m y ? M p ? 1 ‘ . r w a . w r fi fi r s m “ w i f . m . . é . , : 5 5 . 4 . q u . ” 5 ‘ 4 t h I £ F 7 l ! . u 1 . » 1 . . i 3 AA1 - ) 3 s v ‘ a n . M N 3 . . - . . 0 1 . . ‘ ? 1 . ‘ ' l . ‘ “ M E W S r J n g X ) ‘ \ v i S e a f a r c v t 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 Q u a n t i t a t i v e 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 o f D a m a g e d C o n c r e t e p r e s e n t e d b y M o h a m e d F a r o u k E l z a f r a n e y 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 f i 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 o c t o r a l d e g r e e i n C i v i l E n g r i n e e r i r g \ ‘ 7 ‘ R \ ' . > \ 1 M a j o r P r o f e s s o f § S T g n a t u r e A p n l 2 7 , 2 0 0 4 D a t e M S U i s a n A f fi 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 E R A fi Y ‘ M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i 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 . M A Y B E R E C A L L E D w i t h e a r l i e r d u e d a t e i f r e q u e s t e d . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E 6 / 0 1 c ; / C | R C / D a t e D u e . p 6 5 - p . 1 5 Q U A N T I T A T I V E 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 O F D A M A G E D C O N C R E T E V O L U M E I B y M o h a m e d F a r o u k E l z a f r a n e y 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 a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 2 0 0 4 A B S T R A C T Q U A N T I T A T I V E 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 O F D A M A G E D C O N C R E T E B y M o h a m e d F a r o u k E l z a f r a n e y A c o m p r e h e n s i v e a p p r o a c h h a s b e e n d e v e l o p e d f o r q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k a n d v o i d s y s t e m s . T h e p r o p o s e d a p p r o a c h a i m s t o e s t a b l i s h s o l i d b a s e s f o r d e v e l o p m e n t o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s , w h i c h c a n p r o v i d e s u b s t a n t i a l i n s i g h t i n t o t h e b e h a v i o r a n d f a i l u r e m o d e s o f c o n c r e t e . T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y , m o r e t h a n 2 0 0 . 0 0 0 i m a g e s w e r e c a p t u r e d t h r o u g h e n v i r o n m e n t a l 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 y ( E S E M ) a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . S p e c i m e n p r e p a r a t i o n , i m a g e a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g . a n d q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f i m a g e s c o n s t i t u t e t h e s t e p s i n v o l v e d i n m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f c o n c r e t e . S p e c i m e n p r e p a r a t i o n f o r E S E M i n v o l v e s W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n . F o r f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y , a t w o - s t e p i n k / e p o x y i m p r e g n a t i o n w a s d e v e l o p e d i n t h e r e s e a r c h s t u d y . P r e p a r e d s u r f a c e s w o u l d y i e l d s h a r p c o n t r a s t s b e t w e e n f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) a n d t h e b o d y o f c o n c r e t e . A f t e r a c q u i s i t i o n o f m i c r o s c o p i c i m a g e s , i m a g e p r o c e s s i n g f u n c t i o n s w e r e p e r f o r m e d t o a l t e r g r a y s c a l e i m a g e s i n t o b i n a r y i m a g e s , a n d t o r e fi n e s u c h i m a g e s f o r t h e p u r p o s e o f q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s . M a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s w e r e d e v e l o p e d f o r d i s t i n g u i s h i n g m i c r o c r a c k s f r o m v o i d , a n d f o r c o m p r e h e n s i v e q u a n t i fi c a t i o n o f m i c r o c r a c k a n d v o i d s y s t e m s . S t e r e o l o g i c a l r e l a t i o n s h i p s w e r e e m p l o y e d f o r q u a n t i f i c a t i o n o f s p a t i a l ( 3 - D ) m i c r o c r a c k / v o i d c h a r a c t e r i s t i c s b a s e d o n p l a n a r ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s . S t a t i s t i c a l s a m p l i n g s c h e m e s w e r e d e v e l o p e d f o r d e t e r m i n i n g t h e a d e q u a t e n u m b e r o f s p e c i m e n s a n d i m a g e s f o r d e r i v i n g s t a t i s t i c a l l y v i a b l e c o n c l u s i o n s . a n d a l s o f o r c o m p a r a t i v e e v a l u a t i o n o f d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s w i t h i n t h e c o n c r e t e s y s t e m . T h e p r o p o s e d a p p r o a c h w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m e c h a n i c a l , t h e r m a l a n d w e a t h e r i n g p h e n o m e n a o n c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e a n d e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s , a n d t o d e v e l o p p r e l i m i n a r y m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s . T h e s y s t e m w a s a l s o a p p l i e d t o w a r d t h e fi e l d a p p l i c a t i o n o f q u a n t i t a t i v e 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 m e t h o d o l o g y t o r i g i d p a v e m e n t a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e d e c k s y s t e m . T h e r e s e a r c h s t u d y e m p h a s i z e d i n v e s t i g a t i o n o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n u n d e r m e c h a n i c a l , t h e r m a l a n d e n v i r o n m e n t a l d a m a g e p h e n o m e n a , a n d t h e i m p a c t o f m i c r o c r a c k g r o w t h o n c o n c r e t 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 . T h e l a b o r a t o r y a n d fi e l d t e s t d a t a v a l i d a t e d t h e a n a l y t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l t o o l s d e v e l o p e d i n t h e s t u d y f o r q u a n t i t a t i v e 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 o f c o n c r e t e . T h e a p p r o a c h d e v e l o p e d i n t h e s t u d y c o n s t i t u t e s a v a l u a b l e r e s e a r c h t o o l , a n d c a n a l s o c o n t r i b u t e t o w a r d f o r e n s i c s t u d i e s a n d h e a l t h a s s e s s m e n t o f d e t e r i o r a t e d a n d d a m a g e d 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 s y s t e m s . D E D I C A T I O N T 0 e v e r y d e s p e r a t e i n t h e w h o l e w o r l d , e v e r y p e r s o n t h i n k s t h a t t h e r e i s i m p o s s i b l e , e v e r y c r e a t u r e t h i n k s t h a t t h e s u n w i l l n o t r i s e a g a i n . e v e r y h u m a n b e i n g i n t h e m i d d l e o f t h e r o a d . e v e r y o n e k e e p s t r y i n g , e v e r y o n e b e l i e v e s i n s a y i n g “ n e v e r s a y n e v e r ” , e v e r y h a r d w o r k e r . e v e r y o n e t h i n k s t h a t d e s p o t i s m n e v e r e n d s . e v e r y t r u t h s e e k e r . V i c t o r H u g o a n d l e s m i s e r a b l e s T o t h e h o p e , t h e f a i t h , t h e d e s t i n y , t h e r e a l , t h e c o m m i t m e n t , t h e f a c t . t h e s y s t e m , t h e o r d e r . t h e l i g h t , t h e w h i t e . t h e r e s t . h e a l t h , t h e t r i u m p h , t h e p e a c e , f u t u r e , c o n fi d e n c e , p a t i e n c e . o d d i t y , l i f e . l o v e , t o j u s t i c e a n d m e r c y T o c i v i l e n g i n e e r s . a r c h i t e c t s . s t u d e n t s , j o u r n a l s , p a p e r s , t e c h n o l o g y , t o s c i e n t i s t s a n d r e s e a r c h e r s T o s k i e s . g r o u n d , m o u n t a i n s , d e e p s , w i n d , p o w e r . fi r e . w a t e r , b e a u t y , d e s e r t s , f o r e s t s , f a l l s , fl o o d s , v o l c a n o e s . h u r r i c a n e s , h a i l , s t o r m s , l i g h t n i n g . t h u n d e r s , s n o w , r a i n , d u s t , m i t e s . m o l d s , p o l l e n s . i n s e c t s . h e a v e n , h e l l , c o n c r e t e . t o h o u s e s a n d h o m e l e s s a n d a l l r e f u g e e s T o m y f a m i l y T o e v e r y N o g a c a r e s a b o u t m e T o e v e r y o n e h o p e s t h a t t o m o r r o w n e v e r d i e s T o e v e r y o n e w h o w a n t s t o s e e t h e l i g h t a t t h e e n d o f t h e t u n n e l . 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 t h a n k s a n d p r o f o u n d g r a t i t u d e t o P r o f . P a r v i z S o r o u s h i a n f o r h i s e f f e c t i v e g u i d a n c e . c o n t i n u o u s s u p p o r t . a n d t r e m e n d o u s p a t i e n c e . T h e c o m p l e t i o n o f t h i s w o r k i s h i g h l y i n d e b t e d t o h i s i n t e l l e c t u a l i n s p i r a t i o n . c a r e a n d c o n s i d e r a t i o n a n d t h e l o n g t i m e h e s p e n t w i t h m e . I w o u l d l i k e a l s o t o e x p r e s s m y f a i t h f u l t h a n k s t o m e m b e r s o f t h e g u i d a n c e c o m m i t t e e : P r o f . R o n a l d S . H a r i c h a n d r a n . P r o f . N e e r a j J . B u c h . a n d P r o f . G e r a l d D . L u d d e n f o r t h e i r g r e a t e n c o u r a g e m e n t . p r e c i o u s g u i d a n c e , v a l u a b l e d i s c u s s i o n s a n d h e l p f u l a d v i c e . S p e c i a l t h a n k s f o r A l i N o s s o n i a n d S i a v o s h R a v a n b a k h s h f o r t h e r o l e t h a t t h e y h a v e p l a y e d i n i n i t i a t i o n a n d s u c c e s s f u l u n d e r t a k i n g o f t h i s w o r k . T h e fi n a n c i a l s u p p o r t o f E g y p t i a n G o v e r n m e n t a n d U S . A i r F o r c e f o r m y g r a d u a t e s t u d y a n d t h e r e s e a r c h w o r k i s s i n c e r e l y a c k n o w l e d g e d . T A B L E O F C O N T E N T S C h a p t e r 1 . I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . ] P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 2 D e fi n i t i o n o f t h e P r o b l e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 3 R e s e a r c h O b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 4 S i g n i fi c a n c e o f t h e R e s e a r c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 5 R e s e a r c h M e t h o d o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C h a p t e r 2 . C o n c r e t e M i c r o s t r u c t u r c : L i t e r a t u r e R e v i e w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 S t r u c t u r e o f C o n c r e t e P h a s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 1 A g g r e g a t e P h a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 1 . 1 S t r u c t u r e o f t h e A g g r e g a t e P h a s e . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 1 . 2 E f f e c t o f A g g r e g a t e P h a s e o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 2 B i n d i n g M e d i u m P h a s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 2 . 1 S t r u c t u r e o f t h e B i n d i n g M e d i u m P h a s e . . . . . . . 2 . 2 . 2 . 2 S o l i d s i n t h e B i n d i n g M e d i u m P h a s e a n d i t s E f f e c t o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 2 . 3 V o i d s i n t h e B i n d i n g M e d i u m P h a s e . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 2 . 4 T y p e s o f V o i d s a n d t h e i r E f f e c t s o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 3 S t r u c t u r e o f t h e I n t e r f a c i a l T r a n s i t i o n Z o n e ( I T Z ) . . . . . . . . . 2 . 2 . 3 . 1 C o n c r e t e M i c r o c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 3 . 2 C a u s e s o f M i c r o c r a c k P r o p a g a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 2 . 3 . 3 E f f e c t o f ( I T Z ) a n d M i c r o c r a c k s o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . C h a p t e r 3 . M e t h o d o l o g i e s f o r C o n c r e t e I m a g e P r o c e s s i n g A u t o m a t i o n . . . . . . . . . 3 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 2 C r i t e r i o n t o D i s t i n g u i s h b e t w e e n M i c r o c r a c k s a n d V o i d s ( S h a p e A n a l y s i s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 3 C r i t e r i o n f o r N o i s e R e m o v a l ( S i z e A n a l y s i s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 4 S e l e c t i o n o f t h e M a g n i fi c a t i o n F a c t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 5 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C h a p t e r 4 . S p e c i m e n P r e p a r a t i o n f o r A u t o m a t e d F e a t u r e s D e t e c t i o n . . . . . . . . . . . . 4 . 1 F e a t u r e D e t e c t i o n T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 1 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 1 . 2 C u r r e n t T e c h n i q u e s U s e d f o r D e t e c t i o n o f C o n c r e t e F e a t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 1 . 2 . 1 P h o t o - E l a s t i c C o a t i n g T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 1 . 2 . 2 I n t e r f e r o m e t r y T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i 1 0 1 0 1 0 1 1 1 5 1 5 1 6 1 8 1 9 2 6 2 8 2 9 4 4 5 2 5 2 5 3 5 9 6 5 6 9 7 0 7 0 7 O 7 O 7 0 7 1 4 . 1 . 2 . 3 S t e r e o - P h o t o g r a m m e t r y T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . 7 1 4 . 1 . 2 . 4 A c o u s t i c E m i s s i o n T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 4 . 1 . 2 . 5 N e u t r o n R a d i o g r a p h y T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 4 . 1 . 2 . 6 M e r c u r y I n t r u s i o n P o r o s i m e t r y T e c h n i q u e s 7 4 4 . 1 . 2 . 7 I n f r a r e d T h e r m o g r a p h y T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . 7 5 4 . 1 . 2 . 8 X - R a y T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5 4 . 1 . 2 . 9 S c a n n e r T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 4 . 1 . 2 . 1 0 M i c r o s c o p y T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 4 . 1 . 3 S e l e c t i o n o f t h e F e a t u r e D e t e c t i o n T e c h n i q u e . . . . . . . . . . . . 8 1 4 . 1 . 3 . 1 E n v i r o n m e n t a l 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 y 8 1 4 . 1 . 3 . 2 F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 4 . 2 S p e c i m e n P r e p a r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0 4 . 2 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 4 . 2 . 2 O b j e c t i v e o f S p e c i m e n P r e p a r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 4 . 2 . 3 E x i s t i n g S p e c i m e n P r e p a r a t i o n T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 4 . 2 . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e P r o p o s e d S p e c i m e n P r e p a r a t i o n T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 4 . 2 . 4 . 1 S p e c i m e n P r e p a r a t i o n f o r E S E M ( W o o d ’ s M e t a l I m p r e g n a t i o n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 4 . 2 . 4 . 2 S p e c i m e n P r e p a r a t i o n f o r F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ( I n k - E p o x y I m p r e g n a t i o n ) . . . . . . . . . 9 9 4 . 3 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 C h a p t e r 5 . I m a g e P r o c e s s i n g a n d A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 9 5 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 9 5 . 2 I m a g e P r o c e s s i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 l 1 5 . 2 . 1 I m a g e P r o c e s s i n g F u n c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 5 . 2 . 1 . 1 D i g i t i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 5 . 2 . 1 . 2 D i s c r i m i n a t i o n a n d T h r e s h o l d i n g . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 5 . 2 . 1 . 3 M o r p h o l o g i c a l O p e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 0 5 . 2 . 2 D e t a c h m e n t o f l n t e r s e c t i n g a n d / o r C o n n e c t e d M i c r o c r a c k s a n d V o i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 5 . 3 I m a g e A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 4 5 . 3 . 1 I m a g e A n a l y s i s F o r m u l a ( M o d e l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 5 . 3 . 1 . 1 M i c r o c r a c k P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 5 . 3 . 1 . 2 V o i d P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 8 5 . 3 . 1 . 3 A g g r e g a t e P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 5 5 . 3 . 1 . 4 F i b e r s P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 9 5 . 4 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 0 C h a p t e r 6 . S t e r e o l o g i c a l I n t e r p r e t a t i o n s & R e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 6 . 1 S t e r e o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 6 . 1 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 6 . 1 . 2 B a s i c S t e r e o l o g i c a l R e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 6 . 1 . 3 S t e r e o l o g i c a l T r e a t m e n t o f O r i e n t e d F e a t u r e s . . . . . . . . . 1 7 5 6 . 1 . 3 . 1 S y s t e m o f L i n e s i n P l a n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 9 v i i 6 . 1 . 3 . 2 S y s t e m o f L i n e s i n S p a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 6 . 1 . 3 . 3 S y s t e m o f s u r f a c e s i n S p a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 6 . 1 . 4 S t e r e o l o g i c a l R e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 8 6 . 1 . 4 . 1 M i c r o c r a c k S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s 1 8 8 6 . 1 . 4 . 2 V o i d S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . 1 9 3 6 . 1 . 4 . 3 A g g r e g a t e S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s 2 0 0 6 . 1 . 4 . 4 F i b e r s S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . 2 0 3 6 . 2 S t a t i s t i c a l A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 6 . 2 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 6 . 2 . 2 T h e S a m p l i n g S c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 6 . 2 . 2 . 1 P r e l i m i n a r y S u b - r e g i o n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 6 . 2 . 2 . 2 C o r i n g a n d S e c t i o n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 6 . 2 . 2 . 3 I m a g e A c q u i s i t i o n a n d M i c r o s t r u c t u r a l A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 0 6 . 2 . 2 . 4 A s s e s s m e n t o f t h e R e q u i r e d N u m b e r o f I m a g e s , C o r e s a n d S u b - r e g i o n s . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 0 6 . 2 . 3 A p p l i c a t i o n o f t h e P r o p o s e d S a m p l i n g S c h e m e . . . . . . . . 2 1 4 6 . 2 . 4 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 6 6 . 3 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 8 C h a p t e r 7 . Q u a l i t a t i v e M i c r o s t r u c t u r a l A n a l y s i s o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 0 7 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 0 7 . 2 E x p e r i m e n t a l P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 7 . 2 . 1 C o n c r e t e M i x t u r e a n d S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 7 . 2 . 2 T e s t i n g P l a n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 7 . 3 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 c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 7 . 4 P e r f o r m a n c e T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 7 . 5 R e s u l t s o f 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 6 7 . 6 D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 8 7 . 7 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 5 C h a p t e r 8 . Q u a n t i t a t i v e M i c r o s t r u c t u r a l A n a l y s i s o f C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 7 8 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 7 8 . 2 E x p e r i m e n t a l P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 8 8 . 3 M i c r o s t r u c t u r a l A n a l y s i s S c h e m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 8 . 4 M i c r o s t r u c t u r a l A n a l y s i s R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 8 . 4 . 1 A n a l o g y b e t w e e n U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) a n d R e i n f o r c e d ( R e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 8 . 4 . 1 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 3 8 . 4 . 1 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 5 8 . 4 . 2 A n a l o g y b e t w e e n U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 4 8 . 4 . 2 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 4 8 . 4 . 2 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 0 v i i i 8 . 4 . 3 A n a l o g y b e t w e e n N o r m a l - S t r e n g t h a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 . 4 . 3 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 . 4 . 3 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 . 5 D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 . 6 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C h a p t e r 9 . F i e l d A p p l i c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 R i g i d P a v e m e n t A p p l i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 2 P a v e m e n t D e s c r i p t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 3 P a v e m e n t S u b - r e g i o n i n g a n d C o r i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 4 E x p e r i m e n t a l M e t h o d o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 5 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 6 M e c h a n i c a l T e s t R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 7 M i c r o s t r u c t u r a l D a t a a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 7 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 7 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 1 . 8 A s s e s s m e n t o f t h e A d e q u a c y o f t h e N u m b e r o f C o r e s a n d S u b - r e g i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 R e i n f o r c e d C o n c r e t e B r i d g e D e c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e B r i d g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 3 S u b - r e g i o n i n g a n d C o r i n g o f t h e B r i d g e D e c k . . . . . . . . . 9 . 2 . 4 E x p e r i m e n t a l M e t h o d o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 5 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 a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . 9 . 2 . 6 M e c h a n i c a l T e s t R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 7 M i c r o s t r u c t u r a l D a t a a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 7 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 7 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 2 . 8 A s s e s s m e n t t h e A d e q u a c y t h e N u m b e r o f C o r e s a n d S u b - r e g i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . 3 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C h a p t e r 1 0 . D e v e l o p m e n t o f C o n c r e t e M i c r o c r a c k - P r o p e r t y R e l a t i o n s h i p s . 1 0 . 1 P r e f a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 . 2 E x p e r i m e n t a l a n d M i c r o s t r u c t u r a l A n a l y s i s P r o g r a m . . . . . . . . . . . . 1 0 . 3 E x p e r i m e n t a l R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 . 4 R e s u l t s o f M i c r o s t r u c t u r a l A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 . 5 M i c r o c r a c k - P r o p e r t y R e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 . 6 V e r i fi c a t i o n o f t h e D e v e l o p e d M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 . 7 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C h a p t e r 1 1 . S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L i t e r a t u r e C i t e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T a b l e 3 . 1 T a b l e 3 . 2 T a b l e 3 . 3 T a b l e 3 . 4 T a b l e 5 . 1 T a b l e 5 . 2 T a b l e 5 . 3 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 6 . 4 T a b l e 6 . 5 T a b l e 6 . 6 T a b l e 6 . 7 T a b l e 6 . 8 T a b l e 6 . 9 L I S T O F T A B L E S S t a t i s t i c a l S u m m a r y o f F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r M i c r o c r a c k s a n d V o i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 V i s u a l V s . A u t o m a t e d M e a s u r e m e n t s o f M i c r o c r a c k s a n d V o i d s . . . . . . . . . . . . . . 5 8 L e n g t h s o f N o i s e , M i c r o c r a c k s , a n d V o i d s a t t h e P r o p o s e d M a g n i fi c a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 T h e E r r o r s ( % ) A s s o c i a t e d W i t h D i f f e r e n t T h r e s h o l d L e n g t h V a l u e s f o r D i s t i n g u i s h i n g N o i s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 C o m p a r i s o n B e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c L o w T h r e s h o l d L e v e l s f o r E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6 C o m p a r i s o n b e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c L o w T h r e s h o l d l e v e l s f o r F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6 E r r o r s i n C a l c u l a t e d C r a c k W i d t h b y T h e P r o p o s e d E q u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 R e l a t i o n s h i p o f M e a s u r e d ( O ) a n d C a l c u l a t e d ( l 3 ) Q u a n t i t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 E x p r e s s i o n s R e l e v a n t t o T h r e e - D i m e n s i o n a l F e a t u r e s i n S p a c e . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7 E q u a t i o n s f o r S y s t e m s o f L i n e s i n a P l a n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 4 E q u a t i o n s f o r S y s t e m s o f L i n e s i n a S p a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 E q u a t i o n s f o r S y s t e m s o f S u r f a c e s i n S p a c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 6 E q u a t i o n s f o r P a r t i a l l y O r i e n t e d S y s t e m s o f S u r f a c e s i n S p a c e . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 8 N o m e n c l a t u r e U s e d i n S c h w a r t z - S a l t y k o v M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) o f S e c t i o n ( X - Y ) f o r M i x t u r e I ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 7 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) o f S e c t i o n ( Y - Z ) f o r M i x t u r e I ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 8 T a b l e 6 . 1 0 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( ' l / m m ) o f S e c t i o n ( X - Y ) f o r M i x t u r e I I ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 9 T a b l e 6 . 1 1 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) o f S e c t i o n ( Y - Z ) f o r M i x t u r e l l ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 0 T a b l 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 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) f o r M i x t u r e I . . 2 2 2 T a b l e 6 . 1 3 S t a t i s t i c a l A n a l y s i s o f C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) f o r M i x t u r e I I . 2 2 3 T a b l e 6 . 1 4 M i c r o c r a c k S p e c i fi c S u r f a c e A r e a ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 5 T a b l e 7 . 1 T h e P o s t - D a m a g e T e s t P r o g r a m f o r C o n c r e t e M i x t u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 T a b l e 8 . 1 S u m m a r y o f S p e c i m e n s a n d D a m a g i n g E f f e c t s o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e i n t h e E x p e r i m e n t a l P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 0 T a b l e 8 . 2 S u m m a r y o f D a m a g i n g E f f e c t s a n d S p e c i m e n s o f H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e i n t h e E x p e r i m e n t a l P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 1 T a b l e 8 . 3 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) T a b l e 8 . 4 T a b l e 8 . 5 N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( P l a n a r M e a s u r e m e n t s ) ( C h a n g e s f o r U n d a m a g e d C o n d i t i o n i n P e r c e n t ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 3 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( P l a n a r M e a s u r e m e n t s ) ( C h a n g e s f r o m U n d a m a g e d C o n d i t i o n i n P e r c e n t ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( S p a t i a l M e a s u r e m e n t s ) ( C h a n g e s f r o m U n d a m a g e d C o n d i t i o n i n P e r c e n t ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 2 T a b l e 8 . 6 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l S t r e n g t h S p e c i m e n s ( S p a t i a l M e a s u r e m e n t s ) ( C h a n g e s f r o m U n d a m a g e d C o n d i t i o n s i n P e r c e n t ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 3 T a b l e 8 . 7 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( P l a n a r M e a s u r e m e n t s ) ( P e r c e n t C h a n g e s V s . U n d a m a g e d C o n d i t i o n ) . . . . . . 2 8 9 T a b l e 8 . 8 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) a n d R e s t r a i n e d ( R e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( S p a t i a l M e a s u r e m e n t s ) ( P e r c e n t C h a n g e s V s . U n d a m a g e d C o n d i t i o n ) . . 2 9 4 T a b l e 8 . 9 R e s u l t s o f N o r m a l - S t r e n g t h a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h S p e c i m e n s . . . . . . . 3 0 0 T a b l e 8 . 1 0 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r N o r m a l - S t r e n g t h ( U n r e i n f o r c e d / U n r e s t r a i n e d ) a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e ( S p a t i a l M e a s u r e m e n t s ) ( P e r c e n t C h a n g e s V s . U n d a m a g e d C o n d i t i o n ) 3 0 6 T a b l e 9 . 1 T e s t s P e r f o r m e d o n P a v e m e n t S u b - r e g i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 7 T a b l e 9 . 2 M e c h a n i c a l a n d T r a n s p o r t P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e C o r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 9 T a b l e 9 . 3 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r T o p S u b - r e g i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 1 T a b l e 9 . 4 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r B o t t o m S u b - r e g i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 3 T a b l e 9 . 5 R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s P e r S u b - r e g i o n 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 1 T a b l e 9 . 6 D e t a i l s o f T e s t P l a n 3 3 9 T a b l e 9 . 7 M e c h a n i c a l a n d T e s t p r o p e r t i e s o f C o n c r e t e C o r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 1 T a b l e 9 . 8 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s 3 4 2 T a b l e 9 . 9 C o m p a r i s o n o f T h e R e q u i r e d a n d A c t u a l N u m b e r o f C o r e s P e r S u b - r e g i o n f o r M i c r o c r a c k A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3 T a b l e 1 0 . 1 C h a n g e s ( % ) i n F l e x u r a l S t r e n g t h a n d P e r m e a b i l i t y C a u s e d b y D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 1 T a b l e 1 0 . 2 C h a n g e s ( % ) i n P l a n a r M e a s u r e m e n t s f o r M i x I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 5 T a b l e 1 0 . 3 C h a n g e s ( % ) i n P l a n a r M e a s u r e m e n t s f o r M i x 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 6 T a b l e 1 0 . 4 C h a n g e s ( % ) i n S p a t i a l M e a s u r e m e n t s f o r M i x I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 8 T a b l e 1 0 . 5 C h a n g e s ( % ) i n S p a t i a l M e a s u r e m e n t s f o r M i x 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 9 T a b l e 1 0 . 6 C o r r e l a t i o n C o e f f i c i e n t s b e t w e e n C h a n g e s i n S p a t i a l M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e C o r r e s p o n d i n g C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h a n d P e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 1 T a b l e 1 0 . 7 E r r o r s i n P r e d i c t i o n o f t h e D e v e l o p e d M o d e s f o r M i x t u r e s I a n d I I . . . . . . . . . 3 7 7 x i F i g u r e 1 . 1 F i g u r e 2 . 1 F i g u r e 2 . 2 F i g u r e 2 . 3 F i g u r e 2 . 4 F i g u r e 2 . 5 F i g u r e 2 . 6 F i g u r e 2 . 7 F i g u r e 2 . 8 F i g u r e 2 . 9 F i g u r e 2 . 1 0 F i g u r e 2 . 1 1 F i g u r e 2 . 1 2 F i g u r e 2 . 1 3 F i g u r e 2 . 1 4 F i g u r e 2 . 1 5 F i g u r e 2 . 1 6 F i g u r e 2 . 1 7 F i g u r e 2 . 1 8 F i g u r e 2 . 1 9 F i g u r e 2 . 2 0 F i g u r e 2 . 2 1 F i g u r e 2 . 2 2 F i g u r e 2 . 2 3 F i g u r e 2 . 2 4 F i g u r e 2 . 2 5 L I S T O F F I G U R E S S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f s t a g e I o f t h e R e s e a r c h S t u d y . . . . . . . . . D i f f e r e n t S c a l e s o f C o n c r e t e O b s e r v a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f A g g r e g a t e C o n t e n t o n S t i f f n e s s o f C o n c r e t e a n d M o r t a r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P o s s i b l e T o u g h e n i n g M e c h a n i s m s O p e r a t i n g i n a F i b r o u s C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C r a c k P r o p a g a t i o n u n d e r C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i a g r a m m a t i c P r e s e n t a t i o n o f B l e e d i n g i n F r e s h l y D e p o s i t e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S E M M i c r o g r a p h o f I s o l a t e d P l a t e s o f C H i n D i f f e r e n t O r i e n t a t i o n s ( A & B ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A i r - V o i d G r a d a t i o n , C o m p a r e d w i t h A g g r e g a t e s , C e m e n t a n d S o m e M i n e r a l A d d i t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f C a p i l l a r y P o r o s i t y o n C o m p r e s s i v e S t r e n g t h U n d e r D i f f e r e n t D a m a g i n g C o n d i t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f A i r E n t r a i n e d V o i d s o n C o n c r e t e D u r a b i l i t y a t D i f f e r e n t W a t e r / C e m e n t R a t i o s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i f f e r e n t T y p e s o f W a t e r i n C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S t r u c t u r e o f I n t e r f a c i a l T r a n s i t i o n Z o n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S E M M i c r o g r a p h o f a n A r e a A r o u n d G r a i n i n O r d i n a r y C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I d e n t i fi c a t i o n o f C o n c r e t e M i c r o c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i a g r a m m a t i c P r e s e n t a t i o n o f t h e S t r e s s - S t r a i n B e h a v i o r 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S E M f o r N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n S u b j e c t e d t o U n i a x i a l C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S E M f o r H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n S u b j e c t e d t o U n i a x i a l C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T h e R e l a t i o n s h i p b e t w e e n C r e e p o f t h e S p e c i fi c C r a c k A r e a a n d t h e a x i a l C r e e p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T y p i c a l S t r e s s - S t r a i n D i a g r a m s f o r C o n c r e t e L o a d e d i n U n i a x i a l T e n s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c h e m a t i c I l l u s t r a t i o n o f t h e F r a c t u r e P r o c e s s Z o n e . . . . . . . . . . . . T h e S t r e s s - D e f o r m a t i o n R e l a t i o n U n d e r C y c l i c T e n s i l e L o a d . S E M M i c r o g r a p h f o r C o n c r e t e S p e c i m e n s B e f o r e a n d A f t e r F r e e z e - T h a w D e t e r i o r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i c r o c r a c k P a t t e r n D u e t o S h r i n k a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i c r o c r a c k P a t t e r n i n C a s e o f A l k a l i - A g g r e g a t e R e a c t i o n A n O p t i c a l M i c r o g r a p h o f a C o n c r e t e S p e c i m e n D a m a g e d b y A l k a l i - A g g r e g a t e r e a c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T h e R e l a t i o n b e t w e e n M i e r o c r a c k i n g G r o w t h a n d S t r e s s - S t r a i n B e h a v i o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i 6 8 1 1 1 3 1 4 1 5 1 8 3 5 3 7 3 8 3 9 4 1 4 3 4 4 4 5 F i g u r e 2 . 2 6 F i g u r e 2 . 2 7 F i g u r e 2 . 2 8 F i g u r e 2 . 2 9 F i g u r e 3 . 1 F i g u r e 3 . 2 F i g u r e 3 . 7 F i g u r e 3 . 8 F i g u r e 3 . 9 F i g u r e 3 . 1 0 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 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 I d e a l i z a t i o n o f S t r e s s e s A r o u n d a S i n g l e A g g r e g a t e P a r t i c l e E m b e d d e d i n a C o n t i n u o u s M a t r i x , a n d H y p o t h e s i z e d F a i l u r e M o d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H y p o t h e s i z e d M i c r o m e c h a n i s m s , E x p l a i n i n g t h e E f f e c t o f I n i t i a l A n i s o t r o p y i n C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S E M M i c r o g r a p h S h o w i n g D e p o s i t i o n o f E t t r i n g i t e i n M i c r o c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f M i e r o c r a c k i n g i n C r e e p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n c r e t e I m a g e s C a p t u r e d b y E n v i r o n m e n t a l S c a n n i n g E l e c t r o n a n d F l u o r e s c e n t M i c r o c o p y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H i s t o g r a m o f F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r M i c r o c r a c k s H i s t o g r a m o f F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r V o i d s . . . . . . . . . . C o m p a r i s o n b e t w e e n F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r M i c r o c r a c k s a n d V o i d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V i s u a l V s . A u t o m a t e d F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . T h e E f f e c t o f A p p l y i n g I m a g e P r o c e s s i n g F u n c t i o n s t o R e m o v e N o i s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E r r o r s i n A p p l y i n g t h e T h r e e S e l e c t e d L i m i t V a l u e s . . . . . . . . . . F l o w c h a r t P r e s e n t a t i o n o f t h e C r i t e r i a f o r D i s t i n c t i o n o f M i c r o c r a c k s . V o i d s a n d N o i s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E S E M M i c r o g r a p h o f C o n c r e t e C a p t u r e d a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n F a c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n c r e t e I m a g e s C a p t u r e d U s i n g E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n F a c t o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . U l t r a s o n i c T e s t C o n f i g u r a t i o n s f o r C o n c r e t e S p e c i m e n s . . . . . . N e u t r o n R a d i o g r a p h y o f C o n c r e t e S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e s o l u t i o n o f a n O p t i c a l m i c r o s c o p e , a H i g h Q u a l i t y F l a t b e d S c a n n e r , a n d O r d i n a r y F l a t b e d S c a n n e r . . . . . . . . . . . . . . . . T o p o g r a p h i c I m a g e o f C o n c r e t e S a m p l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G e n e r a l V i e w o f t h e E n v i r o n m e n t a l 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 y U s e d i n t h e I n v e s t i g a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C r o s s - S e c t i o n T h r o u g h t h e O p t i c a l C o l u m n C o n s o l e . . . . . . . . . . P l a s t i c S c i n t i l l a t i n g B S E D e t e c t o r w i t h A c t u a l P o s i t i o n i n g i n E S E M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B a c k s e a t t e r e d E l e c t r o n S i g n a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S E M M i c r o g r a p h C a p t u r e d b y E S E M i n T w o D i f f e r e n t T e c h n i q u e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G e n e r a l V i e w o f t h e F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p e U s e d i n t h e I n v e s t i g a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i g i t i z e d I m a g e s o f C o n c r e t e S p e c i m e n s I m p r e g n a t e d w i t h R e d D y e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C u t t i n g t h e S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G r i n d i n g t h e S p e c i m e n A f t e r C u t t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S t e e l C o n t a i n e r U s e d f o r W o o d ’ s M e t a l S p e c i m e n P r e p a r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P l a c i n g t h e C o n c r e t e S p e c i m e n i n t h e P r e s s u r e C h a m b e r . . . . . . . x i i i 4 6 4 8 4 9 5 0 5 4 5 6 5 7 5 7 5 9 6 1 6 4 6 6 6 8 7 2 7 4 7 7 7 9 8 3 8 4 8 6 8 6 8 8 9 0 9 3 9 5 9 6 9 6 9 7 “F I ) ‘ x U I 1 ) U b 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 4 . 2 0 F i g u r e 4 . 2 1 F i g u r e 4 . 2 2 F i g u r e 4 . 2 3 F i g u r e 4 . 2 4 F i g u r e 4 . 2 5 F i g u r e 5 . 1 ’ L I I ' C ’ U I ' C U i F i 0 . 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 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 n a l L a p p i n g o f t h e C o n c r e t e S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n c r e t e M i c r o g r a p h s B e f o r e a n d A f t e r S p e c i m e n P r e p a r a t i o n b y W o o d ’ s M e t a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l u o r e s c e n t M i c r o g r a p h s o f C o n c r e t e S p e c i m e n I m p r e g n a t e d w i t h F l u o r e s c e n t E p o x y D y e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l u o r e s c e n t M i c r o g r a p h o f C o n c r e t e S p e c i m e n S u b j e c t e d t o T w o - S t a g e I m p r e g n a t i o n w i t h I n k F o l l o w e d b y F l u o r e s c e n t E p o x y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L a p p i n g o f C o n c r e t e S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p e c i m e n C l e a n i n g i n U l t r a s o n i c B a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V a c u u m D r y i n g o f C o n c r e t e S p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I n k ( o r F l u o r e s c e n t E p o x y ) I m p r e g n a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N i t r o g e n P r e s s u r e A p p l i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l u o r e s c e n t M i c r o g r a p h s o f C o n c r e t e S p e c i m e n s P r e p a r e d b y C o n v e n t i o n a l a n d t h e N e w ( T w o - S t a g e ) S p e c i m e n P r e p a r a t i o n T e c h n i q u e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A n O v e r v i e w i n t h e S t e p s I n v o l v e d i n I m a g e P r o c e s s i n g a n d A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o p r p l y i n g T h r e s h o l d i n g F u n c t i o n o n G r a y I m a g e T h r e s h o l d L e v e l s f o r B o t h m a n u a l a n d A u t o m a t i c T h r e s h o l d F u n c t i o n s f o r E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . T h r e s h o l d L e v e l s f o r B o t h M a n u a l a n d A u t o m a t i c T h r e s h o l d F u n c t i o n s f o r F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h s C o m p a r i s o n b e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c ( F a c t o r i z a t i o n ) T h r e s h o l d F u n c t i o n o n E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . C o m p a r i s o n b e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c ( F a c t o r i z a t i o n ) T h r e s h o l d F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h s A p p l y i n g E r o s i o n F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g D i l a t i o n F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g O p e n i n g F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g C l o s i n g F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O p e n i n g a n d C l o s i n g O p e r a t i o n s o n B i n a r y P i x e l s . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g H o l e - F i l l F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P r o p o s e d I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f A p p l y i n g D i f f e r e n t I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o s o n F l u o r e s c e n t G r a y S c a l e C o n c r e t e M i c r o g r a p h s a t M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f A p p l y i n g D i f f e r e n t I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o s o n E S E M G r a y S c a l e C o n c r e t e M i c r o g r a p h s a t M a g n i fi c a t i o n 2 5 0 X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7 9 8 1 0 0 1 0 1 1 0 3 1 0 3 1 0 4 1 0 4 1 0 6 1 0 7 1 1 0 1 1 3 1 1 7 1 1 7 1 1 8 1 1 9 1 2 2 1 2 4 1 2 5 1 2 6 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 F i g u r e 5 . 2 0 F i g u r e 5 . 2 1 F i g u r e 5 . 2 2 F i g u r e 5 . 2 3 F i g u r e 5 . 2 4 F i g u r e 5 . 2 5 F i g u r e 5 . 2 6 F i g u r e 5 . 2 7 F i g u r e 5 . 2 8 F i g u r e 5 . 2 9 F i g u r e 5 . 3 0 F i g u r e 5 . 3 1 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 6 . 1 3 F i g u r e 6 . 1 4 A p p l y i n g O p e n i n g O p e r a t i o n o n F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h s a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g O p e n i n g O p e r a t i o n o n E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g C l o s i n g O p e r a t i o n o n F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g C l o s i n g O p e r a t i o n o n E S E M C o n c r e t e a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o f o r D e t a c h m e n t o f l n t e r s e c t i n g M i c r o c r a c k s a n d V o i d s a s w e l l a s C o n n e c t e d V o i d s . . . . . . . . . . . I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o f o r D e t a c h m e n t o f l n t e r s e c t i n g M i c r o c r a c k s a n d V o i d s a s w e l l a s C o n n e c t e d V o i d s . . . . . . . . . . B o x C o u n t i n g M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i c r o c r a c k M a p p i n g f o r M a n u a l M e a s u r i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O r i g i n a l M i c r o t o m o g r a p h i c I m a g e o f t h e L i m e S i l i c a B r i c k . . L o g a r i t h m i c I m a g e P r o c e s s i n g A p p r o a c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T w o C r a c k s H a v e t h e S a m e L e n g t h a n d D i f f e r e n t P e r i m e t e r . T h e D i f f e r e n c e b e t w e e n C r a c k B r e a d t h a n d W i d t h . . . . . . . . . . . . C o m p a r i s o n b e t w e e n M e a s u r e d a n d C a l c u l a t e d C r a c k W i d t h S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f C r a c k A n g l e o f O r i e n t a t i o n ( ( D c ) . . S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f P o i n t I n t e r s e c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f t h e A s s u m p t i o n s U s e d i n S p a c i n g C o m p u t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f B a s i c S t e r e o l o g i c a l E x p r e s s i o n s . . E x a m p l e o f I s o m e t r i c S y s t e m o f L i n e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E x a m p l e s o f C o m p l e t e l y O r i e n t e d S y s t e m o f L i n e s i n a P l a n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E x a m p l e o f P a r t i a l l y O r i e n t e d S y s t e m o f L i n e s . . . . . . . . . . . . . . . A p p l y i n g R o s e o f O r i e n t a t i o n M a n u a l l y o n T i l l i t e S p e c i m e n . U s i n g R o s e o f O r i e n t a t i o n t o D e t e r m i n e F i b e r O r i e n t a t i o n C l a s s i fi c a t i o n o f P a r t i a l l y O r i e n t e d S y s t e m o f L i n e s . . . . . . . . . S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f t h e R e l a t i o n s h i p b e t w e e n P r o j e c t e d a n d A c t u a l C r a c k w i d t h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E x a m p l e o f C o n c r e t e S y s t e m D i v i d e d t o S u b - r e g i o n s . . . . . . . . E x a m p l e o f C o r i n g C o n c r e t e S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S e c t i o n i n g o f C o n c r e t e C o r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r U n d a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x 1 ) a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r d a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x 1 ) a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r U n d a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x 1 1 ) a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X V 1 3 9 1 4 0 1 4 3 1 4 5 1 4 5 1 4 6 1 4 7 1 4 9 1 5 1 1 5 3 1 5 5 1 5 7 1 6 1 1 7 6 1 7 8 1 7 8 1 7 9 1 8 3 1 8 3 1 8 7 1 9 2 2 0 7 2 0 7 2 0 9 F i g u r e 6 . 1 5 F i g u r e 7 . 1 F i g u r e 7 . 2 F i g u r e 7 . 3 F i g u r e 7 . 4 F i g u r e 7 . 5 F i g u r e 7 . 6 F i g u r e 7 . 7 F i g u r e 7 . 8 F i g u r e 7 . 9 F i g u r e 7 . 1 0 F i g u r e 7 . 1 1 F i g u r e 7 . 1 2 F i g u r e 7 . 1 3 F i g u r e 8 . 1 F i g u r e 8 . 2 F i g u r e 8 . 3 F i g u r e 8 . 4 F i g u r e 8 . 5 F i g u r e 8 . 6 F i g u r e 8 . 7 R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r D a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x 1 1 ) a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S e c t i o n i n g D i r e c t i o n s f o r M i c r o s c o p i c I n v e s t i g a t i o n D a m a g i n g E f f e c t s o n F l e x u r a l S t r e n g t h o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D a m a g e N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n A f t e r E x p o s u r e t o E l e v a t e d T e m p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D a m a g i n g E f f e c t s o f C o m p r e s s i o n o n F l e x u r a l S t r e n g t h o f H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . S p l i t t i n g T e n s i l e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s P r i o r t o a n d A f t e r E x p o s u r e t o P e a k C o m p r e s s i v e S t r e s s ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D a m a g i n g E f f e c t s o f C o m p r e s s i o n o n I m p a c t R e s i s t a n c e ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t o f R e p e a t e d F r e e z e - T h a w C y c l e s o n C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D a m a g i n g E f f e c t o n C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f R e s t r a i n t C o n d i t i o n a n d E x p o s u r e T e m p e r a t u r e o n F l e x u r a l S t r e n g t h o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f R e s t r a i n t C o n d i t i o n o n C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 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 ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . M i c r o g r a p h s o f N o r m a l — S t r e n g t h C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i c r o g r a p h s o f H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o g r a p h 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 l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X - Y ) P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X - Y ) S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X - Y ) ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r U n r e s t r a i n e d a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r N o r m a l - S t r e n g t h ( U n r e i n f o r c e d - U n r e s t r a i n e d ) a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h x v i 2 2 7 2 3 6 2 3 7 2 3 8 2 3 9 2 4 0 2 4 1 2 4 2 2 4 3 2 4 5 2 4 5 2 5 1 2 5 3 2 5 4 2 6 7 2 7 1 2 7 8 2 8 1 2 8 5 2 9 3 F i g u r e 8 . 8 F i g u r e 9 . 1 F i g u r e 9 . 2 F i g u r e 9 . 3 F i g u r e 9 . 4 F i g u r e 9 . 5 F i g u r e 9 . 6 F i g u r e 9 . 7 F i g u r e 9 . 8 F i g u r e 9 . 9 F i g u r e 1 0 . 1 F i g u r e 1 0 . 2 F i g u r e 1 0 . 3 F i g u r e 1 0 . 4 F i g u r e 1 0 . 5 F i g u r e 1 0 . 6 F i g u r e 1 0 . 7 F i g u r e 1 0 . 8 F i g u r e 1 0 . 9 C o n c r e t e S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X - Y ) ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r N o r m a l - S t r e n g t h ( U n r e i n f o r c e d - U n r e s t r a i n e d ) a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i f f e r e n t V i e w s o f t h e C o n c r e t e D a m a g e C o n d i t i o n s . . . . . . . . . S u b - r e g i o n i n g a n d C o r i n g C o n fi g u r a t i o n o f t h e C o n c r e t e P a v e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r H o r i z o n t a l a n d V e r t i c a l S u b - r e g i o n s ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C h a n g e s i n S p e c i fi c S u r f a c e A r e a V s . C h a n g e s i n P e r m e a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G e n e r a l V i e w o f t h e B r i d g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T y p i c a l S u r f a c e C r a c k s o f t h e B r i d g e D e c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S u b - r e g i o n i n g a n d C o r i n g C o n fi g u r a t i o n s , a n d S u r f a c e C r a c k P a t t e r n s o f t h e D e c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r A l l S u b - r e g i o n s ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r C o r e s E x t r a c t e d O v e r / N e a r a n d F a r F r o m C r a c k s ( M e a n s & S t a n d a r d E r r o r s ) . . . . . . . . . . . . . F l e x u r e S t r e n g t h o f M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P e r m e a b i l i t y o f M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l e x u r e S t r e n g t h o f M i x I I ( R e l a t i v e l y - H i g h S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P e r m e a b i l i t y o f M i x 1 1 ( R e l a t i v e l y - H i g h S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E x a m p l e s o f S t r o n g a n d W e a k C o r r e l a t i o n s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E x a m p l e s o f S t r o n g a n d W e a k C o r r e l a t i o n s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x 1 1 ( R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h ) . . . . . . . . . T r e n d s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x 1 ( N o r m a l - S t r e n g t h ) T r e n d s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x 1 1 ( R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o m p a r i s o n b e t w e e n M o d i fi e d T h e o r e t i c a l a n d D e v e l o p e d E x p e r i m e n t a l M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v i i 2 9 9 3 0 5 3 1 4 3 1 5 3 2 8 3 2 9 3 3 3 3 3 5 3 3 8 3 4 8 3 5 1 3 6 2 3 6 3 3 6 3 3 6 4 3 7 2 3 7 3 3 7 4 3 7 5 3 8 0 A A A A C A A C I A A c z A A g A A v A E A s s A i C A i c m A i g A i v ( A S e v ) a v A s g A s v A s r N O T A T I O N = F e a t u r e a r e a f r a c t i o n = C r a c k a r e a f r a c t i o n = C r a c k a r e a f r a c t i o n o n t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n = C r a c k a r e a f r a c t i o n o n t h e s e c o n d ( v e r t i c a l ) s e c t i o n = A g g r e g a t e a r e a f r a c t i o n . = V o i d v o l u m e f r a c t i o n = A c o u s t i c e m i s s i o n t e c h n i q u e = A g g r e g a t e a n g u l a r i t y = A r e a o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k . = M e a n o f t h e a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . = A r e a o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e = A r e a o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d = M e a n v a l u e o f t h e e l l i p s o i d v o i d s a s p e c t r a t i o i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . = = A g g r e g a t e p a r t i c l e s a s p e c t r a t i o V o i d a s p e c t r a t i o A s p e c t r a t i o o f fi b e r s ( A 5 9 3 , , = M e a n v a l u e o f fi b e r s a s p e c t r a t i o i n t h e w h o l e s e c t i o n o f i n t e r e s t B i B S E D C d C I r s c . g c 1 g s C L n = B i s m u t h = B a c k s c a t t e r e d e l e c t r o n d e t e c t o r = C a d m i u m = C o m p l e x i t y i n d e x o f fi b e r s i n s p a c e = C o m p l e x i t y i n d e x o f a g g r e g a t e i n p l a n e = c o m p l e x i t y i n d e x o f a g g r e g a t e i n s p a c e = N u m b e r o f p i x e l s t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n c r a c k s a n d v o i d s = V o i d c o m p a c t n e s s = D i a m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l fi b e r = V o i d e q u i v a l e n t d i a m e t e r = F i b e r s m e a n d i a m e t e r i n s p a c e = M e a n d i a m e t e r o f a g g r e g a t e s i n s p a c e = M e a n d i a m e t e r o f v o i d s i n p l a n e = M e a n d i a m e t e r o f v o i d s i n s p a c e = D i a m e t e r o f i n d i v i d u a l v o i d i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . = D i a m e t e r o f “ n ” v o i d s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t = T h e m e a n v a l u e o f t h e r e c i p r o c a l s o f a g g r e g a t e d i s k l e n g t h s o n p l a n e s e c t i o n S E M = E n v i r o n m e n t a l 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 y = t h e f r a c t i o n o f t h e c o n n e c t e d p i p e s = V o i d f o r m f a c t o r = F l u o r e s c e n t l i q u i d r e p l a c e m e n t t e c h n i q u e = T h e m e a n v a l u e o f t h e w i d t h - t o - l e n g t h r a t i o s o f a g g r e g a t e d i s c s e c t i o n s = G a s e o u s s e c o n d a r y d e t e c t o r A c c e p t a b l e e r r o r ( p r e c i s i o n ) o r h a l f t h e m a x i m u m a c c e p t a b l e c o n fi d e n c e i n t e r v a l H e i g h t o f e a c h i n d i v i d u a l fi b e r . = M e a n h e i g h t o f fi b e r s i n s e c t i o n o f i n t e r e s t x v i i i I = I n 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 r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a f o r b o t h s e c t i o n s h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l 1 ] = I n 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 r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a f o r t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) 1 2 = I n 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 r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a f o r t h e s e c o n d ( v e r t i c a l ) s e c t i o n [ P e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ) ] I T Z = I n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e i = T o t a l n u m b e r o f s u b - r e g i o n s i n t h e w h o l e s t r u c t u r e j = T o t a l n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n K = N u m b e r o f s i z e c l a s s e s K ( q ) = S h a p e f a c t o r f o r t h e e l l i p s o i d v o i d s L = D i m e n s i o n o f t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t L 3 = M e a n i n t e r c e p t l e n g t h o f t h r e e - d i m e n s i o n a l b o d i e s L A = F e a t u r e l e n g t h p e r u n i t a r e a ( L A ) 0 , = T h e l e n g t h p e r u n i t a r e a o f t h e p a r a l l e l ( o r i e n t e d ) l i n e s o f t h e s y s t e m L A C = C r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a L A C ] = C r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a o f t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) . L A c z = = C r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e o f t h e s e c o n d ( v e r t i c a l ) s e c t i o n [ P e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ) ] ( L e v ) a v = T h e a v e r a g e m a j o r a x i s f o r t h e e l l i p s o i d v o i d s L g = L e n g t h o f a n y i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . L g " = = L e n g t h o f “ n ” a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . L i c = L e n g t h o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k . L i g = L e n g t h o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e L i v = L e n g t h ( l o n g e s t d i a m e t e r ) o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d L L = F e a t u r e l i n e a l f r a c t i o n L n = O b j e c t l e n g t h L v = F e a t u r e l e n g t h p e r u n i t v o l u m e I = C o n s t a n t l e n g t h o f s h o r t t e s t l i n e s t h r o w n r a n d o m l y o n m i c r o s t r u c t u r e m = T h e m e a n v a l u e o f t h e r e c i p r o c a l s o f t h e v o i d c i r c l e d i a m e t e r s o n t h e t e s t s e c t i o n , o r m n = N u m e r a t o r d e g r e e o f f r e e d o m M S E = M e a n s q u a r e e r r o r o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a n = A v e r a g e n u m b e r o f c o r e s r e q u i r e d a t t h e d e s i g n a t e d p e r c e n t l e v e l o f c o n fi d e n c e N A f = N u m b e r o f fi b e r s p e r u n i t a r e a N A g = N u m b e r o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s p e r u n i t a r e a o f s e c t i o n o f i n t e r e s t . N A V = N u m b e r o f v o i d s p e r u n i t a r e a n g = N u m b e r o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t n g = N o n e q u i a x i a l i t y I n d e x o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e N , = T o t a l n u m b e r o f v o i d s i n t h e w h o l e s e c t i o n N L = n u m b e r o f i n t e r c e p t i o n s o f f e a t u r e s p e r u n i t l e n g t h N L C = N u m b e r o f c r a c k s t h r o u g h l e n g t h ( L ) N S C = T o t a l n u m b e r o f c r a c k s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t N V = N u m b e r o f f e a t u r e s p e r u n i t v o l u m e N v g = N u m b e r o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s p e r u n i t v o l u m e N V f = N u m b e r o f fi b e r s p e r u n i t v o l u m e x v i v N W = N u m b e r o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e n v = N u m b e r o f v o i d s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t P = N u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s w i t h s u r f a c e s m a k e b y l - l i n e s P A = N u m b e r o f f e a t u r e p o i n t s p e r u n i t t e s t a r e a P A C = C r a c k p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a P A V = V o i d p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a P b = L e a d P i c = P e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k P i . = P e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d P L = N u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f t e s t l i n e ( P L ) i a v = A v e r a g e ( P L ) v a l u e f o r e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e ( P L ) i i o r ( P L ) i I _ I = N u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n f o r e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f a g g r e g a t e s . ( P L ) t _ L o r ( P L ) ! ! ! = T o t a l n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n . S u b s c r i p t s ” . L ” a n d “ I I ” r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f c r a c k s . ( P L ) t s . L o r ( P L ) t s I I = T o t a l n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n s p a c e p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n . S u b s c r i p t s ” J _ ” a n d “ 1 ] ” r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f c r a c k s ( P 1 , ) i = T h e n u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f t h e t e s t a r r a y a l i g n e d i n a d i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a r t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s ( P . , ) " = T h e n u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f t h e t e s t a r r a y a l i g n e d 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 o r i e n t a t i o n a x i s P p = F e a t u r e p o i n t f r a c t i o n p = n u m b e r o f ( e n d ) p o i n t s o f M i n e s t h a t f a l l i n p h a s e o f i n t e r e s t Q m j o - ” = S t u d e n t i z e d r a n g e d i s t r i b u t i o n q = S h a p e c o e f fi c i e n t f o r e l l i p s o i d v o i d s r = P r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n i n t h e s t r u c t u r e S = E x t e r n a l s u r f a c e a r e a o f i n d i v i d u a l f e a t u r e S 1 = 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 r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a f o r t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) S 2 = 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 r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a f o r t h e s e c o n d ( v e r t i c a l ) s e c t i o n [ P e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ) ] S d . D v . = S t a n d a r d d e v i a t i o n S E M = 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 y S n = T i n S s y = V o i d s s p e c i fi c s u r f a c e S v = F e a t u r e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a S V Q = S p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f ( i t - o b j e c t s S v c = S p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s S w = S p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f fi b e r s S v g = S p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f a g g r e g a t e X X W C P I W c r z W e s = S p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f v o i d s = M e a n s u r f a c e a r e a o f a — o b j e c t s = 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 r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a f o r b o t h s e c t i o n s h o r i z o n t a l o r v e r t i c a l = C r a c k t o r t u o s i t y i n p l a n e = C r a c k t o r t u o s i t y i n p l a n e i n t h e fi r s t s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) = C r a c k t o r t u o s i t y i n p l a n e i n t h e s e c o n d s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t s e c t i o n ) = C r a c k t o r t u o s i t y i n s p a c e = M e a n t h i c k n e s s o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s = V o i d r o u n d n e s s = V o l u m e o f i n d i v i d u a l f e a t u r e = V o l u m e o f e a c h i n d i v i d u a l fi b e r = F e a t u r e v o l u m e f r a c t i o n = C r a c k v o l u m e f r a c t i o n = v o l u m e f r a c t i o n o f t h e e l l i p s o i d v o i d s = A g g r e g a t e v o l u m e f r a c t i o n = F i b e r s v o l u m e f r a c t i o n = V o i d v o l u m e f r a c t i o n = V o l u m e f r a c t i o n o f ( I - O b j C C t S = M e a n v o l u m e o f a - o b j e c t s = W i d t h o f o b j e c t = C r a c k w i d t h p e r u n i t a r e a i n p l a n e = C r a c k w i d t h p e r u n i t a r e a i n t h e fi r s t s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) = C r a c k w i d t h p e r u n i t a r e a i n t h e s e c o n d s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t s e c t i o n ) = C r a c k w i d t h p e r u n i t v o l u m e i n s p a c e ( W e v ) a v = T h e a v e r a g e m i n o r a x i s f o r e l l i p s o i d v o i d s ( c h ) m a x = T h e m i n o r a x i s o f t h e e l l i p s o i d v o i d s i n t h e l a r g e s t s i z e c l a s s W i C w i g c h T V 2 M P 1 A C P I = W i d t h o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k = W i d t h o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e = W i d t h ( s h o r t e s t d i a m e t e r ) o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d = A v e r a g e h a l f - c r a c k a p e r t u r e = P e r c e n t i l e o f s t a n d a r d n o r m a l d i s t r i b u t i o n = C r a c k s p a c i n g i n p l a n e = S p a c i n g i n p l a n e t h r o u g h l e n g t h ( L ) c h d g a g o n a ; = D i a g o n a l c r a c k s p a c i n g i n p l a n e A c p x X F P Y A c s A 4 3 1 , 3 5 A - V P X v s = C r a c k s p a c i n g i n X d i r e c t i o n . = C r a c k s p a c i n g i n Y d i r e c t i o n = C r a c k s p a c i n g i n s p a c e = F i b e r s s p a c i n g i n s p a c e = A g g r e g a t e s p a c i n g i n s p a c e = V o i d s p a c i n g i n p l a n e = V o i d s p a c i n g i n s p a c e x x i F g = W i d t h / l e n g t h r a t i o o f a n y i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t F g n = W i d t h / l e n g t h r a t i o o f “ n ” a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t a ) = T h e n u m e r i c a l v a l u e u s e d f o r c o m p a r i s o n ( D C = A n g l e o f o r i e n t a t i o n o f c r a c k s i n p l a n e Q = F e a t u r e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n Q c p = C r a c k d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n p l a n e Q C S = C r a c k d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n s p a c e Q g s = A g g r e g a t e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n s p a c e [ 3 = T h e r e q u i r e d p o w e r o f t h e t e s t , o r t h e r i s k o f m a k i n g a t y p e 1 1 e r r o r [ 3 ] = T h e d i m e n s i o n l e s s s h a p e c o e f fi c i e n t t h a t r e l a t e s t h e o b j e c t v o l u m e a n d i t s m e a n c r o s s - s e c t i o n a l a r e a . [ 3 2 = D i m e n s i o n l e s s s h a p e c o e f fi c i e n t t h a t r e l a t e s t h e o b j e c t v o l u m e t o i t s m e a n c r o s s - s e c t i o n a l a r e a 0 = P o p u l a t i o n s t a n d a r d d e v i a t i o n ( f o r s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s w i t h i n e a c h s u b - r e g i o n ) a = T h e l e v e l a t w h i c h t h e r i s k o f m a k i n g a T y p e I e r r o r i s t o b e c o n t r o l l e d ( 1 , = N u m e r i c a l c o e f fi c i e n t p i = M e a n o f t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s m m = M e a n o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f t h e s u c c e s s o r s u b - r e g i o n 5 p = T h e d i f f e r e n c e o f m e a n s o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a s f o r t w o s u b - r e g i o n s i n t h e w h o l e s t r u c t u r e v = D e n o m i n a t o r d e g r e e o f f r e e d o m 8 F = C h a n g e ( % ) i n c o n c r e t e fl e x u r a l s t r e n g t h O S ” . = C h a n g e ( % ) i n m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a 6 V W . = C h a n g e ( % ) i n m i c r o c r a c k v o l u m e f a c t i o n 6 W “ . = C h a n g e ( % ) i n m i c r o c r a c k w i d t h 6 p = C h a n g e ( % ) i n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y 6 1 m = C h a n g e i n ( % ) i n m i c r o c r a c k s p a c i n g i n s p a c e ¢ = P o r o s i t y V = D i f f e r e n c e b e t w e e n m a x i m u m a n d m i n i m u m m e a n s o f c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a A = T h e r a t i o o f m a x i m u m v o i d d i a m e t e r t o t h e t o t a l n u m b e r o f v o i d s i n t h e g r o u p x x i i C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N 1 . 