat fi per sorra dragada en morters de ciment amb dos sistemes cementants diferents: un ric en pols mineral i l’altre en ceniza volants. Es van mesurar les resistències a compressió i flexió, així com les propietats mecàniques del morter. També es va estudiar la durabilitat, mesurant la contracció per assecatge i l’absorció d’aigua. La microestructura es va examinar per entendre l’impacte de la DS en la seva estructura. Els resultats mostren millores en les propietats mecàniques del morter amb sorra dragada, especialment amb el sistema cimentant ric en ceniza volants. 2. Estudi experimental de la influència del curat amb vapor sobre el DSC Es va produir formigó amb sorra dragada utilitzant diferents règims de curat amb vapor. Els resultats mostren que el curat amb vapor té un impacte significatiu en la millora de la resistència del DSC. La resistència del DSC a un dia pot passar de 2,1 MPa a 27 MPa, amb un augment del 7,8% a 28 dies. A més, la millora de la resistència no està directament relacionada amb el consum d’energia del curat amb vapor. Tot i que el consum a 40°C és un 67% més alt que a 60°C, la resistència a 40°C és un 7,5% inferior en el primer dia. El curat a temperatures més baixes deixa més marge per a futurs augments de resistència, destacant la importància d’un règim de curat adequat per maximitzar la resistència del DSC. 3. Estudi del comportament a tall de les juntes seques de formigó amb sorra dragada Es va estudiar el comportament a tall i la capacitat de càrrega de les juntes seques d’elements prefabricats de formigó amb sorra dragada, utilitzant tècniques com la Correlació d’Imatges Digitals (DIC) i sensors de fibra òptica distribuïda (DFOS). Els resultats van mostrar que la dimensió de la base de la clau té una influència important en el mode de fallada i la resistència a tall. Quan la mida de la base augmenta un 100%, la capacitat de càrrega a tall de la junta augmenta un 156%. A més, es va validar el principi del puntal inclinat mitjançant DIC i DFOS, observant canvis en l’angle de la fissura crítica a mesura que augmentava la mida de la clau. També es va observar una tendència de separació a la superfície inferior de la junta a causa de la transferència de tall en els grans dents de la clau. Amb aquests resultats experimentals, es va desenvolupar un model teòric per a aquest tipus de juntes i una nova equació per calcular la resistència a tall de les juntes seques amb claus de tall grans, que demostra ser més precisa que els mètodes existents, els quals estan dissenyats per claus de menors dimensions.

(Español) La industria naviera del río Yangtsé está experimentando un crecimiento continuo. Para garantizar la navegabilidad del río, es necesario realizar un mantenimiento regular del canal, lo que genera grandes cantidades de arena dragada. El uso de hormigón con arena dragada (DSC) en nuevas estructuras prefabricadas se presenta como una solución sostenible para utilizar esta arena sin necesidad de acumularla en vertederos. La resistencia a cortante de las estructuras prefabricadas de hormigón es un aspecto crítico de los cálculos estructurales, pero también es un factor variable cuando se emplea DSC en la mezcla. Por ello, esta tesis se centra en la aplicación de la arena dragada en elementos prefabricados de hormigón, con énfasis en el rendimiento del mortero y el hormigón con arena dragada, y en su comportamiento frente a esfuerzos cortantes mediante análisis experimentales y un modelo teórico. 1. Estudio del comportamiento del mortero de cemento con arena dragada (DS) Se investigaron los efectos de reemplazar el agregado fino por arena dragada en morteros de cemento con dos sistemas cementantes diferentes: uno con alta proporción de polvo mineral y otro con cenizas volantes. Se evaluaron las resistencias a compresión y flexión, así como las propiedades mecánicas y la durabilidad, midiendo la contracción por secado y la absorción de agua. También se examinó la microestructura del mortero con DS para entender sus efectos en la estructura del mortero de arena dragada. Los resultados demostraron mejoras significativas en las propiedades mecánicas del mortero con arena dragada, especialmente cuando se utilizó ceniza volante como material cementante. 2. Estudio del efecto del curado con vapor sobre el DSC Se analizó el efecto de diferentes regímenes de curado con vapor en las propiedades mecánicas y la microestructura del DSC. Los resultados mostraron que el curado con vapor mejora significativamente la resistencia del DSC. Bajo condiciones razonables de curado, la resistencia a 1 día aumentó de 2.1 MPa a 27 MPa, con un incremento del 7.8% a los 28 días. Además, se observó que la mejora en la resistencia no está correlacionada directamente con el consumo de energía. Aunque el consumo a 40°C es un 67% mayor que a 60°C, la resistencia a 1 día fue un 7.5% inferior a 40°C. Sin embargo, el curado a baja temperatura ofrece más margen para un incremento adicional de la resistencia, lo que demuestra que un régimen adecuado de curado es esencial para optimizar la resistencia del DSC. 3. Estudio del comportamiento a cortante de las juntas secas de elementos prefabricados con DSC Se investigó el comportamiento a cortante y la capacidad de carga de las juntas secas de elementos prefabricados de hormigón con arena dragada, utilizando grandes llaves de cortante. Se realizaron ensayos experimentales en laboratorio con elementos a escala real. Se estudiaron parámetros como la altura de la base de la llave, el número de llaves y la resistencia del hormigón. Los resultados mostraron que la dimensión de la base de la llave tiene un efecto considerable en la capacidad de carga a cortante: al duplicarse la altura de la base, la capacidad de carga aumentó un 156%. Las técnicas de Correlación de Imágenes Digitales (DIC) y sensores de fibra óptica distribuida (DFOS) permitieron observar los mecanismos de transferencia de carga en las grandes llaves de cortante, validando el principio del puntal inclinado. Además, se registraron cambios en el ángulo de la fisura crítica y una tendencia a la separación en la superficie inferior de la junta debido a la transferencia de cortante. Con estos resultados experimentales, se desarrolló un modelo teórico para predecir el comportamiento de las juntas secas con grandes llaves de cortante, y se propuso una nueva ecuación para calcular su resistencia a cortante, que resulta más precisa que los métodos tradicionales diseñados para llaves de menor tamaño.