. a : . . 5 - 1 : . 3 2 ‘ 7 ‘ 0 ; I . . . . i I . I t : l . r . V . G . » q . . u : . . ‘ . t J . ‘ v . I L ? 7 ‘ ‘ n A I , 1 " R . n . I , . w . . £ 1 3 1 ! 1 2 . . . ! J . 1 . t k # 5 3 4 . 3 . 1 . J ‘ 5 ‘ . a . 5 } ; t i 3 . 9 1 . 4 . . . n n u . \ H : H E S I S \ . l M I C G H I I l l ! l l l l I l l l l l W l l l l l U l l l l l l H i l l ! l l l l l l l l l l l l l l l l l 1 2 9 3 0 0 8 9 2 7 2 0 8 l l T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d D e v e l o p m e n t , C h a r a c t e r i z a t i o n , a n d F u n d a m e n t a l I n v e s t i g a t i o n o f L a t e x - M o d i f i e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e p r e s e n t e d b y A t e f T l i l i h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r D o c t o r o f P h i l o s o p h y d e g r e e i n C i v i l E n g i n e e r i n g | N . ‘ z , i " N \ - - > " \ ‘ M a j o r p r o f e s s o r D a t e fi g l l é t 5 . 1 9 9 3 M S U i : a n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n L I B R A R Y M i c h i g a n S t a t e U n l v e r s l t y P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e t o r e d a t e d u e . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E V i i : - M S U I s A n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n c m m u 1 D E V E L O P M E N T , C H A R A C T E R I Z A T I O N , A N D F U N D A N I E N T A L I N V E S T I G A T I O N O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E B y A t e f T l i l i V O L U M E I A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l & E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 3 A B S T R A C T D E V E L O P M E N T , C H A R A C T E R I Z A T I O N , A N D F U N D A M E N T A L I N V E S T I G A T I O N O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E B y A t e f I I i l i L a t e x p o l y m e r s a n d s t e e l fi b e r s h a v e c o m p l e m e n t a r y a c t i o n s i n c o n c r e t e . W h i l e s t e e l fi b e r s e n h a n c e t h e t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s a n d c r a c k i n g r e s i s t a n c e o f t h e m a t e r i a l , l a t e x p o l y m e r s h e l p r e d u c e c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y a n d i n c r e a s e i t s d u r a b i l i t y a n d a d h e s i o n c a p a c i t y . O n e m a y a l s o e x p e c t t h a t i m p r o v e d fi b e r - t o - m a t r i x b o n d i n g i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x w o u l d e n h a n c e t h e r e i n f o r c e m e n t e f fi c i e n c y o f fi b e r s . l a t e x m a y a l s o h e l p r e s o l v e p o t e n t i a l w o r k a b i l i t y a n d c o r r o s i o n p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h t h e u s e o f s t e e l fi b e r s a n d c o n c r e t e . T h e m a i n t h r u s t o f t h i s r e s e a r c h w a s t o i n v e s t i g a t e t h e m e c h a n i s m s o f j o i n t a c t i o n o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s i n c o n c r e t e i n o r d e r t o d e v e l o p l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h b a l a n c e d i m p r o v e m e n t s i n d i v e r s e a s p e c t s o f m a t e r i a l p r o p e r t i e s . S t a t i s t i c a l l y s o u n d m e t h o d s o f e x p e r i m e n t a l d e s i g n a n d a n a l y s i s w e r e a d o p t e d i n o r d e r t o e n s u r e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e r e s e a r c h o u t c o m e s . I t w a s c o n c l u d e d t h a t s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s i n t e r a c t f a v o r a b l y t o p r o d u c e c o n c r e t e m a t e r i a l s w i t h s u b s t a n t i a l l y i m p r o v e d f l e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s , i m p a c t r e s i s t a n c e , d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y , f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y a n d s c a l i n g r e s i s t a n c e . F u r t h e r m o r e , t h e c o r r o s i o n i n h i b i t i n g e f f e c t s o f l a t e x p o l y m e r m o d i fi c a t i o n w e r e s u c c e s s f u l l y d e m o n s t r a t e d , a n d i t w a s c o n c l u d e d t h a t t h e n e g a t i v e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n t h e c o r r o s i o n o f e m b e d d e d s t e e l c o u l d b e m o r e t h a n c o m p e n s a t e d f o r u s i n g l a t e x p o l y m e r s . T h e c o r r o s i o n i n h i b i t i n g a c t i o n o f l a t e x p o l y m e r s c o r r e l a t e d w e l l w i t h i t s e f f e c t s o n r e d u c i n g p e r m e a b i l i t y a n d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h r o u g h m i c r o s t r u c t u r a l s t u d i e s t h e m e c h a n i s m s o f j o i n t a c t i o n o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s w e r e i n v e s t i g a t e d a n d t h e f a i l u r e m e c h a n i s m s i n l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e e s t a b l i s h e d . L a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p r e s e n t s a h i g h - p e r f o r m a n c e c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l , w i t h s u p e r i o r p h y s i c a l , m e c h a n i c a l a n d a d h e s i o n q u a l i t i e s , w h i c h s u i t s d e m a n d i n g a p p l i c a t i o n s s u c h a s r e p a i r a n d o v e r l a y o f t h e c o n c r e t e - b a s e d i n f r a s t r u c t u r e ( e . g . , b r i d g e s a n d p a r k i n g s t r u c t u r e s ) u n d e r s e v e r e l o a d a n d e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s . D E D I C A T E D T O M Y B E S T F R I E N D : M Y W I F E B O U T H E I N A , T H E O N E I W E L G O T H R O U G H T I M E W I T H , A N D T O M Y P A R E N T S A N D F A M E Y , F O R T H E I R G R E A T L O V E , S A C R I F I C E A N D E N D L E S S E N C O U R A G E M E N T ' . i v A C K N O W L E D G E M E N T S I w o u l d l i k e t o e x p r e s s m y s i n c e r e t h a n k s a n d a p p r e c i a t i o n t o p r o f e s s o r P a r v i z S o r o u s h i a n f o r h i s g u i d a n c e , s u p p o r t , a n d i n s p i r a t i o n t h r o u g h o u t t h e c o u r s e o f t h i s r e s e a r c h . H i s v a l u a b l e t i m e , k i n d c o n s i d e r a t i o n , a n d u n d e r s t a n d i n g h a v e b e e n a n i n c e n t i v e f o r t h e c o m p l e t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n . S i n c e r e g r a t i t u d e i s e x t e n d e d t o t h e o t h e r m e m b e r s o f m y g u i d a n c e c o m m i t t e e : p r o f e s s o r , R o b e r t K . W e n , p r o f e s s o r N i c h o l a s A l t i e r o , a n d p r o f e s s o r R i c h a r d H i l l f o r t h e i r i n t e r e s t , h e l p f u l d i s c u s s i o n s , a n d c r i t i c i s m . T h e fi n a n c i a l s u p p o r t o f t h e U n i v e r s i t y M i s s i o n o f T u n i s i a d u r i n g m o s t o f m y g r a d u a t e s t u d i e s i s s i n c e r e l y a p p r e c i a t e d ; s p e c i a l t h a n k s a r e d u e t o D r . N o u i c e r R a d h o u a n e a n d D r . S i o u d H e d i a s d i r e c t o r s o f t h e U n i v e r s i t y M i s s i o n o f T u n i s i a f o r t h e i r c o n t i n u o u s e n c o u r a g e m e n t , c o n s i d e r a t i o n a n d c o o p e r a t i o n . F i n a n c i a l s u p p o r t f o r t h e p e r f o r m a n c e o f t h i s r e s e a r c h w a s p r o v i d e d b y B A S F , C o r p o r a t i o n , a n d t h e R e s e a r c h E x c e l l e n c e F u n d o f t h e S t a t e o f M i c h i g a n . I w o u l d a l s o l i k e t o a c k n o w l e d g e m y f e l l o w g r a d u a t e s t u d e n t s , e s p e c i a l l y M r . A b d u l r a h m a n A l - H o z a i m y , M r . A l y E l d a r w i s h , a n d D r . F a i z A . M . M i r z a f o r t h e i r f r u i t f u l d i s c u s s i o n s a n d c o m m e n t s a n d f o r b e i n g t h e r e w h e n e v e r I n e e d e d t h e m . I w i s h t o e x t e n d m y a p p r e c i a t i o n t o m y f a t h e r f o r h i s c o n s t a n t e n c o u r a g e m e n t a n d m o r a l s u p p o r t . M y h e a r t f e l t a p p r e c i a t i o n i s e x t e n d e d t o a l l t h e m e m b e r s o f m y f a m i l y f o r t h e i r p r a y e r s a n d l o v e . L a s t , b u t n o t l e a s t , I w o u l d l i k e t o e x p r e s s m y s p e c i a l g r a t i t u d e t o m y w i f e B o u t h e i n a f o r h e r p a t i e n c e , l o v e , c a r e , a n d e n c o u r a g e m e n t d u r i n g e v e r y s t e p I m a d e t o w a r d s t h e c o m p l e t i o n o f t h i s r e s e a r c h . v i T A B L E O F C O N T E N T S L I S T O F T A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i L I S T O F F I G U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ’ . . ; . . . . . . . . . . . 1 C H A P T E R 2 P O L Y M E R - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E : A L I T E R A T U R E R E V I E W . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 . 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 . 2 C O N C E P T O F F I B E R R E I N F O R C E M E N T . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 3 C O N C E P T O F L A T E X M O D I F I C A T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 4 M I X P R O P O R T I O N I N G A N D M A N U F A C T U R I N G O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . . . . . . . . 1 2 2 . 5 F R E S H M I X P R O P E R T I E S O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 . 6 A C T I O N O F L A T E X P O L Y M E R S I N F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 . 7 M E C H A N I C A L P R O P E R T I E S O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2 . 7 . 1 F l e x u r a l P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2 . 7 . 2 T e n s i l e P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 . 7 . 3 C o m p r e s s i v e P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 . 7 . 4 I m p a c t R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 . 8 W A T E R A B S O R P T I O N O F P O L Y M E R - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 2 . 9 D R Y I N G S H R I N K A G E O F P O L Y M E R - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 . 1 0 B O N D I N G O F L A T E X - M O D I F I E D C O N C R E T E T O S T E E L F I B E R S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 v i i 3 . 3 3 . 4 3 . 5 3 . 6 C H A P T E R 4 . 4 . 1 4 . 2 4 . 3 4 . 4 4 . 5 D E V E L O P I V I E N T A N D B A S I C C H A R A C T E R I Z A T I O N O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . 4 3 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 B A C K G R O U N D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 3 . 2 . 1 W o r k a b i l i t y L o s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 3 . 2 . 2 S e t t i n g T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 3 . 2 . 3 I m p a c t R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 3 . 2 . 4 F l e x u r a l P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 3 . 2 . 5 M o i s t u r e - S e n s i t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 3 . 2 . 6 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h D e v e l o p m e n t i n C o n c r e t e . . . . . . . . 5 3 3 . 2 . 7 B o n d B e t w e e n N e w a n d O l d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . 5 4 3 . 2 . 8 F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 3 . 2 . 9 S c a l i n g R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 3 . 2 . 1 0 P h y s i c a l P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 M A T E R I A L S A N D M A N U F A C T U R I N G P R O C E D U R E S . . . . . . . . . 7 2 3 . 3 . 1 M a t e r i a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 3 . 3 . 2 M a n u f a c t u r i n g P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 3 . 4 . 1 F r e s h M i x O p t i m i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 3 . 4 . 2 C o m p r e h e n s i v e C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M a t e r i a l s . . . . . . . 7 8 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S , A N A L Y S E S A N D D I S C U S S I O N S . . . . 8 8 3 . 5 . 1 T i m e o f S e t t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 3 . 5 . 2 L o s s o f W o r k a b i l i t y W i t h T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0 3 . 5 . 3 I m p a c t R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 3 . 5 . 4 F l e x u r a l P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 3 . 5 . 5 M o i s t u r e S e n s i t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 3 . 5 . 6 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h D e v e l o p m e n t W i t h T i m e . . . . . . . 1 0 4 3 . 5 . 7 B o n d t o O l d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 3 . 5 . 8 F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6 3 . 5 . 9 S c a l i n g R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 0 3 . 5 . 1 0 W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y . . . . . . . . . . . . 1 2 1 3 . 5 . 1 1 D r y i n g S h r i n k a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 M I C R O C R A C K I N G C H A R A C T E R I S T I C S U N D E R C O M P R E S S I O N L O A D I N G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1 B A C K G R O U N D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 9 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S . . . . . . . . . . . . 1 4 4 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 3 v i i i C H A P T E R S . 5 . 1 5 . 2 5 . 3 5 . 5 6 . 3 6 . 4 6 . 5 C H A P T E R 7 . 7 . 1 7 . 2 7 . 3 7 . 4 7 . 5 P E R M E A B I L I T Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5 B A C K G R O U N D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 6 5 . 2 . 1 F a c t o r s A f f e c t i n g C o n c r e t e P e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . 1 5 9 5 . 2 . 2 M e t h o d s o f P e r m e a b i l i t y T e s t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 7 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 0 5 . 3 . 1 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 0 5 . 3 . 2 P e r m e a b i l i t y A s s e s s m e n t B y P o n d i n g T e s t . . . . . . . . . . 1 7 3 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S . . . . . . . . . . . . 1 7 3 5 . 5 . 1 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . 1 7 3 5 . 5 . 2 C h l o r i d e I o n P e n e t r a t i o n b y P o n d i n g T e s t R e s u l t s . . . . . . 1 8 3 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 C O R R O S I O N A N D E L E C T R I C A L S T U D I E S . . . . . . . . . . . . . . 1 8 7 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 7 B A C K G R O U N D . . . . . . . . . . . . . . . . . . ‘ . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 8 6 . 2 . 1 E l e c t r o c h e m i c a l C o r r o s i o n P r o c e s s . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 0 6 . 2 . 2 F a c t o r s A f f e c t i n g C o r r o s i o n A c t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . 1 9 4 6 . 2 . 3 C o r r o s i o n T e s t T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 6 . 2 . 4 C o n c e p t o f C o r r o s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 6 . 2 . 5 E l e c t r i c R e s i s t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 6 . 2 . 6 F a c t o r s A f f e c t i n g E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y o f C o n c r e t e . . . . . 2 0 7 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 6 . 3 . 1 C o r r o s i o n M o n i t o r i n g T e s t P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . 2 1 0 6 . 3 . 2 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y M e a s u r e m e n t s T e s t . . . . . . . . . . . 2 1 2 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S . . . . . . . . . . . . 2 1 3 6 . 4 . 1 C o r r o s i o n M o n i t o r i n g T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 3 6 . 4 . 2 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 8 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 1 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3 D E V E L O P M E N T A N D B A S I C C H A R A C T E R I Z A T I O N O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E . . . 2 2 4 M I C R O C R A C K I N G C H A R A C T E R I S T I C S U N D E R C O M P R E S S I V E L O A D I N G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 8 P E R M E A B I L I T Y S T U D I E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 9 C O R R O S I O N A N D E L E C T R I C A L R E S I S T I V I T Y S T U D I E S . . . . . . 2 3 1 R E C O M M E N D A T I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 i x A P P E N D I X A . A . l A . 2 A . 3 A . 4 A P P E N D I X B . 8 . 1 3 . 2 3 . 3 8 . 4 A P P E N D I X C . C . 1 C . 2 L A T E X M O D I F I C A T I O N E F F E C T S O N C O N C R E T E M A T E R I A L S I N C O R P O R A T I N G D I F F E R E N T F I B E R T Y P E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 A 2 1 L a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 A . 2 . 2 L a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 A . 2 . 3 L a t e x - M o d i fi e d C e l l u l o s e F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r . . . . . . . . 2 3 6 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 A . 3 . 1 L a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 A . 3 . 2 L a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 1 A 3 3 L a t e x - M o d i fi e d C e l l u l o s e F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r . . . . . . . . 2 4 3 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 7 I N V E S T I G A T I O N O F A N E W L A T E X F O R C O N C R E T E A P P L I C A T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 9 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 9 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 0 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S . . . . . . . . . . . . 2 5 3 8 . 3 . 1 . F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 3 8 . 3 . 2 . F l e x u r a l P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 5 8 . 3 . 3 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 7 8 . 3 . 4 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 9 8 . 3 . 5 I m p a c t R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 1 B . 3 . 6 A b r a s i o n R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 8 . 3 . 7 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 7 S I Z E E F F E C T I N C O N C R E T E M A T E R I A L S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 9 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 9 F A C T O R S I N F L U E N C I N G S I Z E E F F E C T S . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 C . 2 . 1 C o m p a c t i o n , D e n s i t y , a n d L o s s o f W a t e r . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 C 2 2 C u r i n g a n d D r y i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 C 2 3 S t r a i n R a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 1 - X C 2 4 T h e S t a t e o f S t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 1 C . 2 . 5 T e s t i n g M a c h i n e a n d L o a d i n g P l a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 1 C 3 T H E O R E T I C A L S T U D I E S O N S I Z E E F F E C T . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 C 3 1 S t a t i s t i c a l T h e o r i e s o f S i z e E f f e c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 C . 3 . 2 N o n l i n e a r F r a c t u r e M e c h a n i c s - B a s e d T h e o r i e s . . . . . . . . . . . 2 7 5 C 4 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 1 C S E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S . . . . . . . . . . . . 2 8 3 C 5 1 F l e x u r a l T e s t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 3 C . 5 . 2 C o m p r e s s i o n T e s t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 1 A P P E N D I X D . F I B E R O R I E N T A T I O N F A C T O R - D E R I V A T I O N O F E Q U A T I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 8 B I B L I O G R A P H Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 7 x i T a b l e 2 . 1 T a b l e 2 . 2 T a b l e 2 . 3 T a b l e 3 . 1 T a b l e 3 . 2 T a b e 3 . 3 T a b l e 3 . 4 T a b l e 3 . 5 T a b l e 3 . 6 T a b l e 3 . 7 T a b l e 3 . 8 T a b l e 3 . 9 T a b l e 3 . 1 0 L I S T O F T A B L E S M i x P r o p o r t i o n s o f L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . E f f e c t s o f N a t u r a l R u b b e r L a t e x M o d i fi c a t i o n o n t h e F l e x u r a l I m p a c t R e s i s t a n c e o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . E f f e c t s o f L a t e x M o d i fi c a t i o n o n B o n d , T e n s i l e S t r e n g t h , a n d W o r k D o n e D u r i n g F i b e r D e b o n d i n g a n d P u l l - O u t . L o s s o f S l u m p W i t h T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s f o r P l a i n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e M o d i fi e d w i t h N a t u r a l R u b b e r l a t e x . M i n i m u m M o i s t - C u r i n g T i m e s t o D e v e l o p S a l t S c a l i n g R e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P r o p e r t i e s o f t h e P o r t l a n d C e m e n t T y p e I U s e d i n t h i s S t u d y . P r o p e r t i e s o f t h e B A S F S t y r o f a n 1 1 8 6 P o l y m e r . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T y p i c a l P r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r s U s e d . . . . . . . . . . . . . . . . . M i x P r o p o r t i o n s U s e d i n E x p e r i m e n t a l W o r k . . . . . . . . . . . . . . S e l e c t e d M i x P r o p o r t i o n s f o r B o n d T e s t E x p e r i m e n t a l W o r k . B a s e M a t e r i a l M i x P r o p o r t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i x P r o p o r t i o n s f o r t h e W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y T e s t s . x i i 4 6 7 7 8 3 8 3 T a b l e 3 . 1 1 T a b l e 3 . 1 2 T a b l e 3 . 1 3 T a b l e 3 . 1 4 T a b l e 3 . 1 5 T a b l e 3 . 1 6 T a b l e 3 . 1 7 T a b l e 3 . 1 8 T a b l e 3 . 1 9 T a b l e 5 . 1 T a b l e 5 . 2 T a b l e 6 . 1 T a b l e 6 . 2 T a b l e 6 . 3 T a b l e A . l T a b l e A . 2 T a b l e A . 3 T a b l e A . 4 T i m e o f S e t t i n g T e s t R e s u l t s F o r M i x e s o f T a b l e 3 . 7 . . . . . . . . . 8 8 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s f o r M i x e s o f T a b l e 3 . 7 . . . . . . . . . 9 2 F l e x u r a l S t r e n g t h a n d T o u g h n e s s T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . 9 5 F a c t o r i a l A n a l y s i s o f V a r i a n c e o f F l e x u r a l S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7 F a c t o r i a l A n a l y s i s o f V a r i a n c e o f F l e x u r a l T o u g h n e s s T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8 M o i s t u r e - S e n s i t i v i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 B o n d T e s t R e s u l t s f o r M i x e s o f T a b l e 3 . 8 . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 7 S c a l i n g R e s i s t a n c e t e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 0 W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . 1 2 2 E x p e r i m e n t a l D e s i g n F o r R a p i d P e r m e a b i l i t y T e s t ( A t E a c h C u r i n g A g e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 1 I n t e r p r e t a t i o n o f t h e C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y O u t p u t ( A A S H T O T 2 7 7 - 8 3 1 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 A S T M C l a s s i fi c a t i o n o f C o r r o s i o n H a l f - C e l l P o t e n t i a l s . . . . . . . . 2 0 1 E f f e c t o f W a t e r - C e m e n t R a t i o a n d T i m e o f M o i s t S t o r a g e o n E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t i e s o f R o c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 L a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : M i x P r o p o r t i o n s a n d F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 l a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : M i x P r o p o r t i o n s a n d F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 L a t e x - M o d i fi e d C e l l u l o s e F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r : M i x P r o p o r t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 P r o p e r t i e s o f C e l l u l o s e F i b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 x i i i T a b l e A . 4 T a b l e A . 5 T a b l e 3 . 1 T a b l e 8 . 2 T a b l e B . 3 T a b l e B . 4 T a b l e 8 . 5 T a b l e 8 . 6 T a b l e B . 7 T a b l e B . 8 T a b l e 3 . 9 T a b l e C . l T a b l e C . 2 T a b l e C . 3 T a b l e C . 4 T a b l e C . 5 F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 4 H a r d e n e d M a t e r i a l P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 5 M i x P r o p o r t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 0 E x p e r i m e n t a l D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 1 F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 3 F l e x u r a l S t r e n g t h T e s t R e s u l t s ( k s i ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 7 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s ( k s i ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 8 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h T e s t R e s u l t s ( p s i ) . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 9 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s ( n o . o f b l o w s ) . . . . . . . . . . . . . 2 6 1 A b r a s i o n R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s ( g r a m s ) . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s ( C o u l o m b s ) . . . . . . . . . . . . 2 6 5 E x p e r i m e n t a l D e s i g n F o r F l e x u r e T e s t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 2 E x p e r i m e n t a l D e s i g n F o r C o m p r e s s i o n T e s t i n g . . . . . . . . . . . . . 2 8 2 S l o p e s F o r R e g r e s s i o n L i n e s ( i n d e g r e e s ) . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 6 T h e o r e t i c a l D i f f e r e n c e i n U l t i m a t e F l e x u r a l S t r e n g t h s i n P a ( p s i ) . 2 9 0 E x p e r i m e n t a l D i f f e r e n c e i n U l t i m a t e F l e x u r a l S t r e n g t h i n P a ( p s i ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 0 x i v L I S T O F F I G U R E S F i g u r e 2 . 1 A c t i o n s o f F i b e r s i n C e m e n t C o m p o s i t e s , a n d t h e C o n s e q u e n t I m p r o v e m e n t s i n M a t e r i a l D u c t i l i t y . . . . . . . . . . . . . 8 F i g u r e 2 . 2 S i m p l i fi e d M o d e l o f P o l y m e r - C e m e n t C o m a t r i x F o r m a t i o n s . . . . . 1 0 F i g u r e 2 . 3 E f f e c t s o f W a t e r - C e m e n t R a t i o , P o l y m e r - C e m e n t R a t i o , a n d S t e e l F i b e r V o l u m e F r a c t i o n o n t h e S l u m p o f C o n c r e t e . . . . . . . . 1 6 F i g u r e 2 . 4 M i c r o g r a p h s o f t h e I n t e r f a c e Z o n e B e t w e e n C a r b o n F i b e r s a n d L a t e x - M o d i fi e d C e m e n t i t i o u s M a t r i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 F i g u r e 2 . 5 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r M o d i fi c a t i o n o n t h e F l e x u r a l S t r e n g t h o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 F i g u r e 2 . 6 E f f e c t s o f l a t e x M o d i fi c a t i o n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e F l e x u r a l L o a d - D e f l e c t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f C o n c r e t e . . . . . 2 1 F i g u r e 2 . 7 F l e x u r a l L o a d - D e f l e c t i o n C u r v e s f o r N a t u r a l R u b b e r L a t e x M o d i fi e d S t e e l F i b e r C o n c r e t e s W i t h D i f f e r e n t L a t e x a n d F i b e r C o n t e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 F i g u r e 2 . 8 F l e x u r a l T o u g h n e s s o f C o n c r e t e a s I n fl u e n c e d B y S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d L a t e x M o d i fi c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 F i g u r e 2 . 9 E f f e c t o f N a t u r a l R u b b e r L a t e x M o d i fi c a t i o n o n D i r e c t T e n s i l e B e h a v i o r o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . 2 4 F i g u r e 2 . 1 0 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r ( P A E l a t e x ) M o d i fi c a t i o n o n t h e D i r e c t T e n s i l e S t r e n g t h o f C o n c r e t e . . . . . . . 2 5 F i g u r e 2 . 1 1 E f f e c t s o f L a t e x M o d i fi c a t i o n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 F i g u r e 2 . 1 2 C o m p r e s s i v e S t r e s s - S t r a i n C u r v e s o f N a t u r a l R u b b e r l a t e x S t e e l X V F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 F i g u r e 2 . 1 3 E f f e c t s o f l a t e x M o d i fi c a t i o n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e F l e x u r a l I m p a c t R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 F i g u r e 2 . 1 4 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r M o d i fi c a t i o n o n t h e W a t e r A b s o r p t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f M o r t a r . . . . . . . . . . 3 0 F i g u r e 2 . 1 5 M e a s u r e d S h r i n k a g e V s . D r y i n g P e r i o d . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 F i g u r e 2 . 1 6 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r a n d l a t e x P o l y m e r s o n D r y i n g S h r i n k a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 F i g u r e 2 . 1 7 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r M o d i fi c a t i o n o n S h r i n k a g e R e d u c t i o n F a c t o r o f C e m e n t M o r t a r . . . . . . . . . . . 3 5 F i g u r e 2 . 1 8 T e n s i l e T e s t S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 F i g u r e 2 . 1 9 P u l l - O u t T e s t S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 F i g u r e 2 . 2 0 F i b e r P u l l - O u t L o a d - D i s p l a c e m e n t R e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . 4 0 F i g u r e 3 . 1 S l u m p L o s s v s . T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 F i g u r e 3 . 2 S l u m p L o s s v s . E l a p s e d T i m e ( l o w e r C e m e n t c o n t e n t ) . . . . . . . . 4 7 F i g u r e 3 . 3 S l u m p L o s s v s . E l a p s e d T i m e ( h i g h e r c e m e n t c o n t e n t ) . . . . . . . . 4 7 F i g u r e 3 . 4 S e t t i n g T i m e o f L M C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 F i g u r e 3 . 5 E f f e c t o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e I m p a c t R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 F i g u r e 3 . 6 F l e x u r a l S t r e n g t h o f P l a i n a n d l a t e x - ( S t y r e n e B u t a d i e n e ) M o d i fi e d C o n c r e t e V s . A g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 F i g u r e 3 . 7 I n fl u e n c e o f A g e a n d C u r i n g C o n d i t i o n s o n t h e C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 F i g u r e 3 . 8 T e s t M e t h o d s f o r A d h e s i o n i n T e n s i o n , F l e x u r e a n d C o m p r e s s i v e S h e a r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 F i g u r e 3 . 9 E f f e c t s o f T e s t M e t h o d o n A d h e s i o n ( i n T e n s i o n , F l e x u r e a n d C o m p r e s s i v e S h e a r ) o f P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s W i t h V a r i o u s x v i F i g u r e 3 . 1 0 F i g u r e 3 . 1 1 F i g u r e 3 . 1 2 F i g u r e 3 . 1 3 F i g u r e 3 . 1 4 F i g u r e 3 . 1 5 F i g u r e 3 . 1 6 F i g u r e 3 . 1 7 F i g u r e 3 . 1 8 F i g u r e 3 . 1 9 F i g u r e 3 . 2 0 F i g u r e 3 . 2 1 F i g u r e 3 . 2 2 F i g u r e 3 . 2 3 F i g u r e 3 . 2 4 F i g u r e 3 . 2 5 F i g u r e 3 . 2 6 F i g u r e 3 . 2 7 F i g u r e 3 . 2 8 P o l y m e r - C e m e n t R a t i o s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 T e n s i l e B o n d T e s t M o d e s o f F a i l u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 C r e a t i o n o f H y d r a u l i c P r e s s u r e i n F r o z e n C e m e n t P a s t e . . . . . . . 6 0 F r e e z e - T h a w R e s i s t a n c e o f P l a i n a n d l a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e s . . 6 2 C o m p a r i s o n s B e t w e e n t h e F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y o f P l a i n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 F r e e z e - T h a w S c a l i n g R e s i s t a n c e o f A c r y l i c M o d i fi e d M o r t a r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 S t e e l F i b e r C o n t e n t a n d P o l y m e r - C e m e n t R a t i o v s . 4 8 - h o u r W a t e r A b s o r p t i o n o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 T y p i c a l B e h a v i o r o f C o n c r e t e U p o n D r y i n g a n d R e w e t t i n g . . . . . 6 9 S h r i n k a g e - M o i s t u r e L o s s R e l a t i o n s h i p s i n P u r e C e m e n t P a s t e s D u r i n g D r y i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9 M e c h a n i s m s f o r C a u s e s o f D r y i n g S h r i n k a g e o f C e m e n t P a s t e . . . 7 1 G r a d a t i o n C u r v e o f F i n e A g g r e g a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4 G r a d a t i o n C u r v e o f C o a r s e A g g r e g a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4 A p p a r a t u s f o r I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0 M e t h o d o f P r e p a r a t i o n o f S p e c i m e n s f o r B o n d T e s t . . . . . . . . . . 8 4 S p e c i m e n U s e d i n S c a l i n g R e s i s t a n c e T e s t . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6 S e t t i n g T i m e T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 L o s s o f W o r k a b i l i t y w i t h T i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 A v e r a g e F l e x u r a l L o a d V e r s u s D e fl e c t i o n R e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . 9 5 F l e x u r a l S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 6 x v i i F i g u r e 3 . 2 9 F i g u r e 3 . 3 0 F i g u r e 3 . 3 1 F i g u r e 3 . 3 2 F i g u r e 3 . 3 3 F i g u r e 3 . 3 4 F i g u r e 3 . 3 5 F i g u r e 3 . 3 6 F i g u r e 3 . 3 7 F i g u r e 3 . 3 8 F i g u r e 3 . 3 9 F i g u r e 3 . 4 0 F i g u r e 3 . 4 1 F i g u r e 3 . 4 2 F i g u r e 3 . 4 3 F i g u r e 4 . 1 F i g u r e 4 . 2 F i g u r e 4 . 3 F i g u r e 4 . 4 F i g u r e 4 . 5 F l e x u r a l T o u g h n e s s T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i c r o s c o p i c P i c t u r e s o f P u l l e d O u t S t e e l F i b e r s . . . . . . . . . . . M o i s t u r e - S e n s i t i v i t y T e s t R e s u l t s . T r e n d s i n S t r e n g t h D e v e l o p m e n t W i t h T i m e f o r D i f f e r e n t C o n c r e t e M i x e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e g r e s s i o n L i n e f o r B o n d S t r e n g t h v s . L / c . R e g r e s s i o n L i n e f o r B o n d S t r e n g t h v s . V f . . . . . . . . . . . . . . . R e g r e s s i o n C u r v e s f o r B o n d S t r e n g t h v s . L / c a t C o n s t a n t V f . R e g r e s s i o n C u r v e s f o r B o n d S t r e n g t h v s . V f a t C o n s t a n t L / c . . . . F a i l u r e M o d e s o f t h e B o n d S u r f a c e B e t w e e n t h e B a s e a n d O v e r l a y C o n c r e t e s . R e l a t i v e F r e q u e n c y V e r s u s N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s . . . . C o m p a r i s o n B e t w e e n t h e F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y o f D i f f e r e n t C o n c r e t e M i x t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . W a t e r A b s o r p t i o n T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p e c i fi c G r a v i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D r y i n g S h r i n k a g e T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D r y i n g S h r i n k a g e T e s t R e s u l t s f o r I n d i v i d u a l M i x t u r e s . . . . . . . B o n d C r a c k P r i o r t o L o a d i n g i n A i r - D r i e d M o r t a r . . . . . . . . . . D e b o n d i n g a n d M u l t i p l e C r a c k i n g i n A i r - D r i e d M o r t a r . . . . . . . S h i f t i n g o f C r a c k D i r e c t i o n A f t e r E n c o u n t e r i n g A g g r e g a t e s . T o r t u o s i t y o f C r a c k i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C r a c k i n g P a t t e r n s O b s e r v e d a t t h e I n t e r s e c t i o n o f a P r o p a g a t i n g C r a c k a n d a F i b e r N o r m a l t o i t s P a t h . . . . . . . . . x v i i i . . . 9 8 . 1 0 0 . 1 0 2 . . 1 0 5 . 1 0 9 . 1 0 9 . 1 1 1 1 1 3 1 1 5 1 1 7 1 1 9 1 2 2 1 2 3 1 2 5 1 2 6 1 3 4 1 3 4 . 1 3 5 . . 1 3 5 . 1 3 7 F i g u r e 4 . 6 F i g u r e 4 . 7 F i g u r e 4 . 8 F i g u r e 4 . 9 F i g u r e 4 . 1 0 F i g u r e 4 . 1 1 F i g u r e 4 . 1 2 F i g u r e 4 . 1 3 F i g u r e 4 . 1 4 F i g u r e 4 . 1 5 F i g u r e 4 . 1 6 F i g u r e 4 . 1 7 F i g u r e 4 . 1 8 F i g u r e 4 . 1 9 F i g u r e 5 . 1 F i g u r e 5 . 2 I l l u s t r a t i o n s o f t h e C r a c k T y p e s ( a ) P a r a l l e l R u n n i n g , ( b ) S h i f t i n g , a n d ( c ) B r a n c h i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7 C o n t i n u o u s N a t u r e o f S h i f t e d M i c r o c r a c k s A r o u n d a S t e e l F i b e r . . 1 3 8 M i c r o c r a c k P r o p a g a t i o n a t t h e S t e e l F i b e r - C e m e n t I n t e r f a c e . . . . . 1 3 8 L o c a t i o n s o f T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S l i c e s . . . . . . . . . . . . 1 4 0 L o n g i t u d i n a l a n d T r a n s v e r s e S l i c e s R e a d y t o B e V i e w e d U n d e r M i c r o s c o p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 I m a g e A n a l y s i s S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 3 B o n d C r a c k s a t A g g r e g a t e — a n d F i b e r — C e m e n t I n t e r f a c e s . . . . . . 1 4 4 T y p i c a l M a t r i x M i c r o c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 6 M i c r o c r a c k I n t e n s i t i e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s L e v e l s i n P l a i n C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . . . . . . . 1 4 8 M i c r o c r a c k I n t e n s i t i e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s L e v e l s i n L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 0 M i c r o c r a c k I n t e n s i t i e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s L e v e l s i n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1 T y p i c a l F i b e r - I n t e r f a c e M i c r o c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1 M i c r o c r a c k i n g D u e t o R a p i d F i b e r - I n t e r f a c e M i c r o c r a c k P r o p a g a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 M i c r o c r a c k I n t e n s i t i e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s L e v e l s i n l a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1 D i a g r a m m a t i c R e p r e s e n t a t i o n o f t h e T r a n s i t i o n Z o n e a n d B u l k C e m e n t P a s t e i n C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 9 I n fl u e n c e o f W a t e r / C e m e n t R a t i o a n d M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e o n C o n c r e t e P e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 1 x i x F i g u r e 5 . 3 F i g u r e 5 . 4 F i g u r e 5 . 5 F i g u r e 5 . 6 F i g u r e 5 . 7 F i g u r e 5 . 8 F i g u r e 5 . 9 F i g u r e 5 . 1 0 F i g u r e 5 . 1 1 I F i g u r e 5 . 1 2 F i g u r e 5 . 1 3 F i g u r e 5 . 1 4 F i g u r e 5 . 1 5 F i g u r e 5 . 1 6 F i g u r e 5 . 1 7 F i g u r e 5 . 1 8 F i g u r e 5 . 1 9 E f f e c t o f C u r i n g P e r i o d o n P e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 E f f e c t o f C u r i n g T e m p e r a t u r e o n P o r e S i z e D i s t r i b u t i o n . . . . . . . 1 6 2 P o r e S i z e D i s t r i b u t i o n s i n C e m e n t P a s t e s M a d e W i t h a n d W i t h o u t M i n e r a l A d m i x t u r e s ( n u m b e r s b e s i d e l e g e n d s r e p r e s e n t r e l a t i v e p e r m e a b i l i t y : c o n t r o l = 1 . 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 4 P o r e S i z e D i s t r i b u t i o n F o r P l a i n P a s t e a n d P a s t e i n M o r t a r . . . . . 1 6 5 l a t e x S o l i d s / C e m e n t V s . C h l o r i d e P e n e t r a t i o n . . . . . . . . . . . . . 1 6 7 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r T h e A i r C u r i n g C a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 4 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r T h e M o i s t C u r i n g C a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r P l a i n C o n c r e t e M a t r i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 6 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r l a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e M a t r i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 6 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e M a t r i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r l a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e M a t r i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7 N o r m a l P r o b a b i l i t y P l o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 9 I n t e r a c t i o n o f C u r i n g C o n d i t i o n a n d l a t e x C o n t e n t i n D e t e r m i n i n g R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . 1 8 1 I n t e r a c t i o n o f l a t e x C o n t e n t a n d S t e e l F i b e r C o n t e n t i n D e t e r m i n i n g R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . 1 8 1 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2 P o n d i n g P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 4 X X F i g u r e 6 . 1 F i g u r e 6 . 2 F i g u r e 6 . 3 F i g u r e 6 . 4 F i g u r e 6 . 5 F i g u r e 6 . 6 F i g u r e 6 . 7 F i g u r e 6 . 8 F i g u r e 6 . 9 F i g u r e 6 . 1 0 F i g u r e 6 . 1 1 F i g u r e 6 . 1 2 F i g u r e A . l F i g u r e A . 2 F i g u r e A . 3 F i g u r e A . 4 F i g u r e A . 5 E l e c t r o c h e m i c a l P r o c e s s o f S t e e l C o r r o s i o n . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 1 V o l u m e i n c r e a s e i n M e t a l l i c I r o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 R e l a t i o n s h i p B e t w e e n C h l o r i d e , p H i n t h e L i q u i d P h a s e , a n d C o r r o s i o n o f I r o n i n C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 6 A r r a n g e m e n t o f M o l d s F o r S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 1 C o r r o s i o n T e s t S e t - U p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 1 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y T e s t S e t - U p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 2 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r P l a i n C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 4 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r l a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 4 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 5 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r l a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r r e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 5 I O O - D a y C o r r o s i o n P o t e n t i a l s ( w i t h 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s ) . . . 2 1 7 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y T e s t R e s u l t s ( w i t h 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 0 F l e x u r a l T e s t R e s u l t s o n L a t e x - M o d fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 9 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s o n l a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 0 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d P o l y e h t y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 1 F l e x u r e T e s t R e s u l t s f o r l a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 x x i F i g u r e A . 6 F i g u r e A . 7 F i g u r e B . 1 F i g u r e 3 . 2 F i g u r e B . 3 F i g u r e 8 . 4 F i g u r e 8 . 5 F i g u r e B . 6 F i g u r e B . 7 F i g u r e C ] F i g u r e C . 2 F i g u r e C . 3 F i g u r e C . 4 F i g u r e C . 5 F i g u r e C . 6 F i g u r e C . 7 F i g u r e C . 8 F i g u r e C . 9 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s f o r l a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 F l e x u r a l T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d C e l l u l o s e F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 7 T i m e o f S e t t i n g T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4 F l e x u r a l S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 6 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 8 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 0 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 A b r a s i o n R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 6 T h e o r e t i c a l V a r i a t i o n i n B e n d i n g S t r e n g t h o f a N o t c h e d B e a m . . 2 7 7 S i z e E f f e c t A c c o r d i n g t o S t r e n g t h C r i t e r i a a n d L i n e a r o r N o n l i n e a r F r a c t u r e M e c h a n i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 1 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r P l a i n C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . 2 8 4 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e . . . . . . 2 8 5 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 5 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r l a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 6 C o m p a r i s o n s B e t w e e n T h e o r e t i c a l a n d E x p e r i m e n t a l F l e x u r a l S t r e n g t h R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 1 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e s F o r P l a i n C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 3 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4 x x i i F i g u r e C . 1 0 F i g u r e C . 1 1 F i g u r e D . l F i g u r e D . 2 F i g u r e D . 3 F i g u r e D . 4 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n . . . . _ . . . . . . . . . . . . 2 9 6 E l e m e n t o f t h e U n i t S p h e r e i n S p h e r i c a l C o o r d i n a t e s . . . . . . . . . . 3 0 4 A p p r o x i m a t e D i m e n s i o n s o f a S p h e r i c a l B l o c k . . . . . . . . . . . . . 3 0 5 C a s e o f S t e e l F i b e r s R e s t r a i n e d b y T w o B o u n d a r i e s . . . . . . . . . . 3 0 6 C a s e o f S t e e l F i b e r s R e s t r a i n e d b y F o u r B o u n d a r i e s . . . . . . . . . . 3 0 6 x x i i i C H A P T E R O N E I N T R O D U C T I O N C o n c r e t e a n d c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s d a t e w a y b a c k i n h i s t o r y . T h e y h a v e b e e n u s e d b y t h e a n c i e n t E g y p t i a n s i n m a l o ' n g p y r a m i d s , t h e G r e e k s i n b u i l d i n g w a l l s , a n d e v e n t h e R o m a n s i n e r e c t i n g h u g e b u i l d i n g s a n d u n d e r w a t e r s t r u c t u r e s . A s t h e t w e n t i e t h c e n t u r y h a s p r o g r e s s e d , P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e - a m i x t u r e o f c e m e n t , s a n d , g r a v e l , a n d w a t e r - h a s e m e r g e d a s t h e m a t e r i a l o f c h o i c e i n b r o a d a r e a s o f a p p l i c a t i o n . C o n c r e t e i s s e c o n d o n l y t o w a t e r i n h u m a n m a t e r i a l c o n s u m p t i o n . C u r r e n t l y a b o u t o n e t o n o f c o n c r e t e i s u s e d e a c h y e a r f o r e v e r y h u m a n b e i n g o n t h e p l a n e t . C e m e n t - a n d c o n c r e t e - b a s e d s t r u c t u r e s f o r m t h e b a s i s o f m u c h o f t h e U . S . i n f r a s t r u c t u r e . T h e v a l u e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n t h e U n i t e d S t a t e s h a s b e e n e s t i m a t e d a t 6 t r i l l i o n d o l l a r s , a n d m o r e t h a n 3 t r i l l i o n d o l l a r s i s e x p e c t e d t o b e n e e d e d f o r t h e m a i n t e n a n c e , r e p a i r , a n d r e h a b i l i t a t i o n o f t h e s e s t r u c t u r e s o v e r t h e n e x t t w e n t y y e a r s . T h e c u r r e n t m a r k e t o f c o n s t r u c t i o n d e m a n d s v e r y s p e c i a l i z e d m a t e r i a l s t h a t a r e d i f f e r e n t f r o m t h o s e u s e d i n t h e p a s t . T o d a y , m a t e r i a l s a r e e x p e c t e d t o p r o v i d e m a n y p r o p e r t i e s n o t p r e v i o u s l y a v a i l a b l e . T h e m o d e r n c o n s t r u c t i o n i n d u s t r y d e s i r e s m a t e r i a l s t h a t a r e c o r r o s i o n r e s i s t a n t a n d c h e m i c a l r e s i s t a n t , w h i l e m a i n t a i n i n g t h e o t h e r d e s i r a b l e s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s ( s t r e n g t h a n d c o s t ) . 2 O r d i n a r y c o n c r e t e h a s a f e w d i s a d v a n t a g e s s u c h a s l o w t e n s i l e a n d fl e x u r a l s t r e n g t h s , l a r g e d r y i n g s h r i n k a g e , a n d h i g h p e r m e a b i l i t y . I t f a i l s i n a b r i t t l e m a n n e r u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m s a n d i m p a c t l o a d s . T h e s e d e fi c i e n c i e s g e n e r a l l y r e s u l t f r o m t h e e a s e o f i n i t i a t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s , a n d a l s o f r o m t h e l a c k o f p o s t - c r a c k i n g t e n s i l e r e s i s t a n c e i n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e m a t e r i a l s . M i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e u s u a l l y s t a r t a t t h e a g g r e g a t e — c e m e n t p a s t e i n t e r f a c e s a s a r e s u l t o f t h e d r y i n g s h r i n k a g e , b l e e d i n g a n d s e t t l e m e n t o f c e m e n t p a s t e i n c o n c r e t e . U n d e r e x t e r n a l l o a d a n d e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s , m i c r o c r a c k s t e n d t o p r o p a g a t e a n d i n t e r c o n n e c t , l e a d i n g t o a b r i t t l e f a i l u r e o f c o n c r e t e . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d p o l y m e r m o d i fi c a t i o n o f c o n c r e t e m a t e r i a l s e a c h c a n o v e r c o m e s o m e o f t h e s e p r o b l e m s w i t h c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . T h e p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e c a n b e e f f e c t i v e l y h i n d e r e d t h r o u g h t h e i n c o r p o r a t i o n o f c l o s e l y - s p a c e d s h o r t s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e . T h e a r r e s t o f m i c r o c r a c k s b y s t e e l fi b e r s l e a d s t o i m p r o v e m e n t s i n t h e p r e - p e a k t e n s i o n b e h a v i o r a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . U p o n t h e f o r m a t i o n o f a n u n s t a b l e m i c r o c r a c k s y s t e m , w h i c h u s u a l l y m a r k s t h e a c h i e v e m e n t o f t h e u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h i n c o n c r e t e , t e n s i l e d e f o r m a t i o n s t e n d t o c o n c e n t r a t e i n a l i m i t e d n u m b e r o f m a c r o c r a c k s . S t e e l fi b e r s c a n e f fi c i e n t l y b r i d g e t h e s e c r a c k s a n d r e s t r a i n t h e i r w i d e n i n g . S t e e l fi b e r s a r e t h u s h i g h l y e f f e c t i v e i n e n h a n c i n g t h e p o s t - p e a k d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m . T h e s t a b i l i z a t i o n o f m a c r o c r a c k s b y s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e r e s u l t s i n m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e a n d fl e x u r a l d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , i m p a c t r e s i s t a n c e , f a t i g u e l i f e , a n d f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 3 N e v e r t h e l e s s , s t e e l fi b e r s d o p r e s e n t p r o b l e m s w i t h t h e w o r k a b i l i t y a n d fl o w a b i l i t y o f t h e r e s u l t i n g f r e s h m i x t u r e , i n a d d i t i o n t o d e v e l o p m e n t o f m i c r o c r a c k s a t fi b e r - c e m e n t m a t r i x i n t e r f a c e s w h i c h p o s s e s s a r e l a t i v e l y h i g h l o c a l w a t e r - c e m e n t r a t i o . A l s o , p o t e n t i a l l y i n c r e a s e d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s w o u l d p r o m o t e t h e e l e c t r o c h e m i c a l m e c h a n i s m s o f s t e e l c o r r o s i o n i n c o n c r e t e . I n o r d e r t o t a k e f u l l a d v a n t a g e o f t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t t e c h n i q u e i n c o n c r e t e , c a r e s h o u l d b e t a k e n i n r e s o l v i n g t h e p o t e n t i a l p r o b l e m s w i t h u n i f o r m d i s p e r s i o n o f fi b e r s a n d w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x a s w e l l a s c o r r o s i o n o f s t e e l . A l s o , s t e e l fi b e r s d o n o t p r o v i d e a n y s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t i o n t o t h e i m p e r m e a b i l i t y , d u r a b i l i t y , a n d a d h e s i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e . A m o n g t h e a p p r o a c h e s u n d e r t a k e n f o r i m p r o v i n g t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s , m o d i fi c a t i o n o f t h e c o n c r e t e m a t r i x b y l a t e x p o l y m e r s p r e s e n t s q u i t e a n a t t r a c t i v e s o l u t i o n . L a t e x p o l y m e r s i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s d o o v e r c o m e t h e d a m a g e t o t h e w o r k a b i l i t y o f t h e m i x a s s o c i a t e d w i t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d a l s o p r o v i d e a b e t t e r b o n d i n g b e t w e e n fi b e r s a n d t h e c o n c r e t e m a t r i x . A m a j o r f u n c t i o n o f t h e l a t e x p o l y m e r s i s t o g e n e r a t e a p l a s t i c m a s s f r o m a c e m e n t m i x t u r e w i t h r e l a t i v e l y l o w w a t e r c o n t e n t . O n c e i n c o r p o r a t e d i n t o t h e m i x , a n d a s c e m e n t h y d r a t i o n p r o c e s s c o n t i n u e s , t h e p o l y m e r s w i l l c o a l e s c e a n d b o n d t o f o r m a c o n t i n u o u s p o l y m e r fi l m . A n i m p o r t a n t a d v a n t a g e o f u s i n g l a t e x i n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s t h e i m p r o v e m e n t o f fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s . T h i s i m p r o v e m e n t i n b o n d i s i l l u s t r a t e d b y t h e f a c t t h a t t h e l a t e x p o l y m e r ( w i t h i t s g o o d b o n d i n g t o b o t h fi b e r a n d c e m e n t p a s t e ) t e n d s t o c o a t t h e fi b e r s a n d p r o v i d e a s t r o n g l i n k a g e b e t w e e n t h e fi b e r s a n d t h e m a t r i x . P o l y m e r l a t e x e s i n f r e s h c o n c r e t e m i x t u r e s w o r k l i k e l u b r i c a n t s . T h e i r 4 p r e s e n c e t h e r e f o r e r e d u c e s t h e w a t e r r e q u i r e m e n t s n w d e d f o r a c h i e v i n g a c e r t a i n l e v e l o f w o r k a b i l i t y . T h i s l e a d s t o a n i n c r e a s e i n t h e h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h . P o l y m e r l a t e x e s a l s o t e n d t o s t a b i l i z e t h e a i r v o i d s y s t e m w i t h i n t h e f r e s h c o n c r e t e m i x , p r o d u c i n g c o n c r e t e s w i t h i m p r o v e d f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y . T h e c o a t i n g o f s t e e l fi b e r s b y l a t e x p o l y m e r s a l s o p r e s e n t s t h e p o t e n t i a l s t o r e d u c e t h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n t h e e l e c t r i c r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d p o l y m e r m o d i fi c a t i o n o f c o n c r e t e m a t e r i a l s e a c h c a n o v e r c o m e s o m e o f t h e p r o b l e m s w i t h c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . O n o n e h a n d , s t e e l fi b e r s e n h a n c e t h e d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , fl e x u r a l s t r e n g t h , f a t i g u e l i f e a n d i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . l a t e x m o d i fi c a t i o n , o n t h e o t h e r h a n d , i m p r o v e s t h e i m p e r m e a b i l i t y a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y a s w e l l a s t h e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e . L a t e x p o l y m e r s c a n a l s o r e d u c e t h e d a m a g e t o f r e s h m i x w o r k a b i l i t y r e s u l t i n g f r o m t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s a n d i m p r o v e t h e b o n d i n g o f fi b e r s t o t h e c o n c r e t e m a t r i x . A d d e d d u c t i l i t y o f c o n c r e t e m a t r i c e s i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x p o l y m e r m a y a l s o i m p r o v e t h e i r c o m p a t i b i l i t y w i t h s t e e l fi b e r s . C o m b i n e d e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t c a n p o t e n t i a l l y p r o d u c e s u p e r i o r c o n c r e t e m a t e r i a l s w i t h a h i g h l y d e s i r a b l e b a l a n c e o f m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s , i m p e r m e a b i l i t y a n d d u r a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s , a n d a d h e s i o n c a p a c i t y . S u c h c o n c r e t e m a t e r i a l s a r e p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e f o r a p p l i c a t i o n s s u c h a s b r i d g e d e c k o v e r l a y s w h e r e s e v e r e e n v i r o n m e n t a l a n d l o a d i n g e f f e c t s a r e e x p e c t e d . T h e o b j e c t i v e o f t h i s r e s e a r c h w a s t o e s t a b l i s h t h e m e c h a n i s m s o f j o i n t a c t i o n o f l a t e x p o l y m e r s a n d s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e i n o r d e r t o d e m o n s t r a t e t h e i r c o m p a t i b i l i t y f o r j o i n t a p p l i c a t i o n s i n c o n c r e t e m a t e r i a l s . 5 C h a p t e r 2 p r e s e n t s a r e v i e w o f l i t e r a t u r e o n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi e a t i o n a n d t h e i r j o i n t a c t i o n i n c o n c r e t e . T h e w o r k i n t h i s r e s e a r c h o n m i x p r o p o r t i o n i n g a n d f r e s h m i x c h a r a c t e r i z a t i o n i s p r e s e n t e d i n C h a p t e r 3 . T h i s c h a p t e r a l s o i n c l u d e s a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n s o m e m e c h a n i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , n a m e l y , fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e , i m p a c t r e s i s t a n c e , b o n d s t r e n g t h , f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y , s c a l i n g r e s i s t a n c e , a n d d r y i n g s h r i n k a g e . C h a p t e r 4 p r e s e n t s m i c r o s t r u c t u r a l s t u d i e s u s i n g i m a g e a n a l y s i s t e c h n i q u e s f o r e s t a b l i s h i n g t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e m i c r o c r a c k i n g a n d f a i l u r e m e c h a n i s m s o f t h e r e s u l t i n g m a t e r i a l . I n C h a p t e r 5 , a n a s s e s s m e n t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t e f f e c t s o n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y a t d i f f e r e n t a g e s a n d w i t h d i f f e r e n t c u r i n g r e g i m e s i s p r o v i d e d . T h e a p p l i c a b i l i t y o f d i f f e r e n t p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d s t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d a n d l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e s i s a l s o i n v e s t i g a t e d . C h a p t e r 6 p r e s e n t s t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t i e s a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e m a t e r i a l s . C h a p t e r 7 s u m m a r i z e s t h e r e s e a r c h p r o g r a m a n d p r e s e n t s i t s c o n c l u s i o n s . C H A P T E R T W O P O L Y M E R - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E : A L I T E R A T U R E R E V I E W 2 . 1 I N T R O D U C T I O N O r d i n a r y c o n c r e t e h a s a f e w d i s a d v a n t a g e s s u c h a s l o w t e n s i l e a n d fl e x u r a l s t r e n g t h s , l a r g e d r y i n g s h r i n k a g e , a n d h i g h p e r m e a b i l i t y . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d p o l y m e r m o d i fi c a t i o n e a c h c a n o v e r c o m e s o m e o f t h e s e p r o b l e m s w i t h c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . S t e e l fi b e r s e n h a n c e t h e d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , fl e x u r a l s t r e n g t h , f a t i g u e l i f e a n d i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . l a t e x m o d i fi c a t i o n , o n t h e o t h e r h a n d , i m p r o v e s t h e i m p e r m e a b i l i t y a n d d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y a s w e l l a s t h e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e . l a t e x p o l y m e r s i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s a l s o o v e r c o m e t h e d a m a g e t o w o r k a b i l i t y a s s o c i a t e d w i t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d a l s o p r o v i d e a b e t t e r b o n d i n g b e t w e e n fi b e r s a n d t h e c o n c r e t e m a t r i x . I n s h o r t , s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s s e e m t o b e v e r y c o m p a t i b l e f o r j o i n t a p p l i c a t i o n t o c o n c r e t e . S i g n i fi c a n t i m p r o v e m e n t s t o c o n c r e t e m e c h a n i c a l , p h y s i c a l a n d d u r a b i l i t y p r o p e r t i e s c o u l d b e a c h i e v e d t h r o u g h t h e c o m b i n e d u s e o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s i n c o n c r e t e . 7 2 . 2 C O N C E P T O F F I B E R R E I N F O R C E M E N T B e c a u s e c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s a r e b r i t t l e , t h e y h a v e b e e n r e i n f o r c e d w i t h a v a r i e t y o f m a t e r i a l s i n a n a t t e m p t t o r e d u c e c a t a s t r o p h i c f a i l u r e a n d i n c r e a s e t o u g h n e s s . T h e p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e c a n b e e f f e c t i v e l y h i n d e r e d t h r o u g h t h e i n c o r p o r a t i o n o f c l o s e l y - s p a c e d s h o r t s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e . T h e a r r e s t o f m i c r o c r a c k s b y s t e e l fi b e r s l e a d s t o i m p r o v e m e n t s i n t h e p r e - p e a k t e n s i o n b e h a v i o r a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . U p o n t h e f o r m a t i o n o f a n u n s t a b l e m i c r o c r a c k s y s t e m , w h i c h u s u a l l y m a r k s t h e a c h i e v e m e n t o f t h e u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h i n c o n c r e t e , t e n s i l e d e f o r m a t i o n s t e n d t o c o n c e n t r a t e i n a l i m i t e d n u m b e r o f m a c r o c r a c k s . S t e e l fi b e r s c a n e f fi c i e n t l y b r i d g e t h e s e c r a c k s a n d r e s t r a i n t h e i r w i d e n i n g . S t e e l fi b e r s a r e t h u s h i g h l y e f f e c t i v e i n e n h a n c i n g t h e p o s t - p e a k d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m ( s e e F i g u r e 2 . 1 ) . T h e s t a b i l i z a t i o n o f m a c r o c r a c k s b y s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e r e s u l t s i n m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e a n d fl e x u r a l d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , i m p a c t r e s i s t a n c e , f a t i g u e l i f e , a n d f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 9 B e f o r e f r a c t u r e o f t h e c o m p o s i t e o c c u r s , s e v e r a l p o s s i b l e l o c a l f a i l u r e s c o u l d t a k e p l a c e ( s e e F i g u r e 2 . 1 a ) . ” ' ‘ 9 A t s o m e d i s t a n c e a h e a d o f t h e c r a c k t h a t i s t r a v e l l i n g t h r o u g h t h e c o m p o s i t e , fi b e r s b e g i n t o b e i n fl u e n c e d . N e a r t h e c r a c k t i p , w h e r e t h e s t r e s s i s v e r y h i g h , fi b e r s m a y d e b o n d f r o m t h e m a t r i x ( e . g . , fi b e r 1 i n F i g u r e 2 . 1 a ) . T h i s r u p t u r e o f c h e m i c a l b o n d s a t t h e i n t e r f a c e u s e s u p e n e r g y f r o m t h e s t r e s s e d s y s t e m . A l s o , s u f fi c i e n t s t r e s s m a y b e t r a n s f e r r e d t o a fi b e r ( e . g . , fi b e r 0 A 0 l 8 2 ) t o e n a b l e i t t o b e u l t i m a t e l y f r a c t u r e d ( a s i n fi b e r 4 ) . W h e n t o t a l d e b o n d i n g o c c u r s , t h e s t r a i n e n e r g y i n t h e d e b o n d e d l e n g t h o f t h e fi b e r i s l o s t t o t h e m a t e r i a l a n d i s d i s s i p a t e d a s h e a t . A t o t a l l y d e b o n d e d fi b e r c a n t h e n b e p u l l e d o u t f r o m t h e m a t r i x a n d c o n s i d e r a b l e e n e r g y i s l o s t f r o m t h e s y s t e m i n t h e f o r m o f f r i c t i o n a l e n e r g y ( e . g . , fi b e r 3 ) . I t i s a l s o p o s s i b l e f o r a fi b e r t o b e l e f t i n t a c t a s t h e c r a c k p r o p a g a t e s . T h i s p r o c e s s i s c a l l e d c r a c k b r i d g i n g . ‘ 9 T h e n e t e f f e c t o f t h e i n t e r a c t i o n o f fi b e r s w i t h c r a c k s i n c e m e n t c o m p o s i t e s i s t h e i m p r o v e m e n t o f d u c t i l i t y a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e r e s u l t i n g c e m e n t — b a s e d c o m p o s i t e m a t e r i a l ( F i g u r e 2 . 1 b ) . ( M O S H E 1 0 1 K T I L E ) D I R E C T I O N ( a ) S c h e m a t i c R e p r e s e n t a t i o n o f a C r a c k ( b ) I m p r o v e m e n t s i n M a t e r i a l D u c t i l i t y T r a v e l l i n g T h r o u g h a C o m p o s i t e F i g u r e 2 . 1 A c t i o n s o f F i b e r s i n C e m e n t C o m p o s i t e s , a n d t h e C o n s e q u e n t I m p r o v e m e n t s i n M a t e r i a l D u c t i l i t y . ” N e v e r t h e l e s s , s t e e l fi b e r s d o p r e s e n t p r o b l e m s w i t h t h e w o r k a b i l i t y a n d fl o w a b i l i t y o f t h e r e s u l t i n g f r e s h m i x t u r e , i n a d d i t i o n t o d e v e l o p m e n t o f m i c r o c r a c k s a t fi b e r - c e m e n t m a t r i x i n t e r f a c e s w h i c h p o s s e s s a r e l a t i v e l y h i g h l o c a l w a t e r — c e m e n t r a t i o . 9 I n o r d e r t o t a k e f u l l a d v a n t a g e o f t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t t e c h n i q u e i n a p p l i c a t i o n s t o c o n c r e t e , c a r e s h o u l d b e t a k e n i n r e s o l v i n g t h e p o t e n t i a l p r o b l e m s w i t h u n i f o r m d i s p e r s i o n o f fi b e r s a n d w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x . A m o n g t h e a p p r o a c h e s u n d e r t a k e n f o r i m p r o v i n g t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s , m o d i fi c a t i o n o f t h e c o n c r e t e m a t r i x b y l a t e x p o l y m e r s p r e s e n t s q u i t e a n a t t r a c t i v e s o l u t i o n . 2 . 3 C O N C E P T O F L A T E X M O D I F I C A T I O N A l a t e x i s a c o l l o i d a l d i s p e r s i o n o f s m a l l ( 0 . 5 t o 5 m i c r o n s i n d i a m e t e r ) s p h e r i c a l o r g a n i c p o l y m e r p a r t i c l e s h e l d i n s u s p e n s i o n i n w a t e r b y s u r f a c e - a c t i v e a g e n t s . ‘ 0 l a t e x e s a r e g e n e r a l l y m i l k y fl u i d s t h a t a r e w h i t e t o o f f - w h i t e i n c o l o r . I t i s t h e p r e s e n c e o f t h e s e s u r f a c e - a c t i v e a g e n t s t h a t t e n d s t o i n c o r p o r a t e e x c e s s i v e a m o u n t s o f e n t r a i n e d a i r i n c o n c r e t e ; t h e r e f o r e , a n t i f o a m i n g / d e t r a i n i n g a g e n t s a r e g e n e r a l l y a d d e d t o c o m m e r c i a l l a t e x e s . I n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e t h e h y d r a t i o n o f c e m e n t t o g e t h e r w i t h t h e f o r m a t i o n o f a p o l y m e r p h a s e p r o c w d t o y i e l d a m o n o l i t h i c m a t r i x p h a s e w i t h a n e t w o r k s t r u c t u r e i n w h i c h t h e h y d r a t e d c e m e n t p h a s e a n d p o l y m e r p h a s e i n t e r p e n e t r a t e i n t o e a c h o t h e r . A g g r e g a t e s a r e a l s o s t r o n g l y b o n d e d t o s u c h a c o m a t r i x p h a s e . “ ‘ 7 ' ’ 7 ' ' ° A s i m p l i fi e d m o d e l , c o n s i s t i n g o f t h r e e s t e p s , c a n b e u s e d t o d e s c r i b e t h e f o r m a t i o n o f p o l y m e r c e m e n t c o m a t r i x ( s e e F i g u r e 2 . 2 ) . ” d e k c a p r - e e m s y o l l o c p f f o o n e s o r e i u l t t c a c i m u t r r r r e m y l o p m r o f i n u f o n o i t a m r x e t a l r e m e y l l c o o t a n o i P F s p e F t r a p r r e m e w ) t C / y l o e b e o / p m r 0 y e l t / f o o a 0 P W r s s e e e t l l a c f c w i o i / n t t o o i f r e r s ' a g . . - . " . - . n . I . I . . 0 5 a . " ‘ 0 o a a ° c O 0 [ / t s p p n a e l l e e a : . ‘ n s . ' g r c a r Q u c / a e s e n s . a n a " c i c t o r l a F p n m a e m i y l y 0 a l a l ‘ : ' a . : r o o o 0 / , D 0 / p C p 0 O / / 0 s / e O t 0 a ’ r d y s e t a r d ’ : ' a a . O . 3 a a a . . ’ a . . " n o ' . . . ' a . a a ‘ : : t . s e t a . n o r i d 0 o h h : . h r . y ‘ ' y 0 t ” n e t n . . . . . " . a l . 0 0 ” m m ‘ a e l t n e m 0 / e C e . a e . C C ) r e t t n d e s a e s s k e w m e d c e s l c e c l c a c p l e e l a n l e d t a m r o F x i r t a m o C t n i r e i i - c p e t a d t g l i o t e r a p e r e r s t l r m s t a g t a o r e o e e a n p ) p l a v c r e y t c p n s C t s a d m r l n t e m - n p e y e e l e a n r l a s l h c m i a e m e a a c n y i e m h m i u l t d l c e t y c t a r c i l n o r i a ! p a f w o s e f t a r r e . y r e m d a s t p o o p d d m e p e i s h e d y y s t t t s e c t s t e f h l e a r s a l e i i e a p o r e r g c r h s r s o o n p a d m i e e u w o u d l r t r y y r t t t p t e e y h b l o P f h l n r g n s n e o x v h y e o g O I a l d i n n a D P A ( ( p e a l M e u t m i e w m - l ) 2 0 C @ b z fi ‘ ‘ ' m e C e d o @ M r e t f a y l a t s i ; d n e i a a a l I s ) a ( p e t s t s r i F ) b ( p e t s d n o c e S ) o t ) e r u t c u r t s p e d t e s n e d d r r i a h H T ( ) d ( d e fi i l p m i S t o C > E n t r a i n e d a i - F i g u r e 2 . 2 1 0 1 1 I n i t i a l l y , t h e p o l y m e r p a r t i c l e s a r e u n i f o r m l y d i s p e r s e d i n c e m e n t . A s a r e s u l t o f t h e g r a d u a l h y d r a t i o n o f c e m e n t , a c e m e n t g e l i s f o r m e d i n t h e c e m e n t - p o l y m e r p a s t e , a n d t h e w a t e r p h a s e i s s a t u r a t e d w i t h c a l c i u m h y d r o x i d e . I n s t e p 1 o f p o l y m e r - c e m e n t c o m a t r i x f o r m a t i o n t h e p o l y m e r p a r t i c l e s d e p o s i t p a r t i a l l y o n t h e s u r f a c e o f t h e m i x t u r e o f c e m e n t g e l a n d u n h y d r a t e d c e m e n t p a r t i c l e s . I t i s l i k e l y t h a t t h e c a l c i u m h y d r o x i d e i n w a t e r p h a s e r e a c t s w i t h t h e s i l i c a s u r f a c e o f a g g r e g a t e s t o f o r m a c a l c i u m s i l i c a t e l a y e r . T h e b o n d b e t w e e n c e m e n t h y d r a t e s a n d a g g r e g a t e s h a s b e e n a t t r i b u t e d t o t h e c a l c i u m h y d r o x i d e a n d e t t r i n g i t e p r e s e n t i n t h e c o n t a c t z o n e . A s t h e h y d r a t i o n o f c e m e n t c o n t i n u e s , t h e d r a i n a g e r e s u l t i n g f r o m d e v e l o p m e n t o f c e m e n t g e l s t r u c t u r e g r a d u a l l y c o n fi n e s t h e p o l y m e r p a r t i c l e s t o c a p i l l a r y p o r e s . T h i s p r o c e s s l e a d s t o t h e fl o c c u l a t i o n o f p o l y m e r p a r t i c l e s a n d f o r m a t i o n o f a c o n t i n u o u s c l o s e l y - p a c k e d l a y e r o f p o l y m e r p a r t i c l e s o n t h e s u r f a c e s o f c e m e n t g e l , u n h y d r a t e d c e m e n t p a r t i c l e s , a n d a g g r e g a t e s . T h i s p o l y m e r l a y e r b o n d s t h e m a t r i x t o t h e s i l i c a t e l a y e r o v e r a g g r e g a t e s u r f a c e . A t t h i s s t a g e , t h e l a r g e r p o r e s i n t h e m i x t u r e ( c e m e n t p a s t e p o r e s r a n g e i n s i z e f r o m l e s s t h a n o n e t o s e v e r a l h u n d r e d n a n o m e t e r s ) a r e f o u n d t o b e fi l l e d b y t h e a d h e s i v e a n d a u t o h e s i v e p o l y m e r p a r t i c l e s . U l t i m a t e l y , w i t h f u r t h e r d r a i n a g e o f w a t e r b y c e m e n t h y d r a t i o n , t h e c l o s e l y p a c k e d p o l y m e r p a r t i c l e s o n c e m e n t h y d r a t e s a n d a g g r e g a t e s c o a l e s c e i n c o n t i n u o u s fi l m s o r m e m b r a n e s w h i c h b i n d t h e c e m e n t h y d r a t e t o g e t h e r a n d t o a g g r e g a t e s , f o r m i n g a m o n o l i t h i c n e t w o r k . C o n s e q u e n t l y , t h e p o l y m e r - m o d i fi e d c o n c r e t e , w h e n c u r e d , c o n s i s t s o f t h e h y d r a t e d c e m e n t a n d a g g r e g a t e p h a s e s w h i c h a r e i n t e r c o n n e c t e d b y a ” c o n t i n u o u s fi l m " o f l a t e x p a r t i c l e s . I t i s t h i s c o n t i n u o u s fi l m w h i c h i m p a r t s t h e s u p e r i o r p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s t o l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e . 1 2 T h e f a c t t h a t a p o l y m e r l a y e r i s d e p o s i t e d o n t h e s u r f a c e o f u n h y d r a t e d c e m e n t p a r t i c l e s m a k e s t h e a c c e s s o f t h e s e p a r t i c l e s t o w a t e r r a t h e r d i f fi c u l t . H o w e v e r , w a t e r c a n p a s s a r o u n d t h e g r a i n s , a n d t h u s h y d r a t i o n c o n t i n u e s . T h i s e x p l a i n s t h e l a r g e r i n c r e a s e i n s t r e n g t h o f p o l y m e r - m o d i fi e d c o n c r e t e a f t e r 2 8 d a y s a s c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . T h e p o l y m e r fi l m f o r m s n o t o n l y i n s i d e l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e a f t e r a p e r i o d ( a b o u t 1 d a y s ) o f m o i s t c u r i n g b u t a l s o o n t h e s u r f a c e , a n d r e t a i n s t h e i n t e r n a l m o i s t u r e n e e d e d f o r c e m e n t h y d r a t i o n . T h i s p a r t i a l l y i l l u s t r a t e s w h y t h e o p t i m u m c u r i n g c o n d i t i o n s a r e d i f f e r e n t i n l a t e x - m o d i fi e d a n d c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e s . 2 . 4 M I X P R O P O R T I O N I N G A N D M A N U F A C T U R I N G O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E O h a m a ‘ m , F u k u c h i " , a n d S u n d a r a “ h a v e r e p o r t e d t e s t r e s u l t s o n l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( L M S F R C ) , a n d O h a m a ‘ m h a s p r e s e n t e d r e s u l t s o f t e s t s o n l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r ( L M S F R M ) . A l l r e f e r e n c e s u s e d o r d i n a r y P o r t l a n d c e m e n t a n d r i v e r s a n d ( m a x i m u m s i z e 2 . 