1 P R E F A C E C o n c r e t e h a s b e e n u s e d i n c o n s t r u c t i o n f o r s e v e r a l c e n t u r i e s , p e r h a p s fi r s t b y a n c i e n t E g y p t i a n s a n d R o m a n s . C o n c r e t e o f f e r s d i s t i n c t e c o n o m i c , e n e r g y a n d e n v i r o n m e n t a l a d v a n t a g e s w h i c h h a v e l e d t o i t s p r e d o m i n a n t p o s i t i o n i n m o d e r n c i v i l e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n . T h e s e a d v a n t a g e s a l s o p r o m i s e t h a t , i n t h e f o r e s e e a b l e f u t u r e , c o n c r e t e w i l l c o n t i n u e t o b e t h e m a i n s t a y o f c o n s t r u c t i o n a n d t h e b a c k b o n e o f t h e m o d e r n c i v i l i z a t i o n . A l t h o u g h t h e e x t e r i o r a p p e a r a n c e o f c o n c r e t e l o o k s l i k e s a s o l i d r o c k , i t s i n t e r i o r c o m p r i s e s d i v e r s e v o i d a n d m i c r o c r a c k s y s t e m s w h i c h g o v e r n v a r i o u s a s p e c t s o f m e c h a n i c a l , d u r a b i l i t y a n d p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s . C o n c r e t e i s s u s c e p t i b l e t o a t t a c k b y e n v i r o n m e n t a l a n d l o a d e f f e c t s w h i c h t e n d t o p r o p a g a t e m i c r o c r a c k s a n d u n d e r m i n e i t s 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 ( s t r e n g t h , d u r a b i l i t y , t r a n s p o r t p r o p e r t i e s , e t c . ) . M i c r o c r a c k g r o w t h , b e s i d e s c h e m i c a l c h a n g e s , i s a p r i m a r y m e a n s o f c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n u n d e r w e a t h e r i n g a n d l o a d e f f e c t s . H e n c e , m i c r o s c o p i c e v a l u a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m p r o v i d e s p o w e r f u l t o o l s f o r a s s e s s i n g c o n c r e t e b e h a v i o r a n d f a i l u r e m o d e s . M i c r o s c o p i c i n v e s t i g a t i o n s o f c o n c r e t e , h o w e v e r , a r e g e n e r a l l y c o n d u c t e d q u a l i t a t i v e l y , a n d t h u s t e n d t o l a c k s u f fi c i e n t , r e l i a b i l i t y a n d t h o r o u g h n e s s . S u c h q u a l i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n s r e l a y h e a v i l y o n t h e j u d g m e n t a n d e x p e r i e n c e o f t h e i n v e s t i g a t o r f o r a s s e s s m e n t t h e m i c r o s c o p i c o b s e r v a t i o n s . Q u a n t i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n s o f c o n c r e t e w o u l d e n a b l e d e v e l o p m e n t o f s c i e n t i fi c b a s i s f o r d a m a g e p r o c e s s e s a n d f a i l u r e m o d e s o f c o n c r e t e u n d e r Q I 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 . T h u s i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) , p a r t i c u l a r l y i n a q u a n t i t a t i v e m a n n e r , i s c o n s i d e r e d t o b e a k e y p r o b e f o r a d e e p u n d e r s t a n d i n g o f c o n c r e t e p r o b l e m s a n d b e h a v i o r . I t i s n o w e s t a b l i s h e d t h a t c o n c r e t e c r a c k s a r e m a i n l y f o r m e d d u e t o t h e c o a l e s c e n c e o f m i c r o c r a c k s w h i c h e x i s t i n t h e i n t e r ' f a c i a l z o n e ( I T Z ) b e f o r e e x p o s u r e t o e x t e r n a l l o a d o r e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s . T h e s e i n t e r n a l m i c r o c r a c k s r e s u l t f r o m m o v e m e n t m i s m a t c h b e t w e e n a g g r e g a t e p a r t i c l e s a n d c e m e n t p a s t e . 1 . 2 D E F I N I T I O N O F T H E P R O B L E M M i c r o c r a c k g r o w t h c o a l e s c e n c e c o n s t i t u t e s a p r i m a r y m e a n o f c o n c r e t e c r a c k i n g a n d f a i l u r e u n d e r d i v e r s 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 . Q u a n t i t a t i v e a s s e s s m e n t o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n c o n c r e t e i s t h u s c r i t i c a l t o d e v e l o p m e n t o f a t h o r o u g h a n d f u n d a m e n t a l l y s o u n d u n d e r s t a n d i n g o f c o n c r e t e b e h a v i o r a n d f a i l u r e m e c h a n i s m s . Q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n o n m i c r o c r a c k s y s t e m s w o u l d a l s o e n a b l e d e v e l o p m e n t o f m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s w h i c h r e l a t e c h a n g e s i n q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s t o c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n c o n c r e t e e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s u n d e r 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 . S u c h r e l a t i o n s h i p s a l l o w p r a c t i c a l u s e o f q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s t o w a r d s c o n d i t i o n a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e s y s t e m s . T h e s e a c h i e v e m e n t s w o u l d b e p o s s i b l e b y a d e p a r t u r e f r o m t o d a y ’ s p r e d o m i n a n t l y q u a l i t a t i v e t o a n e w q u a n t i t a t i v e m e a n s o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s . Q u a n t i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n o f m i c r o c r a c k s y s t e m . w h e n c o m p l e m e n t e d w i t h s t a t i s t i c a l a n a l y s e s . p r o v i d e s r e l i a b l e d a t a o n c o n c r e t e m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s a n d t h u s h e a l t h c o n d i t i o n s . W h e n w e m e a s u r e w e k n o w b e t t e r . 1 . 3 R E S E A R C H O B J E C T I V E S T h e f u n d a m e n t a l o b j e c t i v e s o f t h e r e s e a r c h a r e t o d e v e l o p a q u a n t i t a t i v e a p p r o a c h t o i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s . t o v a l i d a t e t h e p r o p o s e d a p p r o a c h t h o r o u g h c o n c r e t e m i x t u r e s a s w e l l a s f i e l d i n v e s t i g a t i o n s , a n d t o d e v e l o p t h e b a s i s f o r r e a l i s t i c r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n q u a n t i f i e d m i c r o s t r u c t u r a l ( m i c r o c r a c k a n d v o i d ) a t t r i b u t e s a n d 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 b a s e d o n l a b o r a t o r y t e s t s . T h e q u a n t i t a t i v e a p p r o a c h e s t a b l i s h e d t h e d i f f e r e n t c r i t e r i a a n d p a r a m e t e r s f o r s a m p l i n g . s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . f e a t u r e s ( m i c r o c r a c k s v s . v o i d s ) d e t e c t i o n . i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s . s t e r e o l o g i c a l i n t e r p r e t a t i o n s a n d s t a t i s t i c a l a n a l y s i s . T h e r e s u l t s w i l l p r o v i d e a d e e p i n s i g h t i n t o t h e d a m a g e d b e h a v i o r a n d d e t e r i o r a t i o n p r o c e s s o f c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t t y p e s o f l o a d i n g . a n d a l s o p r o v i d e a b a s i s f o r c o n d i t i o n a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y u n d e r d i f f e r e n t e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s . T h e s e m e t h o d o l o g i e s a r e d e v e l o p e d a n d a p p l i e d t o w a r d d e v e l o p i n g d e e p i n s i g h t i n t o t h e d a m a g e a n d d e t e r i o r a t i o n p r o c e s s e s o f c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t l o a d a n d e n v i r o n m e n t e f f e c t s . T h e r e s e a r c h a d o p t e d s c i e n t i fi c p r i n c i p l e s f r o m t h e f i e l d s o f m i c r o s c o p y . i m a g e p r o c e s s i n g . i m a g e a n a l y s i s . s t e r e o l o g y , a n d s t a t i s t i c s t o g e t h e r w i t h s o m e f u n d a m e n t a l a s p e c t s o f c o n c r e t e t e c h n o l o g y i n o r d e r t o d e v e l o p a n i n t e g r a t e d s y s t e m f o r q u a n t i t a t i v e 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 o f c o n c r e t e . T h e r e s e a r c h s t u d y a l s o a p p l i e d t h i s s y s t e m t o w a r d b e t t e r u n d e r s t a n d i n g 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 . w h i c h i s a p r e - r e q u i s i t e t o e f f e c t i v e i m p r o v e m e n t o f c o n c r e t e m a t e r i a l s . T h e o b j e c t i v e s c a n b e s u m m a r i z e d a s f o l l o w s : b ) 1 - D e v e l o p i n g a c o m p r e h e n s i v e s y s t e m f o r q u a n t i t a t i v e 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 o f c o n c r e t e . 2 - V a l i d a t i n g a n d r e fi n i n g m i c r o s t r u c t u r a l q u a n t i fi c a t i o n s y s t e m t h r o u g h c o n c r e t e m i x t u r e s a s w e l l a s fi e l d a p p l i c a t i o n s . 3 - D e v e l o p i n g m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s f o r d e t e r m i n a t i o n o f t h e e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e i n t e r m s o f q u a n t i fi e d m i c r o s t r u c t u r a l a t t r i b u t e s . 1 . 4 S I G N I F I C A N C E O F T H E R E S E A R C H T h e p r o p o s e d a p p r o a c h y i e l d s v a l u a b l e i n s i g h t i n t o c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n a n d f a i l u r e p r o c e s s e s . p r o v i d e s a q u a n t i t a t i v e b a s i s f o r t h e a s s e s s m e n t o f d a m a g e t o c o n c r e t e s y s t e m s u n d e r 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 . a n d y i e l d s f u n d a m e n t a l m i c r o s t r u c t u r e — p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s f o r c o n c r e t e . S u c h r e l a t i o n s h i p s w o u l d b e o f g r e a t v a l u e i n d e v i s i n g s t r a t e g i e s t o : 1 - A s s e s s t h e h e a l t h c o n d i t i o n s o f e x i s t i n g 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 i n l i g h t o f a g i n g a n d e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s . a n d v a r i o u s e x t e r n a l a p p l i e d l o a d s . 2 - D e v e l o p e n h a n c e d c o n c r e t e m a t e r i a l s . a n d d e v i s e i m p r o v e d m o d e l s f o r s i m u l a t i n g c o n c r e t e p e r f o r m a n c e . 3 - C o n t r o l t h e q u a l i t y o f n e w c o n s t r u c t i o n . 1 . 5 R E S E A R C H M E T H O D O L O G Y T h e p r o p o s e d r e s e a r c h s t u d y w a s i m p l e m e n t e d i n t h r e e m a j o r s t a g e s : S t a g e ( 1 ) : D e v e l o p m e n t o f a C o m p r e h e n s i v e S y s t e m f o r Q u a n t i t a t i v e 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 o f C o n c r e t e . D e v e l o p m e n t o f t h e r e q u i r e d c o m p r e h e n s i v e a p p r o a c h c a n b e a c h i e v e d b y c o n d u c t i n g t h e f o l l o w i n g s t e p s : i ) E s t a b l i s h m e n t o f t h e c r i t e r i a . a n d p a r a m e t e r s f o r a u t o m a t i o n o f i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s i i ) S a m p l i n g s c h e m e s a n d s p e c i m e n p r e p a r a t i o n f o r d e t e c t i o n o f m i c r o c r a c k a n d v o i d s y s t e m s i i i ) A c q u i s i t i o n . p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s o f m i c r o s c o p i c i m a g e s i v ) S t e r e o l o g i c a l i n t e r p r e t a t i o n s a n d s t a t i s t i c a l a n a l y s i s F i g u r e 1 . 1 s u m m a r i z e s s t e p s o f S t a g e I o f t h e r e s e a r c h s t u d y . S t a g e ( I I ) : S y s t e m V e r i f i c a t i o n a n d R e f i n e m e n t T h r o u g h C o n c r e t e M i x t u r e s a s w e l l a s L a r g e - S c a l e F i e l d A p p l i c a t i o n s i ) Q u a n t i fi c a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g h n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e m i x t u r e s . i i ) A s s e s s m e n t o f t h e h e a l t h c o n d i t i o n s a n d d a m a g e d i s t r i b u t i o n o f a d e t e r i o r a t e d r i g i d p a v e m e n t . i i i ) A s s e s s m e n t o f t h e h e a l t h c o n d i t i o n s a n d d a m a g e d i s t r i b u t i o n o f a d e t e r i o r a t e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e d e c k . I [ 1 1 1 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 l l r l l t l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l , 7 ( a ) C r i t e r i a f o r S o f t w a r e A u t o m a t i o n ( c ) S p e c i m e n P r e p a r a t i o n ( c ) I m a g e p r o c e s s i n g a n d A n a l y s i s ( b ) S a m p l i n g a n d S e c t i o n i n g ( ( 1 ) I m a g e A c q u i s i t i o n I I / / I / 3 s . 3 ’ / \ ‘ x . , . . » . . 4 A - ~ - « , , 1 , i T : , " 7 ; I > 4 / t h s w fi / / / 7 ‘ V V / / , ~ ‘ — ~ + " . V / ( f ) S t e r e o l o g i c a l I n t e r p r e t a t i o n s s 1 " c _ i s 5 5 % I E - 6 3 - 0 . 8 - 3 ( g ) S t a t i s t i c a l A n a l y s i s F i g u r e 1 . 1 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 S t a g e I o f T h e R e s e a r c h S t u d y S t a g e ( 1 1 1 ) D e v e l o p m e n t o f R e l a t i o n s h i p s B e t w e e n E n g i n e e r i n g P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e a n d o n u a n t i fi e d M i c r o s t r u c t u r a l A t t r i b u t e s . i ) E s t a b l i s h t h e o r e t i c a l l y v i a b l e m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s i n f l u e n c i n g d i f f e r e n t e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . i i ) D e v e l o p e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p s f o r c h a n g e s i n k e y m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s u n d e r d i f f e r e n t d a m a g e p h e n o m e n a a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n d i f f e r e n t e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . C H A P T E R 2 C O N C R E T E M I C R O S T R U C T U R E : L I T E R A T U R E R E V I E W 2 . 1 P R E F A C E M o s t c l a s s i c a l l i m i t m o d e l s a r e 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 m a t e r i a l c a n b e r e p r e s e n t e d a s a c o n t i n u u m . T h e b e h a v i o r d e s c r i b e d i s i n d e p e n d e n t o f 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 . T h e o n l y g e o m e t r i c a l i n g r e d i e n t s c o n s i d e r e d a r e t h o s e r e fl e c t i n g o n t h e s i z e a n d s h a p e o f t h e s t r u c t u r e t h a t w a s c o n s i d e r e d . C o n c r e t e i s a m u l t i - s c a l e m a t e r i a l . 1 F i g u r e 2 . 1 s h o w s t h e d i f f e r e n t s c a l e s o f c o n c r e t e o b s e r v a t i o n . c r y s t a l c a l c i u m s i l i c a t e c o n c r e t e l a b o r a t o r y s t r u c t u r e s s t r u c t u r e h y d r a t e s p a r t i c l e s t a c k s c a l e [ E l N : I H \ o w * + 1 . ° . _ _ g 0 0 : 3 X — — * — — - u P 1 l l I l 1 0 : 3 1 0 ' 7 1 0 ' 6 1 0 ' 5 t o “ 1 0 ‘ 3 1 0 ' 2 1 0 " 1 0 ° t o “ 1 0 “ 2 1 0 " 3 { m l M I A “ [ 4 V I N V I N m i c r o m e s o m a c r o F i g u r e 2 . 1 D i f f e r e n t S c a l e s o f C o n c r e t e O b s e r v a t i o n l T h e s m a l l e s t s t r u c t u r a l f e a t u r e i n F i g u r e 2 . 1 i s t h e a t o m i c s t r u c t u r e o f c e m e n t a n d a g g r e g a t e s ( w i t h o b s e r v a t i o n s m a d e a t t h e n a n o m e t e r s c a l e ) . A t t h e m i c r o m e t e r s c a l e . w h e r e i n d i v i d u a l c e m e n t g r a i n s c a n b e d i s t i n g u i s h e d , t h e u n h y d r a t e d c e m e n t g r a i n s a r e o b s e r v e d ; i n t h e h a r d e n e d s t a t e . c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s a n d c a l c i u m h y d r o x i d e a r e v i s i b l e a t t h e m i c r o m e t e r s c a l e . T h e c o m p l e x p o r e s t r u c t u r e b e c o m e s v i s i b l e a s w e l l a t t h i s s c a l e . U p o n i n c r e a s i n g t h e s c a l e t o 1 0 ' 3 m ( m e s o s c a l e ) . i n d i v i d u a l s a n d a n d a g g r e g a t e p a r t i c l e s c a n b e d i s t i n g u i s h e d . T h e 1 0 + l m m a c r o s c a l e c o v e r s t h e l a b o r a t o r y s c a l e ( m e c h a n i c a l ) t e s t s p e c i m e n s . E v e n l a r g e r s c a l e s , i . e . u p t o 1 0 + 2 t o 1 0 ” , c o v e r c i v i l e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s . A t t h e m i c r o - l e v e l , t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e o f c e m e n t a n d h a r d e n e d c e m e n t p a s t e i s t h e m o s t i m p o r t a n t s t r u c t u r a l f e a t u r e . A t t h e m a c r o - l e v e l . n o i n t e r n a l m a t e r i a l s t r u c t u r e i s r e c o g n i z e d . e x c e p t f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w h e r e t h e r e i n f o r c e m e n t s t r u c t u r e i s n o r m a l l y t a k e n i n t o a c c o u n t . A c c o r d i n g t o t h e a b o v e t h r e e - l e v e l a p p r o a c h . c o n c r e t e i s c o n s i d e r e d t o b e h e t e r o g e n e o u s . i n e l a s t i c a n d m u l t i p h a s e m a t e r i a l . W i t h r e g a r d t o t h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r . c o n c r e t e i s c o n s i d e r e d t o b e a t h r e e - p h a s e c o m p s i t e . 2 T h e t h r e e p h a s e s o f c o n c r e t e a r e : l - A 0 0 — L a g r e g a t e p a r t i c l e s p h a s e . 2 - B i n d i n g m e d i u m p h a s e ( h y d r a t e d c e m e n t p a s t e “ h e p ” o r m o r t a r ) p h a s e a n d , 3 - I n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ( I T Z ) p h a s e . T h e i m p o r t a n c e o f s t u d y i n g c o n c r e t e a t d i f f e r e n t l e v e l s o r p h a s e s i s d u e t o t h e f a c t t h a t c o n c r e t e b e h a v i o r a t o n e l e v e l c a n b e e x p l a i n e d i n t e r m s o f t h e s t r u c t u r e o b s e r v e d a t a l o w e r l e v e l . F o r i n s t a n c e . a t t h e m i c r o - l e v e l , k n o w l e d g e o f t h e s t r u c t u r e o f c a l c i u m - s i l i c a t e h y d r a t e . t h e p o r e - s t r u c t u r e o f t h e h y d r a t e d c e m e n t a n d t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e c e m e n t a n d w a t e r ( i n d i f f e r e n t f o r m s ) h e l p s e x p l a i n t h e c r e e p a n d s h r i n k a g e p h e n o m e n a i n c o n c r e t e . M o r e o v e r . k n o w l e d g e o f m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f t h e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e , w h i c h p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e w h e n t h e c o n c r e t e i s o b s e r v e d a t t h e m e s o - l e v e l . 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 i n d e t a i l e d s t r u c t u r e o f h a r d e n e d c e m e n t p a s t e . A t t h e m e s o - l e v e l , s t u d y i n g i n t e r a c t i o n s b e t w e e n m a t r i x a n d a g g r e g a t e s . a s w e l l a s m u t u a l i n t e r a c t i o n s b e t w e e n a g g r e g a t e s , p r o v i d e s b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e . 2 . 2 S T R U C T U R E O F C O N C R E T E P H A S E S 2 . 2 . 1 A g g r e g a t e P h a s e 2 . 2 . 1 . 1 S t r u c t u r e o f t h e A g g r e g a t e P h a s e T h e a g g r e g a t e p h a s e t y p i c a l l y c o m p r i s e s a b o u t t h r e e — q u a r t e r s o f t h e v o l u m e o f c o n c r e t e . A g g r e g a t e t y p e , m a x i m u m s i z e , g r a d a t i o n , s u r f a c e t e x t u r e a n d s h a p e h a v e a n i n fl u e n c e o n t h e e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . V a r i o u s u n d e s i r a b l e c o n s t i t u e n t s m i g h t a l s o b e i d e n t i fi e d i n t h e a g g r e g a t e p h a s e , i n c l u d i n g c l a y , m i c a , g y p s u m , p y r i t e a n d a l k a l i - r e a c t i v e m a t e r i a l s . B e i n g g e n e r a l l y s t r o n g e r t h a n t h e o t h e r t w o p h a s e s o f c o n c r e t e , t h e a g g r e g a t e p h a s e h a s n o d i r e c t i n fl u e n c e o n t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e 3 e x c e p t i n t h e c a s e o f s o m e h i g h l y p o r o u s a n d w e a k a g g r e g a t e s s u c h a s l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e p a r t i c l e s f r o m p u m i c e w h i c h a r e h i g h l y c e l l u l a r a g g r e g a t e p a r t i c l e s . T h e y c a n c a u s e a n o t i c e a b l e r e d u c t i o n i n c o n c r e t e s t r e n g t h . A g g r e g a t e s e l e c t i o n i s v e r y i m p o r t a n t i n p r o d u c i n g h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e u s i n g a w e l l - g r a d e d c o m b i n a t i o n o f fi n e a n d c o a r s e a g g r e g a t e s . A g g r e g a t e g r a d i n g a f f e c t s t h e p a c k i n g d e n s i t y o f c o n c r e t e , a n d e x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e p a c k i n g d e n s i t y h a s a m a j o r e f f e c t o n w o r k a b i l i t y , p e r m e a b i l i t y a n d s t r e n g t h o f h a r d e n e d c o n c r e t e . T h e s i z e , s h a p e , t e x t u r e a n d m i n e r a l o g y o f a g g r e g a t e a l s o s i g n i fi c a n t l y a f f e c t t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o f h y d r a t e d c e m e n t p a s t e i n t h e t r a n s i t i o n z o n e . “ E q u i - d i m e n s i o n a l p a r t i c l e s a r e d e s i r a b l e a n d c a n b e o b t a i n e d b y c r u s h i n g e i t h e r d e n s e 0 1 ' 0 2 ' 0 3 ' 0 4 ' 0 5 ' 0 6 ' 0 7 ' 0 V 8 ' 0 o l . c o n c . ( ° 9 / ' o 0 ) 1 0 0 l i m e s t o n e o r i g n e o u s r o c k s o f p l u t o n i c t y p e . G r a v e l f r o m g l a c i a l d e p o s i t s a l s o i s a s u i t a b l e c o a r s e a g g r e g a t e . A n o m i n a l m a x i m u m s i z e o f 1 2 o r 1 9 m m ( ‘ / 2 o r 3 A i n ) m o s t c o m m o n l y u s e d . N a t u r a l q u a r t z i t i c s a n d s o f r e l a t i v e l y c o a r s e s i z e ( fi n e n e s s m o d u l u s o f a b o u t 3 . 0 ) . f r e e f r o m s i l t a n d c l a y . s h o u l d b e u s e d a s fi n e a g g r e g a t e . I d e a l l y . c o e f fi c i e n t o f t h e r m a l e x p a n s i o n a n d e l a s t i c m o d u l u s o f t h e a g g r e g a t e a n d h y d r a t e d c e m e n t p a s t e s h o u l d b e t h e s a m e . A m i s m a t c h i s p r o b a b l y a p r i m a r y c a u s e o f m i c r o c r a c k i n g w h i c h i n c r e a s e t h e p e r m e a b i l i t y a n d r e d u c e s t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . 4 2 . 2 . 1 . 2 E j f e c t o f A g g r e g a t e P h a s e o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e A g g r e g a t e s h a v e a p a r t i c u l a r l y s i g n i fi c a n t e f f e c t o n t h e s t i f f n e s s o f c o n c r e t e . A g g r e g a t e v o l u m e f r a c t i o n h a s a d i r e c t e f f e c t o n c o n c r e t e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 . 6 0 E [ G P a l w / c = O . 3 8 — - > E m = 2 0 2 1 7 M P a 5 0 " D C o n c r e t e 4 0 " A M o r t a r 3 0 - 2 0 b 1 5 F i g u r e 2 . 2 E f f e c t o f A g g r e g a t e C o n t e n t o n S t i f f n e s s o f C o n c r e t e a n d M o r t a r I I n i t i a l b l e e d i n g . s e g r e g a t i o n a n d s h r i n k a g e c r a c k i n g o c c u r p r e f e r a b l y u n d e r t h e l a r g e r a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n t h e c o n c r e t e . C o n s e q u e n t l y . w e a k z o n e s w i l l d e v e l o p i n t h e c o n c r e t e . T h e e f f e c t o f a g g r e g a t e o n c o n c r e t e s t i f f n e s s d e p e n d s m a i n l y o n t h e s t i f f n e s s o f t h e a g g r e g a t e i t s e l f . U s i n g l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c a n p r o d u c e l i g h t w e i g h t c o n c r e t e w i t h l o w m o d u l u s o f e l a s t i c i t y . w h i l e u s i n g n o r m a l a g g r e g a t e c a n p r o d u c e c o n c r e t e w i t h h i g h e r m o d u l u s o f e l a s t i c i t y . T h e i n i t i a l s t i f f n e s s o f c o n c r e t e c a n a l s o b e a f f e c t e d w h e n . . . . . . . . . l t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g 1 8 c h a n g e d W l t l l r e s p e c t t o t h e d l r e c t i o n o f c a s t i n g . A g g r e g a t e s a l s o h a v e a n e f f e c t o n c r a c k p a t h a n d p r o p a g a t i o n . M i e r o c r a c k i n g u s u a l l y o c c u r s a t a v g r e g a t e / m o r t a r i n t e r f a c e s w h i c h r e p r e s e n t w e a k z o n e s d u e t o b l e e d i n g o n t h e b o t t o m s u r f a c e s o f a g g r e g a t e s . T h e i n fl u e n c e o f a g g r e g a t e p a r t i c l e o n c r a c k p r o p a g a t i o n i n f i b r o u s c o n c r e t e i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 . w h i c h i n d i c a t e s t h a t o c c u r r e n c e o f a g g r e g a t e s i n t h e m a t r i x c a n p r o d u c e m a n y d i f f e r e n t a n d a l t e r n a t i v e p a t h s o f m i c r o c r a c k s . s u c h a s . . . . . 5 c r a c k f a c e p i n n i n g . c r a c k b r a n c h i n g . o r c r a c k d e fl e c t i o n . T h e f a i l u r e s h a p e a n d s e q u e n c e o f c o n c r e t e c a n a l s o b e a f f e c t e d b y a g g r e g a t e p a r t i c l e s . I f t h e s t i f f n e s s o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s i s m o r e t h a n t h a t o f t h e m a t r i x ( n o r m a l — s t r e n g t h c o n c r e t e c a s e ) . 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 t h r o u g h t h e 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 a r o u n d a g g r e g a t e p a r t i c l e s , w h i c h c o n s t i t u t e t h e p a t h o f l e a s t r e s i s t a n c e . I n c a s e t h e s t i f f n e s s o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s i s e q u a l o r l e s s t h a n t h a t o f t h e m a t r i x . 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 t h r o u g h a g g r e g a t e p a r t i c l e s , c r e a t i n g s h o r t e r f r a c t u r e s u r f a c e s . F i g u r e 2 . 4 c o m p a r e s c r a c k p r o p a g a t i o n p a t h s i n n o r m a l a n d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e b r i d g i n g ‘ 4 , a : . 1 s h i e l d i n g c r a c k t r a p i n g c r a c k b r a n c h i n g ! c r a c k f a c e p i n n i n g c r a c k d e fl e c t i o n a g g r e g a t e r u p t u r f r i c t i o n a l a g g r e g t e m i c r o c r a c k \ i f " , m i c r o c r a c k s fi b e r p u l l - o d t L fi b e r d e b o n g i n . f i b e r b r i d i n g z o n e + b o n d m i c r o c r a c k s I a g g r e g a t e b i n d i n g - v ‘ v v m i c r o c r a c k i n g z o n e z o n e “ c o n c r e t e f r a c t u r e p r o c e s s z o n e c r a c k t i p F i g u r e 2 . 3 P o s s i b l e T o u g h e n i n g M e c h a n i s m s O p e r a t i n g i n a F i b r o u s C o n c r e t e 5 T h e a g g r e g a t e p h a s e a l s o h a s a n e f f e c t o n c o n c r e t e d u r a b i l i t y . T h e s i z e a n d t h e s h a p e o f c o a r s e a g g r e g a t e s c a n a f f e c t t h e s t r e n g t h o f c o n c r e t e i n a n i n d i r e c t w a y . I t i s o b v i o u s f r o m F i g u r e 2 . 5 t h a t t h e l a r g e r t h e s i z e o f a g g r e g a t e i n c o n c r e t e a n d t h e h i g h e r t h e p r o p o r t i o n o f e l o n g a t e d a n d fl a t p a r t i c l e s . t h e g r e a t e r w i l l b e t h e t e n d e n c y f o r w a t e r fi l m s t o a c c u m u l a t e u n d e r t h e a g g r e g a t e s u r f a c e a n d w e a k e n t h e i n t e r f a c e z o n e . T h i s p h e n o m e n o n i s k n o w n a s i n t e r n a l b l e e d i n g . ( 1 0 2 1 . , 2 h . ( a ) N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e ( b ) H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e F i g u r e 2 . 4 C r a c k P r o p a g a t i o n U n d e r C o m p r e s s i o n " A g g r e g a t e s a l s o h a v e a s i g n i fi c a n t b e n e fi c i a l e f f e c t o n t h e d i m e n s i o n a l s t a b i l i t y o f c o n c r e t e , s i n c e a g g r e g a t e s r e s i s t t h e d i m e n s i o n a l m o v e m e n t o f c o n c r e t e . C h e m i c a l r e a c t i o n s o f a g g r e g a t e s i n c o n c r e t e c a n a f f e c t t h e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s . M o s t o f t h e s e r e a c t i o n s m a y r e s u l t i n s e r i o u s d a m a g e t o c o n c r e t e d u e t o a b n o r m a l i n t e r n a l e x p a n s i o n s t h a t m a y p r o d u c e c r a c k i n g , d i s p l a c e m e n t o f e l e m e n t s w i t h i n l a r g e r s t r u c t u r a l e n t i t i e s . a n d l o s s o f s t r e n g t h . T h e m o s t c o m m o n e x a m p l e o f t h e s e r e a c t i o n s i s a l k a l i - s i l i c a r e a c t i v i t y o r a l k a l i - a g g r e g a t e r e a c t i o n . w h i c h i n v o l v e s a r e a c t i o n b e t w e e n a l k a l i s i n c e m e n t a n d s i l i c a i n a g g r e g a t e . V I S I B L E B L E E D I N T E R N A L B L E E D W A T E R F i g u r e 2 . 5 D i a g r a m m a t i c P r e s e n t a t i o n o f B l e e d i n g i n F r e s h l y D e p o s i t e d C o n c r e t e 3 2 . 2 . 2 B i n d i n g M e d i u m P h a s e 2 . 2 . 2 . 1 S t r u c t u r e o f t h e B i n d i n g M e d i u m P h a s e T h e f o u r p r i n c i p a l c e m e n t c o n s t i t u e n t s ( C 3 8 , C 2 3 , C 3 A a n d C 4 A F ) a r e h y d r a u l i c a n d t h u s r e a c t w i t h w a t e r o n m i x i n g t o f o r m a r a n g e o f h y d r a t e d p h a s e s . W h e n P o r t l a n d c e m e n t i s d i s p e r s e d i n w a t e r . t h e c a l c i u m s u l f a t e a n d t h e h i g h - t e m p e r a t u r e c o m p o u n d s o f c a l c i u m t e n d t o g o i n t o s o l u t i o n . a n d t h e l i q u i d p h a s e g e t s r a p i d l y s a t u r a t e d w i t h v a r i o u s i o n i c s p e c i e s . A s a r e s u l t o f c o m b i n a t i o n s b e t w e e n c a l c i u m . s u l f a t e . a l u m i n a t e a n d h y d r o x y l i o n s w i t h i n a f e w m i n u t e s o f c e m e n t h y d r a t i o n , fi r s t t h e n e e d l e - s h a p e d c r y s t a l s o f c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e h y d r a t e d m a k e t h e i r a p p e a r a n c e ; a f e w h o u r s l a t e r . l a r g e p r i s m a t i c c r y s t a l s o f c a l c i u m h y d r o x i d e a n d v e r y s m a l l fi b r o u s c r y s t a l s o f c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s b e g i n t o fi l l t h e e m p t y s p a c e f o r m e r l y o c c u p i e d b y w a t e r a n d t h e d i s s o l v i n g p a r t i c l e s . A f t e r s o m e d a y s , d e p e n d i n g o n t h e a l u m i n a - t o - s u l f a t e r a t i o o f t h e P o r t l a n d c e m e n t , e t t r i n g i t e m a y b e c o m e u n s t a b l e a n d d e c o m p o s e t o f o r m t h e m o n o s u l f a t e h y d r a t e , w h i c h h a s h e x a g o n a l - p l a t e m o r p h o l o g y . H e x a g o n a l - p l a t e m o r p h o l o g y i s a l s o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c a l c i u m a l u m i n a t e h y d r a t e s . 7 U s i n g 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 ; f o u r p r i n c i p a l s o l i d p h a s e s c a n b e i d e n t i f i e d i n h y d r a t e d c e m e n t p a s t e . 2 . 2 . 2 . 2 S o l i d s i n t h e B i n d i n g M e d i u m P h a s e a n d i t s E f f e c t o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e A ) C a l c i u m S i l i c a t e l - l y d r a t e ( C — S — H ) T h e c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e p h a s e ( C - S - H ) m a k e s u p 5 0 t o 6 0 p e r c e n t o f t h e v o l u m e o f s o l i d s i n a c o m p l e t e l y h y d r a t e d c e m e n t p a s t e a n d i s , t h e r e f o r e , m o s t i m p o r t a n t i n d e t e r m i n i n g t h e p r o p e r t i e s o f t h e p a s t e . T h e ( C - S - H ) i s c o m p o s e d o f i r r e g u l a r f o r m s o f d i f f e r e n t s h a p e s a n d s i z e s . C a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e i s c o n s i d e r e d t o b e t h e c o n t i n u o u s s o l i d m a t r i x o f t h e h y d r a t e d s y s t e m a n d t h e r e f o r e i s o f a p a r t i c u l a r i m p o r t a n c e . ( C - S - H ) i s c o n s i d e r e d t o b e t h e m a i n s o u r c e o f s t r e n g t h g a i n i n c o n c r e t e b e c a u s e c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e i s c o m p o s e d o f s m a l l c r y s t a l s a n d p o s s e s s e s e n o r m o u s s u r f a c e a r e a a n d a d h e s i v e c a p a b i l i t y . T h e c r y s t a l s t e n d t o a d h e r e s t r o n g l y n o t o n l y t o e a c h o t h e r , b u t a l s o t o l o w - s u r f a c e a r e a s o l i d s s u c h a s c a l c i u m h y d r o x i d e , a n h y d r o u s c l i n k e r g r a i n s , a n d fi n e a 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 , t h e r e b y p o s i t i v e l y 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 p a c i n g b e t w e e n c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e s h e e t s c a n a l s o a f f e c t c o n c r e t e d u r a b i l i t y ; i t a l s o a f f e c t s i t s fi r e r e s i s t a n c e d u e t o t h e e x i s t i n g o f i n t e r l a y e r w a t e r , w h i c h i s s t r o n g l y h e l d b y h y d r o g e n b o n d i n g . S p a c i n g b e t w e e n ( C - S - H ) s h e e t s c a n a l s o a f f e c t b o t h c r e e p a n d s h r i n k a g e o f c o n c r e t e p r o v i d e d t h a t t h e i n t e r l a y e r w a t e r i s l o s t . T h e m o r e t h e s p a c i n g b e t w e e n s h e e t s t h e m o r e c o n c r e t e d i m e n s i o n a l i n s t a b i l i t y . 8 ) C a l c i u m l l v d r o x i d e ( C H ) C a l c i u m h y d r o x i d e c r y s t a l s c o n s t i t u t e 2 0 t o 2 5 p e r c e n t o f t h e v o l u m e o f t h e s o l i d s i n h y d r a t e d p a s t e . I t t e n d s t o f o r m l a r g e c r y s t a l s w i t h a d i s t i n c t i v e h e x a g o n a l — p r i s m m o r p h o l o g y . 8 F i g u r e 2 . 6 s h o w s a n S E M m i c r o g r a p h o f c a l c i u m h y d r o x i d e c r y s t a l s i n d i f f e r e n t o r i e n t a t i o n s . C a l c i u m h y d r o x i d e h a s a l i t t l e e f f e c t o n c o n c r e t e s t r e n g t h d u e t o i t s l o w s u r f a c e a r e a ; i n g e n e r a l , i t h a s a n a d v e r s e e f f e c t o n c o n c r e t e s t r e n g t h . T h e p r e s e n c e o f c o n s i d e r a b l e a m o u n t s o f c a l c i u m h y d r o x i d e i n h y d r a t e d P o r t l a n d c e m e n t h a s a n a d v e r s e e f f e c t o n c o n c r e t e c h e m i c a l r e s i s t a n c e t o a c i d i c s o l u t i o n s b e c a u s e o f t h e h i g h e r s o l u b i l i t y o f c a l c i u m h y d r o x i d e w h e n c o m p a r e d w i t h ( C - S - H ) . S i n c 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 d o n o t l o s e m o i s t u r e d u r i n g d r y i n g . a n d h e n c e d o n o t s h r i n k , t h e y m a y a c t t o r e s t r a i n t h e d e f o r m i n g c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e . C ) C a l c i u m S a l / b a l l ( m i n u t e s C a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e c o m p o u n d s , w h i c h f o r m n e e d l e - s h a p e d p r i s m a t i c c r y s t a l s o c c u p y 1 5 t o 2 0 p e r c e n t o f t h e s o l i d s v o l u m e i n 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 p l a y o n l y a r e l a t i v e l y m i n o r r o l e i n s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s . D u e t o t h e s m a l l p e r c e n t a g e o f c a l c i u m s u l f o a l u m i n a t e , i t d o e s n o t h a v e a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n c o n c r e t e s t r e n g t h . T h e p r e s e n c e o f t h e m o n o s u l f a t e h y d r a t e i n c o n c r e t e m a k e s i t m o r e v u l n e r a b l e t o s u l f a t e a t t a c k . F i g u r e 2 . 6 S E M M i c r o g r a p h o f I s o l a t e d P l a t e s o f C H i n D i f f e r e n t O r i e n t a t i o n s ( A & B ) 8 D ) U n h y d r a t e d C l i n k e r G r a i n s D e p e n d i n g o n t h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f a n h y d r o u s c e m e n t a n d t h e d e g r e e o f h y d r a t i o n . s o m e u n h y d r a t e d c l i n k e r g r a i n s m a y b e f o u n d i n t h e m i c r o s t u c u r e o f h y d r a t e d c e m e n t p a s t e . 2 . 2 . 2 . 3 V o i d s i n t h e B i n d i n g M e d i u m P h a s e A f r e s h c o n c r e t e m i x i s t y p i c a l l y c o m p a c t e d u s i n g V i b r a t i o n i n o r d e r t o i m p r o v e t h e p a c k i n g o f 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 t o m i n i m i z e t h e r e s i d u a l c o n t e n t o f e n t r a p p e d a i r . I n s p i t e o f t h e c o m p a c t i n g e f f o r t , c o n c r e t e r e t a i n s s o m e e n t r a p p e d a i r . I n f r e s h c o n c r e t e , s u c h e n t r a p p e d a i r f o r m s b u b b l e s w h i c h r a n g e i n s i z e f r o m m i c r o s c o p i c s p h e r e s ( t h e s i z e o f c e m e n t c l i n k e r g r a i n s ) t o i r r e g u l a r l y s h a p e d g a s p o c k e t s ( t h e s i z e o f 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 r l a r g e r ) . 0 A f t e r h a r d e n i n g o f c o n c r e t e . t h e e n t r a p p e d a n d e n t r a i n e d a i r b u b b l e s a r e fi x e d i n p l a c e a n d b e c o m e a i r v o i d s . F i g u r e 2 . 7 c o m p a r e s t h e a i r v o i d s i z e d i s t r i b u t i o n i n c o n c r e t e w i t h t h o s e o f a g g r e g a t e s , c e m e n t , a n d s i l i c a f u m e . T h e o t h e r m a i n t y p e o f v o i d s t h a t c a n b e f o u n d i n c o n c r e t e i s c a p i l l a r y p o r e s . T h e c e m e n t p a s t e t h a t f o r m s i n c o n c r e t e h a s a p o r e s t r u c t u r e d i f f e r e n t f r o m t h a t i n p l a i n p a s t e ? ” T h e p a s t e i n c o n c r e t e i s m o r e p o r o u s , a n d t h e m a j o r i t y o f e x t r a p o r e s h a v e l a r g e r d i a m e t e r s t h a n t h o s e i n p l a i n p a s t e . T h e p a s t e t h a t f o r m s i n m o r t a r h a s a p o r e s t r u c t u r e w h i c h i s m o r e a n a l o g o u s t o t h a t i n c o n c r e t e t h a n i n p l a i n p a s t e . 2 . 2 . 2 . 4 T y p e s o f V o i d s a n d T h e i r E f f e c t s o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s A ) C ' a p i l l a r y V o i d s C a p i l l a r y v o i d s r e p r e s e n t t h e s p a c e t h a t w a s n o t fi l l e d b y t h e s o l i d c o m p o n e n t s o f h y d r a t e d c e m e n t p a s t e . I n w e l l - h y d r a t e d , l o w - w a t e r c e m e n t r a t i o p a s t e s . a t e a r l y s t a g e s o f h y d r a t i o n . t h e c a p i l l a r y v o i d s m a y r a n g e f r o m 1 0 t o 5 0 n m ; i n h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o p a s t e s . a t e a r l y s t a g e s o f h y d r a t i o n , t h e c a p i l l a r y v o i d s m a y b e a s l a r g e a s 3 t o 5 u m . 3 C a p i l l a r y p o r o s i t y i s o n e o f t h e m o s t s i g n i fi c a n t f e a t u r e s o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e . M o s t c o n c r e t e p r o p e r t i e s , i n c l u d i n g s t r e n g t h , m o d u l u s o f e l a s t i c i t y , p e r m e a b i l i t y a n d t o u g h n e s s a r e a f f e c t e d b y c h a n g e s i n c a p i l l a r y p o r o s i t y . H C a p i l l a r y v o i d s a r e n o t e a s y t o o b s e r v e u n d e r m i c r o s c o p e s a s t h e y a r e b o t h w e l l d i s p e r s e d a n d t h e i r d i m e n s i o n s a r e a t o r b e y o n d t h e w o r k i n g l i m i t o f o b s e r v a t i o n . I n p r a c t i c e t h i s q u a l i t a t i v e o b s e r v a t i o n s a r e m a d e b y i m p r e g n a t i n g c o n c r e t e w i t h fl u o r e s c e n t e p o x y a n d V i s u a l l y e s t i m a t i n g t h e a m o u n t o f f l u o r e s c e n c e w h i c h i s t h e n r e l a t e d t o w a t e r - c e m e n t r a t i o . S i e v e o p e n i n g ( i n c h e s ) < — — # I i i i i i ‘ i i p p e d fi g } 1 0 . 1 0 . 0 1 E n t r a i n e d — — - — — ~ > 0 0 0 1 0 . 0 0 0 1 0 . S i l i c a 8 “ T , V ' . I ' i i i i i c a g g r e g a t e h J l ’ o n l i u i d c e m e n t a n d f l y a s h C u m u l a t i v e p e r c e n t p a s s i n g 2 ! ) ~ i H i t ) I f ) 1 I I I ( ) _ t ) l l l l l f l l S i e v e o p e n i n g ( m m ) F i g u r e 2 . 7 A i r - V o i d G r a d a t i o n , C o m p a r e d w i t h A g g r e g a t e s , C e m e n t a n d S o m e M i n e r a l A d d i t i v e s I O C o n c r e t e s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y a r e t w o s i d e s o f t h e s a m e c o i n i n t h e s e n s e t h a t b o t h a r e c l o s e l y r e l a t e d t o t h e c a p i l l a r y p o r o s i t y o r s o l i d / s p a c e r a t i o . T h e s t r e n g t h o f h a r d e n e d c e m e n t p a s t e a n d c o n c r e t e a s w e l l a s t h a t o f a n y b r i t t l e m a t e r i a l d e c r e a s e s r a p i d l y w i t h a n i n c r e a s i n g i n p o r o s i t y . C a p i l l a r y p o r e s d a m a g e s t r e n g t h p r o p e r t i e s t h r o u g h : 1 2 ( a ) r e d u c i n g t h e q u a n t i t y o f s o l i d m a t e r i a l s ; ( b ) l o w e r i n g t h e n u m b e r o f b o n d s ; a n d ( c ) p r o n o u n c i n g s t r e s s c o n c e n t r a t i o n s ( t h e s h a r p e r t h e p o r e , t h e g r e a t e r t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n ) . F i g u r e 2 0 m c / g k , h t g n e r t s e v i s s e r p m o C 2 . 8 s h o w s t h e t r e n d s o b s e r v e d i n t h e e f f e c t s o f c a p i l l a r y p o r o s i t y o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 7 0 0 0 2 5 0 0 0 4 0 0 0 A G . J . V e r b e c k & R H . H e l m u t h " ° " " ° ' 0 R F . F e l d m a n n & n o r m a l ‘ J . J . B e a u d o r n 6 0 0 0 1 — 0 r 1 . Y u d e n f r e u n d e t . a t . n o r m a l 0 G . W i s c h e r s n o r m a l , p a r t i a l l y . R F . F e l d m a n n & p r e s s e d “ ” 1 B e a u d o i n s t e a m - c u r e d g 0 . ” . R o y & G R . G o u d a h o t - p r e s s e d 3 0 0 0 T l \ — — - — I C = a 1 0 9 9 5 . ! \ I l 2 0 0 0 f C 1 0 0 0 ' 2 o \ \ \ a = 3 9 7 5 k g / c m 0 O \ ‘ V p a = 6 3 . 8 % 2 \ \ x j f = 5 9 8 3 k a / c m n = 4 . 6 7 4 : » . r . = 2 0 3 0 k g l c r n z [ o 1 1 0 2 0 s o 4 0 s o 6 0 p F i g u r e 2 . 8 E f f e c t s o f C a p i l l a r y p o r o s r t y , X b y v o l u m e o f p a s t e C a p i l l a r y P o r o s i t y o n C o m p r e s s i v e S t r e n g t h U n d e r D i f f e r e n t C o n d i t i o n s ' 2 T h e p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n , n o t t h e t o t a l c a p i l l a r y p o r o s i t y , i s c o n s i d e r e d t o b e a b e t t e r c r i t e r i o n f o r e v a l u a t i n g t h e e f f e c t s o f c a p i l l a r y v o i d s o n c o n c r e t e p r o p e r t i e s . C a p i l l a r y v o i d s l a r g e r t h a n 5 0 n m , r e f e r r e d t o a s m a c r o p o r e s , a r e a s s u m e d t o b e d e t r i m e n t a l t o s t r e n g t h a n d i m p e r m e a b i l i t y , w h i l e v o i d s s m a l l e r t h a n 5 0 n m . r e f e r r e d t o a s m i c r o p o r e s . 2 1 a r e a s s u m e d t o b e m o r e i m p o r t a n t t o d r y i n g s h r i n k a g e a n d c r e e p . T h e w a t e r i n l a r g e c a p i l l a r y v o i d s ( 5 0 n m ) , w h i c h m a y b e c o n s i d e r e d a s f r e e w a t e r , d o e s n o t c a u s e a n y v o l u m e c h a n g e s , w h i l e t h e w a t e r h e l d b y c a p i l l a r y t e n s i o n i n s m a l l c a p i l l a r i e s ( 5 t o 5 0 n m ) m a y c a u s e s h r i n k a g e o f c o n c r e t e . T h e r e l a t i o n b e t w e e n p e r m e a b i l i t y a n d p o r o s i t y i s c o n s i d e r e d t o b e e x p o n e n t i a l ? " 3 w h i c h m e a n s t h a t l a r g e r p o r e s e x e r t o n p r o n o u n c e d e f f e c t s o n p e r m e a b i l i t y . I n h y d r a t e d c e m e n t p a s t e . a d i r e c t r e l a t i o n s h i p w a s n o t e d b e t w e e n t h e p e r m e a b i l i t y a n d t h e v o l u m e o f p o r e s l a r g e r t h a n a b o u t 1 0 0 n m . T h i s i s p r o b a b l y b e c a u s e t h a t p o r e s y s t e m s c o m p r i s i n g m a i n l y o f s m a l l p o r e s t e n d t o b e c o m e d i s c o n t i n u o u s . 8 ) A i r V o i d s T h e m a i n d i f f e r e n c e b e t w e e n c a p i l l a r y p o r e s a n d a i r v o i d s i s t h a t c a p i l l a r y p o r e s a r e e l o n g a t e d ( a n d p a r t i a l l y i n t e r - r e l a t e d ) s p a c e s fi l l e d w i t h w a t e r w h i l e a i r v o i d s a r e i n d e p e n d e n t , r o u g h l y s p h e r i c a l p o r e s f o r m e d b y e n t r a p m e n t o r e n t e r t a i n m e n t o f a i r . H e n c e . a n i m p o r t a n t d i f f e r e n c e i s i n t h e i r m i n i m u m d i m e n s i o n s . ' 0 T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n e n t r a p p e d a i r v o i d s a n d e n t r a i n e d a i r v o i d s i s t h a t e n t r a p p e d a i r v o i d s a r e t r a p p e d d u r i n g m i x i n g w h i l e e n t r a i n e d a i r v o i d s a r e p r o d u c e d b y a d m i x t u r e s w h i c h h a v e a f o a m i n g o r a i r - e n t r a i n i n g a c t i o n i n t h e p l a s t i c c e m e n t p a s t e . E n t r a i n e d a i r v o i d s a r e t y p i c a l l y fi n e r a n d m o r e s p h e r i c a l t h a n e n t r a p p e d a i r v o i d s . T h e i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e u n d e r m i c r o s c o p e s h o w e d t h a t t h e r e i s n o d i r e c t c o n t a c t b e t w e e n a i r v o i d s a n d g r a v e l ; t h e a i r v o i d s a r e s u r r o u n d e d b y t h e m a t r i x ( c e m e n t p a s t e a n d s a n d ) . 1 4 o n t I i ) E n t r a i n e d A i r V o i d s E n t r a i n e d a i r v o i d s a r e c h a r a c t e r i s t i c a l l y s p h e r i c a l i n s h a p e ; m o s t l y r a n g e i n d i a m e t e r b e t w e e n 1 0 p m a n d 1 m m . A l s o . i n c o n t r a s t t o t h e e n t r a p p e d a i r v o i d s . t h e e n t r a i n e d a i r v o i d s u s u a l l y e x h i b i t a s e n s i b l y u n i f o r m d i s t r i b u t i o n t h r o u g h o u t t h e c o n c r e t e m a t r i x , e x c e p t n e a r t o c o n c r e t e s u r f a c e s a n d f o r p o o r l y m i x e d c o n c r e t e . T h e a d v a n t a g e s o f e n t r a i n e d a i r v o i d s i n d u c e d i n c r e a s i n g i n w o r k a b i l i t y , i m p r o v i n g i n c o h e s i o n a n d r e d u c e d b l e e d i n g . I n h a r d e n e d c o n c r e t e , t h e p r o s p e c t s f o r d u r a b i l i t y a r e g e n e r a l l y i m p r o v e d b y a r e d u c t i o n i n p e r m e a b i l i t y , w i t h r e s i s t a n c e t o f r e e z i n g a n d t h a w i n g c y c l e s a n d d e - i c i n g c h e m i c a l s n o t a b l y e n h a n c e d . " A s a t u r a t e d c e m e n t p a s t e c o n t a i n i n g n o e n t r a i n e d a i r e x p a n d s d u e t o t h e g e n e r a t i o n o f h y d r a u l i c p r e s s u r e . w i t h i n c r e a s i n g a i r e n t e r t a i n m e n t . t h e t e n d e n c y t o e x p a n d d e c r e a s e s b e c a u s e t h e e n t r a i n e d a i r v o i d s p r o v i d e e s c a p e b o u n d a r i e s f o r r e l e a s e o f h y d r a u l i c p r e s s u r e . F i g u r e 2 . 9 i l l u s t r a t e s t h e e f f e c t o f a i r e n t r a i n i n g v o i d s o n c o n c r e t e d u r a b i l i t y . A i r - e n t e r t a i n m e n t l o w e r s t h e d e n s i t y o f c o n c r e t e ; s o m e l o s s o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h c o u l d a l s o b e o b s e r v e d w i t h a i r e n t r a i n m e n t w h i c h i s . a t l e a s t p a r t i a l l y , c o m p e n s a t e d f o r b y i m p r o v e d w o r k a b i l i t y w h i c h a l l o w s l o w e r i n g o f w a t e r - c e i i i e n t r a t i o a n d c o n s e q u e n t p r o p o r t i o n a l l o w e r i n g o f s t r e n g t h . i i ) E n t r a p p e d A i r V o i d s E n t r a p p e d a i r v o i d s a r e t y p i c a l l y i r r e g u l a r i n s h a p e , a n d m a i n l y g r e a t e r t h a n 1 m m i n d i a m e t e r . T h e s i z e d i s t r i b u t i o n a n d d i s p o s i t i o n i s a l s o i r r e g u l a r w i t h i n t h e c o n c r e t e , w i t h a t e n d e n c y f o r i n c r e a s e i n b o t h s i z e a n d n u m b e r t o w a r d s s u r f a c e s . T h e e n t r a p p e d a i r v o i d s a r e f o r m e d d u r i n g c o n c r e t e m i x i n g . T h e c o n t e n t o f e n t r a p p e d a i r v o i d s s h o u l d b e r e d u c e d a s t h e d e g r e e o f c o m p a c t i o n i m p r o v e s . L a r g e r a n d i r r e g u l a r l y s h a p e d e n t r a p p e d a i r v o i d s b e c o m e m o r e c o m m o n w i t h i n c r e a s i n g c e m e n t c o n t e n t . 1 4 L . C o n c r e t e w i t h 2 0 m m ( m a x r m u m a g g r e g a t e 1 2 L . 0 l a o r ' 5 I ? 4 x 3 e n t r a i n e d a i r ' 0 1 ’ e 8 - ’ i 5 ‘ 3 a D 5 N o a d d e d a n 0 i i i i i 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 , 9 W a t e r / c e m e n t r a t i o F i g u r e 2 . 9 E f f e c t o f A i r - e n t r a i n e d V o i d s o n C o n c r e t e D u r a b i l i t y a t D i f f e r e n t W a t e r / C e m e n t R a t i o s ( 1 F r o m e x a m i n a t i o n o f t h e a i r v o i d s y s t e m i n a t h i n s e c t i o n i t i s p o s s i b l e t o c h a r a c t e r i z e t h e p a r a m e t e r s o f t h e s y s t e m a n d a l s o t o o b s e r v e i f t h e y c o n t a i n c a l c i u m h y d r o x i d e o r a n y o t h e r p r o d u c t s . S p a c i n g b e t w e e n e n t r a i n e d a i r v o i d s i s c o n s i d e r e d t o b e a n i m p o r t a n t f a c t o r f o r e n h a n c i n g 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 . S i n c e t h e s p a c i n g b e t w e e n e n t r a p p e d a i r v o i d s i s f a i r l y l a r g e c o m p a r e d t o t h e s p a c i n g b e t w e e n e n t r a i n e d a i r v o i d s , t h e e n t r a p p e d v o i d s d o n o t h a v e a n y e f f e c t o n 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 i n g a n d t h a w i n g . E n t r a p p e d a i r v o i d s a r e r e l a t i v e l y l a r g e a n d t h u s c a p a b l e o f a d v e r s e l y 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 a n d i m p e r m e a b i l i t y . C ) W a t e r V o i d 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 l h u m i d i t y a n d t h e p o r o s i t y o f t h e p a s t e . t h e u n r e a c t e d c e m e n t p a s t e i s c a p a b l e o f h o l d i n g a l a r g e a m o u n t o f w a t e r a t t h e t i m e o f t h e c o n c r e t e m a t u r a t i o n . W a t e r v o i d s a r e i r r e g u l a r i n s h a p e . g e n e r a l l y e l o n g a t e d a n d u s u a l l y v e r y l a r g e ( s e v e r a l m m i n s i z e ) . T y p i c a l l y f o u n d b e n e a t h p a r t i c l e s o f c o a r s e a g g r e g a t e o r r e i n f o r c i n g b a r s , t h e i r i n t e r i o r s u r f a c e s h a v e a g r a n u l a r a p p e a r a n c e i n s t e a d o f t h e u s u a l l y g l a z e d l u s t e r o f a i r v o i d s . F o u r t y p e s o f w a t e r c a n b e d i s t i n g u i s h e d i n c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e z l 5 ( a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 0 ) . 1 C h e m i c a l l y c o m b i n e d w a t e r . w a t e r p r e s e n t i n t h e c r y s t a l l i n e p h a s e s o f c e m e n t p a s t e s u c h a s C - S — H . 2 - I n t e r l a y e r w a t e r . w a t e r p r e s e n t i n t h e g e l . w h e t h e r i n l a y e r s t h e m s e l v e s o r i n t h e i n t e r l a y e r s p a c e s ( t h e d i s t i n c t i o n i s d i f fi c u l t t o m a k e ) . 3 - A d s o r b e d w a t e r . m o n o l a y e r w a t e r , o f w h i c h m o s t w i l l b e o n t h e s u r f a c e o f t h e m i c r o p o r e s . 4 - C a p i l l a r y w a t e r . w a t e r p r e s e n t i n e i t h e r m i c r o p o r e s o r l a r g e r p o r e s . I n t e r l a y e r w a n C a p i l l a r y P h y s r c o l l y a d s o r b e d w a t e r F i g u r e 2 . 1 0 D i f f e r e n t T y p e s o f W a t e r i n C o n c r e t e 3 2 . 2 . 3 S t r u c t u r e o f t h e I n t e r f a c i a l T r a n s i t i o n Z o n e P h a s e ( I T Z ) T h e t r a n s i t i o n z o n e t y p i c a l l y r a n g e s . f r o m 1 0 t o 4 0 p m t h i c k , a n d i s g e n e r a l l y w e a k e r t h a n e i t h e r o f t h e o t h e r t w o p h a s e s o f c o n c r e t e ; t h e r e f o r e , i t h a s a d i s p r o p o r t i o n a t e i n fl u e n c e o n t h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e c o m p a r e d t o i t s s i z e . L 3 T h e t r a n s i t i o n z o n e i s f o r m e d b y a c c u m u l a t i o n o f w a t e r fi l m 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 . N e x t , 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 . T h e s e c r y s t a l l i n e p r o d u c t s i n t h e v i c i n i t y o f c o a r s e a g g r e g a t 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 a n d t h e r e f o r e 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 b u l k o f c e m e n t p a s t e . S t r u c t u r e o f t h e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 1 . b u l k c e m e n t p a s t e p o r o u s C H - r i c ‘ h l a y e r ( 1 0 - 4 0 u m ) a g g r e g a t e p a r t i c l e \ C o n t a c t l a y e r ( 2 3 u m ] F i g u r e 2 . 1 1 S t r u c t u r e o f t h e I n t e r f a c i a l T r a n s i t i o n Z o n e I 2 6 O t h e r r e s e a r c h e r s l 6 ~ l 7 a c c l a i m e d t h a t t h e I T Z s u r r o u n d i n g a g g r e g a t e g r a i n s i n c o n c r e t e c a n b e o b j e c t i v e l y d e s i g n a t e d a s a v o l u m e f r o m w h i c h P o r t l a n d c e m e n t p a r t i c l e s h a v e b e e n p r e f e r e n t i a l l y e x c l u d e d o n a s t a t i s t i c a l b a s i s . T h e e f f e c t s o f s u c h s t a t i s t i c a l e x c l u s i o n a r e m a n i f e s t e d , e v e n a f t e r m o s t o f t h e c e m e n t i s h y d r a t e d , i n a w e l l - d e fi n e d g r a d i e n t m a r k i n g t h e r e d u c e d c o n t e n t o f r e s i d u a l u n h y d r a t e d c e m e n t w i t h d e c r e a s i n g d i s t a n c e f r o m t h e a g g r e g a t e s u r f a c e a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 2 . O v e r t i m e , i n t h e p r e s e n c e o f m o i s t u r e , t h e i n t e r f a c i a l p o r e s p a c e o r i g i n a l l y a s s o c i a t e d w i t h t h e w a l l e f f e c t i n o r d i n a r y c o n c r e t e b e c o m e s m o s t l y fi l l e d u p b y d e p o s i t s o f c a l c i u m h y d r o x i d e a n d b y d e p o s i t s o f C - S - H p a s s i n g t h r o u g h s o l u t i o n . l e a d i n g t o t h e r e t e n t i o n o f o n l y a m o d e s t r e s i d u a l e x t r a a v e r a g e p o r e c o n t e n t w i t h i n t h e I T Z . H e n c e t h e e x i s t e n c e o f t h e I T Z a r o u n d a g g r e g a t e s c a n h a v e o n l y m a r g i n a l e f f e c t s o n b o t h m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d o n p e r f o r m a n c e a f t e r c o n t i n u e d e x p o s u r e t o m o i s t u r e o v e r t i m e . F i g u r e 2 . 1 2 S E M M i c r o g r a p h o f a n A r e a A r o u n d a S a n d G r a i n i n O r d i n a r y C o n c r e t e l 6 2 . 2 . 3 . 1 C o n c r e t e M i c r o c r a c k s C o n c r e t e m i c r o c r a c k s c a n b e d e t e c t e d , e v e n p r i o r t o a n y l o a d s o r e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s ” , i n t h e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ( I T Z ) b y u s i n g a p o w e r f u l m i c r o s c o p e . I t i s w e l l k n o w n t h a t e v e n b e f o r e t h e a p p l i c a t i o n o f e x t e r n a l l o a d , m i c r o c r a c k s a l r e a d y e x i s t i n t h e t r a n s i t i o n z o n e b e t w e e n m o r t a r a n d c o a r s e a g g r e g a t e d u e t o t h e s h r i n k a g e a n d t h e r m a l m i s m a t c h b e t w e e n a g g r e g a t e p a r t i c l e s a n d m a t r i x 3 . T h e n u m b e r a n d w i d t h o f t h e s e m i c r o c r a c k s i n a c o n c r e t e s p e c i m e n w o u l d d e p e n d , a m o n g o t h e r f a c t o r s . o n b l e e d i n g c h a r a c t e r i s t i c s , 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 , a n d t h e c u r i n g h i s t o r y o f c o n c r e t e . U n d e r o r d i n a r y c u r i n g c o n d i t i o n s ( w h e n a c o n c r e t e e l e m e n t i s s u b j e c t e d t o d r y i n g o r t h e r m a l s h r i n k a g e e f f e c t s ) . d u e t o d i f f e r e n c e s i n t h e i r t h e r m a l a n d h y g r a l m o v e m e n t s , d i f f e r e n t i a l s t r a i n s a n d t h u s i n t e r f a c i a l s t r e s s e s w i l l b e s e t u p b e t w e e n t h e m a t r i x a n d c o a r s e a g g r e g a t e s , c a u s i n g m i c r o c r a c k f o r m o r t a r s i n t h e t r a n s i t i o n z o n e . W h e n c o n c r e t e i s s u b j e c t e d t o e x t e r n a l l y i m p o s e d s t r u c t u r a l l o a d s o r d a m a g i n g e n v i r o n m e n t a l l y e f f e c t s , t e n s i l e s t r e s s - c o n c e n t r a t i o n s w i l l a p p e a r a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n a g g r e g a t e a n d m a t r i x d u e t o d i f f e r e n c e s i n e l a s t i c m o d u l u s a n d a l s o b e c a u s e o f t h e p r e - e x i s t i n g o f i n t e r f a c i a l m i c r o c r a c k s . A s a r e s u l t , c o n c r e t e m a c r o c r a c k s w i l l o c c u r a n d d e v e l o p fi r s t i n t h e i n t e r f a c e z o n e ( a n d t h e n i n t o t h e p a s t e ) u n d e r 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 . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s l ' 3 ' m c o n fi r m t h a t m i c r o c r a c k s i n i t i a t e a t t h e i n t e r f a c e s , a n d s u b s e q u e n t l y p r o p a g a t e i n t o t h e m a t r i x a n d f o r m c o n t i n u o u s m a c r o c r a c k s . I n t h e p r e s e n c e o f p r o p a g a t i n g l a r g e c r a c k s ( a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 3 ) , m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n a n d i n t e r c o n n e c t i o n o c c u r s a h e a d o f t h e p r o p a g a t i n g c r a c k t i p . ( a ) s i d e v i e w L . . . . . . . . . . s t r e s s f r e e b ' i d S ' T ‘ B 7 0 0 0 m i c r o c r a c k z o n e m a c r o c r a c k . , . . i n t a c t a r e a 5 i s o l a t e d m i c r o c r a c k s ( 1 ) ) t o p v i e w F i g u r e 2 . 1 3 I d e n t i f i c a t i o n o f C o n c r e t e M i c r o c r a c k s I 2 . 2 . 3 . 2 C a u s e s o f M i c r o c r a c k s P r o p a g a t i o n A ) L o a d i n g i ) C o m p r e s s i v e L o a d U n d e r a s t e a d i l y 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 , w h i c h i s a s s u m e d t o b e u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d o v e r t h e s p e c i m e n c r o s s - s e c t i o n , a n o n l i n e a r s t r e s s - s t r a i n d i a g r a m i s f o u n d a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 4 . w h e r e s t a g e s o f c o n c r e t e b e h a v i o r c a n b e d i s t i n g u i s h e d . A s n o t e d e a r l i e r , e v e n b e f o r e t h e a p p l i c a t i o n o f e x t e r n a l l o a d , m i c r o c r a c k s a l r e a d y e x i s t i n t h e t r a n s i t i o n z o n e b e t w e e n t h e m o r t a r m a t r i x a n d c o a r s e a g g r e g a t e s i n c o n c r e t e . T h e n u m b e r a n d w i d t h o f t h e s e c r a c k s i n a c o n c r e t e s p e c i m e n w o u l d d e p e n d o n b l e e d i n g c h a r a c t e r i s t i c s . 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 , a n d t h e c u r i n g h i s t o r y o f c o n c r e t e . F r o m F i g u r e 2 . l 4 . 3 i t i s s h o w n t h a t b e l o w a b o u t 3 0 % o f u l t i m a t e l o a d , t h e t r a n s i t i o n z o n e c r a c k s r e m a i n s t a b l e ; t h e r e f o r e , t h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e r e m a i n s l i n e a r ( S t a g e 1 ) . A b o v e a b o u t 3 0 % o f t h e u l t i m a t e l o a d , a s t h e s t r e s s i n c r e a s e s . t h e t r a n s i t i o n z o n e m i c r o c r a c k s b e g i n t o i n c r e a s e i n l e n g t h , w i d t h a n d n u m b e r s ; t h e r e f o r e , t h e c u r v e b e g i n s t o d e v i a t e a p p r e c i a b l y f r o m a s t r a i g h t l i n e ( S t a g e 2 ) . U n t i l a b o u t 5 0 % o f t h e u l t i m a t e s t r e s s , a s t a b l e s y s t e m o f m i c r o c r a c k s m a y b e a s s u m e d t o e x i s t i n t h e t r a n s i t i o n z o n e . A t a b o u t 6 0 % o f t h e u l t i m a t e l o a d c r a c k s b e g i n t o f o r m i n t h e m a t r i x . W i t h f u r t h e r i n c r e a s e i n s t r e s s u p t o a b o u t 7 5 % o f u l t i m a t e l o a d ( S t a g e 3 ) , n o t o n l y w i l l t h e c r a c k s y s t e m i n t h e t r a n s i t i o n z o n e b e c o m e u n s t a b l e b u t a l s o t h e p r o l i f e r a t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f c r a c k s i n m a t r i x w i l l i n c r e a s e c a u s i n g t h e s t r e s s — s t r a i n c u r v e t o b e n d c o n s i d e r a b l y t o w a r d t h e h o r i z o n t a l a t a b o u t 7 5 % - 8 0 % o f t h e u l t i m a t e l o a d ( S t a g e 4 ) . 2 - 5 0 % o f u l t i m a t e s t r e 5 1 0 ° . n - _ " o r F a t m i : “ m u r m u r : i . 0 1 d e m e g ” i m a m S o w n m h o t b o n d c l i c k s N e d i d b l o M u l c h M i c r o c r a c k s i n t h e t r a n s r t i o n z o n e F i g u r e 2 . 1 4 D i a g r a m m a t i c P r e s e n t a t i o n o f T h e S t r e s s - S t r a i n B e h a v i o r . . . 3 o f C o n c r e t e U n d e r U n r a x r a l C o m p r e s s r o n T h e r a t e o f s t r a i n e n e r g y r e l e a s e s e e m s t o r e a c h t h e c r i t i c a l v a l u e n e c e s s a r y f o r s p o n t a n e o u s c r a c k g r o w t h u n d e r s u s t a i n e d s t r e s s a n d t h e m a t e r i a l w i l l s t r a i n t o f a i l u r e ( i . e . w i t h i n c r e a s i n g s t r e s s v e r y h i g h s t r a i n s a r e d e v e l o p e d ) , i n d i c a t i n g t h a t t h e c r a c k s y s t e m i s b e c o m i n g c o n t i n u o u s d u e t o r a p i 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 i n b o t h t h e m a t r i x a n d t h e t r a n s i t i o n z o n e . F i g u r e 2 . 1 5 s h o w s a n 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 y 2 0 ( S E M ) m i c r o g r a p h o f a n o r m a l c o n c r e t e f a i l e d u n d e r c o m p r e s s i o n ; m i c r o c r a c k s a r e o b s e r v e d t o f o r m n o t o n l y i n t h e i n t e r f a c e z o n e b u t a l s o t h r o u g h o u t t h e c e m e n t p a s t e . F i g u r e 2 . 1 5 S E M f o r N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n S u b j e c t e d t o U n i a x i a l C o m p r e s s i o n 2 0 A l t h o u g h u n d e r u n i a x i a l c o m p r e s s i v e l o a d m o s t m i c r o c r a c k s a p p e a r t o h a v e b e e n p r o p a g a t e d t h r o u g h t h e c e m e n t p a s t e a n d a l o n g t h e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e , t h e r e a r e o t h e r m i c r o c r a c k s t h a t a p p e a r t o h a v e b e e n g e n e r a t e d f r o m v o i d s a s a r e s u l t o f l o c a l t e n s i l e s t r e s s t a n g e n t i a l t o t h e v o i d b o u n d a r y . T h e s e c r a c k s u s u a l l y o r i g i n a t e d n e a r 3 1 m a x i m u m c o m p r e s s i o n . 1 8 C o m p a r e d t o n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e , h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e b e h a v e s m o r e l i k e a h o m o g e n e o u s m a t e r i a l , w i t h i t s s t r e s s - s t r a i n c u r v e r e m a i n i n g c l o s e r t o l i n e a r i t y a t h i g h e r s t r e s s / s t r e n g t h r a t i o s . T h e a m o u n t a n d d e g r e e o f m i c r o c r a c k i n g i n t h e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ( I T Z ) 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 c a u s e a m o r e b r i t t l e m o d e o f f r a c t u r e a n d l e s s v o l u m e t r i c d i l a t i o n . F i g u r e 2 . 1 6 s h o w s a n S E M m i c r o g r a p h o f a h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n f a i l e d u n d e r c o m p r e s s i o n . 2 0 F r o m t h e i m a g e i t c a n b e s h o w n t h a t t h e m i c r o c r a c k s o c c u r r e d t r o u g h b o t h c e m e n t p a s t e a n d a g g r e g a t e s . F i g u r e 2 . 1 6 S E M f o r H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n S u b j e c t e d t o U n i a x i a l C o m p r e s s i o n 2 0 A d d i n g 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 o r s i l i c a f u m e h a s a n e f f e c t o n s t r e s s - s t r a i n c u r v e 2 ' . T h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e f o r p a s t e s w i t h fl y a s h i s l e s s l i n e a r a n d b e g i n s t o d e v i a t e f r o m l i n e a r i t y a t a b o u t 6 0 % - 7 0 % o f t h e u l t i m a t e s t r e n g t h . T h i s i s p r o b a b l y r e l a t e d t o t h e 3 2 n i a r t s o r E c ‘ i m . a e r a k c a § r c c i f i c e p s I o p e e r C ) ) b b i n c r e a s e d m i c r o c r a c k i n g b e t w e e n t h e fl y a s h p a r t i c l e s a n d h y d r a t e s w i t h i n c r e a s i n g l o a d l e v e l . I n s p e c t i o n o f p a s t e s c o n t a i n i n g fl y a s h a n d s u b j e c t e d t o u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e s s e s u n d e r S E M s h o w e d t h a t m i c r o c r a c k s p r o p a g a t e g e n e r a l l y a r o u n d fl y a s h p a r t i c l e s t h r o u g h i n t e r f a c e s b e t w e e n fl y a s h p a r t i c l e s a n d t h e m a t r i x o f h y d r a t e s . I n o r d e r t o s t u d y 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 u n d e r s u s t a i n e d c o m p r e s s i o n , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c r a c k p r o p a g a t i o n a n d a x i a l c r e e p h a s b e e n i n v e s t i g a t e d 2 2 b y p l o t t i n g t h e i n c r e a s e ( c r e e p ) o f s p e c i fi c c r a c k a r e a a g a i n s t t h e a x i a l c r e e p a t d i f f e r e n t s t r e s s - s t r e n g t h r a t i o s a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 7 . i S t r e s s — s t r e n g t h r a t i o . s 0 ' 5 0 l I l l I ' i 0 0 0 5 0 m o 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 A n a l c r e e p . m i c r o s t r a i n F i g u r e 2 . 1 7 T h e R e l a t i o n s h i p b e t w e e n C r e e p o f T h e S p e c i f i c C r a c k A r e a a n d t h e A x i a l C r e e p Z I A t s t r e s s e s l o w e r t h a n a b o u t 5 0 % o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s u n d e r s u s t a i n e d l o a d s i s p r a c t i c a l l y n e g l i g i b l e . T h e l i n e s o b t a i n e d a r e h o r i z o n t a l . l y i n g o n t h e a x i a l c r e e p a x i s . B e y o n d t h i s s t a g e , t h e g r a d i e n t o f t h e l i n e i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g s t r e s s . b u t t h e l i n e t e n d s t o b e n d t o w a r d s t h e a x i a l c r e e p a x i s u n t i l t h e s u s t a i n e d s t r e s s e x c e e d s a c e r t a i n t h r e s h o l d , b e y o n d w h i c h i t b e g i n s t o b e n d t o w a r d s t h e c r a c k a x i s . T h i s t h r e s h o l d s t r e s s w a s f o u n d t o b e a r o u n d 8 0 % t o 9 5 % o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 2 2 I t w a s a l s o f o u n d t h a t t h e n u c l e 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 c o n s t i t u t e t h e m e c h a n i s m s o f c o n c r e t e d a m a g e , a n d 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 v o l u m e c a n b e d e e m e d a s t h e d a m a g e p a r a m e t e r . 2 3 I t i s a l s o r e p o r t e d t h a t t h e r e s u l t i n g m i c r o c r a c k s u n d e r c o n c e n t r i c c o m p r e s s i v e l o a d a p p e a r e d t o b e u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d t h r o u g h o u t t h e s p e c i m e n w h i l e t h e r e s u l t i n g m i c r o c r a c k s u n d e r e c c e n t r i c c o m p r e s s i v e l o a d e x i s t t h r o u g h t h e f u l l l e n g t h o f t h e s p e c i m e n b u t a r e a l m o s t c o l l i n e a r w i t h t h e l i n e o f a c t i o n o f t h e l o a d ; i n s o m e c a s e s f e w l o n g i t u d i n a l m i c r o c r a c k s a l o n g t h e s i d e a w a y f r o m t h e e c c e n t r i c l o a d w e r e 2 4 o b s e r v e d . i i ) T e n s i l e L o a d W h e n a c o n c r e t e s p e c i m e n i s s u b j e c t e d t o u n i a x i a l t e n s i o n , a s t r e s s - d e f o r m a t i o n d i a g r a m a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 8 i s o b s e r v e d . T h e r e l a t i o n h a s e s s e n t i a l l y t h e s a m e s h a p e a s t h e 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 . F r o m t h e fi g u r e , i t i s s h o w n t h a t t h e f r a c t u r e p r o c e s s o f c o n c r e t e s p e c i m e n u n d e r u n i a x i a l t e n s i o n l o a d i s c o m p o s e d o f t h r e e s t a g e s , d i s t r i b u t e d d a m a g e d u r i n g l o a d i n g o f t h e s a m p l e t o a b o u t 8 0 % o f t h e p r e - p e a k l o a d , f o r m a t i o n o f m i c r o c r a c k l o c a l i z a t i o n d u r i n g t h e l o a d i n g p e r i o d b e t w e e n 8 0 % o f l o a d f r o m p r e - p e a k t o p o s t - p e a k r e g i o n s , a n d m a j o r 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 f t e r t h e l o a d d r o p s b e l o w 8 0 % o f t h e p e a k l o a d . D u r i n g t h i s p e r i o d o f r a p i d c r a c k p r o p a g a t i o n , t h e . . . . 2 5 l a r g e s t e n e r g y r e l e a s e o c c u r s . y i e l d i n g a s t e e p d r o p i n t h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e . 0 0 1 2 0 1 l 4 o 0 n 1 a 6 l 0 1 s t 0 r t e n s i l e 1 0 0 " . ! a i n [ 1 0 n g i t u d i t e n s i l e s t r e s s l M P a l a g g r e g a t e / c e m e n t r a t i o = 3 : 1 w / c = 0 . 4 5 ( n o f i n e s ) F i g u r e 2 . 1 8 T y p i c a l S t r e s s - S t r a i n D i a g r a m s f o r C o n c r e t e L o a d e d i n U n i a x i a l T e n s i o n l I t i s p r o p o s e d t h a t t h e n u m b e r o f m i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e s p e c i m e n s s u b j e c t e d t o u n i a x i a l t e n s i o n c a n b e o b t a i n e d b y d i v i d i n g t h e e n e r g y r e q u i r e d t o o p e n a m i c r o c r a c k d u r i n g t h e m u l t i p l e c r a c k i n g p r o c e s s b y t h e e n e r g y r e q u i r e d t o f o r m a n e w m i c r o c r a c k . 2 6 T h e r a t i o n a l f o r t h i s i s t h a t a l t e r s t h e e n e r g y s t a t e d u r i n g t h e m u l t i p l e c r a c k i n g p r o c e s s w i l l a l s o a l t e r t h e e n e r g y s t a t e a s s o c i a t e d w i t h t h e f o r m a t i o n o f n e w c r a c k s . H o w e v e r , t h e e l a s t i c i t y t h e o r y p r e d i c t s t h a t c r a c k s w i l l b e i n i t i a t e d i f a c t u a l s t r e s s e s e x c e e d t h e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . T h e e v e n t u a l p r o p a g a t i o n o f i n i t i a l c r a c k s c a n n o t b e d e t e r m i n e d b y t h i s t h e o r y 2 7 s i n c e i t w i l l p r e d i c t i n fi n i t e l y h i g h s t r e s s e s a t t h e s h a r p c r a c k t i p ; t h e r e f o r e . m i c r o c r a c k s p r o p a g a t i o n m u s t b e d e s c r i b e d b y f r a c t u r e m e c h a n i c s . T h e f r a c t u r e m e c h a n i c s t h e o r y a d d r e s s e s t h e s t r e s s s i n g u l a r i t y p r o b l e m b y u s i n g s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r s o f f r a c t u r e e n e r g y ; m i c r o c r a c k s a r e a s s u m e d t o p r o p a g a t e w h e n t h e m a x i m u m t e n s i o n s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r . o b t a i n e d a t a n y c r a c k t i p i n m i x e d m o d e . r e a c h e s t h e m o d e I f r a c t u r e t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l c o n t a i n i n g t h e c r a c k t i p . 2 8 M i c r o c r a c k s w i l l t h e r e f o r e f o l l o w t h e s h o r t e s t r o u t e i n a h o m o g e n e o u s m e d i u m o r t h e b o u n d a r y b e t w e e n a s t r o n g g r a i n a n d t h e w e a k e r p a s t e . T h e m i c r o c r a c k m a y e v e n t u a l l y t a k e a s h o r t c u t t h r o u g h a s t r o n g g r a i n i f t h e p a t h t h r o u g h t h e g r a i n i s s i g n i fi c a n t l y s m a l l e r t h a n t h a t a l o n g t h e ‘ ) . — b o u n d a r y . 0 I t i s o b s e r v e d t h a t t h e o r i e n t a t i o n o f t h e m a j o r i t y o f m i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e s p e c i m e n s s u b j e c t e d t o t e n s i l e l o a d i s i n c l i n e d t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n . T h i s p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n t h a t a l t h o u g h t h e m a j o r c r a c k s o f c o n c r e t e s p e c i m e n s s u b j e c t e d t o t e n s i o n d e v e l o p e d p e r p e n d i c u l a r t o 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 s d e v e l o p e d i n a 3 0 . 3 1 d i f f e r e n t w a y . ‘ i i i ) F a t i g u e L o a d F a t i g u e i s a c o m p l e x p h e n o m e n o n a s s o c i a t e d w i t h c y c l i c l o a d i n g h i s t o r y , s t r e s s r a n g e , i n i t i a l d e f e c t s i n c o n c r e t e . a n d m a n y o t h e r m e c h a n i c a l a n d e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s . 3 2 F r a c t u r e o f q u a s i - b r i t t l e m a t e r i a l s s u c h a s c o n c r e t e i s g o v e r n e d b y t h e e x i s t e n c e o f a f r a c t u r e z o n e . T h e f r a c t u r e p r o c e s s z o n e r e f e r s t o a r e g i o n a h e a d o f a c r a c k t i p , w h i c h c o n s i s t s o f a m i c r o c r a c k i n g z o n e a n d a b r i d g i n g z o n e 3 3 a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 9 I n t h e m i c r o c r a c k i n g z o n e , i n i t i a t i o n o f m i c r o c r a c k s a n d t h e i r g r o w t h a r e d o m i n a n t . T h e b r i d g i n g z o n e i s a p a r t o f m a c r o c r a c k a l o n g w h i c h s t r e s s i s t r a n s m i t t e d b y a g g r e g a t e o r f i b e r r e i n f o r c e m e n t . t r a c t i o n f r e e c r a c k b r i d g i n g z o n e m i c r o c r a c k i n g z o n e A L ‘ 7 7 f r a c t u r e p r o c e s s z o n e L V m i c r o c r a c k F i g u r e 2 . 1 9 S c h e m a t i c I l l u s t r a t i o n o f T h e F r a c t u r e P r o c e s s Z o n e 3 2 T h e w i d t h o f f r a c t u r e z o n e i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e p r o v i d e d t h a t t h e s t i f f n e s s a n d s t r e n g t h o f a g g r e g a t e i s l a r g e r t h a n t h a t o f c e m e n t m a t r i x , b e c a u s e t h e s i z e o f m i c r o c r a c k o v e r l a p s i s g o v e r n e d b y t h e a g g r e g a t e s i z e . 3 4 T h e p o s t - p e a k c y c l i c b e h a v i o r o f c o n c r e t e i n t e n s i o n h a s b e e n i n v e s t i g a t e d a n d p l o t e d 3 S a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 0 I t i s s h o w n f r o m t h e fi g u r e t h a t t h e c y c l i c t e n s i o n - s o f t e n i n g b e h a v i o r i s c o m p l e x a n d i n c l u d e s m a n y c h a r a c t e r i s t i c s . o n e o f w h i c h m a y b e r e s p o n s i b l e f o r f a t i g u e c r a c k g r o w t h . T h e f a t i g u e s t r a i n o f c o n c r e t e c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e p a r t s : i r r e v e r s i b l e s t r a i n c a u s e d b y c y c l i c c r e e p u n d e r t h e a c t i o n o f a v e r a g e s t r e s s , i r r e v e r s i b l e s t r a i n c a u s e d b y f a t i g u e m i c r o c r a c k s , a n d f a t i g u e s t r a i n r a n g e ” . I t i s a l s o r e p o r t e d t h a t t h e u n i l a t e r a l b e h a v i o r o f d a m a g e d c o n c r e t e i s r e l a t e d t o t h e c h a n g e i n s i g n o f t h e a p p l i e d l o a d 3 6 a n d m o s t o f c o n c r e t e s p e c i m e n s f a i l e d u n d e r f a t i g u e l o a d s i n t h e s p l i t t i n g m o d e . 3 7 F i g u r e 2 . 2 0 T h e S t r e s s - D e f o r m a t i o n R e l a t i o n U n d e r C y c l i c T e n s i l e L o a d 3 5 B ) E n v i r o n m e n t a l E f f e c t s a n d D i m e n s i o n a l M o v e m e n t s 1 ) F r o s t a n d F r e e z e - T h a w H a r d e n e d c o n c r e t e m a y b e d a m a g e d b y f r o s t a c t i o n p a r t i c u l a r l y i f i t i s s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c l e s t y p i c a l o f t h e n o r t h e r n t e m p e r a t u r e l a t i t u d e s . I t i s r e p o r t e d t h a t w h e n c o n c r e t e s p e c i m e n s a r e s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c l e s , t h e n u m b e r o f m i c r o c r a c k s i s i n c r e a s e d c o m p a r e d t o t h e s o u n d s p e c i m e n s } 8 F i g u r e 2 . 2 1 s h o w s i m a g e s t a k e n a t 5 0 X f o r c o n c r e t e s p e c i m e n s b e f o r e a n d a f t e r e x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w c y c l e s . T h i s fi g u r e s h o w s t h a t t h e r e a r e c l e a r l y m o r e n u m e r o u s m i c r o c r a c k s i n t h e c e m e n t p a s t e s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c l e s , w i t h m o s t m i c r o c r a c k s p a s s i n g t h r o u g h p a s t e a n d f o l l o w i n g t h e b o u n d a r i e s o f l a r g e r a g g r e g a t e p a r t i c l e s . 3 8 F i g u r e 2 . 2 1 S E M M i c r o g r a p h f o r C o n c r e t e S p e c i m e n B e f o r e a n d A f t e r F r e e z e - T h a w D e t e r i o r a t i o n 3 8 I t i s a l s o r e p o r t e d t h a t a f t e r e x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w c y c l e s , t h e m e a s u r e d m i c r o c r a c k s d e n s i t i e s c o r r e l a t e d f a i r l y w e l l w i t h t h e m e a s u r e d d u r a b i l i t y f a c t o r s . I n m o s t d e t e r i o r a t e d c o n c r e t e s p e c i m e n s s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c l e s , m i c r o c r a c k s f o r m p a t t e r n s w i t h a v e r a g e g r i d s i z e o f 4 0 0 - 5 0 0 u m a n d w i d t h s r a n g i n g f r o m 1 t 0 1 0 m m w e r e o b s e r v e d . 3 9 T h e u s e o f d e - i c e r s a l t s i n f r e e z e - t h a w c o n d i t i o n s c a n l e a d t o s c a l i n g . T h e d a m a g e u s u a l l y s t a r t s w i t h a s u p e r fi c i a l fl a k i n g o f t h e s u r f a c e l a y e r s 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 i r r e g u l a r m i c r o c r a c k s s u b - p a r a l l e l t o t h e e x p o s e d s u r f a c e . A s d a m a g e b e c o m e s m o r e s e v e r e , s i g n i fi c a n t s p a l l i n g o f e x p o s e d s u r f a c e s o c c u r a l o n g e d g e s . 1 0 T h e d i f f e r e n c e i n d a m a g e b e t w e e n f r e e z e - t h a w a n d s a l t - s c a l i n g i s d e t e c t e d b a s e d o n t h e d i s t r i b u t i o n o f m i c r o c r a c k s . C o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h a r e s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c l e s c o n t a i n 3 9 u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d m i c r o c r a c k s , w h i l e s a l t - s c a l i n g d a m a g e a p p e a r s i n t h e f o r m o f . . . . 4 0 l o c a l i z e d z o n e s o f s u b s t a n t i a l d e t e r i o r a t i o n . i i ) S h r i n k a g e T h e l o s s o f m o i s t u r e f r o m c o n c r e t e o r m o r t a r e i t h e r d u r i n g s e t t i n g o r a f t e r h a r d e n i n g l e a d s t o a v o l u m e s h r i n k a g e o f c e m e n t p a s t e w h i c h , i f i n s u f fi c i e n t m a g n i t u d e , m a y l e a d t o t h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o c r a c k s . l 0 S h r i n k a g e o f c e m e n t p a s t e c r e a t e s r a d i a l a n d t a n g e n t i a l s t r e s s e s i n t h e p a s t e a s w e l l a s i n t h e a g g r e g a t e . S t r e s s e s i n t h e p a r t i c l e w i l l b e i n h y d r o s t a t i c c o m p r e s s i o n , w h e r e a s s t r e s s e s i n t h e c e m e n t p a s t e w i l l b e i n c o m p r e s s i o n r a d i a l l y a n d i n t e n s i o n t a n g e n t i a l l y . N o s h e a r s t r e s s e s w i l l b e g e n e r a t e d d u e t o r a t i o n a l s y m m e t r y . T h e s t r e s s l e v e l w i l l b e i n d e p e n d e n t o f t h e a g g r e g a t e s i z e , b u t w i l l v a r y w i t h t h e d i s t a n c e t o c e n t e r o f g r a i n . 4 1 T h e t a n g e n t i a l t e n s i l e s t r e s s e s g e n e r a t e d i n c e m e n t b y t h e s h r i n k a g e p a s t e m a y e v e n t u a l l y e x c e e d t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c e m e n t p a s t e . T h i s w i l l l e a d t o i n i t i a t i o n o f c r a c k s i n t h e p a s t e a t t h e b o u n d a r y o f a g g r e g a t e s w h e r e s t r e s s e s a r e h i g h e s t . M i c r o c r a c k s i n t h e p a s t e r a d i a t e f r o m t h e s u r f a c e o f t h e a g g r e g a t e i n t o t h e p a s t e a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 2 . S h e a r s t r e s s e s a r e g e n e r a t e d a l o n g t h e i n t e r f a c e a n d w i l l b e h i g h e s t n e a r t h e c r a c k w h e r e a c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e a g g r e g a t e a n d t h e p a s t e w o u l d p r e v e n t r e l a x a t i o n o f t h e s t r a i n s a n d s t r e s s e s . I n a d d i t i o n t o e x i s t i n g t e n s i l e s t r e s s e s , s h e a r s t r e s s e s f o r m s h e a r c r a c k s a t t h e b o u n d a r y , a l t h o u g h c o m p r e s s i o n s t r e s s e s i n t h e r a d i a l d i r e c t i o n a r e t r a n s f e r r e d a c r o s s t h e c r a c k . 4 0 F i g u r e 2 . 2 2 M i c r o c r a c k s P a t t e r n D u e t o S h r i n k a g e 4 | F o r h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e , m i c r o c r a c k i n g i s s h o w n t o i n c r e a s e e s p e c i a l l y w i t h s i l i c a f u m e a d d i t i o n . T h i s m a y b e a t t r i b u t e d t o i n c r e a s e d b r i t t l e n e s s a n d d e c r e a s e d c r e e p r e l a x a t i o n . 4 2 A d d i n g fi b e r s t o c o n c r e t e c a n s i g n i fi c a n t l y i m p r o v e r e s i s t a n c e t o d r y i n g s h r i n k a g e o f c r a c k i n g b y r e d u c i n g t h e n u m b e r o f m i c r o c r a c k s c r e a t e d i n c o n c r e t e a n d b y a r r e s t i n g p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s . F i b e r s w i t h h i g h e l a s t i c m o d u l u s , b o n d s t r e n g t h , fi b e r s c o u n t a n d s u r f a c e a r e a ( e . g . , p r o c e s s e d c e l l u l o s e fi b e r s ) a r e p a r t i c u l a r l y e f f e c t i v e i n t h e s u p p r e s s i o n a n d s t a b i l i z a t i o n o f m i c r o c r a c k s . 4 3 i i i ) C o r r o s i o n o f S t e e l R e i n f o r c e m e n t C o r r o s i o n o f s t e e l r e i n f o r c e m e n t i s t h e m o s t c o m m o n c a u s e o f t h e d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s . T h e r e a r e t w o k i n d s o f r e b a r c o r r o s i o n , 4 4 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 n d c a r b o n a t i o n - i n d u c e d c o r r o s i o n ; c h l o r i d e - i n d u c e d c o r r o s i o n i s g e n e r a l l y t h e m o r e s e r i o u s o n e . C h l o r i d e s m a y e x i s t i n c o n c r e t e a t t h e t i m e o f m i x i n g o r c a n p e n e t r a t e i n t o 4 1 t h e h a r d e n e d c o n c r e t e l a t e r o n . F o r t h e c a s e o f c h l o r i d e i n t h e s u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n t a l p e n e t r a t i n g i n t o c o n c r e t e . a s u f f i c i e n t q u a n t i t y o f c h l o r i d e i o n s m u s t fi r s t b e a c c u m u l a t e d . N e x t , a l o c a l i z e d b r e a k d o w n o f t h e p a s s i v e fi l m o n s t e e l o c c u r s b y t h e a c t i o n o f t h e s e a c c u m u l a t e d c h l o r i d e i o n s . c r e a t i n g a g a l v a n i c c e l l . T h e l o c a l a c t i v e a r e a s b e h a v e a s a n o d e s . w h i l e t h e r e m a i n i n g p a s s i v e a r e a s b e c o m e c a t h o d e s w h e r e r e d u c t i o n o f d i s s o l v e d o x y g e n t a k e s p l a c e . A s s t e e l i n c r e a s e s i t s s t a t e o f o x i d a t i o n , t h e v o l u m e o f t h e c o r r o s i o n p r o d u c t s i n c r e a s e s . T h e v o l u m e o f fi n a l c o r r o s i o n p r o d u c t , F e ( O H ) 3 . 3 H z O . i s s i x a n d a h a l f t i m e s t h a t o f t h e o r i g i n a l F e . 4 5 T h i s e x p a n s i o n r e s u l t i n g f r o m c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e m e n t c a u s e s m i c r o c r a c k i n g a n d s p a l l i n g i n s i d e c o n c r e t e : b o n d i n g b e t w e e n s t e e l a n d c o n c r e t e i s a l s o l o s t a n d t h e s t e e l r e i n f o r c e m e n t i t s e l f i s w e a k e n e d . T h e f i r s t i n d i c a t i o n 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 a r e fi n e m i c r o c r a c k s , f o l l o w e d b y u n s i g h t l y b r o w n r u s t s t a i n s r e fl e c t i n g t h e p a t t e r n o f t h e u n d e r l y i n g r e i n f o r c e m e n t o n c o n c r e t e s u r f a c e s ” ) A s d a m a g e p r o g r e s s e s . s t a i n i n g b e c o m e s m o r e s e v e r e . c r a c k s w i d e n a n d p r o p a g a t e . a n d s e g m e n t s o f c o n c r e t e o v e r l y i n g t h e c o r r o d i n g s t e e l a r e s p a l l e d o f f . i v ) A l k a l i - A g g r e g a t e R e a c t i o n T h e a l k a l i - a g g r e g a t e r e a c t i o n i s t h e e x p a n s i v e r e a c t i o n o f s o d i u m a n d p o t a s s i u m a l k a l i s i n t h e p o r e s o l u t i o n o f c o n c r e t e w i t h m i n e r a l s i n a g g r e g a t e s . T h e p r i n c i p a l s o u r c e o f a l k a l i s i s t h e c e m e n t i t s e l f . b u t a n y s o u r c e o f s o d i u m o r p o t a s s i u m c a n c o n t r i b u t e t o t h e r e a c t i o n p r o v i d e d t h a t t h e a l k a l i c a n m o v e i n t o t h e p o r e s o l u t i o n o f c o n c r e t e a n d c r e a t e t h e n e c e s s a r y h y d r o x y l i o n c o n c e n t r a t i o n s r e q u i r e d . 4 6 A l k a l i - a g g r e g a t e r e a c t i o n s l e a d t o e x p a n s i o n o f t h e r e a c t i v e g r a i n . T h e r e a c t i o n s a n d e x p a n s i o n s t a k e p l a c e a f t e r d i f f u s i o n o f a l k a l i a n d w a t e r i n t o t h e a g g r e g a t e . t h u s c a u s i n g e i g e n s t r e s s c s i n t h e a g g r e g a t e i n a d d i t i o n k , t o t h e s t r e s s fi e l d s c a u s e d b y o v e r a l l e x p a n s i o n o f t h e g r a i n . E i g e n s t r e s s e s c a n l e a d t o c r a c k i n g o f t h e p a s t e s i m i l a r t o o v e r a l l e x p a n s i o n o f t h e a g g r e g a t e , l e a d i n g t o f o r m a t i o n o f m i c r o c r a c k s i n t h e c e m e n t p a s t e . “ A t y p i c a l m i c r o c r a c k p a t t e r n f o r a n a g g r e g a t e a n d c e m e n t p a s t e a f f e c t e d b y a l k a l i - a g g r e g a t e r e a c t i o n i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 3 . F i g u r e 2 . 2 3 M i c r o c r a c k P a t t e r n i n C a s e o f A l k a l i - A g g r e g a t e R e a c t i o n “ I f c o n c r e t e s p e c i m e n s s u f f e r i n g f r o m a l k a l i ~ a g g r e g a t e r e a c t i o n a r e s u b j e c t e d t o e x t e r n a l l o a d i n g , s u r f a c e o f m i c r o c r a c k i n g w i l l b e m a g n i f i e d a n d t h e n u m b e r o f m i c r o c r a c k s i n t h e w e a k e n e d m a t r i x o f c o n c r e t e w i l l b e i n c r e a s e d . I t i s a l s o n o t i c e d t h a t c o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h s u f f e r f r o m a l k a l i - a g g r e g a t e r e a c t i o n c o n t a i n m i c r o c r a c k s i n b o t h c o a r s e a g g r e g a t e a n d c o n c r e t e m a t r i x , t h a t c a n c a u s e b o n d f a i l u r e t h r o u g h o u 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 . 4 7 A n o p t i c a l m i c r o g r a p h o f c o n c r e t e s p e c i m e n s u f f e r i n g f r o m a l k a l i - a g g r e g a t e r e a c t i o n i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 4 . 4 3 F i g u r e 2 . 2 4 A n O p t i c a l M i c r o g r a p h o f C o n c r e t e S p e c i m e n D a m a g e d b y A l k a l i - A g g r e g a t e R e a c t i o n 4 7 2 . 2 . 3 . 3 E f f e c t o f ( I T Z ) a n d M i c r o c r a c k s o n C o n c r e t e P r o p e r t i e s a n d P e r f o r m a n c e A ) E f f e c t o f M i c r o c r a c k s o n S t r e n g t h a n d S t r e s s - S t r a i n B e h a v i o r T h e s t r u c t u r e o f t r a n s i t i o n z o n e , e s p e c i a l l y t h e v o l u m e o f m i c r o c r a c k s a n d v o i d s , h a s a g r e a t i n fl u e n c e o n b o t h t h e s t i f f n e s s a n d e l a s t i c m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e . I n a c o m p o s i t e m a t e r i a l , t h e t r a n s i t i o n z o n e s e r v e s a s a b r i d g e b e t w e e n m o r t a r m a t r i x a 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 . 2 0 E v e n w h e n t h e i n d i v i d u a l c o m p o n e n t s a r e o f h i g h s t i f f n e s s , t h e c o m p o s i t e m a y p r o v i d e r e l a t i v e l y l o w s t i f f n e s s b e c a u s e o f t h e b r o k e n b r i d g e s ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s i n t h e t r a n s i t i o n z o n e ) , w h i c h d o n o t p e r m i t s t r e s s t r a n s f e r . C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t r a n s i t i o n z o n e a l s o i n fl u e n c e 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 e x i s t e n c e o f m i c r o c r a c k s i n t r a n s i t i o n z o n e , a t i n t e r f a c e s w i t h s t e e l a n d c o a r s e a g g r e g a t e , i s t h e p r i m a r y r e a s o n t h a t c o n c r e t e i s m o r e p e r m e a b l e t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g h y d r a t e d 4 4 c e m e n t p a s t e . I n g e n e r a l , m i c r o c r a c k s , v o i d s p a c e 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 a r e r e l a t i v e l y m o r e c o m m o n i n t h e t r a n s i t i o n z o n 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 ; t h e r e f o r e t h e y p l a y a v e r y i m p o r t a n t r o l e i n d e t e r m i n i n g t h e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r o f c o n c r e t e . I t i s w e l l k n o w n t h a t d u e t o d i f f e r e n t i a l d r y i n g s h r i n k a g e a n d t h e r m a l m i s m a t c h b e t w e e n a g g r e g a t e a n d m a t r i x . t e n s i l e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n w i l l a p p e a r i n t h e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ( I T Z ) b e t w e e n a g g r e g a t e a n d m a t r i x . T h e r e l a t i o n b e t w e e n m i c r o c r a c k g r o w t h a n d s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r o f c o n c r e t e i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 5 . F r o m t h e fi g u r e i t c a n b e s h o w n t h a t m i c r o c r a c k s g e n e r a l l y i n i t i a t e a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n a g g r e g a t e a n d m a t r i x , p r o p a g a t e i n t o t h e m a t r i x u n d e r l o a d a n d e v e n t u a l l y f o r m c o n t i n u o u s n e t w o r k o f . . 1 m a c r o c r a c k s a r o u n d t h e p e a k o f s t r e s s - s t r a i n c u r v e ( a t l a r g e s t r a i n s ) . M d ‘ m / ’ - - ~ - ~ ~ l l l W 9 - 1 8 ’ ‘ / ’ m w 3 - 3 0 [ I I s t r e s s = 2 0 . 7 ‘ ‘ A 4 M P a _ o 6 1 5 1 1 0 1 1 5 2 1 0 2 2 5 3 . 0 m e d i a - ’ 1 F i g u r e 2 . 2 5 T h e R e l a t i o n B e t w e e n M i e r o c r a c k i n g G r o w t h a n d S t r e s s - S t r a i n . i B e h a v i o r 4 5 I n f a c t , t e n s i l e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n s w i l l a p p e a r a r o u n d a n y t y p e o f h e t e r o g e n e i t y i n t h e m a t e r i a l s t r u c t u r e . T h e s i m p l e s t c a s e i s a s i n g l e v o i d o r a g g r e g a t e e m b e d d e d i n a c o n t i n u o u s m a t r i x . F i g u r e 2 . 2 6 d e p i c t s t h e p r o c e s s e s t a k i n g p l a c e a r o u n d a s i n g l e p a r t i c l e u n d e r l o a d . l o n g i t u d n a l s h e a r , a ; ” r 8 p l u s l a t e r a l ' ‘ , ' - t e n s i o n , T , - , s : ' - b o n d f a i l u r e d u e t o } ? t e n s t i o n a n d s h e a ‘ " a w a r d e d : , b y a g g . t e x t u r e r : _ _ ' e g g - p a r t i c l e b o n d f a i l u r e , , _ d u e t o t e n s i o F r “ _ ' ' _ ' - ' _ - . . - * ‘ ' b o n d i n t a c t ' fl o w " o f s o f t m o r t a r p a s t h a r d p a r t i c l e m o r t a r W A N T ? F i g u r e 2 . 2 6 I d e a l i z a t i o n o f S t r e s s e s A r o u n d a S i n g l e A g g r e g a t e P a r t i c l e E m b e d d e d i n a C o n t i n u o u s M a t r i x , a n d H y p o t h e s i z e d F a i l u r e M o d e m F i g u r e 2 . 2 6 s h o w s a s t i f f a g g r e g a t e p a r t i c l e e m b e d d e d i n a s o f t m a t r i x , w i t h t w o i n t e r f a c i a l m i c r o c r a c k s d e v e l o p e d d u e t o d i f f e r e n t i a l s h r i n k a g e . B e c a u s e t h e m a t r i x h a s a l o w e r s t i f f n e s s t h a n t h e a g g r e g a t e . t h e m a t r i x m a t e r i a l t e n d s t o fl o w a r o u n d t h e p a r t i c l e . M i c r o c r a c k s i n t h e i n t e r f a c i a l z o n e b e t w e e n c e m e n t a n d a g g r e g a t e a r e s t a b l e ; i n i t i a l l y , a n d p r o p a g a t e o n l y w h e n t h e e x t e r n a l l o a d i s i n c r e a s e d t o a c e r t a i n l e v e l . B e c a u s e o f t h e m i s m a t c h i n P o i s s o n ’ s r a t i o . t h e m a t r i x m a t e r i a l a b o v e a n d b e l o w t h e p a r t i c l e i s c o n fi n e d . 4 6 i . e . , a s t a t e o f t r i a x i a l c o m p r e s s i o n d e v e l o p s a b o v e a n d b e l o w t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e . S h e a r f o r c e s e x i s t a t t h e i n t e r f a c e a s i n d i c a t e d i n t h e F i g u r e 2 . 2 6 . F r a c t u r e m e c h a n i s m s c a n b e q u a l i t a t i v e l y e x p r e s s e d b y t h e f o l l o w i n g s e q u e n c e a t e v e n t s . F i r s t . t h e r e a r e t h e d e - b o n d i n g m i c r o c r a c k s . m o s t l i k e l y n u c l e a t e d d u r i n g t h e h a r d e n i n g o f t h e c o n c r e t e . N e x t , d e p e n d i n g o f t h e fl o w o f p a s t e a r o u n d t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e , t h e d e - b o n d i n g m i c r o c r a c k s m i g h t b e s u b j e c t e d t o l a t e r a l s p l i t t i n g l o a d s a n d p r o p a g a t e . T h e p r o p a g a t i o n s t a g e s t o p s a s s o o n a s t h e t r i a x i a l l y l o a d e d c o r e s a r e r e a c h e d , a n d f a i l u r e c a n p r o c e e d o n l y t h r o u g h e x t e n s i o n o f s h e a r c r a c k s t h r o u g h t h e p a s t e . 1 9 T h e e n e r g y f o r c r a c k e x t e n s i o n c o m e s e i t h e r f r o m t h e w o r k o f e x t e r n a l f o r c e s o r f r o m c h a n g e s i n t h e s t r a i n e n e r g y s t o r e d i n c o n c r e t e . T h i s e f f e c t , c o m b i n e d w i t h t h e a r r e s t i n g e f f e c t o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s , e x p l a i n s t h e e x t e n s i v e m i c r o c r a c k i n g t h a t t a k e s p l a c e u n d e r l o a d ( r a t h e r t h a n t h e g r o w t h o f a s i n g l e c r a c k t h r o u g h t h e c o n c r e t e ) . a n d a l s o j u s t i fi e s t h e n o n l i n e a r i t y o f t h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e o f c o n c r e t e . T h e e x t e n t o f b r a n c h c r a c k i n g t e n d s t o b e i n c r e a s e d b y m o r e i r r e g u l a r l y s h a p e d a g g r e g a t e p a r t i c l e s . O c c u r r e n c e o f m i c r o c r a c k s c a n a l s o p r o v i d e s o m e c h a n g e s i n b o t h p e a k s t r e s s a n d p e a k s t r a i n o f c o n c r e t e . A t t h e m e s o - l e v e l , t h e m e c h a n i s m i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 7 . W h e n l o a d i n g i s a p p l i e d p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f c a s t i n g , t h e o r i e n t a t i o n o f t h e i n i t i a l w e a k l a y e r s o r m i c r o c r a c k s i s v e r y u n f a v o r a b l e t o p r o p a g a t i o n i n a c o m p r e s s i v e s t r e s s fi e l d i n t h e d i r e c t i o n o f c a s t i n g . U n d e r l o a d s p e r p e n d i c u l a r t o c a s t i n g d i r e c t i o n . c r a c k s a r e o r i e n t e d m o r e f a v o r a b l y , a n d c r a c k p r o p a g a t i o n m a y p r o c e e d m u c h f a s t e r . T h e d e l a y e d a n d a c c e l e r a t e d c r a c k g r o w t h f o r p a r a l l e l a n d p e r p e n d i c u l a r l o a d s , r e s p e c t i v e l y , s e e m s t o y i e l d d i f f e r e n c e s i n p e a k s t r a i n b u t n o t s o m u c h i n p e a k s t r e s s . 4 7 I a d i n g d i r e c t i o n — - - - - - - — m . - - - : - m a t r i x m a t e r i a l l a r g e r a g g r e g a t e 2 d i r e c t i o n o f ; c a s t i n g d i r e c t i o n o f c a s fi n g 0 p a r t i c l e s 9 i n i t i a l d a m a g e g i n i t i a l d a m a g e = m i c r o c r a c k s o r w e a k e r l o a d i n g d i r e c t i o n _ . _ . _ . . - . - l o a d i n d u c e d c r a c k s c r a c k s i n ) P A R A L l E l ( b ) P E R P E N D I C U L A R F i g u r e 2 . 2 7 H y p o t h e s i z e d M i c r o m e c h a n i s m s , E x p l a i n i n g t h e E f f e c t o f I n i t i a l A n i s o t r o p y i n C o n c r e t e l B ) E f f e c t o f z l fi e r u c r u c k s ' o n C r e e p a n d M a s s T r a n s p o r t P r o p e r t i e s S i n c e i n i t i a l 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 d i f f e r e n t i a l s h r i n k a g e , b l e e d i n g a n d s e g r e g a t i o n d u r i n g c a s t i n g . w e a k l a y e r s d e v e l o p p r e f e r e n t i a l l y u n d e r t h e l a r g e r a g g r e g a t e p a r t i c l e s . L o a d - i n d u c e d m i c r o c r a c k s a p p e a r m o s t l y a t t h e p a s t e - a g g r e g a t e i n t e r f a c e 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 s l o a d i n c r e a s e s . S u b s t a n t i a l g r o w t h o f m i c r o c r a c k s o c c u r s a t s t r e s s l e v e l s b e t w e e n 7 5 a n d 9 0 p e r c e n t o f 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 . F a i l u r e o c c u r s w h e n e x t e n s i v e m i c r o c r a c k i n g l e a d s t o c o l l a p s e o f a l l t h e r e m a i n i n g l o a d p a t h s a n d d i s i n t e g r a t i o n o f t h e i n t e r n a l m a t r i x . P r i o r t o f a i l u r e . m i c r o c r a c k s m a y p r o v i d e a n 4 8 i n t e r c o n n e c t e d s y s t e m o f “ v o i d s ” t h a t a r e l a r g e r t h a n t y p i c a l c a p i l l a r i e s a n d c r e a t e a p o t e n t i a l p a t h f o r i n g r e s s o f g a s s e s , l i q u i d s , a n d d i s s o l v e d s o l i d s . M i c r o c r a c k s c a n t h u s a f f e c t m a s s t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . F o r h i g h e r l o a d l e v e l s , h o w e v e r , m a s s t r a n s p o r t p r o p e r t i e s m a y b e i n c r e a s e d b y 2 0 p e r c e n t o r m o r e . 4 8 C o n c r e t e s m a d e w i t h A S T M T y p e I I I c e m e n t g e n e r a l l y s h o w m o r e m i c r o c r a c k i n g t h a n c o n c r e t e s m a d e w i t h o t h e r t y p e s o f c e m e n t . T h i s i s d u e t o r a p i d f o r m a t i o n o f C - S - H g e l f r o m T y p e I I I c e m e n t w h i c h i n c r e a s e s t h e d e n s i t y o f e a r l y - a g e s h r i n k a g e m i c r o c r a c k s . D u e t o t h e f o r m a t i o n o f s u c h m i c r o c r a c k s , e t t r i n g i t e i s b e l i e v e d t o p r e f e r e n t i a l l y n u c l e a t e a n d g r o w i n p r e - e x i s t i n g m c i r o c r a c k s . 4 9 T h e s u l f a t e i o n s r e l e a s e d f r o m i n t e r n a l s o u r c e s , i . e . C - S - H c o m p l e x , w i l l l i k e l y m i g r a t e t o t h e n e a r e s t c r a c k . N u c l e a t i o n o f e t t i n g i t e i n m i c r o c r a c k s i s s u f f i c i e n t t o c r e a t e s u p e r s a t u r a t i o n c o n d i t i o n s n e c e s s a r y f o r f o r m i n g e t t r i n g i t e . a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 8 . F i g u r e 2 . 2 8 S E M M i c r o g r a p h S h o w i n g D e p o s i t i o n o f E t t r i n g i t e i n M i c r o c r a c k s 4 9 4 9 0 1 s n o i t c n u f e c n e fl p m o c d e g a r e v A D u e t o t h e a c c u m u l a t i o n o f e t t r i n g i t e i n m i c r o c r a c k s . c r a c k o p e n i n g p r o c e s s e s a n d . a s a r e s u l t . c o n c r e t e e x p a n s i o n c a n b e o b s e r v e d . C r e e p i n c o n c r e t e h a s t w o d i f f e r e n t s o u r c e s : m i c r o c r a c k i n g a n d s t r e s s - i n d u c e d s h r i n k a g e . P r e v i o u s s t u d i e s S O ’ 5 I i n d i c a t e d t h a t t h e r e i s a s t r o n g c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e b a s i c c r e e p o f c o n c r e t e t o t h e t o t a l n u m b e r o f m i c r o c r a c k s c r e a t e d i n c o n c r e t e . T h e e f f e c t o f s t r e s s - i n d u c e d s h r i n k a g e o n c o n c r e t e c r e e p i n c r e a s e s w i t h t i m e , w h i l e m i c r o c r a c k i n g e f f e c t c a n b e d e c o m p o s e d f u r t h e r . a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 9 . F r o m t h e fi g u r e , i t a p p e a r s t h a t t h e m i c r o c r a c k i n g e f f e c t i n c r e a s e s f r o m t h e v e r y b e g i n n i n g , r e a c h e s i t s m a x i m u m i n a b o u t 1 0 d a y s , a n d t h e n d e c r e a s e s . T h i s i s b e c a u s e m o i s t u r e d i s t r i b u t i o n g r a d u a l l y a p p r o a c h e s a u n i f o r m s t a t e . H o w e v e r . e v e n a f t e r a l o n g t i m e , t h e m i c r o c r a c k s t h a t h a v e d e v e l o p e d i n t h e e a r l y d r y i n g p r o c e s s c l o s e o n l y p a r t l y , w h i c h m u s t b e e x p l a i n e d b y i r r e v e r s i b i l i t y o f c r a c k o p e n i n g s . ' ' ' — B a s l c c r e e p + s t r e s s I n d u c e d s h r i n k a g e s m e l l e c c e n t r i c i t y . d r y i n g 6 ' t e - — B e s l c c r e e p . s m e l l e c c e n t r i c i t y . s e a l e d - - — — B e s l c c r e e p + s t r e s s l n d u c e d e h r l n k e o / + m i c r o c r a c k i n g e f f e c t ' 5 ‘ l a r g e e c c e n t r i c i t y . d r y l n g o - — B a s i c c r e e p 1 " l a r g e e c c e n t r l c t t y . s e a l e d S e t l V ‘ V V " " 7 I 1 ‘ 7 1 " , I Y I Y V ' V " V Y ‘ Y ‘ m ' " 8 . 1 3 : V 0 . 1 t 1 0 t o o F i g u r e 2 . 2 9 E f f e c t o f M i e r o c r a c k i n g o n C r e e p 5 ' 5 0 ( 7 ' ) E f f e c t o f i l l i c r m v ' a c k s o n ( ' ( m e r e t e D u r a b i l i t y T h e o v e r a l l q u a l i t y o f c o n c r e t e . e s p e c i a l l y i t s l o w p e r m e a b i l i t y . r e f l e c t s s t r o n g l y o n c o n c r e t e d u r a b i l i t y . R e a s o n a b l y , h i g h c e m e n t c o n t e n t , l o w w a t e r / c e m e n t r a t i o a n d p r o p e r c o m p a c t i o n a n d c u r i n g o f f r e s h c o n c r e t e a r e a m o n g t h e i m p o r t a n t f a c t o r s t h a t c o n t r i b u t e t o l o w p e r m e a b i l i t y . E x i s t e n c e o f t e n s i l e m i c r o c r a c k i n g i n c o n c r e t e p r o m o t e s t h e d i f f u s i o n o f a g g r e s s i v e a g e n t s f r o m c o n c r e t e c o v e r t o i t s i n t e r n a l s t r u c t u r e . T e n s i l e m i c r o c r a c k i n g r e d u c e s t h e t i m e t h a t i s n e c e s s a r y f o r a g g r e s s i v e a g e n t s t o r e a c h t h e i n t e r n a l s t r u c t u r e o f c o n c r e t e t h r o u g h t h e c o n c r e t e c o v e r . 5 2 T h e k i n e t i c s o f C 0 2 p e n e t r a t i o n t h r o u g h c o n c r e t e i s o f t e n u s e d t o c h a r a c t e r i z e 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 b e c a u s e c o n c r e t e c a r b o n a t i o n i s o n e o f a m a j o r c a u s e o f r e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n . O c c u r r e n c e o f m i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e f a c i l i t a t e s p e n e t r a t i o n o f C 0 2 t h r o u g h c o n c r e t e w h i c h c o n t r i b u t e s t o 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 . C o n c r e t e m i c r o c r a c k s c a n a l s o a l l m v s f o r c h l o r i d e i o n s t o r e a c h 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 m o r e q u i c k l y a n d t h u s r e d u c e s t h e s e r v i c e l i f e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e p a s t s t u d i e s s ’ m 4 h a v e s h o w n t h a t t h e d e v e l o p 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 s o f s t e e l r e i n f o r c e m e n t n o t a s m u c h i n f l u e n c e d b y t h e w i d t h o f m i c r o c r a c k s a s i t i s b y t h e f r e q u e n c y o f m i c r o c r a c k s . 5 5 F o r a s p e c i f i e d r a n g e o f m i c r o c r a c k w i d t h s n o r m a l l y f o u n d i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s . i n c r e a s i n g t h e f r e q u e n c y o f m i c r o c r a c k i n g g e n e r a l l y i n c r e a s e s t h e m a x i m u m c o r r o s i o n l e v e l ; f o r a g i v e n s t r u c t u r e . i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f m i c r o c r a c k s i n c r e a s e s t h e a m o u n t o f c o r r o s i o n i n s t e e l r e i n f o r c e m e n t . 5 | C H A P T E R 3 M E T H O D O L O G I E S F O R C O N C R E T E I M A G E P R O C E S S I N G A U T O M A T I O N 3 . 1 P R E F A C E I m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s r e q u i r e i t e r a t i v e a p p l i c a t i o n o f a r e l a t i v e l y l a r g e n u m b e r o f f u n c t i o n s . R e c e n t p r o g r e s s i n i m a g e a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s t e c h n i q u e s h a s m a d e p o w e r f u l t o o l s a v a i l a b l e f o r m i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f d i f f e r e n t m a t e r i a l s y s t e m s . T h e s e t e c h n i q u e s a r e n o w u s e d , f o r i n s t a n c e , i n t h e f i e l d o f m e t a l l u r g y t o o b j e c t i v e l y q u a n t i f y t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d t o o f f e r a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f m e t a l - ° 5 6 c h a r a c t r i z a t i o n . D e v e l o p m e n t o f s t a t i s t i c a l l y r e l i a b l e q u a n t i t a t i v e d a t a o n c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e r e q u i r e s t h e a c q u i s i t i o n . p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s o f a r e l a t i v e l y l a r g e n u m b e r o f m i c r o s c o p i c i m a g e s . A u t o m a t i o n o f i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s s t e p s c a n f a c i l i t a t e p r a c t i c a l u s e o f m o d e r n i m a g e a n a l y s i s s c h e m e s i n q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f c o n c r e t e ( a n d d e v e l o p m e n t o f m i c r o s t r u c t u r e — p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s f o r c o n c r e t e ) . T h e d i v e r s i t y a n d c o m p l e x i t y o f g e n e r a l i m a g e p r o c e s s i n g / a n a l y s i s r o u t i n e s i m p l i e s t h a t e f f o r t s t o w a r d s a u t o m a t i o n o f t h e s e n o n - t i e s s h o u l d b e t a i l o r e d t o w a r d s k e y m i c r o s t r u c t u r a l f e a t u r e s o f c o n c r e t e . S o m e i m a g e e l e m e n t s o f t h e a u t o m a t i o n p r o c e s s c o n c e r n d i s t i n c t i o n b e t w e e n m i c r o c r a c k s / v o i d s . a n d n o i s e r e m o v a l . S e l e c t i o n o f t h e k e y a t t r i b u t e s o f f e a t u r e s ( m i c r o c r a c k s . v o i d s ) t o b e q u a n t i fi e d a n d t h e m a g n i f i c a t i o n f a c t o r s w h i c h b e s t h i g h l i g h t t h e s e f e a t u r e s a r e a l s o k e y d e c i s i o n s w h i c h s h o u l d b e m a d e i n l i g h t o f t h e p a r t i c u l a r m i c r o s t r u c t u r e a n d m i c r o s t r u c t u r e — p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s o f c o n c r e t e . T h r o u g h o u t t h e ' J I l s . ) r e s e a r c h s t u d y . a u t o m a t e d i m a g e a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g . a n d a n a l y s i s r o u t i n e s w e r e p e r f o r m e d i n t h e c o n t e x t o f V i s i l o g 5 . 3 ( ' 0 s o f t w a r e s y s t e m . 3 . 2 C R I T E R I O N T O D I S T I N G U I S H B E T W E E N M I C R O C R A C K S A N D V O I D S ( S H A P E A N A L Y S I S ) M i c r o c r a c k s a n d v o i d s a r e k e y m i c r o s t r u c t u r e f e a t u r e s o f c o n c r e t e t h a t c a n b e r e s o l v e d b y m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s . T h e m i c r o s c o p i c i m a g e s o f c o n c r e t e s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 , o b t a i n e d t h r o u g h e n \ - - ' i r o n m e n t a l s c a n n i n g e l e c t r o n a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . i n d i c a t e t h a t b o t h m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a r e g e n e r a l l y p r e s e n t i n c o n c r e t e i m a g e s . M i c r o c r a c k s a n d v o i d s h a v e d i f f e r e n t e f f e c t s o n e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s ; e f f o r t s t o q u a n t i f y t h e s e t w o f e a t u r e s s h o u l d t h u s s t a r t w i t h d i s t i n c t i o n o f m i c r o c r a c k s f r o m v o i d s ; t h e i r k e y a t t r i b u t e s c a n t h e n b e q u a n t i f i e d s e p a r a t e l y . T h e s h a p e o f o b j e c t s i s r e c o g n i z e d i n c o m p l e x w a y s b y o u r v i s u a l s y s t e m . I n s t e a d o f u s i n g n u m e r i c a l v a l u e s , h u m a n b e i n g e y e r o t a t e s o b j e c t s t o t h e s a m e o r i e n t a t i o n b e f o r e m a k i n g c o m p a r i s o n s a n d d e c i d i n g t h a t f e a t u r e s a r e t h e s a m e o r d i f f e r e n t . A p a r t i c u l a r l y i n t e r e s t i n g a n d r e v e a l i n g c h a r a c t e r i s t i c o f t h e v i s u a l m a t c h i n g o f p a t t e r n s o c c u r s w h e n s i m i l a r o b j e c t s i n d i f f e r e n t o r i e n t a t i o n a r e v i e w e d . T h e l e n g t h o f t i m e r e q u i r e d t o m a k e a d e c i s i o n a s t o w h e t h e r o b j e c t s a r e t h e s a m e 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 i r a n g u l a r d e v i a t i o n . 5 7 T h e p r o p o s e d a p p r o a c h . h o w e v e r . d i s t i n g u i s h e s m i c r o c r a c k s f r o m v o i d s q u a n t i t a t i v e l y . b a s e d o n d i s t i n c t a s p e c t s o f t h e i r g e o m e t r y . ( a ) E S E M I m a g e s ( b ) F l u o r e s c e n t I m a g e s F i g u r e 3 . ] C o n c r e t e I m a g e s C a p t u r e d b y E n v i r o n m e n t a l S c a n n i n g E l e c t r o n a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y M i c r o c r a c k s w h e n c o m p a r e d w i t h v o i d s a r e e l o n g a t e d f e a t u r e s w i t h r e l a t i v e l y h i g h a s p e c t ( l e n g t h t o w i d t h ) r a t i o s . T h e " f o r m f a c t o r ” ( s h a p e f a c t o r ) t h a t d i s t i n g u i s h e s m i c r o c r a c k s f r o m v o i d s i s a s f o l l o w s : _ L e n g t h o f t h e o b j e c t W i d t h o f t h e o b j e c t F o r m f a c t o r I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e t h r e s h o l d v a l u e o f f o r m f a c t o r ( a b o v e w h i c h t h e o b j e c t i s a m i c r o c r a c k ) . 3 0 0 ( e n v i r o n m e n t a l s c a n n i n g e l e c t r o n a n d f l u o r e s c e n t ) m i c r o s c o p i c i m a g e s o f c o n c r e t e w e r e u s e d a s t r a i n i n g i m a g e s e t . T h e i m a g e s w e r e c a p t u r e d a t d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n s ( 1 2 5 X . 2 5 0 x . a n d S O O X ) , u s i n g 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 . M i c r o c r a c k s a n d v o i d s w e r e d i s t i n g u i s h e d v i s u a l l y ; t h e i r c o r r e s p o n d i n g f o r m f a c t o r s ( a s p e c t r a t i o s ) . . . t R ‘ . . w e r e m e a s u r e d u s i n g a s t a n d a r d ( V 1 s 1 1 0 g 5 . 3 ) i m a g e a n a l y s r s s o f t w a r e . T o t a l o f 4 7 1 m i c r o c r a c k s a n d 1 1 7 2 v o i d s w e r e a n a l y z e d i n t h e 3 0 0 s e l e c t e d i m a g e s . A s u m m a r y o f t h e f o r m f a c t o r m e a s u r e m e n t s i s p r e s e n t e d i n T a b l e 3 . 1 . H i s t o g r a m s o f f o r m f a c t o r m e a s u r e m e n t s f o r m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 2 a n d a F i g u r e 3 . . » r e s p e c t i v e l y . F i g u r e 3 . 4 p r e s e n t s m e a n o f f o r m f a c t o r m e a s u r e m e n t f o r m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . J l ' J I t n u o C T d m d o p i o u d e J 3 9 1 T a b l e 3 . 1 S t a t i s t i c a l S u m m a r y o f F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r M i c r o c r a c k s a n d V o i d s F o r m f a c t o r V a l u e s S t a t i s t i c s M i c r o c r a c k s V o i d s M e a n 7 3 . 0 4 4 1 . 3 8 2 9 M e d i a n 8 0 . 2 3 1 . 1 1 4 M i n i m u m v a l u e 5 . 6 4 6 3 1 . 0 M a x i m u m v a l u e 1 0 7 . 1 2 . 9 6 3 1 9 0 r l I I I 1 8 0 ¢ 7 0 — 6 0 — — 5 0 — 4 0 ‘ H 0 . 1 3 0 — 2 0 — 1 0 — 0 . 2 O 0 . 0 - 2 0 0 2 0 4 O 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 F o r m f a c t o r F i g u r e 3 . 2 H i s t o g r a m o f F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r M i c r o c r a c k s 5 6 mo 7 n e m e r u s a e M r o t c a f m r o F C o u n t — 0 . 2 0 ) ( . 0 O I T I T T I I T I I I I I J e g J e d u o i p o d O J d 0 . 1 K ; O I I T I I l 0 I J 1 Q B 0 . 5 0 . 8 1 . 1 1 . 4 1 . 7 2 . 0 2 . 3 2 . 6 2 . 9 3 . 2 3 . F o r m f a c t o r F i g u r e 3 . 3 H i s t o g r a m o f F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r V o i d s 5 0 4 O 3 O M i c r o c r a c k s V o i d s F e a t u r e T y p e F i g u r e 3 . 4 C o m p a r i s o n b e t w e e n F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s f o r M i c r o c r a c k s a n d V o i d s B a s e d o n t h e f o r m f a c t o r m e a s u r e m e n t s p r e s e n t e d a b o v e , t h e f o r m f a c t o r v a l u e 3 . 5 i s s e l e c t e d t o b e t h e l i m i t t o d i s t i n g u i s h m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . M i c r o c r a c k s a r e c o n s i d e r e d t o h a v e f o r m f a c t o r v a l u e s g r e a t e r t h a n o r e q u a l t o 3 . 5 w h i l e v o i d s a r e c o n s i d e r e d t o h a v e f o r m f a c t o r v a l u e s l e s s t h a n 3 . 5 . I n o r d e r t o v a l i d a t e t h e p r o p o s e d c r i t e r i a f o r d i s t i n c t i o n o f m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . t h e a p p r o a c h w a s a p p l i e d t o a n o t h e r t r a i n i n g s e t o f 1 0 0 i m a g e s w h i c h i n c l u d e a t o t a l n u m b e r o f 4 3 ‘ ) m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . T a b l e 3 . 2 a n d F i g u r e 3 . 5 c o m p a r e t h e a u t o m a t e d a n d v i s u a l c o u n t s o f m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . T h e n u m b e r o f a u t o m a t i c a l l y d i s t i n g u i s h e d m i c r o c r a c k s a n d v o i d s d i f f e r f o r m t h e v i s u a l l y i d e n t i f i e d o n e s b y 6 . 3 8 % a n d 3 . 0 2 % r e s p e c t i v e l y . T h e s e d i f f e r e n c e s a r e c o n s i d e r e d t o b e r e a s o n a b l y s m a l l i n l i g h t o f t h e a d v a n t a g e s o f a u t o m a t e d a p p r o a c h i n t e r m s o f e f f i c i e n c y a n d s p e e d o f o p e r a t i o n s . T a b l e 3 . 2 V i s u a l V s . A u t o m a t e d M e a s u r e m e n t s o f M i c r o c r a c k s a n d V o i d s V i s u a l P r o p o s e d C r i t e r i o n D i s t i n g u i s h i n g E r r o r ( % ) S t a t i s t i c s M i c r o c r a c k s V o i d s M i c r o c r a c k s V o i d s M i c r o c r a c k s V o i d s N u m b e r 1 3 2 3 0 7 I 4 1 2 9 8 - 6 . 3 8 3 . 0 2 F o r m f a c t o r _ v a l u e s 3 3 . 3 2 . 2 2 3 5 . 7 1 . 9 9 - 6 . 6 0 1 1 . 4 ( a v e r a g e ) M i n i m u m 3 . 6 4 1 . 0 1 3 . 5 3 1 . 0 1 3 . 3 2 0 . 0 0 v a l u e M a X i m u m 4 4 . 7 1 . 6 3 4 4 . 7 1 . 5 8 0 . 0 0 3 . 0 3 v a l u e 5 8 s e r u t a e F f o r e b m u N 3 5 0 M i c r o c r a c k s M i c r o c r a c k s V o i d s V o i d s ( A u t o m a t e d ) ( V i s u a l ) ( A u t o m a t e d ) ( V i s u a l ) O b j e c t T y p e F i g u r e 3 . 5 V i s u a l V s . A u t o m a t e d F o r m f a c t o r M e a s u r e m e n t s 3 . 3 C R I T E R I O N F O R N O I S E R E M O V A L ( S I Z E A N A L Y S I S ) D e s p i t e a l l p r e c a u t i o n s t a k e n i n t o a c c o u n t d u r i n g s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . s t i l l t h e r e i s a l a r g e p r o b a b i l i t y t h a t c a p t u r e d i m a g e s m a y c o n t a i n n o i s e f r o m d i f f e r e n t s o u r c e s . N o i s e c a n r e s u l t f r o m l e f t o v e r i m p r e g n a t i n g a g e n t o n t h e s u r f a c e o f t h e l a p p e d s p e c i m e n . u n e v e n d i s t r i b u t i o n o f l i g h t u n d e r m i c r o s c o p e . i m p r o p e r a d j u s t m e n t o f t h e b r i g h t n e s s a n d c o n t r a s t o f m i c r o s c o p e . o r i m p r o p e r l y i m p r e g n a t e d m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . I m a g e p r o c e s s i n g f u n c t i o n s c a n b e e m p l o y e d t o r e m o v e m o s t o f t h e n o i s e a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 6 . I n o r d e r t o c o m p l e m e n t t h e n o i s e - r e m o v a l e f f e c t o f i m a g e p r o c e s s i n g f u n c t i o n s . a c r i t e r i o n i s d e v e l o p e d t h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y t o i d e n t i f y n o i s e b a s e d o n t h e i r d i s t i n c t l y s m a l l s i z e w h e n c o m p a r e d w i t h f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) . 5 9 A f t e r e v a l u a t i n g d i f f e r e n t s i z e a n d s h a p e v a r i a b l e s , t h e l e n g t h ( t h e l a r g e s t d i m e n s i o n ) i s c h o s e n t o d i s t i n g u i s h n o i s e f r o m m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . L e n g t h m e a s u r e m e n t s o f t h r e e d i f f e r e n t m a g n i f i c a t i o n s ( u s i n g 1 5 0 t r a i n i n g i m a g e s s e t o f e a c h m a g n i f i c a t i o n ) a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 3 . 3 ( n o i s e , m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a r e i d e n t i f i e d v i s u a l l y i n t h i s c a s e ) . S i z e a n a l y s i s i n d i c a t e d t h a t f e a t u r e s s m a l l e r t h a n a b o u t 3 0 p i x e l s i n l e n g t h a r e m o s t l y n o i s e ; t h i s t h r e s h o l d n u m b e r o f p i x e l s c a n r a n g e f r o m 2 5 t o 3 5 . t h e e r r o r s i n d i s t i n g u i s h i n g n o i s e ( w i t h d i f f e r e n t t h r e s h o l d n u m b e r o f p i x e l s ) a r e a l s o i n i d e n t i f y i n g m i c r o c r a c k s a n d v o i d s f o r t h e t r a i n i n g i m a g e s u s e d h e r e a r e i n t r o d u c e d i n T a b l e 3 . 4 a n d F i g u r e 3 . 7 . D e p e n d i n g o n t h e m a g n i f i c a t i o n l e v e l a n d p r o b a b l y s a m p l e p r e p a r a t i o n c o n d i t i o n s , t h e t h r e s h o l d l e n g t h ( i n n u m b e r o f p i x e l s ) f o r d i s t i n g u i s h i n g n o i s e f r o m m i c r o c r a c k s a n d v o i d s s h o u l d b e s e l e c t e d b a s e d o n v i s u a l o b s e r v a t i o n s o f t h e i m p a c t o f s u c h n o i s e r e m o v a l c r i t e r i a o n i m a g e s . T h e c r i t e r i a i n t r o d u c e d a b o v e f o r d i s t i n c t i o n o f m i c r o c r a c k s f r o m v o i d s a n d a l s o n o i s e f r o m t h e s e f e a t u r e s o f i n t e r e s t a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 . 8 . N o t a t i o n s ( L n ) a n d ( W ) r e f e r t o t h e l e n g t h a n d w i d t h o f f e a t u r e s . r e s p e c t i v e l y . a n d ( C L n ) r e f e r s t o t h e s e l e c t e d n u m b e r o f p i x e l s f o r d i s t i n g u i s h i n g n o i s e f r o m m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . 6 0 ( a ) T h e O r i g i n a l “ G r a y ” I m a g e ( b ) T h e B i n a r y I m a g e “ C o n t a i n s S o m e N o i s e ” ( c ) T h e I m a g e A f t e r A p p l y i n g ( d ) T h e I m a g e a f t e r A p p l y i n g O p e n i n g F u n c t i o n H o l e — F i l l F u n c t i o n “ S o m e N o i s e S t i l l R e m a i n i n g ” “ S o m e N o i s e S t i l l R e m a i n i n g ” F i g u r e 3 . 6 T h e E f f e c t o f A p p l y i n g I m a g e P r o c e s s i n g F u n c t i o n s t o R e m o v e N o i s e 6 1 T a b l e 3 . 3 L e n g t h s o f N o i s e , M i c r o c r a c k s , a n d V o i d s a t t h e P r o p o s e d M a g n i fi c a t i o n s M a g n i f i c a t i o n ( 1 2 5 X ) M a g n i f i c a t i o n ( 2 5 0 X ) M a g n i f i c a t i o n ( 5 0 0 X ) [ 4 9 1 1 8 1 1 1 M i c r o - M i c r o - M i c r o - ( P I X E I S ) N o i s e c r a c k s V o i d s N o i s e c r a c k s V o i d s N o i s e c r a c k s V o i d s M i n i m u m v a l u e 2 1 8 . 4 8 2 . 8 2 2 9 6 . 7 2 2 2 9 3 5 . 5 M a x i m u m v a l u e 1 0 6 4 7 8 6 1 2 8 2 7 5 6 9 0 6 1 6 5 9 4 8 7 4 5 M e a n v a l u e 1 5 . 5 9 7 . 7 1 0 7 1 6 . 8 1 3 0 2 0 5 2 4 . 4 1 9 8 2 7 1 D i s t i n g u i s h i n g N o i s e T a b l e 3 . 4 T h e E r r o r s ( " 0 ) A s s o c i a t e d w i t h D i f f e r e n t T h r e s h o l d L e n g t h V a l u e s f o r M a g n i f i c a t i o n ( . 1 2 5 X ) M a g n i f i c a t i o n ( 2 5 0 X ) M a g n i f i c a t i o n ( 5 0 0 X ) E r r o r M i c r o - M i c r o - M i c r o - ( 0 / 0 ) N o i s e c r a c k s V o i d s N o i s e c r a c k s V o i d s N o i s e c r a c k s V o i d s A 1 2 5 p i x e l s 2 0 . 9 5 . 9 5 2 2 2 1 . 4 5 1 . 6 1 2 2 . 2 2 2 8 . 8 1 . 7 8 2 . 1 A 1 1 3 0 p i x e l s 8 . 1 4 8 . 3 3 2 2 l 4 . l 9 l . 7 5 2 2 . 2 2 2 4 . 2 l . 8 8 l . l 3 A t 3 5 p i x e l s 7 . 5 5 l l . 9 2 2 4 . 9 3 7 2 5 . 9 l 9 . 8 6 l . 8 8 l . 2 5 6 2 E r r o r ( % ) 5 0 0 X 2 5 0 x M a g n i fi c a t i o n v a l u e 2 5 p i x e l s 3 0 p i x e l s 3 5 p i x e l s T h e s e l e c t e d l i m i t s F i g u r e 3 . 7 E r r o r s i n A p p l y i n g T h e T h r e e S e l e c t e d L i m i t V a l u e s t i d V o v N o i s e I r a c k M i c r o c F e a t u r e s o f I n t e r e s t D e t e c t e d B a s e d o n I m a g e P r o c e s s i n g F u n c t i o n s a n d C o n t r a s t N o Y e s V o i d o r N o i s e M i c r o c r a c k o r N o i s e N o Y e s N o ” ( V a L n < C L " F i g u r e 3 . 8 F l o w c h a r t o f T h e C r i t e r i a f o r D i s t i n c t i o n o f M i c r o c r a c k s , V o i d s , a n d N o i s e 6 4 3 . 4 S E L E C T I O N O F T H E M A G N I F I C A T I O N F A C T O R T h e m a g n i fi c a t i o n f a c t o r f o r m i c r o s c o p i c a n a l y s i s o f m a t e r i a l s s h o u l d b e s e l e c t e d t o c o v e r t h e s m a l l e s t a n d a l s o t h e l a r g e s t f e a t u r e s o f i n t e r e s t . A m i n i m u m n u m b e r o f p i x e l s s h o u l d b e c o v e r e d b y t h e s m a l l e s t f e a t u r e s t o a d e q u a t e l y d e f i n e t h e m . T h e l a r g e s t f e a t u r e s . o n t h e o t h e r h a n d , s h o u l d n o t c o v e r t o o m a n y p i x e l s s o t h a t t h e r e w o u l d b e a r e l a t i v e l y s m a l l p r o b a b i l i t y o f t h e i r i n t e r s e c t i n g t h e e d g e o f t h e fi e l d . F e a t u r e s l a r g e r t h a n a b o u t 1 0 % o f t h e t o t a l a r e a o f t h e i m a g e a r e a t s o m e r i s k f r o m t h e s e l i m i t a t i o n s . F o r a 5 1 2 > < 5 1 2 i m a g e ( w i t h 2 6 2 . 1 4 4 p i x e l s ) . t h e r e q u i r e m e n t t h a t t h e l a r g e s t a n d t h e s m a l l e s t f e a t u r e s s h o u l d c o v e r 4 0 . 0 0 0 a n d 1 0 0 p i x e l s , r e s p e c t i v e l y , i m p l i e s t h a t t h e a r e a o f f e a t u r e s c a n v a r y b y a f a c t o r o f a b o u t 4 0 0 a n d t h e l i n e a r d i m e n s i o n s b y a f a c t o r o f o n l y 2 0 . C o n c r e t e c r a c k s a n d v o i d s c o v e r b r o a d l i n e a r d i m e n s i o n s r a n g i n g f r o m s u b - m i c r o n l e v e l s t o f e w m i l l i m e t e r s . S o i t i s n o t p o s s i b l e t o c o v e r t h i s b r o a d r a n g e o f d i m e n s i o n s w i t h a s i n g l e m a g n i fi c a t i o n f a c t o r . T h e r e f o r e d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s m a y b e u s e d f o r a c o m p r e h e n s i v e q u a n t i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n o f m i c r o c r a c k s a n d v o i d s s y s t e m o f c o n c r e t e . T h e o t h e r c o n s i d e r a t i o n w h i c h s h o u l d b e t a k e n i n t o a c c o u n t f o r s e l e c t i o n t h e m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s i s t h e m i c r o s c o p e c a p a b i l i t i e s . W h i l e e n v i r o n m e n t a l 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 ( E S E M ) c a n p r o v i d e m a g n i fi c a t i o n v a l u e s u p t o 6 0 . 0 0 0 X o p t i c a l m i c r o s c o p e s m a y h a v e s t r i c t l i m i t a t i o n s w i t h r e s p e c t t o t h e m a g n i fi c a t i o n f a c t o r . 2 4 T h e p a r t i c u l a r 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 y u s e d i n t h e s t u d y d o e s n o t p r o v i d e a f u l l c o v e r a g e o f t h e s c r e e n w i t h t h e r a n g e o f m a g n i fi c a t i o n s l o w a s o f 1 2 5 X . a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 9 . F u r t h e r m o r e , a t v e r y l o w m a g n i fi c a t i o n s . f e w m a c r o c r a c k s m a y b e c a p t u r e d a n d q u a n t i f i e d w h i l e t h e f o c u s o f t h e s t u d y i s o n q u a n t i fi c a t i o n o f m i c r o c r a c k s . W h i l e t h e r e a r e n o p a r t i c u l a r c r i t e r i a f o r s e l e c t i o n o f t h e m a g n i fi c a t i o n f a c t o r i n c o n c r e t e 6 5 m i c r o s o c o p y . 5 8 m a g n i fi c a t i o n f a c t o r o f 1 2 5 X t o 5 0 0 X a r e g e n e r a l l y c o n s i d e r e d r e a s o n a b l e f o r i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s s y s t e m . ( c ) M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 X F i g u r e 3 . 9 E S E M M i c r o g r a p h o f C o n c r e t e C a p t u r e d a t D i f f e r e n t M a g n i f i c a t i o n F a c t o r s 6 6 T h e h i g h e s t m a g n i fi c a t i o n f a c t o r u s e d f o r m i c r o s c o p i c o f c o n c r e t e w a s 5 0 0 X . M o s t f e a t u r e s t h a t a r e o f i n t e r e s t a n d c a n b e h i g h l i g h t e d u s i n g o u r s a m p l e p r e p a r a t i o n s c h e m e s c a n b e d e t e c t e d a t t h i s m a g n i fi c a t i o n . A t m a g n i fi c a t i o n s m u c h h i g h e r t h a n 5 0 0 X . f e a t u r e s o f i n t e r e s t c o u l d b e g r e a t l y a f f e c t e d b y m i n o r c h a n g e s i n s u c h m i c r o s c o p y f u n c t i o n s a s w e l l a s t h e l e v e l s o f b r i g h t n e s s a n d c o n t r a s t ; t h i s i s e s p e c i a l l y d i s t i n c t i n fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y ( v e r s u s 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 y ) . T h e l e v e l o f e f f o r t ( i . e . . n u m b e r o f i m a g e s t o b e c a p t u r e d a n d a n a l y z e d ) a l s o i n c r e a s e s w i t h t h e m a g n i fi c a t i o n l e v e l , l i m i t i n g t h e p r a c t i c a l v a l u e o f m a g n i fi c a t i o n f a c t o r f a r g r e a t e r t h a n 5 0 0 X . T h e i n t e r m e d i a t e m a g n i fi c a t i o n f a c t o r 2 5 0 X ( b e t w e e n 1 2 5 X a n d S O O X ) i s u s e d t o d e t e c t fi n e f e a t u r e s o c c a s i o n a l l y m i s s e d a t 1 2 5 X m a g n i fi c a t i o n . F i g u r e 3 . 1 0 s h o w s t y p i c a l c o n c r e t e m i c r o g r a p h s c a p t u r e d b y b o t h e n v i r o n m e n t a l 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 y ( E S E M ) a n d f l u o r e s c e n c e m i c r o s c o p y a t t h e t h r e e - s e l e c t e d m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s ( 1 2 5 X , 2 5 0 X . a n d 5 0 0 X ) . 6 7 M a g n i fi c a t i o n ( 5 0 0 X ) ( a ) E S E M I m a g e s ( b ) F l u o r e s c e n t I m a g e s F i g u r e 3 . 1 0 C o n c r e t e I m a g e s C a p t u r e d U s i n g E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y a t D i f f e r e n t M a g n i f i c a t i o n F a c t o r s 6 8 3 . 5 C O N C L U S I O N S 1 - C r i t e r i a w e r e d e v e l o p e d t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a n d t o i d e n t i f y n o i s e i n c o n c r e t e m i c r o s c o p y i m a g e s . F o r m f a c t o r ( l e n g t h — w i d t h r a t i o ) o f " 3 . 5 ” w a s f o u n d t o d i s t i n g u i s h m i c r o c r a c k s f r o m v o i d s a t m a g n i fi c a t i o n s I 2 5 X . 2 5 0 X . a n d 5 0 0 X . R e c o g n i z i n g a n d f i l t e r i n g o u t n o i s e ( p r o d u c e d d u e t o p o o r s p e c i m e n p r e p a r a t i o n a n d / o r s e t t i n g o f i n s t r u m e n t a t i o n ) f r o m c o n c r e t e m i c r o g r a p h s w a s c a r r i e d o u t b y c o m p a r i n g t h e l e n g t h o f f e a t u r e s o f i n t e r e s t w i t h n o i s e a n d a d d r e s s i n g t h e c r i t i c a l l e n g t h o f t h e n o i s e . T h e c r i t i c a l l e n g t h r a n g e d f r o m 2 5 p i x e l s t o 3 5 p i x e l s b a s e d u p o n t h e u s e d m a g n i fi c a t i o n f a c t o r . 2 - D i f f e r e n t p a r a m e t e r s a n d v a r i a b l e s w e r e s e l e c t e d t o c a p t u r e c o n c r e t e i m a g e s f o r f u r t h e r i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s s u c h a s m a g n i fi c a t i o n f a c t o r . M a g n i fi c a t i o n v a l u e s 1 2 5 X . 