5 m m , 0 . 1 i n ) . T h e c o n c r e t e m i x h a d r i v e r g r a v e l w i t h m a x i m u m s i z e o f 1 0 o r 2 0 m m ( 0 . 3 9 o r 0 . 7 8 7 i n ) . S u n d a r a “ h a s u s e d c r u s h e d G r a n i t e w i t h i r r e g u l a r s h a p e s a n d m a x i m u m s i z e o f 2 0 m m . ( 0 . 7 8 7 i n . ) a s c o a r s e a g g r e g a t e . T h e l a t e x p o l y m e r u s e d w a s P o l y a c r y l i c E s t e r ( P A E ) i n R e f s . 5 8 , 6 0 a n d 6 1 , a n d E t h y l e n e V i n y l A c e t a t e ( E V A ) i n R e f s . 6 1 , 6 2 , a n d 6 4 . N a t u r a l r u b b e r l a t e x w a s u s e d i n R e f . 8 8 . T h e s t e e l fi b e r s u s e d w e r e t y p i c a l l y 0 . 2 5 x 0 . 5 5 m m ( 0 . 0 1 x 0 . 0 2 2 i n ) i n c r o s s - s e c t i o n , a n d 2 5 m m ( 1 i n ) l o n g , o r 0 . 5 x 0 . 5 m m ( 0 . 0 2 x 0 . 0 2 i n ) i n c r o s s - s e c t i o n , a n d 3 0 m m ( 1 . 1 8 i n ) 1 3 l o n g . S u n d a r a “ h a s u s e d s t e e l fi b e r s w i t h a n a s p e c t r a t i o o f 7 0 . O h a m a 5 " “ h a s u s e d t h e s e b a s i c m i x c o n s t i t u e n t s w i t h n o o t h e r a d m i x t u r e s f o r t h e m a n u f a c t u r i n g o f L M S F R C n o t i n g t h a t a n a n t i f o a m i n g a g e n t w a s r o u t i n e l y u s e d w i t h l a t e x p o l y m e r s i n c o n c r e t e . S u n d a r a ” a d d e d s u p e r p l a s t i c i z e r t o t h e s e c o n s t i t u e n t s f o r t h e m a n u f a c t u r e o f n a t u r a l r u b b e r l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T a b l e 2 . 1 p r e s e n t s t h e m i x p r o p o r t i o n s u s e d f o r l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a n d c o n c r e t e b y d i f f e r e n t i n v e s t i g a t o r s . n e o m i u t l c a o r V F r e b b u R 8 8 0 . 0 - 0 ) . n i 8 . 0 ( . m m 0 2 0 2 . 0 5 . . . _ - 0 - . _ . 4 . — 0 . 3 0 . 3 0 0 5 9 8 6 . . . 7 6 5 0 0 0 . . . 0 0 0 - - - 0 5 0 3 8 4 7 6 6 - . - - 5 5 0 0 0 0 5 3 2 7 5 5 7 8 3 5 6 7 . . . . 7 6 6 . . . 0 0 0 0 0 0 0 A T a b l e 2 . 1 M i x P r o p o r t i o n s o f l a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . R a t i o 0 . 6 3 0 - 0 . 6 4 0 0 . 1 0 0 . 2 0 0 . 7 8 5 - 0 . 7 9 0 0 . 1 0 l 4 1 5 2 . 5 F R E S H M I X P R O P E R T I E S O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E R e i n f o r c e m e n t b y s t e e l fi b e r s i m p r o v e s t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e b u t d a m a g e s t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y ? " 5 ‘ T h e m o d i fi c a t i o n o f c o n c r e t e b y l a t e x p o l y m e r d i s p e r s i o n s w o u l d i m p r o v e t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . T h e i m p r o v e m e n t s i n c o n c r e t e w o r k a b i l i t y r e s u l t i n g f r o m p o l y m e r m o d i fi c a t i o n h a v e b e e n a t t r i b u t e d t o t h e e f f e c t s o f t h e p r e s e n c e o f s u r f a c e - a c t i v e a g e n t s i n p o l y m e r d i s p e r s i o n s . P o l y m e r m o d i fi c a t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s t h u s e x p e c t e d t o r e d u c e t h e w o r k a b i l i t y p r o b l e m s c a u s e d b y t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s . 3 1 A c o m p r e h e n s i v e p r e s e n t a t i o n o f t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r c o n t e n t , p o l y m e r c o n t e n t a n d w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d t h e s l u m p o f c o n c r e t e s w i t h 3 5 0 k g / m 3 ( 5 9 0 l b / y d ’ ) c e m e n t c o n c r e t e i s g i v e n i n F i g u r e 2 . 3 . ” T h e fi g u r e i n d i c a t e s t h a t t h e d a m a g e t o w o r k a b i l i t y b y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t ( u p t o c e r t a i n fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s ) c a n b e o v e r c o m e t h r o u g h p o l y m e r m o d i fi c a t i o n . 1 6 ‘ 3 3 . - I 3 I n a , 9 ~ . I ’ ‘ s 1 ' “ e / \ ’ I \ I ’ ‘ . ‘ \ t \ o 0 ‘ m ” “ ’ ‘ \ r N I \ o 0 | 7 1 ' s \ a I ‘ \ g ’ \ \ / \ \ l I \ ‘ I ‘ 4 . ‘ ‘ O 4 " r \ \ ' 0 ‘ ° 3 \ \ ‘ N 8 l ‘ x I \ \ ' I F ' a ' o 0 I I I I O r 0 2 ( I N l a " ' l , I ' 0 I , o o 8 ' I - l l ‘ s o a ! " o / 0 a . . b 6 e a - O " , ‘ C ‘ ” " 5 0 0 ( - . ’ . ” Q F i g u r e 2 . 3 E f f e c t s o f W a t e r - C e m e n t R a t i o , P o l y m e r - C e m e n t R a t i o , a n d S t e e l F i b e r V o l u m e F r a c t i o n o n t h e S l u m p o f C o n c r e t e . " ( w / c = 0 . 4 - 0 . 6 , s l c = 3 . 1 , g / c = 2 . 1 , U c = 0 — 0 . 2 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 2 0 m m ( 0 . 7 9 i n ) , V , = 0 - 2 % , 0 . 2 5 x 0 . 5 5 m m ( 0 . 0 1 x 0 . 0 2 2 i n ) , 1 / d = 5 3 , P A E l a t e x ) . 1 7 2 . 6 A C T I O N O F L A T E X P O L Y M E R S I N H B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E l a t e x p o l y m e r s e n h a n c e t h e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p e r f o r m a n c e b y i m p r o v i n g t h e c o n c r e t e m a t r i x c h a r a c t e r i s t i c s ( a s t h e y d o i n p l a i n c o n c r e t e ) , a n d a l s o b y p r o v i d i n g a b e t t e r b o n d i n g b e t w e e n fi b e r s a n d c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . D u r i n g t h e m i x i n g o p e r a t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( F R C ) , a fi l m o f w a t e r f o r m s o n t h e fi b e r s u r f a c e s . C e m e n t p a r t i c l e s m o v e i n t o t h i s fi l m , b u t t o w a r d s t h e s u r f a c e o f fi b e r s t h e c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t p a r t i c l e s t e n d s t o d e c r e a s e . T h e t h i n n e r t h e w a t e r fi l m a r o u n d t h e fi b e r s , t h e b e t t e r t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d a n d c o n s e q u e n t l y t h e s t r o n g e r a n d m o r e d u c t i l e t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l . L a t e x p o l y m e r s c a n r e d u c e t h e w a t e r fi l m t h i c k n e s s p r e s e n t a r o u n d fi b e r s d u r i n g t h e m i x i n g o p e r a t i o n b y r e d u c i n g t h e r e q u i r e d w a t e r - c e m e n t r a t i o f o r a c h i e v i n g a w o r k a b l e m i x , a n d a l s o b y t h e f a c t t h a t l a t e x p o l y m e r s c a n b e s u r f a c e - a c t i v e a g e n t s . l a t e x p o l y m e r p a r t i c l e s a r e a l s o m u c h s m a l l e r t h a n s a n d a n d c e m e n t p a r t i c l e s . T h e y c a n fi l l s m a l l e r v o i d s t h u s p r e v e n t i n g t h e f o r m a t i o n o f m u c h o f t h e m i c r o c r a c k s t h a t t e n d t o t a k e p l a c e a l o n g t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e . T h e s e p o l y m e r p a r t i c l e s e v e n t u a l l y c o a l e s c e i n t o a m o n o l i t h i c fi l m s u r r o u n d i n g t h e fi b e r s , b o n d i n g t h e c e m e n t i t i o u s e n v i r o n m e n t t o t h e fi b e r s . “ S o m e m i c r o g r a p h s i n d i c a t i n g t h e p r e s e n c e o f t h i s l i n k a g e a n d i t s d e s i r a b l e b o n d i n g c h a r a c t e r i s t i c s a r e s h o w n i n F i g u r e 2 . 4 f o r l a t e x - m o d i fi e d c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 8 F i g u r e 2 . 4 M i c r o g r a p h o f t h e I n t e r f a c e Z o n e B e t w e e n C a r b o n F i b e r s a n d l a t e x - M o d i fi e d C e m e n t i t i o u s M a t r i c e s . “ 2 . 7 M E C H A N I C A L P R O P E R T I E S O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E T e s t r e s u l t s i n d i c a t i n g t h e i m p r o v e m e n t s i n c o n c r e t e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s r e s u l t i n g f r o m t h e j o i n t a c t i o n o f l a t e x p o l y m e r s a n d s t e e l fi b e r s a r e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n . 2 . 7 . 1 F l e x u r a l P e r f o r m a n c e B o t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d p o l y m e r m o d i fi c a t i o n a r e s h o w n i n F i g u r e s o g , . . \ 5 4 m H . a " o E o n c p a a . ) . m r 3 x 0 4 . a t S e e l F i b e r 1 C 0 . l o n t e n t ( v 2 o . I l 0 % ) o \ 3 ' + 2 8 o 5 n . E o 5 3 ? " 3 ) r . 1 o r : + U H x c s d . e i 0 5 o 0 P o l y m e r - C e 1 m l 0 e n t R a t i o I 0 2 ( % ) 1 9 2 . 5 t o i n c r e a s e t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e . S i m i l a r c o n c l u s i o n s h a v e b e e n r e a c h e d u s i n g S t y r e n e B u t a d i e n e R u b b e r ( S B R ) , E t h y l e n e V i n y l A c e t a t e ( E V A ) a n d P o l y a c r y l i c E s t e r ( P A E ) e m u l s i o n s . F i g u r e 2 . 5 i n d i c a t e s t h a t t h e u s e o f 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s t o g e t h e r w i t h a l a t e x p o l y m e r a t 2 0 % t h e w e i g h t o f c e m e n t c a n i n c r e a s e t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e t o a b o u t 2 . 5 t o 3 t i m e s t h a t o f c o n v e n t i o n a l 0 0 1 1 t h 3 1 , 5 8 . 6 1 S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v o l X ) 2 . 0 P o l y s e r - C e s e n t 1 0 0 . R a t i o ( 2 ) 2 0 H 0 0 F i g u r e 2 . 5 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r M o d i fi c a t i o n o n t h e F l e x u r a l S t r e n g t h o f C o n c r e t e . ” 2 0 T h e fl e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p s s h o w n i n F i g u r e 2 . 6 f o r l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t l a t e x a n d fi b e r c o n t e n t s a r e i n d i c a t i v e o f i m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e fl e x u r a l d u c t i l i t y a n d t o u g h n e s s o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m t h e j o i n t a c t i o n o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s . T h e s e i m p r o v e m e n t s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e e n h a n c e d q u a l i t y o f t h e c o n c r e t e m a t r i x a n d a l s o i m p r o v e m e n t s i n t h e fi b e r - m a t r i x b o n d c h a r a c t e r i s t i c s . a g a 0 - ' 2 1 ‘ ‘ S " 2 1 4 3 ° 0 ° 0 0 0 ’ 0 0 0 i , 0 0 0 t / O . . t ’ / ° ' . A . / \ . \ . \ . . , \ _ \ \ ‘ \ e \ D P R o a \ f 2 l . \ e l t o c 3 f \ . y i 2 m n \ t s o - . e z n ‘ ' : 0 1 _ o . n ; t . i - o ( . \ 3 r z \ 0 1 5 . ( . v C x . e s e n t - o l : 1 . 3 . I Q - i n m ) 1 P l o ' O 4 0 0 0 3 A . ' 3 7 1 . 3 3 a E [ 3 2 1 0 ° 0 » ? 0 0 0 0 0 0 . y ’ \ a \ A 3 / . e r - C e a \ \ \ . . - . \ \ \ \ ‘ \ 2 . D e fl e o : 1 0 2 l 8 ) « 3 . - . m m ) , r ‘ ° o \ 0 8 v a 1 0 ~ . 3 ( t 0 ( ‘ 5 1 n t o e n e S C \ . - c \ t i 4 0 t a t 1 l e \ o 0 R \ K 7 t . ° n . n ° 0 F ’\. \ ) g k ( d a o L l a r u x e l F § 2 1 P o l y a e r - C e s e n t R a t i o z o z p 3 ' - \ S t e e l f i b e r \ K a u a i : ( v o l S ) ' \ - - 2 . 0 1 0 0 0 » \ , \ ~ \ 0 \ . \ \ , l . O ‘ \ \ . \ \ o _ 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 D e fl e c t i o n ( 1 0 . 1 m m ) F i g u r e 2 . 6 E f f e c t s o f l a t e x M o d i fi c a t i o n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e F l e x u r a l L o a d - D e fl e c t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f C o n c r e t e ” . 2 2 A n o t h e r i n d i c a t i o n o f t h e d e s i r a b l e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n t o g e t h e r w i t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e fl e x u r a l l o a d — d e fl e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e i s p r o v i d e d b y S u n d a r a “ w h o h a s u s e d n a t u r a l r u b b e r l a t e x t o m o d i f y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( s e e F i g u r e 2 . 7 ) . T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t n a t u r a l r u b b e r l a t e x h a s a r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e ( L M C ) , b u t i t s u b s t a n t i a l l y i m p r o v e s t h e d u c t i l i t y a n d t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l . T h e fl e x u r a l d e fl e c t i o n a t p e a k l o a d o f S F R C i s a l s o o b s e r v e d i n F i g u r e 2 . 7 t o b e i n c r e a s e d t h r o u g h n a t u r a l r u b b e r l a t e x m o d i fi c a t i o n . T h e j o i n t e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi e a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n fl e x u r a l t o u g h n e s s i n c o n c r e t e a r e m o r e c l e a r l y s h o w n i n F i g u r e 2 . 8 . F l e x u r a l t o u g h n e s s i n t h i s fi g u r e i s d e fi n e d a s t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e l o a d - d e fl e c t i o n c u r v e u p t o a d e fl e c t i o n e q u a l t o 1 % o f t h e b e a m s p a n ( 3 m m = 1 l 8 i n ) . T h i s fi g u r e i n d i c a t e s t h a t t h e l a t e x m o d i fi c a t i o n e f f e c t s o n t o u g h n e s s t e n d t o b e m o r e p r o n o u n c e d a s t h e fi b e r c o n t e n t i n c r e a s e s , a p h e n o m e n o n t h a t c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e l a t e x e f f e c t s o n t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s . ° ' . A 5 ‘ " . F E 0 ° - 5 ‘ 4 5 - W w 9 " 3 9 3 9 3 x ? ‘ 5 1 . 3 2 1 . 0 5 0 0 0 0 0 0 0 ° 0 ° 0 0 S P o l ’ , t e e l F i y b a e r - C e s e n t R a t i o 2 0 0 ) . ( 1 1 2 0 I . 0 1 r e C o n t e n t I . o 0 l 2 v ( ! ) 5 3 t 0 ‘ 1 2 i 0 0 0 0 0 n . : , r ~ A f r i H a o e o f m m o t : o 2 3 x o t ( v l o 2 l . l 0 1 . 0 o L » . o 0 0 0 l 0 _ W 0 P o l y m e r - C e r 0 1 m L 0 2 e n t R a t i o ( % ) 2 3 2 0 ' F t E X U R E r t s r - - - - C o n t r o l c o n c r e t e — - — - 2 . 0 % O J I C c o n c r e t e ‘ - & — e - t . 5 ' I e S t e e l f i b e r c o n c r e t e ' 2 . 0 % 0 . R . C 8 1 . 5 % f i b e r c o n c r e t e 1 R a n g e o f t h e t e s t r e s u l t s 1 J 1 1 1 0 t 2 3 t S I t D e f l e c t i o n . m m F i g u r e 2 . 7 F l e x u r a l L o a d - D e fl e c t i o n C u r v e s f o r N a t u r a l R u b b e r l a t e x M o d i fi e d S t e e l F i b e r C o n c r e t e s W i t h D i f f e r e n t l a t e x a n d F i b e r C o n t e n t s . ” S t e e l F i b e r C o n t e n t F i g u r e 2 . 8 F l e x u r a l T o u g h n e s s o f C o n c r e t e a s I n fl u e n c e d B y S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x M o d i fi c a t i o n . ” t e l a V “ e t t a l “ . s e r i S e l i s n e T t c e r i D ‘ 2 4 2 . 7 . 2 T e n s i l e P e r f b r m a n c e D i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s o n n a t u r a l r u b b e r l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( s e e F i g u r e 2 . 9 ) “ i n d i c a t e t h a t t h e n a t u r a l r u b b e r l a t e x d o e s n o t s i g n i fi c a n t l y c o n t r i b u t e t o t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f S F R C , b u t s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e s t h e s t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s o f t h e m a t e r i a l . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d p o l y m e r m o d i fi c a t i o n a r e b o t h s e e n i n F i g u r e 2 . 1 0 t o i n c r e a s e t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . 3 1 T h i s fi g u r e a l s o i n d i c a t e s t h a t t h e e f f e c t i v e n e s s o f s t e e l fi b e r s i n i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e t e n d s t o b e h i g h e r a t a p o l y m e r - c e m e n t r a t i o o f 1 0 % w h e n c o m p a r e d w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s i n u n m o d i fi e d c o n c r e t e . T h e t e n s i l e s t r e n g t h o f a p o l y m e r - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h 2 0 % p o l y m e r - c e m e n t r a t i o a n d 2 % fi b e r v o l u m e f r a c t i o n i s o b s e r v e d i n F i g u r e 2 . 8 t o e x c e e d 1 . 7 t i m e s t h a t o f p l a i n C O D C T C I C . ‘ 1 2 0 F i g u r e 2 . 9 E f f e c t o f N a t u r a l R u b b e r l a t e x M o d i fi c a t i o n o n D i r e c t T e n s i l e B e h a v i o r o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . ” 2 5 D I R E C T T E N S I O N T E S T 1 ? " p / a . ‘ a . - I 3 2 4 t - 1 ' ' ' l . = . » , r . . 3 2 0 % y a - I . ‘ 7 I l “ ‘ t . ‘ - l : - - - - C o n t r o l c o n c r e t e . 3 - - - - - 2 . 0 ' I o 0 . R . C c o n c r e t e - a — a — t . 5 ' t o s t e a l f i b e r c o n c r e t e — 2 . 0 . ] . O . R . c ‘ L S ‘ I . f i b e r c o n c r e t a l I R a n g e o f t h e t e s t r e s u l t s 1 " u 0 . 8 0 0 ‘ l ' l o t o 1 5 0 n o n o w e S t r o i n r t o ‘ F i g u r e 2 . 1 0 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r ( P A E l a t e x ) M o d i fi c a t i o n o n t h e D i r e c t T e n s i l e S t r e n g t h o f C o n c r e t e . " 2 . 7 . 3 C o m p r e s s i v e P e r f o r m a n c e C o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s o n l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( s e e F i g u r e 2 . 1 1 ) 6 1 i n d i c a t e t h a t s t e e l fi b e r s h a v e r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w h i l e t h e E V A , S B R a n d P A E p o l y m e r l a t e x e s t e n d t o i n c r e a s e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . I m p r o v e m e n t s o f a s m u c h a s 7 0 % i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f S F R C c a n b e o b t a i n e d t h r o u g h l a t e x m o d i fi c a t i o n . 2 6 C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e s h a v e b e e n p r e s e n t e d b y S u n d a r a “ f o r n a t u r a l r u b b e r l a t e x - m o d i fi e d S F R C . F i g u r e 2 . 1 2 i n d i c a t e s t h a t n a t u r a l r u b b e r l a t e x h a s r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h b u t i m p r o v e s t h e d u c t i l i t y a n d t o u g h n e s s o f p l a i n a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u n d e r c o m p r e s s i v e f o r c e s . T h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s a l s o t e n d s t o i n c r e a s e w i t h n a t u r a l r u b b e r l a t e x n m fl fi k n fi m m s e a a : 5 0 0 _ E I ’ g I D O 1 ’ 5 4 0 0 - ” 5 # 1 . . . “ I I I a , Z 0 3 0 0 1 / , I ‘ 4 I 1 I n , ‘ 3 g , 2 0 0 » o r m t . ’ / g 1 0 0 - / U / o / o . , 2 0 1 . 0 0 5 0 0 9 $ 2 ) " S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v 0 1 . % ) F i g u r e 2 . 1 1 E f f e c t s o f L a t e x M o d i fi c a t i o n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f C o n c r e t e . “ 2 7 O K C T ( M 1 8 8 0 0 . T I I T C o h e r e n t . e u e e e d e ‘ “ - - “ t r o t e e - e r e t e - - - - 8 . 0 1 . u c e - u e t e - o — o — 1 . 0 % F i b e r c u t e - v e t o — - — 2 . 0 1 . 1 . 4 6 L e s l i e " c o n c r e t e I D e n . - e l t e e f e e t . e e e t t e l 1 A ' 1 L l 0 I I j e I O 1 e 0 I I t o e i n e l ' F i g u r e 2 . 1 2 C o m p r e s s i v e S t r e s s - S t r a i n C u r v e s o f N a t u r a l R u b b e r l a t e x S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . “ 2 . 7 . 4 I m p a c t R e s i s t a n c e F u k u c h i " h a s r e p o r t e d t h e r e s u l t s o f fl e x u r a l i m p a c t t e s t s p e r f o r m e d o n P A E l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( L M S F R C ) . T h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 . 1 3 a r e i n d i c a t i v e o f m a j o r i m p r o v e m e n t s ( u p t o 6 0 t i m e s ) i n f l e x u r a l i m p a c t s t r e n g t h o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m t h e j o i n t a c t i o n o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s . A n a l t e r n a t i v e fl e x u r a l i m p a c t e x p e r i m e n t a l m e t h o d o l o g y ( a p e n d u l u m t y p e w i t h n o t c h e d s p e c i m e n s ) w a s a d o p t e d b y S u n d a r a “ f o r i n v e s t i g a t i n g t h e e f f e c t s o f n a t u r a l r u b b e r l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f S F R C . T h e j o i n t a c t i o n o f n a t u r a l r u b b e r a n d s t e e l fi b e r i s o b s e r v e d i n T a b l e 2 . 2 t o i n c r e a s e t h e u l t i m a t e fl e x u r a l i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e b y a s m u c h a s 2 0 t i m e s i n t h i s t e s t m e t h o d o l o g y . V ) . i o / l e t l e e r C . “ . 0 0 ' M - v . e l t e I h t g n e r t S t c e p - l 2 8 . O v S p e c i m e n O 1 . 0 2 . 0 S t e e l P i e r C o n t e n t ( v o l ’ 5 ) F i g u r e 2 . 1 3 E f f e c t s o f L a t e x M o d i fi c a t i o n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e F l e x u r a l I m p a c t R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e . 3 1 T a b l e 2 . 2 E f f e c t s o f N a t u r a l R u b b e r L a t e x M o d i fi c a t i o n o n t h e F l e x u r a l I m p a c t R e s i s t a n c e o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . ” V o l u m e V o l u m e N u m b e r o f B l o w s M a t e r i a l P e r c e n t o f P e r c e n t o f R u b b e r , V a F i b e r s , V f A t F i r s t C r a c k A t F a i l u r e P l a i n o o 5 6 I C o n c r e t e L a t e x - 2 . 0 % O 2 1 5 4 M o d i fi e d C o n c r e t e F i b e r 0 1 . 0 % 2 5 6 1 R e i n f o r c e d 0 0 m m 0 1 . 5 a s 3 3 7 2 ( S F R C ) L a t e x - 2 . 0 % 1 . 0 % 4 4 1 0 2 M o d i fi e d S F R C 2 . 0 % 1 . 5 % 5 3 . 1 2 2 2 9 2 . 8 W A T E R A B S O R P T I O N O F P O L Y N I E R - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E O r d i n a r y c e m e n t m o r t a r s h a v e t h e d i s a d v a n t a g e o f i n f e r i o r w a t e r p r o o f n e s s . O h a m a “ h a s s t u d i e d t h e e f f e c t s o f p o l y m e r m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e w a t e r a b s o r p t i o n o f t h e c o n c r e t e m a t r i x . F i g u r e 2 . 1 4 i l l u s t r a t e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s t e e l fi b e r c o n t e n t , p o l y m e r - c e m e n t r a t i o a n d t h e 4 8 - h o u r w a t e r a b s o r p t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r - m o d i fi e d m o r t a r s ( S F R P M M ) . I t i s s e e n t h a t w a t e r a b s o r p t i o n t e n d s t o b e r e m a r k a b l y r e d u c e d w h e n w a t e r — c e m e n t r a t i o i s i n c r e a s e d i r r e s p e c t i v e o f t h e s t e e l fi b e r c o n t e n t . T h e i n c r e a s e i n s t e e l fi b e r c o n t e n t , h o w e v e r , h a r d l y c h a n g e s t h e w a t e r a b s o r p t i o n o f S F R P M M . H e n c e , t h e w a t e r p r o o f n e s s i s s i g n i fi c a n t l y d o m i n a t e d b y t h e p o l y m e r m o d i fi c a t i o n e f f e c t s . T h e w a t e r a b s o r p t i o n o f a S F R P M M w i t h 2 0 % p o l y m e r - c e m e n t r a t i o a n d 2 % fi b e r v o l u m e f r a c t i o n i s o b s e r v e d i n F i g u r e 2 . 1 4 t o b e o n l y 5 0 % t h a t o f p l a i n c e m e n t m o r t a r . _ 3 0 a c o 0 H . p o . t . o m . o < : s . s / a ‘ r 3 r “ J l - l V — J ' S ) 1 ; v . " 2 ’ 0 6 6 & 6 9 ‘ . . p . . I ” : 2 0 K 0 0 . 5 1 . 0 2 . 0 2 0 9 ° $ S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v 0 1 . % ) F i g u r e 2 . 1 4 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r M o d i fi c a t i o n o n t h e W a t e r A b s o r p t i o n C h a r a c t e r i s t i c s o f M o r t a r . “ 2 . 9 D R Y I N G S H R I N K A G E O F P O L Y l W E R - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E V a r i o u s c o n c r e t e s t r u c t u r e s s u f f e r f r o m c r a c k f o r m a t i o n o n t h e i r s u r f a c e s l e a d i n g t o l e a k a g e a n d t h u s c o r r o s i o n o f t h e r e i n f o r c e m e n t e m b e d d e d i n c o n c r e t e . T h e s e c r a c k s a r e g e n e r a l l y r e l a t e d t o t h e l a r g e d r y i n g s h r i n k a g e m o v e m e n t t h a t 3 1 c h a r a c t e r i z e s c e m e n t a n d c o n c r e t e . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d e s p e c i a l l y p o l y m e r m o d i fi c a t i o n a r e e f fi c i e n t t e c h n i q u e s u s e d f o r r e d u c i n g t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f c o n c r e t e . F i g u r e 2 . 1 5 s h o w s t h a t , s i m i l a r l y t o o r d i n a r y u n r e i n f o r c e d u n m o d i fi e d c o n c r e t e , t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f S F R P M M d o e s i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g d r y i n g p e r i o d . T h i s d r y i n g s h r i n k a g e t e n d s t o b e r e d u c e d b y t h e a d d i t i o n o f 2 % s t e e l fi b e r v o l u m e f r a c t i o n . F i g u r e 2 . 1 5 s h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t e e l fi b e r c o n t e n t , p o l y m e r - c e m e n t r a t i o a n d 2 8 - d a y d r y i n g s h r i n k a g e o f S F R P M M . I t i s s e e n t h a t t h i s d r y i n g s h r i n k a g e r e m a r k a b l y d e c r e a s e s w h e n s t e e l fi b e r c b n t e n t a n d p o l y m e r - c e m e n t r a t i o i n c r e a s e . A r e d u c t i o n o f 3 4 % i n d r y i n g s h r i n k a g e i s o b t a i n e d f o r a s t e e l fi b e r c o n t e n t o f 2 % b y v o l u m e a n d a p o l y m e r - c e m e n t r a t i o o f 2 0 % . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t , o n o n e h a n d , p o l y m e r m o d i fi c a t i o n r e s u l t s i n a d e c r e a s e i n t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d a n i m p r o v e m e n t i n t h e w a t e r r e t e n t i o n , a n d o n t h e o t h e r h a n d r e i n f o r c e m e n t w i t h s t e e l fi b e r s h a s a r e s t r a i n i n g e f f e c t o n d r y i n g s h r i n k a g e m o v e m e n t s . F i g u r e 2 . 1 6 a l s o s h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s t e e l fi b e r c o n t e n t , p o l y m e r - c e m e n t r a t i o a n d 8 4 - d a y d r y i n g s h r i n k a g e o f S F R P M M . I t i s a l s o n o t i c e d t h a t t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f S F R P M M d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g s t e e l fi b e r c o n t e n t a n d p o l y m e r - c e m e n t r a t i o , i r r e s p e c t i v e l y o f t h e t y p e s o f p o l y m e r s u s e d ( E V A o r S B R ) f o r t h e s a m e r e a s o n s s t a t e d a b o v e . I n p a r t i c u l a r , r e s u l t s b y O h a m a ‘ S o h a v e s h o w n t h a t t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f S F R P M c o n c r e t e i s r e d u c e d t o o n e h a l f t h a t o f t h e u n m o d i fi e d u n r e i n f o r c e d c o n c r e t e w h e n t h e s t e e l fi b e r c o n t e n t i s 2 % b y v o l u m e a n d t h e p o l y m e r - c e m e n t r a t i o i s 2 0 % . O h a m a “ h a s d e fi n e d a ” s h r i n k a g e r e d u c t i o n f a c t o r " t o b e u s e d f o r e v a l u a t i n g 3 2 t h i s s h r i n k a g e r e d u c t i o n e f f e c t a s f o l l o w s : ( S m - S f ) e 1 0 0 8 = S w h e r e , R , = s h r i n k a g e r e d u c t i o n f a c t o r ( % ) ; S . = d r y i n g s h r i n k a g e ( x 1 0 ‘ ) o f c e m e n t m o r t a r ; a n d S , = d r y i n g s h r i n k a g e ( x 1 0 " ) o f S F R P M M . F i g u r e 2 . 1 7 s h o w s t h a t t h i s r e d u c t i o n f a c t o r R , ( % ) i s i n c r e a s e d w h e n b o t h s t e e l fi b e r c o n t e n t a n d p o l y m e r - c e m e n t r a t i o a r e i n c r e a s e d , i n d e p e n d e n t l y o f t h e t y p e o f p o l y m e r d i s p e r s i o n ( E V A o r S B R ) . I t c a n a l s o b e s e e n t h a t t h e s h r i n k a g e r e d u c t i o n f a c t o r , w h e n c o m p a r e d w i t h u n r e i n f o r c e d u n m o d i fi e d c e m e n t m o r t a r , i s 3 6 % a n d 3 3 % f o r S B R a n d E V A m o d i fi c a t i o n s , r e s p e c t i v e l y , f o r a 2 % b y v o l u m e s t e e l fi b e r c o n t e n t a n d 2 0 % p o l y m e r - c e m e n t r a t i o . ) 4 ‘ 3 0 ( 1 x ( e o n g ~ a t k n : i 3 1 r h S n o g n i y 5 E r 3 : D ) 4 ‘ 0 1 x ( e g a k n i r h o S o g 5 2 n i y r D 3 R 3 3 D r y C u r i n g P e r i o d ( d ) C D t ‘ h o C D 1 0 2 O 3 0 O P o l y n e r - C e e e n t R a t i o : 0 2 S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v o l 2 ) 2 . 0 1 . 0 0 . 5 0 D r y C u r i n g P e r i o d ( d ) 1 , 0 2 , 0 : 9 _ ‘ P o l y e e r - C e e e n t ‘ R a t i o : 1 0 2 S t e e l F i b e r C o n t e n t \ ( v o l 2 ) \ s ‘ 2 . 0 L ‘ ~ 1 . 0 “ ~ 0 . 5 L o D r y C u r i n g P e r i o d ( d ) 1 0 2 . 0 3 , 0 P o l y m e r - C e m e n t R a t i o : 5 2 S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v o l 2 ) 2 . 0 1 . 0 0 . 5 0 D r y C u r i n g P e r i o d ( 6 ) 1 ' 0 2 9 3 9 P o l y e e r - C e e e n t R a t i o : 2 0 z S i ° e l F i b e r C o n t e n t ( v o l 2 ) F i g u r e 2 . 1 5 M e a s u r e d S h r i n k a g e V s . D r y i n g P e r i o d . “ 2 3 4 ' 5 - 0 i ‘ 1 5 . 0 " S t e e l A A F i b e r 7 1 3 C o n t e n t 2 2 ( v o l S ) e 3 : \ O N 5 9 o ~ ‘ ~ 0 ~ . ‘ 9 _ “ 9 5 . 0 5 5 \ ' \ 0 \ ~ ~ 0 1 z ‘ 4 \ . . - ' Z O \ H ‘ m 5 . . . . . . . 0 s ‘ . ‘ “ “ “ - ~ - ~ - - - 2 ~ . ° . - - Z “ r ; o O Q 5 0 1 . - 5 0 1 ' : " r 1 l J ' r r 1 r O 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 O 5 I O 1 5 2 0 S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v o l S ) P o l y m e r - C o n a n t R a t i o ( I ) F i g u r e 2 . 1 6 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r a n d L a t e x P o l y m e r s o n D r y i n g S h r i n k a g e . 6 2 O 0 . 5 S t e e l F i b l e r C o n t e n . 5 1 t ( v o l . 7 0 ) 2 2 . 5 3 5 E V A L a t e x 5 0 S h r i n k a g e R e d u c t i o n F a c t o r , R s ( % ) - 9 - L / c = 0 % - £ = - L / c = 5 z - < > - L / c = r o z - B - L / c = 2 0 % 4 0 - 0 ‘ 2 1 1 1 1 o 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v o l . % ) S B R L a t e x 5 0 S h r i n k a g e R e d u c t i o n F a c t o r , R s ( % ) A v - 9 - L / c s o x - . e . — L / c = 5 z - 9 - L / c e r o z 4 3 - L / c = 2 0 % I n 0 l l 1 l F i g u r e 2 . 1 7 E f f e c t s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r M o d i fi c a t i o n o n S h r i n k a g e R e d u c t i o n F a c t o r o f C e m e n t M o r t a r . “ 3 6 2 . 1 0 B O N D I N G O F L A T E X - M O D I F I E D C O N C R E T E T O S T E E L F I B E R S F i b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s p l a y a d e c i s i v e r o l e i n t h e r e i n f o r c i n g a c t i o n o f fi b e r s i n c o n c r e t e m a t e r i a l s . H e n c e , t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c a n b e e n h a n c e d t h r o u g h i m p r o v i n g a n d o p t i m i z i n g t h e b o n d i n g o f c o n c r e t e m a t r i c e s t o s t e e l fi b e r s . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t e x c e s s i v e b o n d s t r e n g t h s m a y e n c o u r a g e fi b e r b r e a k a g e , r a t h e r t h a n fi b e r p u l l - o u t , w h i c h d o m i n a t e t h e f a i l u r e m e c h a n i s m o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; a p h e n o m e n o n w h i c h c a n a d v e r s e l y i n fl u e n c e t h e t o u g h n e s s o f fi b r o u s c o n c r e t e . T h e e f f e c t i v e n e s s o f fi b e r s c a n a l s o b e l o s t i f b o n d f a i l u r e o c c u r s i n t h e m a t r i x a t a s m a l l d i s t a n c e f r o m t h e fi b e r ( i n t h e i n t e r f a c e t r a n s i t i o n r i n g ) . T h u s , t o i m p r o v e t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e , t h e s t r e n g t h ( a n d d u c t i l i t y ) o f b o t h t h e m a t r i x m a t e r i a l a n d t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e m u s t b e i m p r o v e d . I n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a c o m b i n a t i o n o f a d h e s i o n , f r i c t i o n a n d m e c h a n i c a l i n t e r l o c k i n g c o n s t i t u t e t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d s t r e n g t h . W e i ” h a s s t u d i e d t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e b o n d s t r e n g t h o f m o r t a r s , w i t h s a n d - c e m e n t r a t i o o f 1 . 5 , t o s t e e l fi b e r s . T h e p l a i n m o r t a r h a d a w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 3 b y w e i g h t , a n d t h e l a t e x - m o d i fi e d o n e h a d a n a c r y l i c p o l y m e r ( R h o p l e x E 3 3 0 ) - c e m e n t r a t i o o f 1 5 % a n d a w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 2 5 . B o t h m i x e s h a d c o m p a r a b l e w o r k a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s . F i v e s p e c i m e n s o f e a c h m a t r i x w e r e t e s t e d . F i g u r e s 2 . 1 8 a n d 2 . 1 9 s h o w t h e s p e c i m e n t y p e s u s e d t o m e a s u r e t h e t e n s i l e a n d i n t e r f a c i a l b o n d s t r e n g t h s o f t h e m a t e r i a l , r e s p e c t i v e l y . T h e s e t e s t s w e r e 3 7 p e r f o r m e d o n s p e c i m e n s w i t h a n a g e o f 2 8 d a y s , a n d t h e r a t e o f l o a d i n g i n p u l l - o u t t e s t s w a s 1 2 . 2 m m ( 1 / 2 i n ) p e r m i n u t e . I n p u l l - o u t t e s t s b o t h t h e i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s a n d t h e w o r k d o n e d u r i n g fi b e r p u l l - o u t w e r e d e t e r m i n e d . A l { A S i r I F l i r t - | i l i n . 1 . S E C . A - A F i g u r e 2 . 1 8 T e n s i l e T e s t S p e c i m e n . " s 3 8 - S O I I - a n . . . I , . . c a n . T — L e r q t h ' 5 0 m m D i e m . ' O e r - n m e t - O R A M I X Z L 5 0 6 0 a t A _ T e fl o n B o h o e r t S t e e l W i r e C o r p . “ F - N e w M , N . Y . S T E E L P I E R D E T A I L S 3 | . F i g u r e 2 . 1 9 P u l l - O u t T e s t S p e c i m e n . ” T a b l e 2 . 3 s h o w s t h e r e s u l t s o f t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d p u l l - o u t t e s t s . T h e r e s u l t s v e r y c l e a r l y s h o w t h a t t h e a d h e s i o n o f t h e a c r y l i c p o l y m e r r e s u l t e d i n m a j o r i m p r o v e m e n t s ( o n t h e o r d e r o f 3 7 0 % ) i n b o t h t e n s i l e a n d b o n d s t r e n g t h s a s w e l l a s t h e w o r k d o n e d u r i n g p u l l - o u t . 3 9 T a b l e 2 . 3 E f f e c t s o f L a t e x M o d i fi c a t i o n o n B o n d , T e n s i l e S t r e n g t h , a n d W o r k D o n e D u r i n g F i b e r D e b o n d i n g a n d P u l l - O u t . ” W a t e r - A c r y l i c F i b e r F i b e r t e n s i l e A v e r a g e W o r k c e m e n t p o l y m e r / e m b e d d e d d i a m e t e r s t r e n g t h i n t e r f a c e d o n e r a t i o c e m e n t l e n g t h , m m o f b o n d d u r i n g ( b y m m a t r i x , s t r e n g t h , fi b e r w e i g h t ) , k g / c m 2 k g / c m 2 p u l l o u t p e r c e n t f r o m m a t r i x ( p e r fi b e r ) , k g - c m 0 . 2 5 1 5 2 0 0 . 5 8 7 . 6 8 5 . 1 2 0 . 5 0 . 4 3 0 2 0 0 . 5 2 3 . 6 2 2 . 7 5 . 4 3 O c e m e n t - s a n d r a t i o = 1 : 1 . 5 0 n u m b e r o f fi b e r s = 1 6 O T h e w o r k a b i l i t y w i t h a n d w i t h o u t a c r y l i c p o l y m e r w a s t h e s a m e ; v a l u e s s h o w n a r e a n a v e r a g e o f t h e r e s u l t s f r o m fi v e s p e c i m e n s . F i g u r e 2 . 2 0 s h o w s t h e l o a d - d i s p l a c e m e n t c u r v e s o b t a i n e d f o r t y p i c a l p l a i n a n d l a t e x - m o d i fi e d m i x e s . T h e a r e a u n d e r t h e c u r v e r e p r e s e n t s t h e e n e r g y r e q u i r e d f o r fi b e r d e b o n d i n g a n d p u l l - o u t . A r e a O A B i s a n u p p e r l i m i t t o t h e e n e r g y a s s o c i a t e d w i t h fi b e r d e b o n d i n g , a n d t h e r e m a i n i n g a r e a i s t h e f r i c t i o n a l e n e r g y d i s s i p a t e d d u r i n g fi b e r p u l l - o u t . 1 2 m 1 0 0 0 . . M n . m : z e a n h m a m . 0 0 - I W i t h « m u m M o c h a - m 1 5 ' s b y n i o b i u m ‘ 3 u s e - 0 . 2 5 . : n - I n : J " 2 ” t h a t m m ‘ 0 ’ e c o - o c ‘ u c - o a o . m - m s 3 - l " I t o r t e r u m 4 0 0 - m b - e r N i e z o _ 1 1 1 L i ‘ 1 1 ' fi 1 ' 7 . 0 G I 0 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 6 0 . 7 0 . 0 D I S P L A C E K N ‘ I ' t h a n ) F i g u r e 2 . 2 0 F i b e r P u l l - O u t L o a d - D i s p l a c e m e n t R e l a t i o n s h i p s . ” T h e r e s u l t s p r e s e n t e d a b o v e m a y b e e x p l a i n e d b y t w o c h a n g e s i n t h e s t r u c t u r e o f t h e m a t e r i a l n e a r t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e d u e t o t h e a d d i t i o n o f a c r y l i c p o l y m e r : 1 - t h e a c r y l i c p o l y m e r u s e d , b e i n g a n a c t i v e s u r f a c e a g e n t , m a y h a v e r e d u c e d w a t e r - fi l m t h i c k n e s s p r e s e n t a r o u n d t h e fi b e r s d u r i n g t h e m i x i n g o p e r a t i o n s ; a n d 2 - b e c a u s e t h e p o l y m e r s i z e ( 0 . 5 t o 5 m i c r o n s ) i s m u c h s m a l l e r t h a n t h a t o f s a n d a n d c e m e n t , i t e a n fi l l s m a l l e r v o i d s a n d t h u s p r e v e n t t h e f o r m a t i o n o f m u c h o f t h e m i c r o c r a c k i n g o c c u r r i n g i n t h e m a t r i x m a t e r i a l a n d a l o n g t h e fi b e r - m a t r i x 4 1 i n t e r f a c e . I n o r d e r t o s t u d y t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e i t i s n e c e s s a r y t o c o n s i d e r a n a n n u l a r r e g i o n s u r r o u n d i n g t h e fi b e r ( i n t e r f a c e t r a n s i t i o n r i n g ) . D u r i n g t h e m i x i n g o p e r a t i o n , a fi l m o f w a t e r f o r m s o n t h e fi b e r ’ s s u r f a c e . C e m e n t p a r t i c l e s m o v e i n t o t h i s fi l m a n d t o w a r d s t h e s u r f a c e o f fi b e r s w h e r e t h e l o w e s t c o n c e n t r a t i o n o f c e m e n t p a r t i c l e s e x i s t s . T h i s c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e s a s t h e d i s t a n c e f r o m fi b e r s u r f a c e i n c r e a s e s . T h e i n t e r f a c e t r a n s i t i o n r i n g i s f o r m e d w h e n t h e m a t r i x h a s h a r d e n e d a n d n o c e m e n t p a r t i c l e c a n m i g r a t e . I n g e n e r a l , t h e t h i n n e r t h e w a t e r fi l m a r o u n d t h e fi b e r i s , t h e s t r o n g e r i s t h e m a t e r i a l . S i n c e t h e t h i c k n e s s o f t h i s fi l m i s r e d u c e d w i t h r e d u c e d w a t e r - c e m e n t r a t i o , a n d s i n c e t h e a d d i t i o n o f a c r y l i c p o l y m e r a l l o w s a r e d u c t i o n i n w a t e r - c e m e n t r a t i o , t h e n t h e r e s u l t o f p o l y m e r m o d i fi c a t i o n w o u l d b e a s t r o n g e r m a t e r i a l i n t h e i n t e r f a c e t r a n s i t i o n r i n g a n d a l a r g e r e f f e c t i v e b o n d s t r e n g t h . W e i ” p r e s e n t s m i c r o h a r d n e s s t e s t r e s u l t s w h i c h s u b s t a n t i a t e t h i s h y p o t h e s i s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a n n u l a r r e g i o n b e t w e e n t h e fi b e r s h a s a w i d t h o f a b o u t 1 0 0 m i c r o n s a n d t h a t t h e r e d u c t i o n i n w a t e r - c e m e n t r a t i o a s w e l l a s t h e a d d i t i o n o f p o l y m e r i n c r e a s e t h e m i c r o h a r d n e s s i n t h e i n t e r f a c e z o n e a n d a l s o i n t h e b u l k o f c e m e n t p a s t e . T h e w e a k e s t z o n e o f i n t e r f a c e w a s o b s e r v e d t o b e l o c a t e d a t a d i s t a n c e o f a b o u t 2 5 t o 3 5 m i c r o n s f r o m t h e fi b e r s u r f a c e . S t u d i e s o n t h e m i c r o h a r d n e s s f e a t u r e s o f t h e m a t e r i a l w i t h a s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e s h o w e d t h a t f o r t h e m a t e r i a l w i t h o u t a c r y l i c p o l y m e r t h e r e w a s s u b s t a n t i a l c r a c k i n g a t a n d n e a r t h e fi b e r i n t e r f a c e a n d t h a t t h e s u r f a c e o f t h e fi b e r w a s r e l a t i v e l y c l e a n ( n o c e m e n t p a r t i c l e s ) w h e n t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e w a s b r o k e n . H o w e v e r , w i t h t h e a c r y l i c p o l y m e r t h e s u r f a c e o f t h e fi b e r h a d c e m e n t p a r t i c l e s a d h e r e d t o i t 4 2 i n d i c a t i n g a h i g h e r b o n d s t r e n g t h . T h e c e m e n t m a t e r i a l s w i t h a c r y l i c p o l y m e r e x h i b i t l e s s c r a c k i n g i n t h e r e g i o n o f fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e . T h i s m a y b e d u e t o t h e fi l l i n g o f s m a l l c r a c k s b y t h e a c r y l i c p o l y m e r d u e t o i t s s m a l l p a r t i c l e s i z e . C H A P T E R T H R E E D E V E L O P N I E N T A N D B A S I C C H A R A C T E R I Z A T I O N O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E 3 . 1 I N T R O D U C T I O N T h i s c h a p t e r p r e s e n t s s o m e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l s t u d y c o n c e r n e d w i t h c o m p r e h e n s i v e c h a r a c t e r i z a t i o n o f c o n c r e t e m i x t u r e s i n c o r p o r a t i n g t h e f o l l o w i n g l o a d i n g s o f l a t e x a n d s t e e l fi b e r s : l a t e x / c e m e n t ( L / c ) fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) 0 % 0 % 1 0 % 0 % 0 % 0 . 7 5 % 1 0 % 0 . 7 5 % T h e r e s u l t s w i l l r e v e a l i n d e p e n d e n t a n d c o m b i n e d e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n v a r i o u s a s p e c t s o f t h e m e c h a n i c a l , p h y s i c a l a n d d u r a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e m a t e r i a l s . T h e l e v e l s o f l a t e x a n d s t e e l fi b e r c o n t e n t s c o n s i d e r e d i n t h i s p h a s e o f t h e s t u d y , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g m i x p r o p o r t i o n s , 4 3 4 4 h a v e b e e n c h o s e n a s o p t i m u m v a l u e s b a s e d o n t h e r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h e p r e v i o u s e x p e r i m e n t a l s t u d i e s . 3 . 2 B A C K G R O U N D A r e v i e w o f t h e l i t e r a t u r e o n t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s o n t h e f r e s h m i x p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e m a t e r i a l s i s p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n . T h i s b r i e f l i t e r a t u r e r e v i e w r e l a t e s s t r i c t l y t o t o p i c s c o v e r e d i n t h i s c h a p t e r , a n d i t r e f l e c t s m a i n l y t h e e x p e r i e n c e w i t h l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . A b r o a d e r v i e w o f t h e l i t e r a t u r e o n c o m b i n e d e f f e c t s o f l a t e x a n d s t e e l fi b e r s i s p r e s e n t e d i n C h a p t e r 2 . 3 . 2 . 1 W o r k a b i l i t y L o s s T h e r a t e o f w o r k a b i l i t y l o s s w i t h e l a p s e d t i m e a f t e r m i x i n g i s a p o w e r f u l m e a s u r e o f fi e l d p l a c a b i l i t y o f c o n c r e t e . S i n c e c o n c r e t e i s u s u a l l y t r a n s p o r t e d t o t h e c o n s t r u c t i o n s i t e a n d t h e p l a c e m e n t o f c o n c r e t e m i g h t b e a l e n g t h y p r o c e s s i n c e r t a i n fi e l d c o n d i t i o n s , t h e l o s s o f w o r k a b i l i t y d u r i n g t r a n s p o r t a t i o n a n d p l a c e m e n t i s o f m a j o r i m p o r t a n c e . T h e h i g h r a t e o f w o r k a b i l i t y l o s s i n c o n c r e t e e a n b e o v e r c o m e b y a d d i n g s u p e r p l a s t i c i z e r s p r i o r t o p l a c e m e n t . F i g u r e 3 . 1 ” r e p r e s e n t s t h e s l u m p l o s s v s . t i m e c u r v e s f o r fi v e d i f f e r e n t l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e s ( L M C ) a t 0 . 5 w a t e r - c e m e n t r a t i o ( w / c ) . T a b l e 3 . 1 n a l s o l i s t s t h e t i m e r e q u i r e d f o r a 5 0 % s l u m p l o s s f o r e a c h c o n c r e t e . A t 2 3 ° C ( 7 3 ' F ) a n d 5 0 % R . H . , t h e s l u m p l o s s v s . t i m e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , D o w ‘ I ‘ N O I L ‘ I l ! ! ! l a i l fi ” 4 - { I A O I I N I ’ l l I " - l 1 ( . ' . F r w p e w e H P M U L S ) E T U N I M 4 ( L A I T I N I F O T N E C R E P 4 5 M o d i fi e r A , T h e r m o fl e x 8 0 0 2 , D e c o - R o z 4 7 7 6 a n d A c r o D y l e x 1 1 8 6 a r e s i m i l a r . T h e A c r o D y l e x 1 1 8 4 l a t e x c o n c r e t e r e q u i r e d o n l y a b o u t h a l f a s m u c h t i m e f o r 5 0 % s l u m p l o s s w h e n c o m p a r e d w i t h t h e o t h e r c o n c r e t e s . a s : D O W M O D . - A D E C O - R E Z - 4 7 7 6 T H E R M O F L E X - 8 0 0 2 A R C O - D Y L E X - 1 1 8 6 S P E C I A L L A T E X A R C O - D Y L E X - 1 1 8 4 C O N V . C O N C R E T E m - I I I i I I I I 4 n m m . I 2 0 I ( 5 ) 1 0 M I N . I 8 7 5 M I N - 4 ’ ” I I I — @ 1 3 0 M I N 1 0 — I I @ 7 6 M ' N r T 1 1 I I @ 8 5 M I N 1 . ‘ ° ” " ” ' 1 . 1 1 . | 0 I I I I I I I ' " I ' I I I I 1 0 2 0 3 0 4 0 s o s o 7 0 s o 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 T I M E A F T E R C O M P L E T I O N O F M I X I N G , M I N U T E S F i g u r e 3 . 1 S l u m p L o s s v s . T i m e . 4 6 T a b l e 3 . 1 L o s s o f S l u m p W i t h T i m e . C o n c r e t e T y p e T i m e F r o m C o m p l e t i o n o f M i x i n g t o 5 0 % S l u m p L o s s ( m i n u t e s ) C o n v e n t i o n a l C o n c r e t e , 7 6 w / c = 0 . 5 0 D o w M o d i fi e r A 8 3 T h e r m o fl e x 8 0 0 2 8 0 D e c o - R e z 4 7 7 6 7 5 A c r o D y l e x 1 1 8 4 4 0 A c r o D y l e x 1 1 8 6 7 2 [ S p e c i a l L a t e x 1 0 S t u d i e s o n t h e s l u m p l o s s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S F R C ) h a v e i n d i e a t e d t h a t f o r c o n c r e t e s w i t h l o w e r c e m e n t c o n t e n t s o f 3 6 2 k g / m ’ ( 6 1 1 l b / y d ’ ) , t h e r a t e o f s l u m p l o s s i s h i g h e r f o r S F R C ( s e e F i g u r e 3 . 2 ’ ) . F o r c o n c r e t e s w i t h h i g h e r c e m e n t c o n t e n t s o f 4 7 4 l r g / m 3 ( 7 9 9 1 b / y d 3 ) , t h e r a t e o f s l u m p l o s s i s t h e s a m e f o r b o t h p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s ( s e e F i g u r e 3 . 3 9 ) . ' 5 2 d E 1 0 8 e 2 o P F — — P F l i a b i e n r C R o e n i c n r f e o t r e c e d C o n c r e t e 0 0 0 2 2 1 5 5 0 5 0 - - m m J 2 1 0 2 ‘ 0 t d c o n t e r e C o 2 n 1 c 0 ) . n t t e - - 2 4 0 1 5 0 0 1 5 0 0 m m m l F i g u r e 3 . 2 S 1 2 0 E l a p s e d T i m e u m p L o s s v s . E l a p s e d T i m e 1 . 5 M 0 ( i n l u o t w e s e l N I r C e m e n 6 4 2 ‘ _ c d E 2 ( D R F 2 / 0 \ F 2 3 I 0 P F - - P F l i a b i e n r C R o e n i t r e c e c n 1 r f 8 e o 0 9 0 | 1 2 0 1 5 0 1 8 0 4 7 E l a p s e d T i m e , M i n u t e s F i g u r e 3 . 3 S l u m p L o s s v s . E l a p s e d T i m e ( h i g h e r c e m e n t c o n t e n t ) . P b b . . . . 5 3 2 4 1 0 0 , a e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e ‘ 0 0 1 * - - l a 0 t e . x 0 0 s o l ' i + - d s / c e m e E l 2 0 0 5 . . t 0 n p s i ( T h o u s a n d s ) M P a 0 p - s e d + T O - 3 i 0 m 0 e , m i . 1 0 0 4 0 t 0 s e 0 . u - n + 5 0 0 6 1 5 ° " " - — - O . 2 0 ° 0 5 5 0 0 3 2 2 1 1 5 0 0 - r - ~ 0 r 4 8 3 . 2 . 2 S e t t i n g T i m e T h e t i m e o f s e t t i n g o f c o n c r e t e i s a v e r y i m p o r t a n t p a r a m e t e r b e c a u s e i t h e l p s r e g u l a t e t h e t i m e s o f m i x i n g a n d t r a n s i t o f t h e c o n c r e t e m i x t u r e , a n d a l s o h e l p s p l a n t h e s c h e d u l i n g o f t h e fi n i s h i n g o p e r a t i o n s . I n a d d i t i o n , t h e s e t t i n g t i m e h e l p s d e t e r m i n e t h e e f f e c t i v e n e s s o f v a r i o u s s e t - c o n t r o l l i n g a d m i x t u r e s . T h e s e t t i n g t i m e o f c o n c r e t e d e p e n d s o n t h e h y d r a t i o n r a t e o f c e m e n t i n t h e m i x t u r e . W h e n m o d i fi e d w i t h l a t e x p o l y m e r s , t h e t i m e o f s e t t i n g w a s f o u n d t o b e e q u i v a l e n t t o o r s l i g h t l y l o n g e r t h a n f o r c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e ( s e e F i g u r e 3 . 4 " ) . W h e n r e i n f o r c e d w i t h s t e e l fi b e r s , t h e i n i t i a l a n d fi n a l s e t t i n g t i m e s a n d t h e r a t e o f s e t t i n g a r e e s s e n t i a l l y t h e s a m e f o r p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 3 1 F i g u r e 3 . 4 S e t t i n g T i m e o f L M C . 4 9 3 . 2 . 3 I m p a c t R e s i s t a n c e T h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e m a t e r i a l s i s a n i m p o r t a n t f a c t o r i n t h e d e s i g n o f s y s t e m s s u c h a s c o n c r e t e o v e r l a y s o n i n d u s t r i a l fl o o r s a n d a i r fi e l d p a v e m e n t s . L a t e x , d u e t o i t s fi l m f o r m a t i o n a c t i o n i n s i d e t h e c o n c r e t e m a t r i x , g i v e s t h e m a t e r i a l s o m e m i c r o c r a c k a r r e s t i n g p r o p e r t i e s w h i c h c a n p o t e n t i a l l y l e a d t o i m p r o v e m e n t s i n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . " 2 3 F u r t h e r t e s t d a t a a r e n e e d e d f o r v e r i f y i n g t h e l a t e x m o d i fi e a t i o n e f f e c t s o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a s b e e n s h o w n i n v a r i o u s i n v e s t i g a t i o n s ” t o s i g n i fi c a n t l y i m p r o v e t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e m a t r i x . F i g u r e 3 . 5 ” s h o w s s u b s t a n t i a l i m p r o v e m e n t s i n i m p a c t r e s i s t a n c e t h r o u g h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t . T h e i m p r o v e m e n t s i n i m p a c t r e s i s t a n c e i n t h e p r e s e n c e o f fi b e r s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e c r a c k - a r r e s t i n g a c t i o n o f fi b e r s w h i c h p r o v i d e s c o n c r e t e w i t h a s t a b i l i z e d m i c r o c r a c k s y s t e m , i n c r e a s e d t e n s i l e s t r e n g t h , a n d d e s i r a b l e p o s t - c r a c k i n g t e n s i l e r e s i s t a n c e . N O . O I b l o w s b I I I I I ' . 7 N w o o l - e a e e e e l l l o e r . l i e - l o o 0 0 0 ' - s o o - 4 0 0 ' 8 0 0 " h \ \ \ \ \ \ \ \ ‘ o t o a s V I ( % ) F i g u r e 3 . 5 E f f e c t o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e I m p a c t R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e . " ( h o o k e d - e n d s t e e l fi b e r s , l e n g t h - t o - d i a m e t e r r a t i o = 1 0 0 ) ; ; F C i o b n e c r r R e i e t e n ( o f S r F c R e C d ) o 1 . 0 9 6 2 5 6 1 5 0 T h e c o m b i n e d e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s a n d N a t u r a l R u b b e r l a t e x o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d b y S u n d a r a e t a 1 . “ T a b l e 3 . 2 ” r e p r e s e n t s t h e i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s o f p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h a n d w i t h o u t N a t u r a l R u b b e r l a t e x . T h e c o m b i n e d e f f e c t o f l a t e x a n d s t e e l fi b e r s a r e o b s e r v e d t o i n c r e a s e t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e b y 9 t o 1 0 t i m e s a t fi r s t c r a c k a n d 1 8 t o 2 0 t i m e s a t f a i l u r e , o v e r t h a t o f p l a i n c o n c r e t e . T h i s i s 2 t o 3 t i m e s h i g h e r t h a n w h a t c o u l d b e a c h i e v e d i n d e p e n d e n t l y e i t h e r b y l a t e x m o d i fi c a t i o n o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t . l a t e x m o d i fi c a t i o n a l o n e i n c r e a s e s t h e i m p a c t r e s i s t a n c e b y 4 t i m e s a t fi r s t c r a c k a n d 9 t i m e s a t f a i l u r e . T h i s i s c o m p a r a b l e t o t h e e f f e c t s o f r e i n f o r c e m e n t b y 1 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s . T a b l e 3 . 2 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s f o r P l a i n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d A C o n c r e t e M o d i fi e d w i t h N a t u r a l R u b b e r L a t e x . 8 8 N u m b e r o f B l o w s _ I A t F a i l u r e P e r c e n t a g e o f P e r c e n t a g e o f M a t e r i a l D R C , V 3 F i b e r s , V , A t F i r s t C r a c k 5 6 2 1 5 4 L a t e x - M o d i f i e d S F R C 5 1 3 . 2 . 4 F l e x u r a l P e r f o r m a n c e l a t e x m o d i fi e a t i o n o f c o n c r e t e p r o v i d e s t h e m a t e r i a l w i t h h i g h e r fi e x u r a l s t r e n g t h s ( s e e F i g u r e 3 . 6 ) . “ 0 T h i s i n c r e a s e i n fl e x u r a l s t r e n g t h c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e m i c r o c r a c k - a r r e s t i n g a c t i o n o f p o l y m e r s i n c o n c r e t e , a n d a l s o t o t h e b o n d i n g t h e y p r o v i d e b e t w e e n t h e m a t r i x a n d a g g r e g a t e s . I m p r o v e m e n t s o f w o r k a b i l i t y t h r o u g h l a t e x m o d i fi c a t i o n ( w h i c h r e d u c e d w a t e r r e q u i r e m e n t s f o r a c h i e v i n g s i m i l a r w o r k a b i l i t y i n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e ) i s a n o t h e r f a c t o r c o n t r i b u t i n g t o fi e x u r a l s t r e n g t h i n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e . 9 0 0 4 - a e G . _ ' _ 8 0 0 ‘ - g g m 7 0 0 . . . I p — t o . 1 6 0 0 ‘ - E - e - C O N V E N T I O N A L W i g / 0 . 5 3 S L U M P / u i n i ' 0 ' L M C W ’ Q ’ o a s 5 L “ M P / 4 s i n I n 5 0 0 ‘ - . . . I I L ‘ 4 0 0 l 3 7 2 8 C U R E T I M E - D A Y S F i g u r e 3 . 6 F l e x u r a l S t r e n g t h 0 f P l a i n a n d l a t e x - ( S t y r e n e B u t a d i e n e ) M o d i fi e d C o n c r e t e V s . A g e . 5 2 P r e v i o u s t e s t r e s u l t s ‘ h a v e i n d i c a t e d t h a t , a t a p o l y m e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 2 0 , S t y r e n e B u t a d i e n e , S a r a n , A c r y l i c a n d P V A l a t e x e s p r o v i d e fl e x u r a l s t r e n g t h s o f t h e o r d e r o f 2 , 3 , 1 . 4 , a n d 3 t i m e s , r e s p e c t i v e l y , t h a t o f p l a i n m o r t a r a f t e r 2 8 d a y s o f d r y c u r i n g a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y . S t e e l fi b e r s h a v e b e e n f o u n d t o i n c r e a s e t h e fi r s t — c r a c k a n d u l t i m a t e fl e x u r a l s t r e n g t h s o f c o n c r e t e . " T h e y a l s o m a k e m a j o r c o n t r i b u t i o n s t o t h e d u c t i l i t y a n d t o u g h n e s s ( r e p r e s e n t e d b y t h e a r e a u n d e r t h e l o a d - d e fl e c t i o n c u r v e ) o f t h e m a t e r i a l . S t e e l fi b e r s , w i t h t h e i r d e s i r a b l e p u l l - o u t p e r f o r m a n c e , a r e e s p e c i a l l y e f f e c t i v e a t r e l a t i v e l y l a r g e d e f o r m a t i o n s a n d c r a c k w i d t h s . 3 . 2 . 5 M o i s t u r e - S e n s i t i v i t y W h i l e m o i s t c u r i n g i s p r e f e r r e d f o r u n m o d i fi e d c o n c r e t e ( c e m e n t h y d r a t i o n p r o c e e d s i n a m o i s t e n v i r o n m e n t ) , t h e f o r m a t i o n o f p o l y m e r n e t w o r k i n s i d e l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e t a k e s p l a c e a s a r e s u l t o f w a t e r e v a p o r a t i o n a n d t h u s r e q u i r e s a d r y e n v i r o n m e n t . “ ‘ ° F u r t h e r m o r e , i n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e , a p o l y m e r fi l m t e n d s t o b e f o r m e d n e a r t h e c o n c r e t e s u r f a c e ; t h i s fi l m i s e f f e c t i v e i n r e t a i n i n g t h e m o i s t u r e i n s i d e c o n c r e t e a t l e v e l s s u f fi c i e n t f o r t h e p r o g r e s s o f c e m e n t h y d r a t i o n . ‘ 3 I n L M C , t h e l a t e x fi l m f o r m a t i o n o n t h e s u r f a c e o f t h e m a t e r i a l , w h i c h p r e v e n t s r a p i d m o i s t u r e l o s s f r o m t h e c o n c r e t e , p r o v i d e s c o n d i t i o n s f o r w e t c u r i n g w i t h i n t h e c o n c r e t e e v e n t h o u g h t h e m a t e r i a l i s c u r e d i n a d r y e n v i r o n m e n t . “ 0 H e n c e , l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e , u n l i k e c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , g a i n s s t r e n g t h m o r e d e s i r a b l y i n d r y e n v i r o n m e n t s f o l l o w i n g a r e l a t i v e l y s h o r t p e r i o d o f m o i s t c u r i n g ( r e q u i r e d f o r i n i t i a l h y d r a t i o n o f c e m e n t ) . T h e a c t u a l w e t e x p o s u r e c o n d i t i o n s e n c o u n t e r e d i n fi e l d d u r i n g t h e l i f e p e r i o d 5 3 o f t h e s t r u c t u r e m a y n e g a t i v e l y i n fl u e n c e t h e p r o p e r t i e s o f L M C . I t h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t t h e r e w e t t i n g o f s o m e l a t e x c o n c r e t e s d u r i n g t h e d r y c u r i n g p e r i o d m a y c a u s e t h e l a t e x t o r e - e m u l s i f y o r r e d i s p e r s e , l e a d i n g t o r e d u c t i o n s i n s t r e n g t h p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l . “ 0 3 . 2 . 6 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h D e v e l o p m e n t i n C o n c r e t e U n d e r n o r m a l t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s s o m e c o m p o n e n t s o f P o r t l a n d c e m e n t s t a r t t o h y d r a t e a s s o o n a s t h e y g e t i n c o n t a c t w i t h t h e m i x i n g w a t e r ; b u t a s t h e p r o d u c t s o f h y d r a t i o n c o a t t h e a n h y d r a s e c e m e n t g r a i n s , t h e h y d r a t i o n r e a c t i o n s s t a r t s l o w i n g d o w n . I n g e n e r a l , t h e l o n g e r t h e m o i s t - c u r i n g p e r i o d t h e h i g h e r t h e s t r e n g t h t h a t c a n b e r e a c h e d a t a g i v e n w a t e r - c e m e n t r a t i o . F i g u r e 3 . 7 ’ 0 s h o w s t h e i n fl u e n c e o f c u r i n g c o n d i t i o n s o n c o n c r e t e s t r e n g t h w i t h r e s p e c t t o t h e a g e . I t i s g e n e r a l l y r e c o m m e n d e d t h a t P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e b e m o i s t - c u r e d f o r a m i n i m u m p e r i o d o f 7 d a y s . F i g u r e 3 . 7 s h o w s t h a t i f t h e c o n c r e t e s p e c i m e n i s m o i s t - c u r e d d u r i n g t h e e n t i r e c u r i n g p e r i o d , t h e m a x i m u m c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s w i t h a g e . T h e m a j o r i n c r e a s e i n s t r e n g t h i s s e e n t o o c c u r d u r i n g t h e fi r s t 2 8 d a y s o f c u r i n g . I n t h e c a s e o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e ( L M C ) , t h e m a t e r i a l m u s t u n d e r g o a s e c o n d c u r i n g m e c h a n i s m i n a d d i t i o n t o t h e u s u a l h y d r a t i o n o f c e m e n t i n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . ‘ 0 T h i s s e c o n d c u r i n g m e c h a n i s m c o n s i s t s o f t h e c o a l e s c e n c e o f t h e l a t e x p a r t i c l e s t o f o r m a fi l m t h a t m u s t c u r e t o g a i n i t s m a x i m u m s t r e n g t h . I t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t t h e c u r i n g o f t h i s l a t e x fi l m i s b e s t a c h i e v e d i n a d r y e n v i r o n m e n t . f e o t o / e r ° c , n o C h t g d n e e r r u t c i V U S - t e s v i i o s M s e y r a p D m o 8 I I C 2 N U 5 4 G o M o i s t - c u r e d e n t i r e t i m e R 3 0 1 I I n a i r a f t e r 7 d o y s e I l I I I I I I I l 1 0 1 O 0 1 1 1 3 7 2 8 9 0 i 8 0 A g e , D o y s F i g u r e 3 . 7 I n fl u e n c e o f A g e a n d C u r i n g C o n d i t i o n s o n t h e C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f C o n c r e t e . 5 0 3 . 2 . 7 B o n d B e t w e e n N e w a n d O l d C o n c r e t e O l d c o n c r e t e i s o v e r l a i d w i t h n e w c o n c r e t e i n m a n y c i r c u m s t a n c e s . L M C i s o n e e x c e l l e n t m a t e r i a l u s e d i n r e p a i r a p p l i c a t i o n s o v e r o l d c o n c r e t e . S o r o u s h i a n “ o r e p o r t s t h a t i m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n b o n d s t r e n g t h b e t w e e n f r e s h a n d o l d c o n c r e t e s c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h m o d i fi c a t i o n o f f r e s h c o n c r e t e b y l a t e x p o l y m e r s , a n d t h a t t h e s e i m p r o v e m e n t s a r e i m p o r t a n t i n r e p a i r a n d o v e r l a y a p p l i c a t i o n s o f c o n c r e t e . T h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n o l d a n d n e w c o n c r e t e s h a s b e e n m e a s u r e d b y 5 5 d i f f e r e n t t e s t m e t h o d s s u c h a s a d h e s i o n i n t e n s i o n , fl e x u r e a n d s h e a r ( s e e F i g u r e 3 . 8 ) . ” ‘ " A s t h i s fi g u r e s h o w s , a d h e s i o n t e s t s i n t e n s i o n c a n b e p e r f o r m e d u s i n g s p e c i m e n t y p e s T P a n d T B , a d h e s i o n i n fl e x u r e u s i n g s p e c i m e n F , a n d a d h e s i o n i n d i r e c t s h e a r u s i n g s p e c i m e n s S S C a n d S S B . F i g u r e 3 . 9 ” s u m m a r i z e s t h e b o n d s t r e n g t h t e s t r e s u l t s o f L M m o r t a r s i n v a r i o u s a d h e s i o n t e s t s . I t c a n b e c l e a r l y s e e n t h a t t h e b o n d s t r e n g t h o f t h e L M s p e c i m e n s d e p e n d s o n t h e t e s t m e t h o d a n d t h e l a t e x - c e m e n t r a t i o . I t c a n a l s o b e c o n c l u d e d t h a t t h e a d h e s i o n c a p a c i t y o f L M m o r t a r s i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g l a t e x - c e m e n t r a t i o r e g a r d l e s s o f t h e l a t e x t y p e u s e d . A n e x c e p t i o n i s t o b e m a d e f o r a d h e s i o n i n s l a n t c o m p r e s s i v e s h e a r w h i c h a t t a i n s a m a x i m u m a t a l a t e x - c e m e n t r a t i o o f a b o u t 5 % . A l l s p e c i m e n s c o n t a i n i n g a l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 2 0 % s h o w e d l o w e r a d h e s i o n i n s l a n t s h e a r t h a n p l a i n m o r t a r s . O h a m a ” a l s o f o u n d t h a t a d h e s i o n i n s l a n t c o m p r e s s i v e s h e a r i s m u c h l a r g e r t h a n t h a t o f a l l o t h e r t e s t m e t h o d s i n v e s t i g a t e d . T h i s c a n b e d u e t o t h e f a c t t h a t i n t h i s p a r t i c u l a r a d h e s i o n t e s t , t h e e f f e c t s o f s h e a r a n d c o m p r e s s i v e s t r e s s e s a r e c o m b i n e d t o g e t h e r . 8 ! ! P C a : : : S P B u o o b l n s y d t s i r s n a r g t - e J I o o d i i n r t i e d l o r t s r A d F i g u r e 3 . 8 t h o T S e h s e t a M . r e ” h d e s i o n T e s t i n C s f o r A d h e s i o o n s p r e i n s T I n S s i v e l s a n n e t e ( r l n d i r e e n s i o n , F l e x u r c e t ) S h ( U n i e t a : r s s ) a n d C o m p r e s s i v e 5 6 A d h e s i o n T e s t i n F l e x u r e I n D i r e c t S h e a r 5 7 W a l l e t a l . ” a l s o r e p o r t r e s u l t s o f d i f f e r e n t t e s t m e t h o d s f o r m e a s u r i n g t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e . I t h a s b e e n c o n c l u d e d t h a t t h e s l a n t s h e a r t e s t i s m o s t s e n s i t i v e t o t h e v a r i a t i o n s i n b o n d s t r e n g t h . I n a d d i t i o n , t h e r e s u l t s o f t h i s t e s t h a d a l o w c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n ( n o t i n g t h a t s o m e i n v e s t i g a t o r s “ d o n o t a g r e e w i t h t h i s c o n c l u s i o n ) . T h i s r e f e r e n c e a l s o i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t p a r a m e t e r s o n t h e b o n d s t r e n g t h o b t a i n e d w i t h s l a n t s h e a r t e s t . S u c h p a r a m e t e r s i n c l u d e : w a t e r - c e m e n t r a t i o , e f f e c t o f v a r i o u s c u r i n g c o n d i t i o n s , a n d t h e e f f e c t o f w e t t i n g t h e s u r f a c e o f t h e h a r d e n e d c o n c r e t e b e f o r e a p p l i c a t i o n o f t h e o v e r l a y m a t e r i a l . I t w a s c o n c l u d e d t h a t p r o - w e t t i n g t h e b o n d s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e c o n c r e t e b e f o r e a p p l i c a t i o n o f t h e o v e r l a y h a s a s m a l l e f f e c t o n b o n d s t r e n g t h . N o c o n c l u s i o n s w e r e o b t a i n e d r e g a r d i n g t h e e f f e c t o f w a t e r - c e m e n t r a t i o . C u r i n g o f s p e c i m e n s i n 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y f o r 2 8 d a y s b e f o r e t e s t i n g y i e l d e d s m a l l e r b o n d s t r e n g t h r e s u l t s w h e n c o m p a r e d w i t h t h e a i r c u r i n g c o n d i t i o n . K u h l m a n n “ s u g g e s t s a n e w b o n d t e s t . T h i s t e s t h a s y i e l d e d a c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n l e s s t h a n 1 0 % . A f t e r o n e d a y o f c u r i n g , t h i s t e s t s h o w s a t e n d e n c y t o w a r d s f a i l u r e i n t h e L M C o v e r l a y . I n f a c t , b r o k e n a g g r e g a t e s a p p e a r e d i n t h e f r a c t u r e d L M C a t e a r l y a g e s , t h u s i n d i c a t i n g a n i n c r e a s e i n t h e b o n d t o t h e a g g r e g a t e s u r f a c e d u e t o l a t e x m o d i fi c a t i o n . F i g u r e 3 . 1 0 i n d i c a t e s t h a t a f t e r 9 0 d a y s o f c u r i n g , f a i l u r e w a s p r e d o m i n a n t l y i n t h e b a s e c o n c r e t e . 0 8 3 r 0 0 s c I ? n e T x u I ) z - l l i f ( n o i s e h d A : I t 5 ? 0 : ” 5 ' a 3 c : 8 O ° M 3 0 3 , o 4 “ “ ° ‘ . 5 f s O ? 5 3 a 1 3 ’ . 0 ” i l 9 n p i 0 P / I C I T . T e n s S . i F I T o l I S I P I C I L - T r s i T o ) l e F i ! T P L e / n C I ) 2 — I I uo I I ( n o i s e h d A s i t : : e o 3 s h S e T e fl r 8 r — : 5 8 i 1 i s % d r e a n s I ‘ P " ! 1 " s i F o l n e I x u r : 5 3 n - s A e fl s 8 l 5 e V T T I i o f n i ‘ e F x T ' u r s a e E S h e - M e s c P s e A s c a r e s o 3 e s o ‘ r t S 0 a s 8 c s n e e r T e n n e l x u r e 0 — I l i s I x ’ u n e t a r 1 r x l u r s r 1 - t r S s h a s 0 r s e s h o a S s c e s o c e 0 e ' r 5 I I I O [ I I I 2 0 fl ‘ H n T T s l i F o o l t T e e d I f i T n n s T “ ! i s s i F o l n e x u r e S h e 8 e r 5 8 e s a : r T e I I I S ‘ s i a a S s s c r — e a s a r 2 r s p c 0 e 2 0 ‘ a T s T o s i F o I l r n e T e n d I d i f i e “ ‘ w T s T o e i F r x ' u r - n e l T e n s e s a r L fl s . I fl fl 5 8 1 5 L S D I - I o d i f i e d I o r t s r s ' F r F r ” r F r p O r ? I ! I 0 T T F s s 5 : 3 ‘ T T F S S s E ; ‘ T T F S s s s ‘ T T F S s 8 S W 4 2 2 : » " a r e : . . 2 : : . . s a r i . . t o f g a s 4 L 1 ‘ s t T e n s i o n S h e e r T e n s i o n T S h e e r T e n s i o n l S h e e r T e n s i o n T r E N ” F l e x u r e f i s s u r e f i s s u r e F l e x u r e F i g u r e 3 . 9 E f f e c t s o f T e s t M e t h o d o n A d h e s i o n ( i n T e n s i o n , F l e x u r e a n d C o m p r e s s i v e S h e a r ) o f P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s W i t h V a r i o u s P o l y m e r - C e m e n t R a t i o s . ” % / / / / / / / / / / / / / / / / / r / 7 / / fl / / / % / / / / / / / % / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / . / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / a / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / b r i d g e d e c k s a t t r i b u t a b l e t o f r o s t a c t i o n ( f r e e z e - t h a w c y c l e s ) . T h e f r o s t d a m a g e i n r e p a i r a n d r e p l a c e m e n t i s t h e d a m a g e t o c o n c r e t e p a v e m e n t s , r e t a i n i n g w a l l s a n d O n e o f t h e m a j o r p r o b l e m s i n c o l d c l i m a t e s r e q u i r i n g h e a v y e x p e n d i t u r e s f o r 3 . 2 . 8 F r e e s e - T h a w D u r a b i l i t y F i g u r e 3 . 1 0 T e n s i l e B o n d T e s t M o d e s o f F a i l u r e . 4 4 I B o n d 7 / / , B a s e C o n c r e t e I . ‘ L M C n - n u m b e r o f s a m p l e s C u r e T i m e , D a y s % A r e a M o d e o f F a i l u r e 5 9 6 0 c o n c r e t e c a n t a k e s e v e r a l f o r m s . T h e m o s t c o m m o n i s c r a c k i n g a n d s p a l l i n g o f c o n c r e t e t h a t i s c a u s e d b y a g g r e s s i v e e x p a n s i o n o f t h e c e m e n t p a s t e m a t r i x u n d e r r e p e a t e d f r e e z e - t h a w c y c l e s . F r o s t d a m a g e m a y a l s o o c c u r i n t h e a g g r e g a t e s . W h e n w a t e r t u r n s t o i c e , t h e c o r r e s p o n d i n g v o l u m e i n c r e a s e ( ~ 9 % ) c a u s e s t h e r e s i d u a l w a t e r i n a c a p i l l a r y t o b e c o m p r e s s e d . T h i s p r e s s u r e c a n b e r e l i e v e d i f t h e w a t e r c a n e s c a p e f r o m t h e c a p i l l a r y t o a f r e e s p a c e b y d i f f u s i n g t h r o u g h u n f r o z e n p o r e s , b u t i f t h e w a t e r h a s t o o f a r t o m o v e t o a n e s c a p e b o u n d a r y , t h e c a p i l l a r y w i l l t e n d t o d i l a t e a n d t h e s u r r o u n d i n g m a t e r i a l w i l l c o m e u n d e r s t r e s s ( s e e F i g u r e 3 . 1 1 ) . 5 1 W a t e r m i g r a t e s t o M i c r o c r a c k . . % / + ‘ w / fi . / f r e e z e s d t h e g e \ f , / ‘ @ » % § , / ‘ X i I l g X t I l ( a ) N o n A i r E n t r a i n e d P a s t e ( b ) A i r E n t r a i n e d P a s t e F i g u r e 3 . 1 1 C r e a t i o n o f H y d r a u l i c P r e s s u r e i n F r o z e n C e m e n t P a s t e . “ 6 1 T h e s u p e r p o s i t i o n o f p r e s s u r e f r o m a d j a c e n t c a p i l l a r i e s w i l l e v e n t u a l l y c a u s e t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e p a s t e t o b e e x c e e d e d a n d r u p t u r e w i l l o c c u r . A s t h e t e m p e r a t u r e i s l o w e r e d , m o r e c a p i l l a r y w a t e r i s i n v o l v e d i n f r e e z i n g , i n c r e a s i n g t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e , a n d t h e r e b y i n c r e a s i n g m i c r o c r a c k i n g a n d d i l a t i o n . W h e n t h e c e m e n t p a s t e i s s a t u r a t e d a n d n o n - a i r - e n t r a i n e d , t h e o n l y f r e e s p a c e i s t h e e x t e r i o r o f t h e s p e c i m e n , a n d t h e d i f f u s i o n o f w a t e r i s t o o s l o w t o r e l i e v e t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e . T h e r e f o r e , i t i s v e r y a d v a n t a g e o u s t o e n t r a i n s o m e a i r i n t o t h e c e m e n t m a t r i x . T h e i n c l u s i o n o f e n t r a i n e d a i r p r o v i d e s e m p t y s p a c e w i t h i n t h e p a s t e i n t o w h i c h t h e e x c e s s w a t e r c a n m o v e a n d f r e e z e w i t h o u t d a m a g e . T h e s p a c i n g b e t w e e n t h e a i r b u b b l e s d e t e r m i n e s t h e a v e r a g e d i s t a n c e t h e w a t e r m u s t t r a v e l t o r e a c h t h e f r e e s p a c e . T h i s d i s t a n c e m u s t n o t b e t o o l a r g e i f t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e a c c o m p a n y i n g i c e f o r m a t i o n i s t o b e r e l i e v e d . S o m e r o c k s a r e s u s c e p t i b l e t o d a m a g e u p o n f r e e z i n g a n d t h a w i n g a n d m a y t h e r e f o r e c o n t r i b u t e t o c o n c r e t e d a m a g e . T h e s a m e c o n c e p t o f d e v e l o p m e n t o f h y d r a u l i c p r e s s u r e i s a p p l i e d t o t h e s e r o c k s . T h e r e i s t h u s a c r i t i c a l s i z e o f a g g r e g a t e a b o v e w h i c h i t i s l i a b l e t o f r a c t u r e . T h i s c r i t i c a l s i z e i s a m e a s u r e o f t h e m a x i m u m d i s t a n c e w a t e r m u s t fl o w t o r e a c h t h e o u t s i d e s u r f a c e i n o r d e r t o r e l i e v e t h e h y d r a u l i c p r e s s u r e . F o r m o s t r o c k s t h e c r i t i c a l s i z e i s g r e a t e r t h a n t h e m a x i m u m s i z e u s e d f o r c o a r s e a g g r e g a t e s . O n c e s a t u r a t e d , t h e c r i t i c a l s i z e o f t h e r o c k s c a n b e c o m e l e s s t h a n t h e s i z e p r e s e n t i n t h e a g g r e g a t e a n d f r a c t u r e i n t h e a g g r e g a t e c a n o c c u r . A i r e n t r a i n m e n t i n c o n c r e t e c o n t r o l s t h e e s c a p e b o u n d a r i e s i n t h e c e m e n t p a s t e m a t r i x . I t i s n o t t h e t o t a l a i r , b u t t h e v o i d s p a c i n g o f t h e o r d e r o f 0 . 1 t o 0 . 2 m m ( 0 . 0 0 4 t o 0 . 0 0 8 i n ) w i t h i n e v e r y p o i n t i n t h e h a r d e n e d c e m e n t , t h a t i s n e c e s s a r y f o r 1 4 0 S U L U D O M C I M A N Y D E V I T A L E R 1 4 0 I r 1 4 0 r r 6 2 p r o t e c t i o n o f c o n c r e t e a g a i n s t f r o s t d a m a g e . T h e e f f e c t o f a d d i n g l a t e x t o t h e c o n c r e t e m a t r i x o n i t s f r e e z e - t h a w r e s i s t a n c e i s s h o w n i n ' F i g u r e 3 . 1 2 . 3 7 T h e i n t r o d u c t i o n o f d i f f e r e n t l a t e x t y p e s a t a l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 5 % s h o w e d s u b s t a n t i a l i m p r o v e m e n t s i n t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f t h e m o r t a r . A n i n c r e a s e i n l a t e x - c e m e n t r a t i o a b o v e 5 % , h o w e v e r , d o e s n o t s e e m t o p r o v i d e a n y a d d i t i o n a l r e s i s t a n c e a g a i n s t r e p e a t e d f r e e z e - t h a w c y c l e s . I I P O L Y M E R - P O L Y M E R - P O L Y M E R - C E M E N T C E M E N T C E M E N T 1 2 0 _ R A T I O v 7 ‘ - 1 2 0 - R A T I O , a s _ 1 2 0 - R A T I O , a t . . 5 U ) C D 1 0 0 3 1 0 0 3 1 0 0 D D 1 0 8 8 I 2 0 8 * 8 0 8 U S B O J P O 1 8 * 8 0 o z a p o : < : > ‘ r 4 I f 5 : » ~ E E : I E E : 2 4 0 Q o 4 0 " \ d C U 4 0 a ( D g U ) . . 3 H < . H ‘ m 2 ; ; h . ; a z o ' ' E i a . 2 ° " ‘ 3 “ 2 0 - 4 o o : o E ‘ 5 l l I I l l o 1 0 0 2 0 0 3 0 0 o 1 0 0 2 0 0 3 0 0 o 1 0 0 2 0 0 3 0 0 m e n o r C Y C L E S o r m e a n s a r m m e m e ( a ) S B R - M o d i fi e d ( b ) P A E - M o d i fi e d ( c ) E V A - M o d i fi e d F i g u r e 3 . 1 2 F r e e z e - T h a w R e s i s t a n c e o f P l a i n a n d l a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e s . ” 6 3 A d d i n g s t e e l fi b e r s t o t h e c o n c r e t e m a t r i x d o e s n o t s e e m t o h a v e a m a j o r e f f e c t o n t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . F o r t h e c a s e o f h i g h e n t r a i n e d a i r c o n t e n t s , F i g u r e 3 . 1 3 ( a ) l o s h o w s t h a t S F R C h a s a s l i g h t l y b e t t e r d u r a b i l i t y t h a n p l a i n c o n c r e t e . F o r c o n c r e t e s w i t h l e s s a i r c o n t e n t , S F R C s h o w s b e t t e r d u r a b i l i t y f o r t h r e e o u t o f fi v e m i x t u r e s a s s e e n i n F i g u r e s 3 . 1 3 ( b ) a n d 3 . 1 3 ( c ) . l o I t i s t h e n c o n c l u d e d t h a t F R C b e h a v i o r i s s i m i l a r t o t h a t o f p l a i n c o n c r e t e u n d e r f r e e z e - t h a w c y c l e s a t t h e s a m e a i r c o n t e n t . T h e w a t e r - c e m e n t r a t i o a l s o h a s a n i m p o r t a n t e fl ‘ e c t o n t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . I n g e n e r a l , t h e h i g h e r t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o f o r a g i v e n d e g r e e o f h y d r a t i o n , t h e h i g h e r w i l l b e t h e v o l u m e o f l a r g e c a p i l l a r y p o r e s i n t h e h y d r a t e d c e m e n t p a s t e , a n d t h e r e f o r e t h e g r e a t e r t h e a m o u n t o f f r e e m b l e w a t e r w i l l b e . I t w a s f o u n d 1 0 t h a t f o r a w a t e r — c e m e n t r a t i o o f m o r e t h a n 0 . 