2 5 0 X . a n d 5 0 0 X w e r e s e l e c t e d f o r i m a g e a c q u i s i t i o n . 6 9 C H A P T E R 4 S P E C I M E N P R E P A R A T I O N F O R A U T O M A T E D F E A T U R E S D E T E C T I O N 4 . 1 F E A T U R E D E T E C T I O N T E C H N I Q U E S 4 . 1 . 1 P r e f a c e A v e r y i m p o r t a n t a s p e c t o f q u a l i t a t i v e a n d / o r q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s i n v o l v e s d e t e c t i o n o f o b j e c t s o r f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) . C o m m o n f e a t u r e d e t e c t i o n t e c h n i q u e s m a y b e d i v i d e d i n t o d i r e c t a n d i n d i r e c t m e t h o d s a l t h o u g h t h e d i s t i n c t i o n i s n o t a l w a y s c l e a r . I D i r e c t t e c h n i q u e s i n c l u d e a l l o p t i c a l a n d s c a n n i n g m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s a s w e l l a s X - r a y m e a s u r e m e n t s . I m p r e g n a t i o n a n d c o l o r i n g ( d y e i n g ) m e t h o d s c a n e n h a n c e d i s t i n c t i o n o f o b j e c t s t h a t a r e s t u d i e d w i t h d i f f e r e n t v i e w i n g t e c h n i q u e s . I n d i r e c t t e c h n i q u e s i n c l u d e a c o u s t i c e m i s s i o n . u l t r a s o n i c p u l s e v e l o c i t y m e a s u r e m e n t s . a n d v a r i o u s k i n d s o f i n t e r f e r o m e t r y m e t h o d s . 4 . 1 . 2 C u r r e n t T e c h n i q u e s U s e d f o r D e t e c t i o n o f C o n c r e t e F e a t u r e s 4 . 1 . 2 . 1 P h o t o - E l a s t i c C o a t i n g T e c h n i q u e s P h o t o - e l a s t i c l a y e r s o f r e fl e c t i n g f o i l o r p l a t e c a n b e g l u e d t o t h e s u r f a c e o f a c o n c r e t e s p e c i m e n . o r a l t e r n a t i v e l y . t h e y c a n b e c a s t a s a fl u i d l a y e r w h i c h s o l i d i fi e s w i t h t i m e . T h e l a y e r h a s a l w a y s a c e r t a i n t h i c k n e s s , w h i c h i s m o s t u n i f o r m w h e n p l a t e m a t e r i a l i s g l u e d t o t h e s p e c i m e n . M o s t o f a p p l i c a t i o n s o f p h o t o - e l a s t i c c o a t i n g s a r e r e l a t e d t o f i n d i n g e l a s t i c s o l u t i o n s f o r e l e m e n t s w i t h c o m p l e x s h a p e s a n d / o r c o m p l i c a t e d b o u n d a r y c o n d i t i o n s . A f t e r g l u i n g , c r a c k g r o w t h c a n b e d e t e c t e d w h e n t h e s p e c i m e n i s i l l u m i n a t e d u n d e r p o l a r i z e d l i g h t a n d v i e w e d t h r o u g h a p o l a r i z a t i o n fi l t e r . F o r c r a c k d e t e c t i o n i n 7 0 b r i t t l e s o l i d s . t h e m e t h o d h a s b e e n c o n s i d e r e d a s n o t b e i n g v e r y e f f e c t i v e . a n d h a s n o t . 1 a p p l i e d v e r y m u c h . 4 . 1 . 2 . 2 I n t e r f e r o m e t r y T e c h n i q u e s T h e I n t e r f e r o m e t r y t e c h n i q u e s c a n b e u s e d t o m e a s u r e s u r f a c e d e f o r m a t i o n s o f s p e c i m e n s u n d e r l o a d . T r a d i t i o n a l l y . v i s i b l e l i g h t h a s b e e n u s e d t o i l l u m i n a t e t h e s p e c i m e n s , b u t m o r e a c c u r a t e r e s u l t s a r e o b t a i n e d n o w a d a y s u s i n g m o n o c h r o m a t i c l a s e r b e a m s . M o i r e ’ I n t e r f e r o m e t r y i s a m e t h o d w h e r e t w o g i r d s . o n e o b t a i n e d f r o m t h e u n l o a d e d s p e c i m e n a n d t h e o t h e r f r o m t h e l o a d e d s p e c i m e n , i n t e r f e r e . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t c r a c k i n g i s i n d i c a t e d b y s u b s e q u e n t s t r a i n - c o n t o u r s i n t h e M o i r e m e t h o d . M o r e a c c u r a t e t h a n t h e M o i r e ’ i n t e r f e r o m e t r y m e t h o d a r e l a s e r i n t e r f e r o m e t r y a n d l a s e r h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r y . T h e p r i n c i p l e o f t h e l a s e r t e c h n i q u e i s s i m i l a r t o M o i r é i n t e r f e r o m e t r y . a n d f r i n g e p a t t e r n s a r e o b t a i n e d b y s u p e r i m p o s i n g t h e i m a g e o f d i s t o r t e d s p e c i m e n o n a . ~ . 1 r e f e r e n c e p a t t e r n . 4 . 1 . 2 . 3 S t e r e o - P h o t o g r a m m e t r y T e c h n i q u e T h i s t e c h n i q u e h a s b e e n u s e d m a i n l y f o r v i s u a l i z i n g t e n s i o n c r a c k i n g . I n c o m p r e s s i o n , m a n y d i s t r i b u t e d c r a c k s n u c l e a t e a n d g r o w t h r o u g h o u t t h e s p e c i m e n s v o l u m e . a n d s e e m t o d e v e l o p i n t o a l o c a l i z e d d e f o r m a t i o n z o n e i n t h e p o s t - p e a k r e g i m e . A n o t e d d i s a d v a n t a g e o f s t e r e o - p h o t o g r a m m e t r y i s t h a t d a t a p r o c e s s i n g i s a c u m b e r s o m e a n d t i m e - c o n s u m i n g a c t i v i t y . I t s h o u l d b e m e n t i o n e d t h a t a t p r e s e n t t h e s t e r e o - p h o t o g r a m m e t r y t e c h n i q u e c o u l d o n l y b e u s e d f o r l a r g e — d e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n t s l i k e s h e a r b a n d d e v e l o p m e n t i n c o n c r e t e s a n d s o i l s . F o r m e a s u r e m e n t s o f i s o l a t e d 7 1 m i c r o c r a c k i n g , i m p r e g n a t i o n a n d / o r c o l o r i n g u s i n g d y e i n c o m b i n a t i o n w i t h o p t i c a l o b s e r v a t i o n s s e e m s t o b e m o r e e f f e c t i v e . 1 4 . 1 . 2 . 4 A c o u s t i c E m i s s i o n T e c h n i q u e s A c o u s t i c t e c h n i q u e i s a m i c r o s e i s m i c w a v e g e n e r a t e d b y m i c r o c r a c k i n g , m i c r o s l i d i n g a n d o t h e r m i c r o s c o p i c c h a n g e s i n a m a t e r i a l . T w o d i f f e r e n t a p p r o a c h e s c a n b e d i s t i n g u i s h e d , n a m e l y t h e a c o u s t i c e m i s s i o n t e c h n i q u e ( A E ) w h e r e t h e e l a s t i c w a v e g e n e r a t e d b y t h e r a p i d r e l e a s e o f e n e r g y f r o m c r a c k p r o c e s s e s a r e m e a s u r e d w i t h p i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e r s . 5 0 o r a l t e r n a t i v e l y t h e u l t r a s o n i c p u l s e t e c h n i q u e i n w h i c h t h e d e fl e c t i o n a n d r e f l e c t i o n o f a c o u s t i c s i g n a l s b y d i s c o n t i n u i t i e s i n t h e s p e c i m e n a r e s t u d i e d i n o r d e r t o o b t a i n i n s i g h t i n t o t h e i n t e r n a l c r a c k s t r u c t u r e o f t h e m a t e r i a l . 6 0 ‘ ( " . F i g u r e 4 . 1 s h o w s u l t r a s o n i c t e s t s e t u p f o r a c o n c r e t e s p e c i m e n . j P r o - a m p I — I O s c i l l o s c o p e 3 1 j : l " — . F — [ p m m m n l m o v i n g b r i d g e J a m i l ] v ‘ s . ' v ‘ B u r s t P u l s e r — - = - : ‘ f ; z ' v ' r - . P o s i t i o n C o n t r o l l e r — W a t e r - j g { I i t ' 5 2 ' 3 , 1 : - M i c r o - C o m p u t e r ' _ . . . 1 J F i g u r e 4 . 1 U l t r a s o n i c T e s t C o n fi g u r a t i o n s f o r C o n c r e t e S p e c i m e n “ ) 7 2 T h e m a i n p r o b l e m i n ( A B ) s t u d i e s i s . h o w e v e r . t h a t t h e p h y s i c a l m e c h a n i s m u n d e r l y i n g t h e a c o u s t i c s i g n a l s i s n o t a l l c l e a r . I n g e n e r a l ( A E ) t e c h n i q u e s s e e m s u i t a b l e f o r g a t h e r i n g i n f o r m a t i o n a b o u t t h e i n t e r i o r c r a c k p r o c e s s e s i n a s p e c i m e n u n d e r l o a d . P a s t s t u d i e s h a v e s h o w n t h a t t h e u l t r a s o n i c p u l s e t e c h n i q u e c a n p o s s i b l y b e u s e d t o l o c a t e c r a c k s a n d t o i n v e s t i g a t e t h e c r a c k g r o w t h m e c h a n i s m s . “ 2 F o r e x a m p l e . t h e d e p a r t u r e a n d a r r i v a l t i m e s a t a g r e a t n u m b e r o f d i f f e r e n t t r a n s d u c e r s c a n b e m e a s u r e d a n d . t h r o u g h r e v e r s e a n a l y s i s . t h e l o c a t i o n a n d w i d t h o f a c r a c k c o u l d b e d e t e r m i n e d . T h e t e c h n i q u e i s a l s o u s e d . b y o b s e r v i n g d i f f e r e n t v e l o c i t i e s i n d i f f e r e n t d i r e c t i o n s , t o c o n fi r m t h a t c r a c k g r o w t h i n 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 i s h i g h l y a n i s o t r o p i c . T h e a c o u s t i c e m i s s i o n t e c h n i q u e h a s a l s o b e e n u s e d t o d e t e c 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 n c o n c r e t e . T h e m e t h o d d e p e n d s o n t h e f a c t t h a t w h e n c o r r o s i o n p r o d u c t s a r e f o r m e d o n a c o r r o d i n g r e b a r . t h e y s w e l l a n d a p p l y p r e s s u r e t o t h e s u r r o u n d i n g c o n c r e t e . M i c r o c r a c k s w i l l b e g e n e r a t e d d u r i n g t h e e x p a n s i o n p r o c e s s w h e n t h e p r e s s u r e i s h i g h e n o u g h t o b r e a k t h e i n t e r f a c e l a y e r . T h e g r o w t h o f m i c r o c r a c k s i s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e a m o u n t o f c o r r o s i o n p r o d u c t s o n a c o r r o d i n g r e b a r . T h u s . b y d e t e c t i n g t h e ( A E ) e v e n t r a t e a n d t h e i r a m p l i t u d e , . . . ( 3 t h e d e g r e e o f c o r r o s r o n c a n b e i n t e r p r e t e d . ’ 4 . 1 . 2 . 5 N e u t r o n R a d i o g r a p h y T e c h n i q u e s N e u t r o n r a d i o g r a p h y i s u s u a l l y u s e d t o a n a l y z e t h e i n t e r n a l d a m a g e i n c o n c r e t e c a u s e d b y e x t e r n a l l y a p p l i e d l o a d s ( i . e . t o r e c o r d t h e i n c i d e n c e o f m i c r o c r a c k i n g r e s u l t i n g f r o m a p p l i e d l o a d s ) . T h e o u t p u t o f t h i s t e c h n i q u e i s a b l a c k a n d w h i t e p h o t o g r a p h i n d i c a t i n g t h e p r e s e n c e o f m i c r o c r a c k s a s w h i t e l i n e s o n a d a r k b a c k g r o u n d , w h i c h c a n b e a n a l y z e d b y a n u m b e r o f t e c h n i q u e s t o o b t a i n q u a n t i t a t i v e m i c r o c r a c k d a t a . T h e c u m u l a t i v e l e n g t h o f m i c r o c r a c k s c a n b e m e a s u r e d d i r e c t l y f r o m t h e r a d i o g r a p h s . 4 8 F i g u r e 4 . 2 s h o w s a n e u t r o n r a d i o g r a p h o f c o n c r e t e ; n e u t r o n r a d i o g r a p h y t e c h n i q u e h a s b e e n u s e d s u c c e s s f u l l y t o d e t e c t m i c r o c r a c k s i n c o n c r e t e s p e c i m e n 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 . T h e e f f e c t s o f l o a d e c c e n t r i c i t y o n c o n c r e t e m i c r o c r a c k i n g h a s b e e n s t u d i e d u s i n g t h e n e u t r o n r a d i o g r a p h y t e c h n i q u e . 2 4 F i g u r e 4 . 2 N e u t r o n R a d i o g r a p h y o f C o n c r e t e S p e c i m e n 4 8 4 . 1 . 2 . 6 M e r c u r y I n t r u s i o n P o r o s i m e t r y T e c h n i q u e s M e r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i m e t r y i s u s e d e x t e n s i v e l y f o r d e t e r m i n i n g c a p i l l a r y p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n w i t h i n c o n c r e t e . T h e c o n c r e t e s p e c i m e n h a s t o b e d r y i n o r d e r t o o b t a i n 6 4 a c c u r a t e r e s u l t s . T h i s t e c h n i q u e i s e f f e c t i v e f o r c h a r a c t e r i z a t i o n o f c a p i l l a r y p o r e s , b u t t h e p r o b l e m i s t h a t t h e v o l u m e o f “ b o t t l e n e c k ” p o r e s w i l l b e i n c l u d e d i n t h e fi n e p o r o s i t y 7 4 s i n c e t h e p o r e s i z e i s d e r i v e d f r o m t h e p r e s s u r e n e e d e d t o s q u e e z e m e r c u r y t h r o u g h c o n s t r i c t i o n s ; a s a r e s u l t a n e r r o r m a y b e p r o d u c e d . 4 . 1 . 2 . 7 I n f r a r e d T h e r m o g r a p h y T e c h n i q u e s T h i s n o n - d e s t r u c t i v e t e c h n i q u e i s m a i n l y d e v e l o p e d t o s t u d y d a m a g e p r o c e s s e s i n c o n c r e t e . l I n f r a r e d t h e r m o g r a p h y u s e s a p h o t o v o l t a i c d e t e c t o r i n c o m b i n a t i o n w i t h a d v a n c e d e l e c t r o n i c s t o d e t e c t t h e e n e r g y r a d i a t e d b y t h e s p e c i m e n d u r i n g m i c r o c r a c k i n g . A l l m a t t e r r a d i a t e s e n e r g y i n t h e f o r m o f c h a r g e d p a r t i c l e s t h a t a r e a c c e l e r a t e d c o n s t a n t l y . T h e t e m p e r a t u r e o f m a t e r i a l s i n c r e a s e s w h e n t h e a c c e l e r a t i o n o f p a r t i c l e s i s l a r g e r . T h i s d e t e c t i o n s y s t e m t r a n s l a t e s t h e r a d i a t e d e n e r g y i n t o a r e a l - t i m e t h e r m a l p i c t u r e , i n w h i c h t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n s o f 0 2 ° C a r e v i s i b l e . 4 . 1 . 2 . 8 X - R a y T e c h n i q u e s X - r a y d i f f r a c t i o n s p e c t r o m e t r y i s c o m m o n l y u s e d l o n g t i m e a g o f o r d i r e c t i d e n t i fi c a t i o n o f c r y s t a l l i n e p h a s e s i n s u b s t a n c e s . l 0 X - r a y t e c h n i q u e s w a s u s e d i n 1 9 6 0 f o r c r a c k d e t e c t i o n l b u t o n l y t h e l a r g e s t c r a c k s c o u l d b e m a d e v i s i b l e . M o r e r e c e n t l y , t h e t e c h n i q u e h a s b e e n u s e d f o r s t u d y i n g i n t e r n a l c r a c k g r o w t h a r o u n d r e i n f o r c i n g b a r s . A c o n t r a s t m e d i u m i s n e e d e d f o r c o n c r e t e . E x p e r i m e n t s w i t h d i f f e r e n t t y p e s o f b a r i u m s u l f a t e a n d o r g a n i c i o d i n e s h o w e d t h a t a n a q u e o u s s o l u t i o n o f t h e l a t t e r ( 4 4 0 m g / m l ) c o u l d b e e f f e c t i v e f o r t h e p u r p o s e o f c r a c k d e t e c t i o n . I n j e c t i o n h o l e s a r e e s s e n t i a l t o b r i n g t h e c o n t r a s t m e d i u m i n t o t h e s p e c i m e n ’ s i n t e r i o r . T h e r e s u l t s c l e a r l y S h o w t h e g r o w t h o f fi n e c r a c k s i n i t i a t e f r o m t h e l u g s ( d e f o r m a t i o n ) a t t h e r e i n f o r c i n g b a r s . 7 5 4 . 1 . 2 . 9 S c a n n e r T e c h n i q u e s S c a n n e r s a r e m a i n l y u s e d f o r t h e p u r p o s e o f v o i d a n a l y s i s i n c o n c r e t e . T h r o u g h o u t t h e u s e o f s c a n n e r s . d i g i t a l i m a g e s o f c o n c r e t e s u r f a c e s a r e u s e d t o p r o d u c e n e w i m a g e s . w h e r e e a c h p i x e l i s c l a s s i fi e d a s a i r v o i d , h a r d e n e d c e m e n t p a s t e , o r a g g r e g a t e . S p e c i m e n s u r f a c e p r e p a r a t i o n i s n e e d e d f o r e f f e c t i v e s c a n n i n g . 6 5 S p e c i a l p r e c a u t i o n s s h o u l d b e t a k e n t o e n s u r e t h a t t h e p o l i s h e d s u r f a c e a n d t h e g l a s s fl a t b e d s c a n n e r s u r f a c e a r e b o t h f r e e o f a n y s t r a y p a r t i c l e s o f l i n t o r d u s t t h a t m a y p r e v e n t t h e s a m p l e f r o m r e s t i n g p e r f e c t l y f l a t u p o n t h e s c a n n e r . T h e m a i n d i s a d v a n t a g e o f u s i n g s c a n n e r s f o r i m a g e a n a l y s i s i s t h a t t h e y c a n n o t p r o d u c e i m a g e s w i t h h i g h - r e s o l u t i o n q u a l i t y . F i g u r e 4 . 3 c o m p a r e s t h e p e r f o r m a n c e o f a n o r d i n a r y fl a t b e d s c a n n e r , a h i g h q u a l i t y fl a t b e d s c a n n e r . a n d a n o p t i c a l m i c r o s c o p e . I t i s o b v i o u s t h a t t h e r e s o l u t i o n o f s c a n n e r s i s i n f e r i o r t o t h a t o f o p t i c a l m i c r o s c o p e . 4 . 1 . 2 . 1 0 M i c r o s c o p y T e c h n i q u e s W h i l e o t h e r t e c h n i q u e s c a n p r o v i d e e a s y a n d h i g h r e s o l u t i o n v i e w s o f f e a t u r e s o f i n t e r e s t , m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s s e e m t o p r o v i d e t h e b e s t m e a n s o f d e t e c t i n g f e a t u r e s , e s p e c i a l l y i n c o n c r e t e m a t e r i a l s . D i f f e r e n t m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s a r e u s e d f o r d e t e c t i o n o f f e a t u r e s i n c o n c r e t e . ' 0 T h e s e t e c h n i q u e s a r e i n t r o d u c e d i n t h e f o l l o w i n g : A ) O p t i c a l M i c r o s c o p y C o n v e n t i o n a l o p t i c a l m i c r o s c o p e s a r e s i m p l e t o u s e a n d h a v e b r o a d l a b o r a t o r y a p p l i c a t i o n s . T h e m o s t c o m m o n t y p e o f o p t i c a l m i c r o s c o p e . i s t h e l o w - p o w e r s t e r e o . 1 0 m 1 c r o s c o p e . 7 6 1 - ~ - - - - - o o e a . 0 0 . . . . g i g - U 8 : 4 0 - 7 0 X 1 0 U M F i g u r e 4 . 3 R e s o l u t i o n o f a n O p t i c a l M i c r o s c o p e , a H i g h Q u a l i t y F l a t b e d S c a n n e r , a n d a n O r d i n a r y F l a t b e d S c a n n e r " 5 7 7 F o r m a n i p u l a t i v e p r o c e d u r e s . t h e s t e r e o m i c r o s c o p e w i t h i t s c r i s p . e r e c t i m a g e i s a n e x c e l l e n t t o o l . T h u s i t i s c o m m o n l y u s e d i n c o n c r e t e p e t r o g r a p h y a n d a i r v o i d a n a l y s i s . O p t i c a l m i c r o s c o p e s h a v e t h e a d v a n t a g e t h a t w e t s p e c i m e n s c a n b e v i e w e d . T h e fi e l d o f v i e w i s . h o w e v e r . v e r y s m a l l a n d . t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e o p t i c s a n d t h e s p e c i m e n s u r f a c e i s a l s o g e n e r a l l y r a t h e r s m a l l . w h i c h m a k e s d i r e c t o b s e r v a t i o n o f c r a c k i n g r a t h e r t e d i o u s . l I n o r d e r t o v i e w s p e c i m e n s f r o m l a r g e r d i s t a n c e s . u n i v e r s a l p o l a r i z i n g m i c r o s c o p e m a y b e u s e d . T h e p o l a r i z i n g m i c r o s c o p e i s d e s i g n e d t o a n a l y z e l i g h t t r a n s m i t t e d t h r o u g h o r r e fl e c t e d f r o m s u b s t a n c e s ; t h i s r e q u i r e s s t r a i n - f r e e o p t i c s a l i g n e d w i t h t h e o p t i c a x i s o f t h e m i c r o s c o p e . B ) C o n f o c a l M i c r o s c o p y T h e m o s t c o m m o n t y p e o f c o n f o c a l m i c r o s c o p e i s t h e t a n d e m s c a n n i n g m i c r o s c o p e “ ) I t c o n s i s t s o f a N i p k o w d i s k d r i l l e d w i t h h u n d r e d s o f h o l e s ( 5 0 p m d i a m e t e r ) . S c r e e n i n g o f t h e s a m p l e i s r e a l i z e d i n c o n f o c a l m i c r o s c o p y b y t h e d i s k r o t a t i o n . A t a n y t i m e . s e v e r a l h o l e s a r e l i g h t e n e d b y a w h i t e s o u r c e f o r t h e s a m p l e s u r f a c e t o r e c e i v e i n c i d e n t b e a m s . T h e r e fl e c t e d r a y s w i l l p a s s b a c k t h r o u g h t h e d i s k o n l y i f t h e i r m e e t i n g p o i n t w i t h t h e m a t e r i a l i s e x a c t l y s i t u a t e d i n t h e f o c u s p l a n e . I n t h i s c o n d i t i o n , a t e a c h p o s i t i o n o f t h e s t a g e . t h e s e n s o r ( C C D c a m e r a ) o b s e r v e s t h e l e v e l l i n e s i t u a t e d i n t h e f o c u s i n g p l a n e . i . e . . t h e i n t e r s e c t i o n o f t h i s p l a n e w i t h t h e s a m p l e s u r f a c e . R e l i e f o f t h e s a m p l e i s t h e n a c q u i r e d b y m o v i n g t h e p r o g r a m m a b l e s t a g e s t e p - b y - s t e p a l o n g t h e z a x i s . T h e o b s e r v e d s u r f a c e i s t h e n a s s o c i a t e d w i t h a t o p o g r a p h i c i m a g e a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 4 . 7 8 F i g u r e 4 . 4 T o p o g r a p h i c I m a g e o f C o n c r e t e S a m p l e fi 6 C ) A c o u s t i c M i c r o s c o p y T h e a c o u s t i c m i c r o s c o p y o p e r a t e s b y l a u n c h i n g u l t r a s o u n d r a y s i n t o t h e m a t e r i a l s p e c i m e n a n d d e t e c t i n g t h e r e fl e c t e d s p e c u l a r r a y s . T h e a c o u s t i c p r o b e c o n s i s t s o f a p i e z o e l e c t r i c t r a n s d u c e r ( Z n O fi l m ) l o c a t e d o n t o p o f a s a p p h i r e l e n s . T h e a c o u s t i c s i g n a l s a r e g e n e r a t e d i n a p u l s e m o d e t o e n a b l e t h e t r a n s d u c e r t o f u n c t i o n b o t h a s t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r . T h e a c o u s t i c w a v e s g e n e r a t e d b y t h e t r a n s d u c e r a r e c h a n n e l e d t h r o u g h t h e s a p p h i r e l e n s a n d a c o u p l i n g fl u i d . t y p i c a l l y w a t e r . a n d b r o u g h t t o f o c u s o n t h e s a m p l e . T h e w a v e s r e fl e c t e d b y t h e s p e c i m e n r e t u r n t h r o u g h t h e s a p p h i r e l e n s t o t h e t r a n s d u c e r , w h e r e t h e y a r e d e t e c t e d . “ 7 F u r t h e r d e v e l o p m e n t o f s p e c i m e n p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e s i s n e c e s s a r y f o r p r a c t i c a l u s e o f a c o u s t i c m i c r o s c o p y . D ) F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y F l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n v o l v e s e x c i t i n g t h e s p e c i m e n t o fl u o r e s c e b y a b s o r p t i o n o f t h e 7 9 s h o r t e r w a v e l e n g t h o f l i g h t . u s u a l l y u l t r a v i o l e t l i g h t , a n d o b s e r v i n g t h i s fl u o r e s c e n c e u n d e r m i c r o s c o p e . I f t h e d e t a i l o f i n t e r e s t d o e s n o t fl u o r e s c e n c e n a t u r a l l y , w h i c h i s o f t e n t h e c a s e ; i t i s p r e f e r e n t i a l l y s t a i n e d w i t h a fl u o r e s c e n t d y e o r s t a i n . T r a d i t i o n a l u s e o f d y e i n c o n c r e t e h a s t h e d i s a d v a n t a g e t h a t i t c a n o b s c u r e fi n e d e t a i l o f i n t e r e s t i n v o i d s a n d c r a c k s : l 0 t r a d i t i o n a l u s e o f fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y h a s b e e n r e s t r i c t e d t o t h e e s t i m a t i o n o f p o r o s i t y . o u t l i n i n g p o r o u s a r e a s a n d v e r y fi n e m i c r o c r a c k s w h i c h m a y n o t b e o t h e r w i s e ( ' 4 o b s e r v a b l e . I E ) 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 y B o t h c o n v e n t i o n a l 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 E M ) a n d e n v i r o n m e n t a l 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 ( E S E M ) a r e n o w w i d e l y u s e d i n v a r i o u s b r a n c h e s o f s c i e n c e . B o t h ( S E M ) a n d ( E S E M ) h a v e t w o m o d e s o f o p e r a t i o n t h a t a r e o f i m p o r t a n c e . T h e fi r s t o f t h e s e i s t h e a b i l i t y t o p r o d u c e i m a g e s o f s u r f a c e s i n t h e r a n g e o f 5 0 X t o 5 0 . 0 0 0 X l 0 w i t h s u f f i c i e n t d e p t h o f f i e l d t o g i v e a t h r e e - d i m e n s i o n a l e f f e c t . T h e s e c o n d i s t o u s e t h e e l e c t r o n b e a m p r o d u c t i o n o f X - r a y s w h i c h a l l o w a n a l y s i s o f v o l u m e s a s s m a l l a s 1 p m i n d i a m e t e r . H o w e v e r . t h e e l e c t r o n b e a m o n l y p e n e t r a t e s a f e w m i c r o n s b e l o w t h e s u r f a c e s o t h a t a n a l y s e s a r e e s s e n t i a l l y r e s t r i c t e d t o s u r f a c e m a t e r i a l , a n d a c c u r a c y i s t h u s v i t a l l y d e p e n d e n t o n t h e q u a l i t y o f t h e p o l i s h e d s u r f a c e . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h i s i s n o t a n a n a l y s i s o f m i n e r a l p h a s e s a s i n X - r a y d i f f r a c t i o n , b u t a n a n a l y s i s o f e l e m e n t s . 1 0 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 y h a s b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d t o i n v e s t i g a t e t h e f r a c t u r e s u r f a c e o f c o n c r e t e . “ 8 T h e m a i n d i f f e r e n c e b e t w e e n ( S E M ) a n d ( E S E M ) i s t h a t s c a n n i n g w e t s p e c i m e n s b e c o m e s a p r o b l e m i n c a s e o f ( S E M ) , b u t n o t ( E S E M ) w h i c h r e q u i r e s a m u c h l o w e r v a c u u m i s n e e d e d a n d t h u s a s u b s t a n t i a l p a r t o f t h e s u r f a c e m o i s t u r e r e m a i n s 8 0 i n s p e c i m e n a n d a l l o w s f o r s t u d y i n g c o n c r e t e s p e c i m e n s u n d e r w e t c o n d i t i o n s . 1 4 . 1 . 3 S e l e c t i o n o f t h e F e a t u r e D e t e c t i o n T e c h n i q u e M i c r o s c o p y i s t h e c h o s e n t e c h n i q u e t o b e u s e d f o r t h e r e s e a r c h s t u d y b e c a u s e o b s e r v a t i o n o f f e a t u r e s p r o v i d e s a r e l i a b l e m e a n s o f i d e n t i f y i n g a n d q u a n t i f y i n g t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) w i t h i n t h e c o m p l e x m i c r o s t r u c t u r e o f c o n c r e t e . A l t e r n a t i v e t e c h n i q u e s a r e l i m i t e d i n t h e i r r e s o l u t i o n ( w h i c h i s r e q u i r e d f o r i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s ) . s e n s i t i v i t y i n d e t e c t i o n o f f e a t u r e s , a n d t h e a b i l i t y t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n d i f f e r e n t f e a t u r e s ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) . O t h e r t e c h n i q u e s a l s o r e q u i r e s p e c i a l a n d s t r i c t p r e c a u t i o n s a n d a d d i t i o n a l s e n s i t i v e t o o l s . M i c r o s c o p y i s a l s o a m e n d a b l e i n m a s s p r o d u c t i o n . a l l o w i n g p r o c e s s i n g a r e l a t i v e l y l a r g e n u m b e r o f s a m p l e s w h i c h i s e s s e n t i a l f o r p r o d u c t i o n o f s t a t i s t i c a l l y v i a b l e q u a n t i t a t i v e d a t a o n c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e . B o t h E S E M a n d fl u o r e s c e n c e m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s w e r e u s e d t h r o u g h o u t t h i s i n v e s t i g a t i o n . 4 . 1 . 3 . 1 E n v i r o n m e n t a l 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 y E n v i r o n m e n t a l 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 y i s n o w u s e d e x t e n s i v e l y i n m a t e r i a l s s c i e n c e a n d h a s m a n y a p p l i c a t i o n s i n c e m e n t a n d c o n c r e t e p e t r o g r a p h y . E S E M p r o v i d e s c o n c r e t e r e s e a r c h e r s w i t h a t r e m e n d o u s l y p o w e r f u l t o o l c a p a b l e o f p r o v i d i n g v i v i d i m a g e s o f t h e c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e a t d i v e r s e m a g i n i fi c a t i o n s . l 0 I m a g e s f r o m E S E M a r e m o n o c h r o m e s i n c e t h e y r e l y o n t h e e l e c t r o n o r X - r a y fl u x r e s u l t i n g f r o m t h e ( ) 4 b e a m / s p e c i m e n i n t e r a c t i o n . E S E M a l l o w s e x a m i n a t i o n o f s u r f a c e s o f p r a c t i c a l l y a n y s p e c i m e n . w e t o r d r y . i n s u l a t i n g o r c o n d u c t i n g . b e c a u s e i t a l l o w s t h e i n t r o d u c t i o n o f a 8 1 g a s e o u s e n v i r o n m e n t i n t h e s p e c i m e n c h a m b e r . ” T h e g r e a t a d v a n t a g e o f E S E M ( c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l 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 ) i s t h a t a m u c h l o w e r v a c u u m i s n e e d e d ; t h e r e f o r e . a s u b s t a n t i a l p a r t o f t h e s u r f a c e m o i s t u r e r e m a i n s i n t h e s p e c i m e n a n d a l l o w s f o r i n v e s t i g a t i o n o f t h e s t r u c t u r e u n d e r m o i s t c o n d i t i o n s . T h e r e f o r e , E S E M p r o v i d e s t h e c a p a b i l i t y t o e v a l u a t e c o n c r e t e s p e c i m e n s i n a m b i e n t c o n d i t i o n ; t h i s e l i m i n a t e s a n y p o t e n t i a l d a m a g e t o c o n c r e t e s a m p l e s a s s o c i a t e d w i t h t h e d r y i n g p r o c e s s n e e d e d i n c o n v e n t i o n a l S E M i m a g i n g . F i g u r e 4 . 5 s h o w s a g e n e r a l v i e w o f t h e E S E M u s e d t h r o u g h o u t t h e s t u d y . A ) E S E M C o m p o n e n t s E S E M i s c o m p o s e d o f t w o m a i n p a r t s . c o l u m n c o n s o l e a n d c o n t r o l c o n s o l e . T h e o p t i c s c o l u m n c o n s o l e g e n e r a t e s . d i r e c t s a n d f o c u s e s t h e e l e c t r o n b e a m w h i c h s t r i k e s t h e s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n . T h e c o n t r o l c o n s o l e i s u s e d t o o p e r a t e t h e E S E M . 7 0 T h e c o l u m n c o n s o l e c o n s i s t o f e l e c t r o n g u n . t h e s o u r c e o f t h e p r i m a r y e l e c t r o n b e a m . ( t y p i c a l a c c e l e r a t i n g v o l t a g e o f 2 0 K V w a s u s e d f o r i m a g e a c q u i s i t i o n t h r o u g h o u t t h e s t u d y ) . b e a m a l i g n m e n t c o i l s ( u s e d t o d i r e c t t h e p r i m a r y b e a m i n b o t h t h e X a n d Y a x e s ) , c o n d e n s e r l e n s ( c a u s e s t h e e l e c t r o n b e a m t o c o n v e r g e a n d p a s s t h r o u g h a f o c a l p o i n t . s t i g m a t o r . u s e d t o c o m p e n s a t e f o r a s t i g m a t i s m f o r o p t i m u m p e r f o r m a n c e a n d r e s o l u t i o n ) . s c a n c o i l s ( u s e d t o a c c o m p l i s h t h e m o v e m e n t o f t h e b e a m e l e c t r o n s t o s c a n t h e s p e c i m e n ) . o b j e c t i v e l e n s ( u s e d t o f o c u s t h e e l e c t r o n b e a m b y f u r t h e r d e m a g n i f y i n g a n d c o n v e r g i n g i t a t t h e s p e c i m e n s u r f a c e ) . a n d i m a g e s h i f t c o i l s . u s e d t o a c c o m p l i s h t h e c o n t r o l f o r b e a m s h i f t i n g a n d d i r e c t i n g ) . T h e c o l u m n c o n s o l e i s c o n n e c t e d t o t h e s p e c i m e n c h a m b e r . F i g u r e 4 . 5 G e n e r a l V i e w o f E n v i r o n m e n t a l 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 y U s e d i n T h e I n v e s t i g a t i o n T h e s p e c i m e n c h a m b e r i s a m u l t i - f a c e t e d c y l i n d r i c a l a s s e m b l y l o c a t e d b e l o w t h e e l e c t r o n o p t i c s c o l u m n . M o s t m o d e r n E S E M c h a m b e r s c a n t a k e s a m p l e s a s l a r g e a s 2 0 0 > < 2 0 0 > < 7 5 m m . ' 0 T h e s p e c i m e n s t a g e i s a t t a c h e d t o t h e i n s i d e o f t h e s p e c i m e n c h a m b e r d o o r . T h e s p e c i m e n s t a g e i s a c o m p u t e r - c o n t r o l l e d m e c h a n i c a l d e v i c e w h i c h a l l o w s t h e s a m p l e u n d e r s t u d y t o b e m o v e d r e l a t i v e t o t h e e l e c t r o n b e a m . F i g u r e 4 . 6 s h o w s a c r o s s s e c t i o n 8 3 t h r o u g h t h e c o l u m n c o n s o l e . ( S T A G E ) ( 4 1 ( 3 ) ( 2 1 ( 1 1 1 0 1 O 1 0 ' 5 P a 1 0 ' 4 P a L 1 0 ' 2 P a 2 0 P a 0 3 0 0 0 P a G a s i n l e t 4 \ \ \ \ \ . ‘ \ . . - \ \ \ " ‘ \ \ \ \ \ \ \ \ K ‘ \ . - « \ \ \ ‘ ; ‘ y - i ' : r . \ . 5 \ \ ~ “ \ ~ \ \ \ \ ‘ \ \ \ : \ A ‘ \ \ \ \ \ i . N s f C , ‘ x . \ R ‘ F ; . J : S p e c i m e n s t a g e S p e c i m e n c h a m b e r N ’ S p e c i m e n E l e c t r o n g u n C o n d e n s e r l e n s e s P r o j e c t i o n a p e r t u r e S t i g m a t o r S c a n c o l l l s O b l e c t i v e l e n s ” D e t e c t o r ( E S D I s t u b W W W : F i g u r e 4 . 6 C r o s s - S e c t i o n T h r o u g h T h e C o l u m n C o n s o l e " 9 T h e c o n t r o l c o n s o l e c o n s i s t s o f f r o n t p a n e l ( t h a t a l l o w s d i r e c t c o n t r o l o v e r t h e m o s t o f t e n u s e d p a r a m e t e r s s u c h a s m a g n i fi c a t i o n . f o c u s , s t i g m a t i o n , b r i g h t n e s s . c o n t r a s t , g r a b , a n d / o r a c q u i r e . e t c . ) . d i s p l a y m o n i t o r ( w h i c h d i s p l a y s a m e n u - d r i v e n . i n t e r a c t i v e s o f t w a r e 8 4 i n t e r f a c e w h i c h i s i n t e g r a t e d w i t h t h e s p e c i m e n i m a g e a n d r e l a t e d g r a p h i c s ) . a n d u s e r i n t e r f a c e c o n t r o l c o m p u t e r ( w h i c h i s t h e p r i m a r y h a r d w a r e / s o f t w a r e b e t w e e n t h e u s e r a n d t h e c o m p u t e r - c o n t r o l l e d f u n c t i o n s o f t h e E S E M ) . I I — P r i n c i p l e s o f E S E M O p e r a t i o n E S E M . a s o t h e r o p t i c a l i n s t r u m e n t s . g e n e r a t e s i n f o r m a t i o n a b o u t t h e s t a t e o f a m a t e r i a l f r o m t h e i n t e r a c t i o n o f a f i n e l y f o c u s e d b e a m o f e l e c t r o n s s t r i k i n g t h e s p e c i m e n ; i f m e a s u r e s s i g n a l s r e s u l t i n g f r o m t h e e l e c t r o n b e a m / s p e c i m e n i n t e r a c t i o n . ( ’ 9 T h e s o u r c e o f e l e c t r o n b e a m i s a n e l e c t r o n g u n . w h i c h o p e r a t e s i n a h i g h v a c u u m e n v i r o n m e n t , a n d w h i c h c o m p r i s e s a h e a t e d c a t h o d e a n d o t h e r e l e c t r o d e s . T h e e l e c t r o n g u n e x t r a c t s . c o n t r o l s a n d f o c u s e s t h e a x i a l l y s y m m e t r i c b e a m o f e l e c t r o n s . w h i c h i s t h e n r e d u c e d i n d i a m e t e r ( d e m a g n i fi e d ) a n d d e fl e c t e d b y t h e o p t i c s i n t h e l o w e r c o l u m n . I m a g i n g w i t h s e c o n d a r y e l e c t r o n s u n d e r E S E M p r e s s u r e c o n d i t i o n s i s m a d e b y t h e G a s e o u s S e c o n d a r y D e t e c t o r ( G S E D ) . T h e G S E D u s e s p r i n c i p l e s o f g a s i o n i z a t i o n t o c o l l e c t a n d a m p l i f y t h e p i c o a m p e r c - l e v e l i m a g i n g s i g n a l s o r i g i n a t i n g f r o m b e a m - s p e c i m e n i n t e r a c t i o n . I I I - B a c k s e a t t e r e d E l e c t r o n D e t e c t o r T h e b a c k s e a t t e r e d e l e c t r o n d e t e c t o r ( B S E D ) i s u s e d t o d e t e c t b a c k s e a t t e r e d e l e c t r o n s f r o m a s a m p l e . T h e p r i m a r y u s e o f t h e B S E D i s t o s h o w a t o m i c n u m b e r c o n t r a s t b e t w e e n m a t e r i a l s . I n o r d e r t o a p p l y B S E D . a p l a s t i c s c i n t i l l a t i n g B S E d e t e c t o r s h o u l d b e fi t t e d i n t h e F S E M a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 7 . T h e p r i m a r y o r i n c i d e n t b e a m w i l l p e n e t r a t e t h e s a m p l e a n d b e s c a t t e r e d . t h e e x t e n t o f w h i c h w i l l d e p e n d o n b e a m e n e r g y a n d m a t e r i a l ' d e n s i t y . F i g u r e 4 . 8 i l l u s t r a t e s h o w b a c k s e a t t e r e d e l e c t r o n s a r e g e n e r a t e d f r o m t h e s a m p l e . 8 5 \ . \ / / 7 l l P o l e - p i e c e l — E ‘ 5 3 : l e s s ” P I P " 1 9 0 m m F i g u r e 4 . 7 P l a s t i c S c i n t i l l a t i n g B S E D e t e c t o r w i t h A c t u a l P o s i t i o n i n g i n E S E M 6 9 P r i m a r y b e a m S a m p l e s u r f a c e X 1 ‘ B a c k s e a t t e r e d 4 e l e c t r o n s i o I / / / / / / 7 7 ’ I I / / / / / / / / / . - 1 1 1 . . 1 1 1 , - 9 ” } . , " - x 1 L I “ - \ \ I / / / / / / / , m — ' e ' r , . W i l l / I I I I I I I I I I I I ' ' I I I l i t / " 1 . . / / $ 1 7 , - / / / ' ’ a \ ‘ \ \ F i g u r e 4 . 8 B a c k s e a t t e r e d E l e c t r o n S i g n a l 7 0 8 6 H i g h e r a c c e l e r a t i o n v o l t a g e s a n d l o w e r a t o m i c n u m b e r s w i l l p r o d u c e d e e p e r p e n e t r a t i o n a n d a l a r g e r e x c i t a t i o n v o l u m e , t h u s y i e l d i n g l e s s s i g n a l t h a n w h e n l o w e r v o l t a g e s a r e u s e d w i t h m a t e r i a l s c o n t a i n i n g h i g h n u m b e r c o n t r a s t . 7 0 T h e r e f o r e , B S E t e c h n i q u e c a n b e c o n s i d e r e d t h e i d e a l t e c h n i q u e t o d e t e c t d i f f e r e n c e s i n m a t e r i a l s c o m p o s i t i o n . A s t h e a v e r a g e a t o m i c n u m b e r o f W o o d ’ s m e t a l i s m u c h h i g h e r t h a 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 , i m p r e g n a t e d m i c r o c r a c k s a n d v o i d s w h i c h a r e i m p r e g n a t e d w i t h W o o d ’ s m e t a l c a n b e e a s i l y d i s c r i m i n a t e d i n B S E i m a g e s . A s a r e s u l t , t h e B S E t e c h n i q u e c a n b e u s e d i n o r d e r t o c a p t u r e i m a g e s o f c o n c r e t e r a t h e r t h a n G S E D t e c h n i q u e . F i g u r e 4 . 9 p r e s e n t s a c o m p a r i s o n i n t h e r e s o l u t i o n o f c o n c r e t e i m a g e s c a p t u r e d b y E S E M f o l l o w i n g b o t h G S E D a n d B S E D t e c h n i q u e s . 8 7 ( a ) G S E D T e c h n i q u e ( b ) B S E D T e c h n i q u e F i g u r e 4 . 9 S E M M i c r o g r a p h C a p t u r e d b y E S E M i n T w o D i f f e r e n t T e c h n i q u e s 8 8 4 . 1 . 3 . 2 F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y F l u o r e s c e n t m i c r o s c o p e p r o v i d e s a s i m p l e r a n d l o w e r - c o s t a l t e r n a t i v e t o E S E M f o r q u a n t i t a t i v e 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 o f c o n c r e t e . F l u o r e s c e n t m i c r o s c o p e , u n l i k e E S E M . d o e s n o t r e q u i r e a s p e c i m e n c h a m b e r o r a c e r t a i n p r e s s u r e t o c a p t u r e i m a g e s . T h e r e a r e c u r r e n t l y d i f f e r e n t m e t h o d s o f u s i n g fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n c o n c r e t e p e t r o g r a p h y . A r e a s o f h i g h p o r o s i t y c a n b e h i g h l i g h t e d u s i n g fl o r e s c e n t m i c r o s c o p y a f t e r i n j e c t i o n o f fl u o r e s c e n t e p o x y i n t o c o n c r e t e s p e c i m e n s . S i n c e c o n c r e t e m a t e r i a l s o f h i g h w a t e r / c e m e n t r a t i o h a v e h i g h e r c a p i l l a r y p o r o s i t y , t h e y w o u l d i n c o r p o r a t e m o r e f l u o r e s c e n t e p o x y a f t e r i n j e c t i o n ; t h e i n t e n s i t y o f fl u o r e s c e n t l i g h t u n d e r m i c r o s c o p e t h u s r e f l e c t s ( w h e n c o m p a r e d w i t h s t a n d a r d s a m p l e s ) o n w a t e r / c e m e n t r a t i o o f c o n c r e t e . ‘ 0 C r a c k s y s t e m s c a n a l s o b e d e l i n e a t e d u n d e r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p e ( a f t e r fl u o r e s c e n t e p o x y i n j e c t i o n o f c r a c k e d c o n c r e t e ) . A n o t h e r a p p l i c a t i o n o f fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n c o n c r e t e p e t r o g r a p h y i n v o l v e s d e t e c t i o n o f a l k a l i - s i l i c a g e l . T h e u s e d a p p l i c a t i o n s o f f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . f o r i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s a n d v o i d s s y s t e m s . w e r e c a r r i e d o u t b y “ s o l v e n t y e l l o w 4 3 ” fl u o r e s c e n t d y e i n c o n j u n c t i o n w i t h a 1 0 0 W q u a r t z h a l o g e n s o u r c e ( w h i c h p r o d u c e t h e r e q u i r e d s h o r t e r w a v e l e n g t h s ) . A w i d e b a n d B G I Z e x c i t a t i o n fi l t e r w a s u s e d . w h i c h t r a n s m i t s i n t h e b l u e a r o u n d 3 5 0 - 4 6 0 n m ; a k 5 1 0 s u p p r e s s i o n f i l t e r w a s u s e d w h i c h t r a n s m i t s o n l y a b o v e 5 0 0 n m a n d i s o l a t e s t h e f l u o r e s c e n t . T h r e e d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s w e r e u s e d t h r o u g h o u t t h e i n v e s t i g a t i o n : 1 2 5 X . 2 5 0 X a n d 5 0 0 X : t h e s e m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s w e r e c o m m o n b e t w e e n fl u o r e s c e n t a n d 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 y . F i g u r e 4 . 1 0 p r e s e n t s a g e n e r a l v i e w o f t h e fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p e u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . 8 9 F i g u r e 4 . 1 0 G e n e r a l V i e w o f t h e F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p e U s e d i n T h e I n v e s t i g a t i o n 4 . 2 . S P E C I M E N P R E P A R A T I O N 4 . 2 . 1 P r e f a c e S p e c i m e n p r e p a r a t i o n f o r t h e p u r p o s e o f h i g h l i g h t i n g t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t w i t h i n c o n c r e t e ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) i s o f e x t r e m e i m p o r t a n c e ; p o o r s p e c i m e n p r e p a r a t i o n c a n l e a d t o e r r o n e o u s d i a g n o s e s o f t h e c o n c r e t e d i s t r e s s m e c h a n i s m . B e c a u s e o f t h e r a t h e r r o u g h c h a r a c t e r o f c o n c r e t e , t h a t a s p e c t i s o f t e n n e g l e c t e d . H o w e v e r , s i n c e m o s t o f m e a s u r e m e n t s a r e i n t h e m i c r o n r a n g e , a v e r y g o o d s p e c i m e n p r e p a r a t i o n i s o f u t m o s t i m p o r t a n c e . T h i s i s e v e n m o r e i m p o r t a n t i n t h e p r o p o s e d a p p l i c a t i o n c o n c e r n i n g 9 0 q u a n t i t a t i v e ( i n l i e u o f q u a l i t a t i v e ) 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 o f c o n c r e t e . E r r o n e o u s s p e c i m e n p r e p a r a t i o n c o u l d f a i l t o h i g h l i g h t s o m e m i c r o c r a c k s / v o i d s o r c o u l d l e a v e r e s i d u e s w h i c h a r e c o n f u s e d w i t h m i c r o c r a c k s / v o i d s . t h e r e b y y i e l d i n g e r r o n e o u s q u a n t i t a t i v e d a t a o n c o n c r e t e m i c r o c r a c k s a n d v o i d s s y s t e m . 4 . 2 . 2 O b j e c t i v e o f S p e c i m e n P r e p a r a t i o n T h e o b j e c t i v e s o f s p e c i m e n p r e p a r a t i o n a r e a s f o l l o w s : 1 - P r o v i d e a f i n e l y g r o u n d a n d p o l i s h e d s u r f a c e w h i c h y i e l d c r i s p a n d c o n s p i c u o u s i m a g e s a n d s h a r p e d g e s w i t h g o o d d i f f e r e n t i a t i o n b e t w e e n p h a s e s a n d o b j e c t s ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) . 2 - S e l e c t i v e l y s t a i n p a r t i c u l a r p h a s e s a n d o b j e c t s ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) i n o r d e r t o f a c i l i t a t e t h e i r i d e n t i f i c a t i o n . 4 . 2 . 3 E x i s t i n g S p e c i m e n P r e p a r a t i o n T e c h n i q u e s B a s i c a l l y . s e l e c t i o n o f s p e c i m e n p r e p a r a t i o n m e t h o d d e p e n d s o n t h e t y p e o f o b j e c t s t o b e d e t e c t e d a n d t h e t y p e o f m i c r o s c o p y t e c h n i q u e . F o r e n v i r o n m e n t a l 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 y ( E S E M ) o r c o n v e n t i o n a l 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 y ( S E M ) . a n e f f e c t i v e s a m p l e p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e i n v o l v e s i m p r e g n a t i o n o f c o n c r e t e w i t h W o o d ’ s m e t a l . ” 2 0 T h i s a p p r o a c h p r o v i d e s a g o o d c o n t r a s t b e t w e e n f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( c r a c k s a n d v o i d s ) . w h i c h a r e f i l e d w i t h W o o d ' s m e t a l . a n t t h e b a c k g r o u n d . T h e r e a r e c o n c e r n s t h a t W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n m a y l e a d t o i n c o r r e c t d i a g n o s e s o f c o n c r e t e c o m p o n e n t s . f o r 7 1 e x a m p l e . i n t h e c a s e o f a n a l y s e s o f c o n c r e t e d a m a g e d b y d e l a y e d e t t r i n g i t e f o r m a t i o n ; H o w e v e r . m o s t o f s t u d i e s s u g g e s t t h a t W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n i s a n e f f e c t i v e m e a n s 9 1 o f p r e p a r i n g c o n c r e t e s a m p l e s f o r 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 y . I n t h e c a s e o f f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . t h e m o s t c o m m o n s p e c i m e n p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e i n v o l v e s e p o x y i m p r e g n a t i o n , w h i c h h a s b e e n u s e d f o r q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f c o n c r e t e t o ‘ 7 2 D e s p i t e t h e f a c t t h a t e p o x y i m p r e g n a t i o n i s e f f e c t i v e i n h i g h l i g h t m o r e 1 1 1 i c r o s t r u c t u r e . p o r o u s a r e a s . i t c a n n o t fi l l m i c r o c r a c k s e a s i l y a n d a c c u r a t e l y . T h e r e f o r e , t h e e p o x y i m p r e g n a t i o n t e c h n i q u e h a s b e e n u s e d g e n e r a l l y f o r q u a l i t a t i v e a s s e s s m e n t o f t h e p o r o s i t y o f c e m e n t p a s t e . a n d n o t f o r i n v e s t i g a t i o n o f m i c r o c r a c k s . G i v e n t h e i n a d e q u a t e c o n t r a s t g e n e r a t e d b y c o n v e n t i o n a l e p o x y d y e i m p r e g n a t i o n . o t h e r t e c h n i q u e s h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r i m p r o v i n g t h e c o n t r a s t b e t w e e n m i c r o c r a c k s o r v o i d s a n d t h e c e m e n t p a s t e o r m o r t a r . O n e t e c h n i q u e 7 3 i n v o l v e s p o l i s h i n g a n d c l e a n i n g o f t h e c o n c r e t e s u r f a c e . w h i c h i s t h e n i m p r e g n a t e d w i t h a r e d d y e d i l u t e d i n a n e t h a n o l s o l u t i o n . A f t e r a fi r s t i m p r e g n a t i o n . t h e r e d d y e i s l e t t o p e n e t r a t e t h e s a m p l e f o r 5 m i n u t e s . a f t e r w h i c h t h e s e c o n d i m p r e g n a t i o n i s p e r f o r m e d . T h e e x c e s s d y e i s t h e n r e m o v e d a f t e r a n o t h e r 5 m i n u t e s b y p o l i s h i n g t h e s a m p l e u n d e r w a t e r u s i n g d i a m o n d p a s t e . T h i s t e c h n i q u e h a s s o m e d i s a d v a n t a g e s . m a i n l y p o l i s h i n g o f s p e c i m e n s h o u l d b e c a r e f u l l y c o n t r o l l e d s i n c e i n s u f f i c i e n t p o l i s h i n g w i l l l e a v e a n e x c e s s o f c o l o r e d d y e a n d m i c r o c r a c k s w i l l n o t b e e a s i l y d i s c e r n i b l e d u r i n g c r a c k s o b s e r v a t i o n s . O n t h e o t h e r h a n d , a n e x c e s s i v e p o l i s h i n g w i l l c o n t r i b u t e t o r e m o v a l o f t h e c o l o r e d d y e f r o m i m p r e g n a t e d c r a c k s . a n d w i l l a f f e c t s u b s e q u e n t i d e n t i f i c a t i o n a n d a n a l y s i s o f m i c r o c r a c k s . T h e r e d d y e u s e d i n t h i s s a m p l e p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e t e n d s t o p e n e t r a t e a g g r e g a t e p o r e s a n d , a s a r e s u l t . i d e n t i fi c a t i o n o f t h e c r a c k n e t w o r k c a n b e p r o b l e m a t i c e s p e c i a l l y f o r v e r y p o r o u s z o n e s . T h e s e d e f i c i e n c i e s a r e d e t r i m e n t a l t o t h e q u a l i t y o f i m a g e s p r o d u c e d u s i n g t h i s s a m p l e p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e ( F i g u r e 4 . 1 l ) . 5 3 7 1 1 1 1 1 F i g u r e 4 . 1 1 D i g i t i z e d I m a g e s o f C o n c r e t e S p e c i m e n s I m p r e g n a t e d w i t h R e d D y e 7 3 T h e fl u o r e s c e n t l i q u i d r e p l a c e m e n t t e c h n i q u e ( F L R ) i s p r o p o s e d f o r s p e c i m e n p r e p a r a t i o n f o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . 7 4 T h e t e c h n i q u e e s s e n t i a l l y i n v o l v e s s l o w r e p l a c e m e n t o f p o r e w a t e r b y e t h a n o l . F o r t h e p u r p o s e o f i m p l e m e n t i n g t h i s s a m p l e p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e , t h e c o n c r e t e s p e c i m e n s h o u l d b e c u t a n d p o l i s h e d , t h e n i m m e r s e d i n a s o l u t i o n o f e t h a n o l a n d fl u o r e s c e n t d y e f o r 4 d a y s . D u r i n g t h e f o u r d a y s o f i m m e r s i o n , t h e fl u o r e s c e n t s o l u t i o n r e p l a c e s t h e f r e e w a t e r i n c o n c r e t e s p e c i m e n . A f t e r r e m o v i n g f r o m t h e s o l u t i o n , e x c e s s fl u o r e s c e n t d y e i s r e m o v e d b y r e p o l i s h i n g . E t h a n o l i s a l l o w e d t o e v a p o r a t e u n t i l t h e s u r f a c e a p p e a r s d r y . T h e s u r f a c e i s t h e n c o v e r e d w i t h a t h i n c o a t o f fl u o r e s c e n t e p o x y . E x c e s s e p o x y i s s q u e e z e d a w a y b y p r e s s i n g t h e c o a t e d s u r f a c e o f t h e s p e c i m e n a g a i n s t a p l a n e s u r f a c e . T h e m a i n d r a w b a c k o f t h i s t e c h n i q u e i s t h a t i t t a k e s v e r y l o n g p e r i o d o f t i m e ( 4 t o 5 d a y s ) t o p r e p a r e o n l y o n e s p e c i m e n . 9 3 4 . 2 . 4 D e s c r i p t i o n o f t h e P r o p o s e d S p e c i m e n P r e p a r a t i o n T e c h n i q u e s 4 . 2 . 4 . 1 S p e c i m e n P r e p a r a t i o n f o r E S E M ( W o o d ’ s M e t a l I m p r e g n a t i o n ) T h e p r e p a r a t i o n s t a r t s b y c u t t i n g t h e s p e c i m e n i n t o 5 0 . 8 m m ( 2 i n ) t h i c k s l i c e s u s i n g a s u i t a b l e e l e c t r i c a l s a w a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 2 . T h e s e c t i o n s s h o u l d p r o v i d e t h e m a x i m u m p l a n a r d i m e n s i o n s a l l o w e d b y t h e o r i g i n a l s p e c i m e n s i z e , s t e e l c o n t a i n e r d i m e n s i o n s , a n d m i c r o s c o p e c h a m b e r a n d t r a v e l s t a g e . T h e c u t s e c t i o n s m a y n e e d t o b e g r o u n d b y 1 0 0 0 g r i t s g r i n d e r m a c h i n e i n o r d e r t o r e m o v e s u r f a c e i r r e g u l a r i t i e s p r o d u c e d b y t h e s a w a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 3 . T h e c u t s e c t i o n s a r e t h e n w a s h e d u s i n g l i q u i d s o a p a n d t a p w a t e r i n o r d e r t o r e m o v e a n y d e b r i s a t t a c h e d t o t h e s p e c i m e n d u r i n g t h e c u t t i n g o r g r i n d i n g p r o c e s s . T h e s e c t i o n s a r e t h e n d r i e d i n a n e l e c t r i c a l o v e n a t 6 5 ° C ( 1 5 0 ° F ) f o r 2 4 h o u r s t o r e m o v e a n y w a t e r i n s i d e t h e s p e c i m e n t h a t m a y e n c u m b e r t h e i m p r e g n a t i o n p r o c e s s . T h e d r i e d s e c t i o n s a r e p l a c e d i n a s t e e l m o l d f o r t h e p u r p o s e o f W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n . T h e d i a m e t e r o f t h e s t e e l c o n t a i n e r i s 1 4 0 m m ( 5 . 5 i n ) , a n d i t s h e i g h t i s ( 5 4 m m ( 1 0 i n ) . T h i s p a r t i c u l a r c o n t a i n e r h a s m o v a b l e p e r f o r a t e d s t e e l s h e l v e s t o a c c o m m o d a t e m u l t i p l e s e c t i o n s a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 4 . W o o d ’ s m e t a l i s a d d e d t o t h e s t e e l c o n t a i n e r a t 1 2 t i m e s t h e w e i g h t o f c o n c r e t e s e c t i o n s . T h e u s e d W o o d ’ s m e t a l m e l t s a t 7 0 ° C ( 1 5 8 ° F ) a n d i s s o l i d i n d r y a i r a t r o o m t e m p e r a t u r e 2 0 ° C ( 6 8 ° F ) ; i t c o n s i s t s o f 5 0 % b i s m u t h ( B i ) , 2 5 % l e a d ( P b ) , 1 2 . 5 % c a d m i u m ( C d ) . a n d 1 2 . 5 % t i n ( S n ) . T h e W o o d s m e t a l h a s a Y o u n g ‘ s m o d u l u s o f 9 . 7 G P a ( 1 , 4 0 0 , 0 0 0 p s i ) , a d e n s i t y o f 9 . 6 7 g / c m 3 ( 6 0 0 l b / f t 3 ) . a n d d o e s n o t g o t h r o u g h a n y v o l u m e c h a n g e d u r i n g h a r d e n i n g . T h e c o n t a i n e r i n c o r p o r a t i n g c o n c r e t e s e c t i o n s a n d W o o d ’ s m e t a l i s p l a c e d i n s i d e a p r e s s u r e c h a m b e r a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 5 . T h e p r e s s u r e c h a m b e r s h o u l d h a v e c a p a b i l i t i e s f o r v a c u u m a n d p r e s s u r e d n i t r o g e n g a s a p p l i c a t i o n a n d a l s o f o r h e a t i n g . T h e a i r i n s i d e t h e c h a m b e r i s 9 4 r e m o v e d b y t u r n i n g t h e v a c u u m o n t o 6 . 6 5 K P a ( 0 . 9 5 p s i ) f o r 3 0 — 4 0 m i n u t e s . N e x t , t h e c h a m b e r i s h e a t e d ( u n d e r v a c u u m ) t o 9 3 ° C ( 2 0 0 ° F ) f o r 1 — 2 h o u r s i n o r d e r t o a l l o w f o r W o o d ’ s m e t a l m e l t i n g . S u b s e q u e n t l y , v a c u u m i s t u r n e d o f f ( w i t h h e a t s t i l l o n ) , a n d t h e c h a m b e r i s s u b j e c t e d t o n i t r o g e n g a s a t p r e s s u r e o f 1 9 4 — 2 M P a ( 2 8 0 - 3 0 0 p s i ) f o r 3 — 4 h o u r s i n o r d e r t o a l l o w W o o d ’ s m e t a l t o p e n e t r a t e t h e c o n c r e t e . A f t e r t u r n i n g t h e p r e s s u r e a n d h e a t o f f . t h e s p e c i m e n i s l e t t o c o o l d o w n t o r o o m t e m p e r a t u r e w h i l e c o n c r e t e s e c t i o n s a r e i m m e r s e d i n W o o d ’ s m e t a l . O n c e t h e c h a m b e r r e a c h e s r o o m t e m p e r a t u r e ; 6 m m ( 0 . 2 5 i n ) i s c u t o f f t h e s u r f a c e l a y e r o f t h e s p e c i m e n i n t h e r e q u i r e d d i r e c t i o n b y e l e c t r i c a l s a w i n o r d e r t o e x p o s e a n i m p r e g n a t e d c o n c r e t e s u r f a c e . T h e s p e c i m e n i s t h e n p o l i s h e d u s i n g p o l i s h i n g m a c h i n e a n d c o n s e c u t i v e s e t s o f 3 2 0 , 6 0 0 , 1 2 0 0 , a n d 4 0 0 0 g r i t ( 5 ‘ 7 m i n u t e s e a c h a t 3 0 0 r p m ) s i l i c o n c a r b i d e a b r a s i v e p a p e r s t o o b t a i n a s m o o t h s u r f a c e s u i t i n g E S E M i n v e s t i g a t i o n a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 6 . F i g u r e 4 . 1 2 C u t t i n g T h e S p e c i m e n 9 5 F i g u r e 4 . 1 4 S t e e l C o n t a i n e r U s e d f o r W o o d ’ s M e t a l S p e c i m e n P r e p a r a t i o n 9 6 F i g u r e 4 . 1 5 P l a c i n g T h e C o n c r e t e S p e c i m e n i n T h e P r e s s u r e C h a m b e r F i g u r e 4 . 1 6 F i n a l L a p p i n g o f T h e C o n c r e t e S p e c i m e n 9 7 ( a ) B e f o r e ( b ) A f t e r F i g u r e 4 . 1 7 C o n c r e t e M i c r o g r a p h s B e f o r e a n d A f t e r S p e c i m e n P r e p a r a t i o n b y W o o d ’ s M e t a l 9 8 T h e p r o p o s e d a p p r o a c h s h o w e d g o o d r e s u l t s f o r c o n c r e t e s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . s i n c e t h e c a p t u r e d i m a g e s s h o w e d t h e d e e p p e n e t r a t i o n o f W o o d ’ s m e t a l i n b o t h v e r y s m a l l v o i d s a n d v e r y t h i c k m i c r o c r a c k s a n d a l s o d i s t i n c t i v e c o n t r a s t b e t w e e n b o t h m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a n d t h e b a c k g r o u n d ( m o r t a r o r c e m e n t p a s t e ) w h i c h c a n p r o d u c e e a s e a p p l i c a t i o n o f i m a g e p r o c e s s i n g f u n c t i o n s a n d m e a s u r e m e n t s w i t h h i g h p r e c i s i o n . F i g u r e 4 . 1 7 s h o w s a c o m p a r i s o n b e t w e e n c o n c r e t e i m a g e s c a p t u r e d b y E S E M f o r c o n c r e t e s p e c i m e n s p r e p a r e d b y m e a n s o f t h e p r o p o s e d a p p r o a c h . F o r m t h e i m a g e s i t c a n b e e a s i l y n o t i c e d t h e d i f f e r e n c e i n c o n t r a s t b e t w e e n t h e c o n c r e t e s p e c i m e n s p r e p a r e d b y t h e p r o p o s e d t e c h n i q u e a n d o t h e r s p e c i m e n s t h a t n o t s u b j e c t e d t o a n y s p e c i m e n p r e p a r a t i o n . 4 . 2 . 4 . 2 S p e c i m e n P r e p a r a t i o n f o r F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ( I n k — E p o x y I m p r e g n a t i o n ) A s e x p l a i n e d e a r l i e r . c o n v e n t i o n a l f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p i c t e c h n i q u e s h a v e b e e n e m p l o y e d f o r q u a l i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e m a t e r i a l s i m p r e g n a t e d w i t h fl u o r e s c e n t e p o x y . F i g u r e 4 . 1 8 p r e s e n t s fl u o r e s c e n c e m i c r o g r a p h o f a c o n c r e t e i m p r e g n a t e d o n l y w i t h o n e s t a g e f l u o r e s c e n t e p o x y d y e . 9 9 F i g u r e 4 . 1 8 F l u o r e s c e n c e M i c r o g r a p h o f C o n c r e t e S p e c i m e n I m p r e g n a t e d w i t h F l u o r e s c e n t E p o x y D y e F r o m t h e fi g u r e , i t c a n b e s h o w n c o n v e n t i o n a l m e t h o d s o f fl u o r e s c e n t e p o x y i m p r e g n a t i o n s t a i n c a p i l l a r y p o r e s a s w e l l a s a i r v o i d s a n d m i c r o c r a c k s . I t w o u l d t h i s b e d i f fi c u l t t o d i s t i n g u i s h f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) f r o m t h e b o d y o f c o n c r e t e . A t w o - s t a g e i m p r e g n a t i o n t e c h n i q u e h a s b e e n d e v i s e d t o r e s o l v e t h i s p r o b l e m . F o r t h i s p u r p o s e . fi n e p o r e s ( c a p i l l a r y p o r e s i n h y d r a t e d c e m e n t p a s t e a n d a g g r e g a t e p o r e s ) a r e n o t fi r s t i m p r e g n a t e d w i t h b l a c k i n k ( P a r k e r Q u i n k ) ; s u b s e q u e n t l y , m i c r o c r a c k s a n d a i r v o i d s a r e i m p r e g n a t e d w i t h fl u o r e s c e n t e p o x y . T h e l o w v i s c o s i t y o f i n k a n d i t s a b i l i t y t o h a r d e n i n t h i s t h i c k n e s s r e s u l t i n fi l l i n g o f c a p i l l a r y p o r e s b u t n o t m i c r o c r a c k s a n d a i r v o i d s i n t h e fi r s t s t a g e o f i m p r e g n a t i o n . F i g u r e 4 . 1 9 s h o w s a c o n c r e t e s p e c i m e n i m p r e g n a t e d u s i n g t h e t w o — s t a g e t e c h n i q u e ; i t c a n b e s h o w n t h a t t w o - s t a g e i m p r e g n a t i o n 1 0 0 t e c h n i q u e y i e l d s a r e a s o n a b l e s h a r p c o n t r a s t b e t w e e n f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) a n d b o d y o f c o n c r e t e . F i g u r e 4 . 1 9 F l u o r e s c e n t M i c r o g r a p h o f C o n c r e t e S p e c i m e n S u b j e c t e d t o T w o - S t a g e I m p r e g n a t i o n w i t h I n k F o l l o w e d b y F l u o r e s c e n t E p o x y T h e p r o p o s e d a p p r o a c h c a n b e d e s c r i b e d a s f o l l o w s : S t a g e I — I n k I m p r e g n a t i o n T h e fi r s t s t a g e s t a r t s b y c u t t i n g t h e s p e c i m e n t o 2 0 - 3 0 m m ( 0 . 8 — 1 i n ) s l i c e s w i t h t h e r e q u i r e d c r o s s - s e c t i o n a l d i m e n s i o n s u s i n g a s u i t a b l e e l e c t r i c a l s a w ( t r y i n g t o m a x i m i z e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a s . g i v e n o v e r a l l s p e c i m e n d i m e n s i o n s a n d m i c r o s c o p e t r a v e l s t a g e d i m e n s i o n s ) . T h e s p e c i m e n m a y b e g r o u n d u s i n g a g r i n d e r i n o r d e r t o r e m o v e s u r f a c e i r r e g u l a r i t i e s p r o d u c e d b y t h e s a w a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 3 . D u r i n g a l l t h e s a w i n g a n d 1 0 1 g r i n d i n g o p e r a t i o n s . s p e c i a l c a r e s h o u l d b e t a k e n t o k e e p s p e c i m e n s u r f a c e s m o i s t . O n c e s p e c i m e n s u r f a c e i s t h e n l a p p e d u s i n g a n a b r a s i v e l i q u i d c o m p r i s i n g o f 3 0 g ( 0 . 0 6 7 l b ) v e h i c l e 1 0 1 ( L a p m a s t e r I n t l . D i v . ) . 5 0 g ( 0 . 1 1 l b ) a l u m i n u m o x i d e p o w d e r I 8 0 0 , ( L a p m a s t e r I n t l . D i v . ) . a n d 4 5 0 g ( 0 . 9 9 l b ) t a p w a t e r u n d e r 0 . 0 2 1 M P a ( 3 . 0 p s i ) p r e s s u r e a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 0 . A t t h e e n d o f t h e l a p p i n g o p e r a t i o n . t h e s p e c i m e n s h o u l d b e c a r e f u l l y c l e a n e d t o r e m o v e a n y d e b r i s u s i n g a s p o n g e w i t h a 5 0 % s o l u t i o n o f a n a l l - p u r p o s e c l e a n e r f o l l o w e d b y r i n s i n g w i t h w a t e r a t l o w a n d t h e n h i g h s p e e d s . T h e s p e c i m e n s h o u l d t h e n b e c l e a n e d i n u l t r a s o n i c b a t h ( 4 3 K H z f r e q u e n c y ) f o r 2 0 - 3 0 m i n u t e s i n o r d e r t o r e m o v e a n y fi n e p a r t i c l e s e n t r a p p e d i n s i d e t h e v o i d s o r t h e m i c r o c r a c k s a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 1 . T h e s p e c i m e n t h e n d r i e d i n o v e n a t 6 0 ° C ( 1 4 0 ° F ) f o r 3 - 4 h o u r s . a n d p l a c e d i n a p l a s t i c c o n t a i n e r w i t h i n a g l a s s fl a s k c o n n e c t e d t o t h e v a c u u m p u m p . V a c u u m - d r y i n g o f t h e s p e c i m e n a t 2 . 6 6 K P a ( 0 . 3 8 p s i ) f o r a t l e a s t o n e h o u r ( a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 2 ) w i l l s u b s t a n t i a l l y r e m o v e a i r f r o m v o i d s a n d m i c r o c r a c k s . T h e v a c u u m i s t h e n t u r n e d a n d . f r o m a c o n t a i n e r c o n n e c t e d t o t h e g l a s s fl a s k , b l a c k i n k ( , 6 ( " o b y w e i g h t o f P a r k e r Q u i n k — 4 0 % w a t e r i s a l l o w e d i n t o t h e p l a s t i c c o n t a i n e r h o l d i n g t h e s p e c i m e n i n s i d e t h e f l a s k i n o r d e r t o i m p r e g n a t e t h e s p e c i m e n a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 3 . T h e s p e c i m e n i s t h e n m o v e d t o a p r e s s u r e c h a m b e r ( w h i l e k e p t i m m e r s e d i n i n k a n d c o v e r e d w i t h a w o o d e n p l a t e i n o r d e r t o p r e v e n t s p l a s h i n g o f i n k w h e n t h e p r e s s u r e i s i n t r o d u c e d u s i n g n i t r o g e n g a s ) . T h e s p e c i m e n s h o u l d b e s u b j e c t e d t o n i t r o g e n g a s a t p r e s s u r e o f 1 . 9 4 M P a ( 2 8 0 p s i ) f o r 1 8 - 2 4 h o u r s i n o r d e r t o f a c i l i t a t e i m p r e g n a t i o n o f t h e c a p i l l a r y p o r e s s y s t e m w i t h i 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 ) w i t h i n k . T h e fi n a l s t e p i n t h e f i s t s t a g e o f s a m p l e p r e p a r a t i o n t o t u r n t h e p r e s s u r e o f f . r e m o v e t h e s a m p l e f r o m p r e s s u r e c h a m b e r . a n d p l a c e i t i n o v e n a t 6 0 ° C ( 1 4 0 ° F ) f o r 2 4 h o u r s t o d r y t h e i n k . F i g u r e 4 . 2 0 L a p p i n g o f C o n c r e t e S p e c i m e n F i g u r e 4 . 2 1 S p e c i m e n C l e a n i n g i n U l t r a s o n i c B a t h 1 0 3 F i g u r e 4 . 2 2 V a c u u m D r y i n g o f C o n c r e t e S p e c i m e n F i g u r e 4 . 2 3 I n k ( o r F l u o r e s c e n t E p o x y ) I m p r e g n a t i o n 1 0 4 S t a g e I I - E p o x y I m p r e g n a t i o n T h e s e c o n d s t a g e s t a r t s b y p l a c i n g t h e s p e c i m e n i n a p l a s t i c c o n t a i n e r w i t h i n a g l a s s f l a s k c o n n e c t e d t o v a c u u m s o u r c e . T h e s p e c i m e n s h o u l d b e s u b j e c t e d t o a v a c u u m o f 2 . 6 6 K P a ( 0 . 3 8 p s i ) f o r o n e h o u r s u b s t a n t i a l l y t o r e m o v e a i r f r o m t h e m i c r o c r a c k s a n d t h e v o i d s . T h e f l u o r e s c e n t e p o x y s o l u t i o n i s p r e p a r e d b y a d d i n g 3 . 0 g ( 0 . 1 0 6 o z ) o f fl u o r e s c e n t d y e ( s o l v e n t y e l l o w 4 3 ) [ A A K A S H C h e m i c a l s & D y e - S t u f f s , I n c . ] t o 3 0 . 6 g ( 0 . 0 6 7 4 l b ) ( o f “ D E R ” 7 3 6 P o l y g l y c o l d i e p o x i d e / e p o x y r e s i n ) “ m o d i fi e r ” a n d m i x i n g t h e m t o g e t h e r , a n d t h e n m i x i n g 2 0 0 g ( 0 . 4 4 I b ) o f “ N S A ” ( 4 5 5 m l N o n e y l s u c c i n i c A n h y d r i d e m o d i fi e d ) . f o l l o w e d b y 7 6 . 8 g o f ‘ " E R L ” 4 2 2 1 V i n y l c y c l o p h e n e D i o x i d e “ U C . D . ” “ m o n o m e r ” a n d 6 g ( 0 . 2 o z ) o f “ D M A E ” ( 2 - D i m e t h y l a m i n o e t h n o l ) “ e p o x y a c c e l e r a t o r — c a t a l y s t ” [ S P I - C H E M S u p p l i e s ] . T h e s o l u t i o n i s p o u r e d i n g l a s s c o n t a i n e r c o n n e c t e d t o a g l a s s f l a s k . A f t e r t u r n i n g o f f t h e v a c u u m . t h e fl u o r e s c e n t e p o x y i s a l l o w e d t o i m p r e g n a t e t h e s p e c i m e n a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 3 . W i t h t h e s p e c i m e n k e p t i m m e r s e d i n fl u o r e s c e n t e p o x y . t h e s p e c i m e n i s p l a c e d i n t h e p r e s s u r e c h a m b e r a n d c o v e r e d b y a p e r f o r a t e d w o o d e n p l a t e t o p r e v e n t s p l a s h i n g o f fl u o r e s c e n t e p o x y d y e w h e n n i t r o g e n p r e s s u r e i s a p p l i e d . A f t e r c l o s i n g t h e p r e s s u r e c h a m b e r l i d , t h e s p e c i m e n i s s u b j e c t e d t o n i t r o g e n p r e s s u r e o f 1 . 9 4 M P a ( 2 8 0 p s i ) f o r 3 — 4 h o u r s t o a l l o w f o r e p o x y p e n e t r a t i o n i n t o t h e c o n c r e t e m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 4 . T h e p r e s s u r e i s t u r n e d o f f a n d t h e s p e c i m e n i s p l a c e d i n t h e e l e c t r i c a l o v e n a t 6 5 5 ° C ( 1 5 0 ° F ) f o r 1 8 - 2 4 h o u r s . T h e fi n a l s t e p i n t h e s e c o n d s t a g e i s t o l a p t h e s p e c i m e n s u r f a c e u s i n g a l a p p i n g m a c h i n e a n d t h e p r e v i o u s l y d e s c r i b e d a b r a s i v e l i q u i d u n d e r 0 . 0 2 1 M P a ( 3 . 0 p s i ) p r e s s u r e t o r e m o v e t h e t h i n f i l m o f t h e e p o x y d y e f r o m t h e s p e c i m e n s u r f a c e t o b e r e a d y f o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n v e s t i g a t i o n 1 0 5 T h e m a i n a d v a n t a g e o f t h i s t w o - s t a g e s p e c i m e n i m p r e g n a t i o n , w h e n c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l fl u o r e s c e n t e p o x y i m p r e g n a t i o n , i s t h a t i n k fi l l s a n d b l o c k s c a p i l l a r y p o r e s s o t h a t m i c r o c r a c k s a n d a i r v o i d s a r e h i g h l i g h t e d w i t h a r e a s o n a b l e s h a r p c o n t r a s t a g a i n s t t h e b o d y o f c o n c r e t e . I n c o n v e n t i o n a l ( o n e - s t a g e ) m e t h o d o f s p e c i m e n p r e p a r a t i o n , t h e c a p i l l a r y p o r e s s y s t e m i s a l s o h i g h l i g h t e d t h r o u g h fl u o r e s c e n t e p o x y i m p r e g n a t i o n , w h i c h i s d e t r i m e n t a l t o t h e c o n t r a s t b e t w e e n m i c r o c r a c k s / a i r v o i d s a n d b o d y o f c o n c r e t e a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 5 , w h i c h c o m p a r e s fl u o r e s c e n t m i c r o g r a p h s o f s p e c i m e n s p r e p a r e d u s i n g e i t h e r t h e c o n v e n t i o n a l t e c h n i q u e o r t h e n e w t w o - s t a g e m e t h o d . I t c a n b e s h o w n t h a t t h e a d v a n t a g e o f t w o - s t a g e s p e c i m e n p r e p a r a t i o n i s i n p r o d u c i n g s h a r p ( c r i s p ) c o n t r a s t b e t w e e n m i c r o c r a c k s / a i r v o i d s a g a i n s t t h e b o d y o f t h e c o n c r e t e . F i g u r e 4 . 2 4 N i t r o g e n P r e s s u r e A p p l i c a t i o n 1 0 6 ( a ) C o n v e n t i o n a l ( b ) T w o — S t a g e F i g u r e 4 . 2 5 F l u o r e s c e n t M i c r o g r a p h s o f C o n c r e t e S p e c i m e n s P r e p a r e d b y C o n v e n t i o n a l a n d T h e N e w ( T w o - S t a g e ) S p e c i m e n P r e p a r a t i o n T e c h n i q u e s 1 0 7 4 . 3 C O N C L U S I O N S 1 - A r e f i n e d s p e c i m e n p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e w a s d e v e l o p e d t o p r e p a r e c o n c r e t e s p e c i m e n s f o r S E M i n v e s t i g a t i o n b y W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n . T h e r e fi n e d m e t h o d a l l o w s t o e f f e c t i v e l y i m p r e g n a t e m o r e t h a n o n e s p e c i m e n i n t h e s a m e t i m e . 2 - A n e w t w o - s t a g e s p e c i m e n p r e p a r a t i o n m e t h o d w a s d e v e l o p e d t o p r e p a r e c o n c r e t e s p e c i m e n s f o r f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n v e s t i g a t i o n . T h i s t w o - s t a g e a p p r o a c h f i r s t i m p r e g n a t e s c o n c r e t e w i t h i n k . w h i c h i s c u r e d t o fi l l c a p i l l a r y p o r e s ; s u b s e q u e n t l y , m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a r e i m p r e g n a t e d w i t h fl u o r e s c e n t e p o x y d y e . T h e r e s u l t s s h o w e d g o o d c o n t r a s t b e t w e e n m i c r o c r a c k s / v o i d s a n d t h e b o d y o f c o n c r e t e . 1 0 8 C H A P T E R 5 I M A G E P R O C E S S I N G A N D A N A L Y S I S 5 . 1 P R E F A C E L i k e w o r d p r o c e s s i n g . i m a g e p r o c e s s i n g m a n i p u l a t e s i m a g e s , r e a r r a n g e s t h e m , a n d m a y m a k e t h e m m o r e u s e f u l . b u t i t d o e s n o t r e d u c e ( o r i n c r e a s e ) t h e a m o u n t o f d a t a p r e s e n t . 7 5 T h e a i m o f i m a g e p r o c e s s i n g i s t o e x t r a c t f e a t u r e t o p o l o g y f r o m t h e d i g i t i z e d i m a g e s o f t h e i n v e s t i g a t e d m a t e r i a l i n o r d e r t o e x t r a c t q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n o n f e a t u r e s a n d p h a s e s o f i n t e r e s t f r o m t h e s e i m a g e s . T h e p u r p o s e o f i m a g e p r o c e s s i n g i n t h e c u r r e n t r e s e a r c h i s t o t r a n s f o r m t h e c a p t u r e d i m a g e s f r o m g r a y s c a l e i m a g e s i n t o b i n a r y s c a l e i m a g e s . e n h a n c e t h e c o n t r a s t b e t w e e n t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t a n d t h e b a c k g r o u n d , a n d t o g e t r i d o f t h e n o i s e i n t h e i m a g e s i n o r d e r t o e x t r a c t t h e q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t s o f f e a t u r e s o f i n t e r e s t f r o m c o n c r e t e m i c r o g r a p h s . G e n e r a l l y , t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t i n 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 o f c o n c r e t e a r e m i c r o c r a c k s , v o i d s , a g g r e g a t e , a n d fi b e r s . T h r o u g h o u t t h e s t u d y . M a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s w e r e p r o p o s e d f o r t h e d i f f e r e n t f e a t u r e s o f i n t e r e s t . w h i l e t h e a n a l y s i s w a s a p p l i e d o n l y o n m i c r o c r a c k s . T h e r e a r e f o u r f u n d a m e n t a l t a s k s i n v o l v e d i n t h e d i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s . T h e s e t a s k s c a n b e b r i e fl y c a t e g o r i z e d a s : 7 6 1 - I m a g e a c q u i s i t i o n t h r o u g h t h e d i g i t i z i n g i n s t r u m e n t . 2 - I m a g e e n h a n c e m e n t b y m e a n s o f r e m o v i n g t h e s p e c k l e ( n o i s e ) i n a d d i t i o n t o c o n t r a s t i m p r o v e m e n t . 3 - I m a g e s e g m e n t a t i o n . d e f i n e d a s t h e d i f f e r e n t i a t i o n o f t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t f r o m t h e b a c k g r o u n d . 4 - F e a t u r e m e a s u r e m e n t s . i . e . c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e f e a t u r e s i n a q u a n t i t a t i v e w a y . 1 0 9 F i g u r e 5 . 1 p r e s e n t s a h i e r a r c h i c a l v i e w o f i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s s t e p s i n v o l v e d t h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y . [ h n a g e . ' 1 . . . . I " u r w v . ’ . ‘ - . " - ‘ » . ' . . . _ . . . n _ ‘ ; . . , . : , . l _ . ~ . . . . I , . . _ . . - - . " s - u , ‘ § « h r - w . . . . a n q u fi . a : w £ £ ~ ! I 3 u ? J J - a ~ b w m ' ' ' l n m g e . - l c q u i s i t i r m I G r a y S c a l e I m a g e I m a g e P r o c e s s m g . ' 1 r . : - « E ; . . - . . ; : ; : ' e a s e s l r ' . . ; . ~ : ' : . : f - r - . : ; . _ — . _ . ' D i s c r i m i n a t i o n [ t r i a g e E d i t i n g s e g m e n t a t i o n ' 2 - : " ' ' . - i ‘ - z i l I ’ Z ' - : l ' z " . - ‘ ; 3 " - T ‘ . ‘ - L ‘ ~ ’ ' x . . 3 } . 1 l e u s u r e m e n t s . « I l n a l v s i s c a r t s - 4 . 5 4 : . . q u fi m m s : ‘ ' ' F i g u r e 5 . 1 A n O v e r v i e w o f t h e S t e p s I n v o l v e d i n I m a g e P r o c e s s i n g a n d A n a l y s i s 1 1 0 T h e b a s i c s t e p i n i m a g e p r o c e s s i n g i s c a p t u r i n g i m a g e s ( a c q u i s i t i o n ) b y d i g i t i z a t i o n f r o m t h e e n v i r o n m e n t a l 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 y f o r t r e a t m e n t w i t h c o m p u t e r s . I n o r d e r t o c o p e w i t h t h e e n o r m o u s a m o u n t o f i m a g e d a t a , i m a g e s m u s t b e s a v e d a n d t r a n s m i t t e d i n t h e t i g h t e s t p o s s i b l e c o d e . I t m a y b e n e c e s s a r y t o c o r r e c t k n o w n d i s t u r b a n c e s i n t h e i m a g e ( i m a g e r e s t o r a t i o n ) . L i k e w i s e , b r i g h t n e s s a n d c o n t r a s t o f t h e i m a g e c a n b e o p t i m i z e d . A n o t h e r i m p o r t a n t o p e r a t i o n i s n o i s e r e d u c t i o n i n n o n - c l e a r i m a g e s . A w h o l e c h a i n o f p r o c e s s i n g s t e p s w o u l d t h e n b e n e c e s s a r y t o a n a l y z e a n d i d e n t i f y o b j e c t s o f i n t e r e s t . F i r s t . a d e q u a t e fi l t e r i n g p r o c e d u r e s m u s t b e a p p l i e d i n o r d e r t o d i s t i n g u i s h t h e p h a s e s a n d f e a t u r e s o f i n t e r e s t f r o m o t h e r o b j e c t s a n d t h e b a c k g r o u n d . T h e n t h e p h a s e s a n d f e a t u r e s o f i n t e r e s t h a v e t o b e s e p a r a t e d f r o m t h e b a c k g r o u n d ( s e g m e n t a t i o n ) . T h i s p r o c e s s y i e l d s a b i n a r y i m a g e . W i t h t h e e x a c t g e o m e t r i c s h a p e o f t h e p h a s e / f e a t u r e k n o w n a t t h i s s t a g e . t h e r e q u i r e d q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n c a n b e e x t r a c t e d . 5 . 2 I M A G E P R O C E S S I N G L a t e s t d e v e l o p m e n t s i n m i c r o s c o p y a n d i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s h a v e f a c i l i t a t e d e f f o r t s t o w a r d s i n v e s t i g a t i o n o f t h e c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e l o ‘ 7 5 G i v e n t h e c o m p l e x i t y a n d h e t e r o g e n e i t y o f t h e c o n c r e t e s t r u c t u r e , d e v e l o p m e n t o f s t a t i s t i c a l l y r e l i a b l e q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n a b o u t c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e r e q u i r e s a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s o f a r e l a t i v e l y l a r g e n u m b e r o f m i c r o s c o p i c i m a g e s . A u t o m a t i o n o f i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s p r o c e d u r e s c a n f a c i l i t a t e p r a c t i c a l u s e o f m o d e r n i m a g e a n a l y s i s s c h e m e s i n q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f c o n c r e t e t o w a r d s d e v e l o p m e n t o f v a l u a b l e s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s f o r c o n c r e t e . P r o p e r i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s t e c h n i q u e s i n v o l v e d i v e r s e a n d c o m p l e x r o u t i n e s : p r a c t i c a l u s e o f t h e s e 1 1 1 t e c h n i q u e s w i t h c o n c r e t e r e q u i r e s t a i l o r i n g o f s u c h r o u t i n e s t o s u i t c o n c r e t e 1 1 1 i c r o s t r u c t u r e . T h e w o r k r e p o r t e d h e r e i n e s t a b l i s h e s I m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s r o u t i n e s f o r r e m o v a l o f n o i s e . d i s t i n c t i o n o f m i c r o c r a c k s f r o m v o i d s a n d d e t a c h m e n t o f c o n n e c t e d m i c r o c r a c k s a n d v o i d s i n c o n c r e t e m i c r o g r a p h s . 5 . 2 . 1 I m a g e P r o c e s s i n g F u n c t i o n s 5 . 2 . 1 . 1 D i g i t i z a t i o n D i g i t i z a t i o n m e a n s s a m p l i n g o f g r a y v a l u e s a t a d i s c r e t e s e t o f p o i n t s , w h i c h c a n b e r e p r e s e n t e d b y a m a t r i x o f r e c t a n g u l a r b a s i s c e l l s . E n v i r o n m e n t a l 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 y c o m m o n l y h a s s e v e r a l d e t e c t o r s . c a p a b l e o f p r o d u c i n g i m a g e s w i t h t h e v a r i o u s s i g n a l s p r o d u c e d w h e n t h e i n c i d e n t e l e c t r o n b e a m s t r i k e s t h e s p e c i m e n s u r f a c e . T h e s i g n a l p r o d u c e d b y E S E M i s a v o l t a g e . F o r s t o r a g e i n t h e c o m p u t e r , t h i s m u s t b e d i g i t i z e d . a n d t h i s r e q u i r e s a n a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r . 7 7 T h e u s e d i m a g e a n a l y s i s s y s t e m h a s s q u a r e i m a g e m a t r i c e s ( 6 4 0 x 6 4 0 ) . a n y p o i n t o n t h i s 2 D i s c a l l e d a p i x e l . A p i x e l r e p r e s e n t s t h e g r a y v a l u e o f t h e c o r r e s p o n d i n g g r i d p o s i t i o n . T h e t o t a l n u m b e r o f p i x e l s d e f i n e s t h e i m a g e r e s o l u t i o n f o r a l l s u b s e q u e n t a c t i v i t i e s . T h e n u m b e r o f b i t s u s e d t o s t o r e t h e b r i g h t n e s s i n f o r m a t i o n d e f i n e s t h e “ d e p t h ” o f t h e i m a g e . S i n c e c o m p u t e r s t o r a g e i s o f t e n o r g a n i z e d i n b y t e s ( 8 b i t s ) . t h i s p r o d u c e s a c a p a c i t y f o r 2 5 6 b r i g h t n e s s o r g r a y l e v e l s . 5 . 2 . 1 . 2 D i s c r i m i n a t i o n a n d T h r e s h o l d i n g S e g m e n t a t i o n i s a p r o c e s s t h r o u g h w h i c h t h e i m a g e i s p a r t i o n a t e d i n t o m e a n i n g f u l r e g i o n s b y u s i n g o n l y t h e i n t e n s i t y o f t h e p i x e l s . W h e n s e g m e n t a t i o n i s a p p l i e d t o a g r a y i m a g e . t h e g r a y l e v e l i n t e n s i t y o f t h e p i x e l s w h i c h s a t i s f y a g i v e n c o n d i t i o n a r e s e t t o o n e a n d t h e r e s t a r e s e t t o z e r o . T h e c o n v e r t e d i m a g e i s r e f e r r e d t o a s a b i n a r y i m a g e w h e r e t h e p i x e l s v a l u e s c a n b e p r e s e n t e d b y a s i n g l e b i t s i g n a l i n g a t r u e o r f a l s e s i t u a t i o n ( f e a t u r e o f i n t e r e s t o r n o t ) . S e g m e n t a t i o n b y b r i g h t n e s s t h r e s h o l d i n g i s t h e s i m p l e s t a p p r o a c h w h e r e a c o n t r a s t g r a y l e v e l i s u s e d a s t h e t h r e s h o l d v a l u e . t h e r e f o r e . i t i s w i d e l y u s e d m e t h o d o f c o n v e r t i n g a g r a y s c a l e i m a g e t o a b i n a r y ( b l a c k a n d w h i t e ) o n e a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 . ( a ) G r a y I m a g e ( b ) B i n a r y I m a g e F i g u r e 5 . 2 E f f e c t o f A p p l y i n g T h r e s h o l d i n g F u n c t i o n o n G r a y I m a g e D i s c r i m i n a t i o n w i t h t h r e s h o l d v a l u e s i s m u c h m o r e e f fi c i e n t t h a n a n y e d g e f o l l o w i n g o r r e g i o n g r o w i n g m e t h o d b e c a u s e i t w o r k s o n t h e e n t i r e i m a g e a t o n c e . H e n c e t h e t i m e r e q u i r e d i s fi x e d . r e g a r d l e s s o f t h e c o m p l e x i t y o f t h e i m a g e . a n d v e r y s h o r t . A l s o . t h e 1 1 3 r e s u l t i n g b i n a r y i m a g e i s a p i x e l - b a s e d r e p r e s e n t a t i o n o f f e a t u r e s o f i n t e r e s t , a n d i s e a s i e r f o r m o s t m e a s u r e m e n t s o p e r a t i o n s t h a n t h e b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n t h a t r e s u l t s f r o m t h e . . . . 7 . 9 l o c a t i o n a n d 1 d e n t 1 fi c a t i o n o f e d g e s . 8 7 I n t h e s i m p l e s t v e r s i o n o f b r i g h t n e s s d i s c r i m i n a t i o n . t h e r e a r e t w o t h r e s h o l d m e t h o d s ; m a n u a l l y a n d a u t o m a t i c a l l y a n d t h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f t h r e s h o l d i n g ; t h r e s h o l d b y f a c t o r i z a t i o n , t h r e s h o l d b y e n t r o p y . a n d t h r e s h o l d b y m o m e n t . 7 8 A l l p i x e l s w h o s e b r i g h t n e s s v a l u e s l i e b e t w e e n t h e s e t h r e s h o l d s a r e c o n s i d e r e d t o b e p a r t o f t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) , a n d a l l o t h e r s a r e c o n s i d e r e d t o b e b a c k g r o u n d . I n o t h e r w o r d s . m i c r o c r a c k s / v o i d s a n d c e m e n t p a s t e a r e s e p a r a t e d . D u e t o t h e l a r g e v a r i a t i o n s i n i n t e n s i t i e s b e t w e e n i m a g e s t a k e n f r o m t h e s a m e s e c t i o n a n d a l s o d u e t o t h e l a r g e v a r i a t i o n s o f i n t e n s i t i e s b e t w e e n s e c t i o n s o f t h e c o n c r e t e s p e c i m e n s . t h e m a g n i t u d e o f t h r e s h o l d v a r i e s f r o m i m a g e t o i m a g e a n d f o r t h e p u r p o s e o f a u t o m a t i o n . a p p l y i n g a u t o m a t i c t h r e s h o l d t h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y i s c o n s i d e r e d t o b e t h e b e s t s o l u t i o n f o r s u c h l a r g e v a r i a t i o n . A c o m p a r a t i v e s t u d y i s d o n e t o c h e c k t h e a b i l i t y o f u s i n g a u t o m a t i c t h r e s h o l d r a t h e r t h a n m a n u a l t h r e s h o l d a n d a l s o t o d e t e r m i n e t h e s u i t a b l e a u t o - t h r e s h o l d t y p e f o r e a c h s p e c i m e n p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e a n d i t s m i c r o s c o p y t y p e . O n e h u n d r e d i m a g e s ( c o n t a i n i n g m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) w e r e c a p t u r e d f r o m s p e c i m e n s p r e p a r e d b y t h e p r e - d e s c r i b e d s p e c i m e n p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e s b y b o t h E S E M a n d f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y a t d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n s ( 1 2 5 X , 2 5 0 X . a n d 5 0 0 X ) a s a t r a i n i n g i m a g e s e t a n d b o t h m a n u a l a n d a u t o m a t i c t h r e s h o l d f u n c t i o n s w e r e a p p l i e d . T h e l o w t h r e s h o l d l e v e l i s s e t t o b e z e r o ( d e f a u l t v a l u e ) f o r a u t o m a t i c t h r e s h o l d a n d t h e p r o g r a m d e t e r m i n e s a u t o m a t i c a l l y t h e b e s t t h r e s h o l d l e v e l f o r t h e i m a g e . T h r o u g h o u t m a n u a l t h r e s h o l d . t h e o p t i m u m h i g h t h r e s h o l d l e v e l i s d e t e r m i n e d b y c o m p a r i n g t h e 1 1 4 o r i g i n a l ( g r a y ) i m a g e a n d t h e i m a g e a f t e r a p p l y i n g t h e m a n u a l t h r e s h o l d ( b i n a r y ) i m a g e . W h e n t h e f e a t u r e s ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) a r e c o r r e c t l y h i g h l i g h t e d a n d t h e m o s t d i s t i n c t i o n b e t w e e n m i c r o c r a c k s a n d o r v o i d s a n d c o n c r e t e b a c k g r o u n d i s o b t a i n e d ( a r e w e l l s e p a r a t e d f r o m t h e b o d y o f c o n c r e t e ) ; t h i s v a l u e i s c o n s i d e r e d t o b e t h e o p t i m u m m a n u a l t h r e s h o l d l e v e l . T h e t h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f a u t o m a t i c t h r e s h o l d f u n c t i o n a r e a p p l i e d o n t h e s a m e i m a g e . t h e h i g h t h r e s h o l d l e v e l f o r e a c h t y p e i s o b t a i n e d d i r e c t l y 5 , . . . f r o m V i s i l o g 5 . 3 s o f t w a r e t h r o u g h o u t a p p l y i n g a u t o m a t i c t h r e s h o l d . R e s u l t s o f t h e c o m p a r i s o n a r e i l l u s t r a t e d i n T a b l e s 5 . 1 a n d 5 . 2 a n d F i g u r e s 5 . 3 a n d 5 . 4 . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s ( c o m p a r i s o n o f m e a n s ) b e t w e e n t h e l o w g r a y l e v e l o f m a n u a l t h r e s h o l d f u n c t i o n a n d t h e t h r e e t y p e s o f a u t o m a t i c t h r e s h o l d f u n c t i o 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 f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n m a n u a l t h r e s h o l d a n d a u t o m a t i c t h r e s h o l d ( f a c t o r i z a t i o n ) f u n c t i o n f o r b o t h E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o g r a p h s . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s a l s o s h o w 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 m a n u a l t h r e s h o l d a n d a u t o m a t i c t h r e s h o l d ( e n t r o p y a n d m o m e n t ) a t 9 5 % a n d 9 8 % l e v e l o f c o n f i d e n c e r e s p e c t i v e l y f o r E S E M m i c r o g r a p h s a n d a t 9 1 % a n d 9 8 % l e v e l o f c o n fi d e n c e f o r f l u o r e s c e n t m i c r o g r a p h s . T h e e f f e c t o f a p p l y i n g m a n u a l , a n d a u t o m a t i c ( f a c t o r i z a t i o n f o r E S E M m i c r o g r a p h s ) . ( e n t r o p y f o r f l u o r e s c e n t m i c r o g r a p h s ) t h r e s h o l d f u n c t i o n s o n s o m e o f t h e c a p t u r e d i m a g e s i s s h o w n i n F i g u r e s 5 . 5 a n d 5 . 6 . 1 1 5 T a b l e 5 . 1 C o m p a r i s o n B e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c L o w T h r e s h o l d L e v e l s f o r E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s T h r e s h o l d F u n c t i o n C o m p a r i s o n A u t o m a t i c M a n u a l F a c t o r i z a t i o n E n t r o p y M o m e n t M i n i m u m 1 0 1 1 0 7 6 8 7 3 M a x i m u m 1 8 3 2 2 5 1 8 1 2 0 1 M e a n 1 4 5 1 5 3 1 0 1 1 1 0 S t d . D e v . 2 7 . 7 2 3 . 9 2 6 . 6 2 1 . 8 T a b l e 5 . 2 C o m p a r i s o n b e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c L o w T h r e s h o l d L e v e l s f o r F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h s T h r e s h o l d F u n c t i o n C o m p a r i s o n A u t o m a t i c M a n u a l F a c t o r i z a t i o n E n t r o p y M o m e n t M i n i m u m V a l u e 7 6 8 8 9 9 6 1 M a x i m u m V a l u e 2 0 1 2 3 8 2 4 4 2 4 1 M e a n V a l u e 1 8 6 I 9 7 2 2 2 1 6 5 S t d . D e v . 3 1 2 3 3 7 3 8 . 8 3 5 . 6 1 1 6 l e v e L d l o h s e r h T 2 0 0 . . - - - 1 8 0 . . . - 1 6 0 . . - . - 2 1 4 0 7 7 4 1 2 0 . - 1 0 0 . . - 8 0 . . . . - 6 0 3 . - . 4 0 . - . - - - 2 0 . . 2 . E ! F a c t o r i z a t i o n I E n t r o p y M o m e n t M a n u a l A u t o m a t i c T h r e s h o l d M e t h o d F i g u r e 5 . 3 T h r e s h o l d L e v e l s f o r B o t h M a n u a l a n d A u t o m a t i c T h r e s h o l d F u n c t i o n s f o r E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s 3 0 0 I F a c t o r i z a t i o n I E n t r o p y M o m e n t 2 5 0 . . i 2 0 0 1 . . 2 - 1 5 0 l 2 , 1 0 0 1 . - 2 . . i T h r e s h o l d L e v e l 5 0 ‘ M a n u a l A u t o m a t i c T h r e s h o l d M e t h o d F i g u r e 5 . 4 T h r e s h o l d L e v e l s f o r B o t h M a n u a l a n d A u t o m a t i c T h r e s h o l d F u n c t i o n s f o r F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h s | l 7 ( a ) O r i g i n a l G r a y I m a g e s ( c ) A u t o - T h r e s h o l d F u n c t i o n F i g u r e 5 . 5 C o m p a r i s o n b e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c ( F a c t o r i z a t i o n ) T h r e s h o l d F u n c t i o n o n E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s 1 1 8 ( c ) A u t o - T h r e s h o l d F u n c t i o n F i g u r e 5 . 6 C o m p a r i s o n b e t w e e n M a n u a l a n d A u t o m a t i c ( F a c t o r i z a t i o n ) T h r e s h o l d F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h s I l 9 5 . 2 . 1 . 3 M o r p h o l o g i c a l O p e r a t i o n s A f t e r a p p l y i n g s e g m e n t a t i o n p r o c e s s ( t h r e s h o l d f u n c t i o n ) , p i x e l s b e l o n g t o t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t m a y b e k n o w n . P r i o r t o p e r f o r m i n g t h e q u a n t i fi c a t i o n s t e p . a n o t h e r c l a s s o f n e i g h b o r h o o d o p e r a t i o n s m a y b e a p p l i e d t o r e fi n e t h e f o r m o f o b j e c t s . S u c h o p e r a t o r s . w h i c h r e l a t e p i x e l s i n a s m a l l n e i g h b o r h o o d . a r e v e r s a t i l e a n d p o w e r f u l t o o l s t h a t c o m b i n e p i x e l s o f b i n a r y i m a g e s w i t h l o g i c a l o p e r a t i o n s o f B o o l e a n a l g e b r a . T h e s e o p e r a t o r s c a u s e d i l a t i o n o r e r o s i o n o f o b j e c t s . D i l a t i o n h a s d i f f e r e n t e f f e c t s . i n c l u d i n g f i l l i n g o f s m a l l h o l e s o r c r a c k s a n d s m o o t h i n g o f c o n t o u r l i n e s . E r o s i o n c a u s e d d i s a p p e a r a n c e o f o b j e c t s s m a l l e r t h a n m a s k g o v e r n s t h e e f f e c t o f o p e r a t o r s ; f o r e x a m p l e . a n e r o s i o n o p e r a t i o n w o r k s h i d e a n e t w h i c h h a s h o l e s i n t h e s h a p e o f t h e m a s k . A l l o b j e c t s s m a l l e r t h a n t h e h o l e w i l l s l i p t h r o u g h a n d d i s a p p e a r f r o m t h e i m a g e . S o i n i t s s i m p l e s t f o r m . e r o s i o n c o n s i s t s o f e x a m i n i n g e a c h b i n a r y p i x e l a n d c h a n g i n g i t f r o m “ o n ” t o “ o f f " i f i t h a s a n y n e i g h b o r s t h a t a r e o f f . I t i s i m p o r t a n t t o s p e c i f y w h i c h n e i g h b o r s a r e c o n s i d e r e d . V i s i l o g 5 . 3 " s o f t w a r e u s u a l l y u s e s a l l 8 n e i g h b o r s i n t h e c a s e o f s q u a r e p i x e l s b y d e f a u l t . E r o s i o n r e d u c e s f e a t u r e a l l a r o u n d t h e i r p e r i p h e r y . I t i s a g l o b a l o p e r a t i o n w o r k i n g o n t h e e n t i r e i m a g e a t o n c e . T h e e f f e c t o f a p p l y i n g e r o s i o n f u n c t i o n w i t h d i f f e r e n t n u m b e r o f i t e r a t i o n s o n b i n a r y E S E M a n d fl u o r e s c e n t c o n c r e t e m i c r o g r a p h s i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 . 7 . D i l a t i o n i s t h e c o n v e r s e o f e r o s i o n . M a t h e m a t i c a l l y , d i l a t i o n i s p e r f o r m e d b y c h a n g e a n y " o f f " p i x e l t o “ o n ” i f i t h a s a t l e a s t o n e “ o n ” n e i g h b o r . T h i s c a s e s f e a t u r e s t o g r o w ( o r d i l a t e ) i n s i z e . w h i c h w i l l fi l l i n s m a l l b r e a k s i n f e a t u r e s . i n t e r n a l v o i d s , o r s m a l l i n d e n t a t i o n s a l o n g t h e f e a t u r e s u r f a c e . T h e e f f e c t o f d i l a t i o n f u n c t i o n w a s i l l u s t r a t e d i n U F i g u r e " . 8 I 2 0 fl O r i g i n a l I m a g e 2 5 0 X H ( a ) F l u o r e s c e n t ( b ) E S E M E r o d e d I m a g e s F i g u r e 5 . 7 A p p l y i n g E r o s i o n F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s 1 2 1 O r i g i n a l I m a g e 2 5 0 X O r i g i n a l I m a g e 1 2 5 X D i l a t e d I m a g e s ( a ) F l u o r e s c e n t ( b ) E S E M F i g u r e 5 . 8 A p p l y i n g D i l a t i o n F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s I t c a n b e s h o w n i n F i g u r e 5 . 7 t h a t a p p l y i n g e r o s i o n o p e r a t i o n p r o v i d e s t h e o p p o r t u n i t y t o e l i m i n a t e o b j e c t s w i t h a c e r t a i n f o r m ; i t h a s t h e d i s a d v a n t a g e t h a t a l l t h e r e m a i n i n g o b j e c t s s h r i n k i n s i z e . I n o r d e r t o o v e r c o m e t h a t p r o b l e m e r o s i o n a n d d i l a t i o n o p e r a t i o n s m a y b e u s e d t o g e t h e r . T h i s r e c o v e r s m o s t o f t h e o r i g i n a l f e a t u r e s i z e w h i l e p r o d u c i n g a s m o o t h s h a p e . T h e s e q u e n c e o f e r o s i o n f o l l o w e d b y d i l a t i o n i s c a l l e d a n o p e n i n g . T h e i n i t i a l e r o s i o n r e m o v e s s m a l l f e a t u r e s w h i c h m a y r e p r e s e n t n o i s e . a n d a l s o s h a r p p r o t u b e r a n c e s f r o m t h e f e a t u r e o u t l i n e . T h e s u b s e q u e n t d i l a t i o n d o e s n o t r e s t o r e t h e s m a l l f e a t u r e s . w h i c h h a v e p e r m a n e n t l y d i s a p p e a r e d . b u t i t d o e s fi l l i n a n y s m a l l i n d e n t a t i o n s i n t h e o u t l i n e s . T h e o v e r a l l r e s u l t i s t h a t t h e f e a t u r e s i z e i s r e s t o r e d t o n e a r l y t h e o r i g i n a l v a l u e , w h i l e t h e s h a p e i s m o d i fi e d t o b e c o m e m o r e r o u n d e d a n d s m o o t h . T h e e f f e c t o f o p e n i n g o p e r a t i o n i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 . 9 . I n c o n t r a s t t o o p e n i n g o p e r a t i o n , c l o s i n g i s t h e c o m b i n a t i o n s o f d i l a t i o n f o l l o w e d b y e r o s i o n . C l o s i n g e n l a r g e s o b j e c t s a n d c l o s e s s m a l l h o l e s . A p p l y i n g e r o s i o n o p e r a t i o n a f t e r d i l a t i o n i s u s u a l l y r e v e r s e t h e g e n e r a l e n l a r g e m e n t o f t h e o b j e c t b y t h e s i z e o f t h e m a s k . E f f e c t o f a p p l y i n g c l o s i n g o p e r a t i o n i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 . 1 0 . I n c o n t r a s t t o e r o s i o n , d i l a t i o n e n l a r g e s o b j e c t s a n d c l o s e s s m a l l h o l e s a n d c r a c k s . G e n e r a l e n l a r g e m e n t o f t h e o b j e c t b y t h e s i z e o f t h e m a s k c a n b e r e v e r s e d b y f o l l o w - u p e r o s i o n . T h i s c o m b i n a t i o n o f o p e r a t i o n s i s c a l l e d a c l o s i n g o p e r a t i o n . T h e e f f e c t o f c l o s i n g o p e r a t i o n i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 . 1 0 . O r i g i n a l I m a g e 2 5 0 X O r i g i n a l I m a g e 1 2 5 X fl I m a g e s A f t e r O p e n i n g ( a ) F l u o r e s c e n t ( b ) E S E M F i g u r e 5 . 9 A p p l y i n g O p e n i n g F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s 1 2 4 O r i g i n a l I m a g e 2 5 0 X O r i g i n a l I m a g e I 2 5 X ' 1 ‘ . u , 1 . M , 1 . . . \ ' . 1 H . . » ‘ . . r a . ' a » . . . w ' I 1 I m a g e s A f t e r C l o s i n g ( a ) F l u o r e s c e n t ( b ) E S E M F i g u r e 5 . 1 0 A p p l y i n g C l o s i n g F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s 1 2 5 B o t h o p e n i n g a n d c l o s i n g o p e r a t i o n s a r e i d e m p o t e n t o p e r a t i o n s ; i . e . . a s e c o n d a p p l i c a t i o n o f a c l o s i n g a n d o p e n i n g w i t h t h e s a m e o p e r a t o r m a s k d o e s n o t s h o w a n y f u r t h e r e f f e c t . F i g u r e 5 . 1 1 i l l u s t r a t e s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n o p e n i n g a n d c l o s i n g f u n c t i o n s . O p e n i n g 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l C l o s i n g E r o s i o n F i g u r e 5 . 1 1 O p e n i n g a n d C l o s i n g O p e r a t i o n s o n B i n a r y P i x e l s 7 7 A l t h o u g h a p p l y i n g d i l a t i o n o p e r a t i o n c a n fi l l v e r y s m a l l h o l e s i n t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t . i t c a n n o t fi l l b i g h o l e s t h a t m a y e x i s t i n s o m e f e a t u r e s . D i l a t i o n o p e r a t i o n c a n ’ t r e g a i n t h e m i s s i n g p a r t a t l o w n u m b e r o f i t e r a t i o n s . I n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f d i l a t i o n i t e r a t i o n s t o r e c o v e r t h e m i s s i n g h o l e c a n s t r i c t l y d a m a g e t h e w h o l e i m a g e b y s w e l l i n g t h e s i z e o f t h e o t h e r f e a t u r e s . T h e r e b y . a p p l y i n g h o l e - fi l l f u n c t i o n i s e s s e n t i a l i n t h a t c a s e . T h e h o l e - fi l l f u n c t i o n r e c o v e r s t h e m i s s i n g h o l e s w i t h i n a n y f e a t u r e ( m i c r o c r a c k o r v o i d ) w i t h o u t a n y 1 2 6 c h a n g e t o i t s s i z e a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 1 2 . A p p l i c a t i o n o f t h e h o l e - fi l l f u n c t i o n t o m i c r o c r a c k s o r v o i d s t h a t d o n o t h a v e a n y h o l e s d o e s n o t p r o d u c e a n y h a r m f u l e f f e c t o n t h e m o r t h e r e s t o f f e a t u r e s i n t h e i m a g e . B e t w e e n a u t o - t h r e s h o l d a n d h o l e - fi l l f u n c t i o n s . t h e r e a r e m a n y s c e n a r i o s c a n b e p r o p o s e d t o a c h i e v e t h e g o a l o f e n h a n c i n g t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) : a l t e r n a t i v e s c e n a r i o s c o m b i n e d i n t h i s w o r k a r e s h o w n i n F i g u r e 5 . 1 3 . A s p r e v i o u s l y m e n t i o n e 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 b y i m p r e g n a t i o n w i t h W o o d ‘ s m e t a l f o r e n v i r o n m e n t a l 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 y ( E S E M ) a n d w i t h i n k f o l l o w e d b y e p o x y f o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p e ( s e c t i o n 4 . 2 . 4 ) . C o n c r e t e m i c r o g r a p h s w e r e c a p t u r e d u s i n g e i t h e r E S E M o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p e , a n d t h e a l t e r n a t i v e i m a g e p r o c e s s i n g s c e n a r i o s w e r e a p p l i e d t o t h o s e i m a g e s . T h e e f f e c t o f a p p l y i n g t h e a l t e r n a t i v e s c e n a r i o s o n fl u o r e s c e n t a n d E S E M m i c r o g r a p h s i s s h o w n i n F i g u r e s 5 . 1 4 a n d 5 . 1 5 r e s p e c t i v e l y . A p p l y i n g t h o s e s c e n a r i o s o n n u m e r o u s i m a g e s s h o w e d t h e b e s t r e s u l t s w e r e g e n e r a l l y o b t a i n e d w h e n S c e n a r i o # 1 a n d # 7 w e r e i m p l e m e n t e d . S c e n a r i o # 1 m a y b e u s e f u l w h e n i m a g e s c o n t a i n a n o t i c e a b l e n u m b e r o f n o i s e w h e r e a p p l i c a t i o n o f t h e o p e n i n g o p e r a t i o n f i r s t f o l l o w e d b y t h e c l o s i n g o p e r a t i o n p r o b a b l y r e s t o r e t h e i m a g e a f t e r r e m o v a l o f n o i s e . I m a g e s c o n t a i n i n g m i s s i n g p a r t s o f f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) c a n b e n e f i t f r o m S c e n a r i o # 7 s i n c e t h e c l o s i n g o p e r a t i o n . w h e n a p p l i e d fi r s t , h e l p s r e c o v e r s o m e m i s s i n g p a r t s o f t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t w h i l e p r e v e n t i n g f u r t h e r l o s s e s i n o r i g i n a l f e a t u r e c a u s e d b y t h e o p e n i n g o p e r a t i o n . I m a g e s A f t e r H o l e - F i l l ( a ) F l u o r e s c e n t ( b ) E S E M F i g u r e 5 . 1 2 A p p l y i n g H o l e - F i l l F u n c t i o n o n F l u o r e s c e n t a n d E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h s 1 2 8 T h e q u a l i t y o f t h e o r i g i n a l i m a g e d e c i d e s t h e l e v e l o f c h a n g e b r o u g h t a b o u t b y a n y o f t h e s e s c e n a r i o s . F o r e x a m p l e , t h e g e n e r a l l y b e t t e r q u a l i t y o f e n v i r o n m e n t a l s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h s , w h e n c o m p a r e d w i t h fl u o r e s c e n t m i c r o g r a p h s , i m p l i e s t h a t E S E M i m a g e s a r e l e s s s e n s i t i v e t o t h e s e l e c t i o n o f p a r t i c u l a r i m a g e p r o c e s s i n g s c e n a r i o s . I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e o p t i m u m n u m b e r o f i t e r a t i o n s i n d i f f e r e n t i m a g e p r o c e s s i n g o p e r a t i o n s . c o n c r e t e m i c r o s c o p i c i m a g e s w e r e p r o c e s s e d w i t h e a c h s c e n a r i o u s i n g d i f f e r e n t n u m b e r o f i t e r a t i o n s ( r a n g i n g f r o m I t o 1 0 ) . T h e r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t a l o w n u m b e r o f i t e r a t i o n s o f t h e o p e n i n g f u n c t i o n c o u l d n o t e f fi c i e n t l y r e m o v e t h e n o i s e f r o m i m a g e s ; a h i g h n u m b e r o f i t e r a t i o n s o f t h e o p e n i n g o p e r a t i o n , o n t h e o t h e r h a n d r e m o v e s p a r t s ( p i x e l s ) o f t h e f e a t u r e o f i n t e r e s t . I n t h e c a s e o f c l o s i n g o p e r a t i o n s . a l o w n u m b e r o f i t e r a t i o n s m a y n o t e f f e c t i v e l y r e s t o r e m i s s i n g p a r t s o f i n t e r e s t , w h i l e a h i g h n u m b e r o f i t e r a t i o n s c o u l d c a u s e n o t i c e a b l y s w e l l i n g o f f e a t u r e s . y i e l d i n g m i s l e a d i n g m e a s u r e m e n t s . I t w a s a l s o n o t i c e d t h a t u s i n g f i x e d n u m b e r o f c l o s i n g a n d o p e n i n g i t e r a t i o n s m a y n o t b e u n i v e r s a l l y a p p l i c a b l e t o d i f f e r e n t i m a g e c o n d i t i o n s ; h e n c e . a r a n g e w a s s u g g e s t e d f o r t h e n u m b e r o f i t e r a t i o n s f o r d i f f e r e n t s c e n a r i o s . T h e s e r a n g e s w e r e ( 0 — 2 ) f o r o p e n i n g o p e r a t i o n . a n d ( 0 - 3 ) f o r c l o s i n g o p e r a t i o n . T h e o p t i m u m n u m b e r o f i t e r a t i o n s f o r c e r t a i n i m a g e c o n d i t i o n d e p e n d s o n t h e a m o u n t o f n o i s e a n d t h e s i z e o f n o i s e r e l a t i v e t o t h e s i z e o f t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t . F i g u r e 5 . 1 6 t h r o u g h F i g u r e 5 . 1 9 s h o w t h e e f f e c t o f a p p l y i n g o p e n i n g a n d c l o s i n g o p e r a t i o n s a t d i f f e r e n t n u m b e r o f i t e r a t i o n s o n fl u o r e s c e n t a n d E S E M c o n c r e t e m i c r o g r a p h s r e s p e c t i v e l y . O r i g i n a l A u t o B i n a r y O p e n i n g I m a g e a f t e r C l o s i n g ( G r a y ) i m a g e ’ i m a g e ’ o p e n i n g T h r e s h o l d W i t h “ m ” W i t h “ 1 1 ” n u m b e r o f n u m b e r o f i t e r a t i o n s i t e r a t i o n s I m a g e a f t e r H O I C ‘ fi ” T h e fi n a l c l o s i n g — — _ _ ' h i m a g e r e a d y f o r a n a l y s i s S c e n a r i o # 1 . - T h e fi n a l O r i g i n a l A U “ ) B i n a r y O p e n i n g I m a g e a f t e r H O I E ' I ' “ i m a g e ( G r a y ) — _ ' H i m a g e _ — V o e n i n — ’ - . . 0 T h r e s h o l d W i t h “ m ” p g r e a d y f o r i m a g e a n a l y s r s n u m b e r o f i t e r a t i o n s S c e n a r i o # 2 . - T h e fi n a l O r i g i n a l A u t o B i n a r y C 1 0 5 1 ” g I m a g e a f t e r H O I C ' h “ i m a g e ( G r a y ) i m a g e ‘ — H o p e n i n g " — _ _ “ r e a d y f o r i m a g e T h r e s h o l d W i t h “ n ” a n a l y s i s n u m b e r o f i t e r a t i o n s S c e n a r i o # 3 0 . ’ . T h e fi n a l O r i g i n a l A u t o B i n a r y E r o s i o n I m a g e a f t e r H o l e - fi l l i m a g e ( G r a y ) i m a g e e r o s i o n r e a d y f o r i m a g e T h r e s h o l d W i t h “ m ” a n a l y s i s n u m b e r o f i t e r a t i o n s S c e n a r i o # 4 . . T h e fi n a l O r i g i n a l A u t o B i n a r y D i l a t i o n I m a g e a fi e r H o l e - fi l l i m a g e ( G r a y ) — — ‘ > i m a g e d i l a t i o n y r e a d y f o r i m a g e T h r e s h o l d W i t h “ n ” a n a l y s i s n u m b e r o f i t e r a t i o n s S c e n a r i o # 5 O r i g i n a l A u t o B i n a r y E r o s i o n I m a g e a f t e r D i l a t i o n ( G r a y ) i m a g e e r o s i o n i m a g e T h r e s h o l d W i t h “ m ” W i t h “ 1 1 ” n u m b e r o f n u m b e r o f i t e r a t i o n s i t e r a t i o n s I m a g e a f t e r H o l e - f i l l T h e fi n a l d i l a t i o n i m a g e r e a d y f o r a n a l y s i s S c e n a r i o # 6 O r i g i n a l ( G r a y ) i m a g e O r i g i n a l ( G r a y ) i m a g e S c e n a r i o # 8 A t o , " . ' u B i n a r y C l o s i n g I m a g e a f t e r O p e n i n g ‘ > i m a g e . c l o s i n g . T h r e s h o l d W i t h “ 1 1 ” W i t h “ 1 1 1 ” n u m b e r o f n u m b e r o f i t e r a t i o n s i t e r a t i o n s I m a g e a f t e r H o l e - fi l l T h e fi n a l — — — fi o p e n i n g — ‘ _ — ’ i m a g e r e a d y f o r a n a l y s i s S c e n a r i o # 7 A u t o . D i l a t i o n E r o s i o n B i n a r y I m a g e a f t e r — — _ > i m a e d i l a t i o n T h r e s h o l d g W i t h “ i t ” W i t h “ m ” n u m b e r o f n u m b e r o f i t e r a t i o n s i t e r a t i o n s ‘ H o l e - f i l l I m a g e a f t e r T h e fi n a l E r o s i o n — > i m a g e r e a d y f o r a n a l y s i s F i g u r e 5 . 1 3 P r o p o s e d I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o s . ‘ . . , ( a ) O r i g i n a l G r a y I m a g e ( b ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 1 ) ( c ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 2 ) ( ( 1 ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 3 ) ( e ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 4 ) I 3 3 - 2 : ( 1 ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 5 ) ( g ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 6 ) . c 4 o . 1 . . ( h ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 7 ) ( i ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 8 ) F i g u r e 5 . 1 4 E f f e c t o f A p p l y i n g D i f f e r e n t I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o s o n F l u o r e s c e n t G r a y S c a l e C o n c r e t e M i c r o g r a p h a t M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 X ( a ) O r i g i n a l G r a y I m a g e ( b ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 1 ) ( c ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 2 ) ( c ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 3 ) ( ( 1 ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 4 ) I 3 5 ( 1 ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 5 ) ( g ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 6 ) ( 1 1 ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 7 ) ( i ) F i n a l I m a g e ( S c e n a r i o # 8 ) F i g u r e 5 . 1 5 E f f e c t o f A p p l y i n g D i f f e r e n t I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o s o n E S E M G r a y S c a l e C o n c r e t e M i c r o g r a p h a t M a g n i fi c a t i o n 2 5 0 x 1 3 6 O r i g i n a l I m a g e 2 5 0 X I N u m b e r o f I t e r a t i o n s 5 N u m b e r o f I t e r a t i o n s 1 0 N u m b e r o f I t e r a t i o n s F i g u r e 5 . 1 6 A p p l y i n g O p e n i n g O p e r a t i o n o n F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s I 3 7 1 N u m b e r o f I t e r a t i o n s 5 N u m b e r o f I t e r a t i o n s 1 0 N u m b e r o f I t e r a t i o n s F i g u r e 5 . 1 7 A p p l y i n g O p e n i n g O p e r a t i o n o n E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s I 3 8 I N u m b e r o f I t e r a t i o n s 5 N u m b e r o f I t e r a t i o n s 1 0 N u m b e r o f I t e r a t i o n s F i g u r e 5 . 1 8 A p p l y i n g C l o s i n g O p e r a t i o n o n F l u o r e s c e n t C o n c r e t e M i c r o g r a p h a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s I 3 9 B i n a r y I m a g e I . . . F ' i . . . 1 N u m b e r o f I t e r a t i o n s 5 N u m b e r o f I t e r a t i o n s 1 0 N u m b e r o f I t e r a t i o n s F i g u r e 5 . 1 9 A p p l y i n g C l o s i n g O p e r a t i o n o n E S E M C o n c r e t e M i c r o g r a p h a t D i f f e r e n t N u m b e r o f I t e r a t i o n s I 4 0 5 . 2 . 2 D e t a c h m e n t o f l n t e r s e c t i n g a n d / o r C o n n e c t e d M i c r o c r a c k s a n d V o i d s I n f e w c a s e s . s o m e c o n c r e t e m i c r o c r a c k s a n d v o i d s c o u l d i n t e r s e c t , a n d s o m e c o n c r e t e v o i d s c o u l d a l s o b e a t t a c h e d . M e a s u r e m e n t s s u c h a s p e r i m e t e r , c r a c k w i d t h , a n d v o i d d i a m e t e r c o u l d b e i n a c c u r a t e i f s u c h c o n n e c t e d f e a t u r e s a r e n o t d e t a c h e d . A n i m a g e p r o c e s s i n g s c e n a r i o w a s d e v e l o p e d t o d e t a c h c o n n e c t e d a n d i n t e r s e c t i n g f e a t u r e s . T h i s s c e n a r i o b e g i n s w i t h a p p l i c a t i o n o f t h e “ o p e n i n g ” o p e r a t i o n o n t h e o r i g i n a l ( g r a y ) i m a g e ( F i g u r e 5 . 2 0 a ) w i t h l a r g e n u m b e r o f i t e r a t i o n s ( a b o u t 1 0 ) i n o r d e r t o r e m o v e m i c r o c r a c k s a n d p r o d u c e a n i m a g e w i t h o n l y v o i d s ( F i g u r e 5 . 2 0 b ) ; t h e p o i n t o p e r a t i o n f u n c t i o n “ a r i t h m e t i c - s u b t r a c t ” w a s a p p l i e d t o c r e a t e a n o t h e r i m a g e c o n t a i n i n g t h e r e m o v e d m i c r o c r a c k s ( F i g u r e 5 . 2 0 c ) . T h e “ o p e n i n g ” f u n c t i o n m a y b e a p p l i e d o n t h e m i c r o c r a c k i m a g e w i t h s m a l l n u m b e r o f i t e r a t i o n s ( a b o u t 3 ) f o r t h e p u r p o s e o f n o i s e r e m o v a l . T h e n e x t s t e p i s t o a p p l y t h e “ e r o s i o n ” f u n c t i o n o n t h e v o i d s i m a g e i n o r d e r f o l l o w e d b y t h e “ t h i n n i n g ” o p e r a t i o n b y u s i n g “ I e r o d e K e r n e l ” w i t h a r e l a t i v e l y l a r g e n u m b e r o f i t e r a t i o n s ( a b o u t 8 ) ( F i g u r e 5 . 2 0 d ) . T h e “ t h i n n i n g ” o p e r a t i o n i s m e a n t t o r e m o v e s o m e p i x e l s . w h i c h c o n n e c t c r a c k s w i t h v o i d s , a r o u n d v o i d s w i t h o u t a n o t i c e a b l e l o s s o f f e a t u r e a r e a . T h e p o i n t o p e r a t i o n f u n c t i o n “ a r i t h m e t i c — a d d ” i s t h e n a p p l i e d t o r e c o n s t r u c t t h e o r i g i n a l i m a g e a g a i n ( F i g u r e 5 . 2 0 c ) . y i e l d i n g a n i m a g e v e r y s i m i l a r t o t h e o r i g i n a l i m a g e ( g r a y ) o n e w h e r e c o n n e c t e d / i n t e r s e c t i n g f e a t u r e s w a s d e t a c h e d . T h e “ A u t o - t h r e s h o l d ” f u n c t i o n c a n b e a p p l i e d o n t h e r e s u l t i n g i m a g e i n o r d e r t o t r a n s f o r m i t t o a b i n a r y s c a l e i m a g e . S u b s e q u e n t l y , t h e “ c l o s i n g ” f u n c t i o n m a y b e a p p l i e d i n o r d e r t o c o m p e n s a t e f o r s o m e o f t h e r e m o v e d p i x e l s . F i n a l l y t h e “ h o l e - fi l l ” f u n c t i o n c a n b e a p p l i e d t o fi l l t h e e m p t y h o l e s c r e a t e d i n v o i d s b y t h e “ e r o s i o n o p e r a t i o n " ( F i g u r e 5 . 2 0 1 ) . F i g u r e 5 . 2 1 p r e s e n t s a n o t h e r a p p l i c a t i o n o f t h e i m a g e p r o c e s s i n g s c e n a r i o t o d e t a c h c o n n e c t e d m i c r o c r a c k s a n d v o i d s . 1 4 1 ( e ) A r i t h m e t i c - A d d O p e r a t i o n ( f ) A u t o — T h r e s h o l d a n d H o l e - F i l l O p e r a t i o n s F i g u r e 5 . 2 0 I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o f o r D e t a c h m e n t o f l n t e r s e c t i n g M i c r o c r a c k s a n d V o i d s I 4 2 i i ( a ) O r i g i n a l " G r a y ” I m a g e ( b ) O p e n i n g O p e r a t i o n ( e ) A r i t h m e t i c - A d d O p e r a t i o n ( 1 ) A u t o - T h r e s h o l d a n d H o l e — F i l l O p e r a t i o n s F i g u r e 5 . 2 1 I m a g e P r o c e s s i n g S c e n a r i o f o r D e t a c h m e n t o f l n t e r s e c t i n g M i c r o c r a c k s a n d V o i d s a s w e l l a s C o n n e c t e d V o i d s I 4 3 5 . 3 I M A G E A N A L Y S I S I m a g e a n a l y s i s i s b r o a d l y d e fi n e d a s e x t r a c t i n g a u s e f u l n u m e r i c a l d a t a f r o m a n i m a g e . 7 5 I m a g e a n a l y s i s i s g e n e r a l l y i m p l e m e n t e d a f t e r i m a g e p r o c e s s i n g s t e p s . I m a g e a n a l y s i s i s u s e d t o d e t e r m i n e q u a n t i t a t i v e l y t h e d i f f e r e n t c o m p o u n d s o f c o n c r e t e s p e c i m e n s a n d t o a s s e s s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f i t s c o m p o n e n t s . 8 0 T h e a i m o f i m a g e a n a l y s i s i s t o e x t r a c t a n d p r o d u c e t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s o f e a c h i m a g e . T h e r e a r e m a n y m e t h o d s a n d t e c h n i q u e s c a n b e u s e d t o p e r f o r m i m a g e a n a l y s i s . S e l e c t i o n o f t h e s u i t a b l e i m a g e a n a l y s i s t e c h n i q u e d e p e n d s o n t h e t y p e a n d a m o u n t o f t h e i m a g e s t o b e a n a l y z e d a n d s p e e d a n d p r e c i s i o n o f t h e r e q u i r e d i n f o r m a t i o n . B o x c o u n t i n g m e t h o d . i s u s e d t o d e t e r m i n e t h e f r a c t a l d i m e n s i o n o f t h e c r a c k s s t r u c t u r e . 1 1 1 t h e b o x c o u n t i n g m e t h o d , t h e i m a g e i s c o v e r e d b y m e a n s o f r e c t a n g u l a r g r i d s o f p r o g r e s s i v e l y d e c r e a s i n g l i n e a r s i z e a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 2 . T h e f r a c t a l d i m e n s i o n i s o b t a i n e d b y c o m p u t i n g t h e l o g a r i t h m i c d e n s i t y o f t h e m e a s u r e o f t h e s e s c o v e r i n g s , a s t h e i r l i n e a r s i z e d e c r e a s e s . “ I t i s o b v i o u s t h a t b o x c o u n t i n g m e t h o d i s v e r y l i m i t e d t o o n l y o n e m e a s u r e m e n t a n d i t i s e l i g i b l e o n l y f o r c r a c k s . A n o t h e r m e t h o d o f i m a g e a n a l y s i s f o r c r a c k s i s d e v e l o p e d b y m a p p i n g t h e c r a c k s a f t e r i m a g i n g , a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 3 , a n d m a n u a l l y m e a s u r e t h e l e n g t h a n d t h e a r e a o f t h e c r a c k s . 8 2 T h i s m e t h o d i s t e d i o u s , t i m e c o n s u m i n g a n d c a n ’ t p r o v i d e h i g h p r e c i s i o n . M o r e o v e r , i t c a n ’ t b e a p p l i e d o n l a r g e n u m b e r o f i m a g e s o r o n v o i d s d u e t o t h e d i f fi c u l t y o f m a n u a l m e a s u r i n g . 1 4 4 ( a ) O r i g i n a l I m a g e s 3 : ( b ) T h r e s h o l d I m a g e P a t t e r n s ( c ) A p p l i c a t i o n o f t h e B o x C o u n t i n g M e t h o d F i g u r e 5 . 2 2 B o x C o u n t i n g M e t h o d 8 | 1 m m F i g u r e 5 . 2 3 M i c r o c r a c k M a p p i n g f o r M a n u a l M e a s u r i n g ” I 4 5 F i n i t e e l e m e n t a n d fi n i t e d i f f e r e n c e t e c h n i q u e s a r e n e w l y i n c o r p o r a t e d w i t h i m a g e a n a l y s i s i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e p r o p e r t i e s o r t h e s t r a i n d i s t r i b u t i o n w i t h i n t h e c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l s . 8 3 F i n i t e e l e m e n t t e c h n i q u e i s a p p l i e d t o i m a g e s o b t a i n e d b y t h e X - r a y m i c r o t o m o g r a p h y m e t h o d t o d e t e r m i n e t h e t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f l i m e s i l i c a b r i c k s . T h r o u g h o u t t h i s a p p r o a c h , t h e c i r c u l a r n o i s e r i n g p a t t e r n o fi e n i n h e r e n t i n X - r a y m i c r o t o m o g r a p h i c i m a g e s a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 4 . T h e r e f o r e , i m a g e p r o c e s s i n g o p e r a t i o n s i n c l u d e a s p e c i a l fi l t e r f u n c t i o n t o r e m o v e t h a t k i n d o f n o i s e . T h e p r o v i d e d t e c h n i q u e t h a t s h o w e d t o o h i g h o f a r e s o l u t i o n p r o v i d e s e x c e l l e n t i n d i v i d u a l p o r e d e l i n e a t i o n , b u t r e s u l t s i n a n o v e r a l l v o l u m e w h i c h i s t o o s m a l l t o b e r e p r e s e n t a t i v e . L o w r e s o l u t i o n p r o v i d e s a g o o d r e p r e s e n t a t i v e e l e m e n t a r y v o l u m e , b u t m a y r e s u l t i n p o r e s w h i c h a r e d i f fi c u l t t o i s o l a t e a n d w h o s e 3 - D c o n n e c t i v i t y i s l e s s t h a n t h a t o f t h e p o r e s i n t h e a c t u a l m a t e r i a l . A s a r e s u l t , f o r a m a t e r i a l w i t h a w i d e r a n g e o f p o r e s i z e s ( s u c h a s c e m e n t p a s t e o r m o r t a r ) , i t w i l l b e e x t r e m e l y d i f fi c u l t t o b a l a n c e t h e s e t w o c o n c e r n s . 8 4 F i g u r e 5 . 2 4 O r i g i n a l M i c r o t o m o g r a p h i c I m a g e o f T h e L i m e S i l i c a B r i c k 8 4 I 4 6 I m a g e a n a l y s i s w a s a l s o u s e d f o r t h e q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f t h e m a i n c l i n k e r p h a s e n a m e l y , t h e a l i t e C 3 8 . t h e b e l i t e C 2 8 . a n d t h e m a t r i x , u n i o n o f t w o a l u m i n a t e s C 3 A a n d C 4 A F . 8 5 T h r o u g h o u t t h i s a p p r o a c h , a m a t h e m a t i c a l m o d e l “ L o g a r i t h m i c i m a g e p r o c e s s i n g m o d e l ” w h i c h c o m b i n e s t h e a u t o m a t e d t h r e s h o l d i n g a l g o r i t h m s a n d t h e u s e o f c o n t r a s t b e t w e e n t h e d i f f e r e n t p h a s e s o f c l i n k e r i s d e v e l o p e d f o r t h a t p u r p o s e . T h e o r i g i n a l i m a g e ( F i g u r e 5 . 2 5 ) h a s b e e n p r o c e s s e d u s i n g t h e p r o p o s e d a p p r o a c h t o o b t a i n a l i t e . b e l i t e , a n d m a t r i x . T h e p r o p o s e d a l g o r i t h m s g i v e s a t i s f y i n g r e s u l t s w i t h c l i n k e r f r o m d i f f e r e n t o r i g i n s . n e v e r t h e l e s s i t c a n ’ t b e e x t e n d e d t o a n y o t h e r m a t e r i a l . ( c ) B e l i t e B i n a r y I m a g e ( d ) M a t r i x B i n a r y I m a g e F i g u r e 5 . 2 5 L o g a r i t h m i c I m a g e P r o c e s s i n g A p p r o a c h 8 6 I 4 7 5 . 3 . 1 I m a g e A n a l y s i s F o r m u l a s ( M o d e l s ) T h r o u g h o u t t h e c u r r e n t r e s e a r c h . d i f f e r e n t f o r m u l a s ( m o d e l s ) w e r e p r o p o s e d a n d d e v e l o p e d f o r t h e p u r p o s e o f q u a n t i fi c a t i o n . T h e m a i n t h r u s t o f t h e p r o p o s e d f o r m u l a s i s t o d e t e r m i n e t h e v a r i o u s m e a s u r e m e n t s ( c h a r a c t e r i s t i c s ) o f t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t . I m a g e a n a l y s i s p a r t i s m a i n l y c o n c e r n e d a b o u t t h e m e a s u r e m e n t s i n 2 - D d i r e c t i o n s ( p l a n a r m e a s u r e m e n t s ) o f t h e f e a t u r e s . T h e c h a r a c t e r i s t i c t e r m s o b t a i n e d f r o m 2 - D d i r e c t i o n s a r e t r a n s f o r m e d i n t o p a r a m e t e r s o f 3 - D d i r e c t i o n s u s i n g s t e r e o l o g y i n t e r p r e t a t i o n s . I m a g e a n a l y s i s f o r m u l a s p r o p o s e d h e r e i n c o v e r e d w i d e r a n g e o f m i c r o c r a c k s , v o i d s , a g g r e g a t e s a n d f i b e r s c h a r a c t e r i s t i c s . S e l e c t i o n o f t h e p r o p o s e d 2 - D f o r m u l a s w a s p e r f o r m e d t a k i n g i n t o a c c o u n t c o v e r i n g t h e m e a s u r e m e n t s t h a t m i g h t h a v e p h y s i c a l m e a n i n g a n d m i g h t b e r e l a t e d t o t h e e n g i n e e r 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 . 5 . 3 . 1 . 1 M i c r o c r a c k P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s 0 L e n g t h P e r U n i t A r e a ( L A C ) ” 2 0 . 8 6 - - i n c o n c r e t e s p e c r m e n s a n d C r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a e x p r e s s e s “ c r a c k d e n s i t y p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n a b o u t c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s i n c o n c r e t e . T h e c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ( a r e o f t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t ) c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : L . L . - — " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 ) . l ( _ A r e a w h e r e . L i e = l e n g t h o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k . A r e a = a r e a o f t h e t o t a l i m a g e s i n t h e w h o l e s e c t i o n . 0 P e r i m e t e r P e r U n i t A r e a ( P M ) T h e p e r i m e t e r m e a s u r e d i n i m a g e a n a l y s i s i s t h e o b j e c t p e r i m e t e r m e a s u r e d f o r m p i x e l I 4 8 . 8 7 . . . . . . . c e n t e r t o p i x e l c e n t e r . P e r i m e t e r o f c r a c k s p r o v r d e s a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e b r a n c h i n g o f c r a c k s . I n s o m e c a s e s i t i s p o s s i b l e t h a t t w o c r a c k s m a y h a v e t h e s a m e l e n g t h b u t d i f f e r e n t p e r i m e t e r . h e n c e . c r a c k l e n g t h i s n o t e n o u g h f o r c r a c k c h a r a c t e r i z i n g a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 6 . I d e n t i c a l C r a c k I d e n t i c a l B r a n c h e d C r a c k k — C r a c k L e n g t h _ > ‘ k — C r a c k L e n g t h — . l F i g u r e 5 . 2 6 T w o C r a c k s H a v e T h e S a m e L e n g t h a n d D i f f e r e n t P e r i m e t e r C r a c k p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : I ) I ) . _ I t . 1 1 ' - A r e a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 2 ) w h e r e . P i ( ‘ = p e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k A r e a = a r e a o f t h e t o t a l i m a g e s i n t h e w h o l e s e c t i o n 0 A r e a F r a c t i o n ( A M ) 1 4 9 O b j e c t a r e a i s d e t e r m i n e d a s t h e n u m b e r o f p i x e l s i n t h e p a r t i c l e c o n v e r t e d t o s q u a r e m i c r o n s . X 7 C r a c k s A r e a f r a c t i o n c a n b e c o n s i d e r e d o n e o f t h e p a r a m o u n t p a r a m e t e r s t o c h a r a c t e r i z e d a m a g e i n c o n c r e t e 2 0 s i n c e i n c r e a s i n g c r a c k a r e a f r a c t i o n i n c o n c r e t e g i v e s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e c o n c r e t e h a s h i g h d e g r e e o f d a m a g e . C r a c k a r e a f r a c t i o n c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : w h e r e . A , = a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k . A r e a = a r e a o f t h e t o t a l i m a g e s i n t h e w h o l e s e c t i o n 0 W i d t h i n P l a n e ( c h ) C r a c k w i d t h i s a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r t o c h a r a c t e r i z e c o n c r e t e p r o p e r t i e s a n d p e r f o r m a n c e . s i n c e c r a c k w i d t h c a n b e r e l a t e d t o t h e t h e r m 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 s o m e o f t h e t r a n s p o r t p r o p e r t i e s . C r a c k w i d t h i s d i f fi c u l t t o b e m e a s u r e d s i n c e m o s t o f i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s s o f t w a r e p r o g r a m s d e t e r m i n e t h e b r e a d t h o f t h e f e a t u r e r a t h e r t h a n i t s w i d t h . F i g u r e 5 . 2 7 i l l u s t r a t e s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e b r e a d t h a n d t h e w i d t h o f c r a c k s . C r a c k w i d t h p e r u n i t a r e a c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : / w . . — H , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 4 ) ( I ’ — A r e a w h e r e . W i g = w i d t h o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k A r e a = a r e a o f t h e t o t a l i m a g e s i n t h e w h o l e s e c t i o n 1 5 0 T h e a c t u a l B r e a d t h c r a c k w i d t h _ 1 ‘ _ _ F i g u r e 5 . 2 7 T h e D i f f e r e n c e b e t w e e n C r a c k B r e a d t h a n d W i d t h I f t h e u s e d s o f t w a r e p r o v i d e s c r a c k b r e a d t h r a t h e r t h a n c r a c k w i d t h , a n a l t e r n a t i v e e q u a t i o n m a y b e u s e d . T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y a n e m p i r i c a l e q u a t i o n w a s d e v e l o p e d t o p r o v i d e c r a c k w i d t h m e a s u r e m e n t . T h e p r o p o s e d e q u a t i o n i s a s f o l l o w s : W _ 3 . 5 x A “ . ( ' I ’ _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 5 ) a x L , I n o r d e r t o v a l i d a t e t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e p r o p o s e d e q u a t i o n , 1 0 0 d i f f e r e n t c r a c k s v a r y i n i t s s h a p e a n d s i z e w e r e c a p t u r e d a t d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s a n d m e a s u r e d . T h e a c t u a l w i d t h o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k w a s m e a s u r e d m a n u a l l y b y u s i n g V i s i l o g 5 . 3 ® a n d t h e p r o p o s e d e q u a t i o n w a s a l s o a p p l i e d f o r t h e p u r p o s e o f c o m p a r i s o n . T h e e r r o r a s a p e r c e n t a g e i n t h e c a l c u l a t i o n s o f c r a c k w i d t h b y t h e p r o p o s e d e q u a t i o n i s s h o w n i n T a b l e 5 . 3 a n d t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n c a l c u l a t e d a n d m e a s u r e d c r a c k w i d t h i s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 8 . T h e 2 2 . 8 6 5 m e a n v a l u e o f t h e e r r o r p e r c e n t m a y b e c o n s i d e r e d a n a c c e p t a b l e s i n c e t h e r e i s a l a r g e p o s s i b i l i t y t h a t t h e r e i s a n e r r o r a l s o i n t h e m a n u a l m e a s u r e m e n t . 1 5 1 T a b l e 5 . 3 E r r o r s I n C a l c u l a t e d C r a c k W i d t h b y T h e P r o p o s e d E q u a t i o n E r r o r i n . . M e a s u r e d C a l c u l a t e d S t a t i s t i c s . . C a l c u l a t e d C r a c k C r a c k W i d t h C r a c k W i d t h W i d t h ( % ) M i n i m u m ' 3 a I ) ( P i x e l s ) 6 . 8 3 3 5 . 1 1 0 - 1 9 M a x i m u m . , . . . 2 6 2 . 3 3 2 3 5 . 5 2 6 4 1 . 2 8 5 ( p i x e l s ) M m 4 7 . 3 9 1 3 6 . 7 3 3 2 2 . 8 6 5 ( p i x e l s ) S t d . D e v . 5 0 . 0 0 4 4 4 . 4 5 4 1 3 . 2 7 5 O S p a c i n g i n P l a n e ( 2 0 ( 1 ) ) S p a c i n g o f c r a c k s i s c o n s i d e r e d a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r t o c h a r a c t e r i z e c o n c r e t e p r o p e r t i e s a n d p e r f o r m a n c e . S p a c i n g o f c r a c k s p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e d e g r e e o f d a m a g e a n d p e r m e a b i l i t y i n c o n c r e t e . T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h a m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n i s d e v e l o p e d t o c a l c u l a t e s p a c i n g o f c r a c k s i n p l a n e . I n t h e s i m p l i f i e d m o d e l o f F i g u r e 5 . 2 9 . i t i s a s s u m e d t h a t e a c h c r a c k c a n b e r e p r e s e n t e d b y a c i r c l e h a s t h e s a m e a r e a a n d p o s i t i o n e d i n t h e c e n t e r o f g r a v i t y o f t h e c r a c k . I t i s a l s o a s s u m e d t h a t c r a c k s a r e u n i f o r m l y a n d e q u a l l y d i s t r i b u t e d i n p l a n e ( 2 - D ) . T h e c r a c k s p a c i n g e x p r e s s i o n c a n b e d e r i v e d a s f o l l o w s : I . } . I I . _ — — — . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 6 ) ( 1 1 \ , ( / j i / , t ' w h e r e . L = d i m e n s i o n o f t h e s e c t i o n o f t h e i n t e r e s t N H - = n u m b e r o f c r a c k t h r o u g h l e n g t h ( L ) ) s l e x i p ( h t d i W k c a r C 6 0 , 1 M A N U A L E Q U A T I O N T y p e o f M e a s u r e F i g u r e 5 . 2 8 C o m p a r i s o n b e t w e e n M e a s u r e d a n d C a l c u l a t e d C r a c k W i d t h T h e n u m b e r o f c r a c k s a l o n g l e n g t h L c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : N . . . = v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 7 ) w h e r e . N g c = t o t a l n u m b e r o f c r a c k s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t T h e t o t a l n u m b e r o f c r a c k s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t i s : Z A ’ “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 8 ) I t " ! N s t ‘ : w h e r e . A i m . = m e a n o f t h e a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . B y s u b s t i t u t i o n o f e q u a t i o n s ( 5 . 7 & 5 . 8 ) i n e q u a t i o n ( 5 . 6 ) . t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n c a n b e o b t a i n e d : L 7 . . . . Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 9 ) J 2 A “ . / A i c m w h e r e M p , = s p a c i n g i n p l a n e t h r o u g h l e n g t h ( L ) F o r t h e p u r p o s e o f n o r m a l i z a t i o n ( s p a c i n g p e r u n i t l e n g t h ) , l e n g t h ( L ) c a n b e r e p l a c e d b y l e n g t h p e r u n i t a r e a . a n d t h e a r e a o f c r a c k s c a n b e r e p l a c e d b y a r e a f r a c t i o n . T h e c r a c k s p a c i n g i n p l a n e t h u s c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : 1 7 . . . , = _ / _ . , , . _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 0 ) E A . . . - w h e r e . A M - = c r a c k a r e a f r a c t i o n T h e d i a g o n a l s p a c i n g c a n b e o b t a i n e d b y u s i n g t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : ) K ' p d j u g o n u l z \ / ( ( 2 7 ‘ 1 ” ) 2 + ( A F / 1 1 ‘ ) 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 1 ) w h e r e . i n , “ = s p a c i n g i n X d i r e c t i o n i . e . . . . = s p a c i n g i n Y d i r e c t i o n E q u a t i o n s ( 5 . 1 0 ) a n d ( 5 . 1 1 ) y i e l d t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n f o r d i a g o n a l s p a c i n g : 7 . . . . . . , , . = . . . 5 Z A _ . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 2 ) A “ w h e r e . l t p c d i u g m ” = d i a g o n a l s p a c i n g 0 A n g l e o f O r i e n t a t i o n i n P l a n e ( ( 0 ( ‘ ) D i r e c t i o n o f c o n c r e t e c r a c k s c a n b e p r o v i d e d b y t h e a n g l e o f o r i e n t a t i o n . O r i e n t a t i o n o f c o n c r e t e c r a c k s c a n b e r e l a t e d t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g s i n c e e a c h d i f f e r e n t d i r e c t i o n o f l o a d i n g m a y l e a d t o a c e r t a i n c r a c k o r i e n t a t i o n . C r a c k o r i e n t a t i o n c a n a f f e c t d i f f u s i o n p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . A n g l e o f o r i e n t a t i o n o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k c a n b e d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g a n g l e o f c r a c k l e n g t h i n c l i n a t i o n o n h o r i z o n t a l ( X - X ) o r v e r t i c a l ( Y - Y ) . T h r o u g h o u t t h e s t u d y , a n g l e o f o r i e n t a t i o n o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k w a s d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g a n g l e o f c r a c k l e n g t h i n c l i n a t i o n o n t h e h o r i z o n t a l a x i s a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 2 9 . + Y C r a c k F i g u r e 5 . 2 9 S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f C r a c k A n g l e o f O r i e n t a t i o n ( c o c ) 4 ‘ 7 ” " ! ” a c " L e n g ’ h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 3 ) O T o r t u o s i t y i n P l a n e ( T c p ) C r a c k t o r t u o s i t y i s a u s e f u l q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t o r o f t h e p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f c r a c k s i n c o n c r e t e . P r o p a g a t i o n o f c r a c k s i n c o n c r e t e d e p e n d s o n t h e s t r e n g t h o f m o r t a r a n d a g g r e g a t e . I n n o r m a l s t r e n g t h c o n c r e t e , c r a c k i n g o c c u r i n m o r t a r a n d m o s t o f c r a c k s t o r t u o u s i t s p a t h a r o u n d t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e s a n d a s a r e s u l t m o r e a I g r e g a t e p a r t i c l e s i n c o n c r e t e l e a d s t o m o r e t o r t u o u s c r a c k s . T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y c r a c k t o r t u o s i t y i s e x p r e s s e d a s f o l l o w s . r ‘ ( ' l ’ — P r o j e c t e a ' C r a c k L e n g t h D u e t o d i f fi c u l t y i n m e a s u r i n g t h e a c t u a l c r a c k l e n g t h , t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n w a s p r o p o s e d P . T ” , = 7 ] " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 4 ) w h e r e . P i c = p e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k . L i C = l e n g t h o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k . 9 C r a c k D e g r e e o f O r i e n t a t i o n i n P l a n e ( Q c p ) W h i l e a n g l e o f o r i e n t a t i o n c a n p r o v i d e a n i n d i c a t i o n a b o u t o r i e n t a t i o n o f e a c h i n d i v i d u a l c r a c k . d e g r e e o f o r i e n t a t i o n p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e o r i e n t a t i o n o f t h e o v e r a l l c r a c k s i n t h e s a m e s e c t i o n . I f d e g r e e o f o r i e n t a t i o n ( ( 2 . , = 1 ) . t h i s m e a n s t h a t t h e c r a c k s s y s t e m i s c o m p l e t e l y p l a n a r o r i e n t a t e d i n a c e r t a i n d i r e c t i o n . I f d e g r e e o f o r i e n t a t i o n ( 0 , , = 0 . 0 ) . t h i s m e a n s t h a t t h e c r a c k s s y s t e m i s c o m p l e t e l y p l a n a r r a n d o m s y s t e m . 8 8 1 5 6 D e p e n d i n g o n t h e v a l u e o f t h e 9 , , ( b e t w e e n z e r o a n d l ) t h e c r a c k s s y s t e m c a n b e c l a s s i fi e d a p a r t i a l l y p l a n a r o r i e n t e d s y s t e m . A s s u m i n g c r a c k s a s s y s t e m o f l i n e s i n t h e p l a n e . c r a c k d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n p l a n e c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : 8 9 = [ ( P L l ’ b l e ’ m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 1 5 ) " ” [ ( P L ) t J _ + 0 . 5 7 1 ( P L ) t I I ] w h e r e ( P L ) ! 