4 , a t a c e m e n t c o n t e n t l e s s t h a n 4 1 5 k g / m ’ ( 7 0 0 1 b / y d 3 ) , a n d w i t h a m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o f 2 5 m m ( 1 i n ) , a m i n i m u m o f 6 . 0 % , p r e f e r a b l y 8 % , a i r c o n t e n t s h o u l d b e u s e d t o a v o i d d e t e r i o r a t i o n u n d e r f r e e z e - t h a w c y c l i n g . H o w e v e r , s i n c e i n m o s t fi e l d c a s e s t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o i s g r e a t e r t h a n 0 . 4 , i f t h e s t r u c t u r e i s g o i n g t o b e e x p o s e d t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g , 8 % a i r s h o u l d b e s p e c i fi e d . T h e a g g r e g a t e g r a d i n g a l s o a fl ' e c t s t h e v o l u m e o f e n t r a i n e d a i r , w h i c h t e n d s t o b e d e c r e a s e d b y a n e x c e s s o f v e r y fi n e s a n d p a r t i c l e s . A d d i t i o n o f a d m i x t u r e s s u c h a s fl y a s h h a s a s i m i l a r e f f e c t . I n g e n e r a l , a m o r e c o h e s i v e c o n c r e t e m i x t u r e i s a b l e t o h o l d m o r e a i r t h a n e i t h e r a v e r y w e t o r a v e r y s t i f f c o n c r e t e . E G A l " S M E F . s u m m ' M I M “ l l u H , s u m M " ? A L I 6 4 7 “ " ” C I T E ( A l l [ 0 ' 9 m m o n o m e r i c - A m ( a ) H i g h A i r C o n t e n t W w a s o u r 1 1 ' ! - A l l m ” ( 7 c u t 1 0 % A l l ! C r - R fl l M N m L 7 7 . a n ( b ) L o w A i r C o n t e n t F i g u r e 3 . 1 3 C o m p a r i s o n s B e t w e e n t h e F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y o f P l a i n a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e s . m 6 5 3 . 2 . 9 S c a l i n g R e s i s t a n c e C o n c r e t e t h a t i s a d e q u a t e l y a i r - e n t r a i n e d f o r f r o s t r e s i s t a n c e m a y n e v e r t h e l e s s b e d a m a g e d b y r e p e a t e d a p p l i c a t i o n o f d e i c i n g s a l t s . C o n c r e t e t h a t h a s s u f f e r e d s a l t s e a l i n g b e c o m e s r o u g h e n e d a n d p i t t e d d u e t o t h e s p a l l i n g o f s m a l l p i e c e s o f m o r t a r . I t h a s b e e n s u g g e s t e d t h a t t h e c o n s u m p t i o n o f h e a t r e q u i r e d t o m e l t i c e w h e n d e i c e r i s a p p l i e d c a u s e s a r a p i d d r o p i n t h e t e m p e r a t u r e o f c o n c r e t e j u s t b e l o w t h e s u r f a c e , w h i c h m a y c a u s e d a m a g e e i t h e r f r o m t h e e f f e c t s o f r a p i d f r e e z i n g o r s t r e s s c a u s e d b y d i f f e r e n t i a l t h e r m a l s t r a i n s . T h e a d d i t i o n a l f r e e m o i s t u r e p r e s e n t a t t h e s u r f a c e o f c o n c r e t e m a y e n c o u r a g e t h e g r o w t h o f m i c r o s c o p i c o r m a c r o s c o p i c i c e l e n s e s n e a r t h e s u r f a c e , w h e r e i c e f o r m a t i o n c a n s t i l l o c c u r . O s m o s i s h a s a l s o b e e n s u g g e s t e d a s a m e c h a n i s m o f s a l t s c a l i n g . D e - i c i n g c h e m i c a l s c a n a c c u m u l a t e i n c o n c r e t e j u s t b e l o w i t s s u r f a c e t o f o r m r e l a t i v e l y c o n c e n t r a t e d s o l u t i o n s . ‘ l S c a l i n g i s m o s t l i k e l y t o o c c u r o n s u r f a c e s t h a t h a v e b e e n o v e r - v i b r a t e d , t r o w e l e d t o o e a r l y a n d t o o l o n g , s u b j e c t e d t o p l a s t i c s h r i n k a g e , o r w h e r e e x c e s s i v e b l e e d i n g h a s o c c u r r e d . ' S u c h s u r f a c e s t e n d t o h a v e a w e a k l a y e r o f p a s t e o r m o r t a r e i t h e r a t t h e s u r f a c e o r j u s t b e l o w i t , a n d m a y h a v e m i c r o c r a c k s o r b l e e d i n g c h a n n e l s t h a t e a n t r a n s p o r t s u r f a c e s o l u t i o n s t o l o w e r l e v e l s . I f a d e q u a t e m o i s t - c u r i n g i s f o l l o w e d b y a p e r i o d o f d r y i n g b e f o r e d e - i c i n g c h e m i c a l s a r e a p p l i e d , s c a l i n g s h o u l d n o t b e a p r o b l e m . T a b l e 3 . 3 ” i n d i c a t e s r e c o m m e n d e d c u r i n g t i m e s f o r a i r - e n t r a i n e d p a v e m e n t s . P o l y m e r m o d i fi c a t i o n h a s b e e n o b s e r v e d t o i m p r o v e t h e s c a l i n g r e s i s t a n c e o f m o r t a r . F o l l o w i n g a f r e e z e - t h a w s c a l i n g t e s t i n t h e p r e s e n c e o f r o c k s a l t ( A S T M C - 2 9 m o d i fi e d b y I l l i n o i s H i g h w a y D e p a r t m e n t ) , ‘ 7 a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 4 , t h e a c r y l i c 6 6 l a t e x - m o d i fi e d t o p p i n g w i t h 1 0 % p o l y m e r — c e m e n t r a t i o w a s o n l y m a r g i n a l l y s p a l l e d , w h e r e a s t h e u n m o d i fi e d m o r t a r w a s s e v e r e l y p i t t e d a n d e r o d e d . T a b l e 3 . 3 M i n i m u m M o i s t - C u r i n g T i m e s t o D e v e l o p S a l t S c a l i n g R e s i s t a n c e . ” M i n i m u m C u r i n g P e r i o d ( d a y s ) l l C e m e n t T y p e 2 3 ° c ( 7 3 ° F ) 4 ° c ( 3 9 ° F ) 4 ° c ( 2 5 ° F ) I I I 7 1 5 > 6 0 I I 7 1 2 3 5 I I I 7 7 2 4 6 0 F R E E Z E / T H A W C Y C L E S U N M O D I F I E D F i g u r e 3 . 1 4 F r e e z e - T h a w S c a l i n g R e s i s t a n c e o f A c r y l i c M o d i fi e d M o r t a r . ‘ 7 6 7 3 . 2 . 1 0 P h y s i c a l P r o p e r t i e s 3 . 2 . 1 0 . 1 W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y : T h e w a t e r a b s o r p t i o n o f c o n c r e t e h a s b e e n f o u n d “ t o b e r e d u c e d s i g n i fi c a n t l y b y i n c r e a s i n g t h e p o l y m e r - c e m e n t r a t i o , b u t h a r d l y c h a n g e d b y i n c r e a s i n g t h e s t e e l fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 5 . W a t e r A b s o r p t i o n ( % ) 1 5 * 1 0 1 ” r l l o l l O 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 S t e e l F i b e r C o n t e n t ( v o l . % ) * L / c - O ' I . + L i e - 1 0 $ + L i e - 5 % ‘ 9 ' L i e - 2 0 $ F i g u r e 3 . 1 5 S t e e l F i b e r C o n t e n t a n d P o l y m e r - C e m e n t R a t i o v s . 4 8 - h o u r W a t e r A b s o r p t i o n o f C o n c r e t e . “ 3 . 2 . 1 0 . 2 D r y i n g S h r i n k a g e : D r y s h r i n k a g e i s a v e r y i m p o r t a n t p h e n o m e n o n i n h a r d e n e d c o n c r e t e m a t e r i a l s . I n f a c t , n o t a l l o w i n g a d e q u a t e l y f o r t h e e f f e c t s o f d r y i n g s h r i n k a g e i n c o n c r e t e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n m a y l e a d t o s e v e r e c r a c k i n g o r w a r p i n g o f e l e m e n t s o f t h e s t r u c t u r e d u e t o r e s t r a i n t s p r e s e n t i n s t r u c t u r e s a g a i n s t s h r i n k a g e . “ 6 8 M a n y f a c t o r s a fl ' e c t s h r i n k a g e o f c o n c r e t e . T h e s e i n c l u d e : 0 P a s t e P a r a m e t e r s : p o r o s i t y , c u r i n g t e m p e r a t u r e , c e m e n t c o m p o s i t i o n , m o i s t u r e c o n t e n t , a n d a d m i x t u r e s . 0 C o n c r e t e P a r a m e t e r s : a g g r e g a t e s t i f f n e s s , a g g r e g a t e a n d c e m e n t c o n t e n t s , a n d t h i c k n e s s . 0 E n v i r o n m e n t a l P a r a m e t e r s : r e l a t i v e h u m i d i t y , r a t e o f d r y i n g , a n d t i m e o f d r y i n g . O n c e a c o n c r e t e m a t r i x h a s d r i e d , p a r t o f t h e t o t a l s h r i n k a g e t h a t o c c u r s i s i r r e v e r s i b l e ( F i g u r e 3 . 1 6 ) , ” 0 t h u s i m p l y i n g a n i m p r o v e m e n t i n t h e d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y a fi e r fi r s t d r y i n g o f c o n c r e t e a n d t h i s m a k e s t h e u s e o f p r e c a s t c o n c r e t e p r o d u c t s a d v a n t a g e o u s . M o i s t u r e l o s s a n d d r y i n g s h r i n k a g e a r e c l o s e l y r e l a t e d ( s e e F i g u r e 3 . 1 7 ) . 5 0 I n t h i s fi g u r e , d o m a i n s ( 1 ) a n d ( 2 ) a r e a t t r i b u t e d t o l o s s o f w a t e r f r o m c a p i l l a r y p o r e s , d o m a i n ( 3 ) r e p r e s e n t s l o s s o f a d s o r b e d w a t e r f r o m t h e s u r f a c e s o f C - S - H p a r t i c l e s ( w h i c h c o n s t i t u t e m u c h o f t h e c e m e n t h y d r a t i o n p r o d u c t s ) , d o m a i n ( 4 ) r e s u l t s f r o m l o s s o f w a t e r t h a t c o n t r i b u t e s t o t h e s t r u c t u r e 0 E C - S - H , a n d d o m a i n ( 5 ) i s d u e t o d e c o m p o s i t i o n o f C - S - H . 6 9 1 0 0 0 ‘ D r y i n g > < R e w e t t i n g — > ‘ 8 0 0 " ' i ’ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2 i T x 6 0 0 T e R e v e r s i b l e . S s h r i n k a g e T o t a l 0 . h s h r i n k a g e 3 4 0 0 ‘ - _ _ _ _ _ _ _ _ . _ 1 . 2 l ‘ 1 § I r r e v e r s i b l e 2 . — 2 w s h r i n k a g e 0 1 1 1 1 1 1 l 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 T i m e ( d a y s ) F i g u r e 3 . 1 6 T y p i c a l B e h a v i o r o f C o n c r e t e U p o n D r y i n g a n d R e w e t t i n g . ’ o % R H - — 9 5 ‘ r 8 5 - 7 5 S h r i n k a g e - 6 5 c a u s e d b y _ _ 5 5 > l o w e r i n g _ 4 r e l a t i v e S e ; _ 1 3 h u m i d i t y 0 9 x . E 5 _ _ _ _ _ 2 _ J _ D - d r y i n g 1 0 5 ° F — O — d r y i n g S h r i n k a g e c a u s e d b y ® r a i s i n g 4 2 0 0 ° C t e m p e r a t u r e 1 1 1 1 a 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 W e i g h t l o s s ( % ) F i g u r e 3 . 1 7 S h r i n k a g e - M o i s t u r e L o s s R e l a t i o n s h i p s i n P u r e C e m e n t P a s t e s D u r i n g D r y i n g . 7 0 T h r e e m e c h a n i s m s a r e k n o w n t o c a u s e d r y i n g s h r i n k a g e o f c e m e n t p a s t e , n a m e l y , c a p i l l a r y s t r e s s , d i s j o i n i n g p r e s s u r e , a n d s u r f a c e t e n s i o n ( s e e F i g u r e 3 . 1 8 ) . 0 C a p i l l a r y S t r e s s : T h e l a r g e r c a p i l l a r i e s , w h i c h a r e e m p t i e d a t r e l a t i v e h u m i d i t i e s d o w n t o a b o u t 9 5 % , h a v e a r e l a t i v e l y l a r g e v o l u m e - t o - s u r f a c e r a t i o a n d d e v e l o p r a t h e r s m a l l s t r e s s e s . A t l o w e r h u m i d i t i e s , a l t h o u g h t h e c a p i l l a r y v o l u m e b e c o m e s m u c h s m a l l e r , s t r e s s e s r i s e q u i t e r a p i d l y . T h e s e s t r e s s e s i n t h e p r e s e n c e o f w a t e r , c a u s e d i l a t i o n ; l o s s o f w a t e r t h u s l e a d s t o s h r i n k a g e . O D i s j o i n i n g P r e s s u r e : A n a s s e m b l y o f c o l l o i d a l p a r t i c l e s , a s i n C - S - H s u r f a c e , c r e a t e s a d i s j o i n i n g p r e s s u r e t h a t i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g t h i c k n e s s o f t h e a d s o r b e d w a t e r ( i . e . , i n c r e a s i n g r e l a t i v e h u m i d i t y ) . T h e p a r t i c l e s w i l l b e f o r c e d a p a r t w h e n t h i s d i s j o i n i n g p r e s s u r e e x c e e d s t h e V a n d e r W a a l s ’ a t t r a c t i o n s t h u s c r e a t i n g a d i l a t i o n ; l o s s o f w a t e r t h u s p r o d u c e s s h r i n k a g e . 0 S u r f a c e F r e e E n e r g y : W h e n n o c a p i l l a r y s t r e s s o r d i s j o i n i n g p r e s s u r e a r e p r e s e n t ( b e l o w 4 0 % R . H . ) , s h r i n k a g e i s e x p l a i n e d b y c h a n g e s i n s u r f a c e e n e r g y . A s o l i d p a r t i c l e i s s u b j e c t e d t o a m e a n p r e s s u r e o f : 1 5 , : 2 G S / 3 w h e r e , G = s u r f a c e e n e r g y , J / m 2 S = s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , m z l g S i n c e S i s l a r g e f o r C - S - H , P ‘ , c a n b e l a r g e a n d c a u s e s c o m p r e s s i o n i n t h e s o l i d . T h e a d s o r p t i o n o f w a t e r o n t h e s u r f a c e d e c r e a s e s G a n d l e a d s t o r e d u c e d P . . . v a l u e s . L o s s o f w a t e r w h i c h c a u s e s a n i n c r e a s e d c o m p r e s s i o n i n t h e s o l i d d u e t o i n c r e a s e d s u r f a c e e n e r g y t h u s l e a d s t o s h r i n k a g e m o v e m e n t s . W e \ u s t m W i / > - : ~ 1 P m , — H W P 6 8 9 . i # 4 — . / / ” , 1 0 0 % R 5 0 % R H / / / / / W / 0 1 0 % R H d ~ 2 0 A D 1 y r 1 O ! l 0 — > ! ~ d ~ \ A d ~ 1 l i P — ” A % 6 0 % R “ 4 ‘ 6 0 % R H 3 0 % R H ‘ ( a l ( b ) W 7 1 ( c ) F i g u r e 3 . 1 8 M e c h a n i s m s f o r C a u s e s o f D r y i n g S h r i n k a g e o f C e m e n t P a s t e : ( a ) C a p i l l a r y S t r e s s ; ( b ) D i s j o i n i n g P r e s s u r e ; ( c ) S u r f a c e T b n s r o n . 7 2 T h e d r y i n g s h r i n k a g e o f c o n c r e t e i s l e s s t h a n t h a t f o r p a s t e d u e t o t h e e x i s t e n c e o f a g g r e g a t e s t h a t h a v e r e s t r a i n i n g e fl ‘ e c t s . G e n e r a l l y s p e a k i n g , a g g r e g a t e s a r e d i m e n s i o n a l l y s t a b l e u n d e r c h a n g i n g m o i s t u r e c o n d i t i o n s . T h e a m o u n t o f r e s t r a i n t p r o v i d e d d e p e n d s o n t h e i r a m o u n t , s t i f f n e s s , a n d a l s o o n t h e m a x i m u m s i z e o f c o a r s e a g g r e g a t e s . T h e s t r e s s e s a t t h e c e m e n t p a s t e - a g g r e g a t e i n t e r f a c e s d u e t o d r y i n g s h r i n k a g e i n c r e a s e a s t h e m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e i n c r e a s e s . T h e s e h i g h e r i n t e r n a l s t r e s s e s r e s u l t i n i n c r e a s i n g a m o u n t s o f c r a c k i n g i n t h e i n t e r f a c i a l r e g i o n . T h e s p e c i m e n g e o m e t r y , s i z e a n d s h a p e w i l l d e t e r m i n e t h e r a t e o f m o i s t u r e l o s s a n d , t h e r e f o r e , t h e r a t e a n d m a g n i t u d e o f d r y i n g s h r i n k a g e . T h e c o m p o s i t i o n o f c e m e n t c a n a l s o i n fl u e n c e t h e s h r i n k a g e o f t h e c e m e n t p a s t e a n d / o r c o n c r e t e . I t s e f f e c t , h o w e v e r , i s n o t l a r g e . 3 . 3 M A T E R I A L S A N D M A N U F A C T U R I N G P R O C E D U R E S 3 . 3 . 1 M a t e r i a l s T h e m a t e r i a l s u s e d i n t h i s s t u d y w e r e c e m e n t , g r a v e l , s a n d , l a t e x , s t e e l fi b e r s , a n d r e g u l a r t a p w a t e r . T h e f o l l o w i n g i s a b r i e f d e s c r i p t i o n o f t h e s e m a t e r i a l s : 3 . 3 . 1 . 1 C e m e n t : R e g u l a r T y p e I P o r t l a n d c e m e n t w a s u s e d i n a l l t h e m i x t u r e s . T a b l e 3 . 4 p r e s e n t s t h e c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c e m e n t . 7 3 T a b l e 3 . 4 P r o p e r t i e s o f t h e P o r t l a n d C e m e n t T y p e I U s e d i n t h i s S t u d y . C o m p o u n d C a O S i O z A 1 2 0 3 F e Q O 3 M g O S O , K 2 0 C o n t e n t 6 3 . 2 2 1 . 1 5 . 7 6 2 . 9 3 2 . 0 6 2 . 4 6 0 . 7 9 ( 9 6 ) S p e c i fi c G r a v i t y 3 . 1 5 S p e c i fi c S u r f a c e ( m ’ l k g ) 1 6 0 3 . 3 . 1 . 2 S a n d : N a t u r a l s a n d w i t h g r a d a t i o n c u r v e s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 9 w a s u s e d i n t h i s s t u d y . T h i s g r a d a t i o n s a t i s fi e s t h e A S T M C - 3 3 r e q u i r e m e n t s f o r fi n e a g g r e g a t e s . 3 . 3 . 1 . 3 G r a v e l : T h e c o a r s e a g g r e g a t e u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s c r u s h e d l i m e s t o n e w i t h m a x i m u m p a r t i c l e s i z e o f 1 2 . 7 m m ( 1 / 2 i n ) . T h e c o a r s e a g g r e g a t e g r a d a t i o n c u r v e i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 2 0 . T h i s g r a d a t i o n s a t i s fi e s t h e A S T M C - 3 3 r e q u i r e m e n t s f o r c o a r s e a g g r e g a t e s , a n d i s c a t e g o r i z e d b y t h e M i c h i g a n D e p a r t m e n t o f T r a n s p o r t a t i o n a s G r a d e 2 5 A . F i g u r e 3 . 1 9 G r a d a t i o n C u r v e o f F i n e A g g r e g a t e s . F i g u r e 3 . 2 0 G r a d a t i o n C u r v e o f C o a r s e A g g r e g a t e s . 7 4 P e r c e n t P a s s i n g ( % ) 1 0 0 8 0 — — 6 0 4 O 1 . . “ _ _ - _ . . _ _ - - - . . - w _ _ _ . _ _ , . . - . s ” - 1 ” . - . 1 “ m m ” a H 2 0 / O 1 1 1 1 O 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 S i e v e O p e n i n g S i z e ( i n . ) P e r c e n t P a s s i n g ( % ) 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 O 2 0 ‘ O 4 1 l l 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 S i e v e O p e n i n g S i z e ( i n . ) 7 5 3 . 3 . 1 . 4 l a t e x : T h e l a t e x p o l y m e r , u s e d i n t h i s r e s e a r c h p r o j e c t i s B A S E S t y r o f a n 1 1 8 6 S t y r e n e - B u t a d i e n e d i s p e r s i o n ( s e e T a b l e 3 . 5 f o r p r o p e r t i e s ) T a b l e 3 . 5 P r o p e r t i e s o f t h e B A S E S t y r o f a n 1 1 8 6 P o l y m e r . T y p i c a l P r o p e r t i e s 1 ' T o t a l S o l i d s ( w t . % ) 4 7 S p e c i fi c G r a v i t y ‘ 1 . 0 1 p H ( 2 5 ° C ) 1 0 S u r f a c e T e n s i o n , m N / m ( l b / i n ) 3 8 ( 5 . 7 x 1 0 ‘ ) % i g h U W l u m e , k g / l ( l b / U . S . g a l ) ! 1 . 0 1 ( 8 . 3 ) 3 . 3 . 1 . 5 S t e e l F i b e r s : T h e s t e e l fi b e r s u s e d i n t h i s r e s e a r c h w e r e h o o k e d - e n d D R A M I X s t e e l fi b e r s w i t h a l e n g t h o f 3 0 m m ( 1 . 1 8 i n ) a n d a d i a m e t e r o f 0 . 5 m m ( 0 . 0 1 9 7 i n ) . T h e k e y p r o p e r t i e s o f t h e s e fi b e r s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 6 . T a b l e 3 . 6 T y p i c a l P r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r s U s e d . L e n g t h , D i a m e t e r A s p e c t C r o s s - S p e c i fi c m m m m ( i n ) R a t i o S e c t i o n a l G r a v i t y ( i n ) A r e a . m m 2 ( i n ’ ) 3 0 0 . 5 6 0 0 . 1 9 6 7 . 8 4 7 6 3 . 3 . 2 M a n u f a c t u r i n g P r o c e d u r e l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s ( w i t h d i f f e r e n t l a t e x a n d fi b e r c o n t e n t s ) w e r e m a n u f a c t u r e d i n a r o t a r y - t y p e d r u m m i x e r w i t h a c a p a c i t y o f 0 . 0 4 m 3 ( 1 . 1 4 f t ’ ) f o l l o w i n g t h e p r o c e d u r e d e s c r i b e d b e l o w : 1 . m i x t h e l a t e x w i t h w a t e r ; 2 . a d d t h e c o a r s e a n d fi n e a g g r e g a t e s p l u s 2 / 3 o f t h e l i q u i d ( i . e . , m i x t u r e o f l a t e x a n d w a t e r ) a n d m i x f o r a b o u t 2 m i n u t e s ; 3 . a d d 2 / 3 o f t h e c e m e n t ( w h i l e t h e m i x e r i s r u n n i n g ) a n d m i x f o r 2 t o 3 m i n u t e s o r u n t i l a u n i f o r m m i x t u r e i s a c h i e v e d ; 4 . a d d t h e s t e e l fi b e r s i n a g r a d u a l m a n n e r ; 5 . a d d t h e r e m a i n d e r o f t h e l i q u i d a n d c e m e n t , a n d m i x f o r a b o u t 3 m i n u t e s o r u n t i l a h o m o g e n e o u s m i x i s a c h i e v e d ; a n d 6 . s t o p t h e m i x e r f o r 2 t o 3 m i n u t e s , a n d t h e n m i x f o r a n a d d i t i o n a l 2 m i n u t e s . 3 . 4 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M F i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e s e a r c h e r s u s u a l l y u s e a w i d e r a n g e o f s t e e l fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s i n t h e i r m i x e s . T h e s e v o l u m e f r a c t i o n s r a n g e f r o m 0 . 2 5 u p t o 4 % o f t h e t o t a l c o n c r e t e b a t c h v o l u m e . I n r e a l l i f e a p p l i c a t i o n s , h o w e v e r , fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s b e l o w 1 % a r e m o s t c o m m o n l y u s e d . S o r o u s h i a n “ 2 r e p o r t s t h a t t h e b e s t fi b e r p e r f o r m a n c e w a s p r o d u c e d w i t h h o o k e d 5 0 m m x 0 . 5 m m ( 1 . 9 7 i n x 0 . 0 2 i n ) s t e e l fi b e r a d d i t i o n s i n v o l u m e f r a c t i o n s r a n g i n g f r o m 0 . 5 t o 1 . 0 % b y v o l u m e . T h i s 7 7 r e l a t i v e l y s m a l l fi b e r c o n t e n t p r o v i d e s d e s i r a b l e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e h a r d e n e d s t a t e w i t h o u t s i g n i fi c a n t l y d a m a g i n g w o r k a b i l i t y i n t h e f r e s h s t a t e . F u r t h e r m o r e , s i n c e w i t h t h i s s m a l l fi b e r c o n t e n t S F R C i s v e r y c o m p a r a b l e t o u n r e i n f o r c e d c o n c r e t e , i t c a n b e m o r e c o n v e n i e n t l y i n t r o d u c e d t o t h e m a r k e t . I n t h i s s t u d y , i n o r d e r t o d e v i s e a n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m , t h e l a t e x a n d fi b e r c o n t e n t s w e r e d e t e r m i n e d t o p r o v i d e a c c e p t a b l e f r e s h m i x q u a l i t i e s w h i l e p r e s e n t i n g p r o m i s e s f o r d e s i r a b l e h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s . 3 . 4 . 1 m a M i x O p t i m i m t i o n T h e m i x p r o p o r t i o n s o b t a i n e d i n t h i s s t u d y a f t e r a s e r i e s o f t r i a l s a n d e r r o r s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 7 . T h e s e m i x e s w e r e s e l e c t e d t o h a v e c o m p a r a b l e w o r k a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s , r e p r e s e n t e d b y a s l u m p o f 5 0 t o 7 0 m m ( 2 t o 3 i n ) f o r p l a i n ( n o n m o d i fi e d a n d l a t e x m o d i fi e d ) c o n c r e t e s , a n d w i t h a n i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f 2 5 s e c a n d a V e B e t i m e o f 7 t o 9 s e c f o r t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s ( w i t h a n d w i t h o u t l a t e x ) “ T a b l e 3 . 7 M i x P r o p o r t i o n s U s e d i n E x p e r i m e n t a l W o r k . V , L / c w / c s l u m p , i n V e b e T i m e A i r ( % ) ( % ) ( m m ) ( s e c ) C o n t e n t ( 5 ‘ ) 0 0 0 . 4 3 6 . 0 ~ — 5 . 5 ( 1 5 2 ) 0 1 0 0 . 3 2 7 . 0 - - 4 . 5 ( 1 9 0 ) 0 . 7 5 0 0 . 4 5 5 . 0 6 . 5 6 . 5 ( 1 2 7 ) 0 . 7 5 1 0 0 . 3 4 6 . 0 5 . 0 5 . 0 ( 1 5 2 ) — 7 8 w h e r e , U c = l a t e x - c e m e n t r a t i o , b y s o l i d s w e i g h t ; w / c = w a t e r - c e m e n t r a t i o , b y w e i g h t ; s l c = 2 . 5 = s a n d - c e m e n t r a t i o , b y w e i g h t ; a n d g / c = l . 5 = g r a v e l - c e m e n t r a t i o , b y w e i g h t . T h e t e s t p r o c e d u r e s f o l l o w e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n a r e i n t r o d u c e d b e l o w . 3 . 4 . 2 C o m p r e h e n s i v e C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e M a t e r i a l s F o r t h e m a t e r i a l s p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 7 , a c o m p r e h e n s i v e t e s t p r o g r a m w a s c o n d u c t e d a n d f r e s h a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e i n d i v i d u a l a n d j o i n t e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s o n d i v e r s e q u a l i t i e s o f c o n c r e t e . T h e t e s t p r o c e d u r e s f o l l o w e d a r e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g : 3 . 4 . 2 . 1 T i m e o f S e t t i n g b y P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e : T h e t e s t p r o c e d u r e o u t l i n e d i n A S T M C - 4 0 3 w a s u s e d f o r t h i s p u r p o s e . T h i s t e s t c o n s i s t s o f r e m o v i n g t h e m o r t a r f r a c t i o n o f t h e c o n c r e t e b y p a s s i n g i t t h r o u g h a N o . 4 ( 4 . 7 5 m m , 0 . 1 8 7 i n . ) s i e v e , r o d d i n g t h e m o r t a r i n t o t h e c o n t a i n e r , a n d t h e n m e a s u r i n g t h e p r e s s u r e r e q u i r e d t o c a u s e a n e e d l e t o p e n e t r a t e 2 5 . 4 m m ( l i n ) i n t o t h e m o r t a r . R e m o v a b l e n e e d l e s w i t h b e a r i n g a r e a s r a n g i n g f r o m 6 4 5 t o 1 6 m m 2 ( 1 t o 0 . 0 2 5 i n ’ ) a r e u s e d . T h i s i s d o n e a t r e g u l a r i n t e r v a l s a n d a c u r v e o f p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e v e r s u s t i m e i s p l o t t e d . T i m e s o f i n i t i a l s e t a n d fi n a l s e t a r e d e fi n e d a s t h e t i m e s a t w h i c h t h e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e r e a c h e s 3 . 5 M P a ( 5 0 0 1 b / i n ’ ) a n d 2 7 . 6 M P a ( 4 0 0 0 1 b / i n ’ ) , r e s p e c t i v e l y . 3 . 4 . 2 . 2 W o r k a b i l i t y L o s s : T h i s t e s t w a s p e r f o r m e d b y m e a s u r i n g t h e l o s s o f s l u m p a n d V e B e t i m e f o r n o n - fi b r o u s a n d fi b r o u s m i x e s , r e s p e c t i v e l y , a t d i f f e r e n t 7 9 t i m e i n t e r v a l s f r o m t h e t i m e c e m e n t a n d w a t e r c a m e i n c o n t a c t . B e f o r e e a c h w o r k - a b i l i t y t e s t ( a t a n y t i m e i n t e r v a l ) , t h e c o n c r e t e w a s r e m i x e d m a n u a l l y . 3 . 4 . 2 . 3 I m p a c t R e s i s t a n c e : T h r e e c y l i n d e r s 1 5 2 m m ( 6 i n ) i n d i a m e t e r a n d 6 3 . 5 m m ( 2 . 5 i n ) i n h e i g h t w e r e p r e p a r e d f r o m e a c h o f t h e 4 m i x e s . T h e y w e r e m o i s t - c u r e d i n s i d e t h e i r m o l d s f o r t h e fi r s t 2 4 h o u r s a n d t h e n d e m o l d e d a n d c u r e d i n a i r u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h e i m p a c t t e s t i s p e r f o r m e d b y r e p e a t e d l y d r o p p i n g a 4 . 5 k g ( 1 0 l b ) h a m m e r o n t h e c y l i n d e r f r o m a h e i g h t o f 4 5 7 m m ( 1 8 i n ) . 3 ' 2 2 T h e n u m b e r o f b l o w s r e q u i r e d t o c a u s e t h e fi r s t v i s i b l e c r a c k a n d t h e u l t i m a t e f a i l u r e r e p r e s e n t s t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e m a t e r i a l . U l t i m a t e f a i l u r e i s a s s u m e d t o o c c u r w h e n c r a c k s o p e n s u f fi c i e n t l y s o t h a t t h e p i e c e s o f c o n c r e t e a r e t o u c h i n g t h r e e o f t h e f o u r p o s i t i o n i n g l u g s o n t h e b a s e p l a t e . F i g u r e 3 . 2 1 a p r e s e n t s t h e i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t a p p a r a t u s . 3 . 4 . 2 . 4 M o i s t u r e S e n s i t i v i t y : T h i s t e s t w a s p e r f o r m e d o n t h e fi b r o u s m i x e s o n l y . F o u r d i f f e r e n t c a s e s w e r e i n v e s t i g a t e d . F l e x u r e s p e c i m e n s w i t h 1 0 2 m m ( 4 i n ) s q u a r e c r o s s - s e c t i o n s w e r e t e s t e d b y 4 - p o i n t l o a d i n g o n a s p a n o f 3 0 5 m m ( 1 2 i n ) ( s e e F i g u r e 3 . 2 1 b ) . T h e m o i s t u r e - s e n s i t i v i t y o f t h e m a t e r i a l a t v a r i o u s a g e s w a s i n v e s t i g a t e d , a n d i t w a s a l s o c h e c b d i f t h e m o i s t u r e e f f e c t s c a n b e e l i m i n a t e d t h r o u g h d r y i n g . T h e f o l l o w i n g c u r i n g ( m o i s t u r e ) c o n d i t i o n s w e r e c o n s i d e r e d : C o n d j fi o n j ; T h r e e s p e c i m e n s w e r e c u r e d f o r 1 d a y i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r w e t b u r l a p a n d p l a s t i c s h e e t a n d t h e n i n w a t e r u n t i l t h e a g e o f 2 8 d a y s w h e n t h e y w e r e t e s t e d w e t . 5 2 9 0 0 1 1 1 2 1 1 1 ; T h r e e s p e c i m e n s w e r e c u r e d f o r 1 d a y i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r w e t b u r l a p a n d p l a s t i c s h e e t a n d t h e n i n w a t e r u n t i l t h e a g e o f 2 6 d a y s w h e n t h e y w e r e 8 0 d r i e d i n a i r u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . 9 m m T h r e e s p e c i m e n s w e r e c u r e d f o r 1 d a y i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r w e t b u r l a p a n d p l a s t i c s h e e t a n d t h e n i n a i r u n t i l a n a g e o f 2 6 d a y s w h e n t h e y w e r e f u r t h e r c u r e d i n h o t w a t e r ( 8 0 ° C , 1 7 6 ° F ) f o r 2 d a y s b e f o r e b e i n g t e s t e d a t 2 8 d a y s o f a g e . W T h r e e s p e c i m e n s w e r e c u r e d f o r 1 d a y i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r w e t b u r l a p a n d p l a s t i c s h e e t a n d t h e n i n a i r u n t i l a n a g e o f 2 6 d a y s w h e n t h e y w e r e f u r t h e r c u r e d i n w a t e r a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e f o r 2 d a y s b e f o r e b e i n g t e s t e d a t 2 8 d a y s o f a g e . 2 . 5 i n . d i e h a r d e n e d s t e e l b a l l N o t e : f r e e t i t b e t w e e n b a l l a n d p i p e 2 . 5 i n . d i e . s t e e l p i p e 2 X 0 . 2 5 i n . s t e e l b a r T + 1 . 5 m . 1 . 2 5 i n . 2 x 3 . 3 7 5 x 0 . 2 5 i n . b a r f : . ' 3 ; : . 9 9 J ¢ 1 . : 7 2 5 t h : 2 x 2 x 0 . 5 i n . b a r ‘ 7 6 i n , d i a . . 7 1 . 7 : 0 2 5 i n . 0 . 1 3 7 5 i n . a i n . 1 2 i n . d i e . ' V * 1 ( a ) I m p a c t T b s t i i L 0 1 ' 1 : . — L V D T O l — L 3 8 - l m m : V : 2 3 8 . 1 m l \ ( b ) F l e x u r e T e s t . F i g u r e 3 . 2 1 A p p a r a t u s f o r I m p a c t R e s i s t a n c e a n d F l e x u r e T b s t s . 3 8 1 3 . 4 . 2 . 5 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h D e v e l o p m e n t W i t h T i m e : T h e p u r p o s e o f t h i s t e s t i s t o s t u d y t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f c o n c r e t e w i t h a g e . F o r t h i s p u r p o s e , e i g h t 1 5 2 m m d i a m e t e r b y 3 0 5 m m h i g h ( 6 i n d i a m e t e r b y 1 2 i n h i g h ) c y l i n d e r s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h o f t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 7 . T h e s e s p e c i m e n s w e r e t h e n t e s t e d u n d e r c o m p r e s s i o n a t t h e f o l l o w i n g c u r i n g a g e s : 0 t w o t e s t e d a t l d a y o f a g e ; O t w o t e s t e d a t 7 d a y s o f a g e ; { t w o t e s t e d a t 5 0 d a y s o f a g e ; a n d 0 t w o t e s t e d a t 1 0 0 d a y s o f a g e . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t a l l t h e s e s p e c i m e n s w e r e m o i s t - c u r e d i n s i d e t h e i r m o l d s f o r t h e fi r s t 2 4 h o u r s o f a g e , a n d w e r e t h e n e x p o s e d t o a i r . 3 . 4 . 2 . 6 B o n d S t r e n g t h : F o r e a c h o f t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 8 , t h r e e b o n d - t o - o l d - c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d a n d t e s t e d a s d e s c r i b e d i n F i g u r e 3 . 2 2 . T h e p u r p o s e o f t h i s t e s t i s t o s t u d y t h e b o n d s t r e n g t h o f n e w ( o v e r l a y ) c o n c r e t e t o o l d ( b a s e ) c o n c r e t e . T h e t e s t m e t h o d u s e d i s a m o d i fi c a t i o n o f t h e A S T M C - 8 8 2 s l a n t s h e a r b o n d s t r e n g t h t e s t . T h e s p e c i m e n s w e r e m a n u f a c t u r e d b y c a s t i n g o n e h a l f o f t h e s l a n t s h e a r s p e c i m e n w i t h t h e b a s e m a d e o f p l a i n c o n c r e t e a n d t h e s e c o n d h a l f o f t h e s p e c i m e n w i t h t h e o v e r l a y r e p a i r m a t e r i a l t w o w e e k s a f t e r c a s t i n g t h e b a s e m a t e r i a l . T h e d i m e n s i o n s o f t h e c o m p l e t e d s p e c i m e n s w e r e 7 . 6 2 m m x 1 5 . 2 4 m m ( 3 x 6 i n ) c y l i n d e r s . T h e a n g l e o f t h e s h e a r p l a n e w a s a p p r o x i m a t e l y 3 0 d e g r e e s w i t h r e s p e c t t o t h e l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h e c y l i n d e r ( s e e F i g u r e 3 . 2 2 ) . 8 2 B e f o r e c a s t i n g t h e o v e r l a y m a t e r i a l , t h e b a s e s u r f a c e t o b e i n c o n t a c t w i t h t h e o v e r l a y w a s fi r s t a b r a d e d w i t h s a n d p a p e r a n d t h e n m o i s t e n e d w i t h w a t e r j u s t b e f o r e a p p l y i n g t h e o v e r l a y . T h i s s i m u l a t e s t h e r o u t i n e fi e l d p r a c t i c e f o r e n h a n c i n g t h e b o n d b e t w e e n t h e t w o m a t e r i a l s . T h e c o m p l e t e d s p e c i m e n s w e r e k e p t u n d e r w e t b u r l a p f o r 2 4 h o u r s a n d w e r e t h e n f u r t h e r c u r e d f o r 2 7 d a y s i n l a b o r a t o r y a i r b e f o r e b e i n g t e s t e d u n d e r c o m p r e s s i o n . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o b t a i n e d w i l l r e p r e s e n t t h e b o n d s t r e n g t h o f c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e t o c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , L M C , S F R C , a n d L M S F R C . T h i s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e h o r i z o n t a l c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h e c y l i n d r i c a l s p e c i m e n . T h e b a s e c o n c r e t e m i x p r o p o r t i o n s u s e d a r e s h o w n i n T a b l e 3 . 9 . T h e s e m i x p r o p o r t i o n s s h o u l d y i e l d a h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e w i t h 3 4 . 5 M P a ( 5 0 0 0 p s i ) o r m o r e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t o a s s u r e t h a t t h e t e s t t r u l y m e a s u r e s t h e b o n d s t r e n g t h o f t h e r e p a i r c o n c r e t e a n d n o t t h e s t r e n g t h o f t h e s u b s t r a t e . 8 3 T a b l e 3 . 8 S e l e c t e d M i x P r o p o r t i o n s f o r B o n d T e s t E x p e r i m e n t a l W o r k . I M i x N o . L / c ( % ) V , ( % ) w / c l 0 0 0 . 4 2 2 5 0 0 . 3 2 3 1 0 0 0 . 3 0 4 0 0 . 5 0 . 3 8 5 5 0 . 5 0 . 3 3 6 1 0 0 . 5 0 . 3 0 7 0 l 0 . 3 9 8 5 1 0 . 3 5 9 1 0 l 0 . 3 1 T a b l e 3 . 9 B a s e M a t e r i a l M i x P r o p o r t i o n s . I v , ( % ) I L / c I w / c I s u p . / c ( % ) I A B A / c ( % ) I ; I 0 I 0 . 3 5 I 0 . 7 5 l I 0 . 1 9 8 4 ( a ) C a s t S u b s t r a t e C o n c r e t e ( b ) P r e p a r e S u r f a c e W i t h S a n d P a p e r ( c ) P u t S u b s t r a t e C o n c r e t e i n M o l d ( d ) F i n i s h e d S l a n t S h e s r S p e c i m e n F i g u r e 3 . 2 2 M e t h o d o f P r e p a r a t i o n o f S p e c i m e n s f o r B o n d T e s t . 8 5 3 . 4 . 2 . 7 F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y : T h e p u r p o s e o f t h i s t e s t i s t o s t u d y t h e e fi ' e c t s o f s e v e r a l f r e e z i n g a n d t h a w i n g c y c l e s o n t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . T h e t e s t m e t h o d u s e d t o p e r f o r m t h i s t a s k i s A S T M C - 6 6 6 ( p r o c e d u r e A , R a p i d F r e e z i n g a n d T h a w i n g i n W a t e r ) . T h r e e s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h o f t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 7 . T h e s p e c i m e n s w e r e r e c t a n g u l a r p r i s m s o f d i m e n s i o n s 7 6 x 1 0 2 x 4 0 6 m m ( 3 x 4 x 1 6 i n ) . T h e y w e r e c u r e d f o r 1 d a y i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r n e a t h a w e t b u r l a p a n d a p o l y e t h y l e n e fi l m , a n d t h e n d r y - c u r e d i n a i r u n t i l t h e a g e o f 1 4 d a y s a t w h i c h t i m e t h e y w e r e fi r s t i m m e r s e d i n w a t e r f o r 4 8 h o u r s , a n d t h e n p u t i n s i d e t h e f r e e z e - t h a w m a c h i n e t o s t a r t t h e t e s t i n g c y c l e s . T h e t e s t p r o c e d u r e c o n s i s t s o f s u b j e c t i n g t h e s p e c i m e n s a l t e r n a t i v e l y t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g p e r i o d s . T h i s i s a c c o m p l i s h e d b y l o w e r i n g t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s p e c i m e n s ( t h a t a r e s u r r o u n d e d b y n o t l e s s t h a n 1 m m ( 1 / 3 2 i n ) n o r m o r e t h a n 3 m m ( 1 / 8 i n ) o f w a t e r ) f r o m 4 . 4 t o - l 7 . 8 ° C ( 4 0 t o 0 ° F ) a n d t h e n r a i s i n g i t f r o m - 1 7 . 8 t o 4 . 4 ° C ( 0 t o 4 0 ° F ) w i t h n o t l e s s t h a n 2 n o r m o r e t h a n 5 h o u r s s p e n t o n t h e c o m p l e t e c y c l e . A t l e a s t 2 5 % o f t h i s t i m e i s u s e d f o r t h a w i n g . T h e s p e c i m e n s a r e r e m o v e d f r o m t h e a p p a r a t u s , i n a t h a w e d c o n d i t i o n , a t i n t e r v a l s n o t e x c w d i n g 3 6 c y c l e s o f e x p o s u r e t o t h e f r e e z i n g - a n d - t h a w i n g . T h e y a r e t e s t e d f o r f u n d a m e n t a l t r a n s v e r s e f r e q u e n c y ( f r o m w h i c h t h e d y n a m i c m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f t h e m a t e r i a l c a n b e c o m p u t e d ) a n d t h e n r e t u r n e d b a c k i n t o t h e a p p a r a t u s . 3 . 4 . 2 . 8 S c a l i n g R e s i s t a n c e : T h e t e s t p r o c e d u r e o u t l i n e d i n A S T M C - 6 7 2 w a s u s e d f o r t h i s p u r p o s e . T h i s t e s t m e t h o d d e t e r m i n e s t h e r e s i s t a n c e t o s c a l i n g o f a h o r i z o n t a l c o n c r e t e s u r f a c e e x p o s e d t o r e p e a t e d f r e e z i n g - a n d - t h a w i n g c y c l e s i n t h e p r e s e n c e o f d e i c i n g c h e m i c a l s . r r s . . ‘ 1 : . . . 5 - ' e 2 . . . - — - u . - - » “ a . q - . 8 6 T w o s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h o f t h e f o u r m i x e s o f T a b l e 3 . 7 ( p l a i n c o n c r e t e ; l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e ( L M C ) ; s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S F R C ) ; a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( L M S F R C ) ) . T h e p r i s m a t i c s p e c i m e n s u s e d w e r e 2 5 4 x 2 0 3 x 7 6 m m ( 1 0 x 8 x 3 i n ) i n d i m e n s i o n s ( s e e F i g u r e 3 . 2 3 ) ; t h e y w e r e m o i s t - c u r e d i n s i d e t h e i r m o l d s f o r t h e fi r s t 2 4 h o u r s , t h e n d e m o l d e d a n d c u r e d i n a i r . A t t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s , t h e fl a t s u r f a c e o f e a c h s p e c i m e n w a s c o v e r e d w i t h a p p r o x i m a t e l y 6 m m ( 1 / 4 i n ) o f a s o l u t i o n o f c a l c i u m c h l o r i d e a n d w a t e r , h a v i n g a c o n c e n t r a t i o n s u c h t h a t e a c h 1 0 0 m l o f s o l u t i o n c o n t a i n s 4 g o f a n h y d r o u s c a l c i u m c h l o r i d e . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n p l a c e d i n a f r e e z i n g e n v i r o n m e n t f o r 1 6 t o 1 8 h o u r s . A t t h e e n d o f t h i s t i m e , t h e y w e r e r e m o v e d f r o m t h e f r e e z e r a n d p l a c e d i n l a b o r a t o r y a i r a t 2 3 1 1 . 7 ° C ( 7 3 : 3 ? ) f o r 6 t o 8 h o u r s . T h i s c y c l e w a s r e p e a t e d d a i l y w i t h t h e s u r f a c e b e i n g fl u s h e d o fi ‘ t h o r o u g h l y a t t h e e n d o f e a c h 5 c y c l e s . A v i s u a l e x a m i n a t i o n w a s t h e n m a d e a n d t h e s o l u t i o n w a s r e p l a c e d . T h i s t e s t w a s c a r r i e d o u t f o r 5 0 c y c l e s . I e F i g u r e 3 . 2 3 S p e c i m e n U s e d i n S c a l i n g R e s i s t a n c e T e s t . 1 0 . 0 i n . _ . ( . c . . . g . , ! ( % ) . . . 5 5 5 I v 0 0 0 0 0 0 l l l c ( % ) U 0 5 0 5 0 5 1 1 1 0 0 0 w 0 0 0 0 0 0 0 0 0 / . . . . . . . . . c 4 3 3 4 4 3 4 4 3 3 8 2 4 0 3 5 2 8 8 7 3 . 4 . 2 . 9 W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y : T h e m i x p r o p o r t i o n s u s e d i n t h i s p h a s e o f t h e e x p e r i m e n t a l s t u d y a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 0 . A l l t h e m i x e s h a d c o m p a r a b l e w o r k a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s r e p r e s e n t e d b y a s l u m p o f 6 3 t o 8 9 m m ( 2 . 5 t o 3 . 5 i n ) . T a b l e 3 . 1 0 M i x P r o p o r t i o n s f o r t h e W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y T b s t s . A S T M 0 6 4 2 t e s t p r o c e d u r e ” S p e c i fi c G r a v i t y , A b s o r p t i o n , a n d V o i d i n H a r d e n e d C o n c r e t e " w a s u s e d f o r d e t e r m i n a t i o n o f t h e a b s o r p t i o n c a p a c i t y a s w e l l a s t h e s p e c i fi c g r a v i t y o f t h e c o n c r e t e m a t e r i a l s i n v e s t i g a t e d . O n e s p e c i m e n w a s t e s t e d f o r e a c h o f t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 1 0 . 3 . 4 . 2 . 1 0 D r y i n g S h r i n k a g e : T h e l e n g t h c o m p a r a t o r t e s t t e c h n i q u e ( A S T M C - 4 9 0 ) w a s u s e d t o t e s t d r y i n g s h r i n k a g e . T h r e e s p e c i m e n s m e a s u r i n g 5 1 x 5 1 x 2 5 4 m m ( 2 x 2 x 1 0 i n ) w e r e t e s t e d f o r e a c h o f t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 7 . A l l t h e s p e c i m e n s w e r e c u r e d i n s i d e t h e i r m o l d s a n d u n d e r n e a t h a w e t b u r l a p a n d a p o l y e t h y l e n e s h e e t f o r t h e fi r s t 2 4 h o u r s a f t e r c a s t i n g . T h e y w e r e t h e n s t r i p p e d o fi v - d - r - ' - ' s 8 8 t h e m o l d s a n d a i r - d r i e d a t 2 2 - 2 4 ° C ( 7 2 - 7 5 ° F ) a n d a r e l a t i v e h u m i d i t y o f 4 5 - 5 5 % . C h a n g e s i n l e n g t h w e r e r e c o r d e d a f t e r 1 , 3 , 7 , 9 , l 4 , l 6 , a n d 2 5 d a y s o f a g e . 3 . 5 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S , A N A L Y S E S A N D D I S C U S S I O N S T h i s s e c t i o n p r e s e n t s t h e r a w t e s t d a t a a n d c o n c l u s i o n s d e r i v e d b a s e d o n s t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f t h e t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . 3 . 5 . 1 T i m e o f S e t t i n g T h e r e s u l t s o f t h e t i m e o f s e t t i n g t e s t b y ” P e n e t r a t i o n R e s i s t a n c e ” f o r m i x e s o f T a b l e 3 . 7 a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 1 a n d F i g u r e 3 . 2 4 . T a b l e 3 . 1 1 T r m e o f S e t t i n g T i e s t R e s u l t s F o r M i x e s o f T a b l e 3 . 7 . I T e s t C o n d i t i o n s T e s t R e s u l t s 1 l V , ( % ) L l c T ( ° F ) R . H . ( % ) I n i t i a l S e t t i n g T r m e F i n a l S e t t i n g T i m e ( h r s ) ( 1 1 1 3 - ) 0 0 8 1 4 6 3 6 0 1 0 7 9 5 0 3 8 0 . 7 5 0 8 3 6 9 2 . 6 5 0 . 7 5 1 0 8 3 5 1 3 . 4 L a 8 9 T i m e ( h o u r s ) J - I N I T I A L S E T T I N G - F I N A L S E T T I N G I L . . _ P L F i g u r e 3 . 2 4 S e t t i n g T i m e T e s t R e s u l t s . T h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 1 a n d F i g u r e 3 . 2 4 i n d i c a t e t h a t l a t e x m o d i fi c a t i o n t e n d s t o i n c r e a s e b o t h t h e i n i t i a l a n d fi n a l t i m e s o f s e t t i n g i n m i x e s w i t h o u t s t e e l fi b e r s . T h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r s , o n t h e o t h e r h a n d , t e n d s t o l o w e r b o t h t i m e s o f s e t t i n g i r r e s p e c t i v e o f t h e l a t e x c o n t e n t i n t h e m a t r i x . T h e i n c r e a s e d s e t t i n g t i m e s i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x m a y r e s u l t f r o m t h e f o r m a t i o n o f p o l y m e r fi l m s i n s i d e c e m e n t p a s t e w h i c h i n t e r f e r e w i t h m o i s t u r e m o v e m e n t s d u r i n g c e m e n t h y d r a t i o n , t h u s m a k i n g w a t e r l e s s a c c e s s i b l e t o c e m e n t p a r t i c l e s . T h e f o r m a t i o n o f p o l y m e r fi l m a t t h e c e m e n t s u r f a c e w h i c h p r e v e n t s m o i s t u r e l o s s f r o m t h e s p e c i m e n m a y a l s o h e l p i n e l o n g a t i n g t h e s e t t i n g t i m e o f c o n c r e t e i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x . 9 0 S t e e l fi b e r s m a y r e d u c e s e t t i n g t i m e b e c a u s e i n t h i s t e s t fi b e r s ( a n d c o a r s e a g g r e g a t e s ) a r e a c t u a l l y r e m o v e d f r o m t h e m a t r i x p r i o r t o c o n d u c t i n g t h e p e n e t r a t i o n t e s t o n t h e m o r t a r f r a c t i o n o f t h e m a t e r i a l f o r m e a s u r i n g t h e s e t t i n g t i m e . T h e r e m o v e d fi b e r s a r e t y p i c a l l y w e t a n d t h u s s o m e e x t r a w a t e r i s l o s t f r o m t h e m a t r i x w i t h t h e fi b e r s , a n d t h e d r o p i n w a t e r c o n t e n t m a y l e a d t o f a s t e r s e t t i n g . T h e r e s e e m s t o e x i s t a n e e d f o r d e v e l o p i n g s e t t i n g t i m e t e s t p r o c e d u r e s t h a t m o r e s u i t a b l y a p p l y t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S F R C ) . T h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e d u r i n g t h e s e t t i n g t e s t s w a s a l m o s t t h e s a m e f o r a l l f o u r c a s e s . T h e r e l a t i v e h u m i d i t y ( R . H . ) , h o w e v e r , w a s n o t i c e a b l y h i g h e r f o r t h e S F R C m i x ( c a s e 3 ) . S i n c e , i n g e n e r a l , t h e s e t t i n g t i m e i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g r e l a t i v e h u m i d i t y , i t t h e n f o l l o w s t h a t t h e s e t t i n g t i m e s o b t a i n e d f o r u n m o d i fi e d S F R C w o u l d h a v e b e e n e v e n l o w e r i f t h e c o r r e s p o n d i n g R . H . d u r i n g t h e s e t t i n g t e s t s w a s s i m i l a r t o t h o s e i n t h e o t h e r c a s e s . 3 . 5 . 2 L o s s o f W o r k a b i l i t y W i t h T i m e T h e r e s u l t s o f t h e l o s s o f s l u m p a n d V e B e t i m e ( o n l y f o r fi b r o u s m i x e s ) w i t h t i m e a r e s h o w n i n F i g u r e s 3 . 2 5 a a n d 3 . 2 5 b , r e s p e c t i v e l y . F i g u r e 3 . 2 5 a s e e m s t o i n d i c a t e t h a t t h e l o s s o f w o r k a b i l i t y w i t h t i m e t a k e s p l a c e a t a l m o s t t h e s a m e r a t e f o r a l l m i x e s i r r e s p e c t i v e o f t h e l a t e x a n d s t e e l fi b e r c o n t e n t s . F i g u r e 3 . 2 5 b s h o w s t h e l o s s i n V e B e t i m e w i t h e l a p s e d t i m e f o r fi b r o u s m i x t u r e s w i t h a n d w i t h o u t l a t e x . T h e l a t e x - m o d i fi e d S F R C m i x t u r e s s e e m t o b e c a p a b l e o f m a i n t a i n i n g t h e i r w o r k a b i l i t y ( u n d e r v i b r a t i o n ) f o r a s h o r t e r t i m e t h a n t h e u n m o d i fi e d o n e s . M o r e t e s t d a t a a r e n e e d e d t o c o n fi r m t h i s o b s e r v a t i o n . 1 0 - A — w e ( 7 4 9 3 1 4 - 5 0 2 1 ) - B - L M S F R C ( T ' 8 3 . R H - 6 1 % ) 9 1 S l u m p ( I n . ) 1 2 — e — P L A I N ( T - 8 1 . R H - 4 6 % ) - e — S F R C ( T - 8 3 . R H - 6 9 % ) 0 1 l l J 0 2 O 4 O 6 0 8 0 1 0 0 T i m e ( m i n . ) ( a ) L o s s o f S l u m p w i t h T i m e ( f o r p l a i n a n d fi b r o u s m i x t u r e s ) v . 8 . T i m e ( 8 6 0 . ) 1 0 I + S F R C ‘ e ' L M S F F l C I 8 / 6 / 2 O l l l l l l O 1 0 2 0 3 0 4 O 5 0 6 0 7 0 T i m e ( m i n ) ( b ) L o s s o f V e B e T i m e w i t h T i m e ( o n l y f o r fi b r o u s m i x t u r e s ) F i g u r e 3 . 2 5 L o s s o f W o r k a b i l i t y w i t h T i m e . E F I R S T C R A C K k \ \ \ \ \ \ \ ‘ F A I L U R E 9 2 3 . 5 . 3 I m p a c t R e s i s t a n c e T h e i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s o b t a i n e d f o r t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 7 a r e g i v e n i n T a b l e 3 . 1 2 a n d F i g u r e 3 . 2 6 . T a b l e 3 . 1 2 I m p a c t R e s i s t a n c e T b s t R e s u l t s f o r M i x e s o f T a b l e 3 . 7 . V , ( % ) L / c ( % ) N u m b e r o f B l o w s t o N u m b e r o f B l o w s F i r s t C r a c k t o F a i l u r e 2 9 3 3 0 0 2 5 2 8 3 2 3 5 2 3 2 2 3 3 0 1 0 5 0 3 5 0 3 5 0 5 3 6 0 1 0 6 0 . 7 5 0 1 9 0 2 4 7 1 5 4 2 6 4 9 0 0 1 0 6 5 0 . 7 5 1 0 3 9 5 5 3 0 1 4 8 2 7 8 7 0 0 N o . o f B l o w s 1 0 “ M a x l m u m M l n l m u m P L A I N L M C ( L / C - i O ‘ i S ) S F R C ( V F - 0 . 7 5 % ) L M S F R C F i g u r e 3 . 2 6 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s . 9 3 F r o m T a b l e 3 . 1 2 a n d F i g u r e 3 . 2 6 i t c a n b e s e e n t h a t l a t e x a d d i t i o n i n c r e a s e s t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e m a t r i x b y a n a v e r a g e o f 8 0 0 % . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a l s o i n c r e a s e s t h e i m p a c t r e s i s t a n c e b y a n a v e r a g e o f 3 7 0 % . W h e n b o t h s t e e l fi b e r s a n d l a t e x a r e a d d e d t o t h e p l a i n c o n c r e t e m a t r i x , t h e i m p r o v e m e n t s i n i m p a c t r e s i s t a n c e a r e s u p e r i o r ( a n a v e r a g e o f 1 5 0 0 % i n c r e a s e o v e r p l a i n c o n c r e t e ) . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e r e i s a n e f f e c t i v e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e s t e e l fi b e r s a n d t h e l a t e x , w h i c h p o s s i b l y r e s u l t s f r o m t h e i m p r o v e d fi b e r - t o - m a t r i x b o n d i n g i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x p o l y m e r s , a n d a l s o f r o m t h e i n c r e a s e d c o m p a t i b i l i t y o f s t e e l fi b e r s a n d t h e m a t r i x r e s u l t i n g f r o m t h e r e d u c e d b r i t t l e n e s s o f t h e m a t r i x i n c o r p o r a t i n g l a t e x . A f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e p e r f o r m e d o n t h e o b t a i n e d i m p a c t t e s t r e s u l t s h a s r e v e a l e d t h a t t h e e f f e c t s o f l a t e x a n d s t e e l fi b e r s o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e a r e s i g n i fi c a n t a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , b u t t h e i r i n t e r a c t i o n i s n o t . I t i s a l s o i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t w h e n fi b e r s a r e m i s s i n g f r o m t h e m a t r i x , e v e n i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x , t h e r e i s o n l y a s m a l l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e fi r s t c r a c k a n d t h e f a i l u r e i m p a c t r e s i s t a n c e . T h i s i n d i c a t e s t h a t fi b e r s , b u t n o t l a t e x , c a n p r o v i d e t h e m a t e r i a l w i t h p o s t - c r a c k i n g i n t e g r i t y . I n o r d e r t o s t a t i s t i c a l l y i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n i m p a c t r e s i s t a n c e , o n e - w a y a n a l y s e s o f v a r i a n c e s w e r e c o n d u c t e d . A o n e - w a y a n a l y s i s o f v a r i a n c e ( A N O V A ) p e r f o r m e d f o r t h e c a s e s o f u n m o d i fi e d a n d l a t e x m o d i fi e d p l a i n c o n c r e t e s ( fi b e r v o l u m e f r a c t i o n , V , = 0 % ) i n d i c a t e d t h a t t h e e f f e c t s o f l a t e x c o n t e n t o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f p l a i n c o n c r e t e a r e s i g n i fi c a n t w i t h a b o u t 1 5 . 2 % c h a n c e o f e r r o r i n t h i s s t a t e m e n t . A s i m i l a r o n e - w a y A N O V A p e r f o r m e d f o r t h e c a s e s o f u n m o d i fi e d a n d l a t e x m o d i fi e d S F R C 9 4 ( V , = 0 . 7 5 % ) r e s u l t e d i n v e r y s i m i l a r c o n c l u s i o n s , w i t h a b o u t 1 5 . 3 % c h a n c e s o f e r r o r i n s t a t i n g t h a t t h e r e i s a l a t e x e fi e c t o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e a t V , = 0 . 7 5 % . S i m i l a r a n a l y s e s w e r e p e r f o r m e d t o i n v e s t i g a t e t h e e fi e c t s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a t c o n s t a n t l a t e x c o n t e n t o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e m a t r i x . F o r t h e e a s e o f u n m o d i fi e d c o n c r e t e ( l a t e x - c e m e n t r a t i o , L / c = 0 % ) , t h e o n e - w a y A N O V A s h o w e d t h a t fi b e r a d d i t i o n h a s a s i g n i fi c a n t p o s i t i v e ( i . e . , s t r e n g t h e n i n g ) e f f e c t o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e , w i t h o n l y 2 . 6 % c h a n c e s o f e r r o r i n t h i s s t a t e m e n t . A t a c o n s t a n t L / c o f 1 0 % , t h e c o r r e s p o n d i n g o n e - w a y A N O V A r e v e a l e d t h a t t h e r e i s a b o u t 2 4 . 6 % c h a n c e o f e r r o r i n s t a t i n g t h a t t h e r e i s a fi b e r e f f e c t o n i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a t U C = 1 0 % . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e s c a t t e r i n i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s i s r e l a t i v e l y l a r g e . T h i s l e a d s t o c o n d i t i o n s w h e r e , i n s p i t e o f t h e l a r g e d i fi ' e r e n c e s i n a v e r a g e v a l u e s o f i m p a c t r e s i s t a n c e f o r d i f f e r e n t m i x p r o p o r t i o n s , t h e c h a n c e o f e r r o r i n s t a t i n g t h a t s u c h a d i f f e r e n c e e x i s t s s o m e t i m e s e x c e e d s 1 5 % . 3 . 5 . 4 F l e x u r a l P i e r f o r m a n c e T h e a v e r a g e fl e x u r a l l o a d — d e fl e c t i o n c u r v e s f o r t h e f o u r m i x c o m p o s i t i o n s c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 2 7 . T h e i m p r o v e m e n t s r e s u l t i n g f r o m l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t , a n d t h e d e s i r a b l e j o i n t e f f e c t s o f l a t e x a n d s t e e l fi b e r s , a r e o b v i o u s i n t h i s fi g u r e . T h e fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s ( d e fi n e d a s t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e fl e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n c u r v e u p t o a fl e x u r a l d e fl e c t i o n e q u a l t o t h e s p a n l e n g t h d i v i d e d b y 1 5 0 ) t e s t r e s u l t s o b t a i n e d f o r t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 7 a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 3 . 9 5 7 F L E X U R A L L O A D ( k i p s ) 6 . - 5 . - 4 _ L M S F R C 3 _ M P l a l n S F R C 1 0 . , , T r . O 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 D E F L E C T I O N ( i n ) F i g u r e 3 . 2 7 A v e r a g e F l e x u r a l L o a d V e r s u s D e fl e c t i o n R e l a t i o n s h i p s . T a b l e 3 . 1 3 F l e x u r a l S t r e n g t h a n d T o u g h n e s s T e s t R e s u l t s . V , ( % ) L / c ( % ) F l e x u r a l S t r e n g t h F l e x u r a l T b u g h n e s s ( k s i ) ( I t - i n ) 0 . 4 2 0 0 . 0 0 0 0 3 0 0 0 . 4 6 7 0 . 0 0 0 0 5 0 . 5 2 2 7 0 . 0 0 0 0 2 0 . 8 8 0 0 . 0 0 4 6 0 1 0 0 . 8 6 8 0 . 0 0 5 8 0 . 7 7 5 0 . 0 0 3 4 0 . 8 9 3 0 . 2 5 4 . 7 0 5 O 0 . 8 6 9 0 . 2 0 7 0 . 8 8 1 0 . 2 3 1 1 . 0 1 8 0 . 3 3 9 . 7 1 0 5 0 1 . 2 3 5 0 . 4 2 5 I 1 . 1 2 6 0 . 3 8 2 9 6 3 . 5 . 4 . 1 F l e x u r a l S t r e n g t h : F r o m T a b l e 3 . 1 4 a n d F i g u r e 3 . 2 8 , i t c a n b e s e e n t h a t l a t e x a d d i t i o n ( L / c = 1 0 % ) i n c r e a s e s t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f p l a i n c o n c r e t e b y a b o u t 8 7 % , w h e r e a s s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t ( V , = 0 . 7 5 % ) i n c r e a s e s i t s l i g h t l y m o r e b y a b o u t 9 2 % . W h e n p l a i n c o n c r e t e i s m o d i fi e d w i t h b o t h l a t e x p o l y m e r s a n d r e i n f o r c e d w i t h s t e e l fi b e r s , t h e i m p r o v e m e n t s i n fl e x u r a l s t r e n g t h a r e m o r e s i g n i fi c a n t ( a n i n c r e a s e o f a b o u t 1 5 0 % o v e r p l a i n c o n c r e t e ) . A f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e p e r f o r m e d o n t h e a b o v e r e s u l t s c o n fi r m e d t h e s i g n i fi c a n c e o f t h e e f f e c t s o f l a t e x p o l y m e r s , s t e e l fi b e r s , a n d t h e i r i n t e r a c t i o n , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . T h e r e l a t i v e s i g n i fi c a n c e o f t h e e f f e c t s o f fi b e r s , l a t e x , a n d t h e i r i n t e r a c t i o n o n t h e fi e x u r a l s t r e n g t h , a s i n d i c a t e d b y t h e f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e , i s p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 4 . 4 F l e x u r a l S t r e n g t h ( k s l ) _ | _ M a x l m u m 1 . 2 T M l n l m u m 0 . 8 a 0 . 6 - 0 . 2 * - L M C ( L / c = 1 0 % ) S F R C ( V I - O . 7 5 % ) L M S F R C ( O . 7 5 % . 1 0 % ) F i g u r e 3 . 2 8 F l e x u r a l S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . 9 7 T a b l e 3 . 1 4 F a c t o r i a l A n a l y s i s o f V a r i a n c e o f F l e x u r a l S t r e n g t h T b s t R e s u l t s . F a c t o r I m p o r t a n c e S t e e l F i b e r s * * l a t e x P o l y m e r s * * I n t e r a c t i o n * * w h e r e , ” * * " v e r y s i g n i fi c a n t " * " s i g n i fi c a n t 3 . 5 . 4 . 2 F l e x u r a l T b u g h n e s s : S t e e l fi b e r r e i n f o r C e m e n t i s o b s e r v e d i n T a b l e 3 . 1 5 a n d F i g u r e 3 . 2 9 t o h a v e p o s i t i v e e fl ’ e c t s o n t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f c o n c r e t e , w h i l e t h e i m p r o v e m e n t s i n t o u g h n e s s r e s u l t i n g f r o m l a t e x m o d i fi c a t i o n a r e r e l a t i v e l y s m a l l . L a t e x m o d i fi c a t i o n , h o w e v e r , i s h i g h l y e fl ‘ e c t i v e i n i m p r o v i n g t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s . A f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e c o n fi r m e d t h a t t h e e f f e c t s o f l a t e x a n d s t e e l fi b e r s o n fl e x u r a l t o u g h n e s s , a s w e l l a s t h e i r i n t e r a c t i o n , a r e i m p o r t a n t a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e ( s e e T a b l e 3 . 1 5 ) . 9 8 5 F l e x u r a l T o u g h n e s s ( k - l n ) O . r a x l m u m T 0 . 4 M i n i m u m ' ~ . 0 . 3 0 . 2 ‘ ‘ , 0 . 1 I — — I 0 I I r i . . . P L A I N L M C ( L / c - 1 0 % ) S F R C ( V I - O . 7 5 % ) L M S F R C ( O . 7 5 % . 1 0 % ) F i g u r e 3 . 2 9 F l e x u r a l T o u g h n e s s T e s t R e s u l t s . T a b l e 3 . 1 5 F a c t o r i a l A n a l y s i s o f V a r i a n c e o f F l e x u r a l T o u g h n e s s T e s t R e s u l t s . F a c t o r I m p o r t a n c e S t e e l F i b e r s * * l a t e x P o l y m e r s * * I n t e r a c t i o n * w h e r e , ' * * " v e r y s i g n i fi e a n t ” * " s i g n i fi c a n t 1 1 1 : 1 t u g i t U H : S U I 9 9 T h e s i g n i fi c a n t i m p r o v e m e n t s i n fl e x u r a l t o u g h n e s s o f S F R C r e s u l t i n g f r o m l a t e x m o d i fi c a t i o n ( n o t i n g t h a t l a t e x h a s r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f p l a i n c o n c r e t e ) c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e i m p r o v e m e n t s i n fi b e r - t o - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s w i t h t h e a d d i t i o n o f l a t e x p o l y m e r s . I n o r d e r t o c o n fi r m t h i s , m i c r o s c o p i c p i c t u r e s w e r e t a k e n o f t h e s t e e l fi b e r s p u l l e d o u t o f u n m o d i fi e d a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s a t t h e f r a c t u r e d s u r f a c e s o f t h e fl e x u r a l s p e c i m e n s . A s s h o w n i n F i g u r e 3 . 3 0 a , t h e s t e e l fi b e r s p u l l i n g o u t o f u n m o d i fi e d c o n c r e t e w e r e c l e a n , i n d i c a t i n g a n i n t e r f a c e s h e a r f a i l u r e . T h e s t e e l fi b e r s p u l l i n g o u t o f L M C ( F i g u r e 3 . 3 0 b ) w e r e p a r t i a l l y c o a t e d w i t h t h e p o l y m e r - c e m e n t c o m a t r i x , i n d i c a t i n g t h a t t h e i n t e r f a c e s h e a r s t r e n g t h w a s s t r o n g e n o u g h t o e n c o u r a g e s h e a r f a i l u r e i n t h e m a t r i x f u r t h e r a w a y f r o m t h e i n t e r f a c e z o n e . 1 0 0 ( a ) C a s e o f S t e e l F i b e r s P u l l i n g O u t o f U n m o d i fi e d C o n c r e t e . ( b ) C a s e o f S t e e l F i b e r s P u l l i n g O u t o f L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e . F i g u r e 3 . 3 0 M i c r o s c o p i c P i c t u r e s o f P u l l e d O u t S t e e l F i b e r s . r - a : . . - . _ . ~ . . . a . - - - . ‘ - ~ . ~ 1 0 1 3 . 5 . 5 M o i s t u r e S e n s i t i v i t y T h e r e s u l t s o f t e s t s o n t h e s e n s i t i v i t y o f t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f u n m o d i fi e d a n d l a t e x m o d i fi e d S F R C t o v a r i o u s m o i s t c u r i n g c o n d i t i o n s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 6 a n d F i g u r e 3 . 3 1 . T a b l e 3 . 1 6 M o i s t u r e - S e n s i t i v i t y T b s t R e s u l t s . 0 . 9 3 5 0 . 9 5 3 0 . 8 1 1 0 . 8 6 4 0 . 6 5 5 0 . 7 8 3 0 . 9 3 9 0 . 6 4 8 1 0 2 4 2 8 - d a y F l e x u r a l S t r e n g t h ( k s l ) ‘ I . M E T H O D 1 M E T H O D 2 M E T H O D 3 M E T H O D 4 C u r i n g M e t h o d I V I = O . 7 5 % a n d L / c = 0 % \ \ \ \ \ \ \ \ \ ‘ V f = 0 . 7 5 % a n d L / c = 1 0 % I F i g u r e 3 . 3 1 M o i s t u r e - S e n s i t i v i t y T e s t R e s u l t s . F r o m t h i s fi g u r e i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f L M S F R C i s l a r g e r t h a n t h a t o f S F R C i n a l l c a s e s e x c e p t f o r c u r i n g m e t h o d 1 ( i . e . , c o n t i n u o u s i m m e r s i o n i n w a t e r ) . T h i s a n d o t h e r t r e n d s o b s e r v e d i n F i g u r e 3 . 3 1 i n d i c a t e t h a t w e t c u r i n g a t e a r l y a g e s i s d e t r i m e n t a l t o m i x t u r e s c o n t a i n i n g l a t e x p o l y m e r s , w h i l e i t p l a y s a p o s i t i v e r o l e i n m i x t u r e s w i t h o u t l a t e x . B y c o m p a r i n g t h e r e s u l t s o f m e t h o d s 1 a n d 2 , w e c a n d e d u c e t h a t t h e l a s t t w o d a y s o f a i r d r y i n g i n m e t h o d 2 e v e n o u t t h e fl e x u r a l s t r e n g t h d i f f e r e n c e s b e t w e e n S F R C a n d L M S F R C m i x e s b y r e d u c i n g t h e S F R C fl e x u r a l s t r e n g t h v a l u e s . A c o m p a r i s o n b e t w e e n m e t h o d s 3 a n d 4 s h o w s t h a t c u r i n g t h e s p e c i m e n s i n h o t w a t e r a f t e r a p e r i o d o f a i r d r y i n g r e d u c e s t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f L M S F R C b e l o w t h e v a l u e c o r r e s p o n d i n g t o c u r i n g i n w a t e r a t a m b i e n t 1 0 3 t e m p e r a t u r e a f t e r t h e s a m e p e r i o d ( 2 6 d a y s ) o f a i r d r y i n g . A o n e - w a y A N O V A p e r f o r m e d f o r t h e fi r s t t w o c u r i n g m e t h o d s ( i . e . , 2 8 d a y s o f c u r i n g i n w a t e r v s . 2 6 d a y s o f c u r i n g i n w a t e r f o l l o w e d b y 2 d a y s o f d r y i n g i n a i r ) s h o w e d t h a t t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f n o n m o d i fi e d S F R C i s s i g n i fi c a n t l y a fi e c t e d b y t h e s e t w o c u r i n g t e c h n i q u e s . T h e r e i s , i n f a c t , o n l y a b o u t 1 . 8 % c h a n c e o f e r r o r i n s t a t i n g t h a t t h e s e t w o c u r i n g m e t h o d s p r o d u c e d i f f e r e n t fl e x u r a i s t r e n g t h s . H o w e v e r , t h e o n e - w a y A N O V A p e r f o r m e d o n t h e L M S F R C m i x e s f o r t h e s e t w o c u r i n g m e t h o d s r e v e a l e d t h a t t h e r e a r e n o s i g n i fi c a n t e f f e c t s o f t h e s e c u r i n g m e t h o d s o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h . T h e r e i s a 6 5 % c h a n c e o f e r r o r i n s t a t i n g t h a t t h e r e a c t u a l l y i s a n e f f e c t o f c u r i n g o n fl e x u r a l s t r e n g t h . A s i m i l a r A N O V A w a s p e r f o r m e d f o r m e t h o d s 1 a n d 4 o f c u r i n g ( i . e . , 2 8 d a y s o f w e t c u r i n g v s . 2 6 d a y s o f a i r d r y i n g f o l l o w e d b y 2 d a y s o f w e t c u r i n g ) . T h e o b t a i n e d r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e r e a r e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f b o t h S F R a n d L M S F R c o n c r e t e s w h e n u s i n g c u r i n g m e t h o d s 1 a n d 4 , w i t h a b o u t 1 8 . 9 % a n d 1 . 4 % c h a n c e s o f e r r o r i n t h e s e s t a t e m e n t s , r e s p e c t i v e l y . S i m i l a r a n a l y s e s h a v e s h o w n t h a t t h e r e a r e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f L M S F R C w h e n u s i n g m e t h o d 3 o f c u r i n g ( i . e . , 2 6 d a y s o f a i r d r y i n g f o l l o w e d b y 2 d a y s o f h o t w a t e r c u r i n g ) v s . m e t h o d 4 ( i . e . , 2 6 d a y s o f a i r d r y i n g f o l l o w e d b y 2 d a y s o f w e t c u r i n g ) w i t h o n l y a 0 . 1 4 % c h a n c e o f e r r o r i n t h i s s t a t e m e n t . H o w e v e r , t h e r e i s n o e fi e c t o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f S F R C w h e n u s i n g e i t h e r o f c u r i n g m e t h o d s 3 o r 4 . T h e r e i s , i n f a c t , a 9 0 . 5 % c h a n c e o f e r r o r i n s t a t i n g t h a t t h e r e i s a d i f f e r e n c e i n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f S F R C r e s u l t i n g f r o m s u b s t i t u t i n g c u r i n g m e t h o d 3 w i t h 4 . 1 0 4 I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e e fi e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e S F R C m i x e s , o n e - w a y A N O V A s t u d i e s w e r e p e r f o r m e d o n u n m o d i fi e d v s . l a t e x - m o d i fi e d m i x e s f o r e a c h c u r i n g m e t h o d s e p a r a t e l y . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e S F R C m i x t u r e s a r e v e r y s i g n i fi c a n t w h e n c u r i n g m e t h o d 1 o r 4 i s u s e d . T h e r e a r e , i n f a c t , o n l y a b o u t 1 . 5 a n d 0 . 8 7 % c h a n c e s o f e r r o r i n t h e a b o v e s t a t e m e n t s , r e s p e c t i v e l y . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t i n c u r i n g m e t h o d 1 ( w h i c h i n v o l v e s w e t c u r i n g a t e a r l y a g e s ) , t h e e f f e c t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n fl e x u r a l s t r e n g t h i s n e g a t i v e , w h i l e i n c u r i n g m e t h o d 4 ( w h i c h i n v o l v e s a i r d r y i n g a t e a r l y a g e s ) , l a t e x h a s p o s i t i v e e fi ' e c t s o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h . L a t e x m o d i fi c a t i o n , h o w e v e r , d i d n o t s e e m t o h a v e a n e f f e c t o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f S F R C w h e n s u b j e c t e d t o e i t h e r c u r i n g m e t h o d 2 o r 3 . T h e o n e - w a y A N O V A o f r e s u l t s r e v e a l e d t h a t t h e r e a r e a b o u t 8 8 . 8 a n d 5 8 . 5 % c h a n c e s o f e r r o r , r e s p e c t i v e l y , i f o n e w e r e t o s t a t e t h a t l a t e x m o d i fi c a t i o n a c t u a l l y h a s a n e fl ‘ e c t o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f S F R C w h e n c u r e d b y m e t h o d 2 ( w h i c h i n v o l v e s w e t c u r i n g a t e a r l y a g e s ) o r 3 ( w h i c h i n v o l v e s e x p o s u r e t o h o t w a t e r a t a n a g e o f 2 6 d a y s ) . 3 . 5 . 6 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h D e v e l o p m e n t W i t h T i m e T r e n d s i n t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f d i f f e r e n t c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h t i m e a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 3 2 . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t e s t d a t a c o u l d n o t b e o b t a i n e d o n t h e 1 0 0 - d a y s t r e n g t h o f L M C s p e c i m e n s d u e t o e x p e r i m e n t a l d i fl i c u l t i e s . 1 0 5 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( k s i ) 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 C o n c r e t e A g e ( d a y s ) ‘ 9 ' P l a l n ‘ 5 ’ L M C ( U s - 1 0 % ) ‘ 0 ' S F R C ( V I ' O . 7 5 % ) — a - — L M S F R C F i g u r e 3 . 3 2 T r e n d s i n S t r e n g t h D e v e l o p m e n t W i t h T i m e f o r D i f f e r e n t C o n c r e t e M i x e s . F i g u r e 3 . 3 2 i n d i c a t e s t h a t t h e l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e m i x t u r e s h a v e a t e n d e n c y t o c o n t i n u e w i t h s t r e n g t h d e v e l o p m e n t a t l a t e r a g e s . T h i s c o u l d r e s u l t f r o m t h e d e s i r a b l e i n t e m a i c u r i n g c o n d i t i o n s i n t h e l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s e x p o s e d t o a i r . T h e p o l y m e r fi l m f o r m e d ' a t t h e s u r f a c e s a n d i n s i d e t h e l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e p r o v i d e s t h e m a t e r i a l w i t h a n i n t e m a i m o i s t - c u r i n g e v e n t h o u g h t h e s p e c i m e n i s n o t e x t e r n a l l y m o i s t - c u r e d i n a h u m i d e n v i r o n m e n t . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t a l l t h e s p e c i m e n s w e r e a i r c u r e d a f t e r 1 d a y o f m o i s t - c u r i n g i n s i d e t h e m o l d s . S i n c e u n m o d i fi e d c o n c r e t e d o e s n o t p o s s e s s t h e c a p a b i l i t y f o r i n t e m a i m o i s t - c u r i n g , t h i s e a r l y - a g e a i r - d r y i n g n e g a t i v e l y i n fl u e n c e s t h e s t r e n g t h e n i n g w i t h t i m e i n u n m o d i fi e d p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 1 0 6 m i x t u r e s . H o w e v e r , o n e s h o u l d n o t i c e t h a t c o n t i n u e d m o i s t - c u r i n g m i g h t b e a c o s t l y m e a s u r e . A t w o - w a y f a c t o r i a l A N O V A w a s c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f c u r i n g t i m e ( f r o m 7 t o 1 0 0 d a y s ) o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f a l l c o n c r e t e m a t r i c e s a n d a l s o t h e e f f e c t s o f t h e c o n c r e t e m a t r i x t y p e o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . T h e r e s u l t s o f t h i s a n a l y s i s r e v e a l e d t h a t b o t h t h e c u r i n g t i m e a n d m a t r i x t y p e h a v e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e s e t w o f a c t o r s w a s a l s o f o u n d t o b e s t r o n g . 3 . 5 . 7 B o n d t o O l d C o n c r e t e T h e b o n d s t r e n g t h t e s t r e s u l t s f o r a l l m i x p r o p o r t i o n s o f T a b l e 3 . 7 a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 7 . I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n b o n d t e s t r e s u l t s v e r s u s t h e p e r c e n t a g e s o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e L M S F R C m a t r i x , p o l y n o m i a l r e g r e s s i o n a n a l y s e s a l o n g w i t h o n e - w a y a n a l y s e s o f v a r i a n c e s a n d a f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e h a v e b e e n p e r f o r m e d . T h e d e p e n d e n t v a r i a b l e i n t h i s s t u d y i s t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n t h e o l d a n d t h e o v e r l a y c o n c r e t e m a t e r i a l s , w h e r e a s t h e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e c o u l d b e e i t h e r t h e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V , ) o r t h e p e r c e n t l a t e x - c e m e n t r a t i o ( L / c ) . A s a ” V i u i u i u i u i u i u i u i u i u T a b l e 3 . 1 7 1 0 7 B o n d T e s t R e s u l t s f o r M i x e s o f T a b l e 3 . 8 . B o n d S t r e n g t h ( k s i ) 2 . 3 3 0 1 . 8 8 7 3 . 4 3 4 2 . 9 8 4 2 . 4 3 1 2 . 7 2 8 1 . 8 6 3 3 . 6 9 3 1 . 3 8 4 1 . 8 2 2 2 . 0 0 2 2 . 6 6 9 2 . 5 2 5 2 . 9 0 0 3 . 1 6 9 3 . 8 6 0 3 . 4 7 8 3 . 9 6 8 3 . 0 4 7 2 . 3 1 1 1 . 5 9 1 3 . 1 9 9 3 . 0 8 8 3 . 1 4 4 2 . 0 0 1 2 . 5 6 6 2 . 8 2 9 F i g u r e 3 . 3 3 s h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e b o n d s t r e n g t h a n d t h e L i e f o r a l l fi b e r c o n t e n t s . T h e r e g r e s s i o n l i n e a n d t h e 9 0 % c o n fi d e n c e i n t e r v a l a r e a l s o s h o w n . T h e b o n d s t r e n g t h s e e m s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g v a l u e s o f L i e . A f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e c o n fi r m e d t h a t , a t a 8 8 % c o n fi d e n c e l e v e l , t h e m e a n b o n d s t r e n g t h s a t d i fi e r e n t l a t e x c o n t e n t s a r e d i f f e r e n t a n d t h u s t h e r e i s a n e fi ' e c t o f 1 0 8 l a t e x m o d i fi c a t i o n o n b o n d . T h e 8 8 % c o n fi d e n c e l e v e l i n d i c a t e s t h a t , c o n s i d e r i n g t h e v a r i a t i o n s i n t e s t r e s u l t s , t h e r e i s a 1 2 % c h a n c e o f e r r o r i n t h e s t a t e m e n t t h a t b o n d s t r e n g t h s a t d i fi e r e n t l a t e x c o n t e n t s a r e d i f f e r e n t . I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e e fl ‘ e c t s o f V , o n b o n d s t r e n g t h , a s i m i l a r l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f t e s t r e s u l t s w a s c o n d u c t e d ( s e e F i g u r e 3 . 3 4 ) . T h i s l i n e a r m o d e l s h o w s o n l y a s l i g h t i n c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h a s a r e s u l t o f fi b e r a d d i t i o n . A c o m p a r i s o n b e t w e e n F i g u r e s 3 . 3 3 a n d 3 . 3 4 s h o w s t h a t t h e r e g r e s s i o n l i n e i n F i g u r e 3 . 3 3 h a s a h i g h e r s l o p e t h a n i n F i g u r e 3 . 3 4 a n d t h e r e f o r e t h e e fl ' e c t o f l a t e x c o n t e n t o n b o n d s t r e n g t h s e e m s t o b e l a r g e r t h a n t h a t o f s t e e l fi b e r s . A f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e r e i s a 3 6 % c h a n c e o f c o m m i t t i n g a n e r r o r w h i l e m a k i n g t h e s t a t e m e n t t h a t b o n d s t r e n g t h s a t d i f f e r e n t fi b e r c o n t e n t s a r e d i fl ’ e r e n t . T h i s m e a n s t h a t fi b e r c o n t e n t h a s a s m a l l e r e f f e c t t h a n l a t e x c o n t e n t o n b o n d s t r e n g t h . A s f a r a s t h e i n t e r a c t i o n o f fi b e r a n d l a t e x c o n t e n t s i n d e c i d i n g t h e b o n d s t r e n g t h i s c o n c e r n e d , a f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e r e i s a c t u a l l y a r e l a t i v e l y s t r o n g i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e s t e e l fi b e r a n d l a t e x e fi e c t s o n b o n d s t r e n g t h ( w i t h o n l y 8 % p o s s i b i l i t y t h a t t h i s s t a t e m e n t i s w r o n g ) . 1 0 9 5 B O N D S T R E N G T H ( k s i ) 0 0 A V @ \ fi O 0 0 0 o 1 _ . O 1 L 1 l l 0 2 4 6 s 1 0 1 2 L A T E X - C E M E N T R A T I O ( % ) F i g u r e 3 . 3 3 R e g r e s s i o n L i n e f o r B o n d S t r e n g t h V s . L / c . 5 B O N D S T R E N G T H ( k s l ) 4 r - 0 8 ( D o o M 3 0 o , o ' o e L / E / J — fl 2 < 5 8 ' o ( D 1 - O 1 l l 1 1 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 F I B E R V O L U M E F R A C T I O N ( % ) F i g u r e 3 . 3 4 R e g r e s s i o n L i n e f o r B o n d S t r e n g t h V s . V , . 1 1 0 I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f l a t e x a l o n e a t c o n s t a n t fi b e r c o n t e n t s ( V f ) , s e c o n d - d e g r e e p o l y n o m i a l r e g r e s s i o n m o d e l s w e r e c o n s t r u c t e d f o r b o n d s t r e n g t h - l a t e x c o n t e n t r e l a t i o n s h i p s a t c o n s t a n t V , . I n a d d i t i o n , a o n e - w a y a n a l y s i s o f v a r i a n c e w a s a l s o p e r f o r m e d . F i g u r e 3 . 3 5 a s h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n b o n d s t r e n g t h a n d U C f o r p l a i n c o n c r e t e ( V , = 0 % ) . A h i g h v a r i a t i o n i n t e s t r e s u l t s c a n b e s e e n f o r U c = 1 0 % . T h e o n e - w a y a n a l y s i s o f v a r i a n c e c o r r e s p o n d i n g t o t h i s fi g u r e s h o w e d t h a t t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t l a t e x c o n t e n t s a r e n o t s i g n i fi c a n t ( t h e r e i s a n 8 5 % c h a n c e o f e r r o r i n s t a t i n g t h a t t h e r e i s s o m e l a t e x e fl ‘ e c t o n b o n d s t r e n g t h a t V , = 0 % ) . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e s l a n t s h e a r b o n d t e s t p e r f o r m e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i s b e i n g s e r i o u s l y e v a l u a t e d f o r r e v i s i o n b y A S T M b e c a u s e i t p r o d u c e s r e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s i n r e s u l t s . O h a m a 3 ' 1 2 h a s s h o w n t h a t w h i l e o t h e r t e s t p r o c e d u r e s i n d i c a t e m a j o r i m p r o v e m e n t s i n b o n d s t r e n g t h w i t h l a t e x c o n t e n t , t h i s m a y n o t b e o b s e r v e d , e s p e c i a l l y a t h i g h e r l a t e x c o n t e n t s , w i t h t h e s l a n t s h e a r t e s t ( p o s s i b l y d u e t o l a r g e v a r i a t i o n s i n t h e r e s u l t s o f t h i s s p e c i fi c t e s t ) . R e p e a t i n g t h e s a m e a n a l y s i s w i t h t h e c o n s t a n t fi b e r c o n t e n t o f 0 . 5 % ( i n s t e a d o f 0 % ) g i v e s t h e s e c o n d - d e g r e e r e g r e s s i o n m o d e l s h o w n i n F i g u r e 3 . 3 5 b . A s i g n i fi c a n t i n c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h v a l u e s c a n b e s e e n f r o m t h i s fi g u r e a s L / c i n c r e a s e s f r o m 0 t o 1 0 % . F u r t h e r i n v e s t i g a t i o n b y o n e - w a y a n a l y s i s o f v a r i a n c e f o r t h i s c a s e s h o w s t h a t t h e e fi ' e c t s o f l a t e x c o n t e n t o n b o n d s t r e n g t h a t a fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 0 . 5 % a r e s i g n i fi c a n t ( w i t h o n l y 0 . 4 % c h a n c e o f e r r o r i n t h i s s t a t e m e n t ) . T h e r e s u l t s o b t a i n e d a t a c o n s t a n t fi b e r c o n t e n t o f 1 % ( F i g u r e 3 . 3 5 0 ) s h o w t h a t t h e e f f e c t s o f l a t e x c o n t e n t a r e l e s s t h a n t h o s e o b s e r v e d a t 0 . 5 % fi b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h e r e s u l t s o f o n e - w a y a n a l y s i s o f v a r i a n c e a l s o c o n fi r m t h i s o b s e r v a t i o n . o ~ 0 S T R E N G T H ( w ) o O r — fl — m 4 E E X - C M E N T 0 A R T I O 1 % ) 0 I ‘ 3 2 a ‘ 0 1 i 0 r . 5 O ( 2 L A a ) v , = T 0 0 o O 1 0 l I - o a s 9 “ V a O 8 0 4 0 S T R E N G T H m i ) ‘ _ O 2 L A T E X 4 C - E M E N 0 R A T I O v , = I 0 T ) 8 1 v - 0 . 5 s n 1 . 5 % % ( b 0 0 1 1 1 3 6 8 0 4 0 S T R E N G T H ( k s i ) 3 0 2 . 5 " t 2 4 a a t o L A T E X - C E M E N T R A T I O [ V l - l . 0 % ] ( c ) V , = 1 % F i g u r e 3 . 3 5 R e g r e s s i o n C u r v e s f o r B o n d S t r e n g t h V s . L / c a t C o n s t a n t V , . 1 1 2 S i m i l a r s t a t i s t i c a l a n a l y s e s h a v e b e e n p e r f o r m e d t o i n v e s t i g a t e t h e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n e fi e c t s a t c o n s t a n t l a t e x p o l y m e r c o n t e n t ( L / c ) o n b o n d s t r e n g t h . F o r t h e c a s e o f n o n - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( L / c = 0 % ) , F i g u r e 3 . 3 6 a s h o w s n o s i g n i fi c a n t e fl ' e c t o f fi b e r c o n t e n t o n b o n d s t r e n g t h i n n o n - m o d i fi e d c o n c r e t e . T h e o n e - w a y a n a l y s i s o f v a r i a n c e s h o w e d t h a t t h e r e e x i s t s a n 8 0 % c h a n c e o f m a k i n g a n e r r o r i f w e s t a t e t h a t t h e r e i s s o m e fi b e r c o n t e n t e f f e c t s o n t h e b o n d s t r e n g t h o f n o n - m o d i fi e d c o n c r e t e . A t a c o n s t a n t L / c o f 5 % , F i g u r e 3 . 3 6 b s h o w s a n i n c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h w i t h i n c r e a s i n g fi b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h e c o r r e s p o n d i n g a n a l y s i s o f v a r i a n c e s h o w e d t h a t t h e r e i s o n l y 1 8 % c h a n c e t h a t t h i s s t a t e m e n t i s w r o n g . I n t h e l a s t c a s e f o r a c o n s t a n t L / c o f 1 0 % , t h e b o n d s t r e n g t h s e e m s t o r e a c h a p e a k a t fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 0 . 5 % a n d t h e n d e c r e a s e s f o r h i g h e r V , a s s e e n i n F i g u r e 3 . 3 6 c . T h e c o r r e s p o n d i n g a n a l y s i s o f v a r i a n c e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e i s a fi b e r c o n t e n t e fi e c t o n b o n d s t r e n g t h a t U C o f 1 0 % w i t h o n l y 1 1 % c h a n c e o f e r r o r i n t h i s s t a t e m e n t . B O N D S T R E N G T H ( I 9 1 ) 4 1 1 3 B O N D S T R E N G T H ( w ) J L / 3 6 3 6 0 3 , , O a . o 2 - 5 4 5 2 . 8 ‘ W 2 u 2 o 6 o o t a r L O P ‘ n 1 , 0 6 F 0 6 * O e 0 0 0 2 0 4 0 0 0 8 1 1 2 0 Q 2 F I B E R V O L U M E F R A C T I O N I L / c - O % l ( a ) L / c = 0 % F i g u r e 3 . 3 6 R e g r e s s i o n C u r v e s f o r B o n d S t r e n g t h V s . V , a t C o n s t a n t L / c . O K ’ E H N R B K H H W N I 0 4 F I B E R V O L a ) 1 " “ Y I > o 0 0 I A 1 J 0 2 0 4 c a 0 8 1 F I B E R V O L U M E F R A C T I O N [ L / c - I O % I ( c ) L / c = 1 0 % 1 2 0 0 0 8 I w e F R A C T I O N I L i e - 5 % l ( b ) I J c = 5 % 1 1 4 F a i l u r e o f t h e b o n d e d c o n c r e t e a s s e m b l y m a y o c c u r i n t h e r e p a i r ( o v e r l a y ) c o n c r e t e , a t t h e b o n d l i n e , o r i n t h e b a s e ( s u b s t r a t e ) c o n c r e t e . F i g u r e 3 . 3 7 a s h o w s a t y p i c a l f a i l u r e a l o n g t h e b o n d s u r f a c e e s p e c i a l l y f o r t h e c a s e o f n o n - m o d i fi e d o v e r l a y c o n c r e t e , t h u s i n d i c a t i n g a p o o r b o n d . W h e n t h e o v e r l a y m a t e r i a l i s m o d i fi e d w i t h l a t e x p o l y m e r , h o w e v e r , t h e f a i l e d s p e c i m e n s i l l u s t r a t e t h e s u p e r i o r b o n d i n g e n h a n c e d b y l a t e x a d d i t i o n . F i g u r e 3 . 3 7 b s h o w s a c o m p l e t e f a i l u r e i n t h e b a s e m a t e r i a l w h i l e t h e b o n d s u r f a c e i s s e e n t o b e f u l l y b o n d e d t o g e t h e r . F i g u r e 3 . 3 7 c f u r t h e r i l l u s t r a t e s t h e s u p e r i o r b o n d i n g e fi ‘ e c t s b r o u g h t b y l a t e x m o d i fi c a t i o n b e c a u s e f a i l u r e o c c u r r e d m o s t l y i n t h e b a s e c o n c r e t e t h a t a p p e a r s s h e a r e d o f f . T h e l a r g e v a r i a t i o n o b s e r v e d i n b o n d t e s t r e s u l t s u r g e s t h e e x p e r i m e n t e r t o b e m o r e c a u t i o u s w h e n d i s c u s s i n g t h e r e s u l t s . T h e s l a n t s h e a r t e s t , i n f a c t , d o e s n o t f u l l y r e p r e s e n t t h e " a c t u a l " s t r e s s c o n d i t i o n s . G i v e n t h i s p r e c a u t i o n , o n e m a y c o n c l u d e f r o m t h e b o n d t e s t r e s u l t s ( a n d t h e i r s t a t i s t i c a l a n a l y s i s ) p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n t h a t , i n g e n e r a l , t h e e fl e c t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n t h e b a s e a n d t h e o v e r l a y c o n c r e t e s i s l a r g e r t h a n t h a t o f s t e e l fi b e r a d d i t i o n . I n a d d i t i o n , t h e r e i s a n o t i c e a b l e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x a n d s t e e l fi b e r e fl ' e c t s o n b o n d s t r e n g t h . F r o m t h e o b t a i n e d t e s t r e s u l t s i t c a n a l s o b e s e e n t h a t a t V , = 0 . 5 % , t h e i n c r e a s e i n U C u p t o 1 0 % c o n s i s t e n t l y i n c r e a s e s t h e b o n d s t r e n g t h . H o w e v e r , a t V , = 1 % , t h e r e i s a n i n c r e a s e a n d t h e n a d e c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h w i t h i n c r e a s e s i n U C . T h e h i g h e s t b o n d s t r e n g t h w a s a c h i e v e d a t V , = 0 . 5 % a n d L / c = 1 0 % . T h e s e r e s u l t s c a n p o s s i b l y b e j u s t i fi e d b y t h e f a c t t h a t t h e p r e s e n c e o f fi b e r s i n t h e o v e r l a y c o n c r e t e m a y r e s u l t i n i n c r e a s i n g m e c h a n i c a l b o n d i n g b y t h e i n t e r l o c k i n g o f fi b e r s a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e n e w a n d o l d c o n c r e t e s . I n a d d i t i o n , i n c r e a s i n g 1 1 5 t h e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n i n t h e m a t r i x i n c r e a s e s t h e s u r f a c e a r e a o f t h e fi b e r s t h u s c o n s u m i n g i n c r e a s i n g l y l a r g e r a m o u n t s o f l a t e x p o l y m e r s a t t h e fi b e r s u r f a c e s a n d h e n c e l e a v i n g r e d u c e d a m o u n t s o f l a t e x i n t h e m a t r i x f o r e n h a n c i n g t h e b o n d b e t w e e n t h e b a s e a n d o v e r l a y c o n c r e t e s . ( a ) F a i l u r e A l o n g B o n d S u r f a c e ( b ) F a i l u r e i n B a s e C o n c r e t e F i g u r e 3 . 3 7 F a i l u r e M o d e s o f t h e B o n d S u r f a c e B e t w e e n t h e B a s e a n d O v e r l a y C o n c r e t e s . 1 1 6 ( c ) F a i l u r e i n B a s e C o n c r e t e a n d A l o n g B o n d S u r f a c e F i g u r e 3 . 3 7 ( c o n t ’ d ) F a i l u r e M o d e s o f t h e B o n d S u r f a c e B e t w e e n t h e B a s e a n d O v e r l a y C o n c r e t e s . 3 . 5 . 8 F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y T h e r e s u l t s o f t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y t e s t f o l l o w i n g A S T M C - 6 6 6 ( P r o c e d u r e A ) a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 3 . 3 8 a , b , c a n d d f o r p l a i n , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d ( S F R ) , l a t e x - m o d i fi e d ( L M ) , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d ( L M S F R ) c o n c r e t e s , r e s p e c t i v e l y . 1 1 7 R e l a t i v e D y n a m i c M o d u l u s ( % ) 1 2 0 1 1 5 ~ 1 1 0 1 0 5 1 0 0 9 5 9 0 1 l l l l l l 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s — S a m p l e 1 ' S a m p l e 2 " " " S a m p l e 3 ( a ) P l a i n C o n c r e t e R e l a t i v e D y n a m i c M o d u l u s ( % ) 1 2 0 1 1 5 ~ 1 1 0 — 1 0 5 _ 1 0 0 9 5 - 9 0 l l l 1 l 1 1 o 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s — S a m p l e 1 S a m p l e 2 " " " S a m p l e 3 ( b ) S F R C F i g u r e 3 . 3 8 R e l a t i v e F r e q u e n c y V e r s u s N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s . 9 0 O l 0 5 1 0 0 1 1 5 0 1 L 0 0 2 1 5 0 2 1 0 0 8 l 5 0 3 4 0 0 1 1 8 O R e l a t i v e D y n a m i c M o d u l u s ( % ) 1 1 5 F 1 1 0 r 1 0 5 1 0 0 9 5 * - 9 0 1 ‘ ‘ ’ ‘ ‘ ‘ 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s — S a m p l e 1 ~ S a m p l e 2 " " " S a m p l e 3 ( c ) L M C R e l a t i v e D y n a m i c M o d u l u s ( % ) 1 2 0 1 1 5 - 1 1 0 1 0 5 1 0 0 — 9 5 N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s — S a m p l e 1 w " S a m p l e 2 " " " S a m p l e 3 ( d ) L M S F R C F i g u r e 3 . 3 8 ( c o n t ’ d ) R e l a t i v e F r e q u e n c y V e r s u s N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s . 1 1 1 1 1 1 0 0 9 9 5 0 5 0 5 0 — P l a l n m S F R C ( V I - 0 . 7 5 % ) - - - - - L M C ( L / c O ‘ 0 5 L 0 0 1 ' 5 0 1 1 0 0 2 1 5 0 2 q 3 o g ) — 1 0 0 1 5 3 M S F R C L 0 4 0 0 1 1 9 F i g u r e 3 . 3 9 c o m p a r e s t h e a v e r a g e r e l a t i v e d y n a m i c m o d u l i o f d i f f e r e n t c o n c r e t e s a s f u n c t i o n s o f t h e n u m b e r o f f r e e z e - t h a w c y c l e s . A l l t h e c o n c r e t e m i x t u r e s c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n a r e o b s e r v e d i n F i g u r e 3 . 3 9 t o p e r f o r m q u i t e d e s i r a b l y u n d e r t h e a c t i o n o f f r e e z e - t h a w c y c l e s . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e c o n c r e t e m i x t u r e s i n c o r p o r a t i n g l a t e x r e a c h e d e x c e l l e n t l e v e l s o f f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y w i t h n o n e e d t o a d d i t i o n a l a i r e n t r a i n m e n t . O R e l a t i v e D y n a m i c M o d u l u s ( % ) N u m b e r o f F r e e z e - T h a w C y c l e s F i g u r e 3 . 3 9 C o m p a r i s o n B e t w e e n t h e F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y o f D i f f e r e n t C o n c r e t e M i x t u r e s . A t w o - w a y f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e ( A N O V A ) w a s p e r f o r m e d i n o r d e r t o s t a t i s t i c a l l y i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . T h e r e s u l t s o f t h i s a n a l y s i s r e v e a l e d t h a t b o t h l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r a d d i t i o n h a v e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e 1 2 0 f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e w i t h a b o u t 1 2 a n d 1 0 p e r c e n t c h a n c e s o f e r r o r , r e s p e c t i v e l y , i n t h i s s t a t e m e n t . T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e t w o , h o w e v e r , w a s n o t s i g n i fi c a n t a s f a r a s t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l i s c o n c e r n e d . 3 . 5 . 9 S c a l i n g R e s i s t a n c e T h e t e s t p r o c e d u r e o f A S T M C - 6 7 2 , " S c a l i n g R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e S u r f a c e E x p o s e d t o D e i c i n g C h e m i c a l s , " w a s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h i s t e s t p r o v i d e s a m e a s u r e f o r c o n c r e t e r e s i s t a n c e t o f r e e z e - t h a w c y c l i n g i n t h e p r e s e n c e o f d e i c e r s a l t s . T h e r e s u l t s o f v i s u a l o b s e r v a t i o n i n t h i s t e s t a r e s u m m a r i z e d b e l o w i n T a b l e 3 . 1 8 . E a c h r e s u l t i s b a s e d o n t e s t s o n t w o s p e c i m e n s m a d e f r o m t h e s a m e m i x . T a b l e 3 . 1 8 S c a l i n g R e s i s t a n c e t e s t R e s u l t s . N u m b e r o f C y c l e s P l a i n C o n c r e t e 5 0 l l a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e 5 0 0 S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e 5 0 2 L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e 5 0 l — - w h e r e : 0 = n o s c a l i n g ; 1 = v e r y s l i g h t s c a l i n g ; a n d 2 = s l i g h t t o m o d e r a t e s c a l i n g L a t e x m o d i fi c a t i o n i s o b s e r v e d t o i m p r o v e t h e s c a l i n g r e s i s t a n c e o f b o t h p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; t h e r a t i n g o f s c a l i n g r e s i s t a n c e i n e a c h c a s e w a s u p g r a d e d o n e l e v e l i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x . 1 2 1 3 . 5 . 1 0 W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y T h e w a t e r a b s o r p t i o n a n d s p e c i fi c g r a v i t y t e s t r e s u l t s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 3 . 1 9 . T h e w a t e r a b s o r p t i o n t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 4 0 i n d i c a t e t h a t t h e a d d i t i o n o f l a t e x t o e i t h e r p l a i n o r fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s i g n i fi c a n t l y d e c r e a s e s t h e w a t e r a b s o r p t i o n e a p a c i t y o f t h e m a t e r i a l . O n t h e a v e r a g e , f o r p l a i n m i x t u r e s , t h e a d d i t i o n o f l a t e x a t 5 % a n d 1 0 % l a t e x - c e m e n t r a t i o s l e d t o 5 5 . 2 % a n d 7 6 . 0 % r e d u c t i o n i n w a t e r a b s o r p t i o n , r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e p o r e fi l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f l a t e x p o l y m e r s w h e n i n c o r p o r a t e d i n t o c o n c r e t e m a t r i c e s . T h e p o l y m e r s a l s o b r i d g e t h e m i c r o c r a c k s p r o p a g a t i n g i n s i d e t h e m a t r i x a n d a t t h e a g g r e g a t e - m a t r i x i n t e r f a c e s t h u s c l o s i n g a l l t h e c h a n n e l s a n d p a t h s t h r o u g h w h i c h w a t e r m a y p e r m e a t e . T h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r s t o u n m o d i fi e d a n d l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s , h o w e v e r , h a d n o s i g n i fi c a n t e fi e c t s o n t h e w a t e r a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e . A f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e r e s u l t s a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e c o n fi r m e d t h e s i g n i fi c a n c e o f l a t e x m o d i fi c a t i o n e f f e c t s o n w a t e r a b s o r p t i o n c a p a c i t y , a n d a l s o s h o w e d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d n o i n t e r a c t i o n b e t w e e n s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s . T h e m a j o r c o n c l u s i o n s t h a t c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e b u l k s p e c i fi c g r a v i t y t e s t r e s u l t s ( F i g u r e 3 . 4 1 ) a r e t h a t l a t e x m o d i fi c a t i o n , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t , a n d t h e i r i n t e r a c t i o n h a v e n o s i g n i fi c a n t e fl ' e c t s o n t h e s p e c i fi c g r a v i t y o f c o n c r e t e m a t e r i a l s . T h i s w a s c o n fi r m e d a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e t h r o u g h f a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e s p e c i fi c g r a v i t y t e s t d a t a . 9 1 0 5 4 0 0 0 1 1 2 2 T a b l e 3 . 1 9 W a t e r A b s o r p t i o n a n d S p e c i fi c G r a v i t y T e s t R e s u l t s . W a t e r 6 . 2 7 W a t e r A b s o r p t i o n ( % ) 0 5 1 0 L a t e x / C e m e n t ( % ) I P V h O ‘ l S - v r - 0 . 5 % - v 1 = 1 . 0 % I F i g u r e 3 . 4 0 W a t e r A b s o r p t i o n T b s t R e s u l t s . 1 2 3 3 B u l k S p e c i f i c G r a v i t y L a t e x / C e m e n t ( % ) L - v 1 = 0 a s - v 1 - 0 . 5 % - v 1 = 1 . 0 % I F i g u r e 3 . 4 1 S p e c i fi c G r a v i t y T e s t R e s u l t s . 3 . 5 . 1 1 D r y i n g S h r i n k a g e T h e a v e r a g e d r y i n g s h r i n k a g e t e s t r e s u l t s a r e s h o w n i n F i g u r e 3 . 4 2 . T h e d r y i n g s h r i n k a g e t e s t r e s u l t s f o r i n d i v i d u a l m i x t u r e s a r e s h o w n i n F i g u r e 3 . 4 3 ( 9 5 % c o n fi d e n c e i n t e r v a l s a r e a l s o s h o w n i n t h i s fi g u r e ) . T h e s e fi g u r e s i n d i c a t e t h a t b o t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n t e n d t o r e d u c e t h e a v e r a g e v a l u e s o f d r y i n g s h r i n k a g e i n c o n c r e t e . A f t e r 2 5 d a y s o f d r y i n g , o n t h e a v e r a g e , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t r e d u c e d d r y i n g s h r i n k a g e b y 4 7 % , l a t e x m o d i fi c a t i o n b y 2 9 % , a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t w i t h l a t e x m o d i fi c a t i o n b y 4 7 % . 1 2 4 A n a l y s e s o f v a r i a n c e p e r f o r m e d o n t h e s e d a t a a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e r e v e a l e d t h a t b o t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f c o n c r e t e . T h e s e r e s u l t s a l s o i n d i c a t e d t h e e x i s t e n c e o f a n i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t e fi ‘ e c t s o n c o n c r e t e d r y i n g s h r i n k a g e . T h e p r e s e n c e o f fi b e r s s e e m s t o r e d u c e t h e p o t e n t i a l s o f l a t e x p o l y m e r s f o r r e d u c i n g s h r i n k a g e m o v e m e n t s . T h e u l t i m a t e s h r i n k a g e m o v e m e n t s ( a f t e r 2 5 d a y s o f d r y i n g ) w e r e s t a t i s t i c a l l y c o m p a r a b l e , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h a n d w i t h o u t p o l y m e r s . T h e i m p r o v e m e n t s i n d r y i n g s h r i n k a g e r e s u l t i n g f r o m t h e a d d i t i o n o f l a t e x p o l y m e r s m a y b e r e g a r d e d a s r e s u l t i n g f r o m a c o m b i n a t i o n o f t w o p h e n o m e n a . T h e fi r s t i s a w a t e r - r e d u c i n g e fl ' e c t w h i c h c o n s i s t s o f t h e f a c t t h a t l a t e x m o d i fi c a t i o n r e s u l t s i n c o n c r e t e s w i t h l o w e r w a t e r - c e m e n t r a t i o s t h a n c o n v e n t i o n a l m i x e s . T h i s w a y t h e r e i s l e s s w a t e r t o b e l o s t f r o m c a p i l l a r y p o r e s a s w e l l a s l e s s l o s s o f a d s o r b e d w a t e r f r o m t h e s u r f a c e s o f C - S - H p a r t i c l e s ( w h i c h c o n s t i t u t e m o s t o f c e m e n t h y d r a t i o n p r o d u c t s ) . T h e s e c o n d e f f e c t r e s u l t s f r o m t h e f a c t t h a t l a t e x p a r t i c l e s f o r m a t h i n p o l y m e r fi l m t h a t r e d u c e s t h e r a t e a n d e x t e n t o f m o i s t u r e m o v e m e n t s ; h e n c e , r e t a i n i n g t h e w a t e r i n s i d e a n d r e d u c i n g t h e e x t e n t o f d r y i n g w h i c h i s r e s p o n s i b l e f o r s h r i n k a g e m o v e m e n t s . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t , o n t h e o t h e r h a n d , h e l p s i n t w o w a y s . F i r s t , t h e fi b e r s i n d u c e a r e s t r a i n i n g e f f e c t a g a i n s t s h r i n k a g e ; a n d s e c o n d , t h e y p r o v i d e a d d i t i o n a l t r a c t i o n d u e t o fi b e r d e b o n d i n g , p u l l - o u t a n d s t r e t c h i n g . T h e i n c r e a s e d w a t e r r e q u i r e m e n t s f o r a c h i e v i n g d e s i r a b l e w o r k a b i l i t y i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s , h o w e v e r , p r o v i d e t e n d e n c i e s t o w a r d i n c r e a s e d s h r i n k a g e m o v e m e n t s i n s t e e l fi b e r 1 2 5 r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n c o m p a r e f a v o r a b l y w i t h t h o s e r e p o r t e d b y O h a m a ( 1 9 8 2 ) , “ e x c e p t f o r t h e c o m b i n e d e fi ‘ e c t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t . O u r r e s u l t s i n d i c a t e n o s i g n i fi c a n t e fi e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n f r e e d r y i n g s h r i n k a g e s t r a i n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , w h i l e O h a m a ( 1 9 8 2 ) “ f o u n d f u r t h e r r e d u c t i o n i n d r y i n g s h r i n k a g e a s a r e s u l t o f p o l y m e r m o d i fi c a t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h i s i s a f r e e d r y i n g s h r i n k a g e t e s t w h i l e s t e e l fi b e r s a n d p o s s i b l y l a t e x p o l y m e r s a r e e x p e c t e d t o b e c o m e r e a l l y e fi e c fi v e i n t h e p r e s e n c e o f a r e s t r a i n t w h e r e t h e t e n s i l e s t r e n g t h , p o s t - c r a c k i n g r e s i s t a n c e a n d s t r a i n c a p a c i t y a l l p l a y i m p o r t a n t r o l e s . D r y i n g S h r i n k a g e ( ‘ 1 3 ) ( 1 3 0 2 5 D ’ / v — R 0 ' 0 5 A - 9 - P L A I N — A — S F R C - - € > - L M C - B - L M S F R C I T “ 1 1 1 1 1 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 A g e ( d a y s ) F i g u r e 3 . 4 2 D r y i n g S h r i n k a g e T b s t R e s u l t s . 0 0 3 0 2 6 0 . 2 0 1 6 0 0 6 0 0 2 6 0 2 0 . 1 6 0 . “ O r a m 6 6 W i s m ( S ) — ' P L A I N D r 3 l e S 3 6 W e f i t - e e l I — 8 F I O I ) 1 6 A c e ( 0 8 W ) 1 5 A c e ( d a y s ) 2 0 2 6 1 2 6 D r y i n g S h r i n k a g e ( I ) ( 1 3 6 ' — u m 0 3 0 2 5 0 . 2 0 . 1 6 0 . 0 6 2 0 2 6 3 0 O 6 1 0 1 6 A 0 9 ( G o y a ) 0 m S W I M ( ‘ 1 0 . 3 6 — L M S F R C 0 3 0 . 2 6 0 2 0 1 6 O . “ 0 6 1 O 1 6 2 0 2 5 s o A 0 8 ( d a y s ) F i g u r e 3 . 4 3 D r y i n g S h r i n k a g e T e s t R e s u l t s f o r I n d i v i d u a l M i x t u r e s . 1 2 7 3 . 6 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S T h e t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y i n d i c a t e d t h a t : 1 - l a t e x m o d i fi c a t i o n t e n d s t o i n c r e a s e b o t h t h e i n i t i a l a n d fi n a l t i m e s o f s e t t i n g i n c o n c r e t e m i x t u r e s ; 2 - T h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r s t e n d s t o d e c r e a s e t h e s e t t i n g t i m e , i r r e s p e c t i v e o f t h e l a t e x c o n t e n t i n t h e m a t r i x . 3 - T h e l o s s o f w o r k a b i l i t y w i t h t i m e t a k e s p l a c e a t a l m o s t t h e s a m e r a t e f o r a l l m i x e s i r r e s p e c t i v e o f t h e l a t e x a n d s t e e l fi b e r c o n t e n t s . 4 - l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n c r e a s e s t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e m a t r i x , w i t h s u p e r i o r i m p a c t s t r e n g t h s o b t a i n e d w h e n s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s a r e u s e d s i m u l t a n e o u s l y , i n d i c a t i n g a n e f f e c t i v e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x a n d s t e e l fi b e r s r e s u l t i n g f r o m t h e i m p r o v e d b o n d i n g b e t w e e n t h e fi b e r s a n d t h e l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s . 5 - T h e s e p a r a t e a c t i o n s o f l a t e x p o l y m e r s a n d s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e l e a d t o i m p r o v e d fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e c o m b i n e d a c t i o n o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t l e a d s t o h i g h e s t fl e x u r a l s t r e n g t h v a l u e s . 6 - S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t i s e fl ' e c t i v e i n i n c r e a s i n g t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s ( a r e a u n d e r n e a t h t h e fl e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n c u r v e ) o f c o n c r e t e . W h i l e l a t e x m o d i fi c a t i o n h a s r e l a t i v e l y s m a l l e fl ‘ e c t s o n t h e fi e x u r a l t o u g h n e s s o f p l a i n c o n c r e t e , i t i s c a p a b l e o f s i g n i fi c a n t l y i m p r o v i n g t h e t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f S F R C . T h e s e i m p r o v e m e n t s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e fi b e r - t o - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s a n d p u l l - o u t b e h a v i o r . 1 2 8 7 - W e t c u r i n g a t e a r l y a g e s i s d e t r i m e n t a l t o m i x t u r e s c o n t a i n i n g l a t e x p o l y m e r s , w h i l e i t i s a d v a n t a g e o u s i n m i x t u r e s w i t h o u t l a t e x ; 8 - E x p o s u r e t o h o t w a t e r ( c o m p a r e d t o w a t e r a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e ) a f t e r a p e r i o d o f a i r d r y i n g ( 2 6 d a y s ) r e d u c e s t h e fi e x u r a l s t r e n g t h o f L M S F R C ; 9 - T h e e fi e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n S F R C m i x t u r e s a r e v e r y s i g n i fi c a n t ( i n a n e g a t i v e m a n n e r ) w h e n c u r i n g i s a c h i e v e d b y c o n t i n u o u s i m m e r s i o n i n w a t e r , o r ( i n a p o s i t i v e m a n n e r ) w h e n c u r i n g i n v o l v e s a i r d r y i n g a f t e r a s h o r t p e r i o d o f m o i s t c u r i n g . 1 0 - C u r i n g t i m e , m a t r i x t y p e a n d t h e i r i n t e r a c t i o n h a v e s i g n i fi c a n t e fl ‘ e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . L a t e x - m o d i fi e d p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t e n d t o s t r e n g t h e n a t l a t e r a g e s w h e n e x p o s e d t o a i r . T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e d e s i r a b l e i n t e r n a l m o i s t c u r i n g c o n d i t i o n s i n l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s p r o v i d e d b y t h e p o l y m e r fi l m f o r m e d a t t h e s u r f a c e s a n d i n s i d e t h e c o n c r e t e . 1 1 - F r o m t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e b o n d t e s t r e s u l t s , w e c o n c l u d e t h a t : O r e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s e x i s t i n t h e s l a n t s h e a r t e s t r e s u l t s f o r t h e a s s e s s m e n t o f b o n d b e t w e e n t h e n e w ( o v e r l a y ) a n d o l d ( b a s e ) c o n c r e t e s ; O t h e e f f e c t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n o v e r l a y a n d b a s e c o n c r e t e s t e n d s t o b e l a r g e r t h a n t h a t o f s t e e l fi b e r a d d i t i o n ; 0 t h e r e i s a n o t i c e a b l e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r a d d i t i o n o n b o n d s t r e n g t h ; 0 a t V , = 0 . 5 % , t h e i n c r e a s e i n l a t e x - c e m e n t r a t i o u p t o 1 0 % c o n s i s t e n t l y i n c r e a s e s t h e b o n d s t r e n g t h , w h i l e f o r V , = 1 % , t h e r e i s a n i n c r e a s e a n d t h e n a d e c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h w i t h i n c r e a s i n g l a t e x c o n t e n t . T h e h i g h e s t b o n d s t r e n g t h w a s a c h i e v e d a t V , = 0 . 5 % a n d L l c = 1 0 % . 1 2 9 O f o r n o n - m o d i fi e d o v e r l a y c o n c r e t e , f a i l u r e t y p i c a l l y o c c u r s a l o n g t h e b o n d s u r f a c e . W h e n t h e o v e r l a y i s m o d i fi e d w i t h l a t e x p o l y m e r s , t h e b o n d i m p r o v e s s i g n i fi c a n t l y a n d f a i l u r e g e n e r a l l y o c c u r s i n t h e b a s e m a t e r i a l . 0 fi b e r e f f e c t s o n b o n d m a y r e s u l t f r o m t h e m e c h a n i c a l b o n d i n g r e s u l t i n g f r o m t h e i n t e r l o c k i n g o f fi b e r s a t t h e i n t e r f a c e . T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x a n d fi b e r e f f e c t s o n b o n d c o u l d r e s u l t f r o m t h e c o n s u m p t i o n o f l a t e x a t t h e r e l a t i v e l y l a r g e s u r f a c e a r e a o f fi b e r s , w h i c h l e a v e s l e s s l a t e x a v a i l a b l e t o a c t a t t h e i n t e r f a c e . 1 2 — S t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f t h e t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h e f r e e z e - t h a w s t u d y i n d i c a t e d t h a t : 0 l a t e x m o d i fi c a t i o n i m p a r t s i m p r o v e m e n t s i n t h e r e s i s t a n c e t o d e t e r i o r a t i o n f r o m r e p e a t e d f r e e z i n g - a n d - t h a w i n g c y c l e s w i t h n o n w d t o a d d i t i o n a l a i r e n t r a i n m e n t ; 0 s t e e l fi b e r a d d i t i o n a l s o s o m e w h a t i m p r o v e s t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e m a t r i c e s ; 0 t h e r e i s n o n o t i c e a b l e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r a d d i t i o n a s f a r a s t h e r e s i s t a n c e t o r e p e a t e d f r e e z e - t h a w c y c l e s i s c o n c e r n e d ; 1 3 - l a t e x m o d i fi c a t i o n i s o b s e r v e d t o i m p r o v e t h e s c a l i n g r e s i s t a n c e o f b o t h p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . 1 4 - W h i l e s t e e l fi b e r a d d i t i o n h a d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t o n t h e w a t e r a b s o r p t i o n o f t h e c o n c r e t e , l a t e x m o d i fi c a t i o n , d u e t o t h e p o r e fi l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f l a t e x p o l y m e r s w h e n i n c o r p o r a t e d i n t o c o n c r e t e m a t r i c e s , i s f o u n d t o s i g n i fi c a n t l y d e c r e a s e t h e w a t e r a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f b o t h p l a i n a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . 1 3 0 1 5 - L a t e x m o d i fi c a t i o n , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t , a n d t h e i r i n t e r a c t i o n h a d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c o n c r e t e ’ s b u l k s p e c i fi c g r a v i t y . 1 6 — B o t h l a t e x p o l y m e r s a n d s t e e l fi b e r s h a v e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e . A n a l y s e s a l s o r e v e a l e d t h e e x i s t e n c e o f a n i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e t w o . T h e p r e s e n c e o f fi b e r s r e d u c e s t h e p o t e n t i a l s o f l a t e x p o l y m e r s f o r r e d u c i n g s h r i n k a g e m o v e m e n t s . C H A P T E R F O U R M I C R O C R A C K I N G C H A R A C T E R I S T I C S U N D E R C O M P R E S S I O N L O A D I N G 4 . 1 I N T R O D U C T I O N C o n c r e t e m a t e r i a l s s u f f e r f r o m m i c r o c r a c k i n g a t c e m e n t - a g g r e g a t e i n t e r f a c e s , a l o n g fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e s , o r a r o u n d t h e e n t r a p p e d a i r v o i d s , e v e n p r i o r t o l o a d i n g . U n d e r i n c r e a s e d l o a d i n g m i c r o c r a c k s t e n d t o g r o w a n d i n t e r c o n n e c t t o f o r m m i c r o c r a c k c h a n n e l s o r g e t a r r e s t e d b y m a t r i x c o n s t i t u e n t ( s ) s u c h a s a g g r e g a t e s , s t e e l fi b e r s , a n d a i r v o i d s . l a t e x p o l y m e r s i n p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s r e d u c e t h e m i c r o c r a c k i n g d a m a g e u n d e r e x t e r n a l l o a d i n g d u e t o t h e i r p o r e f i l l i n g a n d s u p e r i o r i n t e r f a c e z o n e b o n d i n g . T h e s t u d y r e p o r t e d h e r e i n i s c o n c e r n e d w i t h t h e a s s e s s m e n t o f t h e i m p r o v e m e n t s i n t h e m a t r i x m i c r o s t r u c t u r e a s s o c i a t e d w i t h l a t e x m o d i f i c a t i o n o f p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l s . I n p a r t i c u l a r , t h i s s t u d y i n v e s t i g a t e s t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i f i c a t i o n o f c o n c r e t e m a t r i x o n t h e m i c r o c r a c k i n g a n d f a i l u r e m e c h a n i s m s . 1 3 1 1 3 2 4 . 2 B A C K G R O U N D I n f r e s h c o n c r e t e , w a t e r fi l m s f o r m a r o u n d l a r g e a g g r e g a t e p a r t i c l e s o n c e c o m p a c t e d . T h i s r e s u l t s i n a l o c a l i n c r e a s e i n w a t e r - c e m e n t r a t i o a r o u n d c o a r s e a g g r e g a t e p a r t i c l e s . O n t h e o t h e r h a n d , t h e d i s s o l u t i o n o f c a l c i u m s u l f a t e a n d c a l c i u m a l u m i n a t e c o m p o u n d s f o r m s c a l c i u m , _ s u l f a t e , h y d r o x y l , a n d a l u m i n a t e c o m p o u n d s t h a t c o m b i n e t o f o r m e t t r i n g i t e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e . T h e s e a r e c r y s t a l l i n e p r o d u c t s t h a t w o u l d c o n s i s t o f r e l a t i v e l y l a r g e c r y s t a l s a r o u n d c o a r s e a g g r e g a t e s ( d u e t o t h e l o c a l l y h i g h e r w a t e r - c e m e n t r a t i o ) r e s u l t i n a m o r e p o r o u s s t r u c t u r e t h a n i n t h e b u l k c e m e n t p a s t e o r m o r t a r m a t r i x . A s h y d r a t i o n p r o g r e s s e s , s o m e p o o r l y c r y s t a l l i n e C — S - H a n d s m a l l e r c r y s t a l s o f e t t r i n g i t e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e s t a r t fi l l i n g t h e e x i s t i n g e m p t y s p a c e s b e t w e e n t h e f r a m e w o r k c r e a t e d b y t h e l a r g e e t t r i n g i t e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e c r y s t a l s . T h i s i m p r o v e s t h e d e n s i t y a n d s t r e n g t h o f t h e t r a n s i t i o n z o n e . T h e a d h e s i o n b e t w e e n t h e h y d r a t i o n p r o d u c t s a n d t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e s i s b y v a n d e r W a a l s a t t r a c t i o n f o r c e s w h i c h d e p e n d o n t h e v o l u m e a n d s i z e o f v o i d s . ‘ 0 S i n c e e v e n a t l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o , t h e v o l u m e a n d s i z e o f v o i d s a t t r a n s i t i o n z o n e a r e l a r g e r t h a n i n t h e b u l k m o r t a r , i t f o l l o w s t h a t t h e t r a n s i t i o n z o n e i s w e a k e r i n s t r e n g t h . A s c u r i n g a g e i n c r e a s e s , n e w p r o d u c t s m a y c r y s t a l l i z e i n t h e v o i d s o f t h e t r a n s i t i o n z o n e t h r o u g h c h e m i c a l r e a c t i o n s b e t w e e n c e m e n t p a s t e a n d a g g r e g a t e s . T h i s w o u l d r e d u c e t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e c a l c i u m h y d r o x i d e i n t h e t r a n s i t i o n z o n e a n d i m p r o v e s i t s s t r e n g t h . B e s i d e s t h e l a r g e v o l u m e o f c a p i l l a r y v o i d s a n d o r i e n t e d c a l c i u m h y d r o x i d e c r y s t a l s , t h e p r e s e n c e o f m i c r o c r a c k s c o n t r i b u t e s t o t h e w e a k n e s s o f t h e t r a n s i t i o n 1 3 3 z o n e . M a n y p a r a m e t e r s a f f e c t t h i s i n t e r f a c e z o n e , n a m e l y , c e m e n t c o n t e n t , w a t e r - c e m e n t r a t i o , d e g r e e o f c o n s o l i d a t i o n o f f r e s h c o n c r e t e , c u r i n g c o n d i t i o n s , h u m i d i t y a n d t e m p e r a t u r e o f c o n c r e t e , a n d a g g r e g a t e s i z e a n d g r a d i n g . I n f a c t , p o o r g r a d a t i o n p r o m o t e s s e g r e g a t i o n d u r i n g c o m p a c t i o n . T h i s r e s u l t s i n f o r m a t i o n o f t h i c k w a t e r 1 fi l m s a r o u n d c o a r s e a g g r e g a t e s a n d i n t e r f a c e z o n e s m a k i n g t h e m s u s c e p t i b l e t o c r a c k i n g u n d e r t e n s i l e s t r e s s e s r e s u l t i n g f r o m d i f f e r e n t i a l m o v e m e n t s b e t w e e n a g g r e g a t e s a n d h y d r a t e d c e m e n t p a s t e d u r i n g d r y i n g o f c o n c r e t e b e f o r e l o a d i n g . ’ 0 U n d e r e x t e r n a l l o a d i n g , m i c r o c r a c k s o c c u r ( o r s t a r t t o g r o w ) a t t h e c e m e n t - a g g r e g a t e i n t e r f a c e s , a r o u n d t h e e n t r a p p e d a i r v o i d s , o r a l o n g t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e s . W i t h i n c r e a s e d l o a d i n g , s o m e m i c r o c r a c k s g r o w a n d c o n n e c t w i t h e a c h o t h e r t o f o r m l a r g e m a c r o c r a c k s w h i l e t h e p r o p a g a t i o n o f s o m e o t h e r s i s p r e v e n t e d b y a g g r e g a t e s , a i r v o i d s o r fi b e r s . T h e p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s l e a d s t o i n c r e a s e d n o n l i n e a r i t y o f t h e m a t e r i a l b e f o r e t h e p e a k l o a d i s r e a c h e d . F o r a i r - d r i e d m o r t a r a n d c o n c r e t e , s h r i n k a g e - i n d u c e d b o n d c r a c k s a r o u n d l a r g e a g g r e g a t e p a r t i c l e s a p p e a r p r i o r t o a n y l o a d i n g ( F i g u r e 4 . 1 ) . 7 7 U n d e r l o a d , d e b o n d i n g a n d m u l t i p l e c r a c k i n g a r o u n d s a n d g r a i n s a n d a i r v o i d s a r e o b s e r v e d f r e q u e n t l y ( F i g u r e 4 . 2 ) , a n d t h i s p h e n o m e n o n s e e m s t o b e m o r e p r o n o u n c e d b e t w e e n a d j a c e n t s a n d g r a i n s t h a n a r o u n d i s o l a t e d o n e s . " I n n o r m a l w e i g h t c o n c r e t e , t h e c r a c k c h a n g e s o r i e n t a t i o n w h e n i t e n c o u n t e r s a n a g g r e g a t e b y p a s s i n g a r o u n d i t i n s t e a d o f c r o s s i n g i t ( F i g u r e 4 . 3 ) . I n c o n c r e t e , t h e c r a c k p a t t e r n i s m o r e t o r t u o u s t h a n i n m o r t a r ( F i g u r e 4 . 4 ) b e c a u s e c o n c r e t e c r a c k s m u s t p r o p a g a t e a r o u n d t h e d e n s e l y s p a c e d a g g r e g a t e p i e c e s a s w e l l a s s a n d g r a i n s . T h e r e o r i e n t a t i o n , b r a n c h i n g , a n d m u l t i p l e c r a c k i n g a s s o c i a t e d w i t h t h e i n t e r a c t i o n o f m i c r o c r a c k s w i t h t h e e n c o u n t e r e d 1 3 4 a g g r e g a t e p a r t i c l e s l e a d t o t h e d i s s i p a t i o n o f a l a r g e a m o u n t o f e n e r g y w h i c h i s b e n e fi c i a l t o t h e m a t e r i a l ’ s b e h a v i o r u n d e r l o a d . F i g u r e 4 . 1 B o n d C r a c k P r i o r t o L o a d i n g i n A i r - D r i e d M o r t a r . " ( a ) A r o u n d S a n d G r a i n ( b ) A r o u n d A i r V o i d F i g u r e 4 . 2 D e b o n d i n g a n d M u l t i p l e C r a c k i n g i n A i r - D r i e d M o r t a r . ’ 7 \ 1 3 5 " 0 ( 1 “ \ ~ . . . . . . : > ~ . . ‘ “ W . F “ W e # 1 . \ ~ . E / \ B / / 0 . l I n n / A \ \ \ 7 7 / / ‘ ~ - - - - - - c r a c k s o f w i d t h l e s s t h a n l . 0 p m c r a c k s w i d e r t h a n i . 0 p . m F i g u r e 4 . 3 S h i f t i n g o f C r a c k D i r e c t i o n A f t e r E n c o u n t e r i n g A g g r e g a t e s . ” F i g u r e 4 . 4 T o r t u o s i t y o f C r a c k i n g . " 1 3 6 W h e n fi b e r s a r e p r e s e n t i n t h e m a t r i x , t h e g r o w t h a n d i n t e r c o n n e c t i o n o f m i c r o c r a c k s b e c o m e a m o r e e n e r g y a b s o r p t i v e p r o c e s s , a n d t h u s fi b e r s e n h a n c e t h e p r e - p e a k b e h a v i o r a n d t h e u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( F R C ) . O n c e a m i c r o c r a c k i n t e r s e c t s a fi b e r a t a n a n g l e , i t g e n e r a l l y i n t e r a c t s w i t h t h e fi b e r i n a m a n n e r t h a t m a k e s f u r t h e r p r 0 p a g a t i o n m o r e e n e r g y a b s o r p t i v e ( s e e F i g u r e 4 . 5 ) . T h e m i c r o c r a c k c a n a d v a n c e b e y o n d a s t e e l fi b e r e i t h e r a l o n g i t s o r i g i n a l p a t h a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 6 a ( 2 0 % o f t h e t i m e ) , b y s h i f t i n g a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 6 b ( 3 0 % c h a n c e ) , o r b y b r a n c h i n g i n t o m u l t i p l e p o s t - fi b e r c r a c k s a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 6 c ( 5 0 % o f t i m e ) . T h e m i c r o c r a c k e n c o u n t e r i n g a fi b e r s t a y s c o n t i n u o u s , m a k i n g t h e l a t e r a l s h i f t s a r o u n d t h e fi b e r s , a s c a n b e c l e a r l y s e e n i n t h e p i c t u r e o f t h e g r o o v e u n d e r a s t e e l fi b e r t h a t i n t e r s e c t e d m i c r o c r a c k s i n F i g u r e 4 . 7 . M i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n a t t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e m i g h t t a k e p l a c e a t t h e i n t e r f a c e i t s e l f l e a d i n g t o t h e s e p a r a t i o n o f t h e m a t r i x f r o m t h e fi b e r b y d e b o n d i n g ( F i g u r e 4 . 8 a ) , o r i t m i g h t o c c u r a t a s m a l l d i s t a n c e ( ~ 2 0 m i c r o n s ) f r o m t h e fi b e r a n d p a r a l l e l t o i t b y p s e u d o - d e b o n d i n g ( F i g u r e 4 . 8 b ) w h i c h s e p a r a t e s t h e b o d y o f t h e m a t r i x f r o m a t h i n l a y e r o f i n t e r f a c e t h a t r e m a i n s a t t a c h e d t o t h e fi b e r . W i t h t h e i r m i c r o c r a c k - a r r e s t i n g a c t i o n , fi b e r s t e n d t o i n c r e a s e t h e f r a c t u r e e n e r g y a n d c o n s e q u e n t l y t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . F i b e r p u l l e o u t o r r u p t u r e t e n d s t o d o m i n a t e t h e p o s t c r a c k i n g p r o g r e s s o f f a i l u r e i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S F R C ) u n d e r d i r e c t t e n s i o n . 1 3 7 F i g u r e 4 . 5 C r a c k i n g P a t t e r n s O b s e r v e d a t t h e I n t e r s e c t i o n o f a P r o p a g a t i n g C r a c k a n d a F i b e r N o r m a l t o i t s P a t h . " ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 4 . 6 I l l u s t r a t i o n s o f t h e C r a c k T y p e s ( a ) P a r a l l e l R u n n i n g , ( b ) S h i f t i n g , a n d ( c ) B r a n c h i n g . " 1 3 8 F i g u r e 4 . 7 C o n t i n u o u s N a t u r e o f S h i f t e d M i c r o c r a c k s A r o u n d a S t e e l F i b e r . S t c c l F i b c r ( a ) D e b o n d i n g ( b ) P s e u d o - D e b o n d i n g F i g u r e 4 . 8 M i c r o c r a c k P r o p a g a t i o n a t t h e S t e e l F i b e r - C e m e n t I n t e r f a c e . " 1 3 9 4 . 3 E X P E R I I V I E N T A L P R O G R A M F o r e a c h o n e o f t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 7 , 1 2 s p e c i m e n s w e r e c a s t . T h e s p e c i m e n s w e r e 7 5 m m ( 3 i n . ) i n d i a m e t e r a n d 1 5 0 m m ( 6 i n . ) l o n g . T h e y w e r e m o i s t - c u r e d f o r 4 8 h o u r s i n s i d e t h e i r m o l d s w h i l e b e i n g c o v e r e d w i t h a w e t b u r l a p a n d a p l a s t i c s h e e t , a n d t h e n a i r - c u r e d u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h r e e s p e c i m e n s o u t o f e a c h g r o u p o f fi f t e e n w e r e t e s t e d u n d e r c o m p r e s s i o n u n t i l f a i l u r e , w i t h s t r e s s e s a n d s t r a i n s m o n i t o r e d t h r o u g h o u t t h e t e s t . B a s e d o n t h e a v e r a g e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( 1 ” , ) o b t a i n e d f r o m t h e s e t h r e e t e s t s f o r e a c h m i x , f i v e s t r e s s l e v e l s w e r e s e l e c t e d a n d t w o s p e c i m e n s o f t h e s a m e m i x w e r e l o a d e d t o e a c h p r e d e t e r m i n e d s t r e s s l e v e l a n d t h e n u n l o a d e d . T h e fi v e s t r e s s l e v e l s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y w e r e : 0 0 . 0 0 1 ” , ; O 0 . 3 0 P , ( p r e - p c a k ) ; O 0 . 8 0 f ’ c ( p r e - p e a k ; O 1 . 0 0 t " c ( p e a k ) ; a n d O 0 . 9 0 P , ( p o s t - p e a k ) . A f t e r e a c h s p e c i m e n w a s c o v e r e d w i t h a t h i n l a y e r o f e p o x y , t h e s p e c i m e n w a s e n c a s e d ( i . e . , c i r c u m s c r i b e d ) i n fi b r o u s m o r t a r m o u n t a 1 0 0 m m ( 4 i n . ) i n d i a m e t e r . T h i s m o u n t i s n e c e s s a r y t o m a i n t a i n t h e i n t e g r i t y o f s p e c i m e n s ( e s p e c i a l l y t h o s e l o a d e d t o l a r g e s t r a i n s ) d u r i n g h a n d l i n g a n d s l i c i n g f o r m i c r o s t r u c t u r a l i n v e s t i g a t i o n s . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n s e c t i o n e d , o n e t r a n s v e r s e l y a n d o n e l o n g i t u d i n a l l y , t o 1 3 m m ( 0 . 5 i n . ) t h i c k s l i c e s t h a t w e r e c u t f r o m t h e c e n t e r o f t h e s p e c i m e n u s i n g a d i a m o n d s a w ( s e e F i g u r e 4 . 9 ) . 3 ' 0 " " fl u “ 6 . 0 ' n c s i 1 1 1 1 2 : 3 f 1 : 2 2 3 ; . ; i . : ; § ; 1 ' 1 . , i g e ' t l e fi e ( a ) L o n g i t u d i n a l S l i c e ( b ) T r a n s v e r s e S l i c e 1 4 0 3 . 0 i n . 3 . 0 i n . 6 . 0 m . F i g u r e 4 . 9 L o c a t i o n s o f T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S l i c e s . T h e s l i c e s w e r e t h e n w a s h e d i n a j e t o f w a t e r a n d a l l o w e d t o d r y i n t h e l a b f o r 2 4 h o u r s . T h e y w e r e t h e n s t a i n e d w i t h b l a c k i n d i a n i n k , g r o u n d w i t h s i l i c o n c a r b i d e o n r o t a t i n g l a p s o v e r a s e q u e n c e o f 5 g r i t s i z e s : # 1 8 0 , # 2 4 0 , # 3 2 0 , # 4 0 0 , a n d # 6 0 0 . T h e s e s p e c i m e n p r e p a r a t i o n s t e p s h e l p d i s t i n g u i s h t h e m i c r o c r a c k s u n d e r m i c r o s c o p e . F i g u r e 4 . 1 0 s h o w s a v i e w o f t h e l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e s l i c e s a f t e r b e i n g p r e p a r e d f o r m i c r o s t r u c t u r a l s t u d i e s . T h e s l i c e s w e r e e x a m i n e d f o r m i c r o c r a c k i n g c h a r a c t e r i s t i c s u s i n g a n i m a g e a n a l y s i s s y s t e m o f t y p i c a l m a g n i fi c a t i o n 2 5 x . T h e c r a c k s a t t h e p r e p a r e d f a c e s o f . t h e s l i c e s w e r e v i s i b l e a s b l a c k l i n e s . T h e m i c r o s t r u c t u r a l s t u d i e s w e r e c o n d u c t e d a f t e r d i v i d i n g t h e s u r f a c e a r e a o f t h e s l i c e t o b e v i e w e d u n d e r t h e m i c r o s c o p e i n t o a b o u t t h i r t y 1 3 - b y 1 3 - m m ( 0 . 5 - b y 0 . 5 - i n . ) s q u a r e s , e a c h t o b e v i e w e d a s a s e p a r a t e fi e l d o f m e a s u r e m e n t ( s e e F i g u r e 4 . 1 0 ) 1 4 1 ( a ) L o n g i t u d i n a l S l i c e ( b ) T r a n s v e r s e S l i c e F i g u r e 4 . 1 0 L o n g i t u d i n a l a n d T r a n s v e r s e S l i c e s R e a d y t o B e V i e w e d U n d e r M i c r o s c o p e . O n c e s u b d i v i d e d , t h e s l i c e s w e r e v i e w e d t h r o u g h a m i c r o s c o p e c o n n e c t e d t o t h e i m a g e a n a l y s i s s y s t e m . F o r e a c h fi e l d o f v i e w o n t h e m i c r o s c o p e ( w h i c h c o v e r s a 4 m m ( 0 . 1 6 i n ) b y 3 m m ( 0 . 1 2 i n ) a r e a w i t h i n e a c h 1 3 m m ( 0 . 5 i n ) b y 1 3 m m ( 0 . 5 i n ) s q u a r e o f t h e m e s h ) , t h e f o l l o w i n g t h r e e m e a s u r e m e n t s w e r e p e r f o r m e d : 1 - T h e i n t e n s i t y o f b o n d c r a c k s a t a g g r e g a t e - c e m e n t a n d fi b e r - c e m e n t i n t e r f a c e s ( s e e F i g u r e s 4 . 1 1 a a n d b , r e s p e c t i v e l y ) w i t h i n t e n s i t y d e fi n e d a s t h e t o t a l c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ; 2 - T h e i n t e n s i t y o f m a t r i x c r a c k s ( s e e F i g u r e 4 . 1 2 , n o t i n g t h a t b o t h a g g r e g a t e - i n t e r f a c e a n d m a t r i x c r a c k s a r e s h o w n h e r e ) ; a n d 3 - M i c r o c r a c k o r i e n t a t i o n s d e fi n e d a s t h e a v e r a g e i n c l i n a t i o n o f c r a c k s w i t h 1 4 2 r e s p e c t t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ( p e r f o r m e d o n t h e l o n g i t u d i n a l s l i c e s o n l y ) . T h e m e a s u r e m e n t s o n m i c r o c r a c k i n t e n s i t y w i l l r e v e a l i n f o r m a t i o n o n t h e p r o c e s s o f f a i l u r e i n c o n c r e t e m a t e r i a l s u n d e r i n c r e a s i n g s t r e s s l e v e l s , a s i n fl u e n c e d b y t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s . T h e i n c l i n a t i o n o f m i c r o c r a c k s w i l l p r o v i d e i n d i c a t i o n s o f t h e n a t u r e o f f a i l u r e m e c h a n i s m u n d e r c o m p r e s s i o n . 1 4 3 ( a ) A g g r e g a t e - C e m e n t B o n d C r a c k s ( b ) F i b e r - C e m e n t B o n d C r a c k s F i g u r e 4 . 1 1 B o n d C r a c k s a t A g g r e g a t e a n d F i b e r - C e m e n t I n t e r f a c e s . 1 4 4 F i g u r e 4 . 1 2 T y p i c a l M a t r i x M i c r o c r a c k s . 4 . 4 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S T h e r e s u l t s o f m i c r o s t r u c t u r a l s t u d i e s o n t h e p r o c e s s o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n a n d f a i l u r e u n d e r c o m p r e s s i v e s t r e s s e s i n p l a i n , l a t e x - m o d i fi e d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l s a r e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n . C o n c l u s i o n s r e g a r d i n g t h e l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d fi b e r r e i n f o r c e m e n t e f f e c t s o n t h e f a i l u r e m e c h a n i s m o f c o n c r e t e m a t e r i a l s a r e a l s o p r e s e n t e d . I f ] . 1 4 5 T h e r e s u l t s o f c r a c k i n t e n s i t y ( i . e . ; c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a o f c r o s s - s e c t i o n ) m e a s u r e m e n t s a t d i f f e r e n t c o m p r e s s i v e s t r e s s l e v e l s o n p l a i n c o n c r e t e s p e c i m e n s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 4 . 1 3 a a n d b f o r t r a n s v e r s e a n d l o n g i t u d i n a l s e c t i o n s , r e s p e c t i v e l y . I n o u r j u d g e m e n t , t h e c r a c k i n t e n s i t y a t t h e t r a n s v e r s e s e c t i o n i s m o r e r e p r e s e n t a t i v e o f t h e a c t u a l c o n d i t i o n s t h a n t h a t o b t a i n e d a t t h e l o n g i t u d i n a l s e c t i o n . T h i s r e s u l t s f r o m t h e f a c t t h a t m i c r o c r a c k s t e n d t o p r o p a g a t e i n v e r t i c a l p l a n e s . H e n c e , w h i l e a t r a n s v e r s e s e c t i o n c u t s m a n y o f t h e s e c r a c k s , t h e l o n g i t u d i n a l s e c t i o n o c c u r s a l o n g o r i n b e t w e e n t h e a p p r o x i m a t e l y v e r t i c a l c r a c k p l a n e s a n d t h u s d o e s n o t p r e s e n t a t y p i c a l c r a c k i n t e n s i t y . M i c r o c r a c k s a r e o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 1 3 - t o b e p r e s e n t e v e n p r i o r t o l o a d i n g ( a t 0 % s t r e s s l e v e l ) . T h e s e m i c r o c r a c k s a r e c a u s e d b y t h e d i f f e r e n t i a l s h r i n k a g e m o v e m e n t s , s e t t l e m e n t s a n d t h e r m a l s t r a i n s b e t w e e n a g g r e g a t e s a n d c e m e n t p a s t e , a n d a l s o b y t h e b l e e d i n g e f f e c t s . T h e y a p p e a r d o m i n a n t l y a t t h e c o a r s e a g g r e g a t e - c e m e n t p a s t e i n t e r f a c e s ( s e e F i g u r e 4 . 1 3 ) . S i m i l a r o b s e r v a t i o n s u s i n g i d e n t i c a l t e c h n i q u e s h a v e b e e n m a d e b y S h a h . 7 8 T h e p r o p a g a t i o n o f t h e s e m i c r o c r a c k s u n d e r c o m p r e s s i o n ( w h i c h s t a r t s t o t a k e p l a c e m a i n l y a t t h e i n t e r f a c e s a n d t h e n e x t e n d s i n t o t h e m a t r i x a s p r e v i o u s l y s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 2 ) i s q u a n t i t a t i v e l y d e m o n s t r a t e d i n F i g u r e 4 . 1 3 . A t t h e p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s , m i c r o c r a c k s s h o w a t e n d e n c y t o i n t e r c o n n e c t a n d l o c a l i z e , l e a d i n g t o t h e f o r m a t i o n o f m a c r o c r a c k s w i t h i n c r e a s i n g w i d t h s . T h e p r o c e s s o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n t a k e s p l a c e a t a n i n c r e a s i n g r a t e i n t h e p o s t - p e a k r e g i o n w h e r e m i c r o c r a c k s t e n d t o b e u n s t a b l e . S i m i l a r o b s e r v a t i o n s u s i n g i d e n t i c a l t e c h n i q u e s h a v e b e e n m a d e p r e v i o u s l y b y S . P . S h a h a n d R . S a n k a r . " 8 Z ’ 1 4 6 8 T R A N S V E R S E C R A C K I N T E N S I T Y ( i n / i n 2 ) \ ‘ . \ \ \ \ \ ‘ \ \ \ \ 0 3 0 8 0 1 0 0 9 0 ( p o s t - p e a k ) C O M P R E S S I V E S T R E S S / 1 0 ' ( % ) I \ \ \ \ \ \ \ V A g g r e g a t e - I n t e r f a c e M a t r i x ( a ) T r a n s v e r s e S e c t i o n 8 L O N G I T U D I N A L C R A C K I N T E N S I T Y ( i n / i n 2 ) \ O 3 0 8 0 1 0 0 9 0 ( p o s t - p e a k ) C O M P R E S S I V E S T R E S S / 1 0 ' ( % ) A g g r e g a t e - I n t e r f a c e M a t r i x ( b ) L o n g i t u d i n a l S e c t i o n F i g u r e 4 . 1 3 M i c r o c r a c k I n t e n s i t i e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s L e v e l s i n P l a i n C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . 1 4 7 T h e m i c r o c r a c k i n t e n s i t y i n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e u n d e r i n c r e a s i n g c o m p r e s s i v e s t r e s s e s i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 1 4 . A c o m p a r i s o n b e t w e e n F i g u r e s 4 . 1 3 a a n d 4 . 1 4 a , f o r t h e m o r e r e p r e s e n t a t i v e t r a n s v e r s e s e c t i o n s , i n d i c a t e s t h a t t h e m i c r o c r a c k i n t e n s i t i e s t e n d t o b e r e d u c e d a t l o w e r s t r e s s l e v e l s w i t h l a t e x m o d i fi c a t i o n . I n p a r t i c u l a r , m i c r o c r a c k s o c c u r r i n g a t a g g r e g a t e - p a s t e i n t e r f a c e s t e n d t o b e r e d u c e d s u b s t a n t i a l l y i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x p o l y m e r s , c o n fi r m i n g p r e v i o u s fi n d i n g s i ‘ 9 t h a t l a t e x m o d i fi c a t i o n p r o v i d e s i m p r o v e d b o n d i n g b e t w e e n t h e c e m e n t i t i o u s p a s t e a n d a g g r e g a t e s . R e d u c e d m i c r o c r a c k i n t e n s i t y i n t h e p r e s e n c e o f l a t e x p o l y m e r s m a y r e s u l t f r o m t h e r e s t r a i n t o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n b y p o l y m e r fi l m s b r i d g i n g a c r o s s t h e s e c r a c k s . I n t h e p o s t - p e a k r e g i o n , w h e r e t h e i n t e r c o n n e c t i o n a n d l o c a l i z a t i o n o f m i c r o c r a c k s l e a d t o t h e f o r m a t i o n o f m a c r o c r a c k s w i t h i n c r e a s i n g w i d t h s , t h e f a i l u r e m e c h a n i s m i n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e w a s c o m p a r a b l e t o t h a t i n p l a i n c o n c r e t e . 1 4 8 8 T R A N S V E R S E C R A C K I N T E N S I T Y ( I n / I n 2 ) Z r \ \ \ 0 3 0 8 0 1 0 0 9 0 ( p o s t - p e a k ) C O M P R E S S I V E S T R E S S / I C ' ( % ) I \ \ \ \ \ \ \ \ ‘ A g g r e g a t e - I n t e r f a c e M a t r i x ( a ) T r a n s v e r s e S e c t i o n 8 L O N G I T U D I N A L C R A C K I N T E N S I T Y ( i n / i n 2 ) 0 3 0 8 0 1 0 0 9 0 ( p o s t - p e a k ) C O M P R E S S I V E S T R E S S / f c ‘ ( % ) I \ \ \ \ \ \ \ ‘ A g g r e g a t e - I n t e r f a c e M a t r i x ( b ) L o n g i t u d i n a l S e c t i o n F i g u r e 4 . 1 4 M i c r o c r a c k I n t e n s i t i e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s L e v e l s i n L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . 1 4 9 T h e m i c r o c r a c k i n t e n s i t i e s a t d i f f e r e n t s t r e s s l e v e l s f o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , c o n c r e t e a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 1 5 . T h e a p p e a r a n c e o f fi b e r - i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s ( s e e F i g u r e 4 . 1 6 ) , w h i c h c o u l d b e i n i t i a t e d b y t h e s a m e p h e n o m e n a c a u s i n g a g g r e g a t e - i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s , i s t h e n e w p h e n o m e n o n w h i c h s e e m s t o p l a y a n u n e x p e c t e d d o m i n a n t e f f e c t i n d e c i d i n g t h e f a i l u r e m e c h a n i s m o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e f o r m a t i o n o f fi b e r - i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s a n d t h e i r r e l a t i v e l y r a p i d p r o p a g a t i o n ( s e e F i g u r e 4 . 1 7 ) u n d e r i n c r e a s i n g c o m p r e s s i v e s t r e s s e s i n t h e p r e - p e a k r e g i o n s e e m t o r e d u c e t h e e f f e c t i v e n e s s o f s t e e l fi b e r s i n a r r e s t i n g t h e p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s . I n t h e p o s t - p e a k r e g i o n , h o w e v e r , t h e c r a c k s y s t e m s e e m s t o b e m o r e s t a b l e i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( F i g u r e 4 . 1 5 a ) t h a n i n p l a i n c o n c r e t e ( F i g u r e 4 . 1 3 a ) a n d l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e ( F i g u r e 4 . 1 4 a ) . l a t e x m o d i fi c a t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 8 , s e e m s t o s t a b i l i z e t h e fi b e r - i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s u n d e r i n c r e a s i n g c o m p r e s s i v e s t r e s s e s . T h e a g g r e g a t e - i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s w e r e a l s o p a r t l y c o n t r o l l e d b y t h e p r e s e n c e o f l a t e x p o l y m e r s i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . F i g u r e 4 . 1 1 i l l u s t r a t e s t h e s e p o i n t s b y s h o w i n g b e t t e r fi b e r - a n d a g g r e g a t e - i n t e r f a c e b o n d s e v e n a t h i g h c o m p r e s s i v e s t r e s s l e v e l s . T h e m a t r i x m i c r o c r a c k o r i e n t a t i o n s a t t h e l o n g i t u d i n a l s e c t i o n s w e r e g e n e r a l l y l e s s t h a n 2 0 d e g r e e s f r o m t h e l o n g i t u d i n a l a x i s o f t h e s p e c i m e n ( i . e . ; t h e l o a d i n g d i r e c t i o n ) . T h e m i c r o c r a c k o r i e n t a t i o n a t t h e a g g r e g a t e - a n d fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e s s e e m e d t o b e v e r y r a n d o m . C C D M I D R E S S I V E e S T R E S S / I C ' ( % ) - A g g r e g a t e - I n t e r f a c e - F l b e r - I n t e r f a c e ( b ) L o n g i t u d i n a l S e c t i o n F i g u r e 4 . 1 5 M i c r o c r a c k I n t e n s i fi e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s L e v e l s i n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . 1 5 1 F i g u r e 4 . 1 7 M i c r o c r a c k i n g D u e t o R a p i d F i b e r - I n t e r f a c e M i c r o c r a c k P r o p a g a t i o n . 1 5 2 T R A N S V E R S E C R A C K I N T E N S I T Y ( i n / i n 2 ) 8 0 3 0 8 0 1 0 0 9 0 ( p o s t - p e a k ) C O M P R E S S I V E S T R E S S / 1 0 ‘ ( % ) I \ \ \ \ \ \ I A g g r e g a t e — I n t e r f a c e - F i b e r - I n t e r f a c e M a t r i x ( a ) T r a n s v e r s e S e c t i o n L O N G I T U D I N A L C R A C K I N T E N S I T Y ( l n / i n 2 ) 8 O 3 0 8 0 1 0 0 . 9 0 ( p o s t - p e a k ) C O M P R E S S I V E S T R E S S / 1 0 ' ( % ) A g g r e g a t e — I n t e r f a c e - F i b e r - I n t e r f a c e { : 1 M a t r i x ( b ) L o n g i t u d i n a l S e c t i o n F i g u r e 4 . 1 8 M i c r o c r a c k I n t e n s i t i e s a t D i f f e r e n t C o m p r e s s i v e S t r e s s l e v e l s i n L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e f o r T r a n s v e r s e a n d L o n g i t u d i n a l S e c t i o n s . 1 5 3 4 . 5 S U N I M A R Y A N D C O N C L U S I O N S T h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d / o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e m i c r o c r a c k i n g p r o c e s s o f f a i l u r e m e c h a n i s m i n c o n c r e t e m a t e r i a l s s u b j e c t e d t o c o m p r e s s i o n l o a d s w e r e s t u d i e d . F o r t h i s p u r p o s e c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t l e v e l s o f c o m p r e s s i v e s t r e s s i n t h e p r e - p e a k a n d p o s t - p e a k r e g i o n s , a n d w e r e t h e n u n l o a d e d . I m a g e a n a l y s i s t e c h n i q u e s w e r e e m p l o y e d t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k i n t e n s i t i e s w i t h i n t h e p a s t e a n d a t t h e a g g r e g a t e - a n d fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e s a t d i f f e r e n t l o a d l e v e l s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : ( l ) M i c r o c r a c k s a r e p r e s e n t i n c o n c r e t e m a t e r i a l s , d o m i n a n t l y a t t h e c o a r s e a g g r e g a t e - m a t r i x a n d fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e s , e v e n p r i o r t o a n y l o a d i n g . T h e s e m i c r o c r a c k s m a y b e c a u s e d b y d i f f e r e n t i a l s h r i n k a g e a n d t h e r m a l m o v e m e n t s b e t w e e n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a n d m i x i n c l u s i o n s ( i . e . , a g g r e g a t e s a n d fi b e r s ) ; ( 2 ) I n p l a i n c o n c r e t e , m i c r o c r a c k s t e n d t o o r i g i n a t e m a i n l y a t t h e c o a r s e a g g r e g a t e - c e m e n t p a s t e i n t e r f a c e s , a n d t h e n e x t e n d i n t o t h e m a t r i x a t h i g h e r c o m p r e s s i o n l e v e l s ; n e a r t h e p e a k l o a d , m i c r o c r a c k s t e n d t o i n t e r c o n n e c t a n d l o c a l i z e , f o r m i n g m a c r o c r a c k s w i t h i n c r e a s i n g w i d t h s . T h e r e i s a r a t h e r s u d d e n g r o w t h i n m i c r o c r a c k i n t e n s i t y b e y o n d t h e p e a k c o m p r e s s i o n l o a d ; ( 3 ) I n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e , t h e m i c r o c r a c k i n t e n s i t i e s , e s p e c i a l l y a t a g g r e g a t e - p a s t e i n t e r f a c e s , t e n d t o b e r e d u c e d , i n d i c a t i n g i m p r o v e m e n t s i n b o n d i n g b e t w e e n t h e c e m e n t i t i o u s p a s t e a n d a g g r e g a t e s a s a r e s u l t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n . B e y o n d t h e p e a k l o a d , h o w e v e r , t h e s u d d e n i n c r e a s e i n m i c r o c r a c k i n t e n s i t y s t i l l t a k e s 1 5 4 p l a c e i n s p i t e o f l a t e x m o d i fi c a t i o n ; ( 4 ) I n u n m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s s e e m t o p l a y a d o m i n a n t r o l e i n d e c i d i n g t h e f a i l u r e m e c h a n i s m o f t h e c o n c r e t e m a t r i x d u e t o t h e i r r e l a t i v e l y r a p i d p r o p a g a t i o n u n d e r i n c r e a s i n g c o m p r e s s i v e s t r e s s l e v e l s ; s t e e l fi b e r s , h o w e v e r , c o n t r o l m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n i n t h e p o s t - p e a k r e g i o n ; a n d ( 5 ) L a t e x m o d i fi c a t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s e e m s t o s t a b i l i z e t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s a s w e l l a s t h e a g g r e g a t e - m a t r i x i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s l e a d i n g t o a m o r e s t a b l e m i c r o c r a c k s y s t e m w i t h i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l s . - v I » 9 \ 9 . . . f . . . . . 1 i . I » : } 5 5 1 1 . : 3 . . x . . L i 2 ‘ v . “ . . “ ! 2 1 . . I . 1 . 3 x . . : 1 : 1 . I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I l l l l l l l l l l l H l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l I I I I I I I I I I H I l l l l l l l l l l m 3 1 2 9 3 0 0 8 9 2 7 2 1 6 L I B R A R Y M i c h i g a n S t a t e U n l y e r s l t y P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d a t e d u e . l l D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E ' l _ _ J I F — — l ! ' _ _ _ I i u s u I s A n A f f i r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n “ d a m m i t - o ] D E V E L O P M E N T , C H A R A C T E R I Z A T I O N , A N D F U N D A M E N T A L I N V E S T I G A T I O N O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E A t e f T l i l i V O L U M E I I A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l & E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 3 C H A P T E R F I V E P E R M E A B I L I T Y 5 . 1 I N T R O D U C T I O N O n e o f t h e m a j o r p r o b l e m s e n c o u n t e r i n g h i g h w a y a g e n c i e s i n t h e U n i t e d S t a t e s a n d i n m a n y o t h e r p a r t s o f t h e w o r l d i s t h e p r e m a t u r e d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e b r i d g e d e c k o v e r l a y s . T h i s d e t e r i o r a t i o n w o r s e n s t h e r i d e q u a l i t y o f t h e s e d e c k s a n d r e q u i r e s s o m e m a j o r r e p a i r s c a u s i n g i n c o n v e n i e n c e f o r t h e t r a v e l l i n g p u b l i c a n d c o n s u m i n g m a j o r f r a c t i o n s o f t h e b u d g e t o f h i g h w a y a g e n c i e s . “ ’ 7 T h e p r e m a t u r e d e t e r i o r a t i o n o f b r i d g e d e c k s i s d u e m a i n l y t o t h e c o r r o s i o n o f t h e e m b e d d e d r e i n f o r c i n g s t e e l t h a t r e s u l t s f r o m t h e a p p l i c a t i o n o f s a l t s a n d d e i c i n g c h e m i c a l s o n t o t h e c o n c r e t e d e c k . O n c e c o r r o d e d , t h e r e i n f o r c i n g s t e e l e x p a n d s a n d c a u s e s r u p t u r e i n s i d e c o n c r e t e , e v e n t u a l l y l e a d i n g t o t h e s p a l l i n g o f c o n c r e t e s u r f a c e . C o n c r e t e p e r m e a b i l i t y h a s s t r o n g e f f e c t s o n t h e c o r r o s i o n o f t h e r e i n f o r c i n g s t e e l . T h e w a t e r c a r r y i n g c h l o r i d e i o n s a n d d i s s o l v e d o x y g e n p e n e t r a t e s i n t o t h e c o n c r e t e a n d c a u s e s t h e c o r r o s i o n o f t h e e m b e d d e d s t e e l . P e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e a l s o s t r o n g l y i n fl u e n c e s t h e d u r a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l i n o t h e r e x p o s u r e c o n d i t i o n s . T h e m a i n t h r u s t o f t h i s s t u d y w a s t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i f i c a t i o n a n d / o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y . T h e a p p l i c a b i l i t y o f 1 5 5 1 5 6 d i f f e r e n t p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d s t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d a n d l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e s w a s a l s o i n v e s t i g a t e d . 5 . 2 B A C K G R O U N D P e r m e a b i l i t y i s d e fi n e d a s t h e e a s e w i t h w h i c h a p a r t i c u l a r s u b s t a n c e , b e i t l i q u i d , g a s , o r i o n , c a n f l o w t h r o u g h a p o r o u s s o l i d . C o n s e q u e n t l y , t h e s i z e a n d c o n t i n u i t y o f t h e p o r e s i n t h i s p o r o u s s o l i d s t r u c t u r e a r e k e y f a c t o r s i n d e t e r m i n i n g i t s p e r m e a b i l i t y . P e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e i s , i n f a c t , v e r y c l o s e l y r e l a t e d t o i t s c a p i l l a r y p o r o s i t y . T h e r e a c t u a l l y e x i s t s a n e x p o n e n t i a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e t w o . ’ 0 I t i s w o r t h n o t i n g t h a t c a p i l l a r y p o r e s r e p r e s e n t t h e p a r t o f t h e g r o s s v o l u m e t h a t h a s n o t b e e n fi l l e d b y t h e h y d r a t i o n p r o d u c t s . E v e n t u a l l y , a s h y d r a t i o n p r o c w d s , t h e v o i d s p a c e o r i g i n a l l y e x i s t i n g b e t w e e n t h e d i s c r e t e c e m e n t p a r t i c l e s b e g i n s t o g r a d u a l l y fi l l u p w i t h h y d r a t i o n p r o d u c t s . B e c a u s e t h e s e p r o d u c t s o c c u p y m o r e t h a n t w i c e t h e v o l u m e o f t h e o r i g i n a l c e m e n t s o l i d p h a s e a l o n e , t h e v o l u m e o f t h e c a p i l l a r y s y s t e m d e c r e a s e s a s h y d r a t i o n p r o g r e s s e s . A c c o r d i n g l y , o n e c a n a f fi r m t h a t w a t e r - c e m e n t r a t i o , b e i n g a r e p r e s e n t i n g f a c t o r o f t h e o r i g i n a l c a p i l l a r y s p a c e b e t w e e n c e m e n t p a r t i c l e s , a n d t h e d e g r e e o f h y d r a t i o n b o t h d e t e r m i n e t h e c a p i l l a r y p o r o s i t y o f t h e p a s t e . I n a f r e s h c e m e n t p a s t e , t h e c a p i l l a r y p o r o s i t y i s h i g h b e c a u s e o f a r e l a t i v e l y h i g h w a t e r c o n t e n t a n d a l o w d e g r e e o f h y d r a t i o n . T h e fl o w o f w a t e r i s , a t t h i s s t a g e , c o n t r o l l e d b y t h e s i z e , s h a p e , a n d c o n c e n t r a t i o n o f t h e o r i g i n a l c e m e n t g r a i n s . A s c e m e n t h y d r a t i o n p r o c e s s p r o g r e s s e s , s i n c e t h e g r o s s v o l u m e o f g e l ( i n c l u d i n g g e l 1 5 7 p o r e s ) i s a b o u t t w i c e t h e v o l u m e o f t h e u n h y d r a t e d c e m e n t , t h e g e l g r a d u a l l y fi l l s p a r t o f t h e o r i g i n a l l y w a t e r - fi l l e d s p a c e . A s m a l l d e c r e a s e i n c a p i l l a r y p o r o s i t y i s a s s o c i a t e d w i t h c o n s i d e r a b l e s e g m e n t a t i o n o f l a r g e p o r e s , t h u s r e d u c i n g t h e s i z e a n d n u m b e r o f fl o w c h a n n e l s i n t h e c e m e n t p a s t e . ” 5 ‘ A t l o w c a p i l l a r y p o r o s i t y ( a b o u t 3 0 % ) t h e i n t e r c o n n e c t i o n s b e t w e e n t h e p o r e s , w h i c h a r e r e d u c e d t o s m a l l s i z e s ( ~ 1 0 0 n m o r l e s s ) , b e c o m e v e r y t o r t u o u s r e s u l t i n g i n v e r y l o w p e r m e a b i l i t y . I n a m a t u r e a n d d e n s e c e m e n t p a s t e , t h e c a p i l l a r i e s b e c o m e b l o c k e d b y g e l a n d s e g m e n t e d s o t h a t t h e y t u r n i n t o c a p i l l a r y p o r e s i n t e r c o n n e c t e d s o l e l y b y g e l p o r e s . T h e s e a r e i n t e r c o n n e c t e d i n t e r s t i t i a l s p a c e s b e t w e e n t h e g e l p a r t i c l e s . T h e y a r e m u c h s m a l l e r t h a n t h e c a p i l l a r y p o r e s ( 1 5 t o 2 0 A ) , a n d o c c u p y a b o u t 2 8 % o f t h e t o t a l g e l / p a s t e v o l u m e . C a p i l l a r y p o r e s , o n t h e o t h e r h a n d , o c c u p y b e t w e e n 0 a n d 4 0 % d e p e n d i n g o n t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d t h e d e g r e e o f h y d r a t i o n . T h e p e r m e a b i l i t y o f c e m e n t i s t h e r e f o r e s e e n t o b e n o t a f u n c t i o n o f i t s p o r o s i t y o n l y , b u t a l s o t o d e p e n d o n t h e s i z e , d i s t r i b u t i o n , a n d c o n t i n u i t y o f t h e p o r e s . A g g r e g a t e s , o n t h e c o n t r a r y , t y p i c a l l y h a v e l e s s t h a n 3 % p o r e v o l u m e ( c o m p a r e d t o 3 0 t o 4 0 % c a p i l l a r y p o r o s i t y o f a t y p i c a l c e m e n t p a s t e ) . T h i s w o u l d i m p l y t h a t a g g r e g a t e s a r e e x p e c t e d t o h a v e m u c h l o w e r p e r m e a b i l i t y t h a n t h e t y p i c a l c e m e n t p a s t e . V a r i o u s i n v e s t i g a t i o n s , h o w e v e r , r e v e a l e d t h a t t h e p e r m e a b i l i t y o f a g g r e g a t e s i s v e r y v a r i a b l e a n d t h a t s o m e a g g r e g a t e s m a y h a v e h i g h e r p e r m e a b i l i t y t h a n c e m e n t p a s t e w h i c h h a s a h i g h e r p o r o s i t y . T h i s h a s b e e n a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t t h e s i z e o f c a p i l l a r y p o r e s i n a g g r e g a t e s i s u s u a l l y m u c h l a r g e r ( > 1 0 u m ) t h a n t h o s e o f c e m e n t p a s t e ( 1 0 - 1 0 0 n m ) . I n t r o d u c i n g a g g r e g a t e p a r t i c l e s o f l o w p e r m e a b i l i t y i n t o a c e m e n t p a s t e s h o u l d , 1 5 8 t h e o r e t i c a l l y s p e a k i n g , r e d u c e t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e s y s t e m . I n f a c t , w i t h a r a t i o n a l r e a s o n i n g , a g g r e g a t e p a r t i c l e s w o u l d i n t e r c e p t t h e fl o w c h a n n e l s i n s i d e t h e c e m e n t p a s t e , a n d m a y r e d u c e t h e e f f e c t i v e a r e a o v e r w h i c h f l o w c a n t a k e p 1 a c e . ‘ ° " ‘ E x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h i s i s n o t t r u e . I n c o r p o r a t i n g a g g r e g a t e s i n t o c e m e n t p a s t e c o n s i d e r a b l y i n c r e a s e s t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e r e s u l t i n g m o r t a r o r c o n c r e t e ( t h e l a r g e r t h e a g g r e g a t e s i z e , t h e l a r g e r t h e p e r m e a b i l i t y ) . T h i s u n e x p e c t e d fi n d i n g i s a t t r i b u t e d t o t h e m i c r o c r a c k s p r e s e n t i n t h e a g g r e g a t e - c e m e n t p a s t e i n t e r f a c e z o n e s . W a t e r fi l m s f o r m a r o u n d l a r g e a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n f r e s h c o n c r e t e . C a l c i u m , s u l f a t e , h y d r o x y l , a n d a l u m i n a t e i o n s , p r o d u c e d b y t h e d i s s o l u t i o n o f c a l c i u m s u l f a t e a n d c a l c i u m a l u m i n a t e c o m p o u n d s , c o m b i n e t o f o r m e t t r i n g i t e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e . A s a r e s u l t o f t h e l o c a l h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o i n t h i s r e g i o n , t h e c r y s t a l l i n e h y d r a t i o n p r o d u c t s ( e s p e c i a l l y c a l c i u m h y d r o x i d e a n d e t t r i n g i t e ) a t t h e i n t e r f a c e c o n s i s t o f r e l a t i v e l y l a r g e r c r y s t a l s t h a t f o r m a m o r e p o r o u s f r a m e w o r k t h a n i n t h e c e m e n t p a s t e o r m o r t a r m a t r i x . T h e c a l c i u m h y d r o x i d e c r y s t a l s a r e p l a t e - l i k e a n d t e n d t o f o r m i n o r i e n t e d l a y e r s . A s h y d r a t i o n p r o c e s s p r o g r e s s e s , p o o r l y c r y s t a l l i n e c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e ( C - S - I - I ) a n d a s e c o n d g e n e r a t i o n o f s m a l l e r c r y s t a l s o f e t t r i n g i t e a n d c a l c i u m h y d r o x i d e s t a r t fi l l i n g e m p t y s p a c e s e x i s t i n g i n t h e p o r o u s f r a m e w o r k ( S e e F i g u r e 5 . 