1 o r ( P L ) t l l = n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 3 0 . S u b s c r i p t s ” _ I _ ” a n d “ I I " r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f c r a c k s . S u b s c r i p t “ t ” r e f e r s t o t h e t o t a l p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n a c e r t a i n d i r e c t i o n . S u b s c r i p t s ” J . ” a n d “ 1 ] " r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f c r a c k s . S u b s c r i p t “ ” t r e f e r s t o t h e t o t a l p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n a c e r t a i n d i r e c t i o n . - 3 \ 5 P o i n t I n t e r s e c t i o n w r " C r a c k / \ F i g u r e 5 . 3 0 S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f P o i n t I n t e r s e c t i o n s 1 5 7 5 . 3 . 1 . 2 V o i d P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s 0 E q u i v a l e n t D i a m e t e r ( d r y ) T h e e q u i v a l e n t c i r c u l a r d i a m e t e r i s t h e d i a m e t e r o f a fi c t i t i o u s c i r c u l a r t h a t h a s t h e s a m e a r e a a s t h e v o i d . 8 0 T h e e q u i v a l e n t d i a m e t e r p r o v i d e s a n e a s y w a y t o e s t i m a t e t h e d i a m e t e r o f t h e v o i d : a s s u m i n g t h a t t h e v o i d i s s p h e r i c a l i n s h a p e . O n c e t h e a r e a h a s b e e n d e t e r m i n e d . i t i s o f t e n c o n v e n i e n t t o e x p r e s s i t a s a n e q u i v a l e n t c i r c u l a r d i a m e t e r a n d s i m p l y c a l c u l a t e d f r o m t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : 4 1 i t “ . = . f X “ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 6 ) 7 2 ' w h e r e A . . . = a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d . 0 A r e a F r a c t i o n ( A A V ) V o i d s a r e a f r a c t i o n i s i m p o r t a n t p a r a m e t e r . A r e a f r a c t i o n o f v o i d s p r o v i d e s a m e a s u r e a b o u t a i r c o n t e n t i n c o n c r e t e . A i r c o n t e n t i s a n i m p o r t a n t f a c t o r f o r c o n c r e t e s u b j e c t e d t o f r e e z e - t h a w c y c l e s . A r e a f r a c t i o n o f v o i d s i n c o n c r e t e c a n b e o b t a i n e d u s i n g t h e s a m e e x p r e s s i o n f o r c r a c k s . w h e r e A . . . = a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d . A r e a = a r e a o f t h e t o t a l i m a g e s i n t h e w h o l e s e c t i o n . 1 5 8 O P e r i m e t e r P e r U n i t A r e a ( P A V ) V o i d p e r i m e t e r p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e n a t u r e o f v o i d s i n s i d e s o m e s p e c i a l t y p e s o f c o n c r e t e s s u c h a s a e r a t e d c o n c r e t e . P e r i m e t e r p e r u n i t a r e a c a n b e o b t a i n e d b y t h e f o l l o w i n g : P . P “ . = " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 1 8 ) A r e a w h e r e . P i , = t h e p e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d . A r e a = a r e a o f t h e t o t a l i m a g e s i n t h e w h o l e s e c t i o n . 0 N u m b e r P e r U n i t A r e a ( N A V ) N u m b e r o f v o i d s i n c o n c r e t e 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 i m p o r t a n t p a r a m e t e r s . T h e i m p o r t a n c e o f t h e n u m b e r o f v o i d s i s o w n e d t o i t s e f f e c t o n f r o s t r e s i s t a n c e a n d c o n c r e t e d u r a b i l i t y a n d p e r f o r m a n c e . N u m b e r o f v o i d s c a n a l s o b e u s e d a s a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e c o n c r e t e s t r e n g t h . s i n c e l a r g e n u m b e r o f v o i d s i n c o n c r e t e c a n l e a d t o l o w c o n c r e t e s t r e n g t h . N u m b e r o f v o i d s i n c o n c r e t e i s a l s o h e l p f u l i n d e t e r m i n a t i o n v o i d s i z e d i s t r i b u t i o i f m a n d s o m e o t h e r a d d i t i o n a l p a r a m e t e r s . N u m b e r o f v o i d s i n c o n c r e t e c a n b e o b t a i n e d b y t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : w h e r e . N . . . = t o t a l n u m b e r o f v o i d s i n t h e w h o l e s e c t i o n . 1 5 9 A r e a = a r e a o f t h e t o t a l i m a g e s i n t h e w h o l e s e c t i o n . 0 M e a n D i a m e t e r i n P l a n e ( d m v p ) M e a n d i a m e t e r i n t r o d u c e s t h e a v e r a g e d i a m e t e r o f t h e v o i d s f o u n d i n a s p e c i fi e d c o n c r e t e 7 7 s e c t i o n . T h e m e a n d i a m e t e r c a n b e o b t a i n e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : w h e r e . Z A A V = t h e s u m m a t i o n o f t h e v o i d s a r e a f r a c t i o n i n t h e w h o l e s e c t i o n . N A V = n u m b e r p e r u n i t a r e a f o r v o i d s O V o i d S p a c i n g i n P l a n e ( M p ) T h e e f f i c i e n c y o f t h e a i r - v o i d s y s t e m c r e a t e d b y a i r - e n t r a i n m e n t i s g o v e r n e d b y t h e s p a c i n g o f t h e v o i d s w h i c h d e t e r m i n e s t h e m a x i m u m d i s t a n c e t h a t u n s t a b l e w a t e r m u s t t r a v e l t o r e a c h a n e s c a p e b o u n d a r y ( t h e d i s r u p t i v e p r e s s u r e s a r e p r o p o r t i o n a l t o t h e c u b i c v a l u e o f t h i s d i s t a n c e ) ” I S p a c i n g o f v o i d s i s o f g r e a t i m p o r t a n c e s i n c e t h e s p a c i n g f a c t o r h a s a n o t i c e a b l e i n fl u e n c e o f c o n c r e t e f r o s t r e s i s t a n c e . T h e p r o p o s e d e q u a t i o n t o c a l c u l a t e v o i d s p a c i n g i s b a s e d o n t h e s a m e a s s u m p t i o n s p r o p o s e d b y A S T M C 4 5 7 t h a t v o i d s a r e e q u a l i n s i z e a n d a r e r e g u l a r l y s p a c e d i n a c u b i c a r r a n g e m e n t a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 3 1 . 1 6 0 T h e A c t u a l S t a t u s S i m p l i f y i n g A s s u m p t i o n s V o i d N e a r e s t S p a c i n g D i a g o n a l S p a c i n g V o i d s D i s t r i b u t i o n i n P l a n e F i g u r e 5 . 3 ] S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f t h e A s s u m p t i o n s U s e d i n S p a c i n g C o m p u t a t i o n s 1 6 1 F o l l o w i n g t h e s a m e p r o c e d u r e s f o r c r a c k s p a c i n g . t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n f o r v o i d s p a c i n g c a n b e o b t a i n e d : l M V I ’ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 2 1 ) w h e r e . A i m . = m e a n o f t h e a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d . X A A V = t o t a l a r e a f r a c t i o n o f v o i d s p e r u n i t a r e a . 9 0 - 9 2 - . . - ) c h a r a c t e r i z e d v o r d s p a c m g a s t h e a v e r a g e d i s t a n c e b e t w e e n M o s t p r e v i o u s s t u d i e s ( t h e o u t e r b o u n d a r i e s o f t w o a d j a c e n t a i r v o i d s , a m o d i fi c a t i o n i n t h e e q u a t i o n i s p r o p o s e d t o o b t a i n s p a c i n g b e t w e e n v o i d s f r o m t h e o u t e r s u r f a c e , t h e r e f o r e , t h e s p a c i n g f r o m c e n t e r t o c e n t e r i s s u b t r a c t e d b y t h e m e a n d i a m e t e r o f v o i d s . A . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 2 2 ) — m r p Z A n A V 1 ' ) : w h e r e . d m = m e a n d i a m e t e r o f v o i d s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . T h e d i a g o n a l s p a c i n g c a n b e o b t a i n e d b y u s i n g t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : 7 . . V . , . . . . . _ . . . . , = \ / ( / 1 . , . . ) - ‘ + ( z . . . ) 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 2 3 ) w h e r e . i t v p d i a g . , n a l = v o i d d i a g o n a l s p a c i n g I 6 2 I . . . “ = s p a c i n g i n X d i r e c t i o n . 7 . . . . . . = s p a c i n g i n Y d i r e c t i o n . E q u a t i o n s ( 5 . 2 2 ) a n d ( 5 . 2 3 ) . y i e l d t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n . . [ 1 1 1 ' l ) l ‘ V l ’ d i a g o n z l l : fi J — fi — d a i l y ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 2 4 ) f . 1 1 ' T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y . t h e n e a r e s t s p a c i n g w a s t a k e n i n t o a c c o u n t . T h e s p a c i n g o f v o i d s o b t a i n e d b y t h e p r o p o s e d e q u a t i o n p r o v i d e s s p a c i n g i n p l a n e . S t e r e o l o g i c a l p r i n c i p l e s a r e a p p l i e d i n t h e n e x t c h a p t e r t o o b t a i n s p a c i n g i n s p a c e . 0 A s p e c t R a t i o ( A 3 . ) A s p e c t r a t i o i s a s h a p e i n d e x . u s e d t o d i s t i n g u i s h t h e c h a n g e i n o b j e c t e l o n g a t i o n . A s p e c t r a t i o i s c l o s e t o 1 f o r s p h e r i c a l v o i d s , a n d h a s l a r g e r v a l u e s f o r e l o n g a t e d o n e s . A s p e c t r a t i o c a n b e u s e d a l s o a s a m e a s u r e f o r p o r e s i z e t h a t g i v e s a n d i n d i c a t i o n a b o u t a n y p o r e c o l l a p s e m a y o c c u r i n t h e m a t e r i a l s d u e t o c o n fi n i n g p r e s s u r e . 9 3 A s p e c t r a t i o i s p r o p o s e d . 7 7 a s f o l l o w s : w h e r e . L . . . = l e n g t h ( l o n g e s t d i a m e t e r ) o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d . W . . . = w i d t h ( s h o r t e s t d i a m e t e r ) o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d 0 F o r m F a c t o r ( F m ) F o r m f a c t o r i s o f t e n u s e d t o d e s c r i b e t h e s h a p e o f f e a t u r e s . I t i s u s u a l l y d e f i n e d a s : 9 4 w h e r e . A . . . = a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d P i , - = p e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d T h e f o r m f a c t o r i s o n e o f t h e m o s t w i d e l y u s e d s h a p e i n d i c e s . F o r m f a c t o r h a s a m a x i m u m v a l u e o f l f o r a p e r f e c t c i r c l e . a n d h a s s m a l l e r v a l u e s f o r s h a p e s d e p a r t i n g f r o m c i r c u l a r i t y . o r h a v i n g r o u g h e d g e s a n d t h u s l a r g e r p e r i m e t e r . ( a s q u a r e h a s a f o r m f a c t o r o f 0 . 7 8 5 ) . O ( ‘ o m p a c t n e s s ( C g . i ) ( . ‘ o m p a c t n c s s i s u s e d t o m e a s u r e t h e e l o n g a t i o n o f t h e f e a t u r e s . T h e p r o p o s e d e x p r e s s i o n f o r C o m p a c t n c s s i s a s f o l l o w s : w h e r e . P 3 , , = p e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d A . . . : a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d T h e c o m p a c t n e s s h a s t h e l o w e s t v a l u e f o r a c i r c l e . w h i l e i t s v a l u e i s i n c r e a s e d a c c o r d i n g t o t h e e l o n g a t i o n o f t h e f e a t u r e . 1 6 4 o R o u n d n e s s ( R 3 , ) R o u n d n e s s l o o k s v e r y m u c h l i k e t h e f o r m f a c t o r . B u t i n s t e a d o f p e r i m e t e r , r o u n d n e s s u s e s t h e l e n g t h ( l o n g e s t c h o r d ) o f t h e f e a t u r e . T h i s m a k e s i t m o r e s e n s i t i v e t o h o w e l o n g a t e d t h e f e a t u r e i s . r a t h e r t h a n h o w i r r e g u l a r i t s o u t l i n e m a y b e . I t i s v e r y r a r e t o f i n d v o i d s t h a t v a r y i n d e p e n d e n t l y i n r o u n d n e s s a n d f o r m f a c t o r . T h e r o u n d n e s s c a n b e 7 7 e x p r e s s e d a s f o l l o w s : 4 1 = — x — i — — . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 2 8 ) I T X ( L i v ) - w h e r e , A . . . = a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d 1 . . . : l e n g t h o f e a c h i n d i v i d u a l v o i d . 5 . 3 . 1 . 3 A g g r e g a t e P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y . m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s h a v e b e e n p r o p o s e d f o r a g g r e g a t e s . T h e m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s f o r a g g r e g a t e s h a v e n o t b e e n a p p l i e d o n c o n c r e t e s p e c i m e n s s i n c e m o s t o f t h e m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s u s e d f o r v o i d s c a n b e a p p l i e d f o r a ' I g r e g a t e s . W h i l e a l l v o i d s m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s p r o p o s e d f o r v o i d s c a n b e a p p l i e d f o r a g g r e g a t e s . o t h e r a d d i t i o n a l e x p r e s s i o n s ( s h a p e i n d i c e s ) c a n b e a d d e d a n d o t h e r s h a p e i n d i c e s h a v e s o m e d i f f e r e n c e s i n m e a n i n g s f o r a g g r e g a t e s . 9 D e g r e e o f O r i e n t a t i o n i n P l a n e ( 0 g p ) A g g r e g a t e p a r t i c l e s m a y t a k e c e r t a i n o r i e n t a t i o n i n c o n c r e t e d u e t o p o u r i n g m e t h o d a n d d i r e c t i o n . D e g r e e o f o r i e n t a t i o n m a y p r o v i d e a n i n d i c a t i o n a b o u t a g g r e g a t e o r i e n t a t i o n . 1 6 5 . . . 3 D e g r e e o f o r i e n t a t i o n c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : 8 [ ( P L ) t J _ — ( P L ) t l I ] g , , . = _ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 2 9 ) ' [ ( P L ) t J _ + 0 . 5 7 1 ( P L ) t I I ] 0 F o r m F a c t o r ( F L - . 3 . ) T h e a g g r e g a t e f o r m f a c t o r c a n b e d e f i n e d i n t h e s a m e w a y a s v o i d s . 4 x a x A m 1 - 2 = , ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 3 0 ) ‘ ( p 1 ‘ w h e r e . A i g = a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e . P . . . = p e r i m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e . W h e n f o r m f a c t o r i s p l o t t e d a g a i n s t a g g r e g a t e s i z e , a t r e n d o f d e c r e a s i n g f o r m f a c t o r w i t h i n c r e a s i n g s i z e ( e . g . . e q u i v a l e n t s p h e r i c a l d i a m e t e r ) w o u l d s u g g e s t t h a t l a r g e p a r t i c l e s a r e m o r e i r r e g u l a r t h a n s m a l l o n e s . w h i c h c o u l d r e fl e c t t h e a g g l o m e r a t i o n o f s m a l l p a r t i c l e s t o f o r m l a r g e o n e s . C o n v e r s e l y . a t r e n d o f d e c r e a s i n g f o r m f a c t o r w i t h d e c r e a s i n g s i z e c o u l d r e s u l t i f s m a l l i r r e g u l a r p a r t i c l e s w e r e p r o d u c e d b y f r a g m e n t a t i o n o f l a r g e s m o o t h o n e s . F o r m f a c t o r i s c l o s e t o l f o r s m o o t h , r o u n d n a t u r a l s a n d s . w h i l e m a n u f a c t u r e d s a n d s - 8 9 W i t h a n g u l a r a n d r o u g h e d g e s h a v e s m a l l e r f o r m f a c t o r s . 9 N o n e q u i a x i a l i t y I n d e x ( n g ) N o n e q u i a x i a l i t y i n d e x i s s i m i l a r t o a s p e c t r a t i o . a m e a s u r e f o r p a r t i c l e s s h a p e a n d s i z e . B u t i t i s h i g h e r p r e c i s i o n . ” 2 N o n e q u i a x i a l i t y i n d e x i s c l o s e t o I f o r c u b i c a l o r s p h e r i c a l 1 6 6 A a g g r e g a t e s . a n d h a s l a r g e r v a l u e s f o r e l o n g a t e d a n d fl a t a g g r e g a t e s . N o n e q u i a x i a l i t y i n d e x ~ ~ 8 8 c a n b e d e f i n e d a s f o l l o w s : P L ' 1 A 7 , , = L L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 3 1 ) ' ( P L ) 1 ' L I w h e r e . ( P L ) i I o r ( P L ) i I ] = n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n f o r e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e . S u b s c r i p t s ” I ” a n d “ I I " r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f a g g r e g a t e s . 0 C o m p l e x i t y i n d e x ( C 1 ) C o m p l e x i t y i n d e x i s d e s i g n e d t o r e f l e c t a n i n c r e a s e d j a g g e d n e s s o f t h e p e r i m e t e r p e r a r e a . . . 8 8 o f t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e . i t c a n b e e x p r e s s e d a s : \ — _ 7 r ( P L ) i r l i ' C , 2 x A , “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 3 2 ) w h e r e . ( P L ) . . . - = a v e r a g e ( P L ) v a l u e f o r e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e A x g = a g g r e g a t e a r e a f r a c t i o n . 9 A n g u l a r i t y ( A g ) T h e a n g u l a r i t y i n d e x i s b e l i e v e d t o e x c l u d e t h e e f f e c t o f a s p e c t r a t i o a n d s u r f a c e t e x t u r e a n d i s c o n s i d e r e d t o b e a v i v i d p a r a m e t e r f o r t h e s e c o n d o r d e r o f s h a p e a n d r o u n d n e s s . T h e a n g u l a r i t y f o r e i t h e r a c i r c l e o r e l l i p s e i s e q u a l t o 1 . 0 . F o r a n g u l a r a v g r e g a t e 1 6 7 . . — _ p a r t i c l e s . t h e i r a n g u l a r i t y w i l l b e l a r g e r t h a n 1 . 0 . t h e r e f o r e l a r g e r v a l u e s o f a n g u l a r i t y i n d i c a t e s a h i g h e r d e g r e e o f a n g u l a r i t y . T h e a n g u l a r i t y i n d e x i s p r o p o s e d a s t h e . . 3 1 ) f o l l o w i n g : . . . 7 A n g u l a r i t y = ( p e r i m e t e r m n m / p e r i m e t e r c m p s c ) ‘ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 3 3 ) W h e r e . I ’ e r i i n e t e r w m . . . = p e r i m e t e r o f t h e b o u n d i n g c o n v e x . P e r i m e t e r . . . “ p s c = p e r i m e t e r o f a n e q u i v a l e n t e l l i p s e . T h e t e r m s o f t h e p r o p o s e d e q u a t i o n i s n o t h a n d y t o b e a p p l i e d . t h e r e f o r e , a s i m p l i fi c a t i o n i s p r o p o s e d a s f o l l o w s : I ’ c r i m c t c r u m c x = 2 ( b o u n d i n g b o x d x + b o u n d i n g b o x d . ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 3 4 ) l + A M I ' - — ‘ x p e r i m e t e r . . . “ c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 3 5 ) 2 X A V I ’ c r i m c t c r c n i p s c = w h e r e . A 3 , . = a g g r e g a t e p a r t i c l e s a s p e c t r a t i o . B y s u b s t i t u t i n g e q u a t i o n 5 . 3 4 a n d 5 . 3 5 i n e q u a t i o n 5 . 3 3 . t h e a n g u l a r i t y c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : 2 ( A . . . ) > < ( L , - . + W , . ) _ — X ' 3 ' ' 3 “ 7 r [ ' 1 + ( A , , ) I ] > < ( A , . ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 5 . 3 6 ) w h e r e . A . g = A s p e c t r a t i o o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e . 1 . . . . = l e n g t h o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e . W . . . : w i d t h o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e . 1 6 8 A . . . = a r e a o f e a c h i n d i v i d u a l a g g r e g a t e p a r t i c l e . 5 . 3 . 1 . 4 F i b e r s P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s M o s t o f t h e fi b e r s u s e d i n c o n c r e t e a r e c y l i n d r i c a l i n s h a p e . w i t h c i r c u l a r c r o s s s e c t i o n . T h e i n p l a n e ( 2 - D ) e q u a t i o n s u s e d f o r v o i d s o r a g g r e g a t e s c a n b e a p p l i e d f o r fi b e r s . I n c a s e o f ( 3 - D ) s p e c i a l e x p r e s s i o n s s h o u l d b e u s e d f o r fi b e r s . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t t h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y . a l l s h a p e i n d i c e s m e a s u r e m e n t s h a v e b e e n a p p l i e d o n t h e o b j e c t s n o t t o u c h i n g e d g e s o f t h e i m a g e . S i n c e a p p l y i n g s h a p e i n d i c e s e x p r e s s i o n s o n a n y f e a t u r e t o u c h e s i m a g e b o r d e r s m a y p r o d u c e m i s l e a d i n g r e s u l t s d u e t o c h a n g e s i n o b j e c t s d i m e n s i o n s . 1 6 9 5 . 4 C O N C L U S I O N S 1 - A u t o m a t i c T h r e s h o l d s c h e m e s b e s t s u i t i n g a u t o m a t e d i d e n t i fi c a t i o n o f m i c r o c r a c k s a n d v o i d s i n p r e p a r e d c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e i d e n t i fi e d ; t h e s e s c h e m e s g r e a t l y f a c i l i t a t e a u t o m a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s . 2 - I m a g e p r o c e s s i n g s c e n a r i o s w e r e d e v e l o p e d f o r d e t a c h m e n t o f i n t e r s e c t i n g m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a n d a l s o s e p a r a t i o n c o n n e c t e d v o i d s f o r a c c u r a t e q u a n t i fi c a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k a n d v o i d s y s t e m . 3 - T h r e s h o l d i n g . f o l l o w e d b y o p e n i n g , c l o s i n g , a n d h o l e - fi l l O p e r a t i o n s p r o v i d e t h e b a s i s t o p r o c e s s c o n c r e t e m i c r o g r a p h s w i t h s u b s t a n t i a l n o i s e . I n t h e c a s e o f i m a g e s w i t h l i m i t e d n o i s e . t h r e s h o l d i n g f o l l o w e d b y c l o s i n g . o p e n i n g , a n d h o l e - fi l l p r o v i d e d a b e t t e r a p p r o a c h t o r e m o v e n o i s e a n d p r e s e r v e f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) . O p e n i n g o p e r a t i o n s i n b o t h c a u s e s g e n e r a l l y r e q u i r e o n e t o t h r e e i t e r a t i o n s : c l o s i n g o p e r a t i o n s r e q u i r e o n e t o f o u r . 4 - P l a n a r q u a n t i f i c a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n v o l v e d f o r m u l a t i o n s o f l e n g t h p e r u n i t a r e a . p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a . w i d t h p e r u n i t a r e a . a r e a f r a c t i o n , d e g r e e o f o r i e n t a t i o n . s p a c i n g . a n d t o r t u o s i t y w e r e d e v e l o p e d . 5 — N e w f o r m u l a t i o n s w i t h h i g h e r p r e c i s i o n w e r e d e v e l o p e d t o d e t e r m i n e c r a c k w i d t h i n p l a n e a n d s p a c e a n d c r a c k / v o i d s p a c i n g i n p l a n e . N e w s p e c i fi c s u r f a c e a r e a f o r m u l a t i o n w a s a d o p t e d t o d e t e r m i n e c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a b a s e d o n t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f c r a c k s i n c o n c r e t e . 6 - P l a n a r q u a n t i fi c a t i o n o f t h e v o i d s y s t e m i n v o l v e d f o r m u l a t i o n o f e q u i v a l e n t d i a m e t e r . n u m b e r p e r u n i t a r e a . a s p e c t r a t i o . f o r m f a c t o r . c o m p a c t n e s s . a n d r o u n d n e s s w e r e d e v e l o p e d . 1 7 0 7 - P l a n a r c h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o c r a c k s o n t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e u s e d i n s t e r e o l o g i c a l f o r m u l a t i o n s t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n , s p a c i n g . w i d t h , d e g r e e o f o r i e n t a t i o n a n d t o r t u o s i t y i n s p a c e . D i f f e r e n t s p a t i a l f o r m u l a t i o n s f o r b i o l o g i c a l a p p l i c a t i o n s w e r e a d O p t e d t o b e u s e d f o r m i c r o c r a c k s y s t e m a n a l y s e s . 8 - P l a n a r c h a r a c t e r i s t i c s o f v o i d s o n t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e u s e d i n s t e r e o l o g i c a l f o r m u l a t i o n s t o q u a n t i f y t h e v o l u m e f r a c t i o n . n u m b e r p e r u n i t v o l u m e , s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . s p a c i n g . a n d d i a m e t e r o f v o i d s i n s p a c e . 9 - L i m i t e d q u a n t i fi c a t i o n o f p l a n a r a g g r e g a t e s c h a r a c t e r i s t i c s c o v e r e d a n g u l a r i t y . c o m p l e x i t y . a n d n o n e q u i a x i a l i t y i n d e x w e r e d e v e l o p e d . 1 7 1 C H A P T E R 6 S T E R E O L O G I C A L I N T E R P R E T A T I O N S & S T A T I S T I C A L A N A L Y S E S 6 . 1 S T E R E O L O G Y 6 . 1 . 1 P r e f a c e S t e r e o l o g y c a n b e d e fi n e d a s a b o d y o f m a t h e m a t i c a l m e t h o d s r e l a t i n g t h r e e - d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r s d e fi n i n g t h e s t r u c t u r e t o t w o - d i m e n s i o n a l m e a s u r e m e n t s o b t a i n a b l e o n s e c t i o n o f t h e s t r u c t u r e . ” 5 S t e r e o l o g i c a l p r i n c i p l e s c a n b e u s e d t o q u a n t i f y m a n y s p a t i a l a t t r i b u t e s o f o r i e n t e d f e a t u r e s ( s u c h a s d e g r e e o f a n i s o t r o p y , s u r f a c e a r e a o f o r i e n t e d c r a c k s p e r u n i t v o l u m e . a n d v o i d d i s t r i b u t i o n ) i n t e r m s o f m e a s u r e m e n t s c o n d u c t e d o n t w o c r o s s s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s . T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y , s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p l e s a r e u s e d t o r e l a t e t h e o b t a i n e d p l a n a r ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s f r o m c o n c r e t e s e c t i o n s t o t h e t r u e s p a t i a l ( 3 - D ) m i c r o s t r u c t u r e i n o r d e r t o i n t e r p r e t t h e a c t u a l ( r e a l ) d i m e n s i o n s . m e a s u r e m e n t s a n d o r i e n t a t i o n s o f t h e f e a t u r e s o f i n t e r e s t . 6 . 1 . 2 B a s i c S t e r e o l o g i c a l R e l a t i o n s h i p s B a s i c s t e r e o l o g i c a l r e l a t i o n s h i p s e m b o d y e x p r e s s i o n s w h i c h r e l a t e p o i n t s , l i n e s , s u r f a c e s . a n d v o l u m e s i n s p a c e t o m e a s u r e m e n t s m a k e o n 2 - D s e c t i o n s t h r o u g h t h e s p a c e . T r i a n g u l a r m a t r i x i n T a b l e 6 . 1 i s a r r a n g e d t o p r e s e n t i n t e r r e l a t i o n s h i p o f m e a s u r e d q u a n t i t i e s o n t h e s e c t i o n p l a n e t o t h e c a l c u l a t e d s p a t i a l q u a n t i t i e s ? 6 1 7 2 S u r f a c e s @ S v — _ T a b l e 6 . 1 R e l a t i o n s h i p o f M e a s u r e d ( O ) a n d C a l c u l a t e d ( E l ) Q u a n t i t i e s ” ° D i m e n s i o n s o f S y m b o l s M i c r o s t r u c t u r a l . . . . . ( A r b i t r a r i l y e x p r e s s e d i n t e r m s o f m i l l i m e t e r s ) F e a t u r e 0 - 1 - 2 - 3 m m m m m m 1 1 1 i n e e e p . L i n e s 0 @ L v V o l u m e s V V T h e t r i a n g u l a r a r r a y o f s y m b o l s i n T a b l e 6 . 1 i s a r r a n g e d s y s t e m a t i c a l l y t o e m p h a s i z e a n d c o m p a r e t h e r e l a t i o n s h i p o f m e a s u r e d q u a n t i t i e s i n t h e t w o d i m e n s i o n a l s e c t i o n t o c a l c u l a t e d q u a n t i t i e s i n t h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c e . T h e e q u a t i o n s r e l a t i n g t h e q u a n t i t i e s i n . . x x T a b l e 6 . 1 c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : V V = A A = 1 . 1 , = P p m m ° . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 ) S V 2 ( 4 m ) L A = 2 P L m m " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 ) L V = 2 P A m m ' 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 ) P V = 0 . 5 L V S V = 2 P A P L m m : 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 ) w h e r e . V V = v o l u m e f r a c t i o n . v o l u m e o f f e a t u r e s p e r u n i t v o l u m e . A A = a r e a f r a c t i o n . a r e a o f i n t e r c e p t e d f e a t u r e s p e r u n i t a r e a . I . . . = l i n e a l f r a c t i o n . l e n g t h o f i n t e r c e p t s p e r u n i t l e n g t h o f t e s t l i n e . 1 7 3 Q P p = p o i n t f r a c t i o n . n u m b e r o f p o i n t s p e r t e s t p o i n t . S V = s u r f a c e a r e a p e r u n i t t e s t v o l u m e . L A = l e n g t h o f l i n e a l e l e m e n t s p e r u n i t t e s t a r e a . P 1 , = n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f t e s t l i n e L V = l e n g t h o f l i n e a l e l e m e n t s p e r u n i t t e s t v o l u m e . P A : n u m b e r o f p o i n t s p e r u n i t t e s t a r e a . P V = n u m b e r o f p o i n t s p e r u n i t t e s t v o l u m e . E q u a t i o n 6 . 1 i s a l w a y s v a l i d w h a t e v e r t h e s h a p e o f t h e s t r u c t u r e o r t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e f e a t u r e s i n s i d e i t . E q u a t i o n s ( 6 . 2 , 6 . 3 ) c a n o n l y b e u s e d i n t h e c a s e o f i s o m e t r i c ( n o n o r i e n t e d ) s t r u c t u r e s . ” 7 t h e r e f o r e . o t h e r c o m p l i c a t e d e x p r e s s i o n s a r e d e v e l o p e d f o r o r i e n t e d f e a t u r e s . E q u a t i o n 6 . 4 c a n b e a p p l i e d o n l y i n l i m i t e d c a s e s . ” 6 F i g u r e 6 . 1 i l l u s t r a t e s h o w t h e b a s i c s t e r e o l o g i c a l e x p r e s s i o n s c a n r e l a t e t h e m e a s u r e m e n t s i n s p a c e ( 3 - D ) t o t h e m e a s u r e m e n t s i n p l a n e ( 2 - D ) . B a s i c s t e r e o l o g i c a l e x p r e s s i o n s r e l e v a n t t o t h r e e - d i m e n s i o n a l f e a t u r e s i n s p a c e a r e i l l u s t r a t e d i n T a b l e 6 . 2 w h e r e . N , = n u m b e r o f i n t e r c e p t i o n s o f f e a t u r e s p e r u n i t l e n g t h o f t e s t l i n e . L 1 : m e a n i n t e r c e p t l e n g t h o f t h r e e - d i m e n s i o n a l b o d i e s V v / N L — L L / N 1 - = A A / N L = 1 1 " . . = m e a n v o l u m e o f ( i t - o b j e c t s = ( V V ) u / N V 8 ' . = m e a n s u r f a c e a r e a o f u - o b j e c t s = ( S v ) . , / N V V = v o l u m e o f i n d i v i d u a l o b j e c t . S = e x t e r n a l s u r f a c e a r e a o f i n d i v i d u a l o b j e c t . 1 7 4 l = c o n s t a n t l e n g t h o f s h o r t t e s t l i n e s , t h r o w n r a n d o m l y o n m i c r o s t r u c t u r e . p = n u m b e r o f ( e n d ) p o i n t s o f M i n e s t h a t f a l l i n p h a s e o f i n t e r e s t . P = n u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s w i t h s u r f a c e s m a k e b y l - l i n e s . N A = n u m b e r o f i n t e r c e p t i o n s o f f e a t u r e s p e r u n i t t e s t a r e a . N V = N u m b e r o f f e a t u r e s p e r u n i t t e s t v o l u m e . 6 . 1 . 3 S t e r e o l o g i c a l T r e a t m e n t o f O r i e n t e d F e a t u r e s l \ 4 0 s t o f s t e r e o l o g i c a l r e l a t i o n s h i p s s h o w n a b o v e a r e v a l i d o n l y u n d e r t h e c o n d i t i o n t h a t t h e c r o s s - s e c t i o n p l a n e s a r e i s o t r o p i c w i t h r e s p e c t t o t h e s t r u c t u r e s p a c e , i . e . , t h a t t h e y m a y a s s u m e a n y o r i e n t a t i o n i n s p a c e w i t h e q u a l l i k e l i h o o d . T h e r e a r e t h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f l i n e s s y s t e m s ? ) 8 ( 1 ) i s o m e t r i c s y s t e m s o f l i n e s , ( 2 ) s y s t e m s t h a t a r e c o m p l e t e l y o r i e n t e d , a n d ( 3 ) s y s t e m s t h a t a r e p a r t i a l l y o r i e n t e d . E x a m p l e o f i s o m e t r i c s y s t e m s o f c l o s e d f i g u r e s ( c i r c l e s ) l o c a t e d a t r a n d o m t h r o u g h o u t t h e s t r u c t u r e i s s h o w n i n F i g u r e 6 . 2 . T h e l i n e s o f a n o r i e n t e d s y s t e m c a n b e d i v i d e d i n t o e l e m e n t s w h i c h a r e v e r y s m a l l a n d o f e q u a l l e n g t h . a n d m a y b e a s s u m e d t o b e s t r a i g h t . S o m e o r a l l l i n e e l e m e n t s w i l l b e f o u n d p a r a l l e l t o o n e o r m o r e d e f i n i t e d i r e c t i o n s , c a l l e d t h e o r i e n t a t i o n a x i s , o r a x e s , o f t h e s y s t e m . T h e g r e a t e r t h e n u m b e r o f o r i e n t a t i o n a x e s i n a s y s t e m , t h e c l o s e r i t i s t o a n i s o m e t r i c s y s t e m o f l i n e s . E x a m p l e s o f o r i e n t e d s y s t e m s w i t h o n e - , t w o - , o r t h r e e - o r i e n t a t i o n a x e s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 3 . 1 7 5 O V o l u m e 0 O O 9 9 I ’ 2 : : o o o o 0 V i < > 0 Q 0 0 0 V V = A A = L 1 = P p S u r f a c e S V : . ( 4 / 7 t ) L A = Z P L L e n g t h L s L V : Z P A N u m b e r 0 D N O b 0 b O N V N A F i g u r e 6 . 1 S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f B a s i c S t e r e o l o g i c a l E x p r e s s i o n s I 7 6 T a b l e 6 . 2 E x p r e s s i o n s R e l e v a n t t o T h r e e - D i m e n s i o n a l F e a t u r e s i n S p a c e 8 8 S p a c e - fi l l i n g c o n t i g u o u s o b j e c t s o f o n e p h a s e ( V v = 1 ) D i s p e r s e d o b j e c t s o f a - p h a s e [ ( V V ) u < 1 ] I s o l a t e d s i n g l e o b j e c t ( v o l u m e = V ) n o t a s s o c i a t e d w i t h a m a t r i x T w o - d i m e n s i o n a l i n t e r n a l ‘ . . s u r f a c e s W i t h s h a r i n g T w o - d i m e n s i o n a l i n t e r f a c e s l n o t s h a r e d w i t h o t h e r a — T w o - d i m e n s i o n a l e x t e r n a l o b j e c t s u r f a c e . S § b e t w e e n c o n t i g u o u s c e l l s . O b J e C t S - - N I , : 0 . 5 + 4 + 0 . 5 = 5 N L = 4 N L = 1 , 2 , . . . . . . . . . P L = 5 P L = 8 1 3 L : 2 , 4 , . . . . . . . . . . — _ P = 2 N P L : N L = 1 / L 3 P L = 2 N 1 , = 2 ( V v ) a / L 3 L L S V : 2 1 ) , , 2 Z N L ( S v ) a = 2 P L = 4 N ] , S / V = 2 P L / p P Z } : 2 - 1 7 / § = 2 / S V Z 3 2 4 V ( 1 / § a 2 4 ( V V ) a / ( S V ) ( 1 Z J Z 4 V / S Z 3 = l p / 2 P Z 3 : l p / P : L U Z / s , Z . = l p / P = 4 V / S ' l n t e m a l s u r f a c e a r e a r e f e r r e d t o t e s t v o l u m e ( S v ) o r t o m e a n c e l l v o l u m e ( S / V ) T I n t e r f a c e a r e a o f ( l - O b j e C I S r e f e r r e d t o t e s t v o l u m e ( S V ) ( 1 o r t o m e a n p a r t i c l e v o l u m e ( E a / V a ) § E x t e r n a l s u r f a c e a r e a r e f e r r e d t o f e a t u r e v o l u m e ( S / V ) . l 7 7 1 S m s t a h o f o n s l a i ' x n i e s ( m g r i n W l i h o n e ( b ) S o y r s i t e e n m t a s t . i o o t n l a i ' x n e s e s w i t ' h t w o ( c ) S o y r i s e t n e t m t a s i o o f n l i a n x e e s s w i t h t h r e e F i g u r e 6 . 2 E x a m p l e o f a n I s o m e t r i c S y s t e m o f L i n e s ) 8 F i g u r e 6 . 3 E x a m p l e s o f C o m p l e t e l y O r i e n t e d S y s t e m o f L i n e s i n a P l a n e ) 8 i n r e a l s t r u c t u r e s t h e b o u n d a r y l i n e s o f t h e s y s t e m s a p p e a r i n g o n t h e c r o s s s e c t i o n s a r e e i t h e r i s o m e t r i c o r o n l y p a r t i a l l y o r i e n t e d . C o m p l e t e l y o r i e n t e d s y s t e m s o f l i n e s a r e r e l a t i v e l y r a r e a n d o c c u r o n l y u n d e r e x c e p t i o n a l c i r c u m s t a n c e s . A p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s o n a p l a n e i s d e f i n e d a s a s y s t e m o f l i n e s i n w h i c h o n l y a p a r t o f t h e t o t a l l e n g t h o f l i n e s i s o r i e n t e d i n a d e f i n i t e d i r e c t i o n . T h e r e m a i n i n g l i n e s m a y e i t h e r b e I 7 8 ‘ 1 o r i e n t e d i n a n o t h e r p r e f e r r e d d i r e c t i o n , o r r a n d o m l y a n d i s o m e t r i c a l l y p l a c e d . F i g u r e 6 . 4 g i v e s a s i n l p l e g e o m e t r i c a l e x a m p l e o f a p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s i n w h i c h t h e l o n g , a x e s o f r a n d o m l y d i s p o s e d e l l i p s e s a r e p a r a l l e l . F i g u r e 6 . 4 E x a m p l e o f P a r t i a l l y O r i e n t e d S y s t e m o f L i n e s ) 8 O r i e n t e d d a m a g e p h e n o m e n a ( c r a c k s , c o l l a p s e d p o r e s , e t c . ) , h o w e v e r , o c c u r q u i t e o f t e n . S t e r e o l o g y t r e a t s s u c h o r i e n t a t e d s t r u c t u r e s a t d i f f e r e n t l i n e s . i n c l u d i n g s y s t e m s o f l i n e s i n a p l a n e o r i n s p a c e . a n d s y s t e m o f s u r f a c e s i n s p a c e . 6 . 1 . 3 . 1 S y s t e m s o f L i n e s i n P l a n e A s s t a t e d e a r l i e r , s y s t e m s o f l i n e s i n a p l a n e c a n b e c o m p l e t e l y o r p a r t i a l l y o r i e n t e d . F i g u r e 6 . 3 d e p i c t s l i n e s t h a t a r e e q u a l l y o r i r r e g u l a r l y s p a c e d , c o n t i n u o u s , o r d i s c o n t i n u o u s . W h e n t w o o r m o r e o r i e n t a t i o n a x e s a r e p r e s e n t , a s i n F i g u r e s 6 . 3 b a n d 6 . 3 c . t h e a n g l e ( s ) f o r m e d b y t h e a x e s m u s t b e s p e c i f i e d . T h e g r i d s i n F i g u r e 6 . 3 0 d i f f e r i n I 7 9 s e v e r a l r e s p e c t s . I n g r i d s c - l a n d c - 2 , t h e l i n e l e n g t h a l o n g a n y o r i e n t a t i o n a x i s i s t h e s a m e ; h o w e v e r . t h e l i n e s a r e c o n t i n u o u s l y s t r a i g h t o n l y i n c - 2 . L e n g t h s o f t h e l i n e s i n c - 3 a r e g r e a t e r i n o n e d i r e c t i o n t h a n a n o t h e r . S i n c e t h e l e n g t h o f l i n e a r e l e m e n t s i n a p l a n e i s p r o p o r t i o n a l t o t h e n u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s m a d e w i t h a t e s t l i n e , f o r a n o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s , t h e n u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s w i t h a n a r r a y o f s t r a i g h t p a r a l l e l s y s t e m o f o r i e n t e d ( i s o m e t r i c ) l i n e s w o u l d v a r y m a r k e d l y w i t h t h e d i r e c t i o n o f t h e t e s t a r r a y . T h i s d e p e n d e n c e o f t h e n u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o n t h e a n g l e o f t h e t e s t a r r a y c a n b e u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e d e g r e e a n d t y p e s o f o r i e n t a t i o n o f a s y s t e m o f l i n e s i n a p l a n e . A p o l a r p l o t o f P L w i t h r e s p e c t t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s ( a x e s ) . c a l l e d t h e r o s e o f l i n e s o f i n t e r s e c t i o n s , 9 8 p r o v i d e s c o n v e n i e n t m e a n s o f e x p r e s s i n g t h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n . T h e r o s e o f a n o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s c a n b e o b t a i n e d e x p e r i m e n t a l l y b y a p p l y i n g a t e s t a r r a y t o t h e s y s t e m o f l i n e s a t e q u a l a n g u l a r i n c r e m e n t s w i t h r e s p e c t t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s , a n d d e t e r m i n e P L s e p a r a t e l y a t e a c h a n g l e . B y c o n n e c t i n g t h e e n d s o f t h e r a d i u s v e c t o r s b y a s m o o t h c u r v e , g i v i n g t h e r o s e o f o r i e n t a t i o n . A s t h e n u m b e r o f o r i e n t a t i o n a x e s i n c r e a s e s , t h e r o s e b e c o m e s m o r e r o u n d e d . a n d f o r a n i s o m e t r i c s y s t e m o f l i n e s , t h e r o s e i s a c i r c u l a r p e r i m e t e r c e n t e r e d o n t h e o r i g i n o f c o o r d i n a t e s . T h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p c a n b e a p p l i e d t o c o m p l e t e l y o r i e n t e d s y s t e m s i n p l a n e w i t h . . . . 3 3 O I I C a x 1 s O f o r i e n t a t l o n . ( L A ) o r : ( P L ) . L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 5 ) l 8 0 w h e r e . ( L A ) 0 r r e p r e s e n t s t h e l e n g t h p e r u n i t a r e a o f t h e p a r a l l e l ( o r i e n t e d ) l i n e s o f t h e s y s t e m . a n d ( F L ) ; i s t h e n u m b e r o f i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f t h e t e s t a r r a y a l i g n e d i n a d i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a r t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s . T h e r e l a t i o n s h i p i s e q u a l l y v a l i d f o r s y s t e m s o f e q u i d i s t a n t . p a r a l l e l s t r a i g h t l i n e s a n d f o r a r r a y s . l i n e a r s e g m e n t s w i t h r a n d o m l e n g t h s a n d l o c a t i o n s . I n r e a l s t r u c t u r e s t h e l i n e s i n a m i c r o s e c t i o n a r e u s u a l l y p a r t i a l l y o r i e n t e d . I n a p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s i n p l a n e , p a r t o f t h e t o t a l l i n e s i s o r i e n t e d i n a d e fi n i t e d i r e c t i o n ( o r d i r e c t i o n s ) . T h e r e m a i n i n g s e g m e n t s m a y h a v e e s s e n t i a l l y a r a n d o m o r i e n t a t i o n . T h e l i n e s o f a p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s i n a p l a n e c a n b e d i v i d e d i n t o e l e m e n t a r y s t r a i g h t s e g m e n t s t h a t a r e v e r y s m a l l a n d o f e q u a l l e n g t h . S o m e o r a l l s e g m e n t s w i l l l i e p a r a l l e l t o o n e o r m o r e d e f i n i t e d i r e c t i o n s ( t h e o r i e n t a t i o n a x e s ) . T h e r e m a i n i n g s e g m e n t s a r e a s s u m e d t o b e o r i e n t e d r a n d o m l y , i . e . , i s o m e t r i c a l l y . F r o m t h i s p o i n t o f v i e w . a p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s m a y b e r e g a r d e d a s c o n s i s t i n g o f t w o s u p e r i m p o s e d s y s t e m o f l i n e s . i . e . , a n d o r i e n t e d p o r t i o n a n d a r a n d o m p o r t i o n . T o d e t e r m i n e t h e s p e c i f i c l e n g t h s o f t h e i s o m e t r i c a n d o r i e n t e d p o r t i o n s o f a p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s i n a p l a n e w i t h o n e o r i e n t a t i o n a x i s r e q u i r e s o n l y t w o m e a s u r e m e n t s . T h e s e a r e ( P L ) l l a n d ( P . , ) t . w h e r e t h e s u b s c r i p t s i n d i c a t e t h e d i r e c t i o n s o f t h e t e s t a r r a y w i t h r e s p e c t t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s . T h e l e n g t h o f t h e i s o m e t r i c a n d o r i e n t e d s e g m e n t s o f t h e s y s t e m p e r u n i t - ‘ x x a r e a c a n b e d e r i v e d a s f o l l o w s : ( l _ , , \ ) i , : ( H Q ) ( 1 ) ; ) “ m m / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 6 ) l 8 l ( 1 4 ) . " : ( P L ) ; - ( m u m m / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 7 ) T h e t o t a l l e n g t h o f a l l l i n e s p e r u n i t a r e a i n a p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s i s t h e s u m . . 8 8 0 1 t h e t o w l i n e a r s y s t e m s ( I . . . ) = ( L o i s + ( L A ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 8 ) ( L a = ( P 1 , ) ; + 0 . 5 7 1 ( 1 ) . ) “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 9 ) R o s e o f i n t e r s e c t i o n s h a s b e e n u s e d t o d e t e r m i n e t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f c l a s t s i n t i l l i t e d e p o s i t s a m p l e a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 5 . T h e r o s e o f o r i e n t a t i o n h a s b e e n c o n s t r u c t e d m a n u a l l y w h i c h i s c o n s i d e r e d t o b e t i m e a n d e f f o r t c o n s u m i n g . 9 9 R o s e o f o r i e n t a t i o n h a s b e e n a l s o u s e d t o d e t e c t t h e e f f e c t o f c a s t i n g d i r e c t i o n o n fi b e r o r i e n t a t i o n i n c o n c r e t e m o a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 6 . C o n s t r u c t i n g r o s e o f o r i e n t a t i o n c a n b e c o n s i d e r e d t i m e a n d e f f o r t c o n s u m i n g a n d t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n p r o v i d e d b y i t m a y b e c o n s i d e r e d n o t a c c u r a t e e n o u g h , " 9 f o r p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s , t h e c o m p l e t e r o s e m a y n o t b e t o o c o n v e n i e n t . A s i m p l e r m e t h o d i s a v a i l a b l e f o r c h a r a c t e r i z i n g t h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n o f a s y s t e m o f p a r t i a l l y o r i e n t e d l i n e s i n a p l a n e . m M % m / s o 1 o 1 5 0 3 0 \ M O 0 _ 2 1 0 a n 2 4 0 m l 2 1 0 , , . c a s t i n a d i r e c t i o n F i g u r e 6 . 6 U s i n g R o s e o f O r i e n t a t i o n t o D e t e r m i n e F i b e r O r i e n t a t i o n 1 0 0 1 8 3 T h e l e n g t h o f o r i e n t e d l i n e s o n l y p e r u n i t a r e a i s d i v i d e d b y t h e t o t a l l e n g t h o f a l l l i n e s i n t h e s y s t e m p e r u n i t a r e a . T h e r e s u l t i n g f r a c t i o n g i v e s a n d e a s i l y r e c o g n i z e d , n a t u r a l s c a l e o f a n i s o t r o p y v a r y i n g f r o m 0 f o r n o a n i s o t r o p y t o u n i t y f o r a c o m p l e t e o r i e n t e d s y s t e m o f 3 l i n e s . T h i s r a t i o i s c a l l e d t h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n Q , a n d i s d e f i n e d a s : 8 Q ] ; = ( L , \ ) ( , , / [ ( I . A ) i S + ( L , \ ) o r ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 0 ) o n = [ m u - ( P , , ) “ J + [ a m t + 0 . 5 7 1 ( m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 1 ) T a b l e 6 . 3 s u m m a r i z e s t h e e q u a t i o n s f o r s y s t e m s o f l i n e s i n a p l a n e . T a b l e 6 . 3 E q u a t i o n s f o r S y s t e m o f L i n e s i n P l a n e 8 8 T o t a l s p e c i f i c T y p e o f I s o m e t r i c O r i e n t e d D e g r e e o f l i n e L e n g t h L A s y s t e m l i n e s ( L A ) , = l i n e s ( L A ) o r o r i e n t a t i o n , ( 2 . 2 I s o m e t r i c 1 . 5 7 1 I " , _ _ 1 . 5 7 1 P L 9 1 2 = 0 O r i e n t e d : _ _ ( P 1 , ) J L 1 . 5 7 1 P L ( 2 1 2 = 1 . 0 P a r t i a l l y Q j = ( P l , ) l - ( P / , ) / / . 1 . 5 7 1 r m ” ( P L ) ; - ( 1 ) . ) " ( P | , ) L + O . 5 7 1 ( P L ) " ' - u m + 0 - 5 7 l ( / ’ I . ) 1 / o r i e n t e d T T T h e s u b s c r i p t J L s y m b o l r e f e r s t o m e a s u r e m e n t s p e r p e n d i c u l a r t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s o f a n o r i e n t e d s y s t e m o f ( p a r a l l e l ) l i n e s . l . S u b s c r i p t . i . a n d I I s y m b o l s r e f e r t o d i r e c t i o n o f t e s t a r r a y w i t h r e s p e c t t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s i n p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m o f l i n e s . 1 8 4 6 . 1 . 3 . 2 S y s t e m s o f L i n e s i n S p a c e T h e o b j e c t s t h a t w i l l b e p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n a r e n o t a l w a y s t r u e l i n e s b u t f e a t u r e s o f t h e m i c r o s t r u c t u r e w h o s e c r o s s s e c t i o n s a r e s i g n i fi c a n t l y s m a l l c o m p a r e d w i t h t h e i r l o n g i t u d i n a l a x i s . T a b l e 6 . 4 p r e s e n t s t h e e q u a t i o n s r e l e v a n t t o s y s t e m s o f l i n e s i n s p a c e . 8 8 T a b l e 6 . 4 E q u a t i o n s f o r S y s t e m o f L i n e s i n S p a c e 8 8 T o t a l s p e c i fi c T y p e o f I s o m e t r i c O r i e n t e d l i n e s D e g r e e o f l i n e l e n g t h S v S y s t e m L i n e s ( L y ) ; S = ( L V ) 0 r = o r i e n t a t i o n , ( 2 1 3 I s o m e t r i c 2 P A _ Z P A ( 2 1 3 = O O r i e n t e d ¢ _ ( P A ) . 1 L ( P A ) J L ( 2 . 3 = 1 . 0 P a r t i a l l y I ) _ l ) _ _ ( ’ , - ( ’ , . , . 2 ( P A ) | | ( P A ) - L ' ( P A ) | | ( 1 ) / O i + ( P A ) I I ” I 3 — W o r i e n t e d 6 . 1 . 3 . 3 S y s t e m s o f S u r f a c e s i n S p a c e E v e n t h o u g h s e c t i o n s t h r o u g h d i f f e r e n t p l a n a r s t r u c t u r e s a p p e a r t o b e i d e n t i c a l , t h e s p a t i a l c o n fi g u r a t i o n m a y d i f f e r m a r k e d l y . I f j u s t t h e t o t a l s u r f a c e a r e a o f a n o r i e n t e d s y s t e m o f s u r f a c e s w e r e d e s i r e d . e q u a t i o n s p r e s e n t e d e a r l i e r s t i l l m a y b e u s e d f o r r a n d o m l y o r i e n t e d s u r f a c e s p r o v i d e d t h a t a s u f fi c i e n t n u m b e r o f s e c t i o n p l a n e s w e r e u s e d i n o r d e r t o s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t o f r a n d o m n e s s . I n c o m p l e t e l y o r i e n t e d s y s t e m s o f s u r f a c e s w i t h o n e o r i e n t a t i o n a x i s . t w o i m p o r t a n t t y p e s a r e p o s s i b l e . I n t h a t c a s e t h e s y s t e m s h a v e p l a n a r o r i e n t a t i o n i f t h e p l a n e s a r e p e r p e n d i c u l a r t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s . a n d h a v e l i n e a r I 8 5 o r i e n t a t i o n i f t h e p l a n e s a r e p a r a l l e l t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s . I n b o t h c a s e s , h o w e v e r , t h e a n a l y s i s p l a n e i s p a r a l l e l t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s . T a b l e 6 . 5 p r e s e n t s e q u a t i o n s f o r s y s t e m s . . . . . 8 8 o f i s o m e t r i c a n d c o m p l e t e l y o r i e n t e d s u r f a c e s i n s p a c e . T a b l e 6 . 5 E q u a t i o n s f o r S y s t e m o f S u r f a c e s i n S p a c e 8 8 T o t a l s p e c i fi c D e g r e e o f T y p e o f I s o m e t r i c O r i e n t e d l i n e s l i n e l e n g t h S v o r i e n t a t i o n , S y s t e m L i n e s ( S v ) i , = ( S V ) 0 r = = 0 2 3 I s o m e t r i c 2 P 1 , _ 2 1 ’ ] , ( 2 2 3 = O O r i e n t e d ? _ ( m i i ‘ ( P L ) . 1 L 0 2 3 = 1 . 0 * A p p l i e s t o e i t h e r c o m p l e t e l y p l a n a r o r c o m p l e t e l y l i n e a r s y s t e m s o f s u r f a c e s u n d e r a p p r o p r i a t e c o n d i t i o n s . i " T h e s u b s c r i p t J L s y m b o l r e f e r s t o d i r e c t i o n o f s e c t i o n p l a n e s p e r p e n d i c u l a r t o o r i e n t e d s y s t e m o f ( p a r a l l e l ) p l a n e s . F o r P a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m s o f s u r f a c e s i n s p a c e , F i g u r e 6 . 7 s c h e m a t i c a l l y p r e s e n t s p o s s i b l e c l a s s e s o f p a r t i a l o r i e n t a t i o n ( i n a d d i t i o n t o t h e i s o m e t r i c s y s t e m ) . a n d d e s i g n a t e s t h e v a r i o u s o r i e n t a t i o n p l a n e s . o r i e n t a t i o n a x e s , a n d a n a l y s i s p l a n e s . I n t h e l i n e a r s y s t e m , t h e s u r f a c e s t e n d t o l i e p a r a l l e l t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s a n d t h e o r i e n t a t i o n p l a n e ; i n t h e p l a n a r s y s t e m t h e s u r f a c e s t e n d t o a l i g n t h e m s e l v e s p e r p e n d i c u l a r t o t h e o r i e n t a t i o n a x i s a n d p a r a l l e l t o t h e o r i e n t a t i o n p l a n e ; a n d i n t h e p l a n a r - l i n e a r s y s t e m . t h e s u r f a c e s h a v e o n e o r i e n t a t i o n p l a n e a n d a n o r i e n t a t i o n a x i s p a r a l l e l t o t h e . . . . . . . . ( ) 3 o r i e n t a t i o n p l a n e i n t h e d i r e c t i o n o f t h e l o n g e s t u n i t d i m e n S i o n . ' I 8 6 a i y s i s p i a n o / \ A r i 6 ' a n a l y s i s p i a n o S ] O r i a n t a f i m p i a n o 6 ( o i l s o a u t r i c s y s t e m O r i e n t a t i m p m ( c ) P l a n a r o r i e n t a t i o n ( d ) P l a n - l i n e a r M o t i o n F i g u r e 6 . 7 C l a s s i f i c a t i o n o f P a r t i a l l y O r i e n t e d S y s t e m s o f S u r f a c e s 9 8 T a b l e 6 . 6 p r e s e n t s e q u a t i o n s f o r p a r t i a l l y o r i e n t e d s y s t e m s o f s u r f a c e s i n s p a c e . I n t h a t t a b l e , t h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n o f p a r t i a l l y o r i e n t e d s u r f a c e s i n s p a c e ( ( 2 2 3 ) i s o b t a i n e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : 9 8 $ 2 3 3 I ( S v ) m / S V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 2 ) 1 8 7 T a b l e 6 . 6 E q u a t i o n s f o r P a r t i a l l y O r i e n t e d S y s t e m o f S u r f a c e s i n S p a c e 8 8 . . T o t a l . I s o m e t r i c P l a n a r L i n e a r . T y p e o f s p e C i fi c . . s u r f a c e s s u r f a c e s S u r f a c e s o r i e n t a t i o n _ s u r f a c e a r e a ( S V ) i s — ( S V ) p | = ( S V ) l i n = S v : + ( P U — L - ( P L ) - L + P I L 2 P ‘ — m a r ( L ) " ( l ’ i - ) | | ( P L ) I I 1 . 5 7 1 ( P L ) . L L i n e a r : 2 ( P L ) " — 1 ' 5 3 ] : [ I p l d fl - + ' 1 “ 0 . 4 2 9 0 1 ) “ ( P L ) _ L + I ’ l z ' - P - 1 . 5 7 1 P - “ ” 1 : e r 2 ( P u l l ( ( 1 : 1 3 ) i ( P E ; i n 0 4 2 9 0 1 ) " N . | | + 0 . 5 7 1 ( P L ) [ A l l d i r e c t i o n s ( p e r p e n d i c u l a r , J . . a n d p a r a l l e l , " a n d I ) o f t e s t a r r a y s a r e r e f e r r e d t o o r i e n t a t i o n p l a n e s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 6 . 7 . " : S u b s c r i p t s “ a n d J . r e f e r t o d i r e c t i o n o f t e s t a r r a y p l a c e d o n t h e a n a l y s i s p l a n e . i S u b s c r i p t ” h e r e r e f e r s t o d i r e c t i o n o f t e s t a r r a y p l a c e d o n t h e l o n g i t u d i n a l a n a l y s i s p l a n e . S u b s c r i p t I h e r e r e f e r s t o d i r e c t i o n o f t e s t a r r a y p l a c e d t o n t h e t r a n s v e r s e a n a l y s i s p l a n e . S u b s c r i p t l l h e r e r e f e r s t o d i r e c t i o n o f t e s t a r r a y p l a c e d o n e i t h e r t h e t r a n s v e r s e o r l o n g i t u d i n a l a n a l y s i s p l a n e s . 0 T h e a s t e r i s k s i n o } , a n d 0 ) , , " s p e c i f y p l a n a r a n d l i n e a r o r i e n t a t i o n s i n p l a n a r - l i n e a r o r i e n t a t i o n s i n t h e p l a n a r - l i n e a r s y s t e m o f s u r f a c e s . 6 . 1 . 4 S t e r e o l o g i c a l R e l a t i o n s h i p s 6 . 1 . 4 . 1 M i c r o c r a c k S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s 0 S p e c i fi c S u r f a c e A r e a ( S W ) S p e c i f i c s u r f a c e a r e a i s t h e a r e a o f c r a c k s p e r u n i t v o l u m e o f c o n c r e t e . I t c a n b e c o n s i d e r e d a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e p e r c e n t a g e o f c r a c k s i n t h e c o n c r e t e v o l u m e a n d i s , , . , 9 . 5 e x p r e s s e d a s f o l l o w s : 1 8 8 . , 4 L S ‘ ( : _ — ( 2 L I ( I + I J ' ( ' 2 ) 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 ( 6 . 1 3 ) 3 I I w h e r e . L A C ] = c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a o f t h e f i r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) L A O = c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a o f t h e s e c o n d ( v e r t i c a l ) s e c t i o n [ p e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t ( h o r i z o n t a l ) s e c t i o n ] I n t h e c a s e o f r a n d o m l y o r i e n t e d c r a c k s . t h e a b o v e e q u a t i o n a s s u m e s t h e f o l l o w i n g f o r m . w i t h ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t o n o n e s e c t i o n s u f fi c i e n t t o y i e l d t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s z x z ‘ l m . , 4 “ V F = — L A C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 4 ) 7 7 ' w h e r e . L A ( ~ = l e n g t h o f c r a c k s p e r u n i t t e s t a r e a . E q u a t i o n ( 6 . 1 3 ) i s a n e a s y a n d d i r e c t r e l a t i o n s h i p b u t i t i s v a l i d o n l y f o r i s o m e t r i c s t r u c t u r e s . w h i c h i s n o t t h e a c t u a l c a s e i n m o s t o f t i m e s . I n o r d e r t o d e t e r m i n e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s i n c a s e o f t h e s t r u c t u r e s a r e n o t i s o m e t r i c . t h e c r a c k s w e r e a s s u m e d t o b e p a r t i a l l y o r i e n t e d p l a n e s i n s p a c e . a n d a s a r e s u l t t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a c a n b e e x p r e s s e d a s t h e f o l l o w i n g : S I T = ( P L M 1 1 + ( P 0 , . . - i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 4 ) 0 V o l u m e F r a c t i o n ( v a ) V o l u m e f r a c t i o n i s a p a r a m e t e r t h a t g i v e s a n i n d i c a t i o n a b o u t h o w m u c h c o n c r e t e 1 8 9 s p e c i m e n c o n t a i n s c r a c k s w h i c h c a n a f f e c t m o s t o f 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 a n d i t c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : A , . + A . , V “ = " " 7 I “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 5 ) w h e r e . A A “ : c r a c k a r e a f r a c t i o n o f t h e fi r s t s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) A M , » = c r a c k a r e a f r a c t i o n o f t h e s e c o n d s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t s e c t i o n ) 0 S p a c i n g i n S p a c e ( h i s ) S p a c i n g o f c r a c k s i n s p a c e c a n c o n s i d e r a b l y a f f e c t t h e t h e r m a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e s u c h a s t h e r m a l c o n d u c t i v i t y a n d t h e r m a l e x p a n s i o n w h i c h h a s a s i g n i fi c a n t e f f e c t o n c o n c r e t e s h r i n k a g e . C r a c k s p a c i n g i n s p a c e i s c o n s i d e r e d a s t h e m e a n f r e e d i s t a n c e a n d e x p r e s s e d . - 1 0 2 a s t h e f o l l o w m g : 4 1 — V . 2 , , — — ( — ‘ — ‘ ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 6 ) w h e r e . V “ : c r a c k v o l u m e f r a c t i o n S W = c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a 9 C r a c k W i d t h i n S p a c e ( W y e ) ( ‘ r a c k s a r e m a n i f e s t e d a s l i n e s o f v a r i o u s t h i c k n e s s o n ( 2 — D ) c r o s s . T h e ( 2 - D ) c r a c k w i d t h s a r e e s s e n t i a l l y o f m i n i m u m c r a c k w i d t h m e a s u r e d a t n o n - p e r p e n d i c u l a r a n g l e s t o p l a n e o f c r a c k s . F i g u r e 6 . 8 s h o w s a s c h e m a t i c p r e s e n t a t i o n o f c r a c k w i d t h s ( W U ) , a n d 1 9 0 W ( g - . ) 3 ) i n p l a n e d u e t o c u t t i n g b y t h e p r o p o s e d t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s . t h e a c t u a l c r a c k w i d t h ( W W ) c a n b e o b t a i n e d a s f o l l o w s : 5 m ; = W “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 7 ) I 4 / ( 7 ’ 1 W . . . C O S ? = “ i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 8 ) W ( ‘ I ’ 2 w h e r e . Q : a n g l e b e t w e e n c r a c k w i d t h i n t h e fi r s t s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) a n d h o r i z o n t a l a x i s . \ N y p ] : c r a c k w i d t h i n t h e fi r s t s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) W W 3 : c r a c k w i d t h i n t h e s e c o n d s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t s e c t i o n ) S i n c e . . . 7 - . 7 S I " ? H O S E : 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 1 9 ) F r o m e q u a t i o n s ( 6 . 1 7 ) . ( 6 . 1 8 ) a n d ( 6 . 1 9 ) . t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n c a n b e d e r i v e d , ” ' . . 1 I I / . . ' i ( — " “ — ) ‘ + ( % “ ) “ = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 0 ) ” I t ' l ' l ” / 7 7 ' 3 w h i c h y i e l d s t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n f o r ( 3 - D ) c r a c k w i d t h : , 1 I I " , = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 1 ) l 1 7 i + " L \ / “ T ' I ' i W ( ” 7 ' 2 1 9 1 F i g u r e 6 . 8 S c h e m a t i c P r e s e n t a t i o n o f T h e R e l a t i o n s h i p b e t w e e n P r o j e c t e d a n d A c t u a l C r a c k W i d t h s 0 D e g r e e o f O r i e n t a t i o n i n S p a c e ( 0 “ ) D e g r e e o f o r i e n t a t i o n o f c r a c k s i n s p a c e c a n b e c o n s i d e r e d a u s e f u l q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t o r o f t h e d i r e c t i o n a n d t h e a t t r i b u t e s o f c r a c k s i n c o n c r e t e . O r i e n t a t i o n o f c r a c k s c a n a f f e c t t r a n s p o r t p r o p e r t i e s . p e r m e a b i l i t y , a n d d i f f u s i o n o f c h e m i c a l s p e c i e s i n c o n c r e t e . T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y . t h e c r a c k s w e r e a s s u m e d t o b e p a r t i a l l y o r i e n t e d p l a n e s i n s p a c e . a n d t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n w a s d e v e l o p e d t o d e t e r m i n e i t s d e g r e e o f o r i e n t a t i o n . _ [ ( P L ) t s J . — ( P L ) I s I I ] ( 6 2 2 ) ( . 3 . [ ( 1 ) / J ) “ J . + ( P L ) t s 1 1 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . w h e r e . ( P 1 , ) t s l o r ( P L ) t s ] I = n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n . S u b s c r i p t s ” l “ a n d “ I I " r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f c r a c k s . S u b s c r i p t “ t ” r e f e r s t o t h e t o t a l p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n a c e r t a i n d i r e c t i o n . S u b s c r i p t “ 5 " r e f e r s t o t h e p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n s p a c e . 1 9 2 . T o r t u o s i t y i n S p a c e ( T c s ) T o r t u o s i t y o f c r a c k s i n s p a c e i s a s h a p e i n d e x r e f l e c t i n g o n t h e n a t u r e o f c o n c r e t e c r a c k i n g a t f a i l u r e , a n d c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : , T . , + T . . , 1 7 , . = — " ' — — L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 3 ) 2 w h e r e . T a ) , = c r a c k t o r t u o s i t y i n p l a n e f o r t h e fi r s t s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) T “ ) ; = c r a c k t o r t u o s i t y i n p l a n e f o r t h e s e c o n d s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e fi r s t s e c t i o n ) . 6 . 1 . 4 . 2 V o i d S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s O V o i d S i z e D i s t r i b u t i o n G e n e r a l l y . t h e a n a l y s e s f o r v o i d s i z e d i s t r i b u t i o n a r e b a s e d o n t h e f o l l o w i n g a s s u m p t i o n s : ( a ) t h e p a r t i c l e h a s s p h e r i c a l s h a p e s a n d ( b ) t h e d i s t r i b u t i o n o f p a r t i c l e s i z e c a n b e r e p r e s e n t e d b y a d i s c o n t i n u o u s d i s t r i b u t i o n . A n a l y t i c a l m e t h o d s f o r c a l c u l a t i n g t h e s i z e d i s t r i b u t i o n o f s p h e r e s m a y b e c l a s s i fi e d i n t o t h r e e m a j o r c a t e g o r i e s , a c c o r d i n g t o t h e t y p e o f p l a n a r m e a s u r e m e n t p e r f o r m e d ; ( 1 ) S e c t i o n d i a m e t e r s , ( 2 ) S e c t i o n a r e a s , a n d ( 3 ) s e c t i o n c h o r d s . S c h w a r t z - S a l t y k o v ( d i a m e t e r ) a n a l y s i s m e t h o d “ w a s e m p l o y e d t h r o u g h o u t t h e s t u d y . T h e v o i d s i z e s m a y b e b r o k e n d o w n i n t o a n y n u m b e r o f g r o u p s u p t o 1 5 . d e p e n d i n g o n t h e r e q u i r e d p r e c i s i o n . S a l t y k o v i n t r o d u c e d t h e s y m b o l A , d e fi n e d a s t h e r a t i o o f D m a x t o t h e t o t a l n u m b e r o f g r o u p s , K . T h e d i a m e t e r o f v o i d s i n t h e fi r s t g r o u p e q u a l s A , t h a t o f t h e s e c o n d g r o u p e q u a l s 2 A , e t c . , a n d t h e d i a m e t e r o f t h e I a r g e s v o i d s . D i i i a x : I S A - I V Y “ ) = - Z a ( 7 v , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 4 ) T a b l e 6 . 7 p r e s e n t s t h e n o m e n c l a t u r e a d o p t e d f o r d e s i g n a t i n g t h e s i z e s a n d n u m b e r s o f . . . . . . g v m d s a n d s e c t i o n s . T h e w o r k i n g e q u a t i o n s c a n b e e x p r e s s e d a s t h e f o l l o w m g : 8 w h e r e . t h e n u m e r i c a l c o e f fi c i e n t o n w a s c a l c u l a t e d a n d p r o v i d e d i n t a b l e s b y S a l t y k o v . 9 2 T h e g e n e r a l e q u a t i o n f o r t h e n u m b e r o f v o i d s o f a n y s i z e g r o u p p e r u n i t v o l u m e i s ( A I - 3 , ) ; — [ 0 7 ( . v , 0 7 , , . , ( 7 v , , ) , , , — 0 7 , , , ( N , , . ) , , , — - - - - - — 0 7 , , ( N , , , . ) , ] . . . . . . . . . . ( 6 . 2 5 ) w h e r e . i a n d j a s s u m e i n t e g e r v a l u e s f r o m I t o k e q u a l s t h e t o t a l n u m b e r o f c l a s s i n t e r v a l s . T h e i n d e x j i s c o n s t a n t i n e a c h s i z e g r o u p , b u t i v a r i e s f r o m i = j t h r o u g h 1 + 1 , 1 + 2 . e t c . u p t o t h e k m c l a s s i n t e r v a l . S c h w a r t z - S a l t y k o v m e t h o d i s v a l i d o n l y f o r s p h e r i c a l f e a t u r e s ; h e n c e , i t c a n ’ t b e a p p l i e d f o r e l l i p s o i d v o i d s . E l l i p s o i d v o i d s m a y b e f o r m e d i n c o n c r e t e a s p o r e c o l l a p s e d u e t o p r o j e c t i l e l o a d s . D e h o f f a n a l y s i s m e t h o d ] 0 8 i s a m o d i fi c a t i o n o f S c h w a r t z - S a l t y k o v m e t h o d t o d e t e r m i n e t h e s i z e d i s t r i b u t i o n o f e l l i p s o i d v o i d s . D e h o f f p r o p o s e d t o d i v i d e t h e e l l i p s o i d v o i d s i n t o k s i z e c l a s s e d , e a c h c l a s s b e A t h e s a m e a s S c h w a r t z - S a l t y k o v . 1 0 m e t h o d , b u t A i n t h a t c a s e c a n b e e x p r e s s e d a s : 1 9 4 T a b l e 6 . 7 N o m e n c l a t u r e U s e d i n S c h w a r t z - S a l t y k o v M e t h o d G r o u p R a n g e o f N u m b e r o f D i a m e t e r o f N u m b e r o f D i s t r i b u t i o n N u m b e r S e c t i o n S e c t i o n s p e r v o i d s m m v o i d s p e r ( % ) D i a m e t e r s m m 2 ( N 7 0 1 m m 3 ( N V ) , m m 1 0 1 0 A ( N A V ) I A ( v a ) i ( D 5 0 1 3 A t o 2 A ( N A V ) 2 2 A ( v a 1 2 ( D u b 3 2 7 : 1 0 3 A ( N M / ) 3 3 A ( v a ) 3 ( D 5 0 3 j ( i - 1 ) A t o i A ( N x v h j A ( N V V ) j ( D 5 0 ) k ( k - l ) A t O k A ( N n v l k k A ( v a ) k ( D s t ) k W A = ( — 7 ( ) — — . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 6 ) w h e r e . ( W e . . . ) m a x = t h e m i n o r a x i s o f t h e e l l i p s o i d v o i d s i n t h e l a r g e s t s i z e c l a s s . D e h o f f p r o p o s e d t h e f o l l o w i n g f o r m u l a s f o r t h e n u m b e r o f v o i d s o f a n y s i z e g r o u p p e r u n i t v o l u m e a n d w o r k i n g e q u a t i o n : . l k ( a m ) , : k i t / ) A Z 0 7 , ( N , , , , ) , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 7 ) . l . ( A l l i - 1 ' ) l : k ( d ) A [ a l ( N 7 1 w ) 1 — a i + l ( I V A N ) l + l — a i + 2 ( l e e v ) i + 2 — . . . . _ a k ( 1 V . ‘ l t ' l ' ) k ] ‘ ' ' ( 6 ' 2 8 ) w h e r e , K ( q ) = s h a p e f a c t o r f o r t h e e l l i p s o i d v o i d s , i t i s a f u n c t i o n o f t h e s h a p e c o e f fi c i e n t ( q ) . W _ . f ) . , , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 2 9 ) l . _ ( L U V ) ( I I ' w h e r e . ( W u ) a v = t h e a v e r a g e m i n o r a x i s f o r e l l i p s o i d v o i d s . ( L e v ) , 1 v = t h e a v e r a g e m a j o r a x i s f o r t h e e l l i p s o i d v o i d s . 0 V o l u m e F r a c t i o n ( V W ) V o i d s v o l u m e f r a c t i o n i s a u s e f u l q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t o r o f t h e a i r c o n t e n t i n c o n c r e t e . T h e a i r c o n t e n t i n c o n c r e t e i s a p a r a m o u n t i m p o r t a n c e f o r 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 c o n c r e t e a n d f o r f r e e - t h a w r e s i s t a n c e . V o l u m e f r a c t i o n o f v o i d s c a n b e d e t e r m i n e d u s i n g t h e s a m e s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p l e s u s e d f o r c r a c k s a s f o l l o w s : 1 " ] l l l ' b ’ ) A ‘ 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 6 0 3 0 ( ) w h e r e , A A “ : v o i d a r e a f r a c t i o n o f t h e fi r s t s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f V , . , : 1 l o a d i n g ) A , ( \ 7 3 = v o i d a r e a f r a c t i o n o f t h e s e c o n d s e c t i o n ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e s e c o n d s e c t i o n ) 0 N u m b e r p e r U n i t V o l u m e ( v a ) N u m b e r o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e t o t a l v o i d s v o l u m e f r a c t i o n i n c o n c r e t e . N u m b e r o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e c a n b e e x p r e s s e d a s 1 9 6 ~ 8 8 f o l l o w s : 2 X ’ 7 7 X N A V N V V = 7 , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 1 ) w h e r e . i n = t h e m e a n v a l u e o f t h e r e c i p r o c a l s o f t h e c i r c l e d i a m e t e r s o n t h e t e s t s e c t i o n , w h i c h c a n b e o b t a i n e d b y t h e f o l l o w i n g f o r m u l a : 8 8 Z ( 1 / d , , ) + ( 1 / d , . , ) + ( 1 / 7 1 , . _ , ) + . . . . . . . . . . . + ( 1 / d , , , ) m = " ' 7 ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 2 ) I ? w h e r e . d o . = t h e d i a m e t e r o f t h e fi r s t v o i d i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . d , 3 = t h e d i a m e t e r o f t h e s e c o n d v o i d i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . ( 1 . 