1 ) . 5 0 T h e t r a n s i t i o n z o n e i s u s u a l l y t h e w e a k e s t l i n k i n t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e a n d h a s m i c r o c r a c k s e v e n w i t h o u t a n y a p p l i e d l o a d i n g . T o r e c a p i t u l a t e , t h e l a r g e r t h e a g g r e g a t e s i z e s t h e h i g h e r t h e l o c a l w a t e r - c e m e n t r a t i o i n t h e t r a n s i t i o n z o n e w i l l b e a n d , c o n s e q u e n t l y , t h e w e a k e r a n d m o r e p e r m e a b l e t h e c o n c r e t e w i l l b e . I n o t h e r w o r d s , t h e p o r o u s a n d d e b o n d e d t r a n s i t i o n z o n e s p r o v i d e f o r i n t e r c o n n e c t i o n o f c a p i l l a r y p o r e s a n d t h u s i n c r e a s e d p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e . 1 5 9 c - A - § - H C H ( E t t r i n q i t e ) $ 3 5 a t I I — E T 3 5 ’ 3 3 5 * fl ‘ g ‘ J A - \ \ : 3 ‘ 5 ’ ) \ \ \ - 4 “ A I S / A l l i e I L t w - . A G G R E G A T E : ‘ 7 T r a n s i t i o n Z o n e 8 q u C e m e n t P a s t e F i g u r e 5 . 1 D i a g r a m m a t i c R e p r e s e n t a t i o n o f t h e T r a n s i t i o n Z o n e a n d B u l k C e m e n t P a s t e i n C o n c r e t e . ‘ 0 5 . 2 . 1 F a c t o r s A f f e c t i n g C o n c r e t e P e r m e a b i l i t y T h e r e a r e s e v e r a l f a c t o r s t h a t a f f e c t t h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e . T h e y t y p i c a l l y f a l l i n t o o n e o f t h e f o l l o w i n g t h r e e m a i n g r o u p s : 1 . T h e i n fl u e n c e o f t h e c o n s t i t u e n t m a t e r i a l s ; 2 . T h e e f f e c t o f m e t h o d s o f p r e p a r i n g t h e c o n c r e t e ; a n d 3 . T h e i n fl u e n c e o f s u b s e q u e n t t r e a t m e n t o f t h e c o n c r e t e . 5 . 2 . 1 . 1 . E f f e c t o f w a t e r a n d C e m e n t ; T h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e i s v e r y d e p e n d e n t o n t h e w a t e r / c e m e n t r a t i o b e c a u s e t h e l a t t e r d e t e r m i n e s t h e s i z e , v o l u m e , a n d c o n t i n u i t y o f c a p i l l a r y v o i d s . F o r p l a s t i c w o r k a b l e m i x e s , t h e p e r m e a b i l i t y i n c r e a s e s w i t h t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 . 5 “ ’ ° - ' ° ° D r y m i x e s d o n o t c o n s o l i d a t e v e r y r e a d i l y ; t h e r e f o r e , m o r e w a t e r i s r e q u i r e d f o r m i n i m u m 1 6 0 p e r m e a b i l i t y t h a n f o r m a x i m u m s t r e n g t h . F o r h a n d - r o d d e d c o n c r e t e , t h e p e r m e a b i l i t y i n c r e a s e s w h e n t h e w a t e r i s r e d u c e d b e l o w t h e l e v e l w h i c h w i l l p r o d u c e a s l u m p o f a b o u t 5 1 t o 7 6 m m ( 2 t o 3 i n ) . P e r m e a b i l i t y d e c r e a s e s a s t h e c e m e n t - v o i d s r a t i o i n c r e a s e s a n d t h i s r e l a t i o n s h i p a p p e a r s t o b e m o r e d e fi n i t e t h a n t h a t b e t w e e n p e r m e a b i l i t y a n d w a t e r - c e m e n t r a t i o . " o W i t h w e l l - c u r e d c o n c r e t e a n d t h e o p t i m u m q u a n t i t y o f m i x i n g w a t e r , a n i n c r e a s e o f c e m e n t c o n t e n t a b o v e t h a t i n a 1 : 2 : 4 ( C e m e n t z F i n e A g g r e g a t e : C o a r s e A g g r e g a t e ) m i x d o e s n o t m a t e r i a l l y a f f e c t p e r m e a b i l i t y . H o w e v e r , v e r y w e t c o n s i s t e n c i e s r e q u i r e a r i c h e r m i x a n d t e n d t o p r o d u c e w a t e r g a i n u n d e r t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e s , w h i c h i n c r e a s e s t h e p e r m e a b i l i t y . W W A s s e e n i n t h e p r e v i o u s F i g u r e 5 . 2 , t h e g r e a t e r t h e m a x i m u m s i z e o f a g g r e g a t e f o r a g i v e n w a t e r - c e m e n t r a t i o , t h e g r e a t e r t h e fl o w ( i . e . , t h e c o e f fi c i e n t o f p e r m e a b i l i t y ) ; t h i s c o u l d b e d u e t o t h e r e l a t i v e l y l a r g e w a t e r v o i d s d e v e l O p e d o n t h e u n d e r s i d e o f t h e c o a r s e r a g g r e g a t e p a r t i c l e s . A g g r e g a t e s s h o u l d b e s o u n d a n d o f l o w p o r o s i t y . I t i s v e r y i m p o r t a n t t o h a v e a w e l l g r a d e d a g g r e g a t e f r o m t h e s t a n d p o i n t o f w a t e r t i g h t n e s s t h a n i t i s f r o m t h e s t a n d p o i n t o f s t r e n g t h , d u e t o t h e i m p o r t a n c e o f d e n s e c o n c r e t e . S u f fi c i e n t fi n e s m u s t b e u s e d , b u t t h e m i x s h o u l d n o t b e o v e r s a n d e d . 9 0 T y p i c a l l y , p e r m e a b i l i t y c o e f fi c i e n t s f o r m e d i u m - s t r e n g t h c o n c r e t e ( c o n t a i n i n g 3 8 m m ( 1 . 5 i n ) a g g r e g a t e , 3 5 6 k g / m 3 ( 6 0 0 l b / y d ’ ) c e m e n t , a n d a n 0 . 5 w / c ) , a n d l o w - s t r e n g t h c o n c r e t e u s e d i n d a m s ( 7 6 t o 1 5 2 m m ( 3 t o 6 i n ) a g g r e g a t e , 1 4 8 k g / m ’ ( 2 5 0 l b / y d ’ ) c e m e n t , a n d a n 0 . 7 5 W e ) a r e o f t h e o r d e r o f 1 . 1 0 1 0 a n d 3 0 . 1 0 ’ 1 0 c m / s e c ( 0 . 4 . 1 0 1 0 a n d 1 1 . 8 . 1 0 ? l o i n / s e c ) , r e s p e c t i v e l y . ” 1 6 1 I 4 0 i - V 9 M c x . A q g r e q o t o * m o — - 9 x d 3 3 E I O O - 3 0 g : : - 2 7 s z 8 0 " a 2 4 e O 5 " ‘ 2 | : > ~ 6 0 ' - - ‘ I 8 8 0 E M o r t a r - - I 5 " ' N o . 4 g 4 0 — l 2 E — 9 3 2 0 - 6 l d 3 0 0 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 W e t a r I C a m e n t R a t i o 9 t o F i g u r e 5 . 2 I n fl u e n c e o f W a t e r / C e m e n t R a t i o a n d M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e o n C o n c r e t e P e r m e a b i l i t y . ” 9 0 - 1 0 ° ' C o n t i n u e d h y d r a t i o n o f t h e c e m e n t r e s u l t s i n g e l d e v e l o p m e n t w h i c h r e d u c e s t h e s i z e o f t h e v o i d s a n d i n c r e a s e s t h e W a t e r t i g h t n e s s o f t h e c o n c r e t e . F i g u r e 5 . 3 " 0 s h o w s t h e g r e a t i n c r e a s e i n w a t e r t i g h t n e s s w i t h c u r i n g , t h e c h a n g e b e i n g e v e n g r e a t e r t h a n t h e i n c r e a s e i n s t r e n g t h w i t h c u r i n g . T h e p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n i s s t r o n g l y i n fl u e n c e d b y t h e c u r i n g t e m p e r a t u r e : h i g h t e m p e r a t u r e s i n c r e a s e t h e v o l u m e o f l a r g e m e s o p o r e s ( s e e F i g u r e 5 . 4 ‘ ° ° ) . T h i s c h a n g e i n p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n i s r e fl e c t e d i n h i g h e r p e r r n e a b i l i t i e s w h e n c u r i n g t e m p e r a t u r e s a r e v a r i e d . y t i l i b a e m r e p y a d - 0 6 f o e g a t n e c r e P a o 6 o O O 1 6 2 “ ‘ 8 1 8 o N 0 ' 0 0 ' O 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 T o t a l t i m e o f c u r i n g , d a y s F i g u r e 5 . 3 E f f e c t o f C u r i n g P e r i o d o n P e r m e a b i l i t y . ” ~ § . s E - E " ' 3 3 m " 3 o . 0 1 5 “ - g . § w 2 - . , E m . 2 g o a t : ‘ t o t o o m o 1 0 0 0 0 P o r e D i a m e t e r , A F i g u r e 5 . 4 E f f e c t o f C u r i n g T e m p e r a t u r e o n P o r e S i z e D i s t r i b u t i o n . 1 0 0 W W W R e d u c t i o n s i n p e r m e a b i l i t y a r e a n i m p o r t a n t a s p e c t o f t h e b e n e fi c i a l e f f e c t s o f m i n e r a l a d m i x t u r e s , s u c h a s fl y a s h e s a n d s l a g s . F i g u r e 5 . 5 ‘ ° ° s h o w t h a t f o r c e m e n t p a s t e s c o n t a i n i n g r e a c t i v e m i n e r a l a d m i x t u r e s , s u c h a s fl y a s h a n d s i l i c a f u m e , t h e t o t a l p o r o s i t y i s r e d u c e d c o m p a r e d t o 1 6 3 p a s t e s o f p u r e c e m e n t a n d a fi n e r p o r e s t r u c t u r e r e s u l t s . P a s t e s c o n t a i n i n g fl y a s h , h o w e v e r , h a v e r e d u c e d p e r m e a b i l i t y e v e n t h o u g h t h e m u c h s l o w e r r e a c t i o n s o f fl y a s h r e s u l t i n h i g h e r p o r o s i t i e s a n d c o a r s e r p o r e s t r u c t u r e s e v e n a f t e r 6 0 d a y s o f c u r i n g ( s e e F i g u r e 5 . 5 " ” ) . T h e p o z z o l a n i c r e a c t i o n s e e m s t o b e a b l e t o d e v e l o p a d i s c o n t i n u o u s p o r e s y s t e m m o r e r e a d i l y . I t h a s b e e n f o u n d t h a t p a s t e s c o n t a i n i n g fl y a s h a r e m o r e p r o n e t o d a m a g e w h e n M I P ( M e r c u r y I n t r u s i o n P o r o s i t y ) i s u s e d t o m e a s u r e p o r e s i z e s . I t a p p e a r s t h a t m e r c u r y u n d e r p r e s s u r e b r e a k s t h r o u g h r a t h e r f r a g i l e b a r r i e r s t h a t i s o l a t e l a r g e p o r e s , w h e r e a s t h i s d o e s n o t h a p p e n i n p u r e c e m e n t p a s t e s . T h i s s u g g e s t s t h a t l a c k o f a d e q u a t e c u r i n g o f c o n c r e t e s w i t h fl y a s h c o u l d s e r i o u s l y a f f e c t i t s p o t e n t i a l p e r m e a b i l i t y . H o w e v e r , i n c r e a s e d c u r i n g t e m p e r a t u r e g r e a t l y i n c r e a s e s t h e r a t e o f p o z z o l a n i c r e a c t i o n a n d r e d u c e s w a t e r fl o w ( F i g u r e 5 . 4 ) . T h e p r o n o u n c e d r e d u c t i o n i n p o r e s i z e i n p a s t e s c o n t a i n i n g s i l i c a f u m e i s a t t r i b u t e d b o t h t o i t s h i g h p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y , a n d a l s o t o i t s v e r y s m a l l p a r t i c l e s i z e w h i c h a l l o w s i t t o p a c k e f fi c i e n t l y b e t w e e n t h e c e m e n t g r a i n s , t h e r e b y s u b d i v i d i n g t h e s p a c e . T h e p e r m e a b i l i t y c o e f fi c i e n t s a r e t h u s g r e a t l y r e d u c e d , p a r t i c u l a r l y a t h i g h w / c r a t i o s . 1 6 4 2 8 d o y s 0 3 ' — c t t n t t o t t o i ” L O \ - 0 2 . . . fl 3 5 2 - a z - i . - E 0 1 - g 2 0 1 - t 2 0 ‘ c I I O m a n P o r e R a d i u s P o r e D i a m e t e r F i g u r e 5 . 5 P o r e S i z e D i s t r i b u t i o n s i n C e m e n t P a s t e s M a d e W i t h a n d W i t h o u t M i n e r a l A d m i x t u r e s ( n u m b e r s b e s i d e l e g e n d s r e p r e s e n t r e l a t i v e p e r m e a b i l i t y : c o n t r o l = 1 . 0 ) . ‘ ° ° 5 . 2 . 1 . 5 , E f f g z t s o f C h e m i c a l A d m i x t u r e s ; C h e m i c a l a d m i x t u r e s s h o u l d a l s o a f f e c t p e r m e a b i l i t y i f t h e y c h a n g e p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n s i n c e m e n t p a s t e s . A d d i t i o n s o f e a l c i u m c h l o r i d e i n c r e a s e t h e v o l u m e o f fi n e c a p i l l a r y p o r e s a t t h e e x p e n s e o f l a r g e o n e s a n d p r o v i d e a l e s s p e r m e a b l e p a s t e . A d d i t i o n s o f l a t e x p o l y m e r s r e d u c e t h e p e r m e a b i l i t y s i g n i fi c a n t l y . 4 3 T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t t h e s t r u c t u r e o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e ! m o r t a r i s s u c h t h a t t h e m i c r o p o r e s a n d v o i d s n o r m a l l y o c c u r r i n g i n p o r t l a n d c e m e n t s y s t e m s a r e fi l l e d w i t h t h e p o l y m e r fi l m t h a t f o r m s d u r i n g c u r i n g , t h u s r e d u c i n g p e r m e a b i l i t y a n d w a t e r a b s o r p t i o n . W a t e r - r e d u c i n g a g e n t s s h o u l d r e d u c e p e r m e a b i l i t y i f t h e y a r e u s e d t o l o w e r w / c r a t i o s . H o w e v e r , l i k e c a l c i u m c h l o r i d e , w a t e r r e d u c i n g a g e n t s o f t e n i n c r e a s e d r y i n g s h r i n k a g e , w h i c h h a s b e e n c o r r e l a t e d w i t h fi n e r p o r e s . T h u s , t h e y m a y w e l l 1 6 5 r e d u c e p e r m e a b i l i t y e v e n w h e n t h e W e i s n o t c h a n g e d . A m o r e u n i f o r m d i s p e r s i o n o f c e m e n t g r a i n s w i t h i n r e d u c i n g a g e n t i s m o r e l i k e l y t o p r o v i d e a m o r e u n i f o r m p o r e s t r u c t u r e w i t h l e s s c o a r s e p o r e s . ‘ ° " W I t h a s b e e n f o u n d t h a t t h e c e m e n t - a g g r e g a t e i n t e r f a c e i s m o r e p o r o u s t h a n t h e b u l k p a s t e , i n a l l b u t v e r y w e l l - c u r e d s y s t e m s . “ T h i s h a s b e e n d e m o n s t r a t e d b y S E M o b s e r v a t i o n s , b u t i s n o t s o e a s y t o q u a n t i f y . O n l y a f e w c o m p a r a t i v e M I P m e a s u r e m e n t s o n p a s t e a n d m o r t a r s h a v e b e e n m a d e ( s e e F i g u r e 5 . 6 ) . 1 0 0 I t a p p e a r s l i k e l y t h a t t h e i n t e r f a c i a l z o n e w i l l b e a f a v o r a b l e p a t h w a y f o r w a t e r fl o w . T h i s i s e v e n m o r e l i k e l y i f b o n d c r a c k i n g o c c u r s u n d e r l o c a l s t r e s s e s c a u s e d b y t h e r m a l m i s m a t c h b e t w e e n p a s t e a n d a g g r e g a t e , o r r e s t r a i n t o f p a s t e s h r i n k a g e b y t h e a g g r e g a t e . T h e p e r m e a b i l i t y c o e f fi c i e n t s f o r c o n c r e t e a r e g e n e r a l l y a b o u t 1 0 0 t i m e s h i g h e r t h a n t h o s e f o r c o m p a r a b l e p a s t e s w h i l e t h o s e f o r m o r t a r s a r e 3 - 1 0 t i m e s h i g h e r . ‘ ° ° o ” E “ 1 0 3 - — — M o r t a r P a s t e g - - - - P l a i n P a s t e 3 g 0 2 ~ \ ' 8 ' D 3 O J ~ i n t e r f a c i a l P o r e s E 0 1 1 i 0 I 0 2 i 0 “ n m P o r e D i a m e t e r F i g u r e 5 . 6 P o r e S i z e D i s t r i b u t i o n F o r P l a i n P a s t e a n d P a s t e i n M o r t a r . l o o 1 6 6 5 W C h l o r i d e p e r m e a b i l i t y i s c o n s i d e r e d t o b e o n e o f t h e m o s t c r i t i c a l a s p e c t s o f L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e ( L M C ) p e r f o r m a n c e . M o d i f y i n g p l a i n c o n c r e t e w i t h l a t e x p o l y m e r s s i g n i fi c a n t l y e n h a n c e s i t s i m p e r m e a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s . W h e n c o n c r e t e i s m o d i fi e d w i t h l a t e x , t h e m i c r o p o r e s a n d v o i d s g e t fi l l e d w i t h a t h i n p o l y m e r fi l m t h a t a c t s a s a b a r r i e r a g a i n s t p e r m e a b i l i t y a n d w a t e r a b s o r p t i o n . " ” B e s i d e s p o r o s i t y , a n o t h e r f a c t o r c o n t r o l l i n g t h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e i s t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n i t i a t e d i n s i d e c o n c r e t e , e s p e c i a l l y a t m a t r i x - a g g r e g a t e i n t e r f a c e s , d u e p a r t l y t o r e s t r a i n e d s h r i n k a g e m o v e m e n t s . l a t e x m o d i fi c a t i o n r e d u c e s t h e a m o u n t o f m i c r o c r a c k i n g i n c o n c r e t e . L a t e x p a r t i c l e s t e n d t o f o r m a fi l m , d u r i n g c e m e n t h y d r a t i o n , t h a t s u r r o u n d s t h e a g g r e g a t e s a n d p r o v i d e s a s t r o n g a n d fl e x i b l e b o n d i n g b e t w e e n t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x a n d a g g r e g a t e s “ - 8 ° T h i s i m p r o v e d i n t e r f a c e c o n d i t i o n l e a d s t o r e d u c e d m i c r o c r a c k i n g a t t h e i n t e r f a c e , t h u s m a k i n g t h e c o n c r e t e m o r e i m p e r m e a b l e . I ( u h l m a n n " ' 4 3 h a s r e p o r t e d t h a t t h e p e r m e a b i l i t y o f L M C i s s t r o n g l y i n fl u e n c e d b y t i m e a n d c u r i n g c o n d i t i o n s . F o r i n s t a n c e , p e r m e a b i l i t y d e c r e a s e s s i g n i fi c a n t l y w h e n L M C i s c u r e d b e y o n d t h e n o r m a l 2 8 - d a y c u r i n g p e r i o d , w i t h l a r g e s t d e c r e a s e o c c u r r i n g w i t h i n t h e fi r s t t w o m o n t h s o f c u r i n g ( s e e F i g u r e 5 . 7 ) . T h e r e f o r e , i t i s c o n c l u d e d t h a t p e r m e a b i l i t y i s a f u n c t i o n o f t i m e a n d t h a t p r o p e r c u r i n g o f c o n c r e t e f o l l o w e d b y a n e x t e n d e d p e r i o d o f t i m e p r i o r t o e x p o s u r e t o c h l o r i d e s o l u t i o n s m a y r e s u l t i n a m o r e i m p e r m e a b l e m a t e r i a l . O h a m a “ h a s r e p o r t e d t h a t t h e c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n d e p t h o f L M C i n c r e a s e s w i t h a d d i t i o n a l i m m e r s i o n p e r i o d s , a n d i s r e d u c e d w i t h a n i n c r e a s e i n p o l y m e r - c e m e n t 5 c Q ‘ s s s a . Q « 5 ~ Q 5 ‘ u 9 9 s “ . 1 6 7 r a t i o . K u h l m a n n “ 3 a l s o f o u n d t h a t , e v e n a t h i g h a i r c o n t e n t s , t h e a i r v o i d s i n L M C a r e v e r y s m a l l a n d i s o l a t e d , a n d t h e r e f o r e d o n o t i n c r e a s e p e r m e a b i l i t y . 2 C h l o r i d e P e n e t r a t i o n D e p t h , i n c h e s + 9 1 d e y e ' + ' 2 8 d e y e S a t u r a t e d S o d i u m C h l o r i d e S o l u t i o n 1 r . . . . . 4 . - - - . - “ . . . . . . . . . . . . . + 0 . 5 - o I I l l 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 L a t e x S o l i d s / C e m e n t F i g u r e 5 . 7 L a t e x S o l i d s / C e m e n t V s . C h l o r i d e P e n e t r a t i o n . ” 1 W 1 , S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t i s n o t a p a r t i c u l a r l y e f f e c t i v e m e t h o d o f i m p r o v i n g t h e i m p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e ; 9 n o t i n g t h a t s o m e i m p o r t a n t g a i n s i n m a n y o t h e r a s p e c t s o f t h e m a t e r i a l b e h a v i o r c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h fi b e r r e i n f o r c e m e n t . I n a c t u a l fi e l d c o n d i t i o n s w h e r e s h r i n k a g e m o v e m e n t s a r e r e s t r a i n e d , t h e e f f e c t i v e n e s s o f fi b e r s i n c o n t r o l l i n g s h r i n k a g e c r a c k s m a y h e l p r e d u c e t h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e i n fi e l d c o n d i t i o n s . 5 . 2 . 2 M e t h o d s o f P e r m e a b i l i t y T e s t i n g V a r i o u s m e t h o d s f o r a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y a r e a v a i l a b l e . ’ 2 1 6 8 T h e s e t e s t s a r e c o m m o n l y p e r f o r m e d b y m e a s u r i n g t h e p e r m e a t i o n o f l i q u i d s ( h y d r a u l i c p e r m e a b i l i t y ) , g a s e s ( a i r p e r m e a b i l i t y ) , a n d / o r i o n s ( c h l o r i d e i o n p e r m e a b i l i t y ) i n t o t h e c e m e n t / c o n c r e t e m a t r i x . W m P e r m e a b i l i t y t o l i q u i d w a t e r c o u l d b e d e t e r m i n e d u s i n g s e v e r a l m e t h o d s : 5 . 2 . 2 . 1 . 1 I n i t i a l S u r f a c e A b s o r p t i o n T e s t ( I S A T , B r i t i s h S t a n d a r d 1 8 8 1 ) : I t b a s i c a l l y m e a s u r e s t h e m o v e m e n t o f w a t e r i n t o c o n c r e t e v i a c a p i l l a r y a t t r a c t i o n . T h i s c a n b e r e m a r k a b l y r a p i d a n d c a n e v e n a p p r o a c h fl u i d fl o w r a t e s i n s a t u r a t e d c o n c r e t e b r o u g h t a b o u t b y a p p l y i n g h y d r a u l i c p r e s s u r e s c l o s e t o 2 . 8 M P a ( 4 0 0 p s i ) . 5 . 2 . 2 . 1 . 2 H i g h P r e s s u r e W a t e r P e r m e a b i l i t y T e s t : D e v e l o p e d a t K i n g F a h d U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m a n d M i n e r a l s ( K F U P M ) , t h i s t e s t m e t h o d h a s a f e w v e r s i o n s o f i t a v a i l a b l e . T h i s t e s t c o n s i s t s o f a p p l y i n g , i n a p r e s s u r e v e s s e l , a p r e s s u r e o f 6 . 9 0 M P a ( 1 0 0 0 p s i ) t o f o r c e w a t e r i n t o a 7 0 m m d i a m e t e r b y 1 0 0 m m h i g h ( 2 . 7 5 x 4 i n ) c y l i n d r i c a l c o n c r e t e s p e c i m e n . ‘ 5 . 2 . 2 . 1 . 3 V o n T e s t M e t h o d : T h i s t e s t m e t h o d c o n s i s t s o f m e a s u r i n g t h e a m o u n t o f w a t e r t h a t p e r m e a t e s t h r o u g h a 5 1 m m ( 2 i n ) t h i c k l a y e r o f c o n c r e t e i n a 2 4 - h o u r p e r i o d . W e n t ; P e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e t o a i r i s o f i n t e r e s t i n s t r u c t u r e s s u c h a s p r e s s u r e v e s s e l s i n n u c l e a r r e a c t o r s , g a s p u r i fi e r s a n d t a n k s i n w h i c h c o n c r e t e i s d e s i r e d t o b e a i r - t i g h t u n d e r s o m e s p e c i fi e d i n t e r n a l p r e s s u r e . F l o w o f a i r t h r o u g h c o n c r e t e i s c o m m o n l y m e a s u r e d w i t h o n e o f t h e f o l l o w i n g t w o m e t h o d s : 1 6 9 5 . 2 . 2 . 2 . 1 E G G M e t h o d : T h e p r o c e d u r e f o r t h i s t e s t i n v o l v e s u s i n g t h e a i r p r e s s u r e d r o p m e t h o d . ‘ 5 5 . 2 . 2 . 2 . 2 S t a n d a r d A P I M e t h o d : T h i s t e s t p r o c e d u r e u s e s 1 0 0 x 2 0 0 m m ( 4 x 8 i n ) c y l i n d r i c a l c o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h s e a l i n t o a c e l l . A i r i s t h e n i n t r o d u c e d t o t h e u p s t r e a m f o r c e o f t h e s a m p l e u n t i l a s t e a d y - s t a t e c o n d i t i o n i s a c h i e v e d . A t t h i s s t a g e , t h e u p s t r e a m a n d d o w n s t r e a m p r e s s u r e s a r e r e c o r d e d . T h e fl o w r a t e i s t h e n d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e p r e s s u r e d r o p a c r o s s a ' c a l i b r a t e d o r i fi c e . P e r m e a b i l i t y , i n d a r c y s , i s t h e n c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : K = 2 1 1 0 , 1 9 , ] . ‘ A g n i - P f ) w h e r e : K , = g a s p e r m e a b i l i t y , i n d a r c y s u = g a s v e l o c i t y , i n P a . s Q , = g a s fl o w r a t e , i n c m ’ l s e c ( i n 2 / s e c . ) P b = b a r o m e t r i c p r e s s u r e , i n P a ( p s i ) P 1 = i n f l o w p r e s s u r e , i n P a ( p s i ) P 1 = o u t f l o w p r e s s u r e , i n P a ( p s i ) A = a v e r a g e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a p e r p e n d i c u l a r t o t h e l i n e o f f l o w , i n c m 2 ( i n ? ) L = l e n g t h o f f l o w p a t h , i n c m ( i n ) i m m u m u m m m T h e t w o c o m m o n l y u s e d t e s t s f o r m e a s u r i n g t h e c h l o r i d e i o n p e r m e a b i l i t y i n t o c o n c r e t e a r e : 5 . 2 . 2 . 3 . 1 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t : T h i s t e s t w a s o r i g i n a l l y d e v e l o p e d b y D a v i d W h i t i n g i n C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y L a b o r a t o r i e s ( C T L ) . 5 . 3 . 1 1 7 0 I n t h i s t e s t m e t h o d , a p o t e n t i a l o f 6 0 d o V o l t s i s a p p l i e d a c r o s s a 1 0 . 1 6 m m ( 4 i n ) i n d i a m e t e r b y 5 . 0 8 m m ( 2 i n ) t h i c k c y l i n d r i c a l c o n c r e t e t e s t s p e c i m e n t h a t h a s b e e n c o n d i t i o n e d b y m e a n s o f v a c u u m s a t u r a t i o n . A f t e r 6 h o u r s o f t e s t i n g , t h e t o t a l c h a r g e p a s s e d t h r o u g h t h e s p e c i m e n ( i n C o u l o m b s ) i s o b t a i n e d b y i n t e g r a t i o n o f t h e c u r r e n t p a s s e d t h r o u g h t h e s p e c i m e n d u r i n g t h e t e s t p e r i o d . T h i s i s a s t a n d a r d t e s t m e t h o d a d o p t e d b y A A S H T O 1 2 7 7 - 8 3 a f e w y e a r s a g o , a n d r e c e n t l y a d o p t e d b y A S T M a s a s t a n d a r d t e s t m e t h o d ( A S T M C - 1 2 0 2 ) . 5 . 2 . 2 . 3 . 2 C h l o r i d e I o n P e n e t r a t i o n B y P o n d i n g : T h i s i s a n A A S H T O 1 2 5 9 - 8 0 a n d 1 2 6 0 - 8 4 s t a n d a r d t e s t m e t h o d . T h i s t e s t m e t h o d b a s i c a l l y c o n s i s t s o f s u b j e c t i n g t h e t e s t s l a b s t o c o n t i n u o u s p o n d i n g w i t h 3 p e r c e n t s o d i u m c h l o r i d e s o l u t i o n t o a d e p t h o f a p p r o x i m a t e l y 1 3 m m ( 0 . 5 i n ) f o r a p e r i o d o f 9 0 d a y s . A f t e r t h i s p e r i o d o f e x p o s u r e , t h e s o l u t i o n i s r e m o v e d f r o m t h e s l a b s u r f a c e s t h a t a r e t h e n a l l o w e d t o d r y . S a m p l e s a r e t h e n t a k e n f r o m e a c h s l a b a t v a r i o u s d e p t h s f o r c h l o r i d e i o n a n a l y s i s i n a c c o r d a n c e w i t h t h e p r o c e d u r e d e s c r i b e d i n A A S H T O ' 1 ‘ 2 6 0 — 8 4 . E X P E R I M E N T A L P R O G R A M R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R a p i d a s s e s s m e n t o f t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e w a s m a d e i n t h i s i n v e s t i g a t i o n t h r o u g h t h e p e r f o r m a n c e o f t h e A A S H T O ' 1 ‘ 2 7 7 - 8 3 1 ( a l s o , A S T M C 1 2 0 2 ) t e s t . T h i s t e s t i s c o n c e r n e d w i t h q u i c k a s s e s s m e n t o f t h e d e g r e e o f 1 7 1 p e r m e a b i l i t y i n c o n c r e t e s a m p l e s . T h e r e s u l t s o f t h i s t e s t a r e o b t a i n e d i n n o m o r e t h a n t w o d a y s . T w e n t y f o u r s p e c i m e n s 1 0 . 1 6 m m ( 4 i n ) i n d i a m e t e r b y 5 . 0 8 m m ( 2 i n ) i n t h i c k n e s s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h m i x . T w e l v e o f t h e s e w e r e s t o r e d i n a m o i s t c u r i n g r o o m a n d t h e r e m a i n i n g t w e l v e w e r e c u r e d i n a l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t . E v e n t u a l l y , t h r e e s p e c i m e n s f r o m e a c h c u r i n g c o n d i t i o n w e r e t a k e n f o r p e r m e a b i l i t y t e s t i n g a t e a c h o f t h e f o l l o w i n g a g e s : 2 8 , 6 0 , 9 0 , a n d 1 2 0 d a y s . T a b l e 5 . 1 s u m m a r i z e s t h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n a d o p t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . A f t e r c o n d i t i o n i n g t h e c o n c r e t e s p e c i m e n s b y v a c u u m s a t u r a t i o n ( F i g . 5 . 8 a ) , t h e y w e r e b o n d e d i n t o t h e t e s t c e l l w i t h a s i l i c o n e a d h e s i v e ( F i g . 5 . 8 b ) . T h e l e f t s i d e o f c e l l w a s fi l l e d w i t h a s o d i u m c h l o r i d e s o l u t i o n a n d t h e r i g h t s i d e w i t h a n a l k a l i s o l u t i o n . A v o l t a g e o f 6 0 V d c i s t h e n a p p l i e d i n t h i s t e s t f o r 6 h o u r s ; t h e i n s t r u m e n t a u t o m a t i c a l l y r e c o r d s a n d d i s p l a y s t h e e l e c t r i c a l c u r r e n t p a s s e d t h r o u g h t h e s p e c i m e n a n d i n t e g r a t e s t h e c u r r e n t v e r s u s t i m e t o g i v e t h e c h a r g e t h a t p a s s e s ( i n C o u l o m b s ) . T a b l e 5 . 1 E x p e r i m e n t a l D e s i g n F o r R a p i d P e r m e a b i l i t y T e s t F o r E a c h C u r i n g A g e . @ 1 [ J o ( 9 6 ) V , ( 9 6 ) O - 1 0 M o i s t A i r M o i s t A i r 0 0 . 7 5 1 7 2 ( b ) A p p l i e d V o l t a g e C e l l - F a c e V i e w F i g u r e 5 . 8 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t . 1 7 3 T e s t d a t a a r e t h e n i n t e r p r e t e d u s i n g T a b l e 5 . 2 . T a b l e 5 . 2 I n t e r p r e t a t i o n o f t h e C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y O u t p u t ( A A S H T O T 2 7 7 - 8 3 1 ) . C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y C h a r g e P a s s e d i n C o u l o m b s H i g h 4 0 0 0 M o d e r a t e 2 0 0 0 t o 4 0 0 0 L o w 1 0 0 0 t o 2 0 0 0 V e r y L o w 1 0 0 - 1 0 0 0 N e g l i g i b l e 1 0 0 o r l e s s T h r o u g h t h i s t a b l e , o n e c a n c o m p a r e t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f t h e c o n c r e t e u n d e r t e s t t o o t h e r t y p e s o f c o n c r e t e . T h e h i g h e r t h e c h a r g e p a s s e d , t h e h i g h e r t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e s p e c i m e n s . 5 . 3 . 2 P e r m e a b i l i t y A s s e s s m e n t B y P o n d i n g T e s t T h e A A S H T O 1 2 5 9 - 8 0 a n d 1 2 6 0 - 8 4 s t a n d a r d t e s t m e t h o d s f o r R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e t o C h l o r i d e I o n P e n e t r a t i o n w e r e f o l l o w e d . T w o s l a b s 7 6 m m ( 3 i n ) t h i c k a n d 3 0 5 m m ( 1 2 i n ) s q u a r e b a s e w e r e p r e p a r e d f o r e a c h o f t h e f o u r m i x e s i n o u r s t u d y i n a c c o r d a n c e w i t h t h e a b o v e - m e n t i o n e d s t a n d a r d t e s t m e t h o d s . 5 . 5 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S 5 . 5 . 1 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s A n o v e r a l l e x a m i n a t i o n o f t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s ( F i g u r e s 5 . 9 a n d 5 . 1 0 ) i n d i c a t e s t h a t n o n - l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 1 7 4 p r o d u c e s v e r y h i g h p e r m e a b i l i t y v a l u e s i r r e s p e c t i v e o f t h e c u r i n g r e g i m e u s e d . S i n c e t h e r e i s n o s t r o n g r e a s o n f o r s t e e l fi b e r s t o h a v e s u c h d r a m a t i c e f f e c t o n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y , o n e m a y h y p o t h e s i z e t h a t t h e h i g h p e r m e a b i l i t y v a l u e s o b s e r v e d a r e m i s l e a d i n g . T h e r e l i a n c e o f t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t o n e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a s t h e m e a n s t o m e a s u r e c h l o r i d e i o n d i f f u s i v i t y s e e m s t o b e t h e k e y p r o b l e m ; t h i s t e s t m e t h o d c a n n o t d i s t i n g u i s h b e t w e e n t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s a n d c h l o r i d e i o n d i f f u s i o n o n e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e . 6 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y ( x 1 0 0 0 C o u l o m b s ) 2 8 d 6 0 d 9 0 d 1 2 0 d C u r i n 9 A g e l - P i o l n ( a i r ) [ : 3 L u c ( a i r ) s r n c ( a i r ) E L u s r n c ( ” T l F i g u r e 5 . 9 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r T h e A i r C u r i n g C a s e . G ’ O ‘ N O 1 7 5 6 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y ( x 1 0 0 0 C o u l o m b s ) 1 ‘ p . . . “ _ - _ _ . . - - - . . . - . . _ - _ - - . . . - - - 2 “ . . . . . . _ _ . . . . . _ . _ . c _ - . m , . . . _ . _ 2 _ . . . _ , . , - _ . . , _ ~ _ . . . - 2 . M m “ . . , _ . . . . - . . _ - w . . . _ _ . _ . . . _ . . , _ . . _ . . . . . _ _ . _ _ - 1 2 , _ . . . _ . _ _ _ . _ _ . _ - . _ _ . . . _ . . . . M . m - ~ . . . _ m _ . . _ _ . . _ u . . . . _ , _ . _ l . . _ . . a . _ . . _ . - _ ~ r . _ . . _ . . . - , . . 2 . “ w , . - . . _ . _ " W W W w - U , , . w . . . ” a . - - m - . . » M ~ a . _ _ - . - . - . _ _ . _ _ . . , . . 2 8 d 6 0 d 9 0 d 1 2 0 d C u r i n g A g e - P l a i n ( m o i s t ) L M C ( m o i s t ) 7 / / / / / / s r a c ( m o l e l ) E L u s r a c ( m o m ) F i g u r e 5 . 1 0 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r T h e M o i s t C u r i n g C a s e . F i g u r e s 5 . 1 1 t h r o u g h 5 . 1 4 p r e s e n t t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s f o r d i f f e r e n t m a t r i c e s ( a n d d i f f e r e n t c u r i n g r e g i m e s a t d i f f e r e n t a g e s ) . W h i l e l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s ( b o t h p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d ) s h o w l e s s p e r m e a b i l i t y u n d e r a i r d r y i n g , n o n - m o d i fi e d m i x t u r e s b e n e fi t f r o m c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g ; e x t e n d e d a i r d r y i n g a c t u a l l y c a u s e s a n i n c r e a s e i n n o n - m o d i fi e d c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y , p o s s i b l y d u e t o s h r i n k a g e m i c r o c r a c k i n g . L a t e x m o d i fi c a t i o n i s o b s e r v e d i n F i g u r e s 5 . 1 1 t h r o u g h 5 . 1 4 t o s u b s t a n t i a l l y r e d u c e t h e p e r m e a b i l i t y o f p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s ( b y a p p r o x i m a t e l y 8 0 % i n a i r c u r i n g c o n d i t i o n s a n d 5 0 % i n c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g ) . ‘ N O 1 7 6 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y ( x 1 0 0 0 C o u l o m b s ) 6 2 8 d 6 0 d 9 0 d 1 2 0 d C u r i n 9 A g e | - P l a i n ( m o i s t ) [ : 3 P l a i n ( a i r ) F i g u r e 5 . 1 1 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r P l a i n C o n c r e t e M a t r i c e s . 6 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y ( x 1 0 0 0 C o u l o m b s ) 1 2 _ _ . _ . _ _ . . i _ _ . . . _ _ . . . - . m m - . . W " . . . " E “ . . . a t l \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ V / / / / / / / / / / / / / / \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ V , , 2 8 d 6 0 d 9 0 d 1 2 0 d C u r i n g A g e L M C ( m o i s t ) L M C ( a i r ) F i g u r e 5 . 1 2 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e M a t r i c e s . G L ‘ N O 1 7 7 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y ( x 1 0 0 0 C o u l o m b s ) 6 1 4 1 2 1 0 C u r i n g A g e 5 c h ( m o i s t ) - $ c h ( o i r L ‘ F i g u r e 5 . 1 3 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e M a t r i c e s . 6 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y ( x 1 0 0 0 C o u l o m b s ) 2 8 d 6 0 d 9 0 d 1 2 0 d C u r i n g A g e - L M S F R C ( m o i s t ) E L M S F R C ( a i r ) F i g u r e 5 . 1 4 R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s F o r L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e M a t r i c e s . 1 7 8 O n e - w a y s t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f v a r i a n c e o f t h e e f f e c t s o f c u r i n g a g e o n p e r m e a b i l i t y w e r e p e r f o r m e d f o r e a c h m i x t u r e a n d e a c h c u r i n g r e g i m e . T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t c u r i n g a g e h a s s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , o n t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e m a t r i c e s o n l y w h e n m o i s t c u r e d . F o r p l a i n m a t r i c e s , c u r i n g a g e h a s s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e r e s u l t i n g c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o n l y a t t h e 9 2 % c o n fi d e n c e l e v e l f o r b o t h c u r i n g r e g i m e s . S t a t i s t i c a l A n a l y s i s b y t h e m e t h o d o f c o m p a r i s o n o f m e a n s s h o w e d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t o f a g e o n t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s . A n o v e r a l l 2 x 2 x 2 x 4 A N O V A o f t h e t e s t r e s u l t s r e v e a l e d t h a t t h e t h r e e f a c t o r s : F i b e r a d d i t i o n ( A ) , l a t e x m o d i fi c a t i o n ( B ) , a n d c u r i n g t y p e ( C ) , h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e . H o w e v e r , s t a t i s t i c a l a n a l y s e s a l s o s h o w e d a v e r y s i g n i fi c a n t i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r a d d i t i o n ( A x B ) o n t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e a t 9 9 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . S t r o n g i n t e r a c t i o n w a s a l s o f o u n d b e t w e e n t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d c u r i n g r e g i m e ( A x C ) o n t h e c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y . T h e s i g n i fi c a n c e o f t h e s e i n t e r a c t i o n e f f e c t s i m p l i e s t h a t t h e f o r m e r c o n c l u s i o n s r e g a r d i n g t h e m a i n e f f e c t s a r e m e a n i n g l e s s a t t h i s p o i n t . I t a c t u a l l y m e a n s t h a t t h e m a i n e f f e c t s A , B , a n d C a r e n o t a c t i n g i n d e p e n d e n t l y ; t h e m a i n e f f e c t s o f t h e v a r i a b l e s c a n b e i n t e r p r e t e d i n d i v i d u a l l y o n l y i f t h e r e i s n o e v i d e n c e t h a t t h e v a r i a b l e s i n t e r a c t w i t h e a c h o t h e r . H e n c e t h e n e e d t o p e r f o r m f u r t h e r s t a t i s t i c a l a n a l y s e s . T h e b e s t w a y t o a n a l y z e t w o - l e v e l f a c t o r i a l s i s b y g r a p h i c a l m e a n s . D r a w i n g a N o r m a l P r o b a b i l i t y p l o t o f t h e e f f e c t s a n d fi t t i n g a s t r a i g h t l i n e t h r o u g h t h e c e n t e r E U L A V D l 0 E T C E P X E l 1 7 9 g r o u p o f e f f e c t s i s t h e s t a r t i n g p o i n t . S i n c e i n a p r o b a b i l i t y p l o t m o s t p o i n t s w i l l f a l l o n a s t r a i g h t l i n e , t h o s e t h a t a r e s i g n i fi c a n t ( i . e . , t h e e f f e c t s d i s t i n g u i s h a b l e f r o m n o i s e ) w i l l n o t . T h e r e f o r e , w e n e e d t o l o o k f o r t h e p o i n t s n o t f a l l i n g o n a l i n e . A f t e r d r a w i n g t h e N o r m a l P r o b a b i l i t y p l o t ( F i g u r e 5 . 1 5 ) , o n e m a y n o t e t h a t t h e p o i n t s t h a t d e p a r t g r e a t l y f r o m t h i s l i n e c o r r e s p o n d t o t h e m a i n e f f e c t s : l a t e x m o d i fi c a t i o n ( f a c t o r A ) , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t ( f a c t o r B ) , c u r i n g t y p e ( f a c t o r C ) , a n d t h e t w o - f a c t o r i n t e r a c t i o n s b e t w e e n f a c t o r s A a n d B , a n d f a c t o r s A a n d C . T h e s e a r e t h e p o i n t s c o r r e s p o n d i n g t o t h e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s . S i g n i fi c a n t e f f e c t s a n d i n t e r a c t i o n p l o t s w e r e t h e n d r a w n . l - 3 - 1 0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 5 0 0 0 E F F E C T p — F i g u r e 5 . 1 5 N o r m a l P r o b a b i l i t y P l o t . 1 8 0 D u e t o t h e s i g n i fi c a n c e o f i n t e r a c t i o n s , o n e n w d s t o fi n d o u t h o w t h e v a r i a t i o n i n e a c h v a r i a b l e a f f e c t s p e r m e a b i l i t y a t c o n s t a n t l e v e l s o f t h e i n t e r a c t i n g v a r i a b l e s . “ I n t e r a c t i o n c u r v e s ” a r e u s e d t o a c h i e v e t h i s g o a l . T h e i n t e r a c t i o n c u r v e f o r t h e e f f e c t s o f c u r i n g t y p e ( m o i s t v s . a i r ) a t c o n s t a n t l e v e l s o f l a t e x - c e m e n t r a t i o ( F i g u r e 5 . 1 6 a ) i n d i c a t e s t h a t l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s p r o d u c e c o m p a r a b l e p e r m e a b i l i t i e s w i t h m o i s t c u r i n g a n d a i r d r y i n g w h i l e n o n - m o d i fi e d m i x t u r e s b e n e fi t s u b s t a n t i a l l y f r o m m o i s t c u r i n g w h i c h r e d u c e s t h e i r p e r m e a b i l i t y t o a b o u t h a l f t h e v a l u e s o b t a i n e d w i t h a i r d r y i n g . F i g u r e 5 . 1 6 b f u r t h e r e m p h a s i z e s t h i s p o i n t a n d a l s o c l e a r l y d e m o n s t r a t e s t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f l a t e x o n r e d u c i n g t h e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e , w h i c h a r e p r o n o u n c e d i n a i r d r y i n g c o n d i t i o n s . F i g u r e 5 . 1 7 s h o w s t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n i n d e t e r m i n i n g t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s . F i g u r e 5 . 1 7 a s u g g e s t s t h a t l a t e x m o d i fi c a t i o n i s h i g h l y e f f e c t i v e i n c o n t r o l l i n g t h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s . F i g u r e 5 1 % f u r t h e r h i g h l i g h t s t h e e f f e c t i v e n e s s o f l a t e x i n p l a i n a n d p a r t i c u l a r l y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . l a t e x p o l y m e r c o u l d r e d u c e t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s b y c o a t i n g t h e s t e e l fi b e r s a n d t h u s p r o v i d i n g t h e m w i t h a n i n s u l a t i n g l a y e r w h i c h r e d u c e s t h e o v e r a l l e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . A n o v e r a l l v a l u e o f t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t v a r i a b l e s o n r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s i s p r e s e n t e d i n t h e ” c u b e p l o t " o f F i g u r e 5 . 1 8 . u r i e r n m g e C b a o i n l d i i t t y i o T n e s a t n d R L e s u a l t t e s x . C o n t e n t i n D e t e r m i n i n g F i g u r e 5 . 1 6 I R n a e t p r i a d c t C i h o l n o o r f i d C e F i g u r e 5 . 1 7 I R n a t e p r i a d c t C i h o l n o o r f i d L e P a t P e x C o n e r m e a b i t l e i n t t y a T n e d s t S t R e e e s l u F t l i s b . e r C o n t e n t i n D e t e r m i n i n g 1 2 I n t e r a c t i o n A x C P e r m e a b i l i t y . C o u l o m b s ( T h o u s a n d s ) 1 ' ° ' M o i s t C u r i n g 0 A i r C u r i n g ‘ 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 1 0 L a t e x - C e m e n t R a t i o ( 9 6 ) ( a ) 1 8 1 I n t e r a c t i o n C X A P e r m e a b i l i t y . C o u l o m b s ( T h o u s a n d s ) 1 2 ' ° ‘ L l c = 0 % 0 H e s - 1 0 % ] 1 0 ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C u r i n g T y p e ( 0 - M o i s t ; 1 a A i r ) ( 1 ) ) I n t e r a c t i o n A x B P e r m e a b i l i t y . C o u l o m b s ( T h o u s a n d s ) 1 2 . " ' V i - O % O V I I - 0 . 7 5 % L a t e x - C e m e n t R a t i o ( 9 6 ) ( a ) 1 2 1 0 I n t e r a c t i o n B x A P e r m e a b i l i t y . C o u l o m b s ( T h o u s a n d s ) - L / c - o a t 0 L I c - 1 0 9 5 I 0 0 . 7 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n ( 9 6 ) ( b ) 1 8 2 R o s p o n s e i s P e r m e a b l t t h o u l o m b s V , ( t o F i g u r e 5 . 1 8 T h r e e - F a c t o r I n t e r a c t i o n C u b e P l o t . F i n a l l y , f o r c o m p l e t e n e s s , c o n s t r u c t i o n o f t w o i m p o r t a n t r e s i d u a l p l o t s w a s d o n e . T h e n o r m a l p r o b a b i l i t y p l o t o f t h e r e s i d u a l s s h o w s a p p r o x i m a t e l y a s t r a i g h t l i n e t h u s i n d i c a t i n g t h e n o r m a l i t y o f t h e e r r o r t e r m ( w h i c h i s a l w a y s a n a s s u m p t i o n i n t h i s t y p e o f a n a l y s e s t h a t n e e d s t o b e c h e c k e d f o r ) . I n a d d i t i o n , a p l o t o f t h e r e s i d u a l s v e r s u s t h e p r e d i c t e d v a l u e s s h o w s n o p a t t e r n a t a l l i n t h e s c a t t e r o f t h e p o i n t s a n d t h e r e f o r e n o t r a n s f o r m a t i o n s a r e n w d e d . 1 8 3 5 . 5 . 2 C h l o r i d e I o n P e n e t r a t i o n b y P o n d i n g T e s t R e s u l t s T h e r e s u l t s o f t h e 9 0 - d a y p o n d i n g t e s t a r e s h o w n i n F i g u r e 5 . 1 9 . T h e r e s u l t s s t i l l i n d i c a t e t h e s u p e r i o r i t y o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e i m p e r m e a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s a s c o m p a r e d t o p l a i n c o n c r e t e . T h e p e r m e a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s s e e n t o b e s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h e p l a i n c o n c r e t e o n e . H o w e v e r , t h e t r e n d o f d r a s t i c i n c r e a s e i n p e r m e a b i l i t y a s d e t e c t e d b y t h e p r e v i o u s t e s t m e t h o d ( R a p i d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y t e s t ) i s n o t s e e n h e r e , t h u s i n d i c a t i n g t h e d e p e n d a b i l i t y o f t h e l a t t e r t e s t o n m a t e r i a l r e s i s t i v i t y a n d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y p r o p e r t i e s . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e d i d n o t d e t e c t a n y o f t h e m a i n e f f e c t s n o r i n t e r a c t i o n s t o h a v e a s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi e a n t e f f e c t o n t h e p o n d i n g t e s t r e s u l t s . I n a d d i t i o n , r e l a t i v e l y w e a k s t a t i s t i c a l c o r r e l a t i o n w a s d e t e c t e d b e t w e e n t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y a n d t h e p o n d i n g t e s t r e s u l t s ( c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t o f a b o u t 0 . 6 5 ) . T h e l a c k o f a n y s i g n i fi c a n t c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e t w o t e s t m e t h o d s i s m a i n l y a t t r i b u t e d t o t h e e x i s t e n c e o f s t e e l fi b e r s t h a t r e m a r k a b l y i n c r e a s e t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e m a t r i x t h u s y i e l d i n g e x t r e m e l y h i g h v a l u e s o f p e r m e a b i l i t y w h e n u s i n g t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t p r o c e d u r e w h i c h i s d e p e n d e n t u p o n t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f t h e s a m p l e b e i n g t e s t e d . T h i s s i t u a t i o n i s , h o w e v e r , a v o i d e d w h e n t h e 9 0 - d a y p o n d i n g p e r m e a b i l i t y t e s t p r o c e d u r e i s a d o p t e d , a n d h e n c e t h e l a c k o f s t a t i s t i c a l c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e t w o t e s t p r o c e d u r e s . T h e p e r f o r m a n c e o f t h i s a l t e r n a t i v e p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d r e v e a l e d t h a t s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o m p o s i t e s p o s s e s s a h i g h p e r m e a b i l i t y ( o f t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e , b u t s l i g h t l y h i g h e r , a s t h e p l a i n c o n c r e t e c a s e ) a n d t h a t t h e u s e o f t h e o t h e r t e s t m e t h o d ( i . e . , r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y ) p r o d u c e s v e r y m i s l e a d i n g r e s u l t s . 1 8 4 8 A v e r a g e A b s o r b e d C h l o r i d e ( I d / y d 3 ) 1 / 1 6 - 1 / 2 i n . d e p t h 1 / 2 - 1 i n . d e p t h L - P l a i n - L M C - s r n c I n t e r n s I F i g u r e 5 . 1 9 P o n d i n g P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s . 1 8 5 5 . 6 S U N I M A R Y A N D C O N C L U S I O N S T h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y w e r e a s s e s s e d t h r o u g h a 2 x 2 x 2 x 4 f a c t o r i a l e x p e r i m e n t w h i c h c o n s i d e r e d t w o l a t e x - c e m e n t r a t i o s ( 0 a n d 1 0 % ) , t w o s t e e l fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s ( 0 a n d 0 . 7 5 % ) , t w o c u r i n g c o n d i t i o n s ( a i r a n d m o i s t c u r i n g f o l l o w i n g a n i n i t i a l m o i s t c u r i n g p e r i o d ) , a n d f o u r a g e s o f p e r m e a b i l i t y m e a s u r e m e n t s ( 2 8 d a y s , a n d 2 , 3 , a n d 4 m o n t h s ) . C o n c r e t e p e r m e a b i l i t y w a s a s s e s s e d u s i n g t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d ( A A S H T O T 2 7 7 a n d A S T M C 1 2 0 2 ) a n d t h e R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e t o C h l o r i d e I o n P e n e t r a t i o n t e s t m e t h o d ( A A S H T O T 2 5 9 a n d T 2 6 0 ) . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s s u g g e s t e d , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h a t : ( 1 ) T h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s t e n d s t o s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s ; t h i s c o u l d r e s u l t f r o m t h e r e l i a n c e o f t h i s t e s t m e t h o d o n c o n c r e t e c o n d u c t i v i t y f o r m e a s u r i n g c h l o r i d e i o n d i f f u s i v i t y , n o t i n g t h a t s t e e l fi b e r s m a y i n c r e a s e t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e w i t h o u t s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s i n g c h l o r i d e i o n d i f f u s i v i t y h e n c e , t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d ( A A S H T O T 2 7 7 a n d A S T M C 1 2 0 2 ) t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s q u e s t i o n a b l e . ( 2 ) L a t e x m o d i fi c a t i o n c o n t r o l l e d t h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y , p o s s i b l y b y p r o v i d i n g t h e fi b e r s s u r f a c e s w i t h a n i n s u l a t i n g l a y e r a n d a l s o s u b s t a n t i a l l y r e d u c i n g t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e m a t r i x . ( 3 ) L a t e x m o d i fi c a t i o n w a s h i g h l y e f f e c t i v e i n r e d u c i n g c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y . A i r 1 8 6 c u r i n g h e l p e d f u r t h e r p r o n o u n c e t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f l a t e x p o l y m e r s o n r e d u c i n g t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s ; c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g , o n t h e o t h e r h a n d , w a s b e n e fi c i a l t o n o n - m o d i fi e d m i x t u r e s . ( 4 ) C u r i n g a g e h a s s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , o n t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e m a t r i c e s o n l y w h e n m o i s t c u r e d . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e p o n d i n g t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : ( 5 ) N o s t r o n g s t a t i s t i c a l c o r r e l a t i o n w a s d e t e c t e d b e t w e e n t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y a n d t h e p o n d i n g p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d s b e c a u s e o f t h e m i s l e a d i n g t e s t r e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h e fi r s t t e s t m e t h o d d u e t o t h e i n c r e a s e i n e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f t h e m a t e r i a l i n c o r p o r a t i n g s t e e l fi b e r s . ( 6 ) W h e n c o n c r e t e m a t r i c e s a r e r e i n f o r c e d w i t h s t e e l fi b e r s , i t i s r e c o m m e n d e d n o t t o u s e t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d i n a s s e s s i n g t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e . C H A P T E R S I X C O R R O S I O N A N D E L E C T R I C A L R E S I S T I V I T Y S T U D I E S 6 . 1 I N T R O D U C T I O N C o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g s t e e l i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s i s a p r o b l e m w i t n e s s e d i n t e r n a t i o n a l l y . T h e c o r r o s i o n - d a m a g e d s t r u c t u r e s f r e q u e n t l y s h o w s i g n s o f s e v e r e d e t e r i o r a t i o n a f t e r a f e w y e a r s o f s e r v i c e o n l y . I n t h e U . S . a l o n e , i t h a s b e e n e s t i m a t e d t h a t t h e e c o n o m i c l o s s d u e t o t h e c o r r o s i o n o f s t e e l i n P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e s t r u c t u r e s r e a c h e s a f e w b i l l i o n s o f d o l l a r s p e r y e a r . ” I n t h e G u l f S t a t e s , m a n y s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s t h a t h a v e b e e n d e s i g n e d f o r a s e r v i c e l i f e o f 5 0 t o 6 0 y e a r s h a v e r e q u i r e d e x t e n s i v e a n d c o s t l y r e p a i r s i n l e s s t h a n 1 5 y e a r s . " 9 C o r r o s i o n d a m a g e t o p a r k i n g g a r a g e s i n c o l d c l i m a t e s , b r i d g e - d e c k s u r f a c e s p a l l i n g d u e t o c o r r o s i o n o f e m b e d d e d r e i n f o r c i n g s t e e l , a n d c o r r o s i o n i n m a n y s t r u c t u r e s d u e t o t h e u s e o f c h l o r i d e - b a s e d a c c e l e r a t i n g a g e n t s , a l l c o n s t i t u t e a s i g n i fi c a n t l y l a r g e g r o u p o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s u n d e r g o i n g s e v e r e d e t e r i o r a t i o n d u e t o o n e s i n g l e c a u s e , t h a t i s c o r r o s i o n . I n c o n c r e t e m a t e r i a l s , i n t e r f a c i a l m i c r o c r a c k s d o i n i t i a l l y e x i s t a t a g g r e g a t e - c e m e n t p a s t e a n d s t e e l - c e m e n t p a s t e i n t e r f a c e s . F u r t h e r m i c r o c r a c k i n g m a y o c c u r d u e t o t h e c o r r o s i o n o f e m b e d d e d s t e e l r e s u l t i n g i n l a r g e v i s i b l e c r a c k s . O n c e t h e s e 1 8 7 1 8 8 c r a c k s b e c o m e i n t e r c o n n e c t e d w i t h c l o s e l y - s p a c e d m i c r o c r a c k s , t h e t r a n s p o r t o f a g g r e s s i v e i o n s a n d g a s e s t o t h e e m b e d d e d s t e e l i s f a c i l i t a t e d , t h e r e f o r e p r o m o t i n g c o r r o s i o n . T h i s c o r r o s i o n l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f l a r g e a m o u n t s o f e x p a n s i v e p r o d u c t s a n d h e n c e t o c r a c k i n g o f c o n c r e t e i n a d i r e c t i o n p a r a l l e l t o t h e r e i n f o r c e m e n t . 6 . 2 B A C K G R O U N D P b r t i a n d c e m e n t a c q u i r e s i t s a d h e s i v e p r o p e r t y w h e n m i x e d w i t h w a t e r t h r o u g h a c h e m i c a l r e a c t i o n r e f e r r e d t o a s t h e h y d r a t i o n o f c e m e n t , w h i c h r e s u l t s i n p r o d u c t s p o s s e s s i n g s e t t i n g a n d h a r d e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s . T h e r e a c t i o n o f P o r t l a n d c e m e n t w i t h w a t e r i s a c t u a l l y t h e r e a c t i o n o f t h e f o u r c l i n k e r m a t e r i a l s : t r i c a l c i u m s i l i c a t e ( 3 C a O . S i O z ) d i c a l c i u m s i l i c a t e ( 2 C a O . S i O , ) s i l i c a t e s t r i c a l c i u m a l u m i n a t e ( 3 C a O . A 1 2 0 3 ) t e t r a c a l c i u m a l u m i n a t e f e r r i t e ( 4 C a O . A 1 2 0 3 . F e , O 3 ) a l u m i n a t e s T h e s e m i n e r a l s r e a c t w i t h w a t e r g i v i n g v e r y i n s o l u b l e p r e c i p i t a t e s o f c a l c i u m s i l i e t t t e h y d r a t e s ( l i k e 3 C a O . 2 8 i O , . 3 H Z O ) a n d c a l c i u m a l u m i n a t e h y d r a t e s ( l i k e 4 C a o . A 1 , o , . n H , O ) t o g e t h e r c a l l e d t h e c e m e n t g e l , a s f o l l o w s : 3 C a o . S i o , + 6 H , o . . 3 C a o . 2 S i o , . 3 H , o + 3 c t t ( o r r ) 2 3 C a O . A 1 2 0 3 + ( n — 1 ) H 2 0 + C a ( O H ) 2 - t 4 C a O . A 1 2 0 3 . n I - I z O a l k a l i n e e n v i r o n m e n t t h a t p r e v e n t s t h e i o n i z a t i o n o f t h e m e t a l a n d i t s c o n s e q u e n t 1 8 9 T h e t r i c a l c i u m s i l i c a t e a n d d i c a l c i u m s i l i c a t e p r o d u c e f r e e l i m e ( C a ( O H ) 2 ) , w h i c h i s v e r y s o l u b l e . T h i s c a l c i u m h y d r o x i d e ( f r e e l i m e ) w i l l r e a c t w i t h t h e s o d i u m a n d p o t a s s i u m s a l t s ( p r e s e n t i n c e m e n t c l i n k e r ) g i v i n g r i s e t o t h e f o r m a t i o n o f v e r y s o l u b l e p o t a s s i u m a n d s o d i u m h y d r o x i d e ( K O H a n d N a O H ) , a c c o r d i n g t o : N a z S O . + C a ( O H ) 2 - e C a S O 4 + 2 N a O H r < , s o , + c a ( o r r ) 2 - > C a S O , + 2 K O H D u r i n g t h e fi r s t h o u r s o f t h e h y d r a t i o n o f c e m e n t , t h e p H o r i g i n a t e s p a r t l y f r o m p r o d u c t i o n o f s u p e r s a t u r a t e d c a l c i u m h y d r o x i d e a n d p a r t l y f r o m s o d i u m a n d p o t a s s i u m h y d r o x i d e s i n t h e p o r e l i q u i d . A t l a t e r a g e s , t h e p H w i l l b e d e t e r m i n e d m a i n l y b y t h e s o d i u m a n d p o t a s s i u m h y d r o x i d e s i n s o l u t i o n . T h e s e h i g h l y s o l u b l e s o d i u m a n d p o t a s s i u m s a l t s g i v e t h e p o r e s o l u t i o n o f P o r t l a n d c e m e n t a p H o f g r e a t e r t h a n 1 3 . T h e i r o n i n t h e r e i n f o r c e m e n t i s p r o t e c t e d a g a i n s t c o r r o s i o n b y a d e n s e s u r f a c e fi l m o f g a m m a F 9 0 3 w h i c h i s s t a b l e i n t h e a l k a l i n e e n v i r o n m e n t o f t h e p o r e s o l u t i o n a t t h e s t e e l - c o n c r e t e i n t e r f a c e . D u r i n g c u r i n g , w a t e r fi r s t r e a c t s w i t h c e m e n t c o m p o u n d s a n d t h e e x c e s s t h e n e v a p o r a t e s o u t o f t h e h a r d e n e d s t r u c t u r e , c o n c e n t r a t i n g t h e C a ( O H ) , s o l u t i o n i n p o r e s a n d v o i d s a n d f u r t h e r i n c r e a s i n g t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f s t e e l r e i n f o r c e m e n t ( i . e . P o r t l a n d c e m e n t p a s t e p o s s e s s e s c o n s i d e r a b l e C O 2 n e u t r a l i z a t i o n c a p a c i t y ) . ‘ ° ' 5 " 7 ‘ I t i s t h e e x i s t e n c e o f t h e p r o t e c t i v e o x i d e fi l m w h i c h i s i n s o l u b l e i n h i g h 1 9 0 d i s i n t e g r a t i o n . ” “ - 7 ° ' 7 ° T h e p a s s i v a t i o n n o r m a l l y p r o v i d e d t o t h e s t e e l b y t h e a l k a l i n e h y d r a t e d c e m e n t m a y b e d e s t r o y e d w h e n t h e e n v i r o n m e n t i n w h i c h s t e e l i s e m b e d d e d i s n o l o n g e r a b l e t o s t a b i l i z e t h e p a s s i v e fi l m d u e t o a r e d u c t i o n i n t h e a l k a l i n i t y o f c e m e n t p a s t e ( < 1 1 . 5 ) . A l t e r n a t i v e l y , d e p a s s i v a t i o n m a y r e s u l t f r o m t h e p r e s e n c e o f a g g r e s s i v e a n i o n s i n s u fi i c i e n t c o n c e n t r a t i o n ( s u c h a s c h l o r i d e i o n s ) t o e n c o u r a g e m e t a l l i c d i s s o l u t i o n a t a r a t e g r e a t e r t h a n t h a t r e q u i r e d t o m a i n t a i n t h e p a s s i v e fi l m . T h e d e s t r u c t i o n o f t h e p r o t e c t i v e fi l m l e a d s t o t h e i o n i z a t i o n o f t h e m e t a l a n d f o r m a t i o n o f c o r r o s i o n p r o d u c t s i n t h e p r e s e n c e o f o x y g e n a n d w a t e r . T h e r e f o r e , t h e p r e s e n c e o f c h l o r i d e i o n s , c a r b o n d i o x i d e , o x y g e n a n d w a t e r a r e n e c e s s a r y a t o r n e a r t h e s t e e l s u r f a c e f o r t h e c o r r o s i o n t o o c c u r a n d p r o p a g a t e . ” 7 ‘ T h e i n g r e s s o f t h e s e c o r r o s i o n i n d u c i n g a g e n t s t o t h e s t e e l s u r f a c e d e p e n d s u p o n t h e d e s i g n , v o l u m e a n d s t r u c t u r e o f t h e p o r e s y s t e m ( p e r m e a b i l i t y ) . 6 . 2 . 1 E l e c t r o c h e m i c a l C o r r o s i o n P r o c e s s E l e c t r o c h e m i c a l c o r r o s i o n i s t h e f o r m o f c o r r o s i o n b e l i e v e d t o b e r e s p o n s i b l e f o r m o s t o f c o n c r e t e d i s t r e s s . ' l l a n s f e r o f e l e c t r i c i t y b e t w e e n a n e l e c t r o l y t e a n d a m e t a l e l e c t r o d e c o n s i s t s o f a c h e m i c a l r e a c t i o n a t t h e s u r f a c e o f t h e e l e c t r o d e . T h e c u r r e n t - r e l e a s i n g e l e c t r o d e i s k n o w n a s a n o d e a n d t h e e l e c t r o d e a t w h i c h t h e c u r r e n t i s c o l l e c t e d a n d t h e e l e c t r o n s a r e b e i n g u s e d u p i s t e r m e d c a t h o d e . A c e l l r e a c t i o n i s t h e c o m b i n a t i o n o f t h e s e p a r a t e e l e c t r o d e r e a c t i o n s . F o r t h e e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n p r o c e s s t o t a k e p l a c e , a l l o f t h e f o l l o w i n g t h r e e c o n d i t i o n s m u s t b e s a t i s fi e d : 7 6 1 9 1 1 . E x i s t e n c e o f a p o t e n t i a l d i fl ‘ e r e n c e b e t w e e n t w o m e t a l l i c a r e a s ; 2 . E x i s t e n c e o f a n e l e c t r o l y t e c o n d u c t i v e t o e l e c t r i c a l c u r r e n t fl o w f o r c a r r y i n g t h e c u r r e n t ; a n d 3 . T h e o c c u r r e n c e o f a p p r o p r i a t e e l e c t r o d e r e a c t i o n s . T h i s e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s i s r e p r e s e n t e d b y a G a l v a n i c c e l l . I t c o n s i s t s o f d i s s i m i l a r m e t a l s a n d a l l o y s i n c o n t a c t w i t h a n e l e c t r o l y t e , w h i c h a r e c a p a b l e o f p r o d u c i n g t h e i r o w n s t e a d y - s t a t e p o t e n t i a l s . O n c e t h e e l e c t r o d e s a r e c o n n e c t e d , a c u r r e n t f l o w o c c u r s b e t w e e n t h e s e t w o e l e c t r o d e s a n d t h e a n o d e ( t h e m o r e a c t i v e m e t a l ) c o r r o d e s ( s e e F i g u r e 6 . 1 ) . 5 0 C a t h o d e P r o c e s s A n o d e P r o c e s s 0 2 + Z H Z O + 4 e ’ . - > 4 0 H ' F e - > F e ” + 2 0 " M o i s t C o n c r e t e a s o n E l e c t r o l y t e F e z 0 3 S u r f a c e F i l m S t e e l C u r r e n t F l o w F i g u r e 6 . 1 E l e c t r o c h e m i c a l P r o c e s s o f S t e e l C o r r o s i o n . ” 1 9 2 R e i n f o r c e d P o r t l a n d c e m e n t c o n c r e t e r e p r e s e n t s a n e l e c t r o c h e m i c a l c o r r o s i o n p r o c e s s i n t h a t t h e p o r e fl u i d o f s t e e l - c o n c r e t e s y s t e m a c t s a s e l e c t r o l y t e a n d t h e c e l l f o r m a t i o n o n s t e e l s u r f a c e d i v i d e s t h e s t e e l i n t o a n o d i c a n d c a t h o d i c r e g i o n s . S o m e p a r t o f t h e r e i n f o r c i n g s t e e l b e c o m e s a n o d i c a n d t h e o t h e r c a t h o d i c . T h e f u n d a m e n t a l c h e m i c a l r e a c t i o n s o c c u r r i n g a t t h e e l e c t r o d e s a r e a s f o l l o w s : W : F e - ’ 2 6 + F e 2 + ’ R 0 1 2 0 ) . ( m e t a l l i c i r o n ) ( i r o n i o n ) / ( r u s t ) W : 1 / 2 0 2 + H 2 0 + 2 € - * 2 ( 0 H ' ) ( a i r ) ( w a t e r ) ( h y d r o x y l i o n s ) T h e p r i m a r y r e a c t i o n i s t h e c h e m i c a l r e a c t i o n i n v o l v i n g t h e i o n i z a t i o n o f m e t a l l i c i r o n a t t h e a n o d e . T h e f r e e e l e c t r o n s r e l e a s e d a t t h e a n o d e w i l l b e a t t r a c t e d t o w a r d s t h e c a t h o d e i n o r d e r t o m a i n t a i n e q u i l i b r i u m o f e l e c t r i c c h a r g e s t h a t fl o w t h r o u g h m e t a l , 7 6 a n d w i l l c o m b i n e w i t h o x y g e n ( f r o m t h e a i r ) a n d w a t e r r e s u l t i n g i n t h e f o r m a t i o n o f h y d r o x y l i o n s ( s e c o n d a r y r e a c t i o n ) . N o w , t h e h y d r o x y l i o n s f r o m t h e c a t h o d e w i l l c o m b i n e w i t h t h e i r o n i o n s f r o m t h e a n o d e t o f o r m h y d r o u s i r o n o x i d e s . T h e l a t t e r i o n s m i g r a t e t h r o u g h t h e e l e c t r o l y t e ( w h i c h a l l o w s i o n s t o m o v e b e t w e e n a n o d i c a n d c a t h o d i c s i t e s ) . T h e h y d r o u s i r o n o x i d e s ( c o r r o s i o n p r o d u c t ) p r e c i p i t a t e s i n t h e f o r m o f f e r r o u s h y d r o x i d e ( F e ( O H ) z ) , w h i c h i s a f o r m o f r u s t w i t h w h i t i s h c o l o r . E v e n t u a l l y , a n d i n t h e p r e s e n c e o f o x y g e n a n d w a t e r , f e r r o u s h y d r o x i d e i s f u r t h e r o x i d i z e d t o f e r r i c h y d r o x i d e F e ( O H ) 3 a s f o l l o w s : 1 9 3 F e ( O H ) 2 + l / 2 H , o + 1 / 4 o 2 - > F e ( O H ) 3 2 F e ( O H ) 3 - e F 6 1 0 3 . n H 2 0 h y d r a t e d f e r r i c o x i d e ( r e d r u s t ) T h i s c o n v e r s i o n o f m e t a l l i c i r o n t o r u s t o r F e ( O H ) 3 i n v o l v e s 6 t o 7 t i m e s i n c r e a s e i n v o l u m e a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 6 . 2 . 5 0 T h i s i n c r e a s e d v o l u m e o f c o r r o s i o n p r o d u c t s p r o d u c e s i n t e r n a l s t r e s s e s s u f fi c i e n t t o d i s r u p t t h e s u r r o u n d i n g c o n c r e t e , t h u s c a u s i n g e x p a n s i o n a n d c r a c k i n g . ' 1 F e F e O F e 3 0 4 F e 2 0 3 l . F e ( O l e l F e ( O H ) 3 1 F e ( O H ) 3 3 1 1 2 0 I L I _ I I I i I O I 2 3 4 5 6 7 V o l u m e , c m 3 F i g u r e 6 . 2 V o l u m e i n c r e a s e i n M e t a l l i c I r o n . " o 1 9 4 I t i s w o r t h e m p h a s i z i n g a g a i n t h a t t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f s t e e l i n c o n c r e t e w o u l d b e m a i n t a i n e d i n d e fi n i t e l y i n u s u a l a t m o s p h e r i c e x p o s u r e s i f t h e c o n c r e t e c o v e r c o u l d e x c l u d e a i r a n d w a t e r f r o m t h e e m b e d d e d s t e e l r e i n f o r c e m e n t . W h e n t h e c o v e r i s t o o t h i n o r p o r o u s , c o r r o s i v e d a m a g e t o c o n c r e t e r e s u l t s p r i m a r i l y f r o m a c c e s s o f w a t e r s o l u t i o n s c o n t a i n i n g d i s s o l v e d o x y g e n . N o d a m a g e o c c u r s i n v e r y d r y c o n c r e t e d u e t o t h e a b s e n c e o f e s s e n t i a l w a t e r . N o r i s t h e r e m u c h d a m a g e i n c o n t i n u o u s l y w a t e r - s a t u r a t e d c o n c r e t e b e c a u s e o x y g e n h a s l e s s a c c e s s t h r o u g h t h e l i q u i d p h a s e t h a n t h r o u g h a i r i n t h e c o n c r e t e p o r e s . A n u n s a t u r a t e d c o n c r e t e , w h i c h r e s u l t s f r o m a l t e r n a t e w e t t i n g a n d d r y i n g , a l l o w s m o r e r a p i d t r a n s p o r t o f o x y g e n t o t h e c o r r o d i n g s t e e l s u r f a c e . T h e o x y g e n d i s s o l v e s i n t h e p o r e w a t e r a t t h e m e t a l s u r f a c e , e n a b l i n g e l e c t r o c h e m i e a l c o r r o s i o n . P e r i o d i c d r y i n g a l l o w s d e p o s i t i o n a n d c o m p a c t i o n o f o x i d e c o r r o s i o n p r o d u c t s , w h i c h i m p o s e t e n s i l e s t r e s s e s o n t h e s u r r o u n d i n g c o n c r e t e . L e t u s e x a m i n e m o r e c a r e f u u y t h e e f f e c t s o f v a r i o u s f a c t o r s ( i n c l u d i n g t h o s e c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ) o n c o r r o s i o n a c t i v i t y . 6 . 2 . 2 F a c t o r s A f f e c t i n g C o r r o s i o n A c t i v i t y W m P r o v i d i n g a g o o d q u a l i t y c o n c r e t e a s a b a s i c s t e p i n r e t a r d i n g t h e c o r r o s i o n p h e n o m e n o n i s o f p r i m a r y i m p o r t a n c e . T h e q u a l i t y o f c o r r o s i o n r e s i s t a n c e p r o v i d e d b y c o n c r e t e d e p e n d s o n m a n y f a c t o r s s u c h a s p e r m e a b i l i t y , c o n c r e t e c o v e r t h i c k n e s s , w a t e r - c e m e n t r a t i o , e t c . ( a ) W T h e i m p o r t a n c e o f c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y a r i s e s f r o m t h e f a c t t h a t i t g o v e r n s t h e r a t e a t w h i c h c o r r o s i v e s o l u t i o n s c a n p e n e t r a t e t o w a r d t h e e m b e d d e d s t e e l . “ ’ 3 M a n y f a c t o r s , b e s i d e s a d m i x t u r e s ( e . g . l a t e x p o l y m e r s ) , 1 9 5 i n fl u e n c e t h e p e r m e a b i l i t y o n c o n c r e t e : ( i ) A g g r e g a t e t y p e , ( i i ) c e m e n t t y p e , ( i i i ) w a t e r - c e m e n t r a t i o , ( i v ) c o n s o l i d a t i o n p r o c e d u r e s , a n d ( v ) c u r i n g c o n d i t i o n s . T h e w a t e r - c e m e n t r a t i o i s o f p r i m a r y i m p o r t a n c e b e c a u s e l o w e r i n g i t w i l l s l o w t h e d i fi u s i o n o f c h l o r i d e s , c a r b o n d i o x i d e , a n d o x y g e n . I n a d d i t i o n , i t w i l l r e d u c e t h e p o r e v o l u m e a n d p e r m e a b i l i t y . M o r e o v e r , a l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o w i l l i n c r e a s e t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d m a y e x t e n d t h e t i m e b e f o r e c o r r o s i o n - i n d u c e d s t r e s s e s c a u s e c r a c k i n g o f c o n c r e t e . 2 4 F u r t h e r m o r e , l o w p e r m e a b i l i t y i n a d d i t i o n t o m i n i m i z i n g t h e p e r m e a t i o n o f c o r r o s i o n - i n d u c i n g a g e n t s i n c r e a s e s t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e w h i c h r e t a r d s t h e fl o w o f c u r r e n t a s s o c i a t e d w i t h e l e c t r o c h e m i c a l c o r r o s i o n a n d i n t u r n t h e c o r r o s i o n r a t e . W W G r e a t e r t h i c k n e s s e s o f c o n c r e t e c o v e r d e l a y t h e p e n e t r a t i o n o f c o r r o s i v e a g e n t s t o t h e s t e e l s u r f a c e l e v e l . I n a d d i t i o n t o k e e p i n g t h e W e l o w f o r d u r a b l e c o n c r e t e , a d e q u a t e c o v e r t h i c k n e s s m u s t a l s o b e p r o v i d e d . I t h a s b e e n o b s e r v e d , i n a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n t e s t s , 3 8 t h a t t h e s p e c i m e n s w i t h l a r g e r c o v e r t h i c k n e s s - t o — b a r d i a m e t e r r a t i o s t a k e a r e l a t i v e l y l o n g e r t i m e t o c r a c k t h a n t h e o n e s w i t h s m a l l e r r a t i o s . 1 6 . 2 . 2 . 2 A l k a l i n i t y a n d p H o f C o n c r e t e ; M a n y i n v e s t i g a t i o n s h a v e s h o w n t h a t t h e h i g h l y a l k a l i n e e n v i r o n m e n t i n c o n c r e t e a n d t h e r e s u l t i n g h i g h p H p l a y a v e r y i m p o r t a n t r o l e i n p r o v i d i n g r e i n f o r c i n g s t e e l w i t h p a s s i v a t i o n a g a i n s t c o r r o s i o n . I t w a s f o u n d 3 3 t h a t a t a p H o f 1 2 . 5 n o c o r r o s i o n o c c u r s i n t h e a b s e n c e o f s a l t s . T h e p r e s e n c e o f s a l t b o t h l o w e r s t h e p H o f , p o r e s p a c e e l e c t r o l y t e a n d r a i s e s t h e p H r e q u i r e d t o p r o t e c t t h e r e i n f o r c i n g s t e e l . T h e a l k a l i n i t y o f t h e w e t c o n c r e t e i s l a r g e l y d u e t o t h e p r e s e n c e o f C a ( O H ) 2 . . . _ _ _ E D I R O L H C _ _ 1 9 6 f o r m e d d u r i n g t h e s e t t i n g o f c e m e n t . 3 8 L e a c h i n g o f a l k a l i n e s u b s t a n c e s w i t h w a t e r o r p a r t i a l n e u t r a l i z a t i o n b y r e a c t i o n w i t h c a r b o n d i o x i d e o r o t h e r a c i d i c m a t e r i a l s i s c o n s i d e r e d t o b e v e r y d e s t r u c t i v e i n t h e r e d u c t i o n o f t h e h i g h - a l k a l i n e e n v i r o n m e n t o f c o n c r e t e . P r e v i o u s i n v e s t i g a t i o n s r e v e a l e d t h a t t h e r e i s a t h r e s h o l d c h l o r i d e a l k a l i n i t y r a t i o ( C l ‘ l O H ' r a t i o ) t h a t m u s t b e e x c w d e d b e f o r e c o r r o s i o n c a n o c c u r . I t i s r e p o r t e d t h a t t h e p r o t e c t i v e fi l m c a n b e d e s t r o y e d e v e n a t p H v a l u e s c o n s i d e r a b l y a b o v e 1 1 . 5 . 5 0 W h e n C l ’ l O H ' m o l a r r a t i o s a r e h i g h e r t h a n 0 . 6 , s t e e l s e e m s t o b e n o l o n g e r p r o t e c t e d a g a i n s t c o r r o s i o n . T h i s c o u l d b e a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t t h e i r o n - o x i d e fi l m b e c o m e s e i t h e r p e r m e a b l e o r u n s t a b l e u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s . T h e r e f o r e , t h e a m o u n t o f c h l o r i d e r e q u i r e d f o r c o r r o s i o n i n i t i a t i o n i s d e p e n d e n t o n t h e p H o f t h e l i q u i d i n t h e p a s t e . A t a p H l e s s t h a n 1 1 . 5 c o r r o s i o n m a y o c c u r w i t h o u t c h l o r i d e s ; h o w e v e r , a t a p H g r e a t e r t h a n 1 1 . 5 , a m e a s u r a b l e a m o u n t o f c h l o r i d e i o n s i s r e q u i r e d t o i n i t i a t e c o r r o s i o n , a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 6 . 3 . 2 8 C O R R O S I O N ( C F ) — E 0 . 6 ( O H ’ I . [ _ ~ o c o m m / C F ] 1 1 5 _ p H F i g u r e 6 . 3 R e l a t i o n s h i p B e t w e e n C h l o r i d e , p H i n t h e L i q u i d P h a s e , a n d C o r r o s i o n o f I r o n i n C o n c r e t e . 2 8 1 9 7 W i t h ; M a n y c o d e s o f p r a c t i c e a n d d e s i g n r e g u l a t i o n s p r o v i d e p e r m i s s i b l e c r a c k w i d t h s i n d i f f e r e n t e x p o s u r e c o n d i t i o n s d e p e n d i n g o n t h e e n v i r o n m e n t a g g r e s s i v e n e s s : S e a w a t e r , w e t t i n g a n d d r y i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 . 1 5 m m W a t e r r e t a i n i n g s t r u c t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 . 1 0 m m D e i c i n g c h e m i c a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 . 1 8 m m I t h a s b e e n f o u n d t h a t m i n o r c r a c k s p e n e t r a t i n g t o t h e s t e e l a r e n o r m a l l y n o t d a m a g i n g a n d f r e q u e n t l y h e a l i n m o i s t e n v i r o n m e n t s , ” a n d t h a t t h e p r e s e n c e o f c r a c k s i n a d i r e c t i o n t r a n s v e r s e t o t h e r e i n f o r c e m e n t d o e s n o t l e a d t o s e r i o u s c o r r o s i o n p r o b l e m s . ‘ 9 H o w e v e r , w h e n p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f s t e e l r e i n f o r c e m e n t , c r a c k s m a y p r o v i d e a c c e s s t o c o r r o d i n g s u b s t a n c e s a t a g r e a t e r r a t e . ‘ 9 W C a r b o n a t i o n i s t h e r e a c t i o n o f h y d r a t e d P a r t l a n d c e m e n t w i t h c a r b o n d i o x i d e ( C 0 2 ) f r o m t h e a i r o r w a t e r . T h e C O , p e n e t r a t e s t h e m a t e r i a l a n d r e a c t s w i t h C a ( O H ) 2 t h u s f o r m i n g C a C O 3 . T h i s r e d u c t i o n o f t h e C a ( O H ) 2 c o n t e n t o f c o n c r e t e r e s u l t s i n a l o w e r a l k a l i n i t y o f t h e p a s t e s y s t e m a n d r e d u c e s t h e p H t o a b o u t 8 . 5 . A t t h i s l o w p H t h e s t e e l i s n o l o n g e r p a s s i v e a n d c o r r o s i o n m a y o c c u r . C a r b o n a t i o n i s n o t a p r o b l e m i n v e r y d r y c o n c r e t e o r i n w a t e r - s a t u r a t e d c o n c r e t e . M a x i m u m r a t e s o f c a r b o n a t i o n a r e o b s e r v e d a t a b o u t 5 0 % w a t e r s a t u r a t i o n . ” T h e c a r b o n a t i o n p r o c e s s i n c r e a s e s t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f c o n c r e t e t h u s p r o m o t i n g c r a c k d e v e l o p m e n t . 2 A l t h o u g h c a r b o n a t i o n c a n p e n e t r a t e t o s o m e c o n s i d e r a b l e d i s t a n c e , i n m o s t i n s t a n c e s c a r b o n a t i o n w h i c h s u b s t a n t i a l l y r e d u c e s 1 9 8 a l k a l i n i t y i s g e n e r a l l y l i m i t e d t o a d e p t h o f 2 5 m m ( 1 i n ) o r s o . 9 3 W W ; W l t h t h e c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e m e n t e m b e d d e d i n c o n c r e t e b e i n g a n e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s , e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e h a s b e e n f o u n d t o b e a d o m i n a n t f a c t o r i n fl u e n c i n g t h e i n t e n s i t y o f c o n c r e t e r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n p r o c e s s . I n f a c t , o n c e t h e p a s s i v i t y o f t h e fi l m o n s t e e l s u r f a c e i s d e s t r o y e d , t h e r a t e o f c o r r o s i o n w i l l d e p e n d o n t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e a n d t h e a v a i l a b i l i t y o f o x y g e n a t t h e c a t h o d e . T h e m a g n i t u d e o f t h e c o r r o s i o n c u r r e n t i s p r i m a r i l y c o n t r o l l e d b y t h e r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e . H i g h r e s i s t i v i t y r e d u c e s c u r r e n t a n d t h u s t h e p r o b a b i l i t y o f c o r r o s i o n . I n h u m i d e n v i r o n m e n t s , t h e d e g r e e o f w a t e r s a t u r a t i o n i s v e r y h i g h a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y i s t h e r e f o r e q u i t e l o w . C o n s e q u e n t l y , i t i s t h e a v a i l a b i l i t y o f o x y g e n f o r t h e r e a c t i o n a t c a t h o d e s u r f a c e t h a t b e c o m e s t h e p r i n c i p a l r a t e - d e t e r m i n i n g f a c t o r i n t h e c o r r o s i o n p r o c e s s , f o r e x a m p l e , f o r o c e a n s t r u c t u r e s . T h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e r a n g e s f r o m a r o u n d 1 0 ’ i l - c m ( 3 9 4 i l - i n ) w h e n s a t u r a t e d , t o 1 0 ” O - c m ( 3 9 4 x 1 0 3 i l - i n ) w h e n o v e n - d r i e d . F o r n o r m a l m o i s t c o n c r e t e , t h e v a l u e i s a r o u n d 1 0 ‘ Q - c m ( 3 9 4 0 fl - i n ) . I t h a s b e e n s h o w n t h a t c o r r o s i o n m a y i n c r e a s e s e v e n f o l d w h e n t h e c o n c r e t e r e s i s t i v i t y d e c r e a s e s f r o m 1 5 , 0 0 0 ( i - c m ( 5 9 0 5 I l - i n ) t o 6 , 0 0 0 i i - c m ( 2 3 6 2 i l - i n ) . T h e p r e s e n c e o f s i g n i fi c a n t a m o u n t s o f c h l o r i d e i o n s i n c o n c r e t e m i x i n c r e a s e s t h e c o n c r e t e a b s o r p t i o n a n d i n t u r n a fl ' e c t s t h e r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e . “ I t w a s a l s o f o u n d t h a t , i n a c o n c r e t e w i t h r e s i s t i v i t y 1 5 , 0 0 0 i ' i - e m ( 5 9 0 5 i l - i n ) , t h e m e t a l l o s s d u e t o c o r r o s i o n i s l e s s t h a n 1 0 % a f t e r a l o n g t i m e o f s e r v i c e , a s c o m p a r e d t o 8 0 % m e t a l l o s s i n a c o n c r e t e w i t h 7 0 0 0 f i - c m ( 2 7 5 6 fl - i n ) r e s i s t i v i t y . ' 1 9 9 6 . 2 . 2 . 6 E fi ’ e g t s 6 f L a t e x M m i fi g g t i g n ; O n l y o n e r e s e a r c h w o r k w a s f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e r e g a r d i n g t h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t y o f p o l y m e r - m o d i fi e d m o r t a r s . I n t h i s i n v e s t i g a t i o n , p o l y m e r - m o d i fi e d m o r t a r s u s i n g t h r e e t y p e s o f p o l y m e r s w e r e p r e p a r e d w i t h p o l y m e r - c e m e n t r a t i o s o f 1 0 a n d 2 0 % . T h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t y o f t h e p r e p a r e d m o r t a r s w a s e v a l u a t e d f o l l o w i n g e x p o s u r e u n d e r s e v e r e c o r r o s i v e c o n d i t i o n s o f c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e p e n e t r a t i o n . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s r e v e a l e d t h a t p o l y m e r - m o d i fi e d m o r t a r s h a v e a s u p e r i o r c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g e fl ' e c t o n t h e e m b e d d e d r e i n f o r c i n g s t e e l b a r s w i t h a n i n c r e a s e i n p o l y m e r - c e m e n t r a t i o . “ 7 T h i s i s d u e t o t h e i r h i g h r e s i s t a n c e t o c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n b y d e c r e a s i n g c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n d e p t h s . I t w a s a l s o f o u n d t h a t t h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g r a t e o f p o l y m e r - m o d i fi e d m o r t a r s d e p e n d s n o t o n l y o n t h e i r c a r b o n a t i o n a n d c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n d e p t h s , b u t a l s o o n t h e p o l y m e r t y p e . W W R e s e a r c h w o r k p e r f o r m e d b y N a a m a n e t a l . ‘ 1 o n t h e d u r a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r ( S F R M ) r e v e a l e d t h a t S F R M s p e c i m e n s s a t u r a t e d i n a s o d i u m c h l o r i d e s o l u t i o n f o r 2 m o n t h s g e n e r a l l y s h o w e d i n c r e a s e s i n s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s c o m p a r e d t o s t a n d a r d s p e c i m e n s c u r e d i n w a t e r f o r 6 d a y s a n d t e s t e d a t 2 8 d a y s . T h i s c o u l d b e a t t r i b u t e d t o t h e e f f e c t s o f l o n g - t e r m m o i s t c u r i n g , w h i c h m a y o f f s e t t h e e a r l y e f f e c t s o f c o r r o s i o n . T h e s e s t u d i e s h a v e a l s o s h o w e d t h a t S F R M s p e c i m e n s s a t u r a t e d f o r o v e r 6 m o n t h s i n a s o d i u m c h l o r i d e s o l u t i o n s h o w e d s l i g h t r e d u c t i o n i n t h e p e a k s t r e s s ( 1 0 % ) a n d m o r e i m p o r t a n t r e d u c t i o n s i n t o u g h n e s s ( a b o u t 2 5 % ) . F u r t h e r s t u d i e s o n t h e l o n g - t e r m d e t e r i o r a t i o n a n a l y s i s o f S F R M s p e c i m e n s i n d i c a t e d t h a t c o r r o s i o n f r o m t h e c o n c r e t e s u r f a c e i s v e r y c r i t i c a l f o r s t r u c t u r e s h a v i n g s m a l l d e p t h s ( < 1 0 0 m m , 4 i n ) . H o w e v e r , i n c a s e s 2 0 0 w h e r e t h e d e p t h i s r e l a t i v e l y l a r g e ( > o r = 1 0 0 m m , 4 i n ) , t h e i n fl u e n c e o f c o r r o s i o n o n t h e s t r e n g t h o f u n c r a c k e d m e m b e r s i s r e l a t i v e l y s m a l l , e v e n i f t h e s t r u c t u r e i s s a t u r a t e d i n a s e v e r e c o r r o s i v e a t m o s p h e r e f o r a l o n g p e r i o d o f t i m e . ‘ l 6 . 2 . 3 C o r r o s i o n T e s t ' l b c h n i q u e s A l t h o u g h t h e r e a r e v a r i a t i o n s i n e q u i p m e n t a n d p r o c e d u r e , t h e m a i n t e s t m e t h o d s f o r a s s e s s i n g r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n a c t i v i t y a r e ” 5 l . H a l f - C e l l P o t e n t i a l M a p p i n g 2 . E l e c t r i c a l R e s i s t a n c e P r o b e 3 . E l e c t r o c h e m i c a l N o i s e 4 . P o l a r i z a t i o n R e s i s t a n c e 5 . A C I m p e d a n c e T h e fi r s t t h r e e m e t h o d s a r e k n o w n a s n o n - p e r t u r b a t i v e , a n d t h e l a s t t w o a s p e r t u r b a t i v e m e t h o d s . T h e n o n - p e r t u r b a t i v e t e s t m e t h o d s ( 1 , 2 & 3 ) m e a s u r e c h a n g e s i n t h e s t e e l / c o n c r e t e s y s t e m c a u s e d b y t h e p r o c e s s o f r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n . T h e p e r t u r b a t i v e t e s t m e t h o d s , o n t h e o t h e r h a n d , m e a s u r e t h e r e s p o n s e o f t h e s m e l / c o n c r e t e s y s t e m t o a n a p p l i e d e x t e r n a l p e r t u r b a n c e f r o m w h i c h t h e l a t e o f c o r r o s i o n c a n b e d e t e r m i n e d . 6 . 2 . 3 . 1 H a l f - C e l l fl m n t i a l M a p p i n g ; T h i s t e s t , d e v e l o p e d i n t h e l a t e 1 9 5 0 ’ s , h a s b e e n e x t e n s i v e l y u s e d i n t h e U S A e s p e c i a l l y f o r t h e e v a l u a t i o n o f c o n c r e t e b r i d g e s ( A S T M C - 8 7 6 ) . T h e t e s t m e a s u r e s t h e e l e c t r o d e p o t e n t i a l o f s t e e l i n c o n c r e t e a g a i n s t 2 0 1 a r e f e r e n c e e l e c t r o d e . P o t e n t i a l s a r e m e a s u r e d w i t h a h i g h i m p e d a n c e v o l t m e t e r ( > 1 0 M e g a O h m ) t o e n s u r e l o w c u r r e n t c o n d i t i o n s d u r i n g t e s t i n g . T h e m e a s u r e d e l e c t r o d e p o t e n t i a l m a y b e a f f e c t e d b y a n u m b e r o f f a c t o r s t h a t s h o u l d b e c o n s i d e r e d i n i n t e r p r e t i n g t h e r e s u l t s . O n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t i s t h e q u a l i t y o f t h e c o v e r c o n c r e t e , p a r t i c u l a r l y i n m o i s t c o n d i t i o n s a n d c o n t a m i n a t i o n b y c a r b o n a t i o n a n d / o r c h l o r i d e s . A f u r t h e r l i m i t a t i o n o f t h e t e s t i s t h a t t h e r e s u l t s o n l y g i v e a n i n d i c a t i o n o f w h e t h e r c o r r o s i o n i s t h e r m o d y n a m i c a l l y p o s s i b l e , a n d n o i n f o r m a t i o n r e l a t i n g t o c o r r o s i o n k i n e t i c s c a n b e o b t a i n e d . M e a s u r e m e n t s a r e n o r m a l l y p r e s e n t e d i n t h e f o r m o f e q u i p o t e n t i a l c o n t o u r m a p s f r o m w h i c h a r e a s o f s u s p e c t e d c o r r o s i o n a r e i d e n t i fi e d . A S T M C - 8 7 6 p r o v i d e s a c l a s s i fi c a t i o n f o r a s s e s s i n g t h e r e s u l t s o f t h e h a l f - c e l l t e s t a s : T a b l e 6 . 1 A S T M C l a s s i fi c a t i o n o f C o r r o s i o n H a l f - C e l l P o t e n t i a l s . _ m I M e a s u r e d P o t e n t i a l S t a t i s t i c a l R i s k o f C o r r o s i o n l e s s t h a n - 3 5 0 m V 9 0 % b e t w e e n - 3 5 0 a n d - 2 0 0 m V 5 0 % g r e a t e r t h a n - 2 0 0 m V 1 0 % W T h i s t e s t u s e s t h e p r i n c i p l e t h a t t h e r e s i s t a n c e o f a c o n d u c t i v e m a t e r i a l i s a f u n c t i o n o f i t s c r o s s - s e c t i o n a l a r e a . T h u s , a s c o r r o s i o n r e d u c e s c r o s s s e c t i o n , t h e r e s i s t a n c e i n c r e a s e s , e n a b l i n g t h e p r o g r e s s o f c o r r o s i o n t o b e m e a s u r e d . T h e t e s t m a y b e c a r r i e d o u t b y c o m p a r i n g t h e r e s i s t a n c e c h a n g e b e t w e e n p r o t e c t e d a n d e x p o s e d p r o b e s e m b e d d e d i n c o n c r e t e . 2 6 2 0 2 6 . 2 . 3 . 3 E l m m h e m i g a l N g i s e ; T h i s i s a f a i r l y r e c e n t d e v e l o p m e n t i n t h e m o n i t o r i n g o f r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n . T h e t e c h n i q u e c o n s i d e r s s m a l l fl u c t u a t i o n s i n c o r r o s i o n p o t e n t i a l o f t h e s t e e l / c o n c r e t e s y s t e m a n d r e l a t e s t h e s e t o t h e p r e s e n c e a n d n a t u r e o f c o r r o s i o n o n t h e r e i n f o r c i n g s t e e l s u r f a c e . 2 6 T h e m e t h o d u s e s s i m i l a r e q u i p m e n t t o t h e h a l f - c e l l p o t e n t i a l m e t h o d e x c e p t t h a t a h i g h e r r e s o l u t i o n v o l t m e t e r i s u s e d . T h e n , i n f o r m a t i o n r e l a t i n g t o t h e c o r r o s i o n p r o c e s s m a y b e e s t a b l i s h e d f r o m t h e p o t e n t i a l / t i m e p l o t s o r f r o m a n a l t e r n a t i v e f o r m o f d a t a p r e s e n t a t i o n . D e t e r m i n a t i o n o f t h e c o r r o s i o n r a t e i s m a d e f r o m r e l a t i o n s h i p s t h a t h a v e b e e n i d e n t i fi e d b e t w e e n t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n o f t h e m e a s u r e d n o i s e a n d t h e c o r r o s i o n c u r r e n t o b t a i n e d f r o m p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t s . T h i s m e t h o d h a s b e e n u s e d i n - s i t u t o p r o v i d e a d d i t i o n a l i n f o r m a t i o n t o h a l f - c e l l p o t e n t i a l m a p p i n g . W T h e e q u i p m e n t s e t u p f o r t h i s t e s t c o n s i s t s o f a r e f e r e n c e e l e c t r o d e w h i c h i s l o c a t e d o n t h e c o n c r e t e s u r f a c e , a w o r k i n g e l e c t r o d e w h i c h i s t h e r e i n f o r c e m e n t u n d e r t e s t , a n d a c o u n t e r e l e c t r o d e w h i c h m a y b e l o c a t e d e i t h e r o n t h e c o n c r e t e s u r f a c e o r e m b e d d e d w i t h i n t h e c o n c r e t e . T h e p o t e n t i o s t a t a u t o m a t i c a l l y c o n t r o l s t h e o p e r a t i o n s a n d n o r m a l l y h a s e l e c t r o n i c I R c o m p e n s a t i o n t o t a k e a c c o u n t o f t h e I R d r o p b e t w e e n t h e r e f e r e n c e a n d w o r k i n g e l e c t r o d e s r e s u l t i n g f r o m t h e h i g h r e s i s t a n c e o f t h e c o v e r c o n c r e t e . T h e m e a s u r e m e n t o f t h e c o r r o s i o n r a t e e l e c t r o c h e m i c a l l y i s b a s e d o n t h e m e a s u r e m e n t o f t h e a n o d i c o r c a t h o d i c c o r r o s i o n c u r r e n t 6 , . . . ) a t t h e r e s t p o t e n t i a l ( E a ) . D u r i n g c o r r o s i o n , t h e s y s t e m i s i n e q u i l i b r i u m , i . e . p r o d u c t i o n a n d c o n s u m p t i o n o f e l e c t r i c a l c h a r g e a t t h e a n o d e a n d c a t h o d e r e s p e c t i v e l y a r e e q u a l s o t h e r e i s n o n e t c u r r e n t fl o w . T h i s t e s t r e l i e s o n t h e l i n e a r r e l a t i o n s h i p . b e t w e e n 2 0 3 p o t e n t i a l a n d c u r r e n t t h a t i s c o n s i d e r e d t o e x i s t w i t h i n t h e r a n g e + 1 0 t o 2 0 m V o f t h e r e s t p o t e n t i a l . " 5 T h e p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e c a n b e d e t e r m i n e d f r o m t h e p l o t o f a p p l i e d p o t e n t i a l a g a i n s t m e a s u r e d c u r r e n t r e s p o n s e . W T h e t e s t i s c a r r i e d o u t u s i n g a t r a n s f e r f u n c t i o n a n a l y z e r a n d i n v o l v e s t h e a p p l i c a t i o n o f a n A C s i g n a l ( t y p i c a l l y 1 0 t o 2 0 m V ) t o t h e s t e e l / c o n c r e t e t e s t s y s t e m a n d t h e m o d u l e s o f i m p e d a n c e a n d p h a s e s h i f t a r e c o n s i d e r e d o v e r a r a n g e o f f r e q u e n c i e s ( t y p i c a l l y 1 0 0 k H z t o 1 m H z ) ? ‘ 5 T h e d a t a i s n o r m a l l y p r e s e n t e d i n t h e f o r m o f a N y q u i s t o r B o d e P l o t a n d r e s u l t a n a l y s i s i s n o r m a l l y c a r r i e d o u t b y c o n s i d e r a t i o n o f a n e q u i v a l e n t c i r c u i t . T h e a n a l y s i s i s c o m p l e x , b u t i t i s p o s s i b l e f o r f a c t o r s r e l a t i n g t o t h e c o r r o s i o n m e c h a n i s m a n d t h e c o r r o s i o n r a t e t o b e e s t a b l i s h e d . T h e t e s t h a s b e e n u s e d m a i n l y i n t h e l a b o r a t o r y t o s t u d y t h e p r o c e s s e s o f i n i t i a t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f c o r r o s i o n w i t h r e s p e c t t o d i f f e r e n t c o n c r e t e v a r i a b l e s a n d a l s o t h e e fl ' e c t i v e n e s s o f c o n c r e t e r e p a i r s y s t e m s . 6 . 2 . 4 C o n c e p t o f C o r r o s i o n W h a t h a p p e n s i s t h a t t h e s u r f a c e o f t h e c o r r o d i n g m e t a l ( h e r e s t e e l r e i n f o r c e m e n t ) f u n c t i o n s a s a m i x e d e l e c t r o d e u p o n w h i c h c o u p l e d a n o d i c a n d c a t h o d i c r e a c t i o n s t a k e p l a c e . A t a n a n o d i c s i t e , t h e m e t a l a t o m s ( F e ) p a s s i n t o s o l u t i o n a s p o s i t i v e l y c h a r g e d h y d r a t e d i o n s ( F e 2 * ) ( a n o d i c o x i d a t i o n ) a n d t h e e x c e s s f r e e e l e c t r o n s fl o w W e m e t a l t o c a t h o d i c s i t e s w h e r e a n e l e c t r o n a c c e p t o r ( s u c h a s h y d r o g e n i o n o r d i s s o l v e d 2 0 4 o x y g e n ) i s a v a i l a b l e t o c o n s u m e t h e m ( c a t h o d i c r e d u c t i o n ) . T h i s p r o c e s s i s c o m p l e t e d b y e l e c t r o m i g r a t i o n o f i o n s t h r o u g h t h e e l e c t r o l y t e , l e a d i n g t o t h e f o r m a t i o n o f a c o r r o s i o n p r o d u c t w h i c h m a y b e s o l u b l e ( e . g . f e r r o u s c h l o r i d e ) o r i n s o l u b l e ( e . g . r u s t , h y d r a t e d f e r r i c o x i d e ) . I t i s t h e n e s s e n t i a l t o h a v e t h e f o l l o w i n g t h r e e f e a t u r e s f o r t h e c o r r o s i o n p r o c e s s : 1 ) A r e a c t i v e m e t a l ( s t e e l ) t h a t w i l l o x i d i z e a n o d i c a l l y t o f o r m s o l u b l e i o n s , 2 ) A r e d u c i b l e s u b s t a n c e w h i c h p r o v i d e s t h e c a t h o d i c r e a c t a n t , a n d 3 ) A n e l e c t r o l y t e t h a t a l l o w s i o n s t o m o v e b e t w e e n t h e a n o d i c a n d c a t h o d i c s i t e s . W h a t w e m e a s u r e i s a c t u a l l y t h e p o t e n t i a l d r o p ( i . e . , d i fl ' e r e n c e i n e l e c t r i c a l p o t e n t i a l s o f p o i n t s i n t h e m e t a l s u r f a c e a n d i n t h e n e i g h b o r i n g e l e c t r o l y t e ) a c r o s s t h e e l e c t r i c a l d o u b l e l a y e r . T h i s p o t e n t i a l d r o p i s k n o w n a s e l e c t r o d e p o t e n t i a l . T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e e l e c t r o d e p o t e n t i a l s a t a n o d e a n d c a t h o d e i s t h e d r i v i n g f o r c e f o r t h e c o r r o s i o n r e a c t i o n . T h e s e p o t e n t i a l s b a s i c a l l y p r o v i d e a m e a s u r e o f t h e e a s e o f c h a r g e t r a n s f e r a c r o s s t h e s t e e l ~ c o n c r e t e i n t e r f a c e a n d t h e e a s e o f i o n i z a t i o n o f t h e d i s s o l v e d o x y g e n , r e s p e c t i v e l y . T h e e l e c t r o d e p o t e n t i a l i s a l w a y s l o w e r a t a l o c a l a n o d e t h a n a t a e a t h o d e o f a c o r r o s i o n c o u p l e . I t i s n o t p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h e a b s o l u t e v a l u e o f a n e l e c t r o c h e m i c a l p o t e n t i a l . F o r t h i s r e a s o n i n d o i n g t h i s t e s t , o n e m e a s u r e s t h e p o t e n t i a l d i fi e r e n c e b e t w e e n t h e a n o d e o r c a t h o d e a n d a r e f e r e n c e h a l f - c e l l e l e c t r o d e . T h i s i s t a k e n a s a 2 0 5 m e a s u r e o f t h e a c t u a l p o t e n t i a l a n d i s q u o t e d i n v o l t s r e l a t i v e t o t h e p a r t i c u l a r r e f e r e n c e e l e c t r o d e u s e d . I n a r e f e r e n c e h a l f - c e l l e l e c t r o d e , a fi x e d p o t e n t i a l d i fi e r e n c e i s a l w a y s e s t a b l i s h e d b e t w e e n a m e t a l a n d a s o l u t i o n c o n t a i n i n g i t s i o n s . 6 . 2 . 5 E l e c t r i c R e s i s t i v i t y T h e a v a i l a b l e t e s t t e c h n i q u e s f o r c o r r o s i o n ( p o t e n t i a l m a p p i n g , h a l f — c e l l ) p r o v i d e a r e l i a b l e m e a n s o f l o c a t i n g c o r r o s i o n a c t i v i t y . I t i s , h o w e v e r , i m p o s s i b l e t o u s e i t t o d e t e r m i n e t h e s e v e r i t y o f t h e c o r r o s i o n p r o b l e m . T h e s t e e l m a y b e c o r r o d i n g a t a n a d v a n c e d r a t e o r m a y b e c o r r o d i n g s o s l o w l y t h a t i t i s u n l i k e l y t o b e a p r o b l e m w i t h i n t h e d e s i g n l i f e t i m e o f t h e s t r u c t u r e a n d h e n c e d o e s n o t n e e d a c t i o n . T h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e i s t h e m o s t i m p o r t a n t p a r a m e t e r c o n t r o l l i n g t h e r a t e o f c o r r o s i o n o n c e i t h a s i n i t i a t e d . A n d , r e s i s t i v i t y t h r e s h o l d s h a v e b e e n t e n t a t i v e l y p r o p o s e d t o c a t e g o r i z e t h e l i k e l y r a t e o f a c t i v e c o r r o s i o n . T h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e i s h i g h l y d e p e n d e n t u p o n m o i s t u r e c o n t e n t . T h e r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e m a d e f r o m c a l c i u m a l u m i n a t e c e m e n t i s a b o u t t e n t i m e s g r e a t e r t h a n t h e r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e m a d e f o r m P o r t l a n d c e m e n t . 3 2 I t h a s a l s o b e e n f o u n d ” t h a t p a s t e a n d c o n c r e t e a r e c o n d u c t o r s s i m i l a r i n n a t u r e t o e l e c t r o l y t e s , a n d t h a t t h e t e m p e r a t u r e c o e m c i e n t o f e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f f r e s h p a s t e i s o f t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e a s t h a t o f c o m m o n e l e c t r o l y t e s . O t h e r s ” h a v e f o u n d t h a t t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e i n c r e a s e s w i t h a g e a n d d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g s a l i n i t y o f m i x i n g w a t e r . S e v e r a l i n v e s t i g a t o r s h a v e c o r r e l a t e d t h e r e s i s t i v i t y o f c e m e n t p a s t e s w i t h i t s s e t t i n g t i m e . T h e v o l u m e o f e v a p o r a b l e w a t e r i n p a s t e f o u n d i n 2 0 6 s a t u r a t e d c o n c r e t e v a r i e s f r o m a b o u t 6 0 % a t t h e t i m e o f m i x i n g t o a b o u t 4 0 % w h e n P o r t l a n d c e m e n t i s c o m p l e t e l y h y d r a t e d . T h i s w a t e r c o n t a i n s i o n s , p r i m a r i l y N a * , K " , C a ” , 8 0 ' , a n d O H ' , a n d c o n c e n t r a t i o n o f s o m e i o n s w o u l d i n c r e a s e w h i l e t h o s e o f o t h e r s w o u l d d e c r e a s e . I t i s t h e n e x p e c t e d t h a t c o n d u c t i o n o f e l e c t r i c i t y t h r o u g h m o i s t c o n c r e t e w o u l d b e e s s e n t i a l l y e l e c t r o l y t i c ; m a n y i n v e s t i g a t o r s s u p p o r t t h e v i e w t h a t c o n d u c t i o n i s b y m e a n s o f i o n s i n t h e e v a p o r a b l e w a t e r . I t w a s f o u n d t h a t t h e r e s i s t i v i t y o f a c e r t a i n c o n c r e t e , w h i c h w a s a b o u t 1 0 ‘ Q - c m ( 4 , 0 0 0 O - i n ) a f t e r s e v e n d a y s o f m o i s t c u r i n g , w a s i n c r e a s e d t o a b o u t 1 0 “ O - c m ( 4 x 1 0 ‘ 0 O - i n ) w h e n t h e e v a p o r a b l e w a t e r w a s r e m o v e d b y d r y i n g a t 1 0 5 ° C ( 2 2 1 ° F ) , i n d i c a t i n g a n i n c r e a s e o f 1 0 m i l l i o n t i m e s . T h e r e s i s t a n c e o f a n e l e c t r o l y t e , o r a n y o t h e r m a t e r i a l , i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e l e n g t h ( L ) a n d i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a ( A ) : R = p . L / A w h e r e , R = r e s i s t a n c e i n O h m s ( ( l ) ; p = r e s i s t i v i t y i n O h m - c m ( O - c m ) ; L = l e n g t h o f s p e c i m e n u s e d ; a n d A = c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f s p e c i m e n . T h e r e s i s t i v i t y p i s e s s e n t i a l l y c o n s t a n t f o r a g i v e n m a t e r i a l a n d i s n u m e r i c a l l y e q u a l t o t h e r e s i s t a n c e o f a 1 - c m ( 0 . 4 - i n ) c u b e o f t h e m a t e r i a l . C o n c r e t e m a y b e c o n s i d e r e d a s a c o m p o s i t e s y s t e m o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s w i t h d i f f e r e n t d i m e n s i o n s e m b e d d e d i n a m a t r i x o f P o r t l a n d c e m e n t p a s t e . T h e r e s i s t i v i t y o f t h e p a r t i c l e s , t h e r e s i s t i v i t y o f t h e m a t r i x , a n d t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e s i s a s s u m e d t o 2 0 7 b e i n fi n i t e ( i . e . , p a r t i c l e s a r e n o n c o n d u c t i v e ) , t h e n , f o r s p h e r i c a l p a r t i c l e s : ( 3 - v m > W W W w h e r e , V m = f r a c t i o n a l v o l u m e o f m a t e r i a l ; a n d p m = r e s i s t i v i t y o f m a t e r i a l . 6 . 2 . 6 F a c t o r s A f f e c t i n g E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y o f C o n c r e t e W T h e e fi e c t o f w / c o n t h e r e s i s t i v i t y o f 2 5 - m m ( l - i n ) p l a i n p a s t e c u b e s i s s h o w n i n T a b l e 6 . 2 . 5 3 T h e r e s i s t i v i t y o f p a s t e w i t h a w l c = 0 . 4 0 i s o b s e r v e d t o b e a b o u t d o u b l e t h a t o f t h e p a s t e h a v i n g a w / c r a t i o o f 0 . 6 0 . T h e r e s i s t i v i t y a l s o i n c r e a s e s w i t h t i m e o f c o n t i n u o u s m o i s t s t o r a g e . D e c r e a s e o f e v a p o r a b l e w a t e r w i t h c o n t i n u i n g h y d r a t i o n w o u l d h a v e p o s s i b l y b e e n a f a c t o r i n t h i s i n c r e a s e i n r e s i s t i v i t y . O t h e r f a c t o r s , s u c h a s c o n t i n u o u s r e l e a s e o f a l k a l i e s a n d l e a c h i n g , m i g h t a l s o i n fl u e n c e r e s i s t i v i t y . T h e r e s i s t i v i t i e s o f P a s t e A a n d C o n c r e t e A ( w i t h s a m e w / c ) i n d i c a t e d t h a t r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e w a s a b o u t fi v e t i m e s t h a t o f t h e p a s t e . ‘ 3 T a b l e 6 . 2 E f f e c t o f W a t e r - C e m e n t R a t i o a n d T i m e o f M o i s t S t o r a g e o n E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y . ” a ? R e s i s t i v i t y , O h m - c m ( 1 0 0 0 H z , 4 v o l t s ) I M a t r i x T y p e W e 7 d a y s 2 8 d a y s 9 0 d a y s 0 . 4 0 1 0 3 0 1 1 7 0 1 5 7 0 L o w A l k a l i 0 . 5 0 7 9 0 8 8 0 1 0 9 0 C o n t e n t 0 . 6 0 5 3 0 7 0 0 7 6 0 0 . 4 0 1 2 3 0 1 3 6 0 1 6 6 0 H i g h A l k a l i 0 . 5 0 8 2 0 9 5 0 1 2 0 0 C o n t e n t . 0 . 6 0 5 7 0 7 3 0 7 9 0 2 0 8 W e ; I t h a s b e e n f o u n d ‘ 3 t h a t t h e r e s i s t a n c e o f p a s t e s w i t h l o w e r a l k a l i c o n t e n t i s c o n s i d e r a b l y h i g h e r t h a n t h a t o f p a s t e s w i t h h i g h e r a l k a l i c o n t e n t d u r i n g t h e fi r s t d a y ; a t 4 d a y s t h e r e s i s t a n c e s w e r e e q u a l , a n d t h e r e a f t e r t h e r e s i s t a n c e o f p a s t e s w i t h h i g h e r a l k a l i c o n t e n t w a s h i g h e r . W T h e r e s i s t a n c e s o f p a s t e s o f C 3 8 a n d C 3 A h a v e b e e n s t u d i e d b y M o n f o r e . ’ 3 A t e a r l y a g e s t h e r e s i s t a n c e o f t h e Q A p a s t e w a s h i g h e r t h a n t h a t o f t h e C 3 8 p a s t e , p r o b a b l y d u e t o t h e a b s e n c e o f c a l c i u m h y d r o x i d e i n t h e h y d r a t i o n p r o d u c t s o f C 3 A . l a t e r , h o w e v e r , t h e r e s i s t a n c e o f 0 , 8 i n c r e a s e d t o a v a l u e h i g h e r t h a n t h a t o f C A . W E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s ‘ 3 o n t h e i n fl u e n c e s o f n o r m a l c u r i n g i n l i m e w a t e r a t 7 3 ° F , s t e a m c u r i n g , a n d a u t o c l a v e c u r i n g , r e v e a l e d t h a t s t e a m c u r i n g y i e l d e d h i g h e s t r e s i s t a n c e s . W M S u b s t a n t i a l i n c r e a s e s i n r e s i s t a n c e r e s u l t e d a s l O — c m ( 4 — i n ) c o n c r e t e c u b e s w e r e d r i e d i n a n a t m o s p h e r e o f 5 0 % R . H . a n d 7 5 ° F . R e m o v a l o f a l l o f t h e e v a p o r a b l e w a t e r b y o v e n d r y i n g i n c r e a s e s t h e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e d r a s t i c a l l y . ” M W I t h a s b e e n r e p o r t e d ‘ 3 t h a t t h e u s e o f a m m o n i u m p h o s p h a t e i n c o n c r e t e i n c r e a s e s i t s e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y . A t e a r l y a g e s , o t h e r a d m i x t u r e s , s u c h a s c a l c i u m c h l o r i d e , g e n e r a l l y c a u s e s d e c r e a s e d r e s i s t i v i t y , b u t a t l a t e r a g e s p a s t e s w i t h s o m e a d m i x t u r e s d i d s h o w m o d e r a t e l y i n c r e a s e d r e s i s t i v i t y . W W W ; T a b l e 6 . 3 5 3 s h o w s t h e r e s i s t i v i t i e s o f f o u r t y p e s o f r o c k s w h i c h m i g h t b e u s e d a s c o n c r e t e a g g r e g a t e s . I t c a n b e s e e n t h a t t h e r e s i s t i v i t i e s o f t h e m a r b l e a n d g r a n i t e a r e e s s e n t i a l l y i n fi n i t e a s c o m p a r e d t o t h e 2 0 9 r e s i s t i v i t y o f p a s t e , a n d t h e r e s i s t i v i t i e s o f t h e s a n d s t o n e a n d l i m e s t o n e a r e c o n s i d e r a b l y g r e a t e r t h a n t h a t o f p a s t e . T a b l e 6 . 3 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t i e s o f R o c k s . T y p e A b s o r p t i o n , R e s i s t i v i t y , o h m - % b y w t . c m ( 1 0 0 0 h e r t z , 4 v o l t s ) S a n d s t o n e 9 . 2 1 8 , 0 0 0 L i m e s t o n e 6 . 0 3 0 , 0 0 0 M a r b l e 0 . 9 2 9 0 , 0 0 0 G r a n i t e 0 . 3 4 8 8 0 , 0 0 0 6 . 3 E X P E R I N I E N T A L P R O G R A M T h e f o u r c o n c r e t e m i x t u r e s o f T a b l e 3 . 7 w e r e a l s o c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n : p l a i n , l a t e x - m o d i fi e d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d . T h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s d e s i g n e d t o o b t a i n c o n c l u s i o n s o n t h e f o l l o w i n g i s s u e s : a ) d e t e r m i n e t h e t i m e - t o - c o r r o s i o n - i n i t i a t i o n o f p l a i n v e r s u s s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a n d p l a i n v e r s u s l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e ; b ) e v a l u a t e t h e e f f e c t o f c o n c r e t e q u a l i t y o n t h e c o r r o s i o n - i n i t i a t i o n t i m e ; a n d c ) a s s e s s t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f d i fi e r e n t c o n c r e t e m i x t u r e s a n d i t s e f f e c t o n c o r r o s i o n p o t e n t i a l . . 2 1 0 6 . 3 . 1 C o r r o s i o n M o n i t o r i n g ' I b s t P r o g r a m T h e c o r r o s i o n t e s t s w e r e c o n d u c t e d u s i n g 7 5 x 1 5 0 m m ( 3 x 6 i n ) c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s w i t h 1 2 m m ( 0 . 5 i n ) d i a m e t e r r e b a r s p l a c e d a l o n g t h e i r l o n g i t u d i n a l a x i s . C y l i n d r i c a l a l u m i n u m a l l o y m o l d s w e r e u s e d w i t h s o m e m o d i fi c a t i o n s i n o r d e r t o b e a b l e t o h o l d t h e s t e e l r e i n f o r c e m e n t i n t h e m i d d l e o f t h e s p e c i m e n a n d t o p r o v i d e a u n i f o r m c o v e r t h i c k n e s s t h r o u g h o u t . I n t h i s m o d i fi e d a r r a n g e m e n t ( s e e F i g u r e 6 . 4 ) t h e c y l i n d r i c a l p a r t o f t h e m o l d r e s t s o n a p l a t e h a v i n g a h o l e i n t h e m i d d l e s u c h t h a t t h e c e n t e r o f t h e h o l e c o i n c i d e s w i t h t h e c y l i n d e r a x i s a l o n g w h i c h t h e r e i n f o r c i n g b a r i s p l a c e d . T h r e a d e d r o d s s u p p o r t t h i s p l a t e t o a b a s e p l a t e . T h e l a t t e r h a s a g r o o v e a l i g n e d w i t h t h e h o l e i n t h e u p p e r p l a t e s o t h a t t h e r e i n f o r c i n g s t e e l b a r p a s s e s t h r o u g h t h e h o l e i n t h e u p p e r p l a t e a n d r e s t s o n t h e g r o o v e p r o v i d e d i n t h e b a s e p l a t e . B e f o r e c a s t i n g t h e s p e c i m e n s , t h e m o l d s w e r e c o a t e d w i t h a t h i n l a y e r o f m i n e r a l o i l a n d t h e n a 1 2 . 5 m m ( 0 . 5 i n ) d i a m e t e r s t e e l b a r w a s p l a c e d . T h e p o u r i n g o f c o n c r e t e i n t o t h e m o l d s w a s p e r f o r m e d a t t h r e e l a y e r s o f o n e - t h i r d t h e c y l i n d e r ’ s h e i g h t . E x t e r n a l v i b r a t i o n b y m e a n s o f a v i b r a t i n g t a b l e w a s a p p l i e d t o c o m p a c t t h e c o n c r e t e , a n d t r o w e l i n g w a s p e r f o r m e d t o s m o o t h e n t h e fi n i s h e d s u r f a c e . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n c o v e r e d w i t h a w e t b u r l a p t o p p e d w i t h a p o l y e t h y l e n e s h e e t t o p r e v e n t w a t e r e v a p o r a t i o n f r o m t h e u n h y d r a t e d c o n c r e t e . D e m o l d i n g o f s p e c i m e n s f r o m t h e m o l d s w a s d o n e a f t e r 2 4 h o u r s . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n p l a c e d i n l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t w i t h a t e m p e r a t u r e o f 2 3 t o 2 5 ° C ( 7 3 . 4 t o 7 7 ° F ) a n d 5 0 t o 6 0 % R e l a t i v e H u m i d i t y u p t o t h e t e s t a g e o f 6 0 d a y s . I n t h e c o r r o s i o n t e s t p r o g r a m , t h e s p e c i m e n s w e r e p l a c e d i n a t a n k a n d p a r t i a l l y i m m e r s e d i n a 5 % s o d i u m c h l o r i d e s o l u t i o n ( s e e F i g u r e 6 . 5 ) . T h e l e v e l o f 2 1 1 s o l u t i o n w a s k e p t a t t w i c e t h e c o v e r t h i c k n e s s . C o r r o s i o n w a s m o n i t o r e d b y o b t a i n i n g h a l f — c e l l p o t e n t i a l s o f t h e e m b e d d e d s t e e l a t r e g u l a r t i m e i n t e r v a l s u s i n g a m i l l i v o l t m e t e r . A S T M C - 8 7 6 p r o v i d e s t h e c l a s s i fi c a t i o n s h o w n i n T a b l e 6 . 1 f o r a s s e s s i n g t h e r e s u l t s o f t h e h a l f — c e l l t e s t : n . p . . — . . . F i g u r e 6 . 4 A r r a n g e m e n t o f M o l d s F o r S p e c i m e n s . V o l t - e t a V \ f I : : ( a l o n e ! ' | h a l f c e l l a l l E I : l 3 a i E . — ‘ I U . ° ” ‘ : 1 M 5 % N a t l 7 S F i g u r e 6 . 5 C o r r o s i o n ' I b s t S e t - U p . 2 1 2 6 . 3 . 2 F J e c t r i c a l R e s i s t i v i t y M e a s u r e m e n t s ' I h s t T h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y s p e c i m e n s w e r e 1 0 2 - m m ( 4 - i n ) c u b e s . F o u r s p e c i m e n s w e r e m a d e f o r e a c h o f t h e m i x e s o f T a b l e 3 . 7 ; t w o o f t h e m w e r e s t o r e d i n m o i s t c u r i n g r o o m a f t e r d e m o l d i n g a n d t h e r e m a i n i n g t w o w e r e k e p t i n l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t ( 2 3 t o 2 5 ° C , 7 3 . 4 t o 7 7 ° F , a n d 5 0 t o 6 0 % R . H . ) u n t i l t h e t e s t a g e o f 3 0 d a y s . B r a s s p l a t e e l e c t r o d e s w e r e u s e d t o m e a s u r e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y ( s e e F i g u r e 6 . 6 ) . C o n t a c t b e t w e e n t h e s e e l e c t r o d e s a n d t h e s p e c i m e n f a c e s w a s a c h i e v e d b y u s i n g a l i q u i d p a s t e w i t h w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 5 . T h i s p a s t e h a s a v e r y l o w r e s i s t i v i t y a n d t h e r e f o r e i n a t h i n l a y e r i t h a s a r e l a t i v e l y n e g l i g i b l e r e s i s t a n c e a s c o m p a r e d t o t h e r e s i s t a n c e b e i n g m e a s u r e d . A n H P 4 2 8 4 A P r e c i s i o n L C R M e t e r w a s u s e d t o m e a s u r e t h e e l e c t r i c r e s i s t a n c e . F i g u r e 6 . 6 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y T e s t S e t - U p . 2 1 3 6 . 4 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S 6 . 4 . 1 C o r r o s i o n M o n i t o r i n g ' I b s t R e s u l t s F i g u r e s 6 . 7 t h r o u g h 6 . 1 0 s h o w t h e h a l f - c e l l c o r r o s i o n p o t e n t i a l m e a s u r e m e n t s f o r p l a i n , l a t e x - m o d i fi e d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s , r e s p e c t i v e l y . E a c h v a l u e p l o t w d i s a n a v e r a g e o f t h r e e r e a d i n g s o b t a i n e d o n t h r e e s p e c i m e n s f r o m t h e s a m e b a t c h . I n p l a i n c o n c r e t e , t h e c o r r o s i o n p o t e n t i a l s a r e i n i t i a l l y s e e n t o i n c r e a s e a n d t h e n c o n t i n u e i n c r e a s i n g a t a v e r y s l o w 3 r a t e a n d s o m e w h a t s t a b i l i z e . I n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t r i c e s , h o w e v e r , t h e s e p o t e n t i a l s i n c r e a s e i n a r e l a t i v e l y s h a r p e r f a s h i o n . I n b o t h l a t e x - m o d i fi e d a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e m i x t u r e s , t h e c o r r o s i o n p o t e n t i a l r e a d i n g s t h r o u g h o u t t h e w h o l e t e s t i n g p e r i o d a r e s e e n t o b e q u i t e s t a b l e a n d s t e a d i l y b e l o w ( i n a b s o l u t e v a l u e ) - 1 0 0 m i l l i v o l t s . A t t h e e n d o f t h e t e s t i n g p e r i o d o f a b o u t fi v e m o n t h s , t h e h a l f - c e l l c o r r o s i o n p o t e n t i a l s r e a c h e d a b o u t - 3 8 0 , - 6 5 , - 6 2 0 , a n d - 7 0 m i l l i v o l t s f o r p l a i n , l a t e x - m o d i fi e d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s , r e s p e c t i v e l y . 2 1 4 + P L A I N ( R e p 1 ) " ° - P L A I N ( R e p 2 ) 4 * P L A I N ( R e p a ) 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T i m e ( d a y s ) F i g u r e 6 . 7 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r P l a i n C o n c r e t e . 6 0 0 i 9 5 0 0 - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 , g 4 0 0 q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : 5 ; + L M C ( R e p 1 ) n o 3 0 0 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " + L M C ( R e p 2 ) r : % 2 0 0 - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ' ° ' L M C ( R e p a ) 2 8 0 1 0 0 . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O f . . . . . . , . . . . 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T i m e ( d a y s ) F i g u r e 6 . 8 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r l a t e x - m o d i fi e d C o n c r e t e . 2 1 5 7 0 0 6 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V 5 0 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 E ‘ . ' . . . . . . . . . . . . . . . , E . . . . . + S F R C ( R e p 1 ) 6 ’ - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + s m c ( R 9 9 2 ) . 5 + s r = n c ( R e p 3 ) g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ‘ 6 o o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o , . . . . , . . . . , . - . f 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T i m e ( d a y s ) F i g u r e 6 . 9 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r S t e e l F i b e r r e i n f o r c e d C o n c r e t e . 6 0 0 $ 5 0 0 ‘ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 t o _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E 4 0 0 - - 5 + L M S F R C ( R e p 1 ) o 3 0 0 _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ° - , + L M S F R C ( R e p 2 ) c : § 2 0 0 - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + L M S F R C ( R e p a ) 3 0 O . 1 . . , . . . . , . . . . 0 5 0 1 0 0 1 5 0 T i m e ( d a y s ) F i g u r e 6 . 1 0 R e s u l t s o f C o r r o s i o n P o t e n t i a l M e a s u r e m e n t s F o r L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r r e i n f o r c e d C o n c r e t e . 2 1 6 S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e t e s t r e s u l t s , p e r f o r m e d a t 1 0 0 d a y s o f t e s t i n g , r e v e a l e d t h a t , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , b o t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e fl ' e c t s o n c o r r o s i o n a c t i v i t y t a k i n g p l a c e a t t h e r e b a r . A t 1 0 0 d a y s , t h e 9 5 % c o n fi d e n c e i n t e r v a l s f o r c o r r o s i o n p o t e n t i a l s i n p l a i n , l a t e x - m o d i fi e d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e 2 5 8 . 3 : 1 ; 3 1 . 6 , 5 9 . 7 i 3 1 . 6 , 4 2 7 . 4 3 ; 3 1 . 6 , a n d 6 3 . 6 i 3 1 . 6 m i l l i v o l t s , r e s p e c t i v e l y ( s e e F i g u r e 6 . 1 1 ) . T h i s i n d i c a t e s t h a t s t e e l fi b e r s h a v e a d v e r s e e f f e c t s o n c o r r o s i o n c o n d i t i o n s o f r e i n f o r c i n g b a r s w h e r e a s l a t e x p o l y m e r s a d d v e r y s i g n i fi c a n t l y t o t h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f b o t h p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . L a t e x m o d i fi c a t i o n i s o b s e r v e d t o r e d u c e t h e l O O - d a y c o r r o s i o n p o t e n t i a l o f p l a i n c o n c r e t e b y a p p r o x i m a t e l y 7 6 % . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t , h o w e v e r , i n c r e a s e d t h i s p o t e n t i a l b y a b o u t 6 5 % . T h e c o r r o s i o n p o t e n t i a l m e a s u r e m e n t o f p l a i n c o n c r e t e w i t h o u t l a t e x i n d i c a t e s a 5 0 % s t a t i s t i c a l r i s k o f c o r r o s i o n , w h i l e w i t h s t e e l fi b e r s t h e o b t a i n e d c o r r o s i o n p o t e n t i a l i n d i c a t e s a 9 0 % s t a t i s t i c a l r i s k o f c o r r o s i o n . T h i s r i s k i s r e d u c e d t o l e s s t h a n 1 0 % w h e n c o n c r e t e m i x t u r e s , w h e t h e r p l a i n o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , h a v e l a t e x p o l y m e r s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e m . T h e t h r e s h o l d p o t e n t i a l f o r c o r r o s i o n ( r e fl e c t i n g t h e i n i t i a t i o n o f c o r r o s i o n ) i s t a k e n a t - 2 5 0 m i l l i v o l t s . H a l f - c e l l p o t e n t i a l s n u m e r i c a l l y g r e a t e r t h a n t h i s v a l u e i n d i c a t e t h a t r e i n f o r c i n g s t e e l c o r r o s i o n i s o c c u r r i n g . F i g u r e s 6 . 7 t h r o u g h 6 . 1 0 s h o w t h a t t h e c o r r o s i o n t h r e s h o l d p o t e n t i a l i s r e a c h e d a f t e r a b o u t 9 0 a n d 6 0 d a y s o f t e s t i n g i n p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s , r e s p e c t i v e l y . I n l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s ( i . e . , l a t e x - m o d i fi e d u n r e i n f o r c e d a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s ) 2 1 7 t h e t h r e s h o l d p o t e n t i a l w a s n e v e r a t t a i n e d a t a n y s t a g e o f t h e c o r r o s i o n m o n i t o r i n g e x p e r i m e n t . T h i s c o n fi r m s t h a t r e i n f o r c i n g b a r s a r e m o r e l i k e l y t o c o r r o d e i n c o n c r e t e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h s h o r t s t e e l fi b e r s t h a n i n p l a i n c o n c r e t e m a t r i c e s . O C o r r o a l o n P o t e n t i a l s ( - m V ) 4 0 0 - s o o - 2 0 0 ~ ~ / K , { 7 ] , ‘ 1 / , I ' l . ’ / z . ' . / , r / ' , 5 / ‘ / / 1 ’ ' / - . . _ / C ’ ‘ . — . - . . . / : , _ ' ” W M . ” . . . _ . . , . . . . . - . . . w a n . . . ” - 1 2 . “ - - . . . _ . . , / / ‘ ” N _ . . . . - . . . . . e _ . _ . . . ” r . . . “ . . _ . . . _ _ . s . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 0 , , , . _ / , , / 7 v / / . l / / , , 1 . , ; . / 5 . ' 1 , 7 , ( . ‘ . , ; . / , , A , v ’ / , , , y f . . , . , . : / . - ’ / . r { ’ , / . : r / A L / - , ' , r , ; . / ' / - ‘ / . > r ' . . . / z ” 9 , A . m F i g u r e 6 . 1 1 l O O - D a y C o r r o s i o n P o t e n t i a l s ( w i t h 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s ) . 2 1 8 6 . 4 . 2 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y ' I b s t R e s u l t s F i g u r e 6 . 1 2 p r e s e n t s t h e o b t a i n e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y t e s t r e s u l t s . T h e s e r e s u l t s d o , i n f a c t , s u p p o r t t h e a b o v e fi n d i n g s . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t d o e s i n d e e d r e d u c e t h e r e s i s t i v i t y ( i . e . , i n c r e a s e t h e c o n d u c t i v i t y ) o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l b y a b o u t 7 1 % w h e n c o n t i n u o u s l y m o i s t c u r e d a n d b y a b o u t 6 3 % w h e n c u r e d i n a m b i e n t l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t ( s e e F i g u r e 6 . 1 2 ) , n o t i n g t h a t c o n d u c t i v i t y i s t h e r e c i p r o c a l o f r e s i s t i v i t y . L a t e x m o d i fi c a t i o n , o n t h e o t h e r h a n d , i n c r e a s e s t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e , b y a b o u t 2 0 0 % w h e n c o n t i n u o u s l y m o i s t c u r e d a n d b y a b o u t 1 6 0 0 % w h e n c u r e d i n a m b i e n t l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s ( s e e F i g u r e 6 . 1 2 ) . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e s h o w e d t h a t fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a s a s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t o n e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t s t e e l fi b e r s r e d u c e d c o n c r e t e r e s i s t i v i t y b y a b o u t 6 5 % ( i n t h e m o i s t c u r i n g c a s e ) a n d i n c r e a s e d c o r r o s i o n p o t e n t i a l s a l s o b y a b o u t 6 5 % . T h i s p r o v i d e s f u r t h e r s u p p o r t f o r t h e h y p o t h e s i s t h a t a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n c o r r o s i o n c o n d i t i o n r e s u l t f r o m r e d u c e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s . I t w a s a l s o f o u n d , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , t h a t l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d c u r i n g m e t h o d ( m o i s t v s . d r y ) h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e r e s u l t i n g e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f t h e c o n c r e t e m a t e r i a l . R e l a t i v e l y s t r o n g s t a t i s t i c a l c o r r e l a t i o n w a s a l s o d e t e c t e d b e t w e e n t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f a m a t e r i a l a n d i t s c o r r e s p o n d i n g c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t y . T h e c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t b e t w e e n e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n d 1 0 0 - d a y c o r r o s i o n p o t e n t i a l w a s a b o u t - 0 . 9 5 . C o n c r e t e , b e i n g a c o m p o s i t e o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s ( s a n d a n d g r a v e l ) i n a P o r t l a n d c e m e n t m a t r i x , n o r m a l l y h a s t h r e e p o s s i b l e p a t h s f o r c o n d u c t i o n o f e l e c t r i c a l 2 1 9 c u r r e n t : ( a ) t h r o u g h t h e p a s t e i t s e l f ; ( b ) t h r o u g h t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n c o n t a c t w i t h e a c h o t h e r ; a n d ( c ) t h r o u g h t h e a g g r e g a t e a n d p a s t e i n s e r i e s . I n c o r p o r a t i n g s t e e l fi b e r s i n t o t h e c o m p o s i t e a d d s , t o t h e p r e v i o u s l i s t , f o u r o t h e r p o s s i b l e p a t h s f o r c o n d u c t i n g e l e c t r i c a l c u r r e n t : ( ( 1 ) t h r o u g h t h e s t e e l fi b e r s i n c o n t a c t w i t h e a c h o t h e r ; ( e ) t h r o u g h t h e s t e e l fi b e r s a n d a g g r e g a t e i n s e r i e s ; ( 1 ) t h r o u g h t h e s t e e l fi b e r s a n d m a t r i x i n s e r i e s ; a n d ( g ) t h r o u g h t h e s t e e l fi b e r s , a g g r e g a t e s a n d c e m e n t m a t r i x i n s e r i e s . S t e e l fi b e r s , d u e t o t h e i r r e l a t i v e l y h i g h e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y , i n d u c e l o w e r r e s i s t i v i t i e s ( i . e . h i g h e r c o n d u c t i v i t i e s ) t o t h e o v e r a l l c o m p o s i t e a s c u r r e n t fl o w s t h r o u g h e i t h e r o f t h e l a t t e r f o u r p a t h s . C o n s e q u e n t l y , s t e e l fi b e r a d d i t i o n s e e m s t o e a s e t h e m o t i o n o f e l e c t r o n s w i t h i n t h e c o n c r e t e m a t r i x d u r i n g a n y c h e r r r i c a l o r e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s s u c h a s c o r r o s i o n o f r e i n f o r c i n g b a r s . T h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n r e b a r c o r r o s i o n i n c o n c r e t e c a n t h u s b e a t t r i b u t e d t o i n c r e a s e d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g s t e e l fi b e r s ; t h i s w o u l d p r o n o u n c e t h e e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s o f c o r r o s i o n . T h e p o s s i b l e i n c r e a s e i n d i f f u s i v i t y o f c o n c r e t e d u e t o fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e m i c r o c r a c k i n g ( c a u s e d b y d i fl ‘ e r e n t i a l s h r i n k a g e a n d t h e r m a l s t r a i n s ) c o u l d f u r t h e r i n c r e a s e c o r r o s i o n p o t e n t i a l s . T h e p o s i t i v e e fl e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n r e b a r c o r r o s i o n c a n b e a t t r i b u t e d t o d e c r e a s e d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e m a t e r i a l s i n c o r p o r a t i n g l a t e x p o l y m e r s , t h u s r e m a r k a b l y s l o w i n g d o w n t h e e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s o f c o r r o s i o n . T h i s i s m a i n l y d u e t o t h e f o r m a t i o n o f a t h i n c o n t i n u o u s p o l y m e r fi l m t h a t c o a t s t h e v a r i o u s m i x c o n s t i t u e n t s ( a g g r e g a t e p a r t i c l e s a n d s t e e l fi b e r s ) , t h u s p r o v i d i n g a n i n s u l a t i n g l a y e r a n d r e d u c i n g t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e 2 2 0 m a t e r i a l . I n a d d i t i o n , t h i s p o l y m e r fi l m fi l l s u p t h e p o r e s a n d i m p r o v e s t h e i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s r e s u l t i n g i n r e d u c e d p e n e t r a t i o n o f m o i s t u r e , o x y g e n , c a r b o n d i o x i d e a n d c h l o r i d e i o n s i n t o t h e l o w - p e r m e a b i l i t y l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s t h u s i m p r o v i n g t h e c o r r o s i o n — i n h i b i t i n g p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e . E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y ( O h m - m e t e r ) 1 2 0 0 l 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 l M o i s t C u r i n g - A i r C u r i n g I F i g u r e 6 . 1 2 E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y T b s t R e s u l t s ( w i t h 9 5 % C o n fi d e n c e I n t e r v a l s ) . 2 2 1 6 . 5 S U N fl V I A R Y A N D C O N C L U S I O N S T h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t i e s a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e w e r e i n v e s t i g a t e d . C o r r o s i o n t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t w h i l e l a t e x p o l y m e r s h a v e p o s i t i v e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g e f f e c t s w h e n a d d e d i n t o c o n c r e t e m a t e r i a l s , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a s a d v e r s e e f f e c t s o n c o r r o s i o n c o n d i t i o n s o f r e i n f o r c i n g b a r s . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e c o r r o s i o n t e s t r e s u l t s r e v e a l e d t h a t , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , b o t h l a t e x p o l y m e r m o d i fi c a t i o n a n d fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c o r r o s i o n a c t i v i t y t a k i n g p l a c e a t t h e r e b a r . T h e 9 5 % c o n fi d e n c e i n t e r v a l s f o r l O O - d a y c o r r o s i o n p o t e n t i a l s o f r e b a r s i n p l a i n , l a t e x - m o d i fi e d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e 2 5 8 . 3 j ; 3 1 . 6 , 5 9 . 7 _ - l _ - _ 3 1 . 6 , 4 2 7 . 4 1 3 1 . 6 , a n d 6 3 . 6 i 3 1 . 6 m i l l i v o l t s , r e s p e c t i v e l y . T h e t h r e s h o l d p o t e n t i a l f o r c o r r o s i o n ( t a k e n a t - 2 5 0 m i l l i v o l t s ) w a s r e a c h e d s o o n e r f o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t h a n f o r p l a i n c o n c r e t e , i n d i c a t i n g t h a t r e i n f o r c i n g b a r s a r e m o r e l i k e l y t o c o r r o d e i n c o n c r e t e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h s h o r t s t e e l fi b e r s t h a n i n p l a i n c o n c r e t e m a t r i c e s . T h i s t h r e s h o l d w a s n e v e r r e a c h e d f o r t h e l a t e x - m o d i fi e d p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t r i c e s . T h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s c o u l d b e i l l u s t r a t e d w i t h t h e o b t a i n e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y t e s t r e s u l t s . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t d o e s i n d e e d r e d u c e t h e r e s i s t i v i t y o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l b y a b o u t 7 1 % w h e n c o n t i n u o u s l y m o i s t c u r e d a n d b y a b o u t 6 3 % w h e n c u r e d i n a m b i e n t l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e s h o w e d t h a t b o t h l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t 2 2 2 h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t c fl e c t s o n e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f t h e c o n c r e t e m a t e r i a l , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . T h e p e r c e n t a g e i n c r e a s e i n c o r r o s i o n p o t e n t i a l i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s i s c o m p a r a b l e t o t h e c o r r e s p o n d i n g p e r c e n t a g e r e d u c t i o n i n e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y . T h i s p r o v i d e s s u p p o r t f o r t h e h y p o t h e s i s t h a t t h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n r e b a r c o r r o s i o n i n c o n c r e t e r e s u l t f r o m r e d u c e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s . E l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n d c o r r o s i o n p o t e n t i a l s w e r e a l s o f o u n d t o s t a t i s t i c a l l y c o r r e l a t e r e a s o n a b l y w e l l . A t 1 0 % l a t e x - c e m e n t r a t i o , c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t y o f c o n c r e t e w a s i n c r e a s e d b y 7 6 % . T h e p o s i t i v e e f f e c t s o f l a t e x p o l y m e r o n c o r r o s i o n i n h i b i t i o n s e e m s t o r e s u l t f r o m r e d u c e d c o n d u c t i v i t y ( i . e . , i n c r e a s e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y ) a n d a l s o f r o m r e d u c e d p e n e t r a t i o n o f m o i s t u r e , o x y g e n , c a r b o n d i o x i d e a n d c h l o r i d e i o n s i n t o t h e l o w - p e r m e a b i l i t y l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s . I n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s , t h e c o a t i n g o f fi b e r s w i t h l a t e x p o l y m e r s e e m t o p l a y a k e y r o l e i n r e d u c i n g t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n d c o r r o s i o n p o t e n t i a l o f l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . C H A P T E R S E V E N S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S A n e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s c o n d u c t e d t o a s s e s s t h e m e c h a n i s m s o f j o i n t a c t i o n o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s i n c o n c r e t e m a t e r i a l s i n o r d e r t o d e v e l o p l a t e x - m o d i fi e d s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h b a l a n c e d i m p r o v e m e n t s i n d i v e r s e a s p e c t s o f m a t e r i a l p r o p e r t i e s . T h e o b j e c t i v e s o f t h i s r e s e a r c h w e r e a c h i e v e d t h r o u g h t h e p e r f o r m a n c e o f t h e f o l l o w i n g t a s k s : 0 M i x p r o p o r t i o n i n g o f c o n c r e t e m a t r i x w i t h s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s f o r a c h i e v i n g a c c e p t a b l e f r e s h m i x p r o p e r t i e s w h i l e p r o v i d i n g t h e p r o m i s e f o r d e s i r a b l e h a r d e n e d m a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s . 0 C o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f l a t e x - m o d i fi e d p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s , a n d o p t i m i z a t i o n o f t h e l a t e x c o n t e n t a n d c u r i n g p r o c e d u r e . 0 I n v e s t i g a t i o n o f f a i l u r e m e c h a n i s m a n d m i c r o c r a c k i n g u n d e r c o m p r e s s i v e l o a d i n g . 0 C o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n t o f t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d / o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o f o n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y u s i n g d i f f e r e n t t e s t t e c h n i q u e s . 2 2 3 2 2 4 0 I n v e s t i g a t i o n o f t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d / o r l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t i e s a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e . C o m p r e h e n s i v e s e t s o f r e p l i c a t e d e x p e r i m e n t a l d a t a w e r e g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y a n d a n a l y z e d s t a t i s t i e a l l y u s i n g t h e a n a l y s i s o f v a r i a n c e , c o m p a r i s o n s o f m e a n s , a n d m u l t i p l e c o m p a r i s o n t e c h n i q u e s i n o r d e r t o d e r i v e s t a t i s t i c a l l y r e l i a b l e c o n c l u s i o n s . A s u m m a r y o f t h e a c t i v i t i e s r e l a t e d t o t h e s e p h a s e s t o g e t h e r w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g c o n c l u s i o n s a r e p r e s e n t e d b e l o w . I n a l l t h e d i s c u s s i o n s t h a t f o l l o w , e x c e p t w h e n o t h e r w i s e i n d i c a t e d , a s i g n i fi c a n t e f f e c t r e p r e s e n t s a c o n fi d e n c e l e v e l b e t w e e n 9 5 a n d 9 9 % , a n d a h i g h l y s i g n i fi c a n t e f f e c t r e p r e s e n t s c o n fi d e n c e l e v e l s h i g h e r t h a n 9 9 % . 7 . 1 D E V E L O P M E N T A N D B A S I C C H A R A C T E R I Z A T I O N O F L A T E X - M O D I F I E D S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E T h e t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y i n d i c a t e d t h a t : O L a t e x m o d i fi c a t i o n t e n d s t o i n c r e a s e b o t h t h e i n i t i a l a n d fi n a l t i m e s o f s e t t i n g i n c o n c r e t e m i x t u r e s ; O T h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r s t e n d s t o l o w e r t h e s e t t i n g t i m e , i r r e s p e c t i v e o f t h e l a t e x c o n t e n t i n t h e m a t r i x . 0 T h e l o s s o f w o r k a b i l i t y w i t h t i m e t a k e s p l a c e a t a l m o s t t h e s a m e r a t e f o r a l l m i x e s i r r e s p e c t i v e o f t h e l a t e x a n d s t e e l fi b e r c o n t e n t s . 0 L a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n c r e a s e t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f 2 2 5 t h e c o n c r e t e m a t r i x , w i t h s u p e r i o r i m p a c t s t r e n g t h s o b t a i n e d w h e n s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s a r e u s e d s i m u l t a n e o u s l y , i n d i c a t i n g a n e f f e c t i v e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x a n d s t e e l fi b e r s r e s u l t i n g f r o m t h e i m p r o v e d b o n d i n g b e t w e e n t h e fi b e r s a n d t h e l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s . O T h e s e p a r a t e a c t i o n s o f l a t e x p o l y m e r s a n d s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e l e a d t o i m p r o v e d fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e c o m b i n e d a c t i o n o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t l e a d s t o h i g h e s t fl e x u r a l s t r e n g t h v a l u e s . 0 S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t i s e f f e c t i v e i n i n c r e a s i n g t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s ( a r e a u n d e r n e a t h t h e fl e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n c u r v e ) o f c o n c r e t e . W h i l e l a t e x m o d i fi c a t i o n h a s r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f p l a i n c o n c r e t e , i t i s c a p a b l e o f s i g n i fi c a n t l y i m p r o v i n g t h e t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f S F R C . T h e s e i m p r o v e m e n t s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e fi b e r - t o — m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s a n d p u l l - o u t b e h a v i o r . 0 W e t c u r i n g a t e a r l y a g e s i s d e t r i m e n t a l t o m i x t u r e s c o n t a i n i n g l a t e x p o l y m e r s , w h i l e i t i s a d v a n t a g e o u s i n m i x t u r e s w i t h o u t l a t e x ; 0 E x p o s u r e t o h o t w a t e r ( c o m p a r e d t o w a t e r a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e ) a f t e r a p e r i o d o f a i r d r y i n g ( 2 6 d a y s ) r e d u c e s t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f L M S F R C ; a n d O T h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n S F R C m i x t u r e s a r e v e r y s i g n i fi c a n t ( i n a n e g a t i v e m a n n e r ) w h e n c u r i n g i s a c h i e v e d b y c o n t i n u o u s i m m e r s i o n i n w a t e r , o r ( i n a p o s i t i v e m a n n e r ) w h e n c u r i n g i n v o l v e s a i r d r y i n g a f t e r a s h o r t p e r i o d o f m o i s t c u r i n g . O C u r i n g t i m e , m a t r i x t y p e a n d t h e i r i n t e r a c t i o n h a v e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . L a t e x - m o d i fi e d p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t e n d t o c o n t i n u e w i t h s t r e n g t h d e v e l o p m e n t a t l a t e r a g e s w h e n e x p o s e d t o 2 2 6 a i r . T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o t h e d e s i r a b l e i n t e r n a l m o i s t c u r i n g c o n d i t i o n s i n l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s p r o v i d e d b y t h e p o l y m e r fi l m f o r m e d a t t h e s u r f a c e s a n d i n s i d e t h e c o n c r e t e . 0 F r o m t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e b o n d t e s t r e s u l t s , i t c o u l d b e c o n c l u d e d t h a t : I r e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s e x i s t i n t h e s l a n t s h e a r t e s t r e s u l t s f o r t h e a s s e s s m e n t o f b o n d b e t w e e n t h e n e w ( o v e r l a y ) a n d o l d ( b a s e ) c o n c r e t e s ; I t h e e f f e c t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n o v e r l a y c o n c r e t e a n d b a s e t e n d s t o b e l a r g e r t h a n t h a t o f s t e e l fi b e r a d d i t i o n ; I t h e r e i s a n o t i c e a b l e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r a d d i t i o n o n b o n d s t r e n g t h ; I a t V , = 0 . 5 % , t h e i n c r e a s e i n l a t e x - c e m e n t r a t i o u p t o 1 0 % c o n s i s t e n t l y i n c r e a s e s t h e b o n d s t r e n g t h , w h i l e f o r V f = l % , t h e r e i s a n i n c r e a s e a n d t h e n a d e c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h w i t h i n c r e a s i n g l a t e x c o n t e n t . T h e h i g h e s t b o n d s t r e n g t h w a s a c h i e v e d a t V f = 0 . 5 % a n d L / c = 1 0 % . I f o r n o n - m o d i fi e d o v e r l a y c o n c r e t e , f a i l u r e t y p i c a l l y o c c u r s a l o n g t h e b o n d s u r f a c e . W h e n t h e o v e r l a y i s m o d i fi e d w i t h l a t e x p o l y m e r s , t h e b o n d i m p r o v e s s i g n i fi c a n t l y a n d f a i l u r e g e n e r a l l y o c c u r s i n t h e b a s e m a t e r i a l . I fi b e r e f f e c t s o n b o n d m a y r e s u l t f r o m t h e m e c h a n i c a l b o n d i n g r e s u l t i n g f r o m t h e i n t e r l o c k i n g o f fi b e r s a t t h e i n t e r f a c e . T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x a n d fi b e r e f f e c t s o n b o n d c o u l d r e s u l t f r o m t h e c o n s u m p t i o n o f l a t e x a t t h e r e l a t i v e l y l a r g e s u r f a c e a r e a o f fi b e r s , w h i c h l e a v e s l e s s l a t e x a v a i l a b l e t o a c t a t t h e i n t e r f a c e . 0 S t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f t h e t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h e f r e e z e - t h a w s t u d y i n d i c a t e d 2 2 7 I l a t e x m o d i fi c a t i o n i m p a r t s i m p r o v e m e n t s t o t h e f r e e z e - t h a w r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e w i t h n o n e e d t o a d d i t i o n a l a i r e n t r a i n m e n t ; I s t e e l fi b e r a d d i t i o n a l s o s o m e w h a t i m p r o v e s t h e f r e e z e - t h a w d u r a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f a i r - e n t r a i n e d c o n c r e t e m a t r i c e s ; I t h e r e i s n o n o t i c e a b l e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r a d d i t i o n a s f a r a s t h e r e s i s t a n c e t o r e p e a t e d f r e e z e - t h a w c y c l e s i s c o n c e r n e d ; I L a t e x m o d i fi e a t i o n i s o b s e r v e d t o i m p r o v e t h e s e a l i n g r e s i s t a n c e o f b o t h p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . I W h i l e s t e e l fi b e r a d d i t i o n h a d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t o n t h e w a t e r a b s o r p t i o n o f t h e c o n c r e t e , l a t e x m o d i fi c a t i o n , d u e t o t h e p o r e fi l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f l a t e x p o l y m e r s w h e n i n c o r p o r a t e d i n t o c o n c r e t e m a t r i c e s , i s f o u n d t o s i g n i fi c a n t l y d e c r e a s e t h e w a t e r a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f b o t h p l a i n a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . O L a t e x m o d i fi c a t i o n , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t , a n d t h e i r i n t e r a c t i o n h a d n o s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c o n c r e t e ’ s b u l k s p e c i fi c g r a v i t y . 0 B o t h l a t e x p o l y m e r s a n d s t e e l fi b e r s h a v e s i g n i fi e a n t e f f e c t s o n t h e d r y i n g s h r i n k a g e o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e . A n a l y s e s a l s o r e v e a l e d t h e e x i s t e n c e o f a n i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e t w o . T h e p r e s e n c e o f fi b e r s r e d u c e s t h e p o t e n t i a l s o f l a t e x p o l y m e r s f o r r e d u c i n g s h r i n k a g e m o v e m e n t s . 2 2 8 7 . 2 M I C R O C R A C K I N G C H A R A C T E R I S T I C S U N D E R C O M P R E S S I V E L O A D I N G T h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d / o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e m i c r o c r a c k i n g p r o c e s s a n d f a i l u r e m e c h a n i s m i n c o n c r e t e m a t e r i a l s s u b j e c t e d t o c o m p r e s s i o n l o a d s w e r e s t u d i e d . F o r t h i s p u r p o s e c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t l e v e l s o f c o m p r e s s i v e s t r e s s i n t h e p r e - p e a k a n d p o s t - p e a k r e g i o n s , a n d w e r e t h e n u n l o a d e d . I m a g e a n a l y s i s t e c h n i q u e s w e r e e m p l o y e d t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k i n t e n s i t i e s w i t h i n t h e p a s t e a n d a t t h e a g g r e g a t e - a n d fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e s a t d i f f e r e n t l o a d l e v e l s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : I M i c r o c r a c k s a r e p r e s e n t i n c o n c r e t e m a t e r i a l s , d o m i n a n t l y a t t h e c o a r s e a g g r e g a t e - m a t r i x a n d fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e s , e v e n p r i o r t o a n y l o a d i n g . T h e s e m i c r o c r a c k s m a y b e c a u s e d b y d i f f e r e n t i a l s h r i n k a g e a n d t h e r m a l m o v e m e n t s b e t w e e n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a n d m i x i n c l u s i o n s ( i . e . , a g g r e g a t e s a n d fi b e r s ) ; 0 I n p l a i n c o n c r e t e , m i c r o c r a c k s t e n d t o o r i g i n a t e m a i n l y a t t h e c o a r s e a g g r e g a t e - c e m e n t p a s t e i n t e r f a c e s , a n d t h e n e x t e n d i n t o t h e m a t r i x a t h i g h e r c o m p r e s s i o n l e v e l s ; n e a r t h e p e a k l o a d , m i c r o c r a c k s t e n d t o i n t e r c o n n e c t a n d l o c a l i z e , f o r m i n g m a c r o c r a c k s w i t h i n c r e a s i n g w i d t h s a n d t h e r e i s a r a t h e r s u d d e n g r o w t h i n m i c r o c r a c k i n t e n s i t y b e y o n d t h e p e a k c o m p r e s s i o n l o a d ; I I n l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e , t h e m i c r o c r a c k i n t e n s i t i e s , e s p e c i a l l y a t a g g r e g a t e - p a s t e i n t e r f a c e s , t e n d t o b e r e d u c e d , i n d i c a t i n g i m p r o v e m e n t s i n b o n d i n g b e t w e e n t h e c e m e n t i t i o u s p a s t e a n d a g g r e g a t e s a s a r e s u l t o f l a t e x m o d i fi c a t i o n ; b e y o n d t h e p e a k l o a d , h o w e v e r , t h e s u d d e n i n c r e a s e i n m i c r o c r a c k i n t e n s i t y s t i l l t a k e s . 2 2 9 p l a c e i n s p i t e o f l a t e x m o d i fi c a t i o n ; I I n u n m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s s e e m t o p l a y a d o m i n a n t r o l e i n d e c i d i n g t h e f a i l u r e m e c h a n i s m o f t h e c o n c r e t e m a t r i x d u e t o t h e i r r e l a t i v e l y r a p i d p r o p a g a t i o n u n d e r i n c r e a s i n g c o m p r e s s i v e s t r e s s l e v e l s ; s t e e l fi b e r s , h o w e v e r , c o n t r o l m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n i n t h e p o s t - p e a k r e g i o n ; a n d 0 L a t e x m o d i fi c a t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s e e m s t o s t a b i l i z e t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s a s w e l l a s t h e a g g r e g a t e - m a t r i x i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s l e a d i n g t o a m o r e s t a b l e m i c r o c r a c k s y s t e m w i t h i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l s . 7 . 3 P E R M E A B I L I T Y S T U D I E S T h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y w e r e a s s e s s e d t h r o u g h a 2 x 2 x 2 x 4 f a c t o r i a l e x p e r i m e n t w h i c h c o n s i d e r e d t w o l a t e x - c e m e n t r a t i o s ( 0 a n d 1 0 % ) , t w o s t e e l fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s ( 0 a n d 0 . 7 5 % ) , t w o c u r i n g c o n d i t i o n s ( a i r a n d m o i s t c u r i n g f o l l o w i n g a n i n i t i a l m o i s t c u r i n g p e r i o d ) , a n d f o u r a g e s o f p e r m e a b i l i t y m e a s u r e m e n t s ( 2 8 d a y s , a n d 2 , 3 , a n d 4 m o n t h s ) . C o n c r e t e p e r m e a b i l i t y w a s a s s e s s e d u s i n g t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d ( A A S H T O T 2 7 7 a n d A S T M C - l 2 0 2 ) a n d t h e R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e t o C h l o r i d e I o n P e n e t r a t i o n t e s t m e t h o d ( A A S H T O T 2 5 9 a n d T 2 6 0 ) . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s s u g g e s t e d , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , t h a t : 2 3 0 I T h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s t e n d s t o s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s ; t h i s c o u l d r e s u l t f r o m t h e r e l i a n c e o f t h i s t e s t m e t h o d o n c o n c r e t e c o n d u c t i v i t y f o r m e a s u r i n g c h l o r i d e i o n d i f f u s i v i t y , n o t i n g t h a t s t e e l fi b e r s m a y i n c r e a s e t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f c o n c r e t e w i t h o u t s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s i n g c h l o r i d e i o n d i f f u s i v i t y h e n c e , t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d ( A A S H T O T 2 7 7 a n d A S T M C - 1 2 0 2 ) t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s q u e s t i o n a b l e . O L a t e x m o d i fi e a t i o n c o n t r o l l e d t h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y , p o s s i b l y b y p r o v i d i n g t h e fi b e r s s u r f a c e s w i t h a n i n s u l a t i n g l a y e r a n d a l s o s u b s t a n t i a l l y r e d u c i n g t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e m a t r i x . 0 L a t e x m o d i fi c a t i o n w a s h i g h l y e f f e c t i v e i n r e d u c i n g c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y . A i r c u r i n g h e l p e d f u r t h e r p r o n o u n c e t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f l a t e x p o l y m e r s o n r e d u c i n g t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s ; c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g , o n t h e o t h e r h a n d , w a s b e n e fi c i a l t o n o n - m o d i fi e d m i x t u r e s . I C u r i n g a g e h a s s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , o n t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e m a t r i c e s o n l y w h e n m o i s t c u r e d . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f t h e p o n d i n g t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : I N o s t r o n g s t a t i s t i c a l c o r r e l a t i o n w a s d e t e c t e d b e t w e e n t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y a n d t h e p o n d i n g p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d s b e c a u s e o f t h e m i s l e a d i n g t e s t r e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h e fi r s t t e s t m e t h o d d u e t o t h e i n c r e a s e i n e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f t h e m a t e r i a l i n c o r p o r a t i n g s t e e l fi b e r s . 0 W h e n c o n c r e t e m a t r i c e s a r e r e i n f o r c e d w i t h s t e e l fi b e r s , i t i s r e c o m m e n d e d n o t t o u s e t h e r a p i d c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t m e t h o d i n a s s e s s i n g t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e 2 3 1 r e s u l t i n g c o n c r e t e . 7 . 4 C O R R O S I O N A N D E L I ' X I T R I C A L R E S I S T I V I T Y S T U D I E S T h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n o n t h e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t i e s a n d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e w e r e i n v e s t i g a t e d . C o r r o s i o n t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t w h i l e l a t e x p o l y m e r s h a v e p o s i t i v e c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g e f f e c t s w h e n a d d e d i n t o c o n c r e t e m a t e r i a l s , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a s a d v e r s e e f f e c t s o n c o r r o s i o n c o n d i t i o n s o f r e i n f o r c i n g b a r s . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t h e c o r r o s i o n t e s t r e s u l t s r e v e a l e d t h a t , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l , b o t h l a t e x p o l y m e r m o d i fi c a t i o n a n d fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c o r r o s i o n a c t i v i t y t a k i n g p l a c e a t t h e r e b a r . T h e 9 5 % c o n fi d e n c e i n t e r v a l s f o r l O O - d a y c o r r o s i o n p o t e n t i a l s o f r e b a r s i n p l a i n , l a t e x - m o d i fi e d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d , a n d l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e 2 5 8 . 3 : 1 ; 3 1 . 6 , 5 9 . 7 : 1 ; 3 1 . 6 , 4 2 7 . 4 1 3 1 . 6 , a n d 6 3 . 6 i 3 1 . 6 m i l l i v o l t s , r e s p e c t i v e l y . T h e t h r e s h o l d p o t e n t i a l f o r c o r r o s i o n ( t a k e n a t - 2 5 0 m i l l i v o l t s ) w a s r e a c h e d s o o n e r f o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t h a n f o r p l a i n c o n c r e t e , i n d i c a t i n g t h a t r e i n f o r c i n g b a r s a r e m o r e l i k e l y t o c o r r o d e i n c o n c r e t e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h s h o r t s t e e l fi b e r s t h a n i n p l a i n c o n c r e t e m a t r i c e s . T h i s t h r e s h o l d w a s n e v e r r e a c h e d f o r t h e l a t e x - m o d i fi e d p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t r i c e s . T h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s c o u l d b e i l l u s t r a t e d w i t h t h e o b t a i n e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y t e s t r e s u l t s . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t d o e s i n d e e d r e d u c e t h e r e s i s t i v i t y o f t h e r e s u l t i n g c o n c r e t e m a t e r i a l b y a b o u t 7 1 % w h e n c o n t i n u o u s l y m o i s t 2 3 2 c u r e d a n d b y a b o u t 6 3 % w h e n c u r e d i n a m b i e n t l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e s h o w e d t h a t b o t h l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f t h e c o n c r e t e m a t e r i a l , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . T h e p e r c e n t a g e i n c r e a s e i n c o r r o s i o n p o t e n t i a l i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s i s c o m p a r a b l e t o t h e c o r r e s p o n d i n g p e r c e n t a g e r e d u c t i o n i n e l e c t r i e a l r e s i s t i v i t y . T h i s p r o v i d e s s u p p o r t f o r t h e h y p o t h e s i s t h a t t h e a d v e r s e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n r e b a r c o r r o s i o n i n c o n c r e t e r e s u l t f r o m r e d u c e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y o f c o n c r e t e i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s . E l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n d c o r r o s i o n p o t e n t i a l s w e r e a l s o f o u n d t o s t a t i s t i c a l l y c o r r e l a t e r e a s o n a b l y w e l l . A t 1 0 % l a t e x - c e m e n t r a t i o , c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t y o f c o n c r e t e w a s i n c r e a s e d b y 7 6 % . T h e p o s i t i v e e f f e c t s o f l a t e x p o l y m e r o n c o r r o s i o n i n h i b i t i o n s e e m s t o r e s u l t f r o m r e d u c e d c o n d u c t i v i t y ( i . e . , i n c r e a s e d e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y ) a n d a l s o f r o m r e d u c e d p e n e t r a t i o n o f m o i s t u r e , o x y g e n , c a r b o n d i o x i d e a n d c h l o r i d e i o n s i n t o t h e l o w - p e r m e a b i l i t y l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s . I n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s , t h e c o a t i n g o f fi b e r s w i t h l a t e x p o l y m e r s e e m t o p l a y a k e y r o l e i n r e d u c i n g t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n d c o r r o s i o n p o t e n t i a l o f l a t e x - m o d i fi e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 7 . 5 R E C O M M E N D E D A P P L I C A T I O N S S t e e l fi b e r r e i n f o r c e d l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e p r e s e n t s a u n i q u e b a l a n c e o f s u p e r b q u a l i t i e s . P r a c t i e a l l y a l l k e y a s p e c t s o f c o n c r e t e p e r f o r m a n c e ( p h y s i c a l , m e c h a n i e a l , d u r a b i l i t y a n d a d h e s i o n q u a l i t i e s ) a r e s u b s t a n t i a l l y i m p r o v e d t h r o u g h t h e j o i n t a c t i o n o f s t e e l fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s . L a t e x m o d i fi c a t i o n e n h a n c e s t h e 2 3 3 r e i n f o r c e m e n t e f fi c i e n c y o f s t e e l fi b e r s a n d m i t i g a t e s t h e a d v e r s e e f f e c t s o f fi b e r s o n t h e w o r k a b i l i t y a n d c o r r o s i o n - i n h i b i t i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . O n e s h o u l d b e a w a r e o f t h e a d d e d i n i t i a l c o s t s a s s o c i a t e d w i t h t h e u s e o f b o t h s t e e l fi b e r s a n d p a r t i c u l a r l y l a t e x p o l y m e r s i n c o n c r e t e . I n d e m a n d i n g a p p l i c a t i o n s , s u c h a s r e p a i r a n d o v e r l a y u n d e r s e v e r e c l i m a t i c , l o a d o r i n d u s t r i a l e x p o s u r e , t h e s u p e r i o r l o n g e t i v e t y a n d l o n g - t e r m p e r f o r m a n c e o f t h e m a t e r i a l p r e s e n t s g r e a t p o t e n t i a l s f o r e n h a n c i n g t h e l i f e - c y c l e c o s t o f t h e m a t e r i a l . O n e m a y a l s o v i s u a l i z e n o n - t r a d i t i o n a l a r e a s o f c o n c r e t e a p p l i c a t i o n s w h e r e t h e u n i q u e q u a l i t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e p r e s e n t t e c h n i c a l a n d c o s t a d v a n t a g e s o v e r a l t e r n a t i v e m a t e r i a l s . A P P E N D I C E S A P P E N D I X A A P P E N D I X A L A T E X M O D I F I C A T I O N E F F E C T S O N C O N C R E T E M A T E R I A L S I N C O R P O R A T I N G D I F F E R E N T F I B E R T Y P E S A . l I N T R O D U C T I O N T h i s a p p e n d i x s u m m a r i z e s t h e e x p e r i m e n t a l w o r k c o n d u c t e d t o a s s e s s t h e l a t e x m o d i fi c a t i o n e f f e c t s o n c o n c r e t e m a t e r i a l s r e i n f o r c e d w i t h t h r e e d i f f e r e n t fi b e r t y p e s , n a m e l y p o l y e t h y l e n e , p o l y p r o p y l e n e , a n d c e l l u l o s e fi b e r . T h i s s t u d y w a s c o n c e r n e d w i t h t h e p e r f o r m a n c e o f m a t e r i a l s i n t h e f r e s h s t a t e , a n d a l s o w i t h t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l s . A . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M T h e e x p e r i m e n t a l s t u d i e s c o n d u c t e d w i t h d i f f e r e n t fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s y s t e m s a r e d i s c u s s e d b e l o w . A 1 1 W T h e m i x p r o p o r t i o n s u s e d i n t h i s p h a s e o f t h e s t u d y a r e g i v e n i n T a b l e A . 1 . F o u r d i f f e r e n t m i x e s w e r e i n v e s t i g a t e d . T h e f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s w e r e a s s e s s e d b y p e r f o r m i n g s l u m p a n d V e b e t e s t s . H a r d e n e d m a t e r i a l s p r o p e r t i e s w e r e a s s e s s e d u s i n g c o m p r e s s i o n , fl e x u r e , a n d i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t s . F o r t h i s p u r p o s e , t h r e e 1 5 2 m m - d i a m e t e r b y 3 0 5 m m - h e i g h t ( 6 x 1 2 i n ) c y l i n d r i c a l c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s , a n d t h r e e 1 5 2 m m — d i a m e t e r b y 7 3 m m - h e i g h t ( 6 x 3 i n ) c y l i n d r i c a l i m p a c t s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h m i x . A l l s p e c i m e n s w e r e t e s t e d a t t h e a g e o f 2 8 d a y s a f t e r b e i n g 2 3 4 2 3 5 c u r e d i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r n e a t h a p l a s t i c s h e e t f o r t h e fi r s t 2 4 h o u r s , a f t e r w h i c h t h e y w e r e d e m o l d e d a n d m o i s t - c u r e d f o r a n a d d i t i o n a l 6 d a y s , a n d t h e n a i r - d r i e d u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T a b l e A . l L a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : M i x P r o p o r t i o n s a n d F r e s h M i x P r o p e r t i e s . M i x C A / B S I B L I B S F / B S P / B W / B v , ( 9 6 ) S l u m p V e B N o . ( 9 6 ) m m ( i n ) e ( 8 0 6 ) 1 1 . 5 1 . 5 0 0 . 1 0 0 . 0 1 0 . 4 0 0 5 1 ( 2 . 0 ) 5 . 0 2 1 . 5 1 . 5 0 0 . 1 0 0 . 0 1 0 . 4 5 0 . 5 3 8 ( 1 . 5 ) 8 . 5 3 1 . 5 1 . 5 1 0 0 . 1 0 0 . 0 1 0 . 4 0 0 4 4 ( 1 . 7 ) 5 . 3 4 1 . 5 1 . 5 1 0 0 . 1 0 0 . 0 1 0 . 4 2 8 0 . 5 7 6 ( 3 . 0 ) 9 . 1 I w h e r e C A = C o a r s e A g g r e g a t e ; S = S a n d ; L = S t y r e n e B u t a d i e n e L a t e x ( S t y r o f a n 1 1 8 6 ) , % s o l i d s ; W = W a t e r ; B = B i n d e r ( = C e m e n t + S i l i c a F u m e ) ; S F = S i l i e a F u m e ; S P = S u p e r P l a s t i c i z e r ( s o l i d s ) ; a n d F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . p r o p o r t i o n s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e A . 2 . T h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s a l m o s t i d e n t i e a l t o t h a t w i t h p o l y e t h y l e n e fi b e r s e x c e p t t h a t o n l y 2 c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s w e r e u s e d f o r c o m p r e s s i o n t e s t s , a n d t h o s e s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o m o i s t c u r i n g o n l y d u r i n g t h e fi r s t 2 4 h o u r s i n s i d e t h e m o l d s , a f t e r w h i c h t h e y w e r e d e m o l d e d a n d d r i e d i n a m b i e n t l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s . 2 3 6 T a b l e A . 2 L a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : M i x P r o p o r t i o n s a n d F r e s h M i x P r o p e r t i e s . M i x N o . C A / C S I C L / C ( 9 6 ) V , ( 9 6 ) W / C S l u m p , m m ( i n ) l 2 . 5 1 . 5 0 0 0 . 4 3 1 5 2 ( 6 . 0 ) 2 2 . 5 1 . 5 0 0 . 1 0 . 3 4 1 4 0 ( 5 . 5 ) 3 2 . 5 1 . 5 1 0 0 0 . 3 1 1 9 1 ( 7 . 5 ) 4 2 . 5 1 . 5 1 0 . 1 . 0 . 1 0 . 3 2 1 6 5 ( 6 . 5 ) A . 2 . 3 x - M ° 1 i r i n f r ° T h e m i x p r o p o r t i o n s f o r t h i s c a s e a r e g i v e n i n T a b l e A . 3 . F o u r d i f f e r e n t m i x e s w e r e s t u d i e d . T h e f r e s h fi b r o u s c e m e n t m i x t u r e w e r e t e s t e d f o r : ( 1 ) fl o w ( A S T M 0 2 3 0 ) a t l m i n . , 5 m i n . , a n d 1 0 m i n . a f t e r m i x i n g ; ( 2 ) a i r c o n t e n t o f m o r t a r ( A S T M C - 1 8 5 ) ; a n d ( 3 ) s e t t i n g t i m e b y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e . F o r e a c h m i x , m o l d e d s p e c i m e n s w e r e m a n u f a c t u r e d f o r fl e x u r e ( A S T M C - 1 0 1 8 ) t e s t s i n t h e h a r d e n e d s t a t e . T h e fl e x u r a l s p e c i m e n s w e r e p r i s m s w i t h 3 8 . 1 ( 1 . 5 i n ) s q u a r e c r o s s s e c t i o n s a n d t o t a l l e n g t h o f 1 5 2 . 4 m m ( 6 i n ) , t e s t e d b y 4 - p o i n t l o a d i n g o n a s p a n o f 1 1 4 . 3 m m ( 4 . 5 i n ) . T h e v o i d c o n t e n t , s p e c i fi c g r a v i t y a n d w a t e r a b s o r p t i o n o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l s w e r e a l s o a s s e s s e d u s i n g t h e b r o k e n f l e x u r e s p e c i m e n s ( A S T M C - 6 4 2 ) . A l l t h e s p e c i m e n s w e r e c o m p a c t e d t h r o u g h e x t e r n a l v i b r a t i o n , a n d w e r e k e p t i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r n e a t h a w e t b u r l a p c o v e r e d w i t h p l a s t i c s h e e t s f o r 2 4 h o u r s . T h e y w e r e t h e n d e m o l d e d . T h e m i x t u r e c o n t a i n i n g l a t e x p o l y m e r s w e r e s u b j e c t t o a i r c u r i n g i n l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t ( a b o u t 5 0 i 1 0 % R H a n d 2 2 j ; 3 ° C , 7 2 i 5 ° F 2 3 7 t e m p e r a t u r e ) u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h e u n m o d i fi e d m i x t u r e s , w e r e s u b j e c t e d t o a 5 - d a y m o i s t c u r i n g p e r i o d a f t e r d e m o l d i n g b e f o r e b e i n g a i r - c u r e d u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h e c e l l u l o s e fi b e r u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w e r e S o u t h e r n S o f t w o o d K r a f t ( P r o c t o r a n d G a m b l e C e l l u l o s e ) . S o m e k e y p r o p e r t i e s o f t h i s c e l l u l o s e fi b e r a r e p r e s e n t e d i n T a b l e A . 4 . T h e K r a f t p u l p h a s t o b e d i s i n t e g r a t e d i n w a t e r u s i n g a m o r t a r m i x e r ( a t 4 5 0 r e v o l u t i o n s p e r m i n u t e ) a n d d r i e d b e f o r e b e i n g a d d e d t o t h e m i x t u r e ; o t h e r w i s e a u n i f o r m d i s p e r s i o n o f fi b e r s i n s i d e t h e c e m e n t i t i o u s p a s t e c a n n o t b e a c h i e v e d c o n v e n i e n t l y . T a b l e A . 3 L a t e x - M o d i fi e d C e l l u l o s e F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r : M i x P r o p o r t i o n s . T M i x N o . S / C S A I C L / C M , ( % ) W / C S P / C ( % ) ( % ) 1 0 . 5 . . . . . . . . . 0 O 0 . 3 0 . . . . . . . . . 2 0 . 5 0 . 0 2 0 2 0 . 4 2 5 3 . 0 3 0 . 5 0 . 0 2 5 2 0 . 4 2 5 0 4 0 . 5 0 . 0 2 1 0 2 0 . 4 0 0 w h e r e , M , = c e l l u l o s e fi b e r ( K r a f t S S K p u l p ) m a s s fi a c t i o n ( % b y w e i g h t ) ; 8 = S i l i c a S a n d G r a d e 1 0 0 ; S A = S e t A c c e l e r a t o r ; a n d S P = S u p e r P l a s t i c i z e r ( % s o l i d s ) . T h e w o o d fi b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s w e r e m a n u f a c t u r e d i n t h i s s t u d y u s i n g a r e g u l a r m o r t a r m i x e r . T h e m i x i n g p r o c e d u r e a d o p t e d i s a s f o l l o w s : ( 1 ) a d d c e m e n t , s a n d a n d 7 0 % o f t h e w a t e r ( w i t h l a t e x w h e n a p p l i c a b l e ) a n d m i x a t l o w s p w d ( 1 4 0 R P M ) f o r a b o u t 1 m i n . o r u n t i l a u n i f o r m m i x t u r e i s a c h i e v e d ; 2 3 8 ( 2 ) t u r n t h e m i x e r t o m e d i u m s p e e d a n d g r a d u a l l y a d d t h e fi b e r s a n d t h e r e m a i n d e r o f w a t e r a n d s u p e r p l a s t i c i z e r i n t o t h e m i x t u r e a s t h e m i x e r i s r u n n i n g a t m e d i u m s p e e d ( 2 8 5 R P M ) o v e r a p e r i o d o f 2 t o 5 m i n . d e p e n d i n g o n t h e fi b e r c o n t e n t , t a k i n g c a r e t h a t n o fi b e r b a l l s a r e f o r m e d ; ( 3 ) a d d s e t a c c e l e r a t o r a n d m i x f o r 1 m i n . a t m e d i u m s p e e d ; a n d ( 4 ) s t o p t h e m i x t u r e f o r a b o u t 1 m i n . , t h e n fi n a l i z e t h e p r o c e s s b y m i x i n g a t h i g h s p e e d ( 4 5 0 R P M ) f o r 2 m i n ” T a b l e A . 4 P r o p e r t i e s o f C e l l u l o s e F i b e r s . M a n u f a c t u r e r B r a n d N a m e T y p e S p e c i e s A v g . L e n g t h C S F m m ( i n ) P r o c t e r & S S K K r a f t S o f t w o o d 3 . 0 ( 0 . 1 2 0 7 0 0 G a m b l e C e l l u l o s e A . 3 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S T h i s s e c t i o n s u m m a r i z e s t h e r e s u l t s o b t a i n e d f o r t h e a s s e s s m e n t o f l a t e x m o d i fi e a t i o n e f f e c t s o n c o n c r e t e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t fi b e r t y p e s , n a m e l y p o l y e t h y l e n e , p o l y p r o p y l e n e a n d c e l l u l o s e fi b e r s . D i s c u s s i o n s a n d c o n c l u s i o n s r e g a r d i n g t h e l a t e x m o d i fi c a t i o n e f f e c t s o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o n t h e s e fi b r o u s c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e m a t e r i a l s a r e a l s o p r e s e n t e d . A . 3 . l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s t e s t r e s u l t s a r e s h o w n i n F i g u r e s A . 1 ( a ) a n d A . 1 ( b ) . B o t h fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s a r e o b s e r v e d t o i n c r e a s e u p o n t h e a d d i t i o n o f l a t e x I 8 4 . . 2 0 0 0 . . . g _ ' J " * . f p - - — ' r w l ' f ; 1 — - » r 1 3 ~ ' . ‘ . ' . . - — — _ — . , - _ ‘ P L A I N L M C P F R C L M t 1 t . n . - T l . . C . . p F R C . P 2 3 9 p o l y m e r s . T h e a d d i t i o n o f 1 0 % l a t e x b y w e i g h t o f c e m e n t t o p l a i n c o n c r e t e i n d u c e s 2 0 % a n d 2 5 % i n c r e a s e s i n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s o f p l a i n m a t r i x , r e s p e c t i v e l y . T h e j o i n t a c t i o n o f p o l y e t h y l e n e fi b e r s a n d l a t e x p o l y m e r s p r o d u c e d a b o u t 6 0 % a n d 1 5 0 % i n c r e a s e s i n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s o f p l a i n c o n c r e t e , r e s p e c t i v e l y , i n d i c a t i n g p r o m i s i n g p o t e n t i a l j o i n t a c t i o n s b e t w e e n t h e t w o . 2 F l e x u r a l S t r e n g t h ( k s i ) 1 . “ 0 0 6 $ L / o ' l O I ( a ) F l e x u r a l S t r e n g t h ( ” F l e x u r a l T o u g h n e s s ( I r - 1 n ) 0 2 ” " — 5 I “ 0 . 1 5 T — * 7 T ; 1 o . . . — - — - — — - P L A I N L M C P F R C L M P F R C V 1 ' 0 5 ‘ . L l c ' m ( b ) F l e x u r a l T o u g h n e s s F i g u r e A . 1 F l e x u r a l T e s t R e s u l t s o n L a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . 2 4 0 T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s ( s e e F i g u r e A . 2 ) i n d i c a t e a b o u t 2 0 % i n c r e a s e i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f p l a i n c o n c r e t e i n t h e p r e s e n c e o f 1 0 % l a t e x p o l y m e r s — c e m e n t r a t i o b y w e i g h t . P o l y e t h y l e n e fi b e r r e i n f o r c e m e n t , h o w e v e r , c a u s e d a d r o p i n s t r e n g t h o f a b o u t 4 % . C o n s e q u e n t l y , t h e i n c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h d u e t o b o t h l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d p o l y e t h y l e n e fi b e r r e i n f o r c e m e n t w a s o n l y a b o u t 2 . 5 % o v e r t h a t o f p l a i n c o n c r e t e . 8 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( k s i ) i l l - 0 . 5 % . L i e - 1 0 $ F i g u r e A . 2 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s o n L a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . T h e i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s , p r e s e n t e d i n F i g u r e A . 3 , s h o w e d i n c r e a s e s i n i m p a c t r e s i s t a n c e d u e t o l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d / o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t ; w i t h t h e l a r g e s t i n c r e a s e , a b o u t 3 0 0 % , o b t a i n e d b y t h e j o i n t a c t i o n o f p o l y e t h y l e n e fi b e r s a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n . F i b e r r e i n f o r c e m e n t , h o w e v e r , w a s f o u n d t o c o n t r i b u t e 2 0 0 3 ; : “ 1 ; ; J . 4 ; : — 7 t fi — w ’ l " 1 2 4 1 s i g n i fi c a n t l y m o r e t o t h e i m p a c t r e s i s t a n c e t h a n l a t e x m o d i fi c a t i o n ( a b o u t 2 6 0 % V s . 3 0 % i n c r e a s e s , r e s p e c t i v e l y ) . N o . o f B l o w s t o F a i l u r e 2 5 0 1 5 0 ~ ~ , . - - _ - _ - , ~ — ‘ P L A I N L M C P F R C L M P F F I C V I ' O . 5 $ . L / c e l m F i g u r e A . 3 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d P o l y e t h y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . A . 3 . 2 ° T h e t r e n d s o b t a i n e d h e r e a r e v e r y s i m i l a r t o t h e o n e s o b t a i n e d i n t h e c a s e o f p o l y e t h y l e n e fi b e r s a s f a r a s fl e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s a r e c o n c e r n e d ( s e e F i g u r e A . 4 ( a ) . ) . F o r fl e x u r a l t o u g h n e s s , h o w e v e r , e v e n t h o u g h e a c h o f t h e l a t e x m o d i fi c a t i o n ( L / c = 1 0 % ) a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e m e n t ( V , = 0 . 1 % ) e f f e c t s i n c r e a s e d t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f p l a i n c o n c r e t e , t h e i r c o m b i n e d a c t i o n c a u s e d a d r o p i n fl e x u r a l t o u g h n e s s a s c o m p a r e d t o t h a t o f t h e u n m o d i fi e d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( s e e F i g u r e A . 4 ( b ) ) . M o r e d a t a i s n e e d e d t o c o n fi r m t h e v a l i d i t y o f t h i s o b s e r v a t i o n . l a t e x p o l y m e r s ( L / c = 1 0 % ) a l o n g w i t h p o l y p r o p y l e n e fi b e r s ( V , = 0 . 1 % ) r e s u l t e d i n ‘ ‘ F r o - u s ! S t r e n g t h ( t r e a t 1 . 2 0 . . . , 4 - » — — - — - — — - — - — — - — - — — — - — - _ _ _ _ _ , , , , - , _ _ . _ , - - , , - , I - , H . _ . - - _ . . - - _ - . _ - _ _ _ . ~ 1 o e ~ _ - _ r ' - . . . Q 0 4 » — - . . . _ _ . l 0 4 . , - . ~ — c a l - - — - - - — — — o P L ; H 4 L M G L ; ¢ " O ‘ I ” M V I - O J O I I L W M ‘ O J S B J O ‘ I ) ( a ) F l e x u r a l S t r e n g t h F i g u r e A . 4 2 4 2 F l e x u r a l T e u q n n e s s ( I : a n ) o o e O N “ _ " — ' _ ~ - . - _ - . . _ - _ l ‘ _ _ - - _ _ _ _ _ , 0 0 4 . . . . . - . - . . _ _ _ _ , _ _ _ _ _ _ _ 0 0 2 ~ - - ~ ~ — — - . n . _ - - . _ . , 1 _ _ o . f — ‘ i — I . . " W " w o r m - m i ” fl a w - a m 1 1 9 3 1 1 0 1 0 3 , “ . ( b ) F l e x u r a l T o u g h n e s s F l e x u r e T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s ( s e e F i g u r e A . 5 ) s h o w t h a t t h e u s e o f a b o u t 1 8 % d e c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e u n m o d i fi e d fi b e r r e i n f o r c e d c a s e . F i g u r e A . 5 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( k s i l L M P F R C ( O . 1 % . 1 0 % ) C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . 2 4 3 T h e c o m b i n e d u s e o f l a t e x p o l y m e r s a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r s i n c o n c r e t e m a t r i c e s d i d , h o w e v e r , y i e l d i m p r o v e m e n t s i n i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e m a t e r i a l ( s e e F i g u r e A . 6 ) . A n i n c r e a s e o f a b o u t 2 5 0 % i n i m p a c t r e s i s t a n c e o f l a t e x - m o d i fi e d p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w a s o b t a i n e d ( s e e F i g u r e A . 6 ) . N o . o f B l o w s t o F a i l u r e 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 P F R C ( V t - 0 . 1 % ) L M P F R C ( 0 J % . 1 0 % ) F i g u r e A . 6 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . A . 3 . 3 x - ' 1 1 1 F ' r R i n M A . 3 . 3 . 1 F r e s h M i x P r o p e r t i e s : T h e f r e s h m i x p r o p e r t i e s o b t a i n e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l s t u d y a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e A . 4 . T a b l e A . 4 F r e s h M i x P r o p e r t i e s . F M i x A i r C o n t e n t S p e c i fi c I n i t i a l S e t F i n a l S e t ( % ) G r a v i t y ( m i n ) ( m i n ) P l a i n 2 1 . 0 7 2 . 0 1 1 8 6 2 1 0 M , = 2 % , L l c = 0 % 2 2 . 5 0 1 . 7 7 2 3 3 2 9 3 M , = 2 % , L / c = 5 % 2 2 . 6 2 1 . 7 3 2 6 0 3 3 0 M , = 2 % , L / c = 1 0 % 2 2 . 4 0 1 . 7 9 2 9 0 3 5 5 T h e s e f r e s h m i x p r o p e r t i e s i n d i c a t e c l e a r l y t h a t s e t t i n g t i m e o f c e m e n t i t i o u s m i x t u r e s i s i n c r e a s e d a s c e l l u l o s e fi b e r s a n d / o r l a t e x p o l y m e r s a r e a d d e d t o t h e m a t r i x . T h e i n i t i a l s e t t i n g t i m e i n c r e a s e d b y a s m u c h a s 2 5 , 4 0 , a n d 5 6 % , r e s p e c t i v e l y , f o r m i x e s c o n t a i n i n g 2 % m a s s f r a c t i o n o f K r a f t fi b e r s , 2 % m a s s f r a c t i o n o f K r a f t fi b e r w i t h l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 5 % , a n d 2 % m a s s f r a c t i o n o f K r a f t fi b e r s w i t h a l a t e x - c e m e n t r a t i o e q u a l t o 1 0 % . T h e s e r e s u l t s c o u l d b e a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t K r a f t p u l p s a b s o r b t h e w a t e r a v a i l a b l e i n f r e s h m i x a n d t h u s m a k e i t d i f fi c u l t f o r c e m e n t t o a c c e s s t h e w a t e r f o r h y d r a t i o n p u r p o s e s , a n d a l s o l a t e x p o l y m e r s c a u s e t h e f o r m a t i o n o f p o l y m e r fi l m s i n s i d e t h e p a s t e w h i c h i n t e r f e r e w i t h m o i s t u r e m o v e m e n t s d u r i n g c e m e n t h y d r a t i o n , t h u s m a k i n g w a t e r l e s s a c c e s s i b l e t o c e m e n t p a r t i c l e s ; f o r m a t i o n o f a p o l y m e r fi l m a t t h e c e m e n t s u r f a c e m a y p r e v e n t m o i s t u r e l o s s f r o m t h e s p e c i m e n . T h e f r e s h m i x a i r c o n t e n t i s o b s e r v e d t o i n c r e a s e ( s e e T a b l e A . 4 ) w h e n c e l l u l o s e fi b e r s a r e a d d e d . t h i s i n c r e a s e i n f r e s h m i x a i r c o n t e n t w a s a b o u t 7 % f o r K r a f t p u l p a d d i t i o n s a t 2 % m a s s f r a c t i o n . T h i s i n c r e a s e i n a i r c o n t e n t c o u l d b e a t t r i b u t e d t o t h e d i f fi c u l t y i n c o m p a c t i n g c e m e n t c o m p o s i t e s i n c o r p o r a t i n g h i g h e r fi b e r c o n t e n t s , w h i c h l e a d s t o i n c r e a s e d e n t r a p p e d a i r c o n t e n t . I n a d d i t i o n , t h e i n c r e a s e i n 2 4 5 l a t e x c o n t e n t b e y o n d a c e r t a i n l e v e l , a t a c o n s t a n t fi b e r c o n t e n t , t e n d s t o r e d u c e t h e a i r c o n t e n t , p o s s i b l y d u e t o t h e c o r r e s p o n d i n g r e d u c t i o n s i n w a t e r c o n t e n t . C e l l u l o s e fi b e r s a r e a l s o o b s e r v e d i n T a b l e A . 4 t o r e d u c e t h e u n i t w e i g h t ( o r a n a l o g o u s l y , s p e c i fi c g r a v i t y ) o f f r e s h c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . T h e r e d u c t i o n i n u n i t w e i g h t w a s a b o u t 1 2 5 w h e n 2 % m a s s f r a c t i o n o f K r a f t p u l p w a s a d d e d . T h i s i s p a r t l y d u e t o t h e f a c t t h a t t h e a i r c o n t e n t i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s t e n d s t o i n c r e a s e i n t h e p r e s e n c e o f fi b e r s , a s d i s c u s s e d e a r l i e r . A . 3 . 3 . 2 H a r d e n e d M a t e r i a l P r o p e r t i e s : T h e a v e r a g e v a l u e s o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s o b t a i n e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a r e g i v e n i n T a b l e A . 5 . T a b l e A . 5 H a r d e n e d M a t e r i a l P r o p e r t i e s . M i x V o i d S p e c i fi c W a t e r F l e x u r a l F l e x u r a l C o n t e G r a v i t y A b s o r p t i o n S t r e n g t h T o u g h n e s s n t ( 9 5 ) ( 9 5 ) ( k s i ) ( l b - i n ) P l a i n 2 2 . 7 5 2 . 0 0 1 1 . 0 7 0 . 5 6 9 4 0 . 3 5 4 2 M , = 2 % , L / c = 0 % 2 4 . 1 8 1 . 7 5 1 3 . 6 6 0 . 9 7 2 0 1 . 4 9 8 1 M , = 2 % , L / c = 5 % 2 2 . 1 0 1 . 7 5 1 3 . 2 0 0 . 8 3 4 8 5 . 5 2 0 0 M , = 2 % , L / c = 1 0 % 2 1 . 8 0 1 . 8 2 1 2 . 8 3 1 . 2 1 9 7 8 . 3 7 5 0 T h e h a r d e n e d m a t e r i a l v o i d c o n t e n t i s s e e n t o i n c r e a s e i n t h e p r e s e n c e o f c e l l u l o s e fi b e r s , w i t h a n i n c r e a s e o v e r p l a i n c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s o f a b o u t 6 % f o r K r a f t p u l p a t 2 % fi b e r m a s s c o n t e n t . N e v e r t h e l e s s , w h e n t h i s c e l l u l o s e fi b e r r e i n f o r c e d m a t r i x i s m o d i fi e d w i t h l a t e x p o l y m e r s , t h e h a r d e n e d m a t e r i a l v o i d c o n t e n t i s s e e n t o d e c r e a s e b y a b o u t 8 . 6 a n d 9 . 8 % a t l a t e x - c e m e n t r a t i o s o f 5 a n d 1 0 % , r e s p e c t i v e l y . T h e w a t e r a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s i s o b s e r v e d i n T a b l e 2 4 6 A . 5 t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g fi b e r m a s s fi a c t i o n ( a b o u t 2 3 % i n c r e a s e a t 2 % m a s s f r a c t i o n ) a n d d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g l a t e x - c e m e n t r a t i o s ( a b o u t 3 . 4 a n d 6 . 1 % d e c r e a s e s c o r r e s p o n d i n g t o 5 a n d 1 0 % l a t e x - c e m e n t r a t i o s , r e s p e c t i v e l y ) . T h e s p e c i fi c g r a v i t y o f h a r d e n e d c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s i s o b s e r v e d i n t a b l e A . 5 t o d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g c e l l u l o s e fi b e r c o n t e n t , a n d t h e n i n c r e a s e w i t h l a t e x m o d i fi c a t i o n o f fi b r o u s m i x t u r e s . A t 2 % fi b e r m a s s c o n t e n t , K r a f t fi b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s s h o w e d a r e d u c t i o n i n s p e c i fi c g r a v i t y o f a b o u t 1 3 % b e l o w t h a t o f p l a i n m a t r i x , a n d a n i n c r e a s e o f a b o u t 4 % o v e r t h a t o f fi b r o u s m a t r i x . T h e h a r d e n e d m a t e r i a l fl e x u r a l t e s t r e s u l t s a r e s h o w n i n F i g u r e s A . 7 ( a ) a n d ( b ) . B o t h fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s c a n b e s e e n t o i n c r e a s e a t 2 % fi b e r c o n t e n t ( a b o u t 7 1 a n d 3 2 3 % , r e s p e c t i v e l y ) . W h e n t h e fi b r o u s m i x t u r e ( a t 2 % fi b e r c o n t e n t ) i s m o d i fi e d w i t h 5 a n d 1 0 % l a t e x - c e m e n t r a t i o s , t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s i s o b s e r v e d t o c o n t i n u o u s l y i n c r e a s e ( b y a b o u t 2 6 8 a n d 4 5 9 % , r e s p e c t i v e l y ) . T h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f t h e fi b r o u s m i x t u r e , h o w e v e r , i s s e e n t o d e c r e a s e a t l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 5 % ( a b o u t 1 4 % ) a n d t h e n t o i n c r e a s e a t t h e l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 1 0 % ( a b o u t 2 5 % o v e r t h a t o f u n m o d i fi e d fi b r o u s c e m e n t m a t r i x ) . p u g “ ( a ) F l e a L x n a s t e u r x a / C e l L n M t e t r m S C e F ( R ) % n C g O L M C ‘ r ' R C I O P L ' A I N C L F a ' R t e t h ( b ) F l e x u r a l T o S F ‘ ( R 5 1 C ) L M C F T R C ‘ I O C u x / C e m e n g h n e L M C t s s 2 4 7 ‘ o F l o - r a d S t r e n g t h t h e ! ) 1 0 F l e x u r a l T o u g h n e s s ( I n - I n t w - z s b y a u g e r F i g u r e A . 7 F l e x u r a l T e s t R e s u l t s f o r L a t e x - M o d i fi e d C e l l u l o s e F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r . A . 4 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S F r o m t h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f l a t e x m o d i fi c a t i o n o n c o n c r e t e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t fi b e r t y p e s i t w a s c o n c l u d e d t h a t : 1 . L a t e x m o d i fi c a t i o n o f p o l y e t h y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c r e a s e s b o t h t h e fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l . A b o u t 9 a n d 5 . 4 % i n c r e a s e s i n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s , r e s p e c t i v e l y , w e r e o b t a i n e d a t a fi b e r v o l u m e f r a c t i o n V , = 0 . 5 % a n d a l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 1 0 % . 2 . L a t e x m o d i fi c a t i o n w a s f o u n d t o i n c r e a s e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f p l a i n a n d p o l y e t h y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s ; p o l y e t h y l e n e fi b e r r e i n f o r c e m e n t , h o w e v e r , w a s f o u n d t o d e c r e a s e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . 3 . B o t h l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d p o l y e t h y l e n e fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n c r e a s e t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e m a t e r i a l , w i t h a n i n c r e a s e o f 3 0 0 % o v e r t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f p l a i n c o n c r e t e o b t a i n e d t h r o u g h t h e i r j o i n t a c t i o n . 2 4 8 4 . E v e n t h o u g h t h e s e p a r a t e a c t i o n o f l a t e x m o d i fi c a t i o n ( U c = 1 0 % ) a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e m e n t ( V , = 0 . 1 % ) i n c r e a s e s t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f p l a i n c o n c r e t e , t h e i r c o m b i n e d a c t i o n c a u s e d a d r o p i n fl e x u r a l t o u g h n e s s a s c o m p a r e d t o t h a t o f t h e u n m o d i fi e d p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 5 . L a t e x m o d i fi c a t i o n ( U c = 1 0 % ) o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e s u l t e d i n a b o u t 1 8 % d e c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 6 . T h e c o m b i n e d a c t i o n o f l a t e x m o d i fi c a t i o n a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e m e n t c a u s e d a n i n c r e a s e i n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e m a t e r i a l . 7 . B o t h c e l l u l o s e fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n i n c r e a s e t h e s e t t i n g t i m e o f c e m e n t m o r t a r s . 8 . C e l l u l o s e fi b e r s i n c r e a s e t h e f r e s h m i x a i r c o n t e n t w h i l e l a t e x m o d i fi c a t i o n b e y o n d a c e r t a i n l e v e l , t e n d s t o r e d u c e t h e a i r c o n t e n t . 9 . T h e w a t e r a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g fi b e r c o n t e n t ( b y a b o u t 2 3 % i n c r e a s e a t 2 % c e l l u l o s e fi b e r m a s s f r a c t i o n ) a n d d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g l a t e x - c e m e n t r a t i o s ( b y a b o u t 3 . 4 a n d 6 . 1 % c o r r e s p o n d i n g t o 5 a n d 1 0 % l a t e x - c e m e n t r a t i o s , r e s p e c t i v e l y ) . 1 0 . B o t h fl e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s w e r e f o u n d t o i n c r e a s e a t 2 % c e l l u l o s e fi b e r c o n t e n t ( a b o u t 7 1 a n d 3 2 3 % , r e s p e c t i v e l y ) . 1 1 . L a t e x m o d i fi c a t i o n o f c e l l u l o s e fi b e r r e i n f o r c e d m i x t u r e s i n c r e a s e d t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s ; h o w e v e r , t h e fl e x u r a l s t r e n g t h w a s d e c r e a s e d a t l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 5 % ( b y a b o u t 1 4 % ) a n d t h e n i n c r e a s e d a t l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 1 0 % A P P E N D I X B A P P E N D I X B I N V E S T I G A T I O N O F A N E W L A T E X F O R A P P L I C A T I O N T O C O N C R E T E B . 1 I N T R O D U C T I O N T h e u l t i m a t e g o a l o f t h i s w o r k i s t o e v a l u a t e c o n c r e t e m a t e r i a l s m o d i fi e d w i t h a n e w e x p e r i m e n t a l l a t e x ( i t w i l l b e r e f e r r e d t o a s “ n e w l a t e x ” o r ” X U l a t e x ” i n t h e F i g u r e s ) c o n t a i n i n g a n t i f o a m . T h e t a s k s p e r f o r m e d a r e c o n c e r n e d w i t h t h e a s s e s s m e n t o f t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s o f t h e " n e w l a t e x ” l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e : 1 - F r e s h m i x p r o p e r t i e s : s l u m p , a i r c o n t e n t a n d s e t t i n g t i m e ; 2 - F l e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s ; 3 - C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ; 4 - T e n s i l e b o n d s t r e n g t h ; 5 - I m p a c t s t r e n g t h ; 6 — A b r a s i o n r e s i s t a n c e ; a n d 7 - C h l o r i d e p e r m e a b i l i t y ; F o r c o m p a r i s o n p u r p o s e s , t h e s a m e t e s t s w e r e p e r f o r m e d w i t h t h e M o d i fi e r A l a t e x u n d e r s i m i l a r c o n d i t i o n s . T h i s r e p o r t p r e s e n t s t h e t e s t r e s u l t s a l o n g w i t h s t a t i s t i c a l a n a l y s e s a n d d i s c u s s i o n s . 2 4 9 2 5 0 1 3 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M T a b l e B . 1 p r e s e n t s t h e m i x p r o p o r t i o n s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e c e m e n t i n a l l t h e s e m i x e s w a s r e g u l a r t y p e I , t h e c o a r s e a g g r e g a t e w a s c r u s h e d l i m e s t o n e w i t h a m a x i m u m p a r t i c l e s i z e o f 1 / 2 i n , a n d t h e fi n e a g g r e g a t e w a s n a t u r a l s a n d . B o t h c o a r s e a n d fi n e a g g r e g a t e s s a t i s fi e d t h e A S T M C - 3 3 g r a d a t i o n r e q u i r e m e n t s . T h e w a t e r c o n t e n t w a s a d j u s t e d i n d i f f e r e n t m i x t u r e s , d e p e n d i n g o n t h e l a t e x t y p e a n d c o n t e n t , s o a s t o a c h i e v e a d e s i r a b l e l e v e l o f w o r k a b i l i t y r e p r e s e n t e d b y a s l u m p o f 5 . 5 t o 8 . 5 i n . T h e a i r c o n t e n t w a s m e a s u r e d w i t h o u t a d d i n g a n y a i r - e n t r a i n i n g a d m i x t u r e . T h e l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s w e r e m a n u f a c t u r e d i n l a b o r a t o r y i n a r o t a r y - t y p e d r u m m i x e r . T h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m d e s i g n e d f o r t h i s i n v e s t i g a t i o n i s s h o w n i n T a b l e B . 2 ; t w o d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s ( c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g a n d o n e - d a y m o i s t c u r i n g f o l l o w e d b y a i r d r y i n g ) w e r e c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . T a b l e B . 1 M i x P r o p o r t i o n s . ( s / c = 2 . 6 , g / c = l . 7 ) * i w / c . ‘ M o d i fi e r A L / c " 1 0 1 0 . 3 4 ‘ 1 5 0 . 3 2 ” N e w L a t e x " L / c 1 0 0 . 3 5 1 5 0 . 3 3 7 _ 4 * : s = s a n d ; g = g r a v e l ; c = c e m e n t ; w = w a t e r , a n d L = l a t e x ; a l l r a t i o s b y w e i g h t . 2 5 1 T a b l e B . 2 E x p e r i m e n t a l D e s i g n . L a t e x / C e m e n t R a t i o ( % ) 1 0 1 5 C u r i n g T y p e C u r i n g T y p e C o n t i n u o u s l - D a y M o i s t C o n t i n u o u s l - D a y M o i s t M o i s t M o i s t M o d i fi e r A * * * * 8 t t 8 " N e w L a t e x ” * * * * t t t * w h e r e , * r e p r e s e n t s 2 c o m p r e s s i o n , 3 fl e x u r e , 3 p e r m e a b i l i t y , 2 b o n d , 2 a b r a s i o n , a n d 1 s e t t i n g t i m e t e s t s w i t h r e p l i c a t i o n s d o n e w i t h o n e b a t c h o f c o n c r e t e . F o r e a c h m i x , t h e f o l l o w i n g t e s t s w e r e p e r f o r m e d : 1 . F r e s h M i x P r o p e r t i e s : S l u m p ( A S T M C - 1 4 3 ) , a i r c o n t e n t ( A S T M C - 2 3 1 ) a n d t i m e o f s e t t i n g b y p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e ( A S T M C 4 0 3 ) . 2 . F l e x u r a l P e r f o r m a n c e : S i x 4 x 4 x 1 4 i n . p r i s m a t i c s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h m i x ; t h r e e w e r e c u r e d a t 1 0 0 % R . H . a n d t h e r e m a i n i n g t h r e e i n a m b i e n t l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t ( f o l l o w i n g 2 4 h o u r s o f m o i s t c u r i n g i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r w e t b u r l a p c o v e r e d w i t h p l a s t i c s h e e t ) . T h e s e f l e x u r a l s p e c i m e n s w e r e t e s t e d f o l l o w i n g t h e A S T M C - 1 0 1 8 a n d t h e J a p a n e s e C o n c r e t e I n s t i t u t e ( J C I - S F ) t e s t p r o c e d u r e s b y f o u r - p o i n t l o a d i n g o n a s p a n o f 3 8 1 m m ( 1 2 i n ) . A c o m p u t e r i z e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m w a s u s e d f o r l o a d a n d d e fl e c t i o n m e a s u r e m e n t s a n d a l s o f o r t h e p r o c e s s i n g o f t e s t r e s u l t s . 3 . C o m p r e s s i v e S t r e n g t h : F o u r 6 i n . d i a m e t e r b y 3 8 1 m m ( 1 2 i n ) h e i g h t c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s w e r e c a s t f o r e a c h r e p l i c a t i o n f r o m e a c h m i x . T w o w e r e c u r e d 2 5 2 a t 1 0 0 % R . H . , a n d t h e o t h e r t w o w e r e c u r e d i n a m b i e n t l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t a f t e r t h e i n i t i a l 2 4 h o u r s o f m o i s t c u r i n g . T h e c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s w e r e t e s t e d f o l l o w i n g t h e A S T M C - 3 9 t e s t p r o c e d u r e s . 4 . T e n s i l e B o n d S t r e n g t h : F o u r s p e c i m e n s f o r e a c h r e p l i c a t i o n w e r e p r e p a r e d f r o m e a c h m i x . T w o w e r e c u r e d a t 1 0 0 % R . H . r o o m , a n d t h e o t h e r t w o i n a m b i e n t l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t a f t e r 2 4 h o u r s o f m o i s t c u r i n g . 5 . I m p a c t S t r e n g t h : S i x c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s , 6 i n . i n d i a m e t e r a n d 2 . 5 i n . i n h e i g h t , w e r e p r e p a r e d f r o m e a c h o f t h e m i x e s p r e s e n t e d i n T a b l e B . 1 . T h r e e s p e c i m e n s w e r e c u r e d a t 1 0 0 % R . H . , a n d t h e r e s t i n a m b i e n t l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t ( f o l l o w i n g 2 4 h o u r s o f m o i s t c u r i n g i n s i d e t h e i r m o l d s ) . T h e i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t p e r f o r m e d b y r e p e a t e d l y d r o p p i n g a 1 0 1 b . h a m m e r o n a h a r d s t e e l b a l l s u p p o r t e d o n t h e c y l i n d r i c a l s p e c i m e n f r o m a h e i g h t o f 1 8 i n . T h e n u m b e r o f b l o w s r e q u i r e d t o e a u s e t h e fi r s t v i s i b l e c r a c k a n d t h e u l t i m a t e f a i l u r e a r e r e c o r d e d . U l t i m a t e f a i l u r e i s a s s u m e d t o o c c u r w h e n t h e c r a c k s o p e n s o f a r t h a t t h e p i e c e s o f c o n c r e t e a r e t o u c h i n g t h r e e o f t h e f o u r p o s i t i o n i n g l u g s o n t h e b a s e p l a t e . . 6 . A b r a s i o n R e s i s t a n c e : T h e a b r a s i o n t e s t s p e c i m e n s w e r e 6 i n . c u b e s c o n f o r m i n g t o A S T M C - 7 7 9 p r o c e d u r e s . T h r e e s p e c i m e n s w e r e c a s t f o r e a c h o f t h e m i x e s o f T a b l e B . l , a n d w e r e c u r e d i n a i r a f t e r 2 4 h o u r s o f m o i s t c u r i n g i n s i d e t h e i r m o l d s . 7 . P e r m e a b i l i t y : R a p i d a s s e s s m e n t o f t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e w a s m a d e i n t h i s i n v e s t i g a t i o n t h r o u g h t h e p e r f o r m a n c e o f t h e A A S H T O T 2 7 7 - 8 3 1 t e s t p r o c e d u r e d e v e l o p e d b y t h e C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y L a b o r a t o r i e s ( C T L ) . S i x c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 4 i n . i n d i a m e t e r b y 2 i n . i n t h i c k n e s s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h 2 5 3 o f t h e m i x e s o f T a b l e B . 1 . T h r e e s p e c i m e n s w e r e c u r e d a t 1 0 0 % R . H . , a n d t h e o t h e r t h r e e w e r e c u r e d i n a m b i e n t l a b o r a t o r y t e m p e r a t u r e f o l l o w i n g 2 4 h o u r s o f m o i s t c u r i n g i n s i d e t h e m o l d s . B . 3 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S B . 3 . 1 . F r e s h M i x P r o p e r t i e s : T e s t r e s u l t s o n s l u m p , a i r c o n t e n t a n d t i m e o f s e t t i n g o f t h e f r e s h m i x t u r e s o f T a b l e B . 1 a r e s h o w n i n T a b l e B . 3 . T a b l e B . 3 F r e s h M i x P r o p e r t i e s . I L / c ( % ) S l u m p A i r T i m e o f S e t t i n g ( h r s . ) m m ( i n ) C o n t e n t ( % ) I n i t i a l F i n a l M o d i fi e r A 1 0 1 5 2 ( 6 ) 7 5 7 1 5 1 5 2 ( 6 ) 8 4 . 8 7 " N e w 1 0 1 6 5 ( 6 . 5 ) 7 4 . 4 5 . 8 L a t e " 1 5 1 6 5 ( 6 . 5 ) 7 . 5 6 . 3 7 . 9 F i g u r e B . 1 a l s o s h o w s t h e m e a n v a l u e s a n d t h e 9 5 % c o n fi d e n c e i n t e r v a l s o f t h e s e t t i n g t i m e t e s t r e s u l t s . I n c r e a s i n g t h e l a t e x c o n t e n t f r o m 1 0 t o 1 5 % b y w e i g h t o f c e m e n t s e e m s t o i n c r e a s e b o t h t h e i n i t i a l a n d fi n a l t i m e s o f s e t t i n g o f c o n c r e t e m a t e r i a l s m o d i fi e d w i t h t h e ” n e w l a t e x ” . I n t h e c a s e o f c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h M o d i fi e r A l a t e x , a c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n l a t e x c o n t e n t t e n d s t o s l i g h t l y d e c r e a s e t h e i n i t i a l t i m e o f s e t t i n g a n d h a s n o a p p a r e n t e f f e c t o n t h e fi n a l t i m e o f s e t t i n g . S t a t i s t i c a l p a i r w i s e c o m p a r i s o n s b y s e p a r a t i o n o f m e a n s r e v e a l e d t h a t t h e r e i s n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n s e t t i n g t i m e s f o r 1 0 % a n d 1 5 % l a t e x c o n t e n t s o r d i f f ” 2 5 4 d i f f e r e n t l a t e x t y p e s a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . 0 I n i t i a l T i m e o i S e t t i n g ( h o u r s ) I 9 5 ! . C o n fi d e n c e I n t e r v a l 8 _ _ M - - r 6 4 _ _ 2 _ . _ . O L a t e x / C e m e n t ( % ) E x u M o d . A fi l ( a ) I n i t i a l T i m e o f S e t t i n g F i n a l T i m e o f S e t t i n g ( h o u r s ) I 9 5 ! . C o n f i d e n c e I n t e r v a l L a t e x / C e m e n t ( % ) H I ] x u - M o d . A I ( b ) F i n a l T i m e o f S e t t i n g F i g u r e B . 1 T i m e o f S e t t i n g T e s t R e s u l t s . 2 5 5 B . 3 . 2 . F l e x u r a l P e r f o r m a n c e : T h e f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s f o r t h e m i x e s s h o w n i n T a b l e B . 1 a r e p r e s e n t e d i n T a b l e B 4 a n d F i g u r e B . 2 . I t c a n b e s e e n f r o m t h e s e r e s u l t s t h a t , w h e n a i r c u r e d , c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h M o d i fi e r A e x h i b i t 3 2 a n d 3 6 % h i g h e r fl e x u r a l s t r e n g t h s t h a n t h o s e m o d i fi e d w i t h t h e “ n e w l a t e x " a t 1 0 a n d 1 5 % l a t e x c o n t e n t s , r e s p e c t i v e l y . C o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g , h o w e v e r , r e d u c e d t h e d i f f e r e n c e i n fl e x u r a l s t r e n g t h s o b t a i n e d w i t h t h e t w o l a t e x e s ; M o d i fi e r A p r o d u c e d o n l y 2 3 a n d 2 % h i g h e r fl e x u r a l s t r e n g t h s t h a n t h e ” n e w l a t e x ” a f t e r m o i s t c u r i n g a t 1 0 a n d 1 5 % l a t e x c o n t e n t s , r e s p e c t i v e l y . F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f fl e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s c o n fi r m e d t h a t t h e l a t e x t y p e i s a s i g n i fi c a n t f a c t o r i n d e t e r m i n i n g t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . T h i s a n a l y s i s a l s o r e v e a l e d t h a t t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n l a t e x t y p e a n d t h e c u r i n g m e t h o d u s e d i s a l s o . s i g n i fi c a n t a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . T h e r e f o r e , w i t h c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g o f t h e ” n e w l a t e x " l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e , fl e x u r a l s t r e n g t h g e t s c l o s e r t o t h a t o b t a i n e d w i t h M o d i fi e r A l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e . I t c a n t h e n b e c o n c l u d e d t h a t , w i t h p r o p e r m o i s t c u r i n g o f t h e ” n e w l a t e x " l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e , o n e m a y a c h i e v e fl e x u r a l s t r e n g t h s c o m p a r a b l e t o t h o s e o f c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h M o d i fi e r A l a t e x . P a i r w i s e c o m p a r i s o n b y s e p a r a t i o n o f m e a n s i n d i c a t e d t h a t t h e r e i s n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n b o t h l a t e x t y p e s f o r 1 5 % l a t e x c o n t e n t , a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . T i t l e I I 2 5 7 T a b l e B . 4 F l e x u r a l S t r e n g t h T e s t R e s u l t s ( k s i ) . " N e w L a t e x " M o d i fi e r A L / c = 1 0 % L / c = 1 5 % L / c = 1 0 % L l c = 1 5 % A i r 0 . 5 5 8 9 0 . 5 9 0 2 0 . 8 6 7 8 0 . 9 3 7 5 c u r i n g 0 . 5 6 2 0 0 . 5 5 1 2 0 . 8 9 1 8 0 . 8 7 6 0 M o i s t 0 . 5 9 1 8 0 . 7 2 5 3 0 . 7 9 0 4 0 . 6 9 6 7 c u r i n g 0 . 6 1 1 0 0 . 6 8 9 8 0 . 8 6 6 5 0 . 8 0 6 3 B . 3 . 3 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h : T a b l e B S a n d F i g u r e B . 3 s h o w t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . I t c a n b e s e e n f r o m t h e s e r e s u l t s t h a t c o n c r e t e m a t e r i a l s m o d i fi e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a l ” n e w l a t e x ” p r e s e n t c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s t h a t a r e l a r g e r t h a n t h o s e o b t a i n e d w i t h c o n c r e t e m o d i fi e d w i t h M o d i fi e r A i n b o t h c u r i n g c o n d i t i o n s . W h e n c o n c r e t e w a s a i r - c u r e d , o n t h e a v e r a g e , " n e w l a t e x ” p r o d u c e d 2 2 a n d 3 6 % h i g h e r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s t h a n M o d i fi e r A a t l a t e x - c e m e n t r a t i o s o f 1 0 a n d 1 5 % , r e s p e c t i v e l y . C o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g s e e m e d t o r e d u c e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s f o r b o t h l a t e x t y p e s a n d c o n t e n t s . F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s r e v e a l e d t h a t t h e l a t e x t y p e b u t n o t c u r i n g c o n d i t i o n h a d s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . I n t e r a c t i o n o f l a t e x t y p e a n d c u r i n g w e r e n o t s i g n i fi c a n t a t t h i s c o n fi d e n c e l e v e l . P a i r w i s e c o m p a r i s o n s b y s e p a r a t i o n o f m e a n s r e v e a l e d t h a t t h e r e i s a s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o b t a i n e d w i t h t h e t w o l a t e x t y p e s a t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . 2 5 8 T a b l e B . 5 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s ( k s i ) . ” N e w L a t e x " M o d i fi e r A L / c = 1 0 % L / c = 1 5 % L / c = 1 0 % L / c = 1 5 % A i r 6 . 0 1 4 8 5 . 3 2 1 1 5 . 4 5 2 3 4 . 2 4 3 2 C u r i n g 6 . 7 3 6 2 6 . 7 5 4 4 4 . 9 7 5 6 4 . 6 3 7 8 M o i s t 5 . 7 1 9 0 5 . 0 0 1 8 4 . 9 9 8 6 4 . 5 5 8 0 c . " m g 5 . 8 2 3 5 6 . 1 1 3 3 3 . 8 6 9 7 4 . 2 0 9 0 ( a ) A i r C u r i n g m o r e s s i v e S t r o n g 1 ) C o B I . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 ( b ) M o i s t C u r i n g F i g u r e B . 3 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . ” / 4 2 . 7 t e r s i t i t r e f e t e ; C 0 1 7 1 T a b ] I I 2 5 9 1 3 . 3 . 4 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h : T h e t e n s i l e b o n d s t r e n g t h t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e B 6 a n d F i g u r e B . 4 . W i t h c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g , c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h t h e “ n e w l a t e x " e x h i b i t e d 6 a n d 5 % h i g h e r t e n s i l e b o n d s t r e n g t h s t h a n t h o s e m o d i fi e d w i t h M o d i fi e r A l a t e x a t l a t e x - c e m e n t r a t i o s o f 1 0 a n d 1 5 % , r e s p e c t i v e l y . W h e n a i r - c u r e d , i n c r e a s i n g t h e l a t e x c o n t e n t f r o m 1 0 t o 1 5 % d e c r e a s e d t h e t e n s i l e b o n d s t r e n g t h o f c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h t h e ” n e w l a t e x ” ( b y a b o u t 1 3 % ) b u t i n c r e a s e d t h e t e n s i l e b o n d s t r e n g t h o f c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h M o d i fi e r A l a t e x ( b y a b o u t 3 % ) . F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e r e v e a l e d t h a t o n l y t h e c u r i n g f a c t o r w a s s i g n i fi c a n t i n d e t e r m i n i n g t h e t e n s i l e b o n d s t r e n g t h o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e a t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . I n a d d i t i o n , p a i r w i s e c o m p a r i s o n s b y s e p a r a t i o n o f m e a n s r e v e a l e d t h a t t h e r e a r e n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e t e n s i l e b o n d s t r e n g t h s c o r r e s p o n d i n g t o t h e t w o l a t e x t y p e s a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . T a b l e B . 6 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h T e s t R e s u l t s ( p s i ) . 1 J " N e w L a t e x " M o d i fi e r A L / c = 1 0 % U c = 1 5 _ % L / c = 1 0 % L / c = 1 5 % 4 3 9 . 2 3 9 9 . 6 3 9 9 . 6 4 4 9 . 1 5 0 7 . 4 4 3 6 . 4 4 8 3 . 8 4 5 9 . 6 3 9 6 . 8 4 1 5 . 8 3 6 4 . 9 3 8 1 . 2 4 0 7 . 4 4 0 7 . 4 3 9 2 . 5 4 0 1 . 0 2 6 0 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h ( p s i ) 6 0 0 I n I O I V I I 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 L a t e x / C e m e n t ( 9 6 ) l C l x u - M o d . / : I ( a ) A i r C u r i n g 0 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h ( p s i ) 9 6 $ C o n fl u e n c e I n t e r v a l 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 L a t e x / C e m e n t ( % ) L I Z ] x u W M o d . A I ( b ) M o i s t C u r i n g F i g u r e B . 4 T e n s i l e B o n d S t r e n g t h T e s t R e s u l t s . l a 2 6 1 B . 3 . 5 I m p a c t R e s i s t a n c e : T h e i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e B 7 a n d F i g u r e B . 5 . L a r g e V a r i a t i o n s i n i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s p r e v e n t e d u s f r o m m a k i n g a n y s t a t i s t i c a l l y s o u n d c o n c l u s i o n s . W h e n c o n c r e t e w a s a i r - c u r e d , o n t h e a v e r a g e , M o d i fi e r A l a t e x h a d h i g h e r i m p a c t r e s i s t a n c e t h a n t h e " n e w l a t e x ” b y a b o u t 6 5 0 % a n d 1 3 0 % a t l a t e x - c e m e n t r a t i o s o f 1 0 a n d 1 5 % , r e s p e c t i v e l y . C o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g s e e m e d t o i n c r e a s e t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e ” n e w l a t e x ” . O n t h e a v e r a g e , f o l l o w i n g c o n t i n u o u s m o i s t c u r i n g , t h e ” n e w l a t e x ” h a d a b o u t 3 0 0 % h i g h e r a n d 2 1 % l o w e r i m p a c t r e s i s t a n c e s t h a n M o d i fi e r A a t l a t e x - c e m e n t r a t i o s o f 1 0 a n d 1 5 % , r e s p e c t i v e l y . T a b l e B . 7 I m p a c t R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s ( n o . o f b l o w s ) . " N e w L a t e x " L / c = 1 0 % L / c = 1 5 % L / c = 1 0 % L / c = 1 5 % 1 0 0 6 6 5 3 5 5 1 0 9 6 7 2 1 3 5 8 5 8 5 2 2 0 1 5 5 5 5 7 0 a m . . . . - . . H - _ - a m E 3 . 1 1 0 1 I I 2 6 3 F l e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e d e p e n d s o n b o t h t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l a n d i t s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . I n c r e a s i n g t h e t o u g h n e s s c a n t h e r e f o r e h e l p i n c r e a s e t h e fl e x u r a l s t r e n g t h e v e n i f t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s l o w . M o i s t c u r i n g o f t h e ” n e w l a t e x ” d o e s n o t d o m u c h t o i t s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h b u t i n c r e a s e s i t s i m p a c t r e s i s t a n c e ( r e p r e s e n t i n g t o u g h n e s s ) t h u s h e l p i n g w i t h t h e fl e x u r a l s t r e n g t h . H e n c e , t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l i s i n c r e a s e d w i t h m o i s t c u r i n g n o t b e c a u s e o f t h e i n c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , b u t b e c a u s e t h e i m p a c t r e s i s t a n c e a n d t h u s t h e t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l i n c r e a s e s . B . 3 . 6 A b r a s i o n R e s i s t a n c e : T h e a b r a s i o n r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e B 8 a n d F i g u r e B . 6 . I t c a n b e s e e n t h a t , a t a l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 1 0 % , c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h t h e " n e w l a t e x " a r e s l i g h t l y m o r e a b r a s i o n r e s i s t a n t . H o w e v e r , t h i s b e h a v i o r i s r e v e r s e d a t a l a t e x - c e m e n t r a t i o o f 1 5 % . F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e d i d n o t r e v e a l t h e s i g n i fi c a n c e o f a n y f a c t o r o r i n t e r a c t i o n e f f e c t s i n d e c i d i n g a b r a s i o n r e s i s t a n c e . P a i r w i s e c o m p a r i s o n s b y s e p a r a t i o n o f m e a n s c o n fi r m e d t h a t t h e r e a r e n o s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e a b r a s i o n r e s i s t a n c e o b t a i n e d w i t h t h e t w o l a t e x t y p e s a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . T a b l e B . 8 A b r a s i o n R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s ( g r a m s ) . M o d i fi e r A L / c = 1 5 % 2 6 4 W e i g h t L o s s ( g r a m S I L a t e x / C e m e n t ( % ) I C l x u / M o c 1 . A I F i g u r e B . 6 A b r a s i o n R e s i s t a n c e T e s t R e s u l t s . B . 3 . 7 C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y : T a b l e B . 9 a n d F i g u r e B . 7 s h o w t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y t e s t r e s u l t s . W h i l e M o d i fi e r A p e r f o r m s b e t t e r t h a n t h e ” n e w l a t e x " i n d r y c u r i n g c o n d i t i o n s , m o i s t c u r i n g i n fl u e n c e s t h e " n e w l a t e x " e f f e c t s f a v o r a b l y ; " n e w l a t e x “ a t 1 5 % l a t e x c o n t e n t p e r f o r m s s l i g h t l y b e t t e r t h a n t h e M o d i fi e r A a f t e r m o i s t c u r i n g . f F a c t o r i a l a n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t b o t h l a t e x t y p e a n d c o n t e n t h a v e s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . C u r i n g , h o w e v e r , d i d n o t h a v e a s i g n i fi c a n t e f f e c t . P a i r w i s e c o m p a r i s o n s b y s e p a r a t i o n o f m e a n s s h o w e d t h a t t h e r e i s n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n M o d i fi e r A a n d ” n e w l a t e x ” w h e n m o i s t c u r e d a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . t h e i r : ‘ i i t i t i t s o b i z i i T i b ‘ . l l " t a w l 2 6 5 W h e n a i r - c u r e d , a s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o l a t e x e s w a s o b t a i n e d a t 1 5 % l a t e x - c e m e n t r a t i o a t 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . T h r o u g h p r o p e r m o i s t c u r i n g , t h e ” n e w l a t e x ” i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y l e v e l s c o m p a r a b l e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h t h e M o d i fi e r A l a t e x . T a b l e B . 9 I — C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y T e s t R e s u l t s ( C o u l o m b s ) . " N e w l a t e x " M o d i fi e r A L l c = 1 0 % L / c = 1 5 % L l c = 1 0 % L / c = 1 5 % 1 5 9 7 1 0 0 2 1 4 2 1 8 4 1 1 6 1 0 1 5 1 6 1 0 9 6 8 4 5 1 3 9 3 9 9 7 1 3 0 1 1 4 8 1 1 1 0 6 1 3 2 5 F i g u . 2 6 7 B . 4 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S T h i s e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n w a s p e r f o r m e d t o e v a l u a t e c o n c r e t e m a t e r i a l s m o d i fi e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a l l a t e x t h e " n e w l a t e x " a n d c o m p a r e t h e m t o c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h t h e M o d i fi e r A l a t e x . A 2 x 2 x 2 f a c t o r i a l e x p e r i m e n t a l d e s i g n w a s f o l l o w e d w i t h t h e m a i n v a r i a b l e s b e i n g t h e l a t e x t y p e a n d c o n t e n t a n d t h e c u r i n g t e c h n i q u e a d o p t e d . F a c t o r i a l a n a l y s e s o f v a r i a n c e ( A N O V A ) a n d s t a t i s t i c a l p a i r w i s e c o m p a r i s o n s b y s e p a r a t i o n o f m e a n s w e r e t h e s t a t i s t i c a l t o o l s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n t o a n a l y z e t h e o b t a i n e d t e s t r e s u l t s . T h e r e s u l t s o f t h e t e s t s p e r f o r m e d i n t h i s s t u d y i n d i c a t e d t h a t : . l . L a t e x t y p e a n d c o n t e n t d i d n o t h a v e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n s e t t i n g t i m e s a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . 2 . l a t e x t y p e h a s a s i g n i fi c a n t e f f e c t o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e ; a s i g n i fi c a n t i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e l a t e x t y p e a n d t h e c u r i n g m e t h o d w a s c o n fi r m e d a t t h e 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . W i t h p r o p e r m o i s t c u r i n g o f t h e " n e w l a t e x ” - m o d i fi e d c o n c r e t e , o n e m a y a c h i e v e fl e x u r a l s t r e n g t h s c o m p a r a b l e t o t h o s e o f c o n c r e t e s m o d i fi e d w i t h M o d i fi e r A l a t e x a t 1 5 % l a t e x c o n t e n t . A i r - d r y i n g a f t e r a s h o r t p e r i o d o f m o i s t c u r i n g i s n o t s u i t a b l e f o r ” n e w l a t e x " - m o d i fi e d c o n c r e t e . 3 . L a t e x t y p e b u t n o t c u r i n g c o n d i t i o n h a d s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . ” n e w l a t e x ” - m o d i fi e d c o n c r e t e p r o d u c e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s t h a t w e r e 2 2 a n d 3 6 % h i g h e r t h a n t h o s e f r o m M o d i fi e r A - m o d i fi e d c o n c r e t e s a t 1 0 a n d 1 5 % 2 6 8 l a t e x c o n t e n t s , r e s p e c t i v e l y . 4 . O n l y t h e c u r i n g m e t h o d f a c t o r w a s f o u n d t o b e s i g n i fi c a n t i n d e t e r m i n i n g t h e t e n s i l e b o n d s t r e n g t h o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e a t t h e 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e . T h e t w o l a t e x t y p e s p r o d u c e d s t a t i s t i c a l l y i d e n t i c a l b o n d s t r e n g t h s . 5 . L a r g e v a r i a t i o n s i n i m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s , w h i c h a r e i n h e r e n t t o t h e t e s t m e t h o d u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n , p r e v e n t e d u s f r o m m a k i n g a n y s t a t i s t i c a l l y s o u n d c o n c l u s i o n s r e g a r d i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f l a t e x - m o d i fi e d c o n c r e t e . 6 . N o s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s w e r e f o u n d b e t w e e n t h e a b r a s i o n r e s i s t a n c e o b t a i n e d w i t h t h e t w o l a t e x t y p e s a t d i f f e r e n t d o s a g e s a t t h e 9 5 % c o n fi d e n c e l e v e l . 7 . T h e r e i s n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n M o d i fi e r A a n d ” n e w l a t e x " , a t 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e , a s f a r a s t h e i r e f f e c t s o n t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f m o i s t - c u r e d c o n c r e t e a r e c o n c e r n e d . l a t e x t y p e h a s a n e f f e c t o n t h e c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y i n a i r - c u r e d c o n d i t i o n ; h o w e v e r , t h r o u g h p r o p e r m o i s t c u r i n g , t h e ” n e w l a t e x ” i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g p e r m e a b i l i t y l e v e l s c o m p a r a b l e t o t h o s e o b t a i n e d w i t h t h e M o d i fi e r A l a t e x . A P P E N D I X C A P P E N D I X C S I Z E E F F E C T I N C O N C R E T E M A T E R I A L S C . 1 I N T R O D U C T I O N I n e n g i n e e r i n g d e s i g n , t h e r e h a s a l w a y s e x i s t e d a d i f fi c u l t y i n t h a t t h e r e s u l t s o f t e s t s o n s m a l l l a b o r a t o r y s p e c i m e n s c a n n o t q u i t e a c c u r a t e l y p r e d i c t t h e b e h a v i o r o f l a r g e s t r u c t u r a l p a r t s , p a r t i c u l a r l y w h e n t h e t w o e x t r e m e s o f s c a l e d i f f e r b y a w i d e m a r g i n . " S i z e e f f e c t s " i s t h e c h a n g e , u s u a l l y a n i n c r e a s e , i n s t r e n g t h t h a t o c c u r s w h e n t h e s p e c i m e n s i z e i s d e c r e a s e d . U n d e r s t a n d i n g o f t h e s t r u c t u r a l s i z e e f f e c t i s i m p o r t a n t f o r c o r r e c t i n t e r p r e t a t i o n o f t e s t d a t a . M o s t l a b o r a t o r y t e s t s a r e c a r r i e d o u t o n t e s t s p e c i m e n s w i t h s t a n d a r d d i m e n s i o n s f r o m w h i c h g e n e r a l i z a t i o n s m u s t b e m a d e f o r a c t u a l s t r u c t u r e s . T h i s s i z e e f f e c t p h e n o m e n o n i s n o t y e t f u l l y u n d e r s t o o d . M a n y t h e o r i e s f o r e x p l a i n i n g s i z e e f f e c t s h a v e b e e n d e v e l o p e d o v e r t i m e . T h i s l i t e r a t u r e r e v i e w s u m m a r i z e s t h e p r e v i o u s w o r k o n t h i s s u b j e c t w i t h e m p h a s i s o n t h e m a j o r t h e o r i e s d e v e l o p e d , f a c t o r s i n fl u e n c i n g s i z e e f f e c t i n c o n c r e t e , a n d t h e e x p e r i m e n t a l w o r k p e r f o r m e d . 2 6 9 2 7 0 C . 2 F A C T O R S I N F L U E N C I N G S I Z E E F F E C T S W h e n i n v e s t i g a t i n g t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e , i t i s i m p o r t a n t t o r e c o g n i z e f a c t o r s t h a t c o n t r i b u t e d i r e c t l y t o t h e o b s e r v e d c h a n g e s i n p r o p e r t i e s w i t h s i z e s o t h a t o n e c o u l d t a k e t h e n e c e s s a r y p r e c a u t i o n s i n d e s i g n a n d i n t e r p r e t a t i o n o f r e s u l t s . C . 2 . 1 C o m p a c t i o n , D e n s i t y , a n d L o s s o f W a t e r C o m p a c t i o n i s a n i m p o r t a n t v a r i a b l e a f f e c t i n g c o n c r e t e s t r e n g t h ; s m a l l e r s p e c i m e n s t e n d t o a c h i e v e b e t t e r c o m p a c t i o n , h i g h e r d e n s i t y , a n d t h u s h i g h e r s t r e n g t h . “ T h i s i s p a r t i c u l a r l y t r u e w h e n s t a n d a r d c o m p a c t i o n p r o c e d u r e s a r e f o l l o w e d , i n v o l v i n g a g i v e n p e r i o d o f v i b r a t i o n o r s p e c i fi c n u m b e r o f t a m p i n g . L a r g e r s p e c i m e n s w i l l h a v e m o r e i n t e r n a l v o i d s a n d e n t r a p p e d a i r . T h e s i z e e f f e c t d u e t o t h i s f a c t o r w i l l b e m i n i m i z e d w h e n u n i f o r m c o m p a c t i o n i s a c h i e v e d . W a t e r l o s s f r o m s p e c i m e n s d u r i n g c a s t i n g c a n v a r y w i t h s i z e a n d c a u s e d i f f e r e n t q u a l i t i e s i n t h e c a s t m a t e r i a l . A c o n t r o l l e d h u m i d i t y r o o m d u r i n g c a s t i n g a n d w a t e r - t i g h t m o l d s a r e n e e d e d t o m i n i m i z e t h i s s o u r c e o f v a r i a b i l i t y a n d s i z e e f f e c t s . C . 2 . 2 C u r i n g a n d D r y i n g S i n c e t h e s u r f a c e - v o l u m e r a t i o i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s e i n s p e c i m e n s i z e , c u r i n g o f t w o s p e c i m e n s o f d i f f e r e n t s i z e w i l l t a k e p l a c e a t d i f f e r e n t r a t e s . T h e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l w i l l v a r y f r o m t h e s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n t o i t s c e n t e r , s i n c e h y d r a t i o n m a y n o t b e u n i f o r m t h r o u g h o u t t h e s p e c i m e n a t t h e t i m e o f t e s t i n g . " 2 7 1 C . 2 . 3 S t r a i n R a t e H i g h e r l o a d i n g r a t e s l e a d t o h i g h e r s t r e n g t h s . I n a g i v e n t e s t i n g m a c h i n e , w i t h t h e r a t e o f c r o s s h e a d m o v e m e n t k e p t c o n s t a n t , s m a l l e r s p e c i m e n s w i l l e x p e r i e n c e h i g h e r s t r a i n r a t e s . A s t h e s p e c i m e n s i z e i s d e c r e a s e d , t h e c r o s s h e a d m o v e m e n t r a t e s h o u l d b e r e d u c e d a c c o r d i n g l y . H o w e v e r , w i t h v e r y s m a l l s p e c i m e n s i t i s n o t a l w a y s p o s s i b l e t o a c h i e v e t h e r e q u i r e d l o w r a t e s o f c r o s s h e a d m o v e m e n t w i t h e x i s t i n g t e s t i n g e q u i p m e n t , w h i c h c o n t r i b u t e s t o t h e i r a p p a r e n t i n c r e a s e d s t r e n g t h . 7 4 C . 2 . 4 T h e S t a t e o f S t r e s s T h e s t a t e o f s t r e s s , s u c h a s c o m p r e s s i o n , t e n s i o n a n d fl e x u r e , i n fl u e n c e s t h e s t r e n g t h o f t h e s p e c i m e n . T h e s t r e n g t h o f c o m p r e s s i v e s p e c i m e n s d e p e n d s o n t h e a c c u r a c y o f t h e l o a d e d e n d s , a n d o n p a r a l l e l i s m , i f r o t a t i n g h e a d s a r e n o t u s e d . I t i s p o s s i b l e t o a c h i e v e a h i g h e r l e v e l o f c a p p i n g a c c u r a c y i n s m a l l e r c y l i n d e r s , a n d t h e r e f o r e w i l l h a v e h i g h e r s t r e n g t h i n c r e a s e s w i t h a n i n c r e a s e i n s t r a i n g r a d i e n t . T h u s , s m a l l e r b e a m s a r e e x p e c t e d t o s h o w h i g h e r fl e x u r a l s t r e n g t h , a s a r e s u l t o f t h e h i g h e r s t r a i n g r a d i e n t . ” C . 2 . 5 T e s t i n g M a c h i n e a n d L o a d i n g P l a t e s S t i f f e n d p l a t e s t e n d t o a p p l y u n i f o r m s t r a i n c o n d i t i o n s t o t h e s p e c i m e n a n d r e s u l t i n h i g h e r s t r e n g t h t h a n t h i n n e r p l a t e s , w h i c h t e n d t o l e a d t o a s t a t e o f u n i f o r m s t r e s s . A l s o , e n d p l a t e s r e s t r a i n l a t e r a l m o v e m e n t s o f s p e c i m e n s a n d i n d u c e l a t e r a l s t r e s s e s a t b o t h e n d s . T h e h i g h e r t h e l a t e r a l r e s t r a i n t , t h e h i g h e r t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w i l l b e . ” 2 7 2 C . 3 T H E O R E T I C A L S T U D I E S O N S I Z E E F F E C T T h e a s s u m p t i o n s o f r a n d o m h e t e r o g e n e i t y o f m a t e r i a l s h a v e l e d t o t h e o r e t i c a l e x p l a n a t i o n s o f s i z e e f f e c t s b a s e d o n c o n c e p t s o f p r o b a b i l i t y , t h e b a s i c p h i l o s o p h y b e i n g t h a t t h e f a i l u r e i n h e t e r o g e n e o u s m a t e r i a l s i s a s t a t i s t i c a l p h e n o m e n o n . T h u s , t h e l a r g e r t h e v o l u m e , t h e g r e a t e r t h e c h a n c e s f o r f a i l u r e w h i c h w i l l r e s u l t i n l o w e r s t r e n g t h . G e n e r a l l y , s p e c i m e n s o f s m a l l e r s i z e a r e o b s e r v e d t o h a v e h i g h e r s t r e n g t h s . A l s o , t h e s c a t t e r i n s t r e n g t h i s g e n e r a l l y g r e a t e r i n t h e s m a l l e r s p e c i m e n s . T h e b a s i c a p p r o a c h i n s t a t i s t i c a l t h e o r i e s o f s t r e n g t h i s t o e v o l v e a s t a t i s t i c a l d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n t h a t a d e q u a t e l y c h a r a c t e r i z e s t h e r a n d o m h e t e r o g e n e i t y o f m a t e r i a l s a n d t h e v a r i a t i o n ( s c a t t e r ) i n t h e i r s t r e n g t h . I n e f f e c t , i t i d e n t i fi e s a d m i s s i b l e f o r m s o f d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s w i t h s u i t a b l e p a r a m e t e r s t h a t r e fl e c t a c c u m m e t h e t r u e m a t e r i a l b e h a v i o r a n d a r e a l i s t i c m e c h a n i s m o f f a i l u r e f o r w h i c h t h e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n i s a p p l i e d . C . 3 . 1 S t a t i s t i c a l T h e o r i e s o f S i z e E f f e c t C . 3 . 1 . 1 W e a k e s t L i n k T h e o r y o f W e i b u l l I n t h i s t h e o r y , t h e p r e s e n c e o f a s i n g l e s e v e r e d e f e c t i n a n y o f t h e c o n s t i t u e n t e l e m e n t s i s a d e q u a t e t o c a u s e f a i l u r e o f t h e t o t a l m a t e r i a l . C o n s e q u e n t l y , t h e o v e r a l l s t r e n g t h o f a s p e c i m e n s u b j e c t e d t o u n i f o r m s t r e s s i s d e t e r m i n e d b y t h e s t r e n g t h o f t h e w e a k e s t e l e m e n t p r e s e n t ? " 7 ’ W e i b u l l r e g a r d e d t h e s p e c i m e n a s a n e n s e m b l e o f a v e r y l a r g e n u m b e r o f p r i m a r y e l e m e n t s . H e c o n s i d e r e d t h e f a i l u r e o f t o t a l m a t e r i a l t h e s a m e a s t h a t o f a n y o n e o f t h e p r i m a r y e l e m e n t s o r o f t h e w e a k e s t l i n k . T h e l a r g e r t h e s i z e , t h e g r e a t e r t h e n u m b e r o f p r i m a r y e l e m e n t s a n d t h e g r e a t e r t h e 2 7 3 p r o b a b i l i t y o f fi n d i n g a l o w e r s t r e n g t h w e a k e s t l i n k . I n t h e c a s e o f a b e a m , t h e w e a k e s t l i n k t h e o r y i m p l i e s t h a t t h e s t r e n g t h w i l l d e p e n d o n t h e s t r e s s e d v o l u m e a n d h e n c e o n t h e l e n g t h , w i d t h a n d d e p t h o f b e a m . A c c o r d i n g t o W e i b u l l , t h e s t r e n g t h s S , a n d S , o f t w o d i f f e r e n t s i z e s p e c i m e n s w i t h s t r e s s e d v o l u m e s V 1 a n d V 2 c a n b e e x p r e s s e d a s : ( l ) w h e r e , m = c o n s t a n t r e l a t e d t o p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l . T h e s m a l l e r t h e v a l u e o f m , t h e l a r g e r w i l l b e t h e s i z e e f f e c t , w i t h a n i n fi n i t e l y l a r g e m i n d i c a t i n g n o s i z e e f f e c t . E x p e r i m e n t a l d a t a o f m o r t a r b e a m s h o w s g o o d a g r e e m e n t w i t h a v a l u e o f m = 1 0 . C . 3 . 1 . 