7 3 = t h e d i a m e t e r o f t h e t h i r d v o i d i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . d . . . ” = t h e d i a m e t e r o f n v o i d s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . n v = n u m b e r o f v o i d s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . E q u a t i o n ( 6 . 3 1 ) i s v a l i d f o r s p h e r i c a l v o i d s . I n c a s e o f e l l i p s o i d v o i d s , t h e f o l l o w i n g , . _ . ( ) 8 e q u a t i o n m a y b e u s e d : N 7 1 5 1 ‘ ' . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 3 ) . ‘ \ 1 " “ . : X ' 0 5 7 8 1 I ! l ' t ' i ' w h e r e . V V C V = v o l u m e f r a c t i o n o f t h e e l l i p s o i d v o i d s . [ i ] = t h e d i m e n s i o n l e s s s h a p e c o e f fi c i e n t t h a t r e l a t e s t h e o b j e c t v o l u m e a n d i t s m e a n c r o s s - s e c t i o n a l a r e a . A m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n w a s d e v e l o p e d f o r t h e d i m e n s i o n l e s s s h a p e c o e f fi c i e n t a n d p r o p o s e d a s f o l l o w s : 1 9 7 [ 3 , = 0 . 7 6 8 3 ( 7 i , , ) ‘ ” ‘ - M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 4 ) ( I I ' w h e r e . ( A m p . . . = m e a n v a l u e o f t h e e l l i p s o i d v o i d s a s p e c t r a t i o i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . 0 S p e c i fi c S u r f a c e A r e a ( S W ) S p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f v o i d s i s t h e s u r f a c e a r e a o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e o f c o n c r e t e . S i m u l a t i n g v o i d s a s p a r t i a l l y o r i e n t e d l i n e a r s y s t e m s o f s u r f a c e s i n s p a c e y i e l d s t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n f o r s p e c i fi c s u r f a c e a r e a : . s , . , . : l . 5 7 1 ( P L ) t s i + 0 . 4 2 9 ( P L ) t s l l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 5 ) w h e r e . ( I ’ L ) t s l o r ( P L ) t s I I = n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n . S u b s c r i p t s “ l " a n d “ 1 ] ” r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f v o i d s . S u b s c r i p t “ t ” r e f e r s t o t h e t o t a l p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n a c e r t a i n d i r e c t i o n . S u b s c r i p t “ 5 ” r e f e r s t o t h e p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n s p a c e . 0 M e a n D i a m e t e r i n S p a c e ( d m v s ) M e a n d i a m e t e r o f v o i d s p r o v i d e s a q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t o r o f t h e a v e r a g e s i z e o f v o i d s i n c o n c r e t e . M e a n d i a m e t e r o f v o i d s c a n b e d e r i v e d a s f o l l o w s : 1 V o l u m e o f s p h e r e ( V ) = g — x i t x ( : 7 4 ) 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 6 ) w h i c h y i e l d s 7 1 , = s , / 9 x V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 7 ) 7 2 ' I 9 8 w h e r e , d v = v o i d d i a m e t e r I n o r d e r t o o b t a i n t h e m e a n d i a m e t e r o f v o i d s i n s p a c e , v o l u m e o f v o i d s s h o u l d b e d i v i d e d b y t h e n u m b e r o f v o i d s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t y i e l d i n g t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n : O S p a c i n g i n S p a c e ( A v g ) S p a c i n g v o i d s i n c o n c r e t e i s a n i m p o r t a n t f a c t o r t o e v a l u a t e a i r - e n t r a i n e d a d m i x t u r e s . L a r g e s p a c i n g l e a d t o i n e f fi c i e n t i n fl u e n c e o f a i r - e n t r a i n e d i n c o n c r e t e a n d a s a r e s u l t , t h e p r o b a b i l i t y o f c o n c r e t e d e t e r i o r a t i o n d u e t o f r e e z e - t h a w i n c r e a s e s . C l o s e s p a c i n g c a n a d v e r s e l y a f f e c t 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 . V o i d s s p a c i n g i n s p a c e , c a n b e d e t e r m i n e d u s i n g t h e s a m e e q u a t i o n p r o p o s e d f o r c r a c k s . _ 4 ( 1 — V , . , . ) 2 , , _ S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 3 9 ) 1 1 ’ w h e r e . V W = v o i d v o l u m e f r a c t i o n S W = v o i d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a 6 S p e c i f i c S u r f a c e ( n g ) S p e c i f i c s u r f a c e i s t h e s u r f a c e a r e a o f v o i d s p e r u n i t v o l u m e o f v o i d s a n d q u a n t i fi e s t h e i r r e g u l a r i t y o f v o i d s u r f a c e s . V o i d s u r f a c e s i r r e g u l a r i t y i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o s p e c i fi c s u r f a c e a r e a v a l u e w h i c h c o u l d b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : 1 9 9 s : " _ " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 0 ) w h e r e . S W = v o i d s p e c i f i c s u r f a c e a r e a V W = v o i d v o l u m e f r a c t i o n 6 . 1 . 4 . 3 A g g r e g a t e S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s A g g r e g a t e s i z e d i s t r i b u t i o n , v o l u m e f r a c t i o n ( V , . - g ) , s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ( S v g ) , m e a n d i a m e t e r i n s p a c e ( d m g s ) , s p a c i n g i n s p a c e ( M g ) , a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n s p a c e ( Q g s ) c a n b e d e t e r m i n e d u s i n g t h e s a m e e q u a t i o n s f o r v o i d s . S o m e m e a s u r e m e n t s w h i c h a r e u s e d p a r t i c u l a r l y w i t h a g g r e g a t e s a r e i n t r o d u c e d b e l o w . 0 D e g r e e o f O r i e n t a t i o n i n S p a c e ( Q g g ) D e g r e e o f o r i e n t a t i o n o f a g g r e g a t e c a n b e o b t a i n e d a s s u m i n g t h e a g g r e g a t e s a r e p a r t i a l l y o r i e n t e d l i n e a r s y s t e m s o f s u r f a c e s i n s p a c e . T h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : : [ ( P L ) I ~ ¢ _ ( P L ) ' ~ ” 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 1 ) ‘ [ ( P L ) , l + 0 . 2 7 3 ( P 1 ) , , 1 1 ] w h e r e . ( P D / s l o r ( P 1 , ) I s l l = n u m b e r o f p o i n t i n t e r s e c t i o n s p e r u n i t l e n g t h o f s u p e r i m p o s e d a r r a y o f e q u a l l y s p a c e d p a r a l l e l t e s t l i n e s o r i e n t e d i n a p r e d e t e r m i n e d d i r e c t i o n . S u b s c r i p t s " I " a n d “ [ 1 " r e f e r t o t e s t l i n e s r u n n i n g p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o 2 0 0 E = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 4 ) ‘ 6 9 9 t t h e p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f a g g r e g a t e s . S u b s c r i p t r e f e r s t o t h e t o t a l p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n a c e r t a i n d i r e c t i o n . S u b s c r i p t “ 3 ” r e f e r s t o t h e p o i n t i n t e r s e c t i o n s i n s p a c e . 6 C o m p l e x i t y i n d e x i n s p a c e ( C l g s ) C o m p l e x i t y i n d e x i n s p a c e r e fl e c t s o n t h e s h a p e o f t h e a g g r e g a t e p a r t i c l e s , a n d c a n b e 8 8 e x p r e s s e d a s f o l l o w s : ( f 1 = ” I “ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 2 ) 1 : 2 w h e r e . S v g = s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f a g g r e g a t e s v a = a g g r e g a t e v o l u m e f r a c t i o n 0 N u m b e r p e r U n i t V o l u m e ( N v g ) S i m u l a t i n g a g g r e g a t e s h a p e a s d i s c s , n u m b e r o f a g g r e g a t e s p e r u n i t v o l u m e c a n b e o b t a i n e d u s i n g t h e f o l l o w i n g f o r m u l a : 8 8 N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 3 ) ' 1 : _ 2 w h e r e . E = t h e m e a n v a l u e o f t h e r e c i p r o c a l s o f t h e d i s k l e n g t h s o n t h e s e c t i o n p l a n e . N A g = n u m b e r o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s p e r u n i t a r e a o f s e c t i o n o f i n t e r e s t . 2 ( 1 / L , , ) + ( i / L , , ) + ( 1 / L , , , ) + . . . . . + ( 1 / L , , , ) [ : 1 ” i : w h e r e , L g . = l e n g t h o f t h e fi r s t a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . L g ; = l e n g t h o f t h e s e c o n d a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . L 1 1 3 = l e n g t h o f t h e t h i r d a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . L g " = l e n g t h o f " n " ’ a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . n g = n u m b e r o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . 0 M e a n T h i c k n e s s o f A g g r e g a t e s ( t m g ) ) ( 7 S i m u l a t i n g a g g r e g a t e s h a p e a s d i s c s , t h e m e a n t h i c k n e s s o f a g g r e g a t e s c a n b e o b t a i n e d u s i n g t h e f o l l o w i n g f o r m u l a : 7 , , = Z : 2 ’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 5 ) w h e r e . G = t h e m e a n v a l u e o f t h e w i d t h - t o - l e n g t h r a t i o s o f d i s c s e c t i o n s . Z ( 1 / 1 , , ) + ( i / r , , ) + ( i / r , , ) + - - - - - + ( i / r , , ) ( 7 ' = " " 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 6 ) I ” ! . L ’ w h e r e . 1 1 , ] = w i d t h / l e n g t h r a t i o o f t h e fi r s t a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . F g g = w i d t h / l e n g t h r a t i o o f t h e s e c o n d a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . 1 7 . 3 . 3 = w i d t h / l e n g t h r a t i o o f t h e t h i r d a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . a n = w i d t h / l e n g t h r a t i o o f “ n ” a g g r e g a t e p a r t i c l e i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . 1 1 , . = n u m b e r o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . 2 0 2 6 . 1 . 4 . 4 F i b e r s S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s T h e v o l u m e f r a c t i o n ( V w ) , s p a c i n g i n s p a c e ( 2 7 , ) , a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ( S W ) o f fi b e r s c a n b e e x p r e s s e d u s i n g t h e s a m e f o r m u l a s a s v o i d s , a n d t h e i r c o m p l e x i t y i n d e x i n s p a c e ( C 1 1 1 , ) c a n b e d e t e r m i n e d u s i n g t h e s a m e f o r m u l a a s a g g r e g a t e s . T h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n s a r e u s e d p a r t i c u l a r l y w i t h fi b e r s : 6 N u m b e r p e r U n i t V o l u m e ( V W ) . . . . 9 : N u m b e r p e r u n i t v o l u m e o f c y l i n d r i c a l fi b e r s c a n b e e x p r e s s e d a s f o l l o w s : i l A ] l . 5 , N , , = — x , j ’ , ‘ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 7 ) [ 3 2 V 1 7 f w h e r e . N A ] : = n u m b e r o f fi b e r s p e r u n i t a r e a . e r = f i b e r s v o l u m e f r a c t i o n . [ 3 2 = t h e d i m e n s i o n l e s s s h a p e c o e f fi c i e n t t h a t r e l a t e s t h e o b j e c t v o l u m e a n d i t s m e a n c r o s s - s e c t i o n a l a r e a . A m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n i s d e v e l o p e d f o r t h e d i m e n s i o n l e s s s h a p e c o e f fi c i e n t . p , = 0 . 3 4 7 3 ( A , , ) + 1 . 2 2 5 i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 8 ) ( I I ‘ w h e r e . ( A s p ) , V = m e a n v a l u e o f fi b e r s a s p e c t r a t i o i n t h e w h o l e s e c t i o n o f i n t e r e s t . 0 M e a n D i a m e t e r i n S p a c e ( d m f s ) M e a n d i a m e t e r o f fi b e r s i n s p a c e c a n b e d e r i v e d u s i n g t h e s a m e p r o c e d u r e s u s e t o d e t e r m i n e t h e m e a n d i a m e t e r o f v o i d s i n s p a c e t a k i n g i n t o a c c o u n t t h a t t h e fi b e r s a r e 2 0 3 c y l i n d r i c a l i n s h a p e . V o l u m e o f c y l i n d e r f i b e r i t x a l l , 2 ( V s ) = — — x 1 2 ” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 4 9 ) 4 w h e r e . d ” = d i a m e t e r o f e a c h i n d i v i d u a l f i b e r . 1 1 ” = l i l - l e i g h t o f e a c h i n d i v i d u a l fi b e r . [ . 2 _ I f , ” ( 6 5 0 ) I , _ [ \ f 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 4 ‘ ‘ 1 ’ ] w h e r e . V , , ~ = v o l u m e o f e a c h i n d i v i d u a l c y l i n d r i c a l fi b e r V W = f i b e r v o l u m e f r a c t i o n i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . N W = n u m b e r o f f i b e r s i n t h e s e c t i o n o f i n t e r e s t . F r o m e q u a t i o n s ( 6 . 4 9 ) a n d ( 6 . 5 0 ) . t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n c a n b e o b t a i n e d V ” c l m , ‘ : 2 x 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 5 1 ) 7 ? X h i n t X A l l ] w h e r e . h m f ' 2 a v e r a g e h e i g h t o f f i b e r s i n s e c t i o n o f i n t e r e s t . c o n c r e t e m a t e r i . a l s o r c o n c r e t e s p e c . 1 m e n s l 0 : ‘ f o r p a r t - i c u l a r t e s t s . T h e r e a r e a l s o s o m e 0 ! ) 1 OL 6 . 2 S T A T I S T I C A L A N A L Y S I S 6 . 2 . 1 P r e f a c e P e t r o g r a p h i c i n v e s t i g a t i o n a n d / o r q u a n t i t a t i v e m i c r o s c o p i c a n a l y s i s o f c o n c r e t e r e q u i r e p r o p e r s a m p l i n g o f c o n c r e t e s y s t e m t o r e p r e s e n t t h e w h o l e s t r u c t u r e . I n s u f fi c i e n t o r b i a s e d s e l e c t i o n o f s a m p l e s m a y l e a d t o e r r o n e o u s c o n c l u s i o n s o r m i s l e a d i n g j u d g m e n t a b o u t t h e s t r u c t u r e u n d e r i n v e s t i g a t i o n ; o n t h e c o n t r a r y , a n e x c e s s n u m b e r o f s a m p l e s c o u l d i n c r e a s e t h e l e v e l o f e f f o r t a n d c o s t a s w e l l a s t i m e w i t h o u t v i a b l e g a i n s i n r e l i a b i l i t y o f t h e e n d r e s u l t s . T h e r e a r e g e n e r a l g u i d e l i n e s t o f o l l o w f o r s a m p l i n g o f 1 0 4 1 0 , 1 0 6 . 1 0 ? g u i d e l i n e s r e l e v a n t t o p e t r o g r a p h i c i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e , a n d t o q u a n t i fi c a t i o n . . . 1 0 8 . 1 0 9 o f s o m e o f c o n c r e t e f e a t u r e s ( e . g . , a i r v o i d s o r c e m e n t p h a s e s ) . A l t h o u g h t h e r e a r e s o m e r e c o m m e n d a t i o n h a v e b e e n m a d e f o r s e l e c t i o n o f a v i a b l e s a m p l e s i z e f o r " 0 " H s p e c i fi c g u i d e s f o r s e l e c t i o n o f s a m p l e s i z e i n q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t o f s t r e n g t h , m i c r o s c o p i c a n a l y s i s o f c o n c r e t e s y s t e m s a r e n o t a v a i l a b l e . T h e i n v e s t i g a t i o n r e p o r t e d h e r e i n d e v e l o p e d d a t a o n v a r i a b i l i t y o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m s b a s e d o n w h i c h s t a t i s t i c a l c r i t e r i a w e r e d e v e l o p e d f o r s a m p l i n g o f c o n c r e t e s y s t e m s f o r t h e p u r p o s e o f q u a n t i t a t i v e m i c r o s c o p i c a n a l y s i s . 6 . 2 . 2 T h e S a m p l i n g S c h e m e G i v e n t h e n a t u r e a n d l o c a l v a r i a t i o n s o f d a m a g e i n a s t r u c t u r e , a n i t e r a t i v e a p p r o a c h w o u l d b e u n d e r t a k e n w h e n a n i n i t i a l s a m p l i n g s c h e m e i s r e fi n e d i n l i g h t o f t h e i n f o r m a t i o n g e n e r a t e d . T h e s t e p s i n v o l v e d i n s a m p l i n g a n d a n a l y s i s o f s t r u c t u r e s a n d v e r i fi c a t i o n o f s a m p l e s i z e a r e s h o w n b e l o w . 6 . 2 . 2 . 1 P r e l i m i n a r y s u b - r e g i o n i n g T h i s s t e p d i v i d e s t h e v o l u m e o f c o n c r e t e t o r e g i o n s w i t h r e l a t i v e l y u n i f o r m d a m a g e c o n d i t i o n s a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 9 . T h i s s t e p c a n b e i m p l e m e n t e d i t e r a t i v e l y , w i t h t h e s u b - r e g i o n i n g s c h e m e r e fi n e d i n l i g h t o f t h e g e n e r a t e d d a t a . T h e s u b - r e g i o n s a r e n o t n e c e s s a r i l y e q u a l i n s i z e ; t h e y m a y b e fi n e r n e a r s e v e r e l y d a m a g e d l o c a t i o n s . A l s o , i n t h e c a s e o f a s t r u c t u r e w i t h u n i f o r m d a m a g e c o n d i t i o n ; t h e w h o l e s t r u c t u r e m a y b e t r e a t e d a s o n e s u b - r e g i o n . T h e i n i t i a l d e c i s i o n o n s u b - r e g i o n i n g w o u l d b e m a d e b a s e d o n a n i n i t i a l c o n d i t i o n a s s e s s m e n t w h i c h c o u l d s i m p l y i n v o l v e s u r f a c e o b s e r v a t i o n s . T h e d a t a g e n e r a t e d w i t h t h i s i n i t i a l s u b — r e g i o n i n g c a n t h e n b e u s e d t o d e v e l o p m o r e r e fi n e d s u b - r e g i o n s s c h e m e . S a m p l e s ( c o r e s ) t a k e n f r o m e a c h s u b - r e g i o n w i l l b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e m e a n s a n d v a r i a n c e o f d i f f e r e n t m i c r o c r a c k s a n d v o i d s c h a r a c t e r i s t i c s w i t h i n e a c h s u b — r e g i o n . T h i s d a t a c a n b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n c e s o f d i f f e r e n c e s b e t w e e n s u b - r e g i o n s . T h e s e a n a l y s e s p r o v i d e t h e b a s i s t o r e fi n e s u b - r e g i o n i n g b y m e r g i n g t h e s u b - r e g i o n s w i t h s t a t i s t i c a l c o m p a r a b l e c o n d i t i o n s o r b y d i v i d i n g s u b - r e g i o n s w i t h i n w h i c h e x c e s s v a r i a t i o n s o f q u a n t i fi e d m i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o c c u r . 6 . 2 . 2 . 2 C a r i n g a n d s e c t i o n i n g O n c e t h e c o n c r e t e s y s t e m i s s u b - r e g i o n e d , t h e n e x t s t e p i n v o l v e s e x t r a c t i o n o f s t a t i s t i c a l l y r e p r e s e n t a t i v e s a m p l e s f r o m e a c h s u b - r e g i o n a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 1 0 . F o r t h e p u r p o s e o f 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 o f c o n c r e t e , s a m p l i n g i n v o l v e s : o C o r i n g f r o m e a c h s u b - r e g i o n ( e x t r a c t i o n o f m u l t i p l e c o r e s f r o m e a c h s u b - r e g i o n ) - C u t t i n g e a c h c o r e i n t o t w o p e r p e n d i c u l a r ( h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l ) s e c t i o n s . 2 0 6 C o n c r e t e i i / s e u d ' a t ; J , w . _ a ” C o n c r e t e r m { h i — N F : I I I G 1 1 S t r u c t u r e 1 . T L x . i = 7 : . 1 - I r r W b - r e g i o n s F i g u r e 6 . 9 E x a m p l e o f C o n c r e t e S y s t e m D i v i d e d i n t o S u b - r e g i o n s C o n c r e t e C o r e s C o n c r e t e S t r u c t u r e S u b - r e g i o n s F i g u r e 6 . 1 0 E x a m p l e o f C a r i n g C o n c r e t e S y s t e m T h e v a r i a b l e s i n v o l v e d i n t h i s s a m p l i n g s c h e m e i n c l u d e t h e d i a m e t e r , l e n g t h a n d n u m b e r o f c o r e s . 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 t h e d i a m e t e r o f d r i l l e d c o r e s s h o u l d n o t b e l e s s t h a n t h r e e t i m e t h e m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . ' 0 6 I n o r d e r t o r e d u c e t h e d a m a g e t o s t r u c t u r e a s s o c i a t e d w i t h c o r i n g , 1 0 0 m m ( 4 i n ) d i a m e t e r c o r e s m a y b e u s e d i n m o s t a p p l i c a t i o n s . T h e l e n g t h o f c o r e d e p e n d s p a r t l y o n t h e t h i c k n e s s o f s u b - r e g i o n s a n d t h e w h o l e s y s t e m . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t t h e c o r e s h o u l d p e n e t r a t e a l l s u b - r e g i o n s u n d e r i n v e s t i g a t i o n : ( 1 0 0 — 1 2 5 m m ) ( 4 - 5 i n ) c o r e l e n g t h i s r e c o m m e n d e d i n c a s e o f o n e v e r t i c a l s u b — r e g i o n f o r e a s y s e c t i o n i n g . S t a t i s t i c a l c r i t e r i a , t o b e r e v i e w e d l a t e r , d e t e r m i n e t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s o b t a i n e d f r o m e a c h s u b - r e g i o n . C o r e s m a y b e e x t r a c t e d f r o m r a n d o m l y s e l e c t e d l o c a t i o n s w i t h i n e a c h s u b - r e g i o n . W a t e r d i a m o n d - b i t c o r i n g i s t h e r e c o m m e n d e d m e t h o d o f s a m p l i n g c o n c r e t e w h e n c o r e d i a m e t e r s a r e 7 5 m m ( 3 i n ) o r l e s s e r . t h e c o r e b i t s u s e d s h o u l d b e d e s i g n a t e d b y i n t e r n a l d i a m e t e r a s t h e l o s s o f c o r e d i a m e t e r o n a n o m i n a l 5 0 m m ( 2 i n ) d i a m e t e r c o r i n g b i t i s c o n s i d e r a b l e . F o r c o n c r e t e o f r e s t r i c t e d d i m e n s i o n s , s u c h a s p a v e m e n t s a n d s l a b s o r p r e c a s t p r o d u c t s , w e t d i a m o n d s a w i n g o f s a m p l e s i s p r e f e r a b l e t o c o r i n g , a s i t i s l e s s l i k e l y t o c a u s e d a m a g e . A f t e r c o r e s a r e o b t a i n e d . e a c h c o r e s h o u l d b e c u t i n t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s [ h o r i z o n t a l ( X Y ) a n d v e r t i c a l ( Y Z ) ] a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 1 1 . I t i s r e c o m m e n d e d t o c u t o n e s e c t i o n i n t h e d i r e c t i o n o f a p p l i e d l o a d , a n d t h e s e c o n d i n p e r p e n d i c u l a r . C o n c r e t e s h o u l d b e c u t w i t h w e t d i a m o n d - s a w s i n o r d e r t o p r e v e n t m a j o r d a m a g e . T h e a i m o f c u t t i n g t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s i s t o g e n e r a t e s u f fi c i e n t i n — p l a n e ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s f o r s t e r e o l o g i c a l a n a l y s i s w h i c h y i e l d v i a b l e d a t a o n ( 3 - D ) c h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o c r a c k a n d v o i d s y s t e m . A f t e r s e c t i o n i n g , d e p e n d i n g o n a v a i l a b l e f a c i l i t i e s a n d t o o l s , 7 5 X 7 5 X 5 0 m m ( 3 X 3 X 2 i n ) s q u a r e s p e c i m e n s s h o u l d b e c u t f r o m h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s e c t i o n s f o r p r e p a r a t i o n a n d a n a l y s i s . D i r e c t i o n o f l o a d i n g V e r t i c a l S e c t i o n 1 C o n c r e t e : H o r i z o n t a l C o r e 1 S e c t i o n _ ’ i , 0 ’ f - - - - - - - - - - - - / V V e r t i c a l 5 6 0 0 0 1 1 / H o r i z o n t a l S e c t i o n F i g u r e 6 . 1 . 1 S e c t i o n i n g o f C o n c r e t e C o r e s 6 . 2 . 2 . 3 I m a g e a c q u i s i t i o n a n d m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s 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 t o p r o d u c e ( i n t h e c a p t u r e d m i c r o s c o p i c i m a g e s ) a r e a s o n a b l y s h a r p c o n t r a s t b e t w e e n f e a t u r e s o f i n t e r e s t a n d t h e b o d y o f c o n c r e t e . S p e c i m e n p r e p a r a t i o n w a s p e r f o r m e d f o l l o w i n g t h e p r o c e d u r e s i l l u s t r a t e d i n s e c t i o n 4 . 2 . 4 f o r E S E M a n d f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n v e s t i g a t i o n s . M i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a w a s s e l e c t e d a s t h e k e y p r o b e f o r a n a l y s i s o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e s y s t e m . C r a c k l e n g t h h a s b e e n s e l e c t e d b e c a u s e i t t e n d s t o b e a f f e c t e d i n a m o r e n o t i c e a b l e w a y b y t h e l o a d a n d d a m a g i n g e f f e c t s o n c o n c r e t e , 2 3 c r a c k w i d t h m a y c o m e a f t e r c r a c k l e n g t h . C r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a w a s d e t e r m i n e d u s i n g e q u a t i o n ( 5 . 1 ) . T h e p a r a m e t e r i n s p a c e c o r r e s p o n d i n g t o t h e c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a i s t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s . S p e c i f i c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s w a s d e t e r m i n e d u s i n g e q u a t i o n ( 6 . 1 3 ) . 6 . 2 . 2 . 4 A s s e s s m e n t o f t h e r e q u i r e d n u m b e r o f i m a g e s , c o r e s a n d s u b - r e g i o n s S t a t i s t i c a l l y v i a b l e r e s u l t s c a n b e o b t a i n e d i f a m i n i m u m n u m b e r s a m p l e s i z e i s u s e d i n a n a l y s i s : t h e s a m p l e s i z e d e p e n d s o n t h e n u m b e r o f c o r e s , a n d t h e s c a n n e d a r e a s f r o m e a c h c r o s s s e c t i o n . A s f a r a s c a p t u r i n g i m a g e s f o r a c r o s s s e c t i o n i s c o n c e r n e d . a m e a s u r e m e n t s u c h a s c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ( L A C ) c a n b e s t a t i s t i c a l l y c o m p a r e d w h e n d i f f e r e n t p e r c e n t a g e s o f a r e a a r e s c a n n e d i n o r d e r t o d e t e r m i n e c o n d i t i o n w h i c h y i e l d v i a b l e r e s u l t s w i t h o u t e x c e s s e f f o r t . T h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n m a y b e d e t e r m i n e d a s s u m i n g t h a t e a c h s u b - r e g i o n a s a p o p u l a t i o n o f i n fi n i t e n u m b e r o f c o r e s . T h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s ( S W ) ( t h e a v e r a g e o f a l l s p e c i fi c s u r f a c e a r e a s f r o m t h i s i n fi n i t e n u m b e r o f c o r e s ) c a n b e u s e d a s t h e k e y m e a s u r e i n s t a t i s t i c a l a n a l y s e s . F o r t h i s p u r p o s e s t a t i s t i c a l d i s t r i b u t i o n o f 2 1 0 a l l s p e c i f i c s u r f a c e a r e a s c a n b e a s s u m e d t o h a v e n o r m a l d i s t r i b u t i o n w i t h t h e c a l c u l a t e d v a l u e o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a a s p o p u l a t i o n m e a n w i t h u n k n o w n fi n i t e v a r i a n c e . T h e s u f fi c i e n t n u m b e r o f c o r e s f o r d e s i r e d h a l f - w i d t h ( 1 1 ) , c o n fi d e n c e c o e f fi c i e n t ( l - a ) , a n d p l a n n i n g v a l u e o f s t a n d a r d d e v i a t i o n ( 0 ) m a y b e d e t e r m i n e d u s i n g t h e f o l l o w i n g a - - 1 e q u a t i o n : , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 5 2 ) w h e r e . z = 2 ( 1 - a / 2 ) , t h e p e r c e n t i l e o f s t a n d a r d n o r m a l d i s t r i b u t i o n w i t h n - l d e g r e e o f f r e e d o m . n = a v e r a g e n u m b e r o f c o r e s r e q u i r e d a t t h e d e s i g n a t e d p e r c e n t l e v e l o f c o n f i d e n c e . 0 = p o p u l a t i o n s t a n d a r d d e v i a t i o n ( f o r s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s w i t h i n e a c h s u b - r e g i o n ) . h = a c c e p t a b l e e r r o r ( p r e c i s i o n ) o r h a l f t h e m a x i m u m a c c e p t a b l e c o n fi d e n c e i n t e r v a l . o r = t h e l e v e l a t w h i c h t h e r i s k o f m a k i n g a T y p e I e r r o r i s t o b e c o n t r o l l e d . T h e a d e q u a c y o f t h e n u m b e r o f s u b - r e g i o n s m a y b e c h e c k e d t h r o u g h s t a t i s t i c a l / c o m p a r i s o n o f t h e v a r i a n c e o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s b e t w e e n s u b - r e g i o n s . P l a n n i n g s a m p l e s i z e s w i t h p o w e r a p p r o a c h h a s b e e n a d a p t e d f o r t h i s p u r p o s e . T h e m a i n p r o c e d u r e f o r i m p l e m e n t i n g t h e p o w e r a p p r o a c h i s t o u s e t h e p o w e r t a b l e s l ' 3 i n a r e v e r s e w a y i n o r d e r t o c h e c k i f t h e r e q u i r e d p o w e r i s r e a c h e d . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t t h e s e t a b l e s ( t a b l e s f o r d e t e m i i n i n g s a m p l e s i z e i n a n a l y s i s o f v a r i a n c e - fi x e d f a c t o r l e v e l m o d e l ) w e r e e s t a b l i s h e d w i t h n o n c e n t r a l i t y p a r a m e t e r w h e n a l l f a c t o r l e v e l s a r e t o Q ) x I I h a v e e q u a l s a m p l e s i z e s ; h e n c e , t h i s a p p r o a c h c a n b e u s e d p r o p e r l y w h e n e q u a l n u m b e r o f c o r e s a r e e x t r a c t e d f r o m a l l s u b - r e g i o n s . T h e s e t a b l e s r e q u i r e a m i n i m u m r a n g e o f f a c t o r l e v e l m e a n s f o r w h i c h i t i s i m p o r t a n t t o d e t e c t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e m e a n s w i t h h i g h p r o b a b i l i t y . T h e m i n i m u m r a n g e c a n b e o b t a i n 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 : 1 ' 3 V : m a x ( 1 1 , ) — m i n ( u , ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 5 3 ) w h e r e . V = t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n m a x i m u m a n d m i n i m u m m e a n s o f s p e c i f i c s u r f a c e a r e a b e t w e e n s u b - r e g i o n s . m a x ( 1 1 , ) 2 m a x i m u m m e a n o f t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s . m i n ( l l i ) = m i n i m u m m e a n o f t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s . B y o b t a i n i n g V . t h e r a t i o ( V / a ) c a n b e d e t e r m i n e d , ( w h e r e o i s t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n i n p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n s o f t h e m e a n v a l u e o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s i n t h e s t r u c t u r e - b e t w e e n s u b - r e g i o n s ) . U s i n g t h e p r e v i o u s r a t i o , s e l e c t e d ( o r ) l e v e l , a n d t h e p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s ( r ) , t h e p o w e r o f t h e t e s t ( 1 - [ 3 ) c a n b e o b t a i n e d , w h e r e ( [ 3 ) i s t h e r i s k o f m a k i n g a T y p e 1 1 e r r o r . T h r o u g h c o m p a r i s o n o f t h e o b t a i n e d p o w e r f r o m t a b l e s ( l - B h - a g a i n s t t h e r e q u i r e d p o w e r ( 1 - 1 3 ) R , t h e a d e q u a c y o f t h e n u m b e r o f s u b — r e g i o n s c a n b e c h e c k e d . I f ( l - B ) r S ( l - B ) R . t h e p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s i s a d e q u a t e a n d r e l i a b l e . I f ( 1 - 1 3 ) ' r > ( l - B ) R , t h e p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s n e e d t o b e i n c r e a s e d ( o r t h e r e s u l t s s h o u l d b e a c c e p t e d a t a l o w e r d e s i g n a t e d t e s t p o w e r ) . I f t h e d a m a g e l e v e l s a t d i f f e r e n t l o c a t i o n s w i t h i n t h e s t r u c t u r e a r e t o b e c o m p a r e d u n d e r i n v e s t i g a t i o n . o n e - w a y “ A N O V A ” , a n d “ F - t e s t ” f o l l o w e d b y T u k e y ’ s p r o c e d u r e ' 1 4 m a y b e u s e d . T u k e y ' s p r o c e d u r e i n v o l v e s t h e u s e o f a n o t h e r p r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o n c a l l e d t h e s t u d e n t i z e d r a n g e d i s t r i b u t i o n . T h i s d i s t r i b u t i o n d e p e n d s o n t w o p a r a m e t e r s : a n u m e r a t o r d e g r e e o f f r e e d o m ( m , , ) a n d a d e n o m i n a t o r d e g r e e o f f r e e d o m ( 1 ) ) . V a l u e s o f ( Q a m m ) “ u p p e r - t a i l a t c r i t i c a l v a l u e o f t h e s t u d e n t i z e d r a n g e d i s t r i b u t i o n w i t h ( m n ) n u m e r a t o r d e g r e e o f f r e e d o m a n d ( 1 ) ) d e g r e e o f f r e e d o m ” a r e a v a i l a b l e i n t a b l e f o r m ' " . 1 [ t a b l e s f o r c r i t i c a l v a l u e s ( Q , , , . , , _ , , ) f o r t h e s t u d e n t i z e d r a n g e d i s t r i b u t i o n ] . T h e v a l u e s o f [ Q a , i , i ( j - l _ ) ] c a n t h e n b e u s e d t o o b t a i n s i m u l t a n e o u s c o n fi d e n c e i n t e r v a l s f o r a l l p a i r w i s e d i f f e r e n c e s , w h e r e I i s t h e t o t a l n u m b e r o f s u b - r e g i o n s i n t h e w h o l e s t r u c t u r e . a n d J t o t a l n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n . T u k e y ‘ s p r o c e d u r e c a n b e u s e d a s f o l l o w s : . . I W S E ( t ) = U . . / . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 6 . 5 4 ) ~ ( I . I . I ( / ~ l ) X w h e r e . 0 ) = t h e n u m e r i c a l v a l u e u s e d f o r c o m p a r i s o n . i = t o t a l n u m b e r o f s u b - r e g i o n s i n t h e w h o l e s t r u c t u r e . j = t o t a l n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n . Q , , , , , , ( , . . , = s t u d e n t i z e d r a n g e d i s t r i b u t i o n ( c a n b e o b t a i n e d f r o m t a b l e s ) . M S E = m e a n s q u a r e e r r o r o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ( c a n b e o b t a i n e d f r o m A N O V A ) T h e c o m p a r i s o n c a n t h e n b e c a r r i e d o u t a s f o l l o w s . . I f 5 p 5 a ) , 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 t h e t w o c o n s e c u t i v e s u b - r e g i o n s u n d e r i n v e s t i g a t i o n . I f 5 p > a ) , 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 t h e t w o c o n s e c u t i v e s u b - r e g i o n s u n d e r i n v e s t i g a t i o n . I n t h i s a p p r o a c h . 6 a i s t h e d i f f e r e n c e o f m e a n s o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a s f o r t w o s u b - r e g i o n s i n t h e w h o l e s t r u c t u r e , 5 p 2 , u k — , u k , I i n w h i c h l l k i s t h e m e a n s p e c i fi c s u r f a c e a r e a f o r a c e r t a i n s u b - r e g i o n . a n d u m ] i s t h e m e a n o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f t h e s u c c e s s o r s u b - r e g i o n . A N O V A a n d F - t e s t m a y b e u s e d t o d e t e r m i n e i f 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 t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f c r a c k s b e t w e e n s u b - r e g i o n s ; t h e T u k e y ’ s p r o c e d u r e m a y b e u s e d t o d e t e c t s u b - r e g i o n s w h i c h c o n t a i n t h a t d i f f e r e n c e . I f t h e o u t p u t o f A N O V A s h o w s t h a t t h e r e i s n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n s u b - r e g i o n s , i t m a y m e a n t h a t t h e d a m a g e i s u n i f o r m l y d i s t r i b u t e d w i t h i n t h e w h o l e s t r u c t u r e a n d i t m a y a l s o g i v e a n i n d i c a t i o n a b o u t t h e a d e q u a c y o f t h e n u m b e r o f s u b - r e g i o n s . 6 . 2 . 3 A p p l i c a t i o n o f T h e P r o p o s e d S a m p l i n g S c h e m e I n o r d e r t o a s s e s s t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e p r o p o s e d s a m p l i n g s c h e m e , i t w a s a p p l i e d t o l a b o r a t o r y c o n c r e t e s p e c i m e n s . T w o c o n c r e t e m i x t u r e s ( n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y - h i g h s t r e n g t h ) w e r e c o n s i d e r e d i n t h e l a b o r a t o r y t e s t p r o g r a m . T y p e I P o r t l a n d c e m e n t a n d n a t u r a l s a n d w e r e u s e d i n b o t h m i x t u r e 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 9 m m ( 3 / 4 i n ) w a s u s e d a s c o a r s e a g g r e g a t e i n m i x I ( n o r m a l - s t r e n g t h ) , w i t h c e m e n t : fi 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 : w a t e r m a s s r a t i o s o f 1 : 1 . 5 9 : 1 . 9 8 : 0 . 5 1 4 , t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f 3 3 M P a ( 4 7 5 0 p s i ) . T h i s m i x w a s a i r - e n t r a i n e d , a n d p r o v i d e d a n a i r c o n t e n t o f 3 . 5 p e r c e n t w i t h a s l u m p o f 1 9 0 m m ( 7 . 5 i n ) . M i x 1 1 ( r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h ) i n c o r p o r a t e d n a t u r a l g r a n i t 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 0 m m ( 3 / 8 i n ) a s c o a r s e a g g r e g a t e : i t a l s o i n c o r p o r a t e d s i l i c a f u m e a n d s u p e r p l a s t i c i z e r , w i t h c e m e n t : fi 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 : w a t e r : s i l i c a f u m e m a s s r a t i o s o f 1 : 1 . 7 : 0 . 9 : 0 . 4 2 : 0 . 2 . t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 4 3 M P a ( 6 1 2 0 p s i ) . T h i s m i x p r o v i d e d 1 . 9 p e r c e n t a i r c o n t e n t a n d a s l u m p o f 6 4 m m ( 2 . 5 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 0 2 m m ( 4 i n ) d i a m e t e r b y 2 0 3 m m ( 8 i n ) h e i g h t w e r e p r e p a r e d f o r c o m p r e s s i o n t e s t i n g . a n d 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ( 3 X 3 x 1 2 i n ) p r i s m a t i c s p e c i m e n s f o r m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s . M o l d e d s p e c i m e n s w e r e k e p t m o i s t f o r 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 a t 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 2 8 d a y s , a n d t h e n c o n d i t i o n e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 1 8 0 d a y s p r i o r t o t e s t i n g . T h r e e c y l i n d e r s f r o m e a c h m i x t u r e w e r e t e s t e d t o c h e c k t h e t a r g e t e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . a n d 8 p r i s m s ( 4 u n d a m a g e d p r i s m s a n d 4 d a m a g e d p r i s m s ) f r o m e a c h m i x t u r e w e r e u s e d f o r m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s . S p e c i m e n s w e r e d a m a g e d b y s u b j e c t i n g t h e m t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s ( a n d t h e n u n l o a d i n g t h e m ) ; t h i s p r o c e s s l e f t t h e s p e c i m e n s i n t a c t f o r s u b s e q u e n t c u t t i n g a n d p r e p a r a t i o n f o r t h e p u r p o s e o f m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s . U n d a m a g e d a n d d a m a g e d p r i s m s w e r e c u t i n t o t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s a s d e s c r i b e d b e f o r e y i e l d i n g 1 6 s e c t i o n s w i t h 7 5 x 7 5 x 5 0 m m ( 3 i n x 3 i n x 2 i n ) . B o t h e n v i r o n m e n t a l 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 y ( E S E M ) a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y w e r e u s e d i n t h e i n v e s t i g a t i o n . H a l f o f t h e c u t s e c t i o n s w e r e p r e p a r e d u s i n g W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n f o r E S E M a n a l y s i s a n d t h e o t h e r h a l f w e r e p r e p a r e d u s i n g i n k - fl u o r e s c e n t e p o x y i m p r e g n a t i o n f o r f l u o r e s c e n c e m i c r o s c o p e . 1 2 5 X , 2 5 0 X , a n d 5 0 0 X m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s w e r e c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y a c c o r d i n g t o 3 . 4 . T h e s e m a g n i fi c a t i o n s s u i t t h e r a n g e o f m i c r o c r a c k d i m e n s i o n s i n c o n c r e t e ; t h e h i g h e s t m a g n i fi c a t i o n ( 5 0 0 X ) h a s n o t b e e n u s e d c o m m o n l y w i t h c o n c r e t e ; t h e c u r r e n t i n v e s t i g a t i o n w a s t o a s s e s s t h e p o t e n t i a l f o r d e t e c t i o n o f f i n e r m i c r o c r a c k s a t h i g h e r m a g n i fi c a t i o n . R e p r e s e n t a t i v e q u a n t i t a t i v e d a t a o n c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e w o u l d b e p r o d u c e d i f a s u f fi c i e n t f r a c t i o n o f c o n c r e t e s u r f a c e w e r e a n a l y z e d . I n o r d e r t o e s t a b l i s h s u c h r e p r e s e n t a t i v e f r a c t i o n . t h e f o l l o w i n g p e r c e n t a g e s o f s u r f a c e a r e a s i n b o t h fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y a n d E S E M w e r e s c a n n e d : o 1 2 5 x : 0 . 5 % . 1 % . 2 % , 3 % , a n d 4 % - 2 5 0 x : 0 . 5 % . 1 % . a n d 2 % - 5 0 0 x : 0 . 5 % . 1 % , a n d 2 % E a c h s e c t i o n ( d a m a g e d o r u n d a m a g e d ) w a s s c a n n e d t h r e e t i m e s f o r e a c h c o m b i n a t i o n o f 2 1 5 m a g n i fi c a t i o n f a c t o r s a n d p e r c e n t s c a n n e d a r e a ( u s i n g e a c h o f t h e t w o m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s ) . I m a g e s w e r e c a p t u r e d r a n d o m l y f r o m c o n c r e t e s u r f a c e s s u i n g a s e m i - a u t o m a t i c t r a v e l s t a g e . C r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ( L A C ) f o r e a c h s e c t i o n a n d S p e c i fi c s u r f a c e a r e a ( S V C ) o f c r a c k s f o r e a c h t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e d e t e r m i n e d u s i n g t h e f o r m u l a t i o n p r e s e n t e d e a r l i e r . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s ( e q u a t i o n 6 . 5 2 ) w a s a l s o u s e d t o d e t e r m i n e t h e a d e q u a t e n u m b e r o f c o r e s t o b e o b t a i n e d f r o m e a c h s u b - r e g i o n . 6 . 2 . 4 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n ' I ‘ a b l e s 6 . 8 a n d 6 . 9 s h o w c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ( L A C ) , m e a n v a l u e s a n d s t a n d a r d d e v i a t i o n o f 3 r e p l i c a t e d m e a s u r e m e n t s o n t h e s a m e s e c t i o n b y E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y f o r u n d a m a g e d a n d d a m a g e d s p e c i m e n s a t d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n l e v e l s ( 1 2 5 X , 2 5 0 x , a n d 5 0 0 X ) o f m i x I ( n o r m a l - s t r e n g t h ) w i t h d i f f e r e n t p e r c e n t a g e s o f s c a n n e d a r e a s f o r s e c t i o n s ( X - Y ) a n d ( Y - Z ) r e s p e c t i v e l y . T a b l e s 6 . 1 0 a n d 6 . 1 1 s h o w t h e s i m i l a r r e s u l t s f o r m i x 1 1 ( r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h ) . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s ( t - t e s t a t 5 % l e v e l o f s i g n i f i c a n c e , a n d p a i r e d c o m p a r i s o n o f m e a n s ) w e r e u s e d t o d e t e c t i f t h e r e i s a n y s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n m e a s u r e m e n t s a t d i f f e r e n t p e r c e n t a g e s . T a b l e 6 . 8 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( 1 / m m ) o f S e c t i o n ( X - Y ) f o r M i x t u r e I ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) M a g n i f i c a t i o n 1 2 5 x 2 5 0 x 5 0 0 x S c a n n e d A r e a 0 . 5 0 % 1 % 2 % 3 % 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % N u m b e r o f I m a g e s 1 6 3 6 6 4 1 0 0 1 4 4 6 4 1 4 4 2 5 6 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 : — E 0 M e a n [ f ] 2 ( L A ) 0 . 0 3 1 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 0 9 0 . 0 3 4 0 . 0 8 0 . 0 7 0 . 1 9 0 . 2 5 5 0 . 2 9 m E 6 L L ) ' 9 S d . : 3 D e v . 0 . 0 4 2 0 . 0 6 0 . 0 3 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 7 4 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 1 5 1 0 . 0 3 3 0 . 0 2 H 3 M e a n 3 3 3 “ ( L A ) 0 . 1 1 8 0 . 1 6 0 . 2 7 0 . 2 7 0 . 3 0 . 2 1 1 0 . 3 3 0 . 4 0 . 4 3 9 0 . 4 8 7 0 . 5 2 : 1 3 E . L L ] 3 S d . D e v . 0 . 0 1 1 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 7 0 . 0 4 0 . 0 6 7 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 6 0 . 1 0 1 0 . 1 2 : 7 3 E ) M e a n : 2 ) 2 ( L A ) 0 . 0 2 3 0 . 0 4 0 . 0 7 0 . 0 7 0 . 0 7 0 . 0 3 1 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 1 3 7 0 . 2 4 4 0 . 2 9 § 5 . : S d . I I . : 5 D e v . 0 . 0 9 1 0 . 0 9 0 . 0 8 0 . 1 0 . 0 4 0 . 0 6 4 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 7 0 . 0 2 7 0 . 0 3 2 : : 7 ‘ 3 M e a n 6 3 3 0 ( 1 7 , 4 ) 0 . 1 0 8 0 . 1 7 0 . 2 3 0 . 2 3 0 . 2 6 0 . 2 3 8 0 . 2 7 0 . 3 0 . 3 2 2 0 . 4 5 7 0 . 5 6 § 5 . S d . E Q D e v . 0 . 0 2 3 0 . 0 4 0 . 1 1 0 . 0 8 0 . 0 5 0 . 0 7 4 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 5 4 0 . 0 6 6 0 . 0 5 \ d . D e v . = S t a n d a r d d e v i a t i o n T a b l e 6 . 9 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) o f S e c t i o n ( Y - Z ) F o r M i x t u r e I ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 X 2 5 0 X 5 0 0 x S c a n n e d A r e a 0 . 5 0 % 1 % 2 % 3 % 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % N u m b e r o f I m a g e s 1 6 3 6 6 4 1 0 0 1 4 4 6 4 1 4 4 2 5 6 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 3 : 3 1 M e a n 5 5 . ) ( L A ) 0 0 2 6 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 1 0 . 0 4 6 0 . 1 3 0 . 1 3 0 . 1 0 3 0 . 2 0 5 0 . 2 6 m 7 % l — ' - 1 ' 2 S d . : 3 D e v . 0 . 0 3 4 0 . 0 4 0 . 0 3 0 . 0 7 0 . 1 1 0 . 0 8 8 0 . 0 5 0 . 0 7 0 . 0 2 6 0 . 0 3 5 0 . 0 3 _ _ ' 2 3 M e a n f 1 3 , ( L A ) 0 . 1 5 4 0 . 1 1 0 . 1 9 0 . 2 0 . 2 2 0 . 1 6 7 0 . 3 1 0 . 2 8 0 . 4 8 2 0 . 5 8 7 0 . 5 4 m E L L J a S d . D e v . 0 . 0 2 1 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 0 7 0 . 0 5 0 . 0 3 1 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 1 2 2 0 . 1 1 4 0 . 1 g ' 9 ? “ M e a n 5 g ( L , . ( ) 0 . 0 3 6 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 3 8 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 4 2 0 . 2 0 1 0 . 2 6 g “ 3 , : s a . L “ : 3 D e v . 0 . 0 4 4 0 . 0 6 0 . 1 2 0 . 0 6 0 . 1 0 . 0 2 2 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 2 0 . 0 2 1 0 . 0 4 ‘ 5 3 M e a n y j 3 , ? ( L A ) 0 . 1 2 1 0 . 1 3 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 1 3 5 0 . 2 1 0 . 2 4 0 . 2 4 2 0 . 5 7 1 0 . 7 7 E C ? S d . 1 4 — D e v . 0 . 0 6 1 0 . 0 3 0 . 0 6 0 . 0 3 0 . 0 6 0 . 0 2 4 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 8 6 0 . 0 4 5 0 . 0 5 S d . D e v . ” — ' S t a n d a r d d e v i a t i o n T a b l e 6 . 1 0 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) o f S e c t i o n ( X - Y ) F o r M i x t u r e I I ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) M a g n i f i c a t i o n 1 2 5 X 2 5 0 X 5 0 0 x S c a n n e d A r e a 0 . 5 0 % 1 % 2 % 3 % 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % N u m b e r o f I m a g e s 1 6 3 6 6 4 1 0 0 1 4 4 6 4 1 4 4 2 5 6 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 E 0 M e a n 5 a ( L A ) 0 . 0 2 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 4 5 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 4 6 0 . 0 6 4 0 . 0 9 3 3 7 5 : 3 S d . : 3 D e v 0 . 0 4 2 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 2 0 . 0 3 1 0 . 0 2 0 . 0 5 0 . 0 1 4 0 . 0 7 4 0 . 0 6 _ 3 M e a n 2 % ’ 5 3 ” ( L A ) 0 . 1 2 0 . 1 1 0 . 1 6 0 . 1 6 0 . 1 6 0 . 2 0 1 0 . 2 8 0 . 2 9 0 . 3 4 0 . 5 4 0 . 7 4 5 1 3 g S d . D e v 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 5 7 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 1 0 . 0 1 0 . 0 1 0 . 0 6 1 0 . 0 5 7 0 . 0 8 g 3 M e a n : 3 ) a ( L A ) 0 . 0 4 4 0 . 0 5 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 0 9 0 . 0 4 7 0 . 0 7 0 . 0 7 0 . 0 9 5 0 . 1 1 2 0 . 0 9 E " é S d . ” r : 3 D e v 0 . 0 1 5 0 . 0 3 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 1 2 0 . 0 7 0 . 0 9 0 . 0 9 0 . 0 8 1 0 . 1 3 : 3 , 3 M e a n 2 % ) 3 . ? ( L A ) 0 . 1 4 8 0 . 1 1 0 . 1 6 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 3 1 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 7 1 0 . 3 8 9 0 . 4 1 E g S d . E D e v 0 . 0 2 4 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 3 4 0 . 0 5 0 . 1 1 0 . 0 8 7 0 . 1 1 1 0 . 0 7 S d . D e v . = S t a n d a r d d e v i a t i o n 2 1 9 T a b l e 6 . 1 1 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a ( l / m m ) o f S e c t i o n ( Y - Z ) F o r M i x t u r e I I ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 X 2 5 0 X 5 0 0 X S c a n n e d A r e a 0 . 5 0 % 1 % 2 % 3 % 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % N u m b e r o f I m a g e s 1 6 3 6 6 4 1 0 0 1 4 4 6 4 1 4 4 2 5 6 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 E 0 M e a n E ] g ( L A ) 0 . 0 2 4 0 . 0 3 0 . 0 5 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 4 1 0 . 0 5 0 . 0 7 0 . 0 4 5 0 . 0 5 5 0 . 0 6 3 3 7 3 , : S d . : 3 D e v . 0 . 0 1 1 0 . 0 2 0 . 0 5 0 . 0 2 0 . 0 2 0 . 0 4 3 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 1 6 0 . 0 2 1 0 . 0 7 . . — . ' 8 M e a n i 2 , 9 ( L A ) 0 . 0 5 2 0 . 0 6 0 . 0 9 0 . 1 3 0 . 1 1 0 . 2 1 0 . 2 0 . 2 2 0 . 3 0 . 7 4 1 0 . 8 8 m E D J 8 S d . D e v . 0 . 0 3 1 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 1 0 . 0 2 2 0 . 0 9 0 . 0 2 0 . 0 7 7 0 . 0 1 3 0 . 1 4 2 " : E U M e a n § § ( L A ) 0 . 0 3 7 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 4 4 0 . 0 6 0 . 0 6 0 . 1 1 8 0 . 0 4 7 0 . 0 8 § § S d . “ — : 3 D e v . 0 . 0 4 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 3 0 . 0 5 0 . 0 4 7 0 . 0 3 0 . 0 7 0 . 1 1 3 0 . 1 1 2 0 . 0 8 E 8 M e a n 2 % ) 3 , 0 ( L A ) 0 . 0 6 9 0 . 0 9 0 . 1 3 0 . 1 3 1 4 3 0 . 1 5 7 0 . 2 1 0 . 2 4 0 . 2 3 2 0 . 2 5 4 0 . 2 1 ‘ 9 ‘ g S d . E D e v . 0 . 0 1 1 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 8 8 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0 3 4 0 . 0 7 8 0 . 1 S d . D e v . = S t a n d a r d d e v i a t i o n T a b l e s 6 . 1 2 a n d 6 . 1 3 s h o w t h e r e s u l t s o f t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s e s . T h e a n a l y s e s s h o w e d t h a t a t 1 2 5 X m a g n i fi c a t i o n i n E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y f o r u n d a m a g e d a n d d a m a g e d s p e c i m e n s ( c o n s i d e r i n g b o t h m i x t u r e s I a n d I I ) , 3 % o f t h e s u r f a c e s h o u l d b e s c a n n e d t o p r o d u c e r e l i a b l e r e s u l t s a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . S c a n n i n g o f 4 % o f t h e s u r f a c e a r e a w o u l d f u r t h e r i m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f m e a s u r e m e n t s . A t 2 5 0 X m a g n i fi c a t i o n i n b o t h E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y o f u n d a m a g e d a n d d a m a g e d ( c o n s i d e r i n g b o t h m i x t u r e s 1 a n d I I ) , s c a n n i n g 1 % o f s u r f a c e a r e a s e e m s s u f fi c i e n t f o r p r o d u c i n g r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . T h e r e l i a b i l i t y o f m e a s u r e m e n t s w o u l d b e f u r t h e r e n h a n c e d i f 2 % o f t h e s u r f a c e a r e a w a s s c a n n e d . A t 5 0 0 X m a g n i fi c a t i o n i n b o t h E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y o f u n d a m a g e d a n d d a m a g e d s p e c i m e n s ( c o n s i d e r i n g b o t h m i x t u r e s I a n d I I ) , f o r t w o c o n d i t i o n s ( E S E M o f d a m a g e d s p e c i m e n s f r o m m i x t u r e I a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y o f d a m a g e d s p e c i m e n s f r o m m i x t u r e 1 1 ) , s c a n n i n g o f 0 . 5 % o f t h e s u r f a c e a r e a y i e l d e d r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . F o r t w o o t h e r c o n d i t i o n s ( E S E M o f u n d a m a g e d s p e c i m e n s f o r m i x I , a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y u n d a m a g e d s p e c i m e n s f o r m i x t u r e 1 ) , s c a n n i n g o f 1 % o f t h e s u r f a c e a r e a w a s n e e d e d t o p r o d u c e r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . F o r t h e r e m a i n i n g 4 c o n d i t i o n s a t 5 0 0 x m a g n i fi c a t i o n f a c t o r , 2 % o f t h e c o n c r e t e s u r f a c e a r e a l e d t o b e s c a n n e d i n o r d e r t o p r o d u c e r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s a t 5 % l e v e l o f s i g n i f i c a n c e . H o w e v e r i t i s p r e f e r r e d t o u s e 0 . 5 % ( 2 5 6 i m a g e s ) s i n c e 1 % ( 5 1 2 i m a g e s ) a n d 2 % ( 1 0 2 4 i m a g e s ) a r e t i m e a n d c o n s t c o n s u m i n g . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t i m e a n d c o s t c o n s t r a i n s m a y l i m i t t h e p e r c e n t a g e o f a r e a t h a t i s s c a n n e d a t 5 0 0 x m a g n i fi c a t i o n t o 0 . 5 % . 2 2 1 t n e c s e r o u l F T a b l 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 C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a f o r M i x t u r e I 1 4 4 2 5 6 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 0 . 5 0 % S - S 1 % - S - 2 % l I 3 % 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % 3 % 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % 3 % F l u o r e s c e n t 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % - I I 3 % I - l 4 % I I - 7 o r ( Y - Z ) . I I = i n s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( X - Y ) . 1 2 = i n s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( Y — Z ) . S I = s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( X - Y ) . a n d ' 5 2 = s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( Y — 7 . ) 2 2 2 ) ) ) \ k l b T a b l e 6 . 1 3 S t a t i s t i c a l A n a l y s i s o f C r a c k L e n g t h P e r U n i t A r e a F o r M i x t u r e I I M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 X 2 5 0 X 5 0 0 X S c a n n e d A r e a 0 . 5 0 % 1 % 2 % 3 % 4 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % 0 . 5 0 % 1 % 2 % N u m b e r o f I m a g e s 1 6 3 6 6 4 1 0 0 1 4 4 6 4 1 4 4 2 5 6 2 5 6 5 1 2 1 0 2 4 g 0 . 5 0 % — 1 — S - s S Q Q J D 2 S i , g 1 % 1 - S s - 1 s - 1 2 5 8 1 , E 2 % S - 1 I - s 1 2 - g : 3 % 1 - 1 4 % 1 1 - S i , 0 . 5 0 % — 1 - 1 2 1 2 - s B 5 9 1 % 1 - s s 1 . 1 2 - i S - 1 s a 1 1 . 2 2 % s - s z 1 2 I - 1 - 2 ’ 2 “ m 1 1 , 3 % s 2 - 1 4 % 1 1 - " , 3 1 1 , 5 3 0 . 5 0 % - S - 8 2 0 f S 1 , : ‘ 3 1 % S - 1 2 1 2 1 2 - S 1 1 , S 2 - s g S ] , g 2 % 1 2 - S - 1 S - g , 3 % 1 2 1 - 1 - ” 7 4 % 1 2 1 I - " D i t ) 2 0 . 5 0 % - 1 1 I I — s - I I a C 3 g 1 % 1 - s s - i 1 - 1 , 3 } , 2 % 1 S — 1 I 1 - 1 1 — C l ) ' 5 3 % 1 I - I : 3 E 4 % 1 1 1 - l : i n s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e f o r b o t l h s e c t i o n s ( X — Y ) o r ( Y - Z ) , S = s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r b o t h s e c t i o n s ( X - Y ) o r ( Y - Z ) . 1 1 = i n s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( X - Y ) , 1 2 = i n s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( Y - 1 ) . S 1 = s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( X - Y ) a n d 8 2 = s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e f o r s e c t i o n ( Y - Z ) T h e m i c r o c r a c k l e n g t h s p e r u n i t a r e a 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 f o r h o r i z o n t a l ( X - Y ) a n d v e r t i c a l ( Y - Z ) s e c t i o n s o f u n d a m a g e d s p e c i m e n s . I n t h e c a s e o f d a m a g e d s p e c i m e n s . h o w e v e r , s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o c o m p r e s s i v e l o a d d i r e c t i o n ( X - Y ) h a d a h i g h e r m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a t h a n s e c t i o n s p a r a l l e l t o l o a d d i r e c t i o n ( Y - Z ) . M i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a w a s h i g h e r ( a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e ) i n d a m a g e d s e c t i o n s w h e n c o m p a r e d w i t h u n d a m a g e d s e c t i o n s . I n t h e c a s e o f d a m a g e d s p e c i m e n s , t h e d i f f e r e n c e i n S p e c i f i c s u r f a c e a n d l e n g t h p e r u n i t a r e a w 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 a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e f o r t h e t w o c o n c r e t e m i x t u r e s . T a b l e 6 . 1 4 s h o w s t h e m e a s u r e d v a l u e o f S p e c i fi c s u r f a c e a r e a f o r d a m a g e d a n d u n d a m a g e d s p e c i m e n s f r o m m i x t u r e s l a n d I I , w h i c h w e r e s c a n n e d b y E S E M a n d f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y a t d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n s , w i t h d i f f e r e n t p e r c e n t a g e s o f s u r f a c e a r e a s c a n n e d . T h e r e s u l t s w e r e o b t a i n e d t h r o u g h s t e r e o l o g i c a l a n a l y s i s e q u a t i o n 6 . 1 3 o f p l a n a r m e a s u r e m e n t s . T a b l e 6 . 1 4 c o m p a r e s t h e s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n c e o f t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n u n d a m a g e d a n d d a m a g e d s p e c i m e n s ( a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e ) . T h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s w a s t h e n d e t e r m i n e d u s i n g e q u a t i o n 6 . 5 2 . D i f f e r e n t p r e c i s i o n s v a l u e s ( 1 % . 2 % . 5 % . 1 0 % a n d 5 0 % ) w e r e c o n s i d e r e d f o r c o m p a r i s o n p u r p o s e s . F i g u r e s 6 . 1 2 a n d 6 . 1 3 s h o w t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s f o r u n d a m a g e d a n d d a m a g e d s p e c i m e n s f r o m m i x t u r e I a t t h e d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n l e v e l s ( a v e r a g e o f E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y ) . F i g u r e 6 . 1 4 a n d 6 . 1 5 S h o w t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s f o r u n d a m a g e d a n d d a m a g e d s p e c i m e n s f r o m m i x t u r e 1 1 a t t h e d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n l e v e l s ( a v e r a g e o f E S E M a n d f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y ) . C o m p a r i s o n s b e t w e e n d i f f e r e n t p r e c i s i o n l e v e l s s u g g e s t t h a t 5 % p r e c i s i o n p r o d u c e s a r e a s o n a b l e b a l a n c e a s f a r a s p r a c t i c a l s a m p l i n g o f 2 2 4 0 1 c o n c r e t e s y s t e m s i s c o n c e r n e d . T h e l a r g e s t n u m b e r o f r e q u i r e d c o r e s a t 5 % p r e c i s i o n i s 2 6 ( fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y , u n d a m a g e d s p e c i m e n s , 5 0 0 X m a g n i fi c a t i o n , m i x t u r e I I ) , a n d t h e l o w e s t n u m b e r o f c o r e s i s 1 ( E S E M , u n d a m a g e d S p e c i m e n s , 1 2 5 X m a g n i fi c a t i o n , m i x t u r e 1 1 . a n d E S E M , d a m a g e d S p e c i m e n s , 2 5 0 X m a g n i fi c a t i o n , m i x t u r e 1 1 ) . T a b l e 6 . 1 4 M i c r o c r a c k S p e c i fi c S u r f a c e A r e a ( 3 R e p l i c a t e d S c a n s ) M i c r o s c o p y T y p e E S E M F l u o r e s c e n t M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 x 2 5 0 X 5 0 0 X 1 2 5 X 2 5 0 X 5 0 0 X S c a n n e d A r e a 4 % 2 % 0 . 5 0 % 4 % 2 % 0 . 5 0 % 1 . 3 5 3 ” ; M e a n 0 . 1 1 9 0 . 1 8 6 0 . 1 8 8 0 . 0 8 6 0 . 1 3 2 0 . 1 7 7 g : ' 2 : > S d . D e v . 0 . 0 7 7 0 . 1 0 5 0 . 0 9 1 0 . 0 4 5 0 . 0 3 6 0 . 0 5 5 ' 0 a ; M e a n 0 . 3 4 9 0 . 4 5 6 0 . 5 1 0 . 1 9 9 0 . 1 8 4 0 . 3 6 3 g . . . ' 7 2 8 S d . D e v . 0 . 0 4 4 0 . 0 7 4 0 . 0 6 9 0 . 0 6 3 0 . 0 5 6 0 . 0 5 4 " U Q ) 3 3 M e a n 0 . 0 5 8 0 . 0 8 2 0 . 0 5 9 0 . 1 0 2 0 . 0 8 8 0 . 1 3 1 4 3 2 ‘ : 5 S d . D e v . 0 . 0 2 3 0 . 0 8 7 0 . 0 2 2 0 . 0 5 6 0 . 0 6 3 0 . 1 2 8 ' 0 “ 3 : 9 3 M e a n 0 . 1 6 5 0 . 3 4 7 0 . 3 7 5 0 . 1 7 4 0 . 2 5 5 0 . 3 7 E : 3 2 S d . D e v . 0 . 0 2 7 0 . 0 1 9 0 . 0 7 9 0 . 0 4 6 0 . 1 0 6 0 . 0 8 4 S d . D e v . = S t a n d a r d D e v i a t i o n P r e c i s i o n [ 3 1 % [ 3 2 % . 5 0 / 0 8 1 0 % . 2 0 % [ 3 5 0 % s e r o C f o r e b m u N 5 0 O I 7 A 7 4 * l W 7 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 A A 7 2 0 0 7 A A A 7 7 1 5 0 r — 1 0 0 A A 1 2 5 x 2 5 0 x 5 0 0 X M a g n i fi c a t i o n F a c a t o r F i g u r e 6 . 1 2 R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r U n d a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x I ) a t D i f f e r e n t M a g n i f i c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) P r e c i s i o n 1 : 1 1 % [ 1 2 % 5 % E 1 1 0 % - 2 0 % C l 5 0 2 0 0 1 5 0 _ 7 7 7 7 a F — 8 A . 5 1 0 0 . _ _ _ _ _ 8 E 2 5 0 A 7 , 7 , 7 7 0 £ 5 5 2 . 2 8 ; 1 2 5 x 2 5 0 X 5 0 0 x M a g n i f i c a t i o n F a c a t o r F i g u r e 6 . 1 3 R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r D a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x 1 ) a t D i f f e r e n t M a g n i f i c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) 2 2 6 s e r o C f o r e b m u N Q o l [ t \ P r e c i s i o n [ 3 1 % [ 3 2 % . 5 % . 1 0 % u 2 0 % [ 1 5 0 % 3 5 0 3 0 0 A A A A A A 2 5 0 A 7 fl , 7 L A M A A _ _ A _ 2 0 0 . _ 1 5 0 . — A 1 0 0 5 : A + L 1 2 5 x 2 5 0 x 5 O O X M a g n i f i c a t i o n F a c a t o r F i g u r e 6 . 1 4 R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r U n d a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x I I ) a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) P . . ’ e C ' S ' O ” [ 3 1 % [ 3 2 % . 5 % _ _ , 1 0 % 3 2 0 % [ 3 5 0 % 3 0 0 2 5 0 A A A i — w 2 0 0 A A A A A A A A A 2 8 3 1 5 0 2 g 1 0 0 A A Z 5 0 A A A W 0 J — L I A _ m a 1 2 5 X 2 5 0 x 5 O O X M a g n i f i c a t i o n F a c a t o r F i g u r e 6 . 1 5 R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s f o r D a m a g e d S p e c i m e n s ( M i x 1 1 ) a t D i f f e r e n t M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ( A v e r a g e o f E S E M a n d F l u o r e s c e n t M i c r o s c o p y ) 6 . 3 C O N C L U S I O N S 1 - P l a n a r c h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o c r a c k s o n t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e u s e d i n s t e r e o l o g i c a l f o r m u l a t i o n s t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n , s p a c i n g , w i d t h , d e g r e e o f o r i e n t a t i o n a n d t o r t u o s i t y i n s p a c e . ' 2 - P l a n a r c h a r a c t e r i s t i c s o f v o i d s o n t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e u s e d i n s t e r e o l o g i c a l f o r m u l a t i o n s t o q u a n t i f y t h e v o l u m e f r a c t i o n , n u m b e r p e r u n i t v o l u m e , s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . s p a c i n g , a n d d i a m e t e r o f v o i d s i n s p a c e . 3 - L i m i t e d a p p l i c a t i o n o f s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p a l s t o p l a n a r m e a s u r e m e n t o f a g g r e g a t e s , a s s u m i n g d i s c g e o m e t r y , y i e l d e d f o r m u l a t i o n s f o r ( 3 - D ) c o m p l e x i t y i n d e x , t h i c k n e s s a n d n u m b e r p e r u n i t v o l u m e o f a g g r e g a t e s . L i m i t e d a p p l i c a t i o n o f s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p a l s o f fi b e r s , a s s u m i n g c y l i n d r i c a l s h a p e , y i e l d e d f o r m u l a t i o n s f o r n u m b e r p e r u n i t v o l u m e a n d d i a m e t e r o f fi b e r s . 4 - A c o m p r e h e n s i v e s t a t i s t i c a l l y - b a s e d m e t h o d o l o g y w a s d e v e l o p e d f o r s a m p l i n g o f c o n c r e t e s y s t e m s f o r t h e p u r p o s e o f q u a n t i fi c a t i o n m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f c o n c r e t e . T h e a p p r o a c h s t a r t s w i t h d i v i d i n g t h e c o n c r e t e s y s t e m i n t o a p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s w i t h i n w h i c h d a m a g e l e v e l i s r e l a t i v e l y u n i f o r m . A r e p r e s e n t a t i v e n u m b e r o f c o r e s s h o u l d t h e n b e t a k e n f r o m e a c h s u b - r e g i o n ; t h e m i c r o s c o p i c i n v e s t i g a t i o n s h o u l d a l s o c o v e r a r e p r e s e n t a t i v e f r a c t i o n o f s e c t i o n e d c o n c r e t e s u r f a c e ( t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s a r e c u t f o r e a c h s p e c i m e n f o r s t e r e o l o g i c a l a n a l y s e s ) . S t a t i s t i c a l c r i t e r i a t o g e t h e r w i t h d a t a g e n e r a t e d f o r 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 n d d i f f e r e n t d a m a g e c o n d i t i o n s a t v a r i o u s m a g n i fi c a t i o n l e v e l s i n o r d e r t o s e l e c t t h e r e q u i r e d f r a c t i o n o f a r e a t o b e s c a n n e d a n d t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s t o b e t a k e n f r o m e a c h s u b - r e g i o n t o y i e l d r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s . 2 2 8 5 - A t 1 2 5 x a n d 2 5 0 x m a g n i f i c a t i o n l e v e l s , s c a n n e d a r e a s s h o u l d c o v e r 0 . 5 % a n d 2 % o f c o n c r e t e s u r f a c e a r e a , r e s p e c t i v e l y , t o y i e l d r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s . A t S O O X m a g n i fi c a t i o n . s c a n n i n g o f 0 . 5 % s u r f a c e a r e a w o u l d b e g e n e r a l l y s u f fi c i e n t , n o t i n g t h a t h i g h e r f r a c t i o n s o f s c a n n e d s u r f a c e a r e a i m p l y m a j o r t i m e a n d c o s t e x p e n d i t u r e s . A s f a r a s t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n i s c o n c e r n e d , a p r e c i s i o n l e v e l o f 5 % s e e m e d t o p r o v i d e a r e a s o n a b l e b a l a n c e b e t w e e n a p p l i c a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e a p p r o a c h . 6 - t h e t y p e o f d a m a g e c o n s i d e r e d ( l o a d t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g ) p r o d u c e a s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t i n c r e a s e i n t h e l e n g t h p e r u n i t a r e a ( a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ) o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k , f o r d a m a g e d s p e c i m e n s , t h e c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a w a s g r e a t e r o n s e c t i o n s n o r m a l t o t h e d i r e c t i o n o f c o m p r e s s i v e l o a d i n g ( w h e n c o m p a r e d t o t h o s e p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) . C o n c r e t e m i x t u r e c o m p o s i t i o n a l s o i n fl u e n c e s t h e m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ( a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ) o f d a m a g e d s p e c i m e n s . 2 2 ‘ ) i i i i i ‘ i i i i i i i i i i i i ‘ i i i i i i i U n ' - fi ‘ . - n - . i — fi y . a « a “ u m . m h ‘ h . u u J u ( . . m 3 . « l , d m 1 c o l i x u a w : a m * u fi - . fl - n u fi m l ' m . ? 5 ‘ 3 U ' 3 . x $ , ' . . - - ‘ 4 g [ . . : 5 $ ” D - 0 , w v L “ E 3 ‘ ' 1 ‘ w ' 3 1 ? “ 3 ‘ 3 3 A - . “ ( ‘ 1 ' - v I “ ‘ v 4 9 . . . ” V V ” I n - . 4 4 6 « ‘ f . 4 ' 4 1 ' - f ? m ) a t ! ” m . % ( k a k v } s w a r m ? ” L I B R A R ‘ Y “ ” M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i 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 . M A Y B E R E C A L L E D w i t h e a r l i e r d u e d a t e i f r e q u e s t e d . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E 6 / 0 1 c : / C l R C / D a t e D u e . p 6 5 - p . 