2 C l a s s i c a l T h e o r y o f " B u n d l e d S t r e n g t h " I n t h i s c o n c e p t , t h e s t r e n g t h i s n o t o n l y d e t e r m i n e d b y t h a t o f t h e w e a k e s t e l e m e n t b u t i s d e p e n d e n t o n t h e s t r e n g t h o f t h e e l e m e n t s i n t h e n e i g h b o r h o o d . I n t h i s m o d e l , t h e s p e c i m e n i s a s s u m e d t o b e m a d e u p o f p a r a l l e l fi b e r s ( e l e m e n t s ) , a n d i n s u c h a s i t u a t i o n t h e g r o s s s t r e n g t h a s f a i l u r e i s i n fl u e n c e d b y t h e s t r e n g t h o f a l l c o n s t i t u e n t fi b e r s . T h e c o n c e p t o f t h i s t h e o r y l i e s i n t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e b u l k s p e c i m e n c o n s i s t s o f p a r a l l e l e l e m e n t s a n d t h a t t h e i n s t a b i l i t y o r f a i l u r e o f o n e e l e m e n t w i l l n o t l e a d t o t o t a l f r a c t u r e , r a t h e r i t w i l l b e s t o p p e d b e f o r e i t p r o p a g a t e s f r o m l o c a l t o b u l k s c a l e . ” 9 ° T h i s m e a n s t h a t t h e w e a k e s t v o l u m e e l e m e n t c o n t a i n i n g t h e f a i l u r e i s s u r r o u n d e d b y e l e m e n t s o f s u c h h i g h l o c a l s t r e n g t h t h a t t h e s t r e s s c a n i e d b y t h e w e a k e s t e l e m e n t p r i o r t o i t s f a i l u r e c a n i n d e e d b e t r a n s f e r r e d t o t h e e l e m e n t s . T h e 2 7 4 f r a c t u r e p r o c e s s s t a r t s a t t h e w e a k e s t p o i n t i n t h e b u n d l e , b u t , c o n t r a r y t o t h e w e a k e s t l i n k m o d e l , i t d o e s n o t n e c e s s a r i l y p r o p a g a t e u n l e s s , i n a b u n d l e o f t o t a l fi l a m e n t s ( n ) o f ( w e a k e s t l i n k ) s t r e n g t h s 0 . , a “ , , a : , 0 1 a r r a n g e d i n t h e o r d e r o f t h e i r c o n s e c u t i v e f a i l u r e , t h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n s a r e s a t i s fi e d : O s o n s — S — = s n 2 1 1 1 S S = s i r - l ( n - 1 ) A o n s o r l ( 2 ) a 3 s o z s = 5 2 E 1 O S O S S ‘ S 2 1 A 1 w h e r e , s , = s t r e s s i n i n d i v i d u a l e l e m e n t i ; a n d S = t o t a l a p p l i e d f o r c e . C . 3 . 1 . 3 N i e l s e n ’ s ” S u r f a c e T h e o r y " H e r e i t i s a s s u m e d t h a t f a i l u r e o f a b e a m i s d e t e r m i n e d b y t h e t h i n s u r f a c e l a y e r o f t h e t e n s i o n z o n e , a n d i f t h i s s u r f a c e l a y e r i s a s s u m e d t o b e b r i t t l e , W e i b u l l ’ s t h e o r y m a y b e a p p l i e d t o t h e t e n s i o n e d s u r f a c e . T h i s i m p l i e s t h a t t h e fl e x u r a l s t r e n g t h w o u l d d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g l e n g t h a n d w i d t h b u t s h o u l d b e i n d e p e n d e n t o f d e p t h . ” C . 3 . 1 . 4 T u c k e r ’ s S t r e n g t h S u m m a t i o n T h e o r y T h i s t h e o r y i s b a s e d o n t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e s t r e n g t h o f a s p e c i m e n i s e q u a l t o t h e s u m o f s t r e n g t h s c o n t r i b u t e d b y c o m p o n e n t p a r t s , o r e l e m e n t s . T h e s p e c i m e n i s a s s u m e d t o h a v e p a r a l l e l l i n k a s s e m b l y . T h u s , t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f a b e a m s p e c i m e n d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g l e n g t h a n d i n c r e a s i n g d e p t h , a s g o v e r n e d b y t h e w e a k e s t - l i n k t h e o r y , b u t i s i n d e p e n d e n t o f t h e w i d t h ? " 9 ’ 2 7 5 C . 3 . 2 N o n l i n e a r F r a c t u r e M e c h a n i c s - B a s e d T h e o r i e s T h e t w o c o m m o n f a i l u r e m o d e s a r e : 1 . E l a s t i c o r P l a s t i c m o d e ( h o r i z o n t a l l i n e o f F i g u r e s C . 1 a n d C . 2 ) 2 . L i n e a r E l a s t i c F r a c t u r e M e c h a n i c s ( l i n e s o f F i g u r e s C . l a n d C . 2 w i t h s l o p e = - 1 / 2 ) T h e p h y s i c a l e v i d e n c e d e r i v e d b y m e a n s o f e x p e r i m e n t s t e l l s u s t h a t a n i n t e r a c t i o n d o e s e x i s t b e t w e e n t h e s e t w o f a i l u r e m o d e s . T h i s i n t e r a c t i o n i s w h a t e a u s e s t h e " t r a n s i t i o n z o n e " . T h i s f a c t i n t r o d u c e s t h e n e c e s s i t y o f c o n s i d e r i n g n o n - l i n e a r f r a c t u r e m e c h a n i c s ( N L F M ) . T h e f a i l u r e p h e n o m e n a a r e d e p e n d e n t o n t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s ( K m , 0 , ) , o n t h e s i z e h , o n t h e g e o m e t r y i n c l u d i n g r e l a t i v e c r a c k d e p t h a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s . I n t h i s s e n s e , f a i l u r e c a n b e c o n s i d e r e d a f u n c t i o n o f t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s a n d o f t h e s t r u c t u r a l s h a p e a n d l o a d i n g c o n d i t i o n . T h e n f a i l u r e i s n o t o n l y a r e s u l t o f m a t e r i a l b e h a v i o r b u t a l s o o f t h e t y p e o f s t r u c t u r e : t h i s i s a n e v i d e n t ” s t r u c t u r a l e f f e c t . ” 7 ’ C o n c r e t e a n d m o r t a r a r e h e t e r o g e n e o u s m a t e r i a l s w h i c h e x h i b i t , d u r i n g f a i l u r e , d o m i n a n t c r a c k s t h a t c a n ’ t b e a d e q u a t e l y m o d e l l e d b y t h e c l a s s i c a l i d e a l i z a t i o n o f l i n e c r a c k w i t h a s h a r p t i p . T h e ” p r o c e s s z o n e " , i n w h i c h h i g h g r a d i e n t u l t r a — e l a s t i c d e f o r m a t i o n p h e n o m e n a a r e p r e s e n t , i s f o r m e t a l s l o c a l i z e d i n a r e g i o n t h a t i s u s u a l l y s m a l l c o m p a r e d t o t h e u s u a l b o d y d i m e n s i o n u t i l i z e d f o r t e s t s p e c i m e n s . I n c o n c r e t e m a t e r i a l s , t h e f r a c t u r e ” p r o c e s s z o n e ” o c c u r s o v e r a r e l a t i v e l y l a r g e r e g i o n c o m p a r e d t o t h e d i m e n s i o n o f u s u a l t e s t s p e c i m e n s ; i n m a n y c a s e s t h e z o n e i s o f t h e s a m e o r d e r o f m a g n i t u d e a s t h e s i z e o f t h e s p e c i m e n i t s e l f . T h e r e f o r e , w e n e e d t o t a k e i n t o a c c o u n t t h e p h e n o m e n a o c c u r r i n g i n t h e p r o c e s s z o n e . F o r c o n c r e t e m a t e r i a l s , t h e s e 2 7 6 p h e n o m e n a m a y b e d e s c r i b e d b y a s t r e s s - s t r a i n s o f t e n i n g r e l a t i o n , o r b y a s t r e s s - d i s p l a c e m e n t r e l a t i o n w i t h s o f t e n i n g . T h e l e a d i n g p a r a m e t e r d u r i n g f r a c t u r e i s " t h e a m o u n t o f e n e r g y c o n s u m e d f o r t h e c r e a t i o n o f u n i t a r y n e w e x t e r n a l s u r f a c e s “ i n a s t r e s s e d b o d y . D u r i n g fi a c t u r e ( o r c r a c k p r o p a g a t i o n ) t h i s e n e r g y i s f u r n i s h e d b y t h e w o r k o f e x t e r n a l f o r c e s a n d b y t h e r e l e a s e o f e l a s t i c e n e r g y s t o r e d i n t h e b o d y ( s t r u c t u r e ) . T h e l a t t e r d e p e n d s o n t h e l o a d s , t h e e l a s t i c p a r a m e t e r s a n d t h e g e o m e t r y o f t h e s t r u c t u r e . T h e c o n c r e t e - l i k e m a t e r i a l s a r e s u p p o s e d t o b e h a v e a c c o r d i n g t o t h e 3 m o d e l s f o r s t r a i n l o c a l i z a t i o n : c r a c k l i n e m o d e l , c r a c k b a n d m o d e l , o r a r b i t r a r y s h a p e d d a m a g e d z o n e . T o p r e d i c t t h e b e h a v i o r i n t h e n o n - l i n e a r r a n g e w h e r e l i n e a r e l a s t i c f r a c t u r e m e c h a n i c s ( L E F M ) c a n n o t b e a p p l i e d , d i f f e r e n t a p p r o a c h e s h a v e b e e n p r o p o s e d b y H i l l e r b o r g ( 1 9 8 6 ) a n d B a z a n t ( 1 9 8 4 , 1 9 8 7 ) . T h e i r m o d e l s d o n o t i n c l u d e a g l o b a l f r a c t u r e c r i t e r i o n a n d a r e a b l e t o d e s c r i b e a p r o g r e s s i v e fi a c t u r i n g o f t h e m a t e r i a l w i t h o u t s t r e s s s i n g u l a r i t i e s . T h e y a r e c a l l e d P r o g r e s s i v e F r a c t u r e M o d e l s , a n d t h e y p e r m i t a d e s c r i p t i o n o f a s m o o t h t r a n s i t i o n f r o m t h e c o n t i n u o u s m e d i u m t o t h e d i s c o n t i n u o u s ( f u l l y f r a c t u r e d ) o n e , a n d t h e y r e l y o n t w o b a s i c c o n c e p t s : S t r a i n S o f t e n i n g a n d S t r a i n L o c a l i z a t i o n . C . 3 . 2 . l H i l l e r b o r g ’ s C o h e s i v e / F i c t i t i o u s C r a c k M o d e l : I n t h i s m o d e l s t r a i n l o c a l i z a t i o n i s m o d e l l e d a s a c r a c k . I n a d d i t i o n , t h e b u l k b e h a v i o r i s g e n e r a l l y a s s u m e d t o b e i s o t r o p i c l i n e a r e l a s t i c , h e n c e d e fi n e d b y a n e l a s t i c m o d u l u s , E , a n d a P o i s s o n ’ s r a t i o , 0 . W h e n t h e m a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s r e a c h e s t h e t e n s i l e s t r e n g t h f , , f r a c t u r e s t a r t s a s a c o h e s i v e ( s t r e s s t r a n s f e r r i n g ) c r a c k n o r m a l t o t h e m a x i m u m t e n s i l e 2 7 7 s t r e s s d i r e c t i o n . O n c e t h e c o h e s i v e c r a c k h a s f o r m e d , t h e s t r e s s t r a n s f e r r e d t h r o u g h t h e c r a c k f a c e s i s a s s u m e d t o b e d e p e n d e n t u p o n t h e r e l a t i v e d i s p l a c e m e n t o f t h e c r a c k f a c e s . F o r p u r e o p e n i n g , t h e t r a n s f e r r e d s t r e s s , a , i s n o r m a l t o t h e c r a c k f a c e s a n d i s u s u a l l y a s s u m e d t o d e p e n d o n l y o n t h e e v o l u t i o n o f ( n o r m a l ) c r a c k o p e n i n g w . H i l l e r b o r g o b t a i n e d t h e d i a g r a m s o f F i g u r e C . 1 . “ ; ” - 3 " 7 2 H i s a p p r o a c h s h o w s t h e p o s s i b i l i t y o f d e s c r i b i n g t h e ” t r a n s i t i o n ” p h e n o m e n a a s a f u n c t i o n o f a n o n - d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r r e p r e s e n t e d b y t h e r a t i o : d / l d , w h e r e : 5 . 0 1 . 1 = " ( 3 ) I ? d = h = t h e " s i z e " o f e l e m e n t G F = m e a n e n e r g y p e r u n i t a r e a o f f o r m e d c r a c k . 3 ° M T 3 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - — i 2 . 5 . a i t . i 2 . 0 t I . W u 1 . 0 . . A A M ‘ . g L L A A A l 0 . ‘ r 3 . 0 5 0 . 1 . , 0 . 2 0 . 5 1 2 s I d - l m d , F i g u r e C . l T h e o r e t i c a l V a r i a t i o n i n B e n d i n g S t r e n g t h o f a N o t c h e d B e a m . 2 7 8 T h e fi g u r e s h o w s t h e s t r o n g r e d u c t i o n o f " m a x i m u m l o a d " d e r i v e d f r o m t h e m o d e l i n c o m p a r i s o n w i t h t h e v a l u e o n e c a n o b t a i n a p p l y i n g L i n e a r E l a s t i c F r a c t u r e M e c h a n i c s ( L E F M ) o r L i m i t A n a l y s i s ( L A ) i s e v i d e n t . T o r e p r e s e n t t h i s a s p e c t , t h e ( e n e r g e t i c ) b r i t t l e n e s s n u m b e r c a n a l s o b e u t i l i z e d : G 5 5 = F = b r i t t l e n e s s n u m b e r o n } ! w h e r e , a u = f , = u l t i m a t e t e n s i l e s t r e s s , a n d h = " c h a r a c t e r i s t i c s i z e " C o n s i d e r i n g , K 1 2 1 : I C ( E ) t F r o m E q u a t i o n ( 4 ) , w e g e t : 2 - K 1 0 _ 2 3 5 ‘ - — e . . s E . o . . h w h e r e , 6 , , = a , / E , a n d h = d H e n c e , 1 - 1 - 5 - 1 . 1 1 : ] . K ; - 6 ' 2 C . 3 . 2 . 2 B a z a n t ’ s C r a c k B a n d M o d e l : T h i s m o d e l r e p r e s e n t s t h e o r i e s ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) m o d e l l i n g t h e s t r a i n l o c a l i z a t i o n a s a s o f t e n i n g b a n d o f c o n s t a n t t h i c k n e s s . I t a s s u m e s t h a t f o r c o n c r e t e , t h e b u l k b e h a v i o r i s g e n e r a l l y a s s u m e d t o b e i s o t r o p i c l i n e a r e l a s t i c , h e n c e d e fi n e d b y a n e l a s t i c m o d u l u s , E , a n d a P o i s s o n ’ s r a t i o , 0 . T h e b e h a v i o r a t a 2 7 9 p o i n t i s u s u a l l y ( f o r i s o t r o p i c m a t e r i a l s ) a s s u m e d t o b e e l a s t i c u n t i l t h e m o m e n t w h e r e t h e m a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s s r e a c h e s t h e t e n s i l e s t r e n g t h f , . A t t h i s m o m e n t , t h e f r a c t u r e s t a r t s a s a n a r r a y o f d e n s e l y a n d u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d c r a c k s , n o r m a l t o t h e m a x i m u m t e n s i l e s t r e s s d i r e c t i o n , a n d d i s t r i b u t e d o v e r t h e b a n d t h i c k n e s s h e . O n c e t h e c r a c k b a n d h a s f o r m e d , t h e c r a c k o r i e n t a t i o n r e m a i n s fi x e d a n d i t i s a s s u m e d t h a t t h e s t r e s s t e n s o r a n d t h e s t r a i n t e n s o r r e m a i n u n i f o r m t h r o u g h t h e b a n d t h i c k n e s s . S t r e s s e s a n d s t r a i n s a r e r e l a t e d t h r o u g h a c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n d i s p l a y i n g s o f t e n i n g . ” 1 8 , 7 2 T h e m o d e l o f f r a c t u r e s u g g e s t e d b y B a z a n t c a n c o v e r t h e s i t u a t i o n i n w h i c h n o n l o c a l i z e d c r a c k i n g c a n b e r e c o g n i z e d . T h i s h a p p e n s f o r c e r t a i n t y p e s o f t h e r m a l a n d s h r i n k a g e s t r e s s e s , p a r t i c u l a r l y w h e n t h e r e i s a r a p i d d r o p t o c o m p r e s s i o n i n f r o n t o f c r a c k i n g z o n e a n d a l s o w h e n c o n c r e t e i s b o n d e d t o s o m e e l a s t i c e l e m e n t s s u c h a s r e i n f o r c e m e n t . B a z a n t ’ s " c r a c k b a n d ” m o d e l e n s u e s f r o m t w o s t a t e m e n t s : t h e t o t a l p o t e n t i a l e n e r g y r e l e a s e U , c a u s e d b y f r a c t u r e i s a f u n c t i o n o f b o t h 1 ) t h e l e n g t h , a , o f f r a c t u r e z o n e a n d 2 ) t h e v o l u m e o f t h e c r a c k e d z o n e , n . d . . a , w h e r e d _ = m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e , a n d n = c o n s t a n t . E n e r g y i s e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e n o n - d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r s : a , = a / d a n d a 2 = n . d , . a / d 2 , w h e r e d = c h a r a c t e r i s t i c d i m e n s i o n . N o w , a c c o r d i n g t o B a z a n t , t h e e n e r g y U , i s e x p r e s s e d a s : U 4 = A ( F , E , b , d ) . fl a l , a 2 , 5 , . ) ( 8 ) w h e r e fl ) d e p e n d s o n t h e a c t u a l g e o m e t r i c a l s h a p e a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n o f t h e s t r u c t u r a l e l e m e n t , b u t n o t o n t h e s i z e ( 1 . A ( ) d e p e n d s o n t h e l o a d s : F , e l a s t i c p a r a m e t e r s : E , a n d o n t h e s i z e : b , d ; E , a r e g e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s . 2 8 0 C r a c k g r o w t h i n s t a b i l i t y o c c u r s w h e n : a : = G , . b ( 9 ) w h e r e b i s t h e t h i c k n e s s . T h i s y i e l d s : _ - 1 / 2 , _ A 0 . 1 — 8 4 1 . 1 1 % ] . 9 - — ( 1 0 ) A 0 W h e r e , 0 1 4 ' : - n o m i n a l s t r e n g t h a t f a i l u r e = P / b . d ; P = m a x i m u m l o a d ; b = s p e c i m e n t h i c k n e s s ; d = h = c h a r a c t e r i s t i c d i m e n s i o n o f s i z e o f s p e c i m e n ; f ‘ , = s t r e n g t h p a r a m e t e r ; k = d / d , ; d , = m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e ; B , A o = t w o e m p i r i c a l c o n s t a n t s . F i g u r e C . 2 g i v e s a p l o t o f t h e B a z a n t ’ s s i z e e f f e c t e q u a t i o n . F r o m b o t h F i g u r e C . 2 a n d E q u a t i o n ( 1 0 ) , o n e c a n s e e t h a t f o r v e r y s m a l l s p e c i m e n s , ( 1 i s v e r y s m a l l , s o t h e t e r m i n b r a c k e t s t e n d s t o w a r d 1 , t h u s 6 , , i s p r o p o r t i o n a l t o t h e m a t e r i a l s t r e n g t h ( o r y i e l d l i m i t ) . T h i s r e p r e s e n t s t h e f a i l u r e c o n d i t i o n o f p l a s t i c L i m i t A n a l y s i s ( L A ) c h a r a c t e r i z e d b y n o s i z e e f f e c t . I t i s r e p r e s e n t e d b y a s t r a i g h t h o r i z o n t a l l i n e i n t h e p l o t o f L o g a n v e r s u s L o g d . T h e o t h e r l i m i t i n g c a s e i s w h e n d i s v e r y l a r g e . I n t h a t c a s e , t h e n u m b e r 1 i n s i d e t h e b r a c k e t s o f e q u a t i o n ( 1 0 ) i s n e g l i g i b l e c o m p a r e d t o B , a n d t h e n a " i s p r o p o r t i o n a l t o d “ . T h i s c a s e r e p r e s e n t s t h e s t r o n g e s t p o s s i b l e s i z e e f f e c t a n d c o r r e s p o n d s t o t h e c l a s s i c a l L i n e a r E l a s t i c F r a c t u r e M e c h a n i c s ( L E F M ) . T h e p l o t o f t h e s i z e e f f e c t l a w ( i . e . , e q u a t i o n ( 1 0 ) ) i s b a s i c a l l y a g r a d u a l t r a n s i t i o n b e t w e e n t h e a b o v e t w o l i m i t i n g c a s e s : P l a s t i c L i m i t A n a l y s i s ( L A ) f o r v e r y s m a l l " a . E R U L I A F t s : s t a t s L A N I M O N 2 8 1 e l e m e n t s a n d L i n e a r E l a s t i c F r a c t u r e M e c h a n i c s ( L E F M ) f o r v e r y l a r g e s t r u c t u r a l e l e m e n t s . , . 1 i I f / C W 3 V m I A b e “ e ' - £ 0 , 4 1 4 I v I j " t " 3 7 " n - L i r v w - E r . , , . _ _ ; - 3 ; r . 2 1 ; 0 l l \ \ \ 5 1 m i n Y I E L D ‘ \ 0 1 1 1 : 1 1 0 1 L I I U R a r c t i c \ \ m \ ' E D W I C S ‘ 1 ; e r I , \ ‘ / M I N O R M R ! H E C H A N I C S L e e t s r z s l F i g u r e C . 2 S i z e E f f e c t A c c o r d i n g t o S t r e n g t h C r i t e r i a a n d L i n e a r o r N o n l i n e a r F r a c t u r e M e c h a n i c s . C . 4 E X P E R I N I E N T A L P R O G R A M T h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m f o r t h i s s t u d y i n v o l v e d fl e x u r e a n d c o m p r e s s i o n t e s t s o n s p e c i m e n s w i t h d i f f e r e n t s i z e s . T h e e x p e r i m e n t a l d e s i g n p r o g r a m i s s h o w n i n t h e f o l l o w i n g T a b l e s . T a b l e C . 1 E x p e r i m e n t a l D e s i g n F o r F l e x u r e T e s t i n g . 2 8 2 F H e i g h t , h , m m ( i n . ) 5 1 ( 2 . 0 ) 6 4 ( 2 . 5 ) 7 6 ( 3 . 0 ) 8 9 ( 3 . 5 ) 1 0 2 ( 4 . 0 ) C u t “ - - - - - - m m m m - - - - - - - C a s t " . . . - - - . . . . . . - - . . . . . . . . . . - - . . . . T a b l e C . 2 E x p e r i m e n t a l D e s i g n F o r C o m p r e s s i o n T e s t i n g . H e i g h t - C y l i n d e r D i a m e t e r , m m ( i n . ) D i a m e t e r R a t i o 7 6 ( 3 . 0 ) 1 0 2 ( 4 . 0 ) 1 5 2 ( 6 . 0 ) C u t “ C a s t " C 1 1 1 " C a s t ' M l C u t “ C a s t “ 2 . . . . . . . . - - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . 5 / 3 m m “ - 4 - - - - - - - - - - - - - - - 4 / 3 m m m m m m m m - - - - - - - - 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . " ' ' C u t " m e a n s t h a t t h e s p e c i m e n h a s b e e n c u t t o t h e c o r r e s p o n d i n g s i z e f r o m a l a r g e r s p e c i m e n ( 1 0 2 m m ( 4 i n ) h e i g h t i n fl e x u r e o r t w i c e t h e d i a m e t e r h e i g h t i n c o m p r e s s i o n ) * * " C a s t " m e a n s t h a t t h e s p e c i m e n h a s b e e n c a s t t o t h e c o r r e s p o n d i n g d i m e n s i o n s . 2 8 3 T h e ” c a s t ” v e r s u s " c u t " s p e c i m e n s w i t h t h e s a m e d i m e n s i o n s a r e t e s t e d i n o r d e r t o d e t e c t t h e e f f e c t s o f fi b e r o r i e n t a t i o n ( i . e . , r e o r i e n t a t i o n t o fi t i n t h e c o r r e s p o n d i n g m o l d s i z e ) . T h e a b o v e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m s w e r e a p p l i e d t o e a c h o n e o f t h e f o u r m i x e s o f T a b l e 3 . 7 . T h r e e s p e c i m e n s w e r e p r e p a r e d f o r e a c h o n e o f c e l l s o f T a b l e s C . 1 a n d C . 2 . T h e fl e x u r a l s p e c i m e n s w e r e l o a d e d u n d e r t h i r d - p o i n t l o a d i n g o n a s p a n e q u a l t o 3 0 5 m m ( 1 2 i n . ) . A l l t h e s p e c i m e n s w e r e i n i t i a l l y c u r e d i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r w e t b u r l a p a n d a p o l y e t h y l e n e fi l m d u r i n g t h e fi r s t 2 4 h o u r s o f a g e . T h e y w e r e t h e n s t r i p p e d o f f o f t h e i r m o l d s a n d a l l o w e d t o c u r e i n a m b i e n t l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s w i t h a t e m p e r a t u r e o f 2 3 t o 2 5 ° C ( 7 3 . 4 t o 7 7 ° F ) a n d 5 0 t o 6 0 % R e l a t i v e H u m i d i t y u p t o t h e t e s t a g e o f 6 0 d a y s . C . 5 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N S C . 5 . 1 F l e x u r a l T e s t i n g T h e o b t a i n e d t e s t r e s u l t s a r e p l o t t e d a g a i n s t t h e b e a m h e i g h t i n F i g u r e s C . 3 t h r o u g h C . 6 . I t c a n b e n o t e d t h a t t h e fl e x u r a l s t r e n g t h s c o r r e s p o n d i n g t o t h e b e a m d e p t h o f 5 1 m m ( 2 i n . ) d o n o t s e e m t o b e r e a s o n a b l e . T h e r e a s o n f o r t h i s c o u l d b e t h r e e f o l d : fi r s t , i n t h e c a s t s p e c i m e n s , t h i s i s m o s t p o s s i b l y d u e t o t h e f a c t t h a t , s i n c e t h e s p e c i m e n s a r e c a s t h o r i z o n t a l l y , d u r i n g t h e c a s t i n g p r o c e s s p r o b l e m s a r e e n c o u n t e r e d w i t h t h e c o m p a c t i o n a n d c o n s o l i d a t i o n o f t h e c o n c r e t e m a t e r i a l s i n s i d e s u c h a t h i n s p e c i m e n . S e c o n d l y , d u e t o t h e r e l a t i v e l y s m a l l b e a m t h i c k n e s s , s h r i n k a g e c r a c k i n g a t t h e s u r f a c e c o u l d v e r y p o s s i b l y i n fl u e n c e t h e r e s u l t i n g fl e x u r a l s t r e n g t h v a l u e s f o r t h e c a s t s p e c i m e n s . T h i r d l y , i n t h e c u t s p e c i m e n s , a d a m a g e t o t h e ) i s k ( h t 0 . m g n e r t S l a r u s t o i a x e l F o P t 2 8 4 c o n c r e t e s p e c i m e n s u r f a c e t a k e s p l a c e d u r i n g c u t t i n g , w h i c h p r o d u c e s d i s t u r b a n c e s t o t h e b o n d i n g a n d i n t e r f a c i a l c o n d i t i o n s o f fi b e r s i n c o n c r e t e . I n g e n e r a l , h o w e v e r , t h e t e s t r e s u l t s s h o w a g e n e r a l t r e n d o f d e c r e a s i n g fl e x u r a l s t r e n g t h w i t h i n c r e a s i n g b e a m d e p t h s . I n m a n y c a s e s t h e s i z e e f f e c t s e e m s t o b e o v e r s h a d o w e d b y e x p e r i m e n t a l v a r i a t i o n s a n d e r r o r s . I n a d d i t i o n , t h e b e a m d e p t h r a n g e s e l e c t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s o n l y f r o m 5 1 t o 1 0 2 m m ( 2 t o 4 i n ) , w h i c h i s c o n s i d e r e d t o b e a n a r r o w r a n g e i n w h i c h t h e s i z e e f f e c t t r e n d c a n n o t b e e x p e c t e d t o b e q u i t e s i g n i fi c a n t . . s N . . . . . o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o _ L . . . . . . o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o * P L A I N ( c u r ) + P L A I N ( C A S T ) O a : * fi i — n n o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 B e a m D e p t h ( i n . ) F i g u r e C . 3 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r P l a i n C o n c r e t e . ) i s k ( h t g n e r t S l a r ; u 1 o 2 x e l F ) i s k ( h t g n e r t S l a r u 5 o2 x e l F 2 8 5 . s N d . 0 m P c » o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o . ° t o _ . ° t o w . b o r B e a m D e p t h ( i n . ) * 1 ' L M C ( c u r ) * L M C ( C A S T ) F i g u r e C . 4 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e . . s N d P m . 0 c » . ° t o d o t o t o « h . o r B e a m D e p t h ( i n . ) ~ + ~ s r = n c ( c u r ) * s r n c ( C A S T ) F i g u r e C . 5 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . ‘ e - . r 1 . ) i s k ( h t ° n . o g n e r t S l a r u x e l F ° : . a 0 . . e o 2 8 6 . 0 t o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ‘ 0 B e a m D e p t h ( i n . ) - + o L M S I = a c ( C U T ) * L M S F R C ( C A S T ) F i g u r e C . 6 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r l a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . T a b l e C . 3 g i v e s t h e s l o p e s o f r e g r e s s i o n l i n e s . T a b l e C . 3 S l o p e s F o r R e g r e s s i o n L i n e s ( i n d e g r e e s ) . I P l a i n L M C s r a c L M S F R C I C u t 0 . 2 8 1 - 2 . 8 8 0 . 9 0 6 - 1 . 1 8 C a s t - 0 . 7 8 2 1 . 0 4 - 2 . 9 1 - 4 . 1 3 A v e r a g e - 0 . 2 5 - 0 . 9 2 - l . 9 l - 2 . 6 6 F r o m t h e a b o v e t a b l e a n d fi g u r e s o n e c a n s e e t h a t s i z e e f f e c t i s m o s t p r o n o u n c e d i n t h e fi b r o u s m i x t u r e s . A c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e o b t a i n e d r e s u l t s f o r p l a i n m i x t u r e s v e r s u s t h e l a t e x - m o d i fi e d m i x t u r e s s h o w s t h a t l a t e x p o l y m e r a d d i t i o n 2 8 7 s e e m s t o p r o n o u n c e t h e s i z e e f f e c t , e s p e c i a l l y i n t h e c u t s p e c i m e n s . T h i s c o u l d b e a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t p o l y m e r a d d i t i o n r e s u l t s i n a m a t r i x t h a t i s m o r e h o m o g e n e o u s a n d m o r e s e n s i t i v e t o s i z e e f f e c t . O n t h e o t h e r h a n d , c o m p a r i s o n o f p l a i n c o n c r e t e w i t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e v e a l s t h a t s t e e l fi b e r a d d i t i o n i n c r e a s e s t h e s i z e e f f e c t . T h e r e a s o n b e h i n d t h i s c o u l d b e t h e f a c t t h a t fi b r o u s c o n c r e t e m a t r i c e s h a v e a b l u n t e d l o c a l i z e d f r a c t u r e f r o n t i n w h i c h t h e s t r e s s d r o p a l o n g t h e l i n e o f f r a c t u r e e x t e n s i o n i s g r a d u a l a n d o c c u r s o v e r a fi n i t e a n d l o n g e r ( c o m p a r e d t o p l a i n c o n c r e t e ) l e n g t h w h i c h i s a m u l t i p l e o f t h e a g g r e g a t e s i z e . T h i s l e n g t h c o u l d g e t v e r y c l o s e t o t h e s t r u c t u r e d i m e n s i o n s i f t h e s t r u c t u r e i s n o t v e r y l a r g e . T h e j o i n t e f f e c t o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n i s f o u n d t o f u r t h e r p r o n o u n c e t h e s i z e e f f e c t . T h i s i s m a i n l y a t t r i b u t e d t o t h e i m p r o v e d b o n d i n g b e t w e e n m a t r i x c o n s t i t u e n t s ( i . e . , s a n d , g r a v e l , fi b e r s a n d c e m e n t ) d u e t o l a t e x m o d i fi c a t i o n w h i c h r e s u l t s i n b e t t e r s t r e n g t h e n i n g a n d m i c r o c r a c k b r i d g i n g e f f e c t s o f t h e i n c l u d e d fi b e r s . T h e s e e f f e c t s r e s u l t i n a l a r g e r a n d m o r e s t a b l e s t r a i n - s o f t e n i n g r e g i o n a n d c a u s e a m o r e g r a d u a l d r o p i n s t r e s s a s c r a c k f r o n t p r o p a g a t e s t h r o u g h t h i s 1 r e g i o n . C . 5 . 1 . 1 E f f e c t s o f F i b e r O r i e n t a t i o n O n F l e x u r a l S t r e n g t h T h e u l t i m a t e fl e x u r a l s t r e n g t h a , o f a c o m p o s i t e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o n t a i n i n g u n i a x i a l c o n t i n u o u s fi b e r s c a n b e e x p r e s s e d b y t h e l a w o f m i x t u r e s a s : « N 1 ( 1 3 ) a 0 n w ' t h r V f - - " 2 d 4 . N . l a n d V - _ a . V f a . = a . . V . + o f . V f ( 1 1 ) w h e r e , o r . . . = fl e x u r a l s t r e n g t h o f t h e u n r e i n f o r c e d m a t r i x ; a , = s t r e s s i n fi b e r c a u s e d b y t h e fi b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s ; V . . . = m a t r i x v o l u m e f r a c t i o n ; a n d V , = fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( e q u i v a l e n t v o l u m e o f fi b e r s w h i c h a r e e f f e c t i v e i n t h e d i r e c t i o n o f s t r e s s ) . W h e n a l i n e a r b o n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n i s a s s u m e d , t h e m a x i m u m b o n d s t r e s s i s t w i c e t h e a v e r a g e b o n d s t r e s s , a n d t h e a v e r a g e s t r e s s i n t h e fi b e r i s r e l a t e d t o t h e a v e r a g e b o n d s t r e s s b y : a , = 2 1 . 1 w ( 1 2 ) T h e e f f e c t i v e l e n g t h o f N n u m b e r o f fi b e r s i n t h e d i r e c t i o n o f s t r e s s i s a . N . l , w h e r e a i s t h e o r i e n t a t i o n f a c t o r a n d I i s t h e fi b e r l e n g t h . T h e r e f o r e , t h e e f f e c t i v e v o l u m e o f t h e fi b e r s i n t h e d i r e c t i o n o f s t r e s s i s : S u b s t i t u t i n g E q u a t i o n 1 2 i n t o 1 1 y i e l d s : ~ l . e 2 8 9 o , = a _ . v _ + 2 c : ’ l . a v ( 1 4 ) ‘ 5 . = 0 . - ( 1 V ) + 2 ¢ 1 . V f ( 1 5 ) C . 5 . 1 . 2 C o m p a r i s o n s W i t h O b t a i n e d E x p e r i m e n t a l R e s u l t s I n o r d e r t o a s s e s s t h e e f f e c t o f t h e r e o r i e n t a t i o n o f s t e e l fi b e r s i n f r e s h c o n c r e t e d u e t o t h e c o n fi n i n g e f f e c t s i m p o s e d b y t h e m o l d s , o n e s h o u l d c o m p a r e t h e o b t a i n e d d i f f e r e n c e s i n fl e x u r a l s t r e n g t h b e t w e e n t h e c a s t a n d c u t s p e c i m e n s v e r s u s t h e t h e o r e t i c a l l y d e r i v e d d i f f e r e n c e s . T h e o r e t i c a l l y , w e f o u n d t h a t : I 0 = 0 . ( 1 - V ) + 2 a r 2 . 1 ’ , ( 1 6 ) I t f o l l o w s t h e n t h a t : l c u m = o . . - ( 1 V ) + 2 a m . t 2 . 1 ? ( 1 7 ) I a . “ = o . ( 1 - m a c a w - 2 . 1 ; ( 1 8 ) a n d h e n c e , _ l O H M ‘ O . M - 2 1 2 . V f . ( a m - ¢ ~ ) ( 1 9 ) T h i s e q u a t i o n s h o u l d b e a p p l i e d t o o u r c a s e w i t h l = 3 0 m m ( 1 . 2 i n ) , d = 0 . 5 m m ( 0 . 0 2 i n ) , V , = 0 . 7 5 % , r = 2 M P a ( 3 0 0 p s i ) a n d 2 . 6 6 M P a ( 3 8 5 p s i ) f o r S F R C a n d 2 9 0 L M S F R C , r e s p e c t i v e l y . A l s o , a m = 0 . 6 5 , 0 . 6 1 5 , 0 . 5 9 , 0 . 5 7 f o r b e a m h e i g h t s o f 5 1 m m ( 2 i n ) , 6 4 m m ( 2 . 5 i n ) , 7 6 m m ( 3 . 0 i n ) , a n d 8 9 m m ( 3 . 5 i n ) , r e s p e c t i v e l y ; w h e r e a s , « 1 , , = 0 . 5 5 ( o b t a i n e d a f t e r e v a l u a t i o n o f c o r r e s p o n d i n g e q u a t i o n s i n A p p e n d i x D ) . E v a l u a t i n g t h e t h e o r e t i c a l d i f f e r e n c e ” - ( o w ' U - ( w ) f o r a l l d i f f e r e n t c a s e s , w e o b t a i n t h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e C . 4 . T a b l e C . 4 T h e o r e t i c a l D i f f e r e n c e i n U l t i m a t e F l e x u r a l S t r e n g t h s i n P a ( p s i ) . 5 1 m m 6 4 m m 7 6 m m 8 9 m m ( 2 i n ) ( 2 . 5 i n ) ( 3 . 0 i n ) ( 3 . 5 i n ) S F R C 0 . 2 5 0 . 1 6 0 . 1 0 . 0 5 ( 3 6 ) ( 2 3 . 4 ) ( 1 4 . 4 ) ( 7 . 2 ) L M S F R C 0 . 3 2 0 . 2 1 0 . 1 3 0 . 0 6 . 4 ( 4 6 . 2 ) ( 3 0 . 0 ) ( 1 8 . 5 ) ( 9 . 2 ) T h i s d i f f e r e n c e h a s a l s o b e e n e v a l u a t e d f o r t h e o b t a i n e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n d t a b u l a t e d i n T a b l e C . 5 . T a b l e C . 5 E x p e r i m e n t a l D i f f e r e n c e i n U l t i m a t e F l e x u r a l S t r e n g t h i n P a ( p s i ) . 5 1 m m 6 4 m m 7 6 m m 8 9 m m ( 2 i n ) ( 2 . 5 i n ) ( 3 . 0 i n ) ( 3 . 5 i n ) S F R C 0 . 2 6 0 . 7 6 0 . 9 4 0 . 5 9 ( 3 7 ) ( 1 1 0 ) ( 1 3 6 ) ( 8 6 ) L M S F R C 1 . 1 2 . 4 2 . 1 6 1 . 9 ( 1 5 7 ) ( 3 5 3 ) ( 3 1 3 ) ( 2 7 5 ) F i g u r e C . 7 i l l u s t r a t e s t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l d i f f e r e n c e s i n fl e x u r a l s t r e n g t h s . 2 9 1 S F R C L M S F R C S t r e n g t h b u m . ( C u t - G u t ) . p o l 4 0 0 S t r o n g " ! m m ( O u t - G u t ) . p a l 1 4 o v v v v v v — ~ 1 2 0 3 ” 1 0 0 s o 2 0 0 . . ~ ° . . o h \ \ \ \ § 0 W m \ \ m o o r - « c u E x p e c t - n o n m o m m a E x p o r t - o n t o ! - r 2 . 5 - a - - u ' - 2 ' 2 . 5 ' r - o r F i g u r e C . 7 C o m p a r i s o n s B e t w e e n T h e o r e t i c a l a n d E x p e r i m e n t a l F l e x u r a l S t r e n g t h R e s u l t s . C . 5 . 2 C o m p r e s s i o n T e s t i n g R e g r e s s i o n l i n e s o f t h e o b t a i n e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s f o r a l l f o u r h e i g h t - t o - d i a m e t e r r a t i o s a r e p l o t t e d a g a i n s t t h e c y l i n d e r d i a m e t e r a n d s h o w n i n F i g u r e s C . 8 t h r o u g h C . 1 1 . I t c a n b e n o t e d t h a t t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s c o r r e s p o n d i n g t o c y l i n d e r s w i t h h e i g h t - t o - d i a m e t e r r a t i o e q u a l t o 1 d o n o t s e e m t o b e r e a s o n a b l e . T h i s c o u l d b e a t t r i b u t e d t o a f e w r e a s o n s . F i r s t , t h i s i s m o s t l i k e l y d u e t o t h e e n d e f f e c t s o f t h e l o a d i n g m a c h i n e b e c a u s e o f t h e s m a l l h e i g h t o f t h e s p e c i m e n . 2 9 2 T h i s a c t u a l l y f o l l o w s f r o m t h e S a i n t - V e n a n t ’ s p r i n c i p l e w h i c h s t i p u l a t e s t h a t t h e f o r c e s a t t h e e n d s o f t h e t e s t c y l i n d e r h a v e a n o n u n i f o r m d i s t r i b u t i o n a n d t h a t s t r e s s d i s t r i b u t i o n g e t s u n i f o r m o n l y a w a y f r o m t h e s u p p o r t s . W i t h c y l i n d e r s h a v i n g a h e i g h t a s b i g a s t h e d i a m e t e r , t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n r e m a i n s n o n u n i f o r m e v e n a w a y f r o m t h e e n d s . I n a d d i t i o n , t h e l o a d i n g p l a t e n s o f t h e t e s t i n g m a c h i n e w o u l d , i n t h i s t y p e o f s i t u a t i o n s , r e s t r a i n l a t e r a l m o v e m e n t s o f t h e s p e c i m e n a n d i n d u c e l a t e r a l s t r e s s e s a t b o t h e n d s , t h u s a f f e c t i n g t h e m o d e o f f a i l u r e a n d y i e l d i n g m i s l e a d i n g r e s u l t s . M o r e o v e r , d u e t o t h e s m a l l s i z e , s h r i n k a g e c r a c k i n g a t s u r f a c e s c o u l d p l a y a r o l e , e s p e c i a l l y f o r p l a i n m i x t u r e s . F u r t h e r m o r e , t h e r e a r e p r a c t i c a l p r o b l e m s a n d d i f fi c u l t i e s d u e t o t h e e f f e c t s o f c o m p a c t i o n i n s u c h s h o r t s p e c i m e n s f o r t h e c a s e o f c a s t s p e c i m e n s , i n a d d i t i o n t o t h e e f f e c t s o f c u t t i n g p r o c e s s o n s u c h s h o r t s p e c i m e n s . I n g e n e r a l , h o w e v e r , t h e t e s t r e s u l t s s h o w o v e r a l l t r e n d s o f d e c r e a s i n g c o m p r e s s i v e s t r e n g t h v a l u e s w i t h i n c r e a s i n g c y l i n d e r d i a m e t e r f o r c o n s t a n t h e i g h t - t o - d i a m e t e r r a t i o s . T h e s e c o n c l u s i o n s a r e n o t a s c l e a r l y o b v i o u s f o r p l a i n m i x t u r e s ( w h i c h a r e p r o n e t o m o r e s e v e r e d r y i n g s h r i n k a g e e f f e c t s t h a t c o u l d o v e r s h a d o w s i z e e f f e c t s ) . 2 9 3 P L A I N ( c a s t ) 8 X ¢ i U ) 5 - - - . g 7 . . - . . - - " " 1 7 . 1 " . " . ' . ' . " . . " . ‘ . ’ . ‘ . . " . " . " : " . " : " . " : ' . ‘ . ‘ . " . ‘ T 3 1 . 7 - . . . . . . . . . . # g . . . . . . . . _ . _ H I D = 2 m 3 ” - - w e “ “ “ “ “ “ u + H I D = 5 l 3 g “ - “ L * H I D = 4 I 3 2 5 1 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ' * H l l 3 = 1 o 0 4 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 . 5 6 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) P L A I N ( c u t ) fi 5 . C 3 3 . . . . g + H / D = 5 / 3 g * H I D = 4 I 3 E . + H I D = 1 E 8 4 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 . 5 6 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) F i g u r e C . 8 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e s F o r P l a i n C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n . 2 9 4 L M C ( c a s t ) ‘ 2 7 ? £ 5 5 g " ' H / D = 2 g ‘ + H I D = 5 I 3 g 6 " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = = * H I D = 4 I 3 a 1 i " ' H / D = 1 C E ) 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 4 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 . 5 6 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) L M C ( c u t ) i 5 5 2 ’ g " ' H I D = 2 ( D g ' 1 ‘ H I D = 5 I 3 g * H I D = 4 I 3 a + H = 1 g : 3 I D 0 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 . 5 6 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) F i g u r e C . 9 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n 2 9 5 S F R C ( c a s t ) 8 E 5 7 " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . g ' ° ‘ H / D = 2 ‘ 2 ? + H / D = 5 / 3 z ; m - . . a + H I D = 1 E o O 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 , 5 6 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) S F R C ( c u t ) 9 g 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 ' ° ' H I D = 2 e + H I D = 5 I 3 i ; * H I D = 4 I 3 a + H I D - 1 E o o ‘ l l 4 3 3 . 5 4 4 . 5 s 5 . 5 5 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) F i g u r e C . 1 0 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n . 2 9 6 L M S F R C ( c a s t ) 8 ' 7 5 . . . . . . a t , - - 5 - - . - . _ . . . . . . . _ . . _ . _ . . _ . g 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . _ H l D = 2 ‘ 3 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 r + H I D = 5 I 3 a s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . * H I D - a ' 1 E 0 4 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 . 5 6 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) L M S F R C ( c u t ) 9 i 2 8 . . . . . i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ; . . . . . . . . ‘ . . ‘ . T . ‘ . . ‘ . T . . . ‘ . T . ‘ . T , - - - - - - - - - - - - 3 7 ‘ . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : . . : ' . i ' . ’ . ' . ' . ' . i ‘ . t w * H / D = 2 a : ' - + H / o = 5 / a i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ’ * H / D = 4 / 3 a + H / D = 1 g 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 4 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 . 5 6 C y l i n d e r D i a m e t e r ( i n . ) F i g u r e C . 1 1 S i z e E f f e c t R e g r e s s i o n L i n e F o r L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e U n d e r C o m p r e s s i o n . 2 9 7 A s f o r t h e f l e x u r a l t e s t i n v e s t i g a t i o n s , o n e c a n s e e t h a t s i z e e f f e c t i s m o s t p r o n o u n c e d i n t h e fi b r o u s m i x t u r e s . C o m p a r i n g p l a i n c o n c r e t e v e r s u s t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e s u l t s r e v e a l s t h a t s t e e l fi b e r a d d i t i o n s t r o n g l y i n fl u e n c e s s i z e e f f e c t . T h e j o i n t a c t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d l a t e x m o d i fi c a t i o n o n s i z e 4 e f f e c t i s f o u n d t o f u r t h e r p r o n o u n c e s i z e e f f e c t . T h i s i s m a i n l y a t t r i b u t e d t o t h e i m p r o v e d b o n d i n g b e t w e e n m a t r i x a n d i n c l u s i o n s ( i . e . , s a n d , g r a v e l , a n d fi b e r s ) d u e t o l a t e x m o d i fi c a t i o n , t h u s r e s u l t i n g i n b e t t e r s t r e n g t h e n i n g a n d m i c r o c r a c k b r i d g i n g e f f e c t s o f t h e i n c l u d e d fi b e r s . T h e s e e f f e c t s r e s u l t i n a l a r g e r a n d m o r e s t a b l e s t r a i n - s o f t e n i n g r e g i o n a n d c a u s e a m o r e g r a d u a l d r o p i n s t r e s s a s c r a c k f r o n t p r o p a g a t e s t h r o u g h t h i s r e g i o n . A P P E N D I X D L , , , , ( 1 ) A P P E N D I X D F I B E R O R I E N T A T I O N F A C T O R - D E R I V A T I O N O F E Q U A T I O N S T h e c o n t r i b u t i o n o f a fi b e r t o t h e l o a d t r a n s f e r o f t h e m a t r i x e l e m e n t i n w h i c h i t i s f u l l y e m b e d d e d d e p e n d s o n i t s o r i e n t a t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n ? - ” ' 2 1 - ’ 7 - 7 3 ' 7 9 ' 8 5 ' ‘ 6 ' ‘ 7 ' ‘ 9 T h i s c o n t r i b u t i o n c a n b e p r e s e n t e d b y t h e r a t i o o f t h e t o t a l p r o j e c t e d fi b e r l e n g t h i n t h e l o a d i n g d i r e c t i o n , L M , a n d t h e s a m p l e v o l u m e , V : V ( L V p m ! T h i s i s t h e r e l e v a n t a p p r o a c h i n t h e c a s e o f d e n s e p a r a l l e l m i c r o c r a c k i n g , w h e r e e v e r y fi b e r c o n t r i b u t e s t o t h e s t r e s s t r a n s f e r a t o n e o r m o r e c r a c k s u r f a c e s . F o r c r a c k s p a c i n g s i n t h e o r d e r o f m a g n i t u d e o f t h e fi b e r l e n g t h , a c o n s i d e r a b l e p o r t i o n o f t h e fi b e r s d o e s n o t c o n t r i b u t e t o t h e s t r e s s t r a n s f e r a t t h e c r a c k s u r f a c e s . I n t h i s c a s e , t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e fi b e r s , t h e s o - c a l l e d fi b e r o r i e n t a t i o n f a c t o r o r g e o m e t r i c e f fi c i e n c y f a c t o r B , i s d e t e r m i n e d b y t h e t o t a l p r o j e c t e d l e n g t h i n t h e d i r e c t i o n o f t h e l o a d o f t h o s e fi b e r s i n t e r s e c t i n g t h e c r a c k p e r u n i t v o l u m e o f m a t e r i a l . H e n c e , w e c a n w r i t e : = L ” , ( 2 ) V o l u m e 2 9 8 2 9 9 T h e p r o b a b i l i t y o f h i t t i n g a fi b e r i s g i v e n b y : P r o b ( h i t ) = i j = P r o j e c t e d L e n g t h o f a n A r b i t r a r y F i b e r ( 3 ) M a n y f a c t o r s c o u l d i n fl u e n c e t h e v a l u e o f t h e o r i e n t a t i o n f a c t o r , t h e s e i n c l u d e : ° g e o m e t r i c b o u n d a r y c o n d i t i o n s o f t h e s p e c i m e n t h a t c o u l d b e r e s t r i c t i n g t h e o r i e n t a t i o n o f t h e fi b e r s ; ° v i b r a t i o n d u r i n g c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n w h i c h m a y c a u s e r e o r i e n t a t i o n o f t h e fi b e r s i n h o r i z o n t a l p l a n e s ; a n d ° l o c a t i o n i n c r o s s - s e c t i o n ( t o p v e r s u s b o t t o m ) w i t h r e s p e c t t o t h e c a s t i n g a n d v i b r a t i o n d i r e c t i o n s . S t e e l fi b e r s , w h e n u n i f o r m l y d i s p e r s e d i n a n i n fi n i t e l y l a r g e v o l u m e o f c o n c r e t e , a r e e x p e c t e d t o b e r a n d o m l y o r i e n t e d , w i t h e q u a l p r o b a b i l i t i e s o f b e i n g o r i e n t e d i n d i f f e r e n t d i r e c t i o n s i n s p a c e . F r o m t h e u n i t s p h e r e o f F i g u r e l , w e g e t : L = c o s B . c o s ¢ ( 4 ) P M ! A p y r a m i d a l e l e m e n t o f t h e u n i t s p h e r e i s c o n s i d e r e d h e r e w i t h i n fi n i t e l y s m a l l c r o s s - s e c t i o n a l d i m e n s i o n s ( s e e F i g u r e s D 1 a n d D . 2 ) , c o n t a i n i n g a l l t h e fi b e r s w i t h a n o r i e n t a t i o n f a l l i n g i n t h e r a n g e 0 t o 0 + d 0 a n d ¢ + d ¢ . T h e d i m e n s i o n s o f t h e b a s i s o f t h e t r a p e z i u m o n t h e s u r f a c e o f t h e u n i t s p h e r e a m o u n t t o d 6 a n d c o s o . d 9 ; a n d t h e r e f o r e w e o b t a i n : . . f f L . . d A G e o m e t r i c E fl i c r e n c y F a c t o r B = m : ( 5 ) f f " A 3 0 0 f r o m w h i c h , 2 2 f I L m j . c o s 6 . d 6 d ¢ o o 9 : I ‘ l l 2 2 f f c o s 6 . d 6 d ¢ 0 0 2 2 j f c o s 2 9 . c o s ¢ . d e d ¢ 0 0 2 2 f f c o s e e e d q » 0 0 = 0 . 5 0 ( 6 ) H e n c e , o n l y , 5 0 % o f t h e t o t a l fi b e r l e n g t h o f r a n d o m l y d i s p e r s e d fi b e r s i s o r i e n t e d i n a p a r t i c u l a r d i r e c t i o n . I n p r a c t i c e , h o w e v e r , fi b e r s a r e n o t r a n d o m l y o r i e n t e d m a i n l y d u e t o , a m o n g o t h e r f a c t o r s , s p e c i m e n b o u n d a r i e s r e s t r i c t i n g t h e i r r a n d o m o r i e n t a t i o n w i t h i n t h e c o n c r e t e m a t r i x . F o r t h e c a s e o f n o n - r a n d o m fi b e r d i s p e r s i o n s , w e c a n o b t a i n i n t h e s a m e w a y a p p r o p r i a t e v a l u e s f o r t h e o r i e n t a t i o n f a c t o r : ( a ) 1 1 9 m m W h e n t w o b o u n d a r i e s a r e p r e s e n t t o r e s t r i c t t h e fi b e r o r i e n t a t i o n ( s e e F i g u r e D . 3 ) , t h e o r i e n t a t i o n f a c t o r i n t h e z - d i r e c t i o n o f s t r e s s c a n b e o b t a i n e d b y c o n s i d e r i n g t h e e f f e c t s o f t h e s e t w o p a r a l l e l b o u n d a r i e s a s f o l l o w s : ! I N . “ 0 a l N " 3 0 1 f o r h < l f ( 7 ) + ( 1 - % ’ ) ( 0 . 5 0 ) f o r h a l f w h e r e , Y I , c o s ’ O . c o s ¢ . d 0 d ¢ B , = 7 ° ; Y f c o s fl . d 0 d ¢ ( 8 ) 0 7 ° 1 ; r = s i n " ( g ; I ; , _ 1 d , d v o = s m ( — ) ( = 7 a t y = — ) . I , 2 3 0 2 ( b ) M W h e n f o u r b o u n d a r i e s a r e p r e s e n t t o r e s t r i c t t h e fi b e r o r i e n t a t i o n ( s e e F i g u r e D . 4 ) , t h e o r i e n t a t i o n f a c t o r i n t h e z - d i r e c t i o n o f s t r e s s c a n b e o b t a i n e d a s f o l l o w s : ( 9 ) r fl h h ) f o r b o t h s i d e s ( b , h ) < I , . b . 2 [ 5 , . d x a . I . + ( 1 . 2 . ? b 1 ’ b 1 3 2 “ 2 “ ~ - - f o r o n l y o n e s i d e h s l f . ‘ t 2 f B l d y £ 1 1 1 ’ 1 ) r , ( b + b + h - { 2 2 1 ) 5 ' ! z + ( 0 . 5 0 ) ( b b - ; ) ( h - l ) , . 2 f o r b o t h s i d e s ( b , h ) z 1 , 3 0 3 w h e r e , i i _ a r m y fl m ’ " ) ' g ( m u n / 2 ) ’ 2 2 7 b I f I f . c o s 7 ' 0 . c o s ¢ . d 0 . d ¢ _ 1 3 2 = “ " 1 b ; ( 1 0 ) f f I f . c o s 6 . d 0 . d ¢ 7 0 1 0 7 0 = S i n - 1 ( d f / l ) ; r = s i n " ( 2 y l l , ) ; a = s i n " ( 2 x l l f ) . i i F i g u r e D . l 3 0 4 d F - e a t fi d o L p r o j E l e m e n t o f t h e U n i t S p h e r e i n S p h e r i c a l C o o r d i n a t e s . 3 0 5 F i g u r e D . 2 A p p r o x i m a t e D i m e n s i o n s o f a S p h e r i c a l B l o c k . 3 0 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . > < F i g u r e D . 3 C a s e o f S t e e l F i b e r s R e s t r a i n e d b y T w o B o u n d a r i e s . r m " F i g u r e D . 4 C a s e o f S t e e l F i b e r s R e s t r a i n e d b y F o u r B o u n d a r i e s . B I B L I O G R A P H Y B I B L I O G R A P H Y A b d u l H a d i , S . , " I n v e s t i g a t i o n o f t h e E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y o f C o n c r e t e , " M S T h e s i s , U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m a n d M i n e r a l s , D h a h r a n , S a u d i A r a b i a , F e b r u a r y 1 9 8 2 . A C I C o m m i t t e e 2 0 1 , " D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e i n S e r v i c e , " P r o c e e d i n g s , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , V o l . 5 9 , N o . 1 2 , D e c e m b e r 1 9 6 2 , p p . 1 7 9 6 - 1 8 0 1 . A C I C o m m i t t e e 5 4 4 , " M e a s u r e m e n t o f P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e s , ” R e p o r t # A C 5 4 4 . 2 R , A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , P r o c e e d i n g s V . 8 5 , N o . 6 , N o v e m b e r - D e c e m b e r 1 9 8 8 , p p . 5 8 3 - 5 9 3 . A C I C o m m i t t e e 5 4 8 , " S t a t e o f t h e A r t , P o l y m e r s i n C o n c r e t e , ” A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , D e t r o i t , M i c h i g a n , 1 9 7 7 . A l - T a y y i b , A . J . , A l - Z a h r a n i , M . M . , R a s h e e d u z z a f a r , A . , a n d A l - S u l a i m a n i , G . J . , " E f f e c t o f P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n t h e P r o p e r t i e s o f F r e s h a n d H a r d e n e d C o n c r e t e i n t h e A r a b i a n G u l f E n v i r o n m e n t , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 1 8 , N o . 4 , 1 9 8 8 , p p . 5 6 1 - 5 7 0 . A u s t i n , S . , a n d R o b i n s , P . , " A R e p a i r A p p l i c a t i o n o f P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d S p r a y e d C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R e c e n t D e v e l o p m e n t s o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e , C a r d i f f e , U . K . , S e p t e m b e r , 1 9 8 9 , p p . 2 1 - 3 1 . A v e s t O n , J . , a n d K e l l y , A . , ” T h e o r y o f M u l t i p l e F r a c t u r e o f F i b r o u s C o m p o s i t e s , " J o u r n a l o f M a t e r i a l s S c i e n c e , V o l . 8 , 1 9 7 3 , p p . 3 5 2 - 3 6 2 . B a b e i , K . , D e m u r a , K . , a n d M i y a k i , M . : ” R e s i s t a n c e o f P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s t o C h l o r i d e P e n e t r a t i o n " , S i n g a p o r e , 1 9 8 7 . B a l a g u r u , P . a n d R a m a k r i s h n a n , V . , " P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : W o r k a b i l i t y , B e h a v i o r U n d e r L o n g - T e r m L o a d i n g , A i r - V o i d C h a r a c t e r i s t i c s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , M a y - J u n e 1 9 8 8 . 3 0 7 1 0 . l l . 1 2 . 1 3 . 1 4 . 1 5 . 1 6 . 1 7 . 1 8 . 1 9 . 2 0 . 2 1 . 2 2 . 3 0 8 B a l a g u r u , P . N . , a n d R a m a k r i s h n a n , V . , " F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , M a y - J u n e , 1 9 8 6 , 9 p p . B a z a n t , Z . P . , a n d P f e i f f e r , P . A . , ” D e t e r m i n a t i o n o f F r a c t u r e E n e r g y f r o m S i z e E f f e c t a n d B r i t t l e n e s s N u m b e r , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , N o v . - D e c . , 1 9 8 7 , p p . 4 6 3 - 4 7 4 . B a z a n t , Z . P . , ” S i z e E f f e c t i n B l u n t F r a c t u r e : C o n c r e t e , R o c k , M e t a l , ” A S C E J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s , V o l . 1 1 0 , N o . 4 , A p r i l , 1 9 8 4 , p p . 5 1 8 - 5 3 5 . B a z a n t , Z . P . , a n d K a z e m i , M . T . , ” S i z e E f f e c t o n D i a g o n a l S h e a r F a i l u r e o f B e a m s w i t h o u t S t i r r u p s , ” A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l , V o l . 8 8 , N o . 3 , M a y - J u n e 1 9 9 1 , p p . 2 6 8 - 2 7 6 . B a z a n t , Z . P . , " M e c h a n i c s o f D i s t r i b u t e d C r a c k i n g , ” A p p l i e d M e c h a n i c s R e v . , V o l . 3 9 , N o . 5 , M a y 1 9 8 6 , p p . 6 7 5 - 7 0 5 . B a z a n t , Z . P . , a n d O h , B . H . , ” C r a c k B a n d T h e o r y f o r F r a c t u r e o f C o n c r e t e , " M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e , V o l . 1 6 , R I L E M , P a r i s , 1 9 8 3 , p p . 1 5 5 - 1 7 7 . B a z a n t , Z . P . , ” M e c h a n i c s o f F r a c t u r e a n d P r o g r e s s i v e C r a c k i n g i n C o n c r e t e S t r u c t u r e s , " R e p o r t N o . 8 3 - 2 / 4 2 8 m , C e n t e r f o r C o n c r e t e a n d G e o m a t e r i a l s , N o r t h w e s t e r n U n i v e r s i t y , F e b r u a r y , 1 9 8 3 , p p . 1 - 9 4 . B a z a n t , Z . P . , K i m , J . , a n d P f e i f f e r , P . A . , " N o n l i n e a r F r a c t u r e P r o p e r t i e s f r o m S i z e E f f e c t T e s t s , ” A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g , V o l . 1 1 2 , N o . 2 , F e b r u a r y , 1 9 8 6 , p p . 2 8 9 - 3 0 7 . B a z a n t , Z . P . , a n d X u , K . , ” S i z e E f f e c t i n F a t i g u e F r a c t u r e o f C o n c r e t e , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 8 , N o . 4 , J u l y — A u g u s t 1 9 9 1 , p p . 3 9 0 - 3 9 9 . B e e b y , A . W . , " C o r r o s i o n o f R e i n f o r c i n g S t e e l i n C o n c r e t e a n d i t s R e l a t i o n t o C r a c k i n g , " S t r u c t u r a l E n g i n e e r , V o l . 5 6 , N o . 1 3 , M a r c h 1 9 7 8 , p p . 7 7 - 8 1 . B o n z e l , J . , a n d S c h m i d t , M . , ” D i s t r i b u t i o n a n d O r i e n t a t i o n o f S t e e l F i b e r s i n C o n c r e t e a n d T h e i r I n fl u e n c e o n t h e C h a r a c t e r i s t i c s o f S t e e l F i b e r C o n c r e t e , " T h i r d I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e : R I L E M S y m p o s i u m F R C 8 6 , 1 3 - 1 7 J u l y 1 9 8 6 , 9 p p . C h a - D o n , L . , ” C o n s t i t u t i v e M o d e l i n g a n d F l e x u r a l A n a l y s i s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e F o r S t r u c t u r a l A p p l i c a t i o n s , " P h . D . T h e s i s , C i v i l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 9 0 , 2 0 3 p p . C l e a r , K . , a n d C h o l l a r , B . , " S t y r e n e - B u t a d i e n e L a t e x M o d i fi e r s f o r B r i d g e D e c k 2 3 . 2 4 . 2 5 . 2 6 . 2 7 . 2 8 . 2 9 . 3 0 . 3 1 . 3 2 . 3 3 . 3 4 . 3 0 9 O v e r l a y C o n c r e t e , " R e p o r t N u m b e r F H W A - R D — 7 8 — 3 5 , W a s h i n g t o n , D . C . , A p r i l 1 9 7 8 . C o n c r e t e A d m i x t u r e s H a n d b o o k , C h a p t e r 7 , N o y e s P u b l i c a t i o n s , 1 9 8 4 , p a g e 3 9 8 . " C o r r o s i o n o f M e t a l s i n C o n c r e t e , ” R e p o r t b y A C I C o m m i t t e e 2 2 2 , A C I 2 2 2 R - 8 9 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e M a n u a l o f C o n c r e t e P r a c t i c e , 3 0 p p . C o u t t s , R . S . P . , " S t i c k s a n d S t o n e s , " F o r e s t P r o d u c t s N e w s l e t t e r , C S I R O - D i v i s i o n o f c h e m i c a l a n d W o o d T e c h n o l o g y ( A u s t r a l i a ) , V o l . 2 , N o . 1 , J a n u a r y 1 9 8 8 , p p . 1 - 4 . D h i r , R . K . , J o n e s , M . R . , a n d M c C a r t h y , M . , ” M e a s u r e m e n t o f R e i n f o r c e m e n t ‘ C o r r o s i o n i n C o n c r e t e S t r u c t u r e s , " C o n c r e t e M a g a z i n e , J a n u a r y 1 9 9 1 , p p . 1 5 - i 1 9 . E d d i n g t o n , J . , a n d H a n n a n t , D . J . , " S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e - T h e E f f e c t o n F i b e r O r i e n t a t i o n a n d C o m p a c t i o n b y V i b r a t i o n , " M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ( R I L E M ) , V o l . 5 4 1 - 5 4 4 , 1 9 7 2 . E r l i n , B . a n d V e r b e c k , G . J . , ” C o r r o s i o n o f M e t a l s i n C o n c r e t e - N e e d e d R e s e a r c h , " A C I C o m m i t t e e 2 2 2 , S P - 4 9 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , 1 9 7 5 , p p . 3 9 - 4 6 . F r i c k e , H u g o , ” T h e E l e c t r i c C o n d u c t i v i t y a n d C a p a c i t y o f D i s p e r s e S y s t e m s , " P h y s i c s , 1 , A u g u s t 1 9 3 1 , p p . 1 0 6 . F r u e d e n t h a l , A . M . , ” S t a t i s t i c a l A p p l i c a t i o n s t o B r i t t l e F r a c t u r e , " i n F r a c t u r e , V o l . 2 , e d . H . L i e b o w i t z , A c a d e m i c P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 6 8 , C h a p t e r 6 , p p . 5 9 1 - 6 1 9 . F u k u c h i , T . , O h a m a , Y . , H a s h i m o t o , H . , a n d S u g i y a m a , M . , " P r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r P o l y m e r - M o d i fi e d C o n c r e t e , " T h e S o c i e t y o f M a t e r i a l s S c i e n c e , K y o t o , J a p a n , 1 9 7 8 , p p . 1 6 3 - 1 6 5 . H a m m o n d , E . , a n d R o b s o n , T . D . , ” C o m p a r i s o n o f E l e c t r i c a l P r o p e r t i e s o f V a r i o u s C e m e n t s a n d C o n c r e t e s , ‘ T h e E n g i n e e r ( L o n d o n ) , 1 9 9 , N o . 5 1 6 5 , 7 8 - 8 0 , a n d N o . 5 1 6 6 , 1 1 4 - 1 1 5 , J a n u a r y 2 1 a n d 2 8 , 1 9 5 5 . H a u s m a n n , D . A . , ” E l e c t r o c h e m i c a l B e h a v i o r o f S t e e l i n C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , F e b r u a r y 1 9 6 4 , p p . 1 7 1 - 1 8 7 . H i l l e r b o r g , A . , M o d e e r , M . , a n d P e t e r s s o n , P - E , ” A n a l y s i s o f C r a c k F o r m a t i o n 3 5 . 3 6 . 3 7 . 3 8 . 3 9 . 4 0 . 4 1 . 4 2 . 4 3 . 4 5 . 3 1 0 a n d C r a c k G r o w t h i n C o n c r e t e b y M e a n s o f F r a c t u r e M e c h a n i c s a n d F i n i t e E l e m e n t s , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 6 , 1 9 7 6 , p p . 7 7 3 - 7 8 2 . H i l l e r b o r g , A . , " A n a l y s i s o f F r a c t u r e b y M e a n s o f t h e F i c t i t i o u s C r a c k M o d e l , P a r t i c u l a r l y f o r F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C e m e n t C o m p o s i t e s , V o l . 2 , N o . 4 , 1 9 8 6 , p p . 1 7 7 - 1 8 4 . H i l l e r b o r g , A . , " T h e T h e o r e t i c a l B a s i s o f a M e t h o d t o d e t e r m i n e t h e F r a c t u r e E n e r g y G B o f C o n c r e t e , “ M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s , V o l . 1 8 , N o . 1 0 6 , 1 9 8 5 , p p . P 2 9 1 - 2 9 6 . I - I i m e , W . a n d E r l i n , B . , " S o m e C h e m i c a l a n d P h y s i c a l A s p e c t s o f P h e n o m e n a A s s o c i a t e d w i t h C h l o r i d e - I n d u c e d C o r r o s i o n , " A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e S p e c i a l P u b l i c a t i o n , S P - 1 0 2 - 1 , 1 9 8 7 , p p . 1 - 1 2 . H i r a n m a s , S i k r i t , ” C o r r o s i o n o f R e i n f o r c i n g S t e e l i n S u l p h u r I m p r e g n a t e d 8 C o n c r e t e , " T h e s i s P r e s e n t e d t o t h e U n i v e r s i t y o f T e x a s a t A r l i n g t o n i n P a r t i a l F u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e D e g r e e o f D o c t o r o f P h i l o s o p h y , 1 9 8 0 . I s e n b e r g , J . E . , R a p p , D . E . , S u t t o n , E . J . , a n d V a n d e r h o f f , J . W . , " M i c r o s t r u c t u r e a n d S t r e n g t h o f t h e B o n d B e t w e e n C o n c r e t e a n d S t y r e n e - B u t a d i e n e L a t e x - M o d i fi e d M o r t a r , " H i g h w a y R e s e a r c h R e c o r d 3 7 0 , T R B , N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l , W a s h i n g t o n , D . C . , 1 9 7 1 , p p . 7 5 - 8 9 . K h a n , M . S . , ” C o r r o s i o n o f R e i n f o r c i n g S t e e l i n S u l p h u r C o n c r e t e , ” T h e s i s P r e s e n t e d t o t h e U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m a n d M i n e r a l s , S a u d i A r a b i a , i n P a r t i a l F u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e D e g r e e o f M a s t e r o f S c i e n c e , A u g u s t 1 9 8 5 , 1 5 0 p p . K o s a , K . , N a a m a n , A . E . , a n d H a n s e n , W . , ” D u r a b i l i t y o f F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 8 8 , N o . 3 , M a y - J u n e 1 9 9 1 . K u h l m a n n , L . A . , ” P e r f o r m a n c e H i s t o r y o f L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e O v e r l a y s , " A C I P u b l i c a t i o n S P - 6 9 : A p p l i c a t i o n o f P o l y m e r C o n c r e t e , 1 9 8 1 , p p . 1 2 3 - 1 4 4 . K u h l m a n n , L . A . : ' S t a t e - o f - t h e — A r t R e p o r t o n L M C ” , A C I S u b c o m m i t t e e 5 4 8 A , F e b r u a r y 1 9 8 8 . K u h l m a n n , L . A . , " A T e s t M e t h o d f o r M e a s u r i n g t h e B o n d S t r e n g t h o f L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e a n d M o r a t r " , D o w C h e m i c a l s C o . , P r e s e n t e d a t t h e 1 9 8 9 A C I A n n u a l C o n v e n t i o n , A t l a n t a , G e o r g i a , F e b r u a r y 1 9 - 2 4 , 1 9 8 9 . K u h l m a n n , L . A . , " L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e f o r R e p a i r a n d R e h a b i l i t a t i o n o f B r i d g e s ” , P r e s e n t e d a t t h e S e m i n a r R e s i n s i n C o n s t r u c t i o n , L o n d o n , O c t o b e r 4 6 . 4 7 . 4 8 . 4 9 . 5 0 . 5 1 . 5 2 . 5 3 . - 5 4 . 5 5 . 5 6 . 5 7 . 5 8 . 3 1 1 1 9 8 4 . L a r s o n , K . B . , ” C a r b o n F i b e r - C e m e n t A d h e s i o n i n C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t ( C F R C ) , " M a s t e r s T h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 8 8 , 6 5 p p . L a v e l l e , J . A . , " A c r y l i c L a t e x - M o d i fi e d P o r t l a n d C e m e n t , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 5 , N o . l , J a n u a r y - F e b r u a r y , 1 9 8 8 . L o h , G . , ” F a c t o r s I n fl u e n c i n g t h e S i z e E f f e c t s i n G y p s u m M o r t a r , ” M . S . T h e s i s , C o r n e l l U n i v e r s i t y , I t h a c a , N e w Y o r k , S e p . 1 9 6 9 . M a r i k u n t e , S . S . R . , ” M o i s t u r e S e n s i t i v i t y a n d L o n g - T e r m D u r a b i l i t y C h a r a c t e r i s t i c s o f W o o d F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t C o m p o s i t e s , " D i s s e r t a t i o n f o r t h e D e g r e e o f P h . D . , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 9 2 , 2 9 5 p p . M e h t a , P . K . , ” C o n c r e t e : S t r u c t u r e , P r o p e r t i e s , a n d M a t e r i a l s , " P r e n t i c e - H a l l , I n c . , E n g l e w o o d C l i f f s , N . J . 0 7 6 3 2 , 1 9 8 6 . M i n d e s s , S . a n d Y o u n g , J . P . , C o n c r e t e , P r e n t i c e - H a l l , I n c . , 1 9 8 1 , 6 7 1 p p . M i r z a , F . A . , " P o l y p r o p y l e n e F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : E v a l u a t i o n o f M a t e r i a l P r o p e r t i e s a n d C o m p o s i t i o n s , " P h . D . T h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 9 2 , 1 9 9 p p . M o n f o r e , G . E . , ” T h e E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y o f C o n c r e t e , " J o u r n a l o f t h e P C A R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t L a b o r a t o r i e s , 1 0 , N o . 2 , M a y 1 9 6 8 , p p . 3 5 — 4 8 . N e v i l l e , A . M . , W , T h i r d E d i t i o n , L o n g m a n S c i e n t i fi c & T e c h n i c a l , U . K . , 1 9 8 1 , 7 7 9 p p . N i e l s e n , K . E . C . , " E f f e c t o f V a r i o u s F a c t o r s o n t h e F l e x u r a l S t r e n g t h o f C o n c r e t e T e s t B e a m s , " M a g . C o n c r e t e R e s . , 1 5 , 1 9 5 4 , p p . 1 0 5 - 1 1 4 . N i k k a n e n , P . , ” O n t h e E l e c t r i e a l P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e a n d T h e i r A p p l i c a t i o n s , " V a l t i o n T e k n i l l i n e n T u t k i m u s l a i t o s , T i e d o t u s , S a r j a I I I , R a k e n n u s 6 0 ( 1 9 6 2 ) , 7 5 p a g e s . I n F i n n i s h w i t h E n g l i s h s u m m a r y . O h a m a , Y . , ” P r i n c i p l e o f L a t e x M o d i fi c a t i o n a n d S o m e T y p i c a l P r o p e r t i e s o f L a t e x - M o d i fi e d M o r t a r s a n d C o n c r e t e s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 4 , N o . 6 , N o v e m b e r - D e c e m b e r 1 9 8 7 , p p . 5 1 1 - 5 1 8 . O h a m a , Y . , K a n , S . , a n d M i y a r a , M . , ” F l e x u r a l B e h a v i o r o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r - M o d i fi e d C o n c r e t e , " T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , V o l . 4 , 1 9 8 2 , p p . 1 4 7 - 1 5 2 . 5 9 . 6 1 . 6 2 . 6 3 . 6 5 . , 6 7 . 6 8 . 6 9 . 3 1 2 O h a m a , Y . , M i y a r a , M . , a n d E n d o , M . , ” P r 0 p e r t i e s o f S t e e l F i b e r a n d P o l y e t h y l e n e F i b e r H y b r i d R e i n f o r c e d P o l y m e r - M o d i fi e d C o n c r e t e , " T h e T w e n t y fi f t h J a p a n C o n g r e s s o n M a t e r i a l s R e s e a r c h , K y o t o , J a p a n , 1 9 8 5 , p p . 1 5 1 - 1 5 5 . O h a m a , Y . , M i y a r a , M . , a n d K a n , S . , " D r y i n g S h r i n k a g e o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r - M o d i fi e d C o n c r e t e , " T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , V o l . 4 , 1 9 8 2 , p p . 1 5 3 - 1 5 8 . O h a m a , Y . , K a n , S . , a n d S u g a h a r a , T . , ” P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s , " T h e T w e n t y fi f t h J a p a n C o n g r e s s o n M a t e r i a l s R e s e a r c h , K y o t o , J a p a n , 1 9 8 2 , p p . 2 3 9 - 2 4 2 . O h a m a , Y . , a n d S u g a h a r a , T . , ” D r y i n g S h r i n k a g e R e d u c t i o n o f C e m e n t M o r t a r b y S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t a n d P o l y m e r M o d i fi c a t i o n , " T h e J o u r n a l o f t h e C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g o f N i h o n U n i v e r s i t y , J a p a n , S e r i e s A , V o l . 2 4 , M a r c h 1 9 8 3 , p p . 3 5 - 3 8 . O h a m a , Y . , D e m u r a , K . , a n d S a t o h , Y . , ” D r y i n g S h r i n k a g e a n d S t r e n g t h o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s C o n t a i n i n g S h r i n k a g e - R e d u c i n g A g e n t s , ” J a p a n , M a r c h 1 9 8 8 , p p . 8 1 - 8 6 . O h a m a , Y . , a n d S u g a h a r a , T . , ” D r y i n g S h r i n k a g e o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s , " T h i r d I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o n P o l y m e r s i n C o n c r e t e , V o l . 1 , S e c . 2 . 9 , 1 1 p p . O h a m a , Y . , D e m u r a , K . , N a g a o , H . , a n d O g i , T . , ” A d h e s i o n o f P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s t o O r d i n a r y C e m e n t M o r t a r b y D i f f e r e n t T e s t M e t h o d s " . O h a m a , Y . , D e m u r a , K . , a n d M i y a k i , M . : ” R e s i s t a n c e o f P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s t o C h l o r i d e P e n e t r a t i o n " , S i n g a p o r e , 1 9 8 7 . O h a m a , Y . , D e m u r a , K . , a n d P a r e e k , S . N . , ” E v a l u a t i o n o f C o r r o s i o n I n h i b i t i n g P r o p e r t y o f P o l y m e r - M o d i fi e d M o r t a r s , " P r o c e e d i n g s o f t h e T h i r d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e : D e t e r i o r a t i o n a n d R e p a i r o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e i n t h e A r a b i a n G u l f , " B a h r a i n , 2 1 - 2 4 O c t o b e r , 1 9 8 9 , p p . 5 8 1 - 5 9 0 . P o w e r s , T . C . , " R e s i s t a n c e t o W e a t h e r i n g - F r e e z i n g a n d T h a w i n g , " A S T M S p . T e c h . P u b l i c n . N o . 1 6 9 , 1 9 5 6 , p p . 1 8 2 - 1 8 7 . R a s h e e d u z z a f a r , A l — S a a d o u n , S . S . a n d A l - G a h t a n i , A . S . , ” C o r r o s i o n C r a c k i n g i n R e l a t i o n t o B a r D i a m e t e r , C o v e r , a n d C o n c r e t e Q u a l i t y , " A S C E J o u r n a l o f M a t e r i a l s i n C i v i l E n g i n e e r i n g , V o l . 4 , N o . 4 , N o v e m b e r 1 9 9 2 , p p . 3 2 7 - 3 4 1 . 7 0 . 7 1 . 7 2 . 7 3 . 7 4 . 7 5 . 7 6 . 7 7 . 7 8 . 7 9 . 8 0 . 3 1 3 R a s h e e d u z z a f a r , A l — S a a d o u n , S . S . , A l - G a h t a n i , A . S . , a n d D a k h i l , F . H . , ” E f f e c t o f T r i c a l c i u m A l u m i n a t e C o n t e n t o f C e m e n t o n C o r r o s i o n o f R e i n f o r c i n g S t e e l i n C o n c r e t e , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 0 , 1 9 9 0 , p p . 7 2 3 - 7 3 8 . R i l e m T e c h n i c a l C o m m i t t e e 5 2 , ” A d h e s i o n B e t w e e n P o l y m e r s a n d C o n c r e t e ( B o n d i n g , P r o t e c t i o n , R e p a i r ) , " P r o c w d i n g s I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m , P a r i s , F r a n c e , S e p t e m b e r 1 9 8 6 . R I L E M , ” F r a c t u r e M e c h a n i c s o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s - F r o m T h e o r y t o A p p l i c a t i o n s , " R e p o r t o f t h e T e c h . C o m m . 9 0 - F M A F r a c . M e c h . t o C o n c . - A p p l i c a t i o n s . R I L E M ( T h e I n t e r n a t i o n a l U n i o n o f T e s t i n g a n d R e s e a r c h L a b o r a t o r i e s f o r M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ) , E d i t e d b y E l f g e n , L . , C h a p m a n A n d H a l l , N e w Y o r k , 1 9 8 9 , 4 0 5 p p . R o m u a l d i , J . P . , a n d M a n d e l , J . A . , ” T e n s i l e S t r e n g t h o f C o n c r e t e A f f e c t e d b y U n i f o r m l y D i s t r i b u t e d a n d C l o s e l y S p a c e d S h o r t L e n g t h s o f W i r e R e i n f o r c e m e n t , " J o u r n a l o f t h e A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , V . 6 1 , N o . 6 , J u n e 1 9 6 4 , p p . 6 5 7 - 6 6 5 . S a b n i s , G . M . , a n d A r o n i , S . , ” S i z e E f f e c t i n M a t e r i a l s S y s t e m s , T h e S t a t e - o f - t h e - A r t , " P a p e r N o . 1 2 , i n S t r u c t u r e , S o l i d M e c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g D e s i g n , T h e P r o c e e d i n g s o f t h e S o u t h h a m p t o n 1 9 6 9 C i v i l E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s C o n f e r e n c e , E d i t o r , M . T e e n i , W i l e y I n t e r s c i e n c e , 1 9 7 1 , p p . 1 3 1 - 1 4 2 . S a b n i s , . . , G M H a r r i s , H . . , G W h i t e , . . , R N a n d M i r z a , M H S , S t m c m m W a i t i n g : P r e n t i c e - H a l l 1 9 8 3 p p . 2 1 7 - 2 5 0 S c h i e s s l , P . , E d i t o r , C o r r o s i o n o f S t e e l i n C o n c r e t e , " R e p o r t o f t h e T e c h n i c a l C o m m i t t e e 6 0 - C S C , R I L E M , 1 9 8 8 , 9 7 p p . S h a h , S . P . , ” A p p l i c a t i o n o f F r a c t u r e M e c h a n i c s t o C e m e n t i t i o u s C o m p o s i t e s , " A d v a n c e d S c i e n c e I n s t i t u t e S e r i e s E , M a r t i n u s N i j h o f f P u b l i s h e r s , B o s t o n , M a s s . , 1 9 8 5 . S h a h , S . P . a n d S a n k a r , R . , ” I n t e r n a l C r a c k i n g a n d S t r a i n - S o f t e n i n g R e s p o n s e o f C o n c r e t e U n d e r U n i a x i a l C o m p r e s s i o n , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , A m e r i e a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , D e t r o i t , M i c h . , M a y - J u n e , 1 9 8 7 , p . 2 0 0 - 2 1 2 . S n y d e r , M . J . , a n d L a n k a r d , D . R . , ” F a c t o r s A f f e c t i n g t h e F l e x u r a l S t r e n g t h o f S t e e l F i b r o u s C o n c r e t e , “ P r o c . A m e r . C o n c r . I n s t . 6 9 , 1 9 7 2 , p p . 9 6 - 1 0 0 . S o r o u s h i a n , P . , a n d A o u a d i , F . , ” L a t e x - M o d i fi e d C o n c r e t e : S t a t e - o f - t h e - A r t " , R e p o r t N o . M S U - E N G R - 8 8 - 0 1 2 , C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , E . L a n s i n g , M I . , O c t o b e r 1 9 8 8 , 1 4 5 p p . 8 1 . 8 2 . 8 3 . 8 5 . 8 6 . 8 7 . 8 8 . 8 9 . 9 1 . 3 1 4 S o r o u s h i a n , P . a n d B a y a s i , 2 . , " M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d , " C o n c r e t e S e m i n a r P r o c w d i n g s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , E . L a n s i n g , M I . , F e b r u a r y 1 9 8 7 . S o r o u s h i a n , P . , a n d R a v a n b a k h s h , S . , ” T e s t P r o c e d u r e s F o r F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , S e m i n a r o n R e c e n t A d v a n c e s i n C o n c r e t e T e c h n o l o g y , L i f e l o n g E d u c a t i o n P r o g r a m , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , E . L a n s i n g , M I . , F e b n r a r y , 1 9 8 9 . S o r o u s h i a n , P . , a n d R a v a n b a k h s h , S . , ” C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n : A V i s i o n f o r t h e N i n e t i e s , " P r o c e e d i n g s , S e m i n a r o n R e c e n t A d v a n c e s i n C o n c r e t e T e c h n o l o g y , L i f e l o n g E d u c a t i o n P r o g r a m , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , E . L a n s i n g , M I . , F e b r u a r y , 1 9 9 1 . S t r a t f u l l , R . F . , " H o w C h l o r i d e s A f f e c t C o n c r e t e U s e d w i t h R e i n f o r c i n g S t e e l , " M a t e r i a l s P r o t e c t i o n , V o l u m e 7 , N o . 3 , M a r c h 1 9 6 8 , p p . 2 9 - 3 4 . S t r o e v e n , P . , ” T h e A n a l y s i s o f F i b e r D i s t r i b u t i o n s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t i t i o u s M a t e r i a l s , " P r e s e n t e d a t M i c r o ’ 7 6 , L o n d o n , J o u r n a l o f M i c r o s c o p y , V o l . 3 , p t . 3 , D e c . 1 9 7 7 , p p . 2 8 3 - 2 9 5 . S t r o e v e n , P . , " M o r p h o m e t r y o f F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t i t i o u s M a t e r i a l s , " P a r t I : E f fi c i e n c y a n d S p a c i n g i n I d e a l i z e d S t r u c t u r e s , M a t e r i a u x & C o n s t r u c t i o n s , V o l . 1 1 , N o . 6 1 , J a n . - F e b . 1 9 7 8 , p p . 3 1 - 3 8 . S t r o e v e n , P . , ” M o r p h o m e t r y o f F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t i t i o u s M a t e r i a l s , " P a r t I I : I n h o m o g e n e i t y , S e g r e g a t i o n a n d A n i s o m e t r y o f P a r t i a l l y O r i e n t e d F i b e r S t r u c t u r e s , " M a t e r i a u x & C o n s t r u c t i o n s , V o l . 1 2 , N o . 6 7 , 1 9 7 9 , p p . 6 - 2 0 . S u n d a r a , R a j a I y e n g a r , K . T . , N a g a r a j , T . S . , a n d K a m e s w a r a R a o , B . , ” S u p e r p l a s t i c i s e d N a t u r a l R u b b e r L a t e x - M o d i fi e d S t e e l F i b r e R e i n f o r c e d C o n c r e t e s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , L o n d o n , E n g l a n d , 1 9 8 6 , 7 p p . S w a m y , R . N . , a n d S t a v r i d e s , H . , ” I n fl u e n c e o f t h e M e t h o d o f F a b r i c a t i o n o n S t r e n g t h P r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r C o n c r e t e , ” M a t e r i a u x e t C o n s t r u c t i o n s 9 , N o . 5 2 , 1 9 7 6 , p p . 2 4 3 - 2 5 3 . T r o x e l l , G . E . , D a v i s , H . E . , a n d K e l l y , J . W . , W W , S e c o n d E d i t i o n , M c G r a w — H i l l B o o k C o m p a n y , 1 9 6 8 , 5 2 9 p p . T u c k e r , J . J r . , ” S t a t i s t i c a l T h e o r y o f t h e E f f e c t o f D i m e n s i o n s a n d M e t h o d o f L o a d i n g o n t h e M o d u l u s o f R u p t u r e o f B e a m s , ” A m . S o c . T e s t i n g M a t e r . P r o c . , 4 1 , 1 9 4 1 , p p . 1 0 7 2 - 1 0 8 8 . 9 2 . 9 3 . 9 4 . 9 5 . 9 6 . 9 7 . 9 8 . 1 0 0 . 3 1 5 T u c k e r , J . J r . , " E f f e c t o f D i m e n s i o n s o f S p e c i m e n s U p o n t h e P r e c i s i o n o f S t r e n g t h D a t a , ” A m . S o c . T e s t i n g M a t e r . P r o c . , 4 5 , 1 9 4 5 , p p . 9 5 2 - 9 5 9 . V e r b e c k , G . J . , " M e c h a n i s m s o f C o r r o s i o n o f S t e e l i n C o n c r e t e , ” A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , A C I C o m m i t t e e 2 2 2 , S P 4 9 - 3 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , 1 9 7 5 , p p . 2 1 - 3 8 . W a l l , J . S . , S h r i n e , N . G . , a n d G a m b l e , B . R . , " T e s t i n g o f B o n d B e t w e e n F r e s h a n d H a r d e n e d C o n c r e t e ” , U n i v e r s i t y o f C a l g a r y . W e i , 8 . , M a n d e l , A . J . , a n d S a i d , 8 . , " S t u d y o f t h e I n t e r f a c e S t r e n g t h i n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t - B a s e d C o m p o s i t e s ” , A C I J o u r n a l , 1 9 8 6 , p p . 5 9 7 - 6 0 5 . W e i b u l l , W . , " A S t a t i s t i c a l T h e o r y o f t h e S t r e n g t h o f M a t e r i a l s , " R o y a l S w e d i s h P r o c . , 1 5 1 , 1 5 2 , 1 9 3 9 . W h i t i n g , D . , a n d K u h l m a n n , L . : ” C u r i n g a n d C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y " , C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , A p r i l , 1 9 8 7 . W o o d s , H . , " D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n , " M o n o g r a p h N o . 4 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , D e t r o i t , M I . , 1 9 6 8 . W r i g h t , P . J . F . , a n d G a r w o o d , F . , ” T h e E f f e c t i v e n e s s o f t h e M e t h o d o f T e s t o n t h e F l e x u r a l o f C o n c r e t e , " M a g . C o n c r . R e s . , 1 1 , L o n d o n , 1 9 5 2 , p p . 6 7 - 7 6 . Y o u n g , J . F . , ” A R e v i e w o f t h e P o r e S t r u c t u r e o f C e m e n t P a s t e a n d C o n c r e t e a n d i t s I n fl u e n c e o n P e r m e a b i l i t y , " A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , S P 1 0 8 : " P e r m e a b i l i t y o f C o n c r e t e ” ( W h i t i n g , D . , a n d W a l i t t , A . , e d i t o r s ) , 1 9 8 8 , p p . 1 - 1 8 .