1 5 Q U A N T I T A T I V E 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 O F D A M A G E D C O N C R E T E V O L U M E 1 1 B y M o h a m e d F a r o u k E l z a f r a n e y 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 a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 2 0 0 4 2 . 3 . 2 0 A s a r e s u l t , c o n c r e t e m a c r o c r a c k s . l l W l o c c u r a n d d e v e l o p fi r s t , i n t h e C H A P T E R 7 Q U A L I T A T I V E 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 O F C O N C R E T E 7 . 1 P R E F A C E W h e n c o n c r e t e i s s u b j e c t e d t o e x t e r n a l l y i m p o s e d s t r u c t u r a l l o a d s o r d a m a g i n g e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s , c o n c e n t r a t i o n s o f t e n s i l e s t r e s s e s o c c u r s a t i n t e r f a c e s d u e t o d i f f e r e n c e s i n e l a s t i c m o d u l u s a n d a l s o b e c a u s e o f t h e p r e - e x i s t i n g o f i n t e r f a c i a l m i c r o c r a c k s . i n t e r f a c e z o n e s ( a n d t h e n i n t o t h e p a s t e ) u n d e r 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 . C o n c r e t e m a t e r i a l s o f d i f f e r e n t s t r e n g t h s a n d r e i n f o r c e m e n t c o n d i t i o n s b e h a v e d i f f e r e n t l y u n d e r 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 . I f t h e s t i f f n e s s o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s i s d i s t i n c t i v e l y h i g h e r t h a n t h a t o f t h e p a s t e ( i n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e c a s e ) , 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 t h r o u g h t h e 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 a r o u n d a g g r e g a t e p a r t i c l e s , w h i c h c o n s t i t u t e s t h e p a t h o f l e a s t r e s i s t a n c e . 1 9 I n c a s e o f t h e s t i f f n e s s o f a g g r e g a t e p a r t i c l e s i s s l i g h t l y h i g h e r t h a n o r e q u a l t o t h e s t i f f n e s s o f t h e p a s t e ( i n h i g h — s t r e n g t h 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 p r o p a g a t e t h r o u g h a g g r e g a t e p a r t i c l e s , c r e a t i n g s h o r t e r f r a c t u r e s u r f a c e s . 6 C o m p a r e d t o n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e , h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e b e h a v e s m o r e l i k e a h o m o g e n e o u s m a t e r i a l , w i t h i t s s t r e s s - s t r a i n c u r v e r e m a i n i n g c l o s e r t o l i n e a r i t y a t h i g h e r s t r e s s / s t r e n g t h r a t i o s z z ‘ 2 3 T h e r e d u c e d a m o u n t o f m i c r o c r a c k i n g i n i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e s o f h i g h — s t r e n g t h c o n c r e t e a m o r e b r i t t l e m o d e o f f r a c t u r e a n d l e s s 4 , 1 6 v o l u m e t r i c d i l a t i o n . A d d i n g m i n e r a l a d m i x t u r e s s u c h a s s i l i c a f u m e o r fl y a s h t o i n c r e a s e s t r e n g t h o f c o n c r e t e i n c a s e o f h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e i n c r e a s e s t h e e x t e n t o f 2 1 . 4 2 m i c r o c r a c k i n g , w i t h m o s t o f m i c r o c r a c k s p r o p a g a t i n g t h r o u g h t h e i n t e r f a c e s b e t w e e n 2 3 0 f l y a s h p a r t i c l e s a n d p a s t e . F i b e r r e i n f o r c e m e n t i n c o n c r e t e c a n a r r e s t 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 c r e a t e d i n c o n c r e t e . F i b e r s w i t h h i g h e l a s t i c m o d u l u s , b o n d s t r e n g t h , c o u n t p e r u n i t v o l u m e a n d s u r f a c e a r e a a r e p a r t i c u l a r l y e f f e c t i v e i n t h e s u p p r e s s i o n a n d s t a b i l i z a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m s ’ 4 3 T h e m a i n t h r u s t o f t h i s c h a p t e r i s q u a l i t a t i v e l y i n v e s t i g a t e c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e u n d e r d a m a g e e f f e c t s a n d w e a t h e r i n g c o n d i t i o n s a n d t o q u a l i t a t i v e l y c o m p a r e b e t w e e n m i c r o s t r u c t u r e o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e u n d e r t h e s e d a m a g e e f f e c t s . 7 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M 7 . 2 . 1 C o n c r e t e M i x t u r e s a n d S p e c i m e n s T h r e e c o n c r e t e m i x t u r e s w e r e c o n s i d e r e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m : ( 1 ) n o r m a l - s t r e n g t h ; ( 2 ) r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h , a n d ( 3 ) fi b e r r e i n f o r c e d . T y p e I P o r t l a n d c e m e n t a n d n a t u r a l s a n d w e r e u s e d i n a l l m i x t u r e 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 9 m m ( 3 / 4 i n ) w a s u s e d a s c o a r s e a g g r e g a t e i n t h e n o r m a l - s t r e n g t h m i x a n d fi b r o u s m i x c o m p r i s e d c e m e n t : fi 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 : w a t e r a t 1 : 1 . 5 9 : 1 . 9 8 : 0 . 5 1 4 m a s s r a t i o s , t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 3 3 M P a ( 4 7 5 0 p s i ) . T h i s m i x w a s a i r - e n t r a i n e d , a n d p r o v i d e d a n a i r c o n t e n t o f 3 . 5 p e r c e n t w i t h a s l u m p o f 1 9 0 m m ( 7 . 5 i n ) . T h e h i g h - s t r e n g t h m i x i n c o r p o r a t e d n a t u r a l g r a n i t 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 0 m ( 3 / 8 i n ) a s c o a r s e a g g r e g a t e ; i t a l s o i n c o r p o r a t e d s i l i c a f u m e a n d s u p e r p l a s t i c i z e r c o m p r i s e d c e m e n t : fi 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 : w a t e r : s i l i c a f u m e a t 1 : 1 . 7 : 0 . 9 : 0 . 4 2 : 0 . 2 m a s s r a t i o s , t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 4 3 M P a ( 6 1 2 0 p s i ) . T h i s m i x p r o v i d e d 1 . 9 p e r c e n t a i r c o n t e n t a n d a s l u m p o f 6 4 m m ( 2 . 5 i n ) . T h e fi b r o u s m i x i n c o r p o r a t e d 0 . 3 5 % b y v o l u m e o f 1 0 m m l o n g c r i m p e d s t e e l fi b e r s w i t h 0 . 5 8 m m 2 3 1 d i a m e t e r ( R i b t e c A l l o y 0 1 7 - 3 0 ) . T h e f o l l o w i n g s p e c i m e n s w e r e m o l d e d a n d c o n s o l i d a t e d w i t h t h e s e c o n c r e t e m i x t u r e s : 1 0 2 m m ( 4 i n ) d i a m e t e r b y 2 0 3 m m ( 8 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 f o r c o m p r e s s i o n t e s t i n g ; 1 5 2 m m ( 6 i n ) d i a m e t e r b y 3 0 4 m m ( 1 2 i n ) c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s f o r s p l i t t i n g t e n s i o n t e s t i n g : 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ( 3 X 3 X 1 2 i n ) ; p r i s m a t i c s p e c i m e n s f o r I l e x u r a l , f a t i g u e , c o m p r e s s i o n , f r e e z e - t h a w a n d fi r e e n d u r a n c e t e s t i n g : 1 5 2 m m ( 6 i n ) d i a m e t e r x 6 3 . 5 m m ( 2 . 5 i n ) c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s f o r i m p a c t r e s i s t a n c e ; 1 0 2 m m ( 4 i n ) d i a m e t e r x 5 1 m m ( 2 i n ) c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s f o r p e r m e a b i l i t y ; a n d 1 0 2 X 7 6 x 4 0 6 m m ( 4 X 3 X 1 6 i n ) p r i s m a t i c s p e c i m e n s f o r r e s t r a i n e d s h r i n k a g e a n d w e a t h e r i n g t e s t i n g . A l l 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m ( 4 X 3 X 1 6 i n ) p r i s m a t i c m o l d s i n c o r p o r a t e d t w o 3 8 m m ( 1 . 5 i n ) l o n g t h r e a d e d s t e e l b a r s o f 6 . 3 5 m m ( 0 . 2 5 i n ) a t t w o e n d s . w h i c h w e r e e m b e d d e d w i t h i n c o n c r e t e t o r e s t r a i n l o n g i t u d i n a l s h r i n k a g e o f c o n c r e t e . M o l d e d s p e c i m e n s w e r e k e p t m o i s t f o r 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 c m o l d e d ( e x c e p t f o r r e s t r a i n e d s p e c i m e n s ) a n d m o i s t c u r e d a t 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 2 8 d a y s . a n d t h e n c o n d i t i o n e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a t 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 1 8 0 d a y s p r i o r t o c o m p r e s s i o n , f l e x u r a l , s p l i t t i n g t e n s i o n , f r e e z e — t h a w , fi r e e n d u r a n c e a n d i m p a c t t e s t i n g . T h i s r e l a t i v e l y l o n g p e r i o d o f c o n d i t i o n i n g a l l o w s f o r d e v e l o p m e n t o f s h r i n k a g e m i c r o c r a c k s w h i c h o c c u r s w i t h i n c o n c r e t e l a r g e l y d u e t o t h e r e s t r a i n t o f c e m e n t p a s t e s h r i n k a g e m e a s u r e m e n t s b y a g g r e g a t e s . R e s t r a i n e d n o r m a l — s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e k e p t m o i s t f o r 2 4 h o u r s , a f t e r w h i c h t h e y s t o r e d ( w i t h o u t d e m o l d i n g ) f o r 2 8 d a y s a t 5 5 ° C ( 1 3 0 ° F ) f o r h o t w e a t h e r e x p o s u r e o r a t — 3 . 5 ° C ( - 2 5 ° F ) f o r c o l d e x p o s u r e , a n d t h e n d e m o l d e d a n d c o n d i t i o n e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 1 8 0 d a y s . T h e r e s t r a i n t a g a i n s t s h r i n k a g e w a s e f f e c t i v e a s f a r a s t h e s p e c i m e n w a s n o t d e m o l d e d . o ) ) t b b 7 . 2 . 2 T e s t i n g P l a n E n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s a n d 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 o f c o n c r e t e w e r e a s s e s s e d p r i o r t o a n d a f t e r e x p o s u r e t o d i f f e r e n t d a m a g i n g p h e n o m e n a . T w o c a t e g o r i e s o f t e s t s w e r e p e r f o r m e d o n c o n c r e t e s p e c i m e n s : ( 1 ) c o n t r o l t e s t s p r i o r t o a n y d a m a g i n g e f f e c t s ; a n d ( 2 ) p o s t d a m a g e t e s t s a f t e r c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e e x p o s e d t o v a r i o u s d a m a g i n g p h e n o m e n a . T h e c o n t r o l a n d p o s t d a m a g e c o n d u c t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i n c l u d e d c o m p r e s s i o n ( A S T M C 3 9 ) . s p l i t t i n g t e n s i o n o n c y l i n d e r s ( A S T M C 9 6 ) , f l e x u r e o n p r i s m s w i t h a s p a n o f 2 2 8 m m ( 9 i n ) u n d e r 4 - p o i n t l o a d i n g ( A S T M C 7 8 ) , fl e x u r a l f a t i g u e b e t w e e n 1 5 % t o 8 5 % o f u l t i m a t e fl e x u r a l s t r e n g t h a t 4 5 0 c y c l e s p e r m i n u t e ( A C 1 C o m . 2 2 5 ) , a n d d r o p w e i g h t i m p a c t ( A C I C o m . 2 1 5 ) , a n d p e r m e a b i l i t y ( A S T M C 1 2 0 2 ) . T h e c o n t r o l t e s t s p e r f o r m e d o n 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 e r e a s f o l l o w s : 0 N o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e : c o m p r e s s i o n , s p l i t t i n g t e n s i o n , fl e x u r e . f a t i g u e , i m p a c t , a n d p e r m e a b i l i t y . o R e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e : c o m p r e s s i o n , s p l i t t i n g t e n s i o n , f l e x u r e . i m p a c t , a n d p e r m e a b i l i t y . 0 F i 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 r e s s i o n a n d fl e x u r e . T h e f o l l o w i n g d a m a g i n g p h e n o m e n a 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 : ( 1 ) c o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s w i t h i m m e d i a t e u n l o a d i n g ; ( 2 ) i m p a c t t o 8 5 % o f t h e n u m b e r o f b l o w s c a u s i n g f a i l u r e ; ( 3 ) f a t i g u e l o a d i n g t o 8 5 % o f t h e n u m b e r o f c y c l e s c a u s i n g f a i l u r e ; ( 4 ) 3 0 0 c y c l e s ( 7 5 d a y s ) o f f r e e z e - t h a w i n w a t e r ( A S T M C 6 6 6 ) ; a n d ( 5 ) c o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g a n d t h e n e x p o s u r e t o 3 0 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s i n w a t e r : ( 6 ) e x p o s u r e t o fi r e e n d u r a n c e o f 4 2 5 ° C ( 8 0 0 ° F ) w i t h i n a n e l e c t r i c a l f u r n a c e f o r 3 h o u r s , f o l l o w e d b y c o o l i n g a t r o o m t e m p e r a t u r e : a n d ( 7 ) r e s t r a i n t a g a i n s t l o n g i t u d i n a l ( d r y i n g a n d t h e r m a l ) s h r i n k a g e m o v e m e n t s i n n o r m a l 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) , h o t 5 5 ° C ( 1 3 0 ° F ) . a n d c o l d — 3 . 5 ° C ( ~ 2 5 ° F ) t e m p e r a t u r e s . T h e s e d a m a g i n g p h e n o m e n a l e f t t h e s p e c i m e n s i n t a c t f o r t h e p u r p o s e o f p o s t - d a m a g e e v a l u a t i o n . T h e t e s t p r o g r a m i s s u m m a r i z e d i n T a b l e 7 . 1 . 7 . 3 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 C H E M E I n o r d e r t o a s s e s s t h e m i c r o s t r u c t u r a l m a n i f e s t a t i o n s o f d a m a g i n g e f f e c t s , t w o s e c t i o n s w e r e c u t p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o l o a d i n g d i r e c t i o n i n c a s e o f c o m p r e s s i o n a n d fl e x u r e t e s t s p e c i m e n o r p e r p e n d i c u l a r a n d p a r a l l e l t o t h e l o n g e r d i m e n s i o n i n t h e c a s e o f f r e e z e - t h a w . e x p o s u r e t o fi r e e n d u r a n c e , a n d r e s t r a i n e d s h r i n k a g e t e s t s p e c i m e n s a s s h o w n i n F i g u r e 7 . 1 . O n e s e c t i o n w a s i n v e s t i g a t e d t h r o u g h e n v i r o n m e n t a l s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c 0 p y ( E S E M ) b y m e a n s o f b a c k s e a t t e r e d t e c h n i q u e , a n d t h e o t h e r w a s e x a m i n e d u s i n g f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . T w e n t y - fi v e i m a g e s w e r e c a p t u r e d f r o m e a c h s e c t i o n a t 1 2 5 x m a g n i fi c a t i o n v a l u e . T h e c o n t r a s t b e t w e e n m i c r o c r a c k s / v o i d s a n d t h e b o d y o f c o n c r e t e w a s e n h a n c e d u s i n g s p e c i m e n p r e p a r a t i o n m e t h o d d e s c r i b e d i n s e c t i o n 3 . 4 . F i b r o u s m i x t u r e . h o w e v e r , w a s i n v e s t i g a t e d u s i n g E S E M w i t h o u t a n y p r i o r s p e c i m e n p r e p a r a t i o n i n o r d e r t o a v o i d a n y i n t e r f e r e n c e o f f i b e r s w i t h t h e p r o c e s s o f s p e c i m e n p r e p a r a t i o n ( b o t h s t e e l fi b e r s a n d W o o d ’ s m e t a l a p p e a r i n w h i t e “ s i l v e r ” c o l o r o n b l a c k b a c k g r o u n d u n d e r t h e m i c r o s c o p y a n d t h u s c a n n o t b e d i s t i n g u i s h e d e a s i l y ) , fi b r o u s s p e c i m e n s s u r f a c e s w e r e s i m p l y l a p p e d a n d t h e n o b s e r v e d u n d e r E S E M . 2 3 4 ) . ) 1 s l b U T a b l e 7 . 1 T h e P o s t - D a m a g e T e s t P r o g r a m F o r C o n c r e t e M i x t u r e s R o o m T e m p e r a t u r e P 0 “ - N u m b e r o f D a m a g i n g E f f e c t D a m a g e S p e c i m e n s . S p e c i m e n s T e s t s N o r m a l — S t r e n g t h C o n c r e t e F l e x u r e P r i s m ( 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ) 4 S p l i t t i n g . C o m p r e s s i o n T e n s i o n C y l i n d e r ( 3 0 0 x 1 5 0 m m ) 5 I m p a c t C y l i n d e r ( 1 5 2 X 6 3 . 5 m m ) 5 P e r m e a b i l i t y C y l i n d e r ( 1 0 2 > < 5 1 m m ) 5 I m p a c t P e r m e a b i l i t y C y l i n d e r ( 1 0 2 > < 5 1 m m ) 5 C o m p r e s s i o n P r i s m ( 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ) 3 F r e e z e - T h a w F l e x u r e P r i s m ( 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ) 3 P e r m e a b i l i t y C y l i n d e r ( 1 0 2 > < 5 1 m m ) 3 C o m p r e s s r o n + F r e e z e - F l e x u r e P r i s m ( 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ) 2 T h a w F a t i g u e F l e x u r e P r i s m ( 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ) 6 F i r e E n d u r a n c e F l e x u r e P r i s m ( 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ) 3 S h r m k a g e R e S t r a ' m ‘ " F l e x u r e P r i s m ( 1 0 2 x 7 6 x 4 0 5 m m ) 2 R o o m T e m p e r a t u r e S h r ' " k a g ° R e S t r a ‘ m ' “ F l e x u r e P r i s m ( 1 0 2 x 7 6 x 4 0 5 m m ) 2 H o t T e m p e r a t u r e S h r i n k a g e R e s t r a i n t m F l e x u r e P r i s m ( 1 0 2 > < 7 6 X 4 0 6 m m ) 2 C o l d t e m p e r a t u r e H i g h — S t r e n g t h C o n c r e t e F l e x u r e P r i s m ( 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m ) 3 S p l i t t i n g C y l i n d e r ( 3 0 0 > < 1 5 0 m m ) 5 C o m i o n T e n s r o n p r e s s I m p a c t C y l i n d e r ( 1 5 2 X 6 3 . 5 m m ) 3 P e r m e a b i l i t y C y l i n d e r ( 1 0 2 > < 5 1 m m ) 5 I m p a c t P e r m e a b i l i t y C y l i n d e r ( 1 0 2 > < 5 1 m m ) 5 F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e S h r i n k a g e R e s t r a i n t 1 n F l e x u r e P r i s m ( 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m ) 3 o J N t D O D i r e c t i o n o f L o a d i n g D i r e c t i o n o f L o a d i n g ( a ) C o m p r e s s i o n T e s t ( b ) I m p a c t & P e r m e a b i l i t y T e s t s D i r e c t i o n o f L o a d i n g + + Y ‘ f ( c ) F l e x u r e , F a t i g u e . F r e e z e - T h a w , a n d D i f f e r e n t E n v i r o n m e n t a l E x p o s u r e F i g u r e 7 . 1 S e c t i o n i n g D i r e c t i o n s f o r M i c r o s c o p i c I n v e s t i g a t i o n s ) a P M ( h t g n e l 1 0 r t S l a r u x e l F 7 . 4 P E R F O R M A N C E T E S T R E S U L T S T h e e f f e c t o f c o m p r e s s i o n , f r e e z e - t h a w , c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w , f a t i g u e , a n d fi r e e n d u r a n c e o n f l e x u r a l s t r e n g t h o f n o r m a l - s t r e n g t h 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 7 . 2 . R e d u c t i o n s i n fl e x u r e s t r e n g t h u n d e r d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s r a n g e f r o m 1 5 % t o 4 3 % . 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 “ A N O V A ” f o l l o w e d b y p a i r w i s e c o m p a r i s o n o f 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 w e r 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 f f r e e z e - t h a w , a n d c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e a n d c o m p r e s s i o n a n d fi r e e n d u r a n c e a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . D a m a g i n g E f f e c t s F i g u r e 7 . 2 D a m a g i n g E f f e c t s o n F l e x u r a l S t r e n g t h o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e 2 3 7 E x p o s u r e t o fi r e e n d u r a n c e c a u s e d 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 a s s h o w n i n F i g u r e 7 . 3 w h i c h m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e b u i l d u p o f s t e a m p r e s s u r e w i t h i n c o n c r e t e . T h e r e w a s 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 b e t w e e n d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s ( e x c e p t f o r fi r e e n d u r a n c e ) o n fl e x u r a l s t r e n g t h o f n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . F i g u r e 7 . 3 D a m a g e N o r m a l — S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n a f t e r E x p o s u r e t o E l e v a t e d T e m p e r a t u r e I n c a s e o f h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ( F i g u r e 7 . 4 ) , 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 d a m a g i n g e f f e c t o f c o m p r e s s i o n o n fl e x u r a l s t r e n g t h w 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 a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . T h e r e w a s 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 b e t w e e n t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f c o m p r e s s i o n o n fl e x u r e s t r e n g t h o f n o r m a l - s t r e n g t h v e r s u s h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ( w h i c h s u f f e r e d 2 0 % a n d 2 1 % l o s s o f m e a n fl e x u r a l s t r e n g t h , r e s p e c t i v e l y , a f t e r c o m p r e s s i o n l o a d i n g ) . 2 3 8 ) a r P M ( h fi / / t / g n e r t S l a r / / / W / u / x e l F / / / / W V — L I N o n e C o m p r e s s i o n D a m a g i n g E f f e c t s F i g u r e 7 . 4 D a m a g i n g E f f e c t s o f C o m p r e s s i o n o n F l e x u r a l S t r e n g t h o f H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e F i g u r e 7 . 5 p r e s e n t s t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f c o m p r e s s i o n o n s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e , w h i c h s u f f e r e d 1 2 % a n d 2 4 % l o s s o f s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h , r e s p e c t i v e l y , a f t e r c o m p r e s s i o n l o a d i n g . T h e s e e f f e c t s w e r e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s a l s o i n d i c a t 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 a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e b e t w e e n t h e e f f e c t s o f c o m p r e s s i o n o n t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f n o r m a l - s t r e n g t h v e r s u s h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . 2 3 9 4 . 0 , I A M i x t u r e ( D g H i g h E 3 . 5 ~ . \ N o r m a l — 8 ’ 9 i ( I ) i , 3 O _ — ' 5 C ( D 1 . — E 2 . 5 — — % _ U ) 2 . 0 / N o n e C o m p r e s s i o n D a m a g i n g E f f e c t F i g u r e 7 . 5 S p l i t t i n g T e n s i l e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s P r i o r t o a n d A f t e r E x p o s u r e t o P e a k C o m p r e s s i v e S t r e s s F i g u r e 7 . 6 p r e s e n t s t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f c o m p r e s s i o n o n i m p a c t r e s i s t a n c e o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . 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 d a t a i n d i c a t e d t h a t t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f c o m p r e s s i o n o n i m p a c t r e s i s t a n c e o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e w e r e s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . N o n n a l - s t r e n g t h s e e m e d t o s u f f e r a g r e a t e r l o s s o f i m p a c t r e s i s t a n c e t h a n h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e a f t e r c o m p r e s s i o n l o a d i n g . 2 4 0 ) s w o l B f o r e b m u N ( e c n a t s i s e R t c a p m I _ . L 0 1 f I M i x t u r e f l H i g h c N o r m a l _ x O l l 0 1 I l \ . _ N o n e C o m p r e s s i o n D a m a g i n g E f f e c t O F i g u r e 7 . 6 D a m a g i n g E f f e c t s o f C o m p r e s s i o n o n I m p a c t R e s i s t a n c e T h e i n fl u e n c e o f f r e e z e - t h a w c y c l e s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e i s s h o w n i n F i g u r e 7 . 7 . 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 d r o p p e d b y 2 2 % o f t h e f r e e z e - t h a w c y c l e s . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f 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 o f f r e e z e - t h a w c y c l e s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w a s s i g n i fi c a n t a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . 2 4 1 1 . b . U E 4 0 — s 3 5 l g 3 5 — . 1 — 3 3 o _ _ f T Q . g 2 5 ~ ~ 2 0 k J . N o n e f r e e z e - t h a w D a m a g i n g E f f e c t s F i g u r e 7 . 7 E f f e c t o f R e p e a t e d F r e e z e — T h a w C y c l e s o n C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e A s s h o w n i n F i g u r e 7 . 8 , e x c e p t f o r i m p a c t , o t h e r d a m a g i n g e f f e c t s s e e m t o s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s 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 b o t h n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . T h e v a r i a b i l i t y o f 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 , h o w e v e r , s u c h t h a t s t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t o n l y c o m p r e s s i o n 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 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e ) o n c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . ) s b m o l u o C ( y t i l i b a e m r e P . ) s b m o l u o C ( y t i l i b a e m r e P + — — / / / V / W 2 5 0 0 0 , , , , 2 0 0 0 0 - — 1 5 0 0 0 — 1 0 0 0 0 ~ — 5 0 0 0 — 0 N N 0 \ . 0 $ 0 0 “ \ a n £ 0 0 9 9 0 1 ’ 0 Q ‘ « * 9 o ° ‘ ° D a m a g i n g E f f e c t s ( a ) N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e 9 0 0 0 , a , , 8 0 0 0 _ — 7 0 0 0 _ _ 6 0 0 0 c — 5 0 0 0 — — 4 0 0 0 _ _ 3 0 0 0 _ — 2 0 0 0 — 1 0 0 0 E O m N N o n e I m p a c t C o m p r e s s i o n D a m a g i n g E f f e c t s / ( b ) H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e F i g u r e 7 . 8 D a m a g i n g E f f e c t s o n C h l o r i d e P e r m e a b i l i t y 2 4 3 F i g u r e 7 . 9 i l l u s t r a t e s t h e e f f e c t s o f s h r i n k a g e r e s t r a i n t i n h o t w e a t h e r a n d c o l d w e a t h e r c o m p a r e d t o n o n — r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d c o n c r e t e s p e c i m e n s i n r o o m t e m p e r a t u r e . R e d u c t i o n i n f l e x u r a l s t r e n g t h d u e t o s h r i n k a g e r e s t r a i n t i n h o t w e a t h e r c o m p a r e d t o n o n — r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d s p e c i m e n s c u r e d i n r o o m t e m p e r a t u r e i s 5 5 % a n d 5 4 % r e s p e c t i v e l y . I t w a s a l s o f o u n d t h a t t h e r e i s n o s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n c e d i f f e r e n c e b e t w e e n fl e x u r a l s t r e n g t h o f r e s t r a i n e d a n d n o n - r e s t r a i n e d c o n c r e t e s p e c i m e n s c u r e d i n r o o m t e m p e r a t u r e . 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 s i g n i fi c a n t e f f e c t o f r e s t r a i n e d s h r i n k a g e i n h o t w e a t h e r a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e o n fl e x u r a l s t r e n g t h o f n o n — r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d s p e c i m e n s c u r e d i n r o o m t e m p e r a t u r e . N o n — r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d s p e c i m e n s c u r e d i n r o o m t e m p e r a t u r e s u f f e r e d 4 7 % a n d 4 6 % l o s s o f fl e x u r a l s t r e n g t h d u e t o s h r i n k a g e r e s t r a i n t i n c o l d w e a t h e r . A n a l y s i s o f v a r i a n c e o f t e s t d a t a i n d i c a t e d t h a t t h e d a m a g i n g e f f e c t o f s h r i n k a g e r e s t r a i n t i n c o l d w e a t h e r i s s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n c e a t 5 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e f o r n o n — r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d s p e c i m e n s i n r o o m t e m p e r a t u r e r e s p e c t i v e l y . I n c a s e o f fi b e r r e i n f o r c e d m i x t u r e ( F i g u r e 7 . 1 0 ) , a n a l y s i s o f v a r i a n c e i n d i c a t e d t h a t t h e r e i s n o s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n c e e f f e c t o f s h r i n k a g e r e s t r a i n t o n fl e x u r a l s t r e n g t h . 2 4 4 ) a P M ( h t g t n e r t S l a r u x e l F § 3 - \ \ T \ : — a " ? R e s t r a i n t C o n d i t i o n F i g u r e 7 . 9 E f f e c t s o f R e s t r a i n t C o n d i t i o n a n d E x p o s u r e T e m p e r a t u r e o n F l e x u r a l S t r e n g t h o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e 7 . 5 . “ o l F ” 0 1 I T \ _ . N U n r e s t R e s t N o r m a l R e s t r a i n t C o n d i t i o n . 0 " 0 1 I V / / / / / / / / / / r + ~ . 0 " 0 F i g u r e 7 . 1 0 E f f e c t s o f R e s t r a i n t C o n d i t i o n o n C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 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 2 4 5 7 . 5 R E S U L T S O F 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 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 w e r e c o n d u c t e d u s i n g b o t h E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n o r d e r t o d e t e c t a n y v a r i a t i o n s i n r e s u l t s r e l a t e d t o m i c r o s c o p y t e c h n i q u e o r t o s p e c i m e n p r e p a r a t i o n m e t h o d . T h e f o l l o w i n g o b s e r v a t i o n s c o u l d b e m a d e o n m i c r o s c o p i c i m a g e s : M i c r o c r a c k s a l r e a d y e x i s t i n n o r m a l - s t r e n g t h , h i g h - s t r e n g t h , a n d fi b r o u s c o n c r e t e s p r i o r t o a n y d a m a g i n g e f f e c t s . M o s t o f t h e s e m i c r o c r a c k s o c c u r a t i n t e r f a c e s b e t w e e n c e m e n t p a s t e a n d c o a r s e a g g r e g a t e s a s s h o w n i n F i g u r e s 7 . 1 1 a , 7 . 1 2 a a n d 7 . 1 3 a . 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 e m s t o e x h i b i t l e s s m i c r o c r a c k i n g ( n o t i n g t h a t t h e l a c k o f s p e c i m e n p r e p a r a t i o n f o r fi b r o u s s p e c i m e n s m a d e d e t e c t i o n o f m i c r o c r a c k s , t o s o m e e x t e n t , d i f fi c u l t ) . A l l d a m a g i n g e f f e c t s c o n s i d e r e d i n t h e i n v e s t i g a t i o n i n c r e a s e d t h e i n t e n s i t y o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k i n g . F r e e z e — t h a w e f f e c t s o n u n d a m a g e d s p e c i m e n s y i e l d e d l e s s t o r t u o u s m i c r o c r a c k g r o w t h p a t h s w h e n c o m p a r e d w i t h o t h e r d a m a g i n g e f f e c t s a s s h o w n i n F i g u r e 7 . 1 l b . F r e e z e - t h a w e f f e c t s o n c o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h w e r e a l r e a d y s u b j e c t e d t o c o m p r e s s i o n d i d n o t s u b s t a n t i a l l y c h a n g e t h e n a t u r e a n d e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g a s s h o w n i n F i g u r e 7 . 1 1 c . F i r e e n d u r a n c e ( F i g u r e 7 . 1 1 d ) s e e m s t o p r o d u c e a m o r e d i s t r i b u t e d n e t w o r k o f m i c r o c r a c k s i n d u c i n g s i g n i fi c a n t d a m a g e t o c e m e n t p a s t e a n d p r o d u c e a m o r e t o r t u o u s p a t h o f m i c r o c r a c k g r o w t h . F a t i g u e l o a d i n g s e e m s t o i n t r o d u c e m o r e n e w m i c r o c r a c k s a s s h o w n i n F i g u r e 7 . 1 1 e , w h e n c o m p a r e d w i t h o t h e r d a m a g i n g e f f e c t s w h i c h l a r g e l y c a u s e p r o p a g a t i o n o f e x i s t i n g m i c r o c r a c k s . I t m e a n s t h a t t h e e n e r g y r e q u i r e d t o c r e a t e m o r e n e w m i c r o c r a c k s d u e t o f a t i g u e l o a d i n g i s l e s s t h a n t h e e n e r g y r e q u i r e d t o p r o p a g a t e e x i s t i n g m i c r o c r a c k s . I n c o n c r e t e s p e c i m e n s s u b j e c t e d t o i m p a c t , m i c r o c r a c k s s e e m t o b e s t i l l l i m i t e d t o i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e s b u t t h e i r l o c a l w i d t h s s e e m t o h a v e g r o w n w h e n c o m p a r e d w i t h u n d a m a g e d s p e c i m e n s a s s h o w n i n F i g u r e s 7 . l l f a n d 7 . 1 2 b . L o a d i n g t o p e a k c o m p r e s s i o n s t r e s s l e d t o s u b s t a n t i a l 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 t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n b o t h n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e a s s h o w n i n F i g u r e s 7 . 1 1 g a n d 7 . 1 2 c . I n c a s e o f n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e ( F i g u r e 7 . 1 l g ) . c o m p r e s s i o n d a m a g e e f f e c t s e e m s t o p r o d u c e a m o r e d i s t r i b u t e d n e t w o r k o f m i c r o c r a c k s t h a n i n h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ( F i g u r e 7 . 1 2 c ) . T h e e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g a n d t h e t o r t u o s i t y o f m i c r o c r a c k s w e r e l e s s p r o n o u n c e d i n h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e w h e n c o m p a r e d w i t h n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e b o t h p r i o r t o a n d a f t e r d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s . A r r e s t i n g a n d s h i f t i n g o f m i c r o c r a c k s b y v o i d s a n d a g g r e g a t e s a r e o c c a s i o n a l l y o b s e r v e d i n b o t h n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . A c o m p a r i s o n o f fi g u r e s 7 . 1 l h a n d 7 . 1 3 b m a y s u g g e s t t h a t fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u f f e r s t o s o m e e x t e n t l e s s r e s t r a i n e d s h r i n k a g e m i c r o c r a c k g r o w t h . T h e c o m b i n e d e f f e c t s o f i n a d e q u a t e c u r i n g ( i . e . e a r l y e x p o s u r e t o h o t o r c o l d w e a t h e r ) a n d r e s t r a i n t o f s h r i n k a g e ( F i g u r e s 7 . 1 1 i a n d 7 . 1 1 j ) p r o d u c e d , i n a d d i t i o n t o i n c r e a s e d i n t e r f a c e m i c r o c r a c k i n g , a h i g h l y m i c r o c r a c k e d / p o r o u s c e m e n t p a s t e . G e n e r a l l y , I t w a s n o t i c e d t h a t t h e r e i s n o d i s t i n c t d i f f e r e n c e i n m i c r o c r a c k d e n s i t y i n p a r a l l e l o r p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s o f u n d a m a g e d s p e c i m e n s ; a f t e r d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s ; h o w e v e r , d i f f e r e n c e s a p p e a r e d i n m i c r o c r a c k i n t e n s i t y o f t h e t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s . I n t h e c a s e o f c o m p r e s s i o n a n d i m p a c t l o a d i n g , s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n s h o w e d m o r e i n t e n s e m i c r o c r a c k i n g t h a n s e c t i o n s p a r a l l e l t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n . C o m p a r i s o n b e t w e e n c o n c r e t e m i c r o g r a p h s c a p t u r e d b y E S E M o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y s h o w e d t h a t n e i t h e r m i c r o s c o p y t y p e o r s p e c i m e n p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e h a s a n e f f e c t o n 2 4 7 t h e j u d g m e n t o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k b e h a v i o r . C o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e m i c r o c r a c k s t r e n d a n d o b s e r v a t i o n s w e r e t h e s a m e i n b o t h t y p e s . 7 . 6 D I S C U S S I O N V a r i o u s d a m a g i n g e f f e c t s p r o d u c e d i f f e r e n t l e v e l s a n d t y p e s o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n i n c o n c r e t e . T h e r e s e e m t o b e d i f f e r e n c e s i n t o r t u o s i t y a n d n u m b e r o f m i c r o c r a c k s ( a s w e l l a s t h e e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g ) a f t e r d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s . P o s t - d a m a g e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e r e fl e c t o n t h e s e m i c r o s t r u c t u r a l c h a n g e s . F o r i n s t a n c e , t h e l e s s t o r t u o u s n a t u r e o f m i c r o c r a c k s u n d e r f r e e z e - t h a w e f f e c t y i e l d s a r e l a t i v e l y m o r e s i g n i fi c a n t e f f e c t o n p e r m e a b i l i t y t h a n fl e x u r a l s t r e n g t h . Q u a s i - s t a t i c c o m p r e s s i o n o f c o n c r e t e ( t o p e a k l o a d ) f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g p r o d u c e d e x t e n s i v 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 , t h e r e b y l o w e r i n g t h e p o s t - d a m a g e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . H i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e e x h i b i t e d l e s s e x t e n s i v e i n t e r f a c i a l m i c r o c r a c k i n g i n u n d a m a g e d c o n d i t i o n w h e n c o m p a r e d w i t h n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e ; t h i s c o u l d b e a t t r i b u t e d t o d i f f e r e n c e s i n a g g r e g a t e t e x t u r e , w a t e r / c e m e n t r a t i o 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 . I n c r e a s e d m i c r o c r a c k i n g a s s o c i a t e d w i t h d a m a g i n g e f f e c t s ( e . g . , c o m p r e s s i o n ) g e n e r a l l y r e d u c e d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n p r o p e r t i e s o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . 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 i n d i c a t e d t h a t c o m p r e s s i o n p r o d u c e s m o r e i n t e n s e m i c r o c r a c k g r o w t h t h a n i m p a c t l o a d i n g . P e r m e a b i l i t y m e a s u r e m e n t s s u g g e s t e d t h a t c o m p r e s s i o n i s f a r m o r e d a m a g i n g t o t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e t h a n i m p a c t ; t h i s p o i n t s a t t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e i n t e n s i t y o f m i c r o c r a c k i n g o f t h e c h a n g e s i n k e y e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s a f t e r d a m a g i n g e f f e c t s . M i c r o c r a c k a n a l y s i s c o u l d t h u s b e a v a l u a b l e t o o l i n c o n d i t i o n a s s e s s m e n t o f d e t e r i o r a t e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s . 2 4 8 ( c ) C o m p r e s s i o n + F r e e z e - T h a w D a m a g e ( e ) F a t i g u e D a m a g e ( 1 ) I m p a c t D a m a g e 2 5 0 ( i ) R e s t r a i n e d S h r i n k a g e “ H o t W e a t h e r ” D a m a g e 2 5 1 E S E M F l u o r e s c e n t ( i ) R e s t r a i n e d S h r i n k a g e “ C o l d W e a t h e r " D a m a g e F i g u r e 7 . 1 1 M i c r o g r a p h s f o r N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e C o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k s t r e s s c a u s e d m o r e d a m a g e t o s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e t h a n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e , w h i c h c o u l d r e s u l t f r o m t h e l e s s d i s t r i b u t e d n a t u r e o f m i c r o c r a c k g r o w t h a n d t h e l a r g e r m i c r o c r a c k w i d t h s i n h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e w h e n c o m p a r e d w i t h n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . D a m a g i n g e f f e c t s w h i c h c a u s e d n o t o n l y 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 i n t e r f a c e m i c r o c r a c k s b u t a l s o i n t r o d u c e d l o w d a m a g e i n c e m e n t p a s t e ( e . g . , fi r e e n d u r a n c e o r r e s t r a i n t s h r i n k a g e u n d e r e a r l y - a g e e x p o s u r e t o e x t r e m e c l i m a t e s ) h a d p a r t i c u l a r l y d a m a g i n g e f f e c t s o n c o n c r e t e p e r f o r m a n c e . 2 5 2 ( a ) N o D a m a g e F l u o r e s c e n t ( c ) C o m p r e s s i o n D a m a g e F i g u r e 7 . 1 2 M i c r o g r a p h s f o r H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e 2 5 3 ( b ) R e s t r a i n e d S h r i n k a g e “ R o o m T e m p e r a t u r e ” D a m a g e F i g u r e 7 . 1 3 S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o g r a p h 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 2 5 4 7 . 7 C O N C L U S I O N S C h a n g e s i n c o n c r e t e p r o p e r t i e s a s s o c i a t e d w i t h v a r i o u s d a m a g i n g e f f e c t s w e r e q u a l i t a t i v e l y i n v e s t i g a t e d . O b s e r v a t i o n s w e r e a l s o m a d e o n m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s o f c o n c r e t e p r i o r t o a n d a f t e r s u c h d a m a g i n g e f f e c t s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : 1 - D i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s ( c o m p r e s s i o n , i m p a c t , f r e e z e - t h a w , f a t i g u e , f r e e z e - t h a w + c o m p r e s s i o n , fi r e e n d u r a n c e ) p r o d u c e d d i f f e r e n t c h a n g e s i n t h e e x t e n t a n d n a t u r e o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n w i t h i n c o n c r e t e . C o m p r e s s i o n i n c r e a s e d t h e l e n g t h , w i d t h a n d a r e a f r a c t i o n o f m i c r o c r a c k s ; f a t i g u e i n c r e a s e d t h e n u m b e r o f m i c r o c r a c k s , f r e e z e - t h a w p r o d u c e d a l e s s t o r t u o u s m i c r o c r a c k g r o w t h , a n d i m p a c t i n c r e a s e d t h e w i d t h o f m i c r o c r a c k d e n s i t y i n c r e a s e d n o t i c e a b l y i n s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n w h e n c o m p a r e d t o t h e p a r a l l e l w i t h s e c t i o n s l o a d i n g d i r e c t i o n . 2 - C o n s e c u t i v e d a m a g i n g p r o c e s s e s d o n o t a l w a y s h a v e a d v e r s e e f f e c t s o n c o n c r e t e s t r e n g t h ; f o r e x a m p l e . f r e e z e - t h a w d a m a g e e f f e c t a n d c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w d a m a g e e f f e c t a l m o s t h a s t h e s a m e i n fl u e n c e o n c o n c r e t e fl e x u r a l s t r e n g t h . 3 - D i f f e r e n c e s i n t h e e x t e n t a n d p a t t e r n o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n r e fl e c t e d o n t h e d e t e r i o r a t i o n o f d i f f e r e n t p r o p e r t i e s ( fl e x u r a l s t r e n g t h , i m p a c t r e s i s t a n c e a n d p e r m e a b i l i t y ) o f c o n c r e t e a f t e r d a m a g i n g e f f e c t s . 4 - D a m a g i n g p h e n o m e n a d o n o t h a v e s i m i l a r e f f e c t s o n d i f f e r e n t p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . C o m p r e s s i o n d a m a g e s h a r p l y i n c r e a s e s 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 i m p a c t d a m a g e h a s o n l y s l i g h t e f f e c t s o n p e r m e a b i l i t y . C o m p r e s s i o n d a m a g e a l s o n o t i c e a b l y l o w e r s 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 . F a t i g u e l o a d i n g w a s m o r e d a m a g i n g t o fl e x u r a l s t r e n g t h . C o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g p r o v e d t o b e p a r t i c u l a r l y 2 5 5 I Q \ I I L C d a m a g i n g t o c o n c r e t e w h e n c o m p a r e d w i t h t h e o t h e r d a m a g i n g p h e n o m e n a 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 . 5 - M i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n u n d e r c o m p r e s s i o n d a m a g e s e e m s t o r e d u c e t h e d i f f e r e n c e s i n p r o p e r t i e s o f h i g h - s t r e n g t h v e r s u s n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . 6 - V a r i a t i o n s i n t h e e x t e n t a n d p a t t e r n 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 n e t w o r k i n g ( a n d i n i t i a t i o n o f n e w m i c r o c r a c k s ) r e fl e c t o n t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n d i f f e r e n t p r o p e r t i e s ( c o m p r e s s i v e , fl e x u r a l , a n d s p l i t t i n g 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 . 7 - D a m a g i n g e f f e c t s ( e . g . , e x p o s u r e t o fi r e e n d u r a n c e ) c a u s e n o t o n l y 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 u t a l s o i n t r o d u c e n e w c e m e n t p a s t e m i c r o c r a c k s y i e l d p a r t i c u l a r l y s e v e r e d a m a g e t o e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . 8 - U n d e r c o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s , a m o r e d i s t r i b u t e d s y s t e m o f f i n e r m i c r o c r a c k s i n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e y i e l d s l e s s d a m a g e t o p e r f o r m a n c e t h a n a l e s s d i s t r i b u t e d s y s t e m o f m i c r o c r a c k s w i t h l a r g e r w i d t h s . I Q I J I ' \ C H A P T E R 8 Q U A N T I T A T I V E M I C R O S T R U C T U R A L A N A L Y S I S O F C O N C R E T E 8 . 1 P R E F A C E Q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s h a s b e e n u s e d t o i n v e s t i g a t e c o n c r e t e q u a l i t y 4 7 . . . . 1 : - . . . . . a n d d e t e r l o r a t i o n m e c h a n i s m s . I ‘ ” 7 S u c h q u a l i t a t i v e s t u d i e s c o u l d i n v o l v e V i s u a l 4 0 . 6 1 . 6 2 2 4 , 4 8 i n s p e c t i o n , I O m i c r o s c o p y , l a c o u s t i c , n e u t r o n r a d i o g r a p h y a n d x - r a y t e c h n i q u e s . l 0 Q u a l i t a t i v e a n a l y s i s a p p r o a c h e s . h o w e v e r , l a c k t h e r i g o r a n d s t a t i s t i c a l v i a b i l i t y o f q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s a p p r o a c h e s , t h e r e f o r e i t i s d i f fi c u l t t o a s s e s s c o n s i s t e n c y a n d r e l i a b i l i t y i n q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m s . T h e e x p e r i e n c e o f i n v e s t i g a t o r a n d t h e s a m p l i n g s c h e m e w o u l d s t r o n g l y i n fl u e n c e t h e o u t c o m e s o f q u a l i t a t i v e a n a l y s e s . l 0 Q u a n t i fi c a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m c a n p r o v i d e t h o r o u g h a n d r e l i a b l e b a s i s f o r i n v e s t i g a t i o n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t d a m a g i n g p h e n o m e n a o n c o n c r e t e . A s L o r d K e l v i n q 2 s a i d “ w h e n y o u c a n m e a s u r e w h a t y o u a r e s p e a k i n g a b o u t a n d e x p r e s s i t i n n u m b e r s , y o u k n o w s o m e t h i n g a b o u t i t ; b u t w h e n y o u c a n n o t e x p r e s s i t i n n u m b e r s , y o u r k n o w l e d g e i s o f a m e a g e r a n d u n s a t i s f a c t o r y k i n d ; i t m a y b e t h e b e g i n n i n g o f k n o w l e d g e . b u t y o u h a v e s c a r c e l y i n y o u t h o u g h t s a d v a n c e d t o t h e s t a t e o f s c i e n c e . w h a t e v e r t h e m a t t e r m a y b e " . E r i c k R i n g o t l ' 8 t r i e d t o s y s t e m a t i c a l l y q u a n t i f y t h e c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m , b u t h i s a p p r o a c h f a c e d t h e l i m i t a t i o n o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y a t t h a t t i m e . R e c e n t d e v e l o p m e n t s i n c o m p u t e r - b a s e d i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s a n d m i c r o s c 0 p y t e c h n i q u e s p r o v i d e p o w e r f u l t o o l s f o r q u a n t i t a t i v e 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 o f c o n c r e t e ; a n d a l l o w e d t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k d e n s i t y i n m o r t a r a n d 9 c e m e n t p a s t e . l l A p p l i c a t i o n o f t h e p r o p o s e d c o m p r e h e n s i v e a p p r o a c h t o w a r d s i n v e s t i g a t i o n o f m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s i n n o r m a l - s t r e n g t h , r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h , a n d n o r m a l - r e s t r a i n e d c o n c r e t e s p e c i m e n s u n d e r d i f f e r e n t d a m a g i n g l o a d a n d w e a t h e r i n g p h e n o m e n a a r e r e p o r t e d h e r e i n . 8 . 2 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M T w o c o n c r e t e m i x t u r e s w e r e c o n s i d e r e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m : ( I ) n o r m a l - s t r e n g t h ( u n r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d s p e c i m e n s ) a n d ( 2 ) r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h . T y p e I P o r t l a n d c e m e n t a n d n a t u r a l s a n d w e r e u s e d i n b o t h m i x t u r e 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 9 m m ( 3 / 4 i n ) w a s u s e d a s c o a r s e a g g r e g a t e i n t h e n o r m a l - s t r e n g t h m i x , w i t h c e m e n t : fi 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 : w a t e r m a s s r a t i o s o f 1 : 1 . 5 9 : 1 . 9 8 : 0 . 5 1 4 , t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f 3 3 M P a ( 4 7 5 0 p s i ) . T h i s m i x w a s a i r - e n t r a i n e d , a n d p r o v i d e d a n a i r c o n t e n t o f 3 . 5 p e r c e n t w i t h a s l u m p o f 1 9 0 m m ( 7 . 5 i n ) . T h e r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h m i x i n c o r p o r a t e d n a t u r a l g r a n i t 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 0 m m ( 3 / 8 i n ) a s c o a r s e a g g r e g a t e ; i t a l s o i n c o r p o r a t e d s i l i c a f u m e a n d s u p e r p l a s t i c i z e r , w i t h c e m e n t : fi 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 : w a t e r : s i l i c a f u m e m a s s r a t i o s o f 1 : 1 . 7 : 0 . 9 : 0 . 4 2 : 0 . 2 , t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 4 3 M P a ( 6 1 2 0 p s i ) . T h i s m i x p r o v i d e d 1 . 9 p e r c e n t a i r c o n t e n t a n d a s l u m p o f 6 4 m m ( 2 . 5 i n ) . T h e f o l l o w i n g s p e c i m e n s w e r e m o l d e d a n d c o n s o l i d a t e d : 7 6 X 7 6 x 3 0 5 m m ( 3 X 3 X 1 2 i n ) p r i s m a t i c s p e c i m e n s f o r c o m p r e s s i o n , f a t i g u e , f r e e z e - t h a w , c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w , a n d fi r e t e s t s ; 1 5 2 m m ( 6 i n ) d i a m e t e r b y 6 3 . 5 m m ( 2 . 5 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 f o r d r o p w e i g h t i m p a c t t e s t i n g ; 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m ( 4 X 3 X 1 6 i n ) p r i s m a t i c s p e c i m e n s f o r r e s t r a i n e d s h r i n k a g e t e s t s u n d e r 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 i n c o r p o r a t e d t w o 3 8 m m ( 1 . 5 i n ) l o n g t h r e a d e d s t e e l b a r s o f 6 . 3 5 m m ( 0 . 2 5 i n ) a t t w o e n d s , w h i c h w e r e 2 5 8 e m b e d d e d w i t h i n c o n c r e t e t o r e s t r a i n l o n g i t u d i n a l 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 d u r i n g c u r i n g a n d 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m ( 4 X 3 X 1 6 i n ) p r i s m a t i c s p e c i m e n s r e i n f o r c e d w i t h f o u r # 3 G r a d e 6 0 s t e e l o r f o u r # 3 g l a s s fi b e r c o m p o s i t e b a r s h a v i n g 1 2 . 5 m m ( 0 . 5 i n ) c o v e r o n a l l s i d e s f o r e x p o s u r e t o c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t ( s t e e l a n d c o m p o s i t e r e i n f o r c e m e n t ) a n d h o t w a t e r ( c o m p o s i t e r e i n f o r c e m e n t ) . T h e f o l l o w i n g d a m a g i n g e f f e c t s w e r e i n v e s t i g a t e d : c o m p r e s s i v e l o a d i n g ( A S T M C 3 9 ) t o p e a k s t r e s s w i t h i m m e d i a t e u n l o a d i n g , d r o p w e i g h t i m p a c t l o a d i n g ( A C 1 c o m . 2 1 5 ) t o 8 5 % o f t h e u l t i m a t e c a p a c i t y , f o u r p o i n t fl e x u r a l f a t i g u e l o a d i n g ( A C 1 c o m . 2 2 5 ) u p t o 8 5 % o f t h e n u m b e r o f c y c l e s c a u s i n g fl e x u r e f a i l u r e , 3 0 0 c y c l e s ( 7 5 d a y s ) o f f r e e z e - t h a w i n w a t e r ( A S T M C 6 6 6 ) , c o m p r e s s i v e l o a d i n g t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g a n d t h e n e x p o s u r e t o 3 0 0 f r e e z e - t h a w c y c l e s i n w a t e r , e x p o s u r e t o fi r e a t 4 2 5 ° C ( 8 0 0 ° F ) f o r 3 h o u r s , e x p o s u r e t o r e l a t i v e l y h o t , 5 5 ° C ( 1 3 0 ° F ) , e n v i r o n m e n t , a n d e x p o s u r e t o r e l a t i v e l y c o l d , - 3 . 5 ° C ( - 2 5 ° F ) , e n v i r o n m e n t , a n d e x p o s u r e t o 3 . 5 % c o r r o s i v e s o l u t i o n o f s o d i u m c h l o r i d e a t 4 0 ° C ( 1 0 5 ° F ) f o r 7 d a y s f o l l o w e d b y a i r - d r y i n g a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 7 d a y s w i t h a t o t a l t e s t p e r i o d 4 m o n t h s ( f o r s p e c i m e n s r e i n f o r c e d w i t h s t e e l o r c o m p o s i t e r e b a r s ) , a n d 4 m o n t h s o f c o n t i n u o u s i m m e r s i o n o f i n 6 0 ° C ( 1 4 0 ° F ) w a t e r ( f o r s p e c i m e n s r e i n f o r c e d w i t h c o m p o s i t e r e b a r s t o a s s e s s t h e c o n s e q u e n c e o f a l k a l i a t t a c k o n g l a s s fi b e r c o m p o s i t e s ) . T h e s e d a m a g i n g p h e n o m e n a l e f t t h e s p e c i m e n s i n t a c t f o r t h e p u r p o s e o f m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s . T a b l e s 8 . 1 a n d 8 . 2 s u m m a r i z e t y p e s , d i m e n s i o n s , n u m b e r o f s p e c i m e n s , a n d d a m a g i n g e f f e c t s c o n s i d e r e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m . 2 5 9 Q 0 I 0 T a b l e 8 . 1 S u m m a r y o f S p e c i m e n s a n d D a m a g i n g E f f e c t s o f N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e i n T h e E x p e r i m e n t a l P r o g r a m N u m b e r o f N u m b e r o f N u m b e r o f D a m a g i n g E f f e c t S p e c i m e n T y p e a n d G e o m e t r y S p e c i m e n s S e c t i o n s I m a g e s U n r e i n f o r c e d - U n r e s t r a i n e d S p e c i m e n s N o D a m a g i n g E f f e c t U 7 I t 6 r : i i ; f g ) r : : % [ 5 ) r r i : $ s 4 1 6 1 0 4 9 6 C o m p r e s s i o n P r i s m s 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m 7 2 8 1 8 3 6 8 I m p a c t C y l i n d e g : . g s i g ' fl e fi ' l ‘ e t e r b y 4 I 6 1 0 4 9 6 F a t i g u e P r i s m s 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m 2 8 5 2 4 8 F r e e z e - T h a w P r i s m s 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m 4 8 5 2 4 8 C o m p . + F r e e z e - T h a w P r i s m s 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m 2 8 5 2 4 8 F i r e P r i s m s 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m 3 1 2 7 8 7 2 R e i n f o r c e d - U n r e s t r a i n e d S p e c i m e n s S t e e l r e i n f o r c e d p r i s m s 7 7 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m 7 8 5 ‘ 4 8 N o D a m a g i n g E f f e c t C o m p o s i t e r e i n f o r c e d p r i s m s 7 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m 2 8 5 ‘ 4 8 S t e e l r e i n f o r c e d r i s m s C o r r o s i v e 1 0 2 x 7 6 x 4 0 2 m m 2 8 5 2 4 8 E n v i r o n m e n t ( S a l t W a t e r ) C o m p o s i t e r e i n f o r c e d p r i s m s 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m 2 8 5 2 4 8 C o m p o s i t e r e i n f o r c e d p r i s m s 7 H o t W a t e r 1 0 2 x 7 6 x 4 0 6 m m 2 8 5 2 4 8 U n r e i n f o r c e d - R e s t r a i n e d S p e c i m e n s N o D a m a g i n g E f f e c t P r i s m s 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m 2 8 5 2 4 8 E x p o s u r e t o H o t . P r i s m s 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m E n V I r o n m e n t 5 2 4 8 E x p o s u r e t o C o l d . P r i s m s 1 0 2 X 7 6 X 4 0 6 m m 2 8 ' 5 2 4 8 E n v r r o n m e n t D a m a g i n g E f f e c t S p e c i m e n T y p 6 3 . 5 m e m a n d G e o m e t r y S p e c i m e n s S e c t h e i g h t 4 1 i 6 o n s I m a g e s 1 0 4 9 6 T a b l e 8 . 2 S u m m a r y o f D a m a g i n g E f f e c t s a n d S p e c i m e n s o f H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e i n T h e E x p e r i m e n t a l P r o g r a m N u m b e r o f N u m b e r o f N u m b e r o f U n r e i n f o r c e d - U n r e s t r a i n e d S p e c i m e n s N o D a m a g i n g E f f e c t P r i s m s 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m 4 1 6 1 0 4 9 6 C o m p r e s s i o n P r i s m s 7 6 X 7 6 X 3 0 5 m m 3 1 2 7 8 7 2 C y l i n d e r s 1 5 2 m m d i a m e t e r b y I m p a c t C o n t r o l s p e c i m e n s w e r e t e s t e d i n c o m p r e s s i o n ( t o c h e c k - t h e t a r g e t e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d t o d e t e r m i n e t h e u l t i m a t e p e a k s t r e s s ) , f o u r - p o i n t fl e x u r e ( t o d e t e r m i n 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 n d fl e x u r a l f a t i g u e a t 4 5 0 c y c l e s p e r m i n u t e w i t h r e p e a t e d fl e x u r a l l o a d s r a n g i n g f r o m 1 5 % t o 8 5 % o f u l t i m a t e fl e x u r a l s t r e n g t h ( t o d e t e r m i n e t h e n u m b e r o f c y c l e s c a u s i n g f a i l u r e ) , a n d i m p a c t t e s t i n g . Q u a n t i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k e f f e c t s s y s t e m i n u n d a m a g e d c o n c r e t e p r o v i d e d t h e b a s i s t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t d a m a g i n g p h e n o m e n a o n m i c r o c r a c k g r o w t h . M o l d e d s p e c i m e n s w e r e k e p t m o i s t f o r 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 c m o l d e d ( e x c e p t f o r r e s t r a i n e d s p e c i m e n s ) a n d m o i s t c u r e d a t 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 2 8 d a y s , a n d t h e n c o n d i t i o n e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a t 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 1 8 0 d a y s p r i o r t o c o m p r e s s i o n a n d i m p a c t t e s t i n g . R e s t r a i n e d n o r m a l — s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e k e p t m o i s t f o r 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 s t o r e d ( w i t h o u t d e m o l d i n g ) f o r 2 8 d a y s a t 5 5 ° C ( 1 3 0 ° F ) f o r h o t w e a t h e r e x p o s u r e o r a t — - 3 . 5 ° C ( - 2 5 ° F ) f o r c o l d e x p o s u r e , a n d t h e n 2 6 1 d c m o l d e d a n d c o n d i t i o n e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 1 8 0 d a y s . T h e r e s t r a i n t a g a i n s t s h r i n k a g e w a s e f f e c t i v e a s f a r a s t h e s p e c i m e n s w e r e n o t d c m o l d e d . T h i s r e l a t i v e l y l o n g p e r i o d o f c o n d i t i o n i n g a l l o w s f o r d e v e l o p m e n t o f s h r i n k a g e m i c r o c r a c k s w h i c h o c c u r w i t h i n c o n c r e t e l a r g e l y d u e t o t h e r e s t r a i n t o f c e m e n t p a s t e s h r i n k a g e m e a s u r e m e n t s b y a g g r e g a t e s . 8 . 3 M I C R O S T R U C T U R A L A N A L Y S I S S C H E M E F o r t h e p u r p o s e o f s p e c i m e n p r e p a r a t i o n , t w o p a i r s o f t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e c u t o u t o f e a c h s p e c i m e n . O n e p a i r w a s c u t i n t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g a n d t h e o t h e r p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g o r i n t h e l o n g e r a n d s h o r t e r d i r e c t i o n s o f c o n c r e t e s p e c i m e n s w h e n n o m e c h a n i c a l l o a d s w e r e a p p l i e d . O n e p a i r o f s e c t i o n s w a s u s e d f o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y a n d t h e o t h e r f o r t h e e n v i r o n m e n t a l 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 y “ E S E M “ ( b a c k s e a t t e r e d t e c h n i q u e ) . S p e c i m e n p r e p a r a t i o n m e t h o d s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 4 . 2 . 4 w e r e u s e d t o g e n e r a t e a s h a r p c o n t r a s t b e t w e e n f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) a n d t h e b o d y o f c o n c r e t e . E a c h s e c t i o n w a s i n v e s t i g a t e d 3 t i m e s a t d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n s ( 1 2 5 X . 2 5 0 X , 5 0 0 X ) u s i n g e a c h m i c r o s c o p y t e c h n i q u e . A t o t a l o f 1 4 4 i m a g e s w e r e c a p t u r e d f r o m e a c h s e c t i o n a t 1 2 5 X , a n d 2 5 6 i m a g e s w e r e c a p t u r e d f r o m e a c h s e c t i o n a t 2 5 0 x a n d 5 0 0 X m a g n i fi c a t i o n s ; t h e s e s e l e c t i o n s w e r e c h o s e n t o y i e l d r e p r e s e n t a t i v e d a t a b a s e d o n s t a t i s t i c a l c r i t e r i a . T h e n u m b e r o f s e c t i o n s a n d t o t a l n u m b e r o f i m a g e s c a p t u r e d f r o m e a c h s p e c i m e n a r e s h o w n i n T a b l e s 8 . 1 a n d 8 . 2 . I m a g e s w e r e c a p t u r e d r a n d o m l y u s i n g a p r o g r a m m e d t r a v e l s t a g e t o m o v e r a n d o m l y i n d i f f e r e n t p o s i t i o n s a n d c a p t u r e i m a g e s f r o m a s c a n n e d 7 5 m m X 7 5 m m ( 3 i n X 3 i n ) a r e a . I m a g e p r o c e s s i n g s c e n a r i o s s e l e c t e d i n s e c t i o n 5 . 2 . 1 . 3 w e r e e m p l o y e d t o e n h a n c e t h e c o n t r a s t 2 6 2 b e t w e e n m i c r o c r a c k s v e r s u s t h e b o d y o f c o n c r e t e a n d a l s o t o e l i m i n a t e n o i s e a n d p r o v i d e c r i s p i m a g e s . M a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n s p r o v i d e d i n s e c t i o n 5 . 3 . 1 . 1 w e r e u s e d t o p r o d u c e m i c r o c r a c k p l a n a r m e a s u r e m e n t s w h i l e s t e r e o l o g i c a l r e l a t i o n s h i p s p r o v i d e d i n s e c t i o n 6 . 1 . 4 . 1 w e r e u s e d t o p r o d u c e m i c r o c r a c k s p a t i a l m e a s u r e m e n t s . 8 . 4 M I C R O S T R U C T U R A L A N A L Y S E S R E S U L T S 8 . 4 . 1 A n a l o g y B e t w e e n U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) a n d R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s 8 . 4 . 1 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e s 8 . 1 a n d 8 . 2 p r e s e n t r e s u l t s ( m e a n s a n d s t a n d a r d e r r o r s ) o f p l a n a r ( 2 - D ) m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s i n h o r i z o n t a l s e c t i o n s ( p e r p e n d i c u l a r t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n ) f o r u n r e i n f o r c e d ( u n r e s t r a i n e d ) a n d r e i n f o r c e d ( u n r e s t r a i n e d ) c o n c r e t e s p e c i m e n s , r e s p e c t i v e l y . I t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t s i n c e i m a g e s w e r e c a p t u r e d f r o m r a n d o m l o c a t i o n s o n s e c t i o n s , t h e q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s e c t i o n s r e fl e c t o n c o n d i t i o n s b o t h i n t h e v i c i n i t y a n d a w a y f r o m r e i n f o r c e m e n t . T h e d a t a p r e s e n t e d h e r e i n c o m b i n e t h e r e s u l t s o f fl u o r e s c e n t a n d 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 y . T h e r e w e r e m i n o r d i f f e r e n c e s b e t w e e n r e s u l t s o f t h e t w o m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s , w h i c h c a n b e l a r g e l y a t t r i b u t e d t o t h e a s s o c i a t e d d i f f e r e n c e s i n s a m p l e p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e s a n d t h e p r e c i s i o n o f e a c h m i c r o s c o p e . G e n e r a l l y , h i g h e r m a g n i fi c a t i o n l e v e l s s e e m t o p r o v i d e f a r d e t e c t i o n o f fi n e r m i c r o c r a c k s . 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 ” ( t - t e s t ) a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e w a s u s e d t o d e t e c t a n y 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 m e a s u r e m e n t s m a d e o n c o n c r e t e s p e c i m e n s i n u n d a m a g e d c o n d i t i o n a n d a f t e r d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s . 2 6 3 ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P r e t e m i r e P L e n g t h P e r U n i t A r e a ( m m / m m 2 ) 1 - 0 m a I I I I I M a g n i fi c a t i o n 0 ‘ 8 — : 1 1 2 5 x — E 1 2 5 0 x 0 . 6 _ _ K I 5 0 0 x _ 0 . 4 - a 0 0 6 ‘ Q D a m a g e T y p e ( a ) L e n g t h P e r U n i t A r e a 2 - 5 f I I I I I I M a g n i fi c a t i o n 2 . — — O 1 3 1 2 5 X F 3 2 5 0 x 1 . 5 l — “ 5 0 0 X e 1 . 0 F 0 . 5 _ 0 . 0 5 3 g 6 a 0 0 ° 4 9 « “ 6 6 D a m a g e T y p e ( b ) P e r i m e t e r P e r U n i t A r e a 2 6 4 ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P h t d i W ) 2 m m / 2 m m ( n o i t c a r F a e r A 1 - » . . - a - « - « . ‘ ‘ . . . - - . “ - V . - - ? 0 : 9 1 2 0 . 0 4 I I I w I I I M a g n i fi c a t i o n 2 5 0 x P S 5 0 0 x 0 . 0 2 - 0 . 0 1 0 . 0 0 1 . 5 0 E - 2 1 . 0 0 E - 2 5 . 0 0 E - 3 - 0 0 . \ ‘ T c 6 « 3 ° 9 0 ( 0 " 0 0 6 ‘ ? D a m a g e T y p e ( 0 ) W i d t h P e r U n i t A r e a I I I F I I I M a g n i fi c a t i o n L E I 1 2 5 X I 3 2 5 0 x K 3 5 0 0 x 1 “ 3 4 . 5 7 9 ! - 9 ° 9 ° ‘ 9 ‘ “ 6 ° . 0 ‘ ” ’ 0 ( 0 9 0 ° 0 9 « Q « 1 : 4 Q « 3 ‘ 3 9 ’ 3 1 : “ 0 0 ‘ 0 9 0 0 D a m a g e T y p e ( ( 1 ) A r e a F r a c t i o n 2 6 5 3 : 3 m i n m u m h l fl r . “ % 1 0 . 1 r 0 . r . “ r . d . n a r . " r . g r . fi r » . a » » m s . m r a ‘ C g S 3 2 : 2 9 8 . 2 “ d a 1 m n a ! . 4 g . n i 0 r n ¢ a w r 4 . . n 1 . “ . n i . 1 . . r “ H u . . “ 1 . r m . . . fi 1 . u fi r . n fl m . fl » m . w m 1 m . b 1 m . m r . m 1 . b fi . H r w m . fi r fl w . a » h 1 e . m 1 fi . “ . 1 n a C R . ” 2 6 6 ( f ) T o r t u o s i t y D a m a g e T y p e ‘ . . . K 3 E l 5 0 0 x 2 5 0 x 7 4 1 1 2 5 x M a g n i fi c a t i o n ( e ) S p a c i n g D a m a g e T y p e ~ 1 1 5 v 9 " “ 6 ‘ 0 0 n 5 0 0 x a “ 0 ( “ 5 & 0 m 2 5 0 x : 3 1 2 5 x M a g n i fi c a t i o n 8 8 8 3 3 0 : 8 r . a 4 > 4 3 . r . = 1 4 . 4 > n 0 L . : 4 ‘ u § r m 0 4 . > 4 0 * 0 6 a N > u w . i . fi . . u i r . N 4 > y . . 4 . 0 w 4 . N u > 6 r . . . . . m _ N u w . 4 > { 3 n fi . , . . n N > . N { u r . g ! . . . fi . u h h . . . q . u r i . . ‘ N . D . . m . . } u r m . . N { . . > u . i » m { w . N l e w 0 > . . n N n a Q u v fl . : o z m a m z O 2 m 8 8 0 2 6 7 S t r e n g t h S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X - Y ) F i g u r e 8 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - ( h ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n D a m a g e T y p e 0 . 0 C 4 0 . 7 _ _ ( ( 1 : a s C l 5 ( 7 5 0 0 X 2 5 0 x a “ _ _ J 1 2 5 X 0 . 6 l — M a g n i f i c a t i o n ( g ) A n g l e o f O r i e n t a t i o n D a m a g e T y p e 9 O 1 8 0 1 2 0 * - J e 8 9 9 0 0 0 ‘ 9 ' 3 \ 6 ‘ q t x x ( ’ 1 5 D I D 1 2 5 x [ : 3 2 5 0 x 5 0 0 x e “ M a g n i fi c a t i o n I ) 2 m m . 0 0 ) / m m ( ' 1 0 I . 0 a e r A s . i t i n U r 0 : e P h t g n e L . M I ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P r e t e fl i l m l i r e P l l l U 2 6 8 ( b ) P e r i m e t e r P e r U n i t A r e a 1 . 2 . 0 D a m a g e T y p e 0 . - ‘ r ' g a g 1 1 a t T I I W A ? M ! i i i - E : v ‘ u i m fi - ‘ h fi d a - fi r s t : ' , . a s s m a l m w , a ? " { : 1 1 2 5 x C i 2 5 0 X £ 2 5 0 0 x M a g n i fi c a t i o n ( a ) L e n g t h P e r U n i t A r e a D a m a g e T y p e 0 . 7 0 . 8 I i 3 1 2 5 X [ : 1 2 5 0 X W 5 0 0 X M a g n i fi c a t i o n . 4 . 1 . 1 ( S D P ‘ S : D n P l ‘ ‘ a D l P y ‘ w S T t D . ” D ‘ ‘ . . . . . . P . . P . _ n ‘ . . ‘ . . D , . D ~ . N v ‘ : D D - I i ‘ . ‘ . . P . P L ‘ ‘ P P _ " ‘ P . ‘ P ‘ . ‘ D ) { . D . 1 I V N B B E B A m 8 > : a C 9 0 . : 9 5 < B B B N B B A : o z o m T m $ > 2 6 9 ( d ) A r e a F r a c t i o n D a m a g e T y p e { I \ \ 6 ( $ 5 9 ( S ‘ x o 0 0 6 9 C 0 6 “ ? 9 9 0 . 0 0 0 0 . 0 0 1 0 . 0 0 8 0 . 0 0 7 0 . 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 . 0 0 3 0 0 0 2 0 . 0 0 9 0 . 0 1 0 3 E ] ( 2 1 2 5 X 2 5 0 X 5 0 0 X M a g n i fi c a t i o n I ( 0 ) W i d t h P e r U n i t A r e a 0 0 2 0 0 0 1 5 0 . 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 I D a m a g e T y p e M a g n i fi c a t i o w I A E E V 9 : 0 Q O 3 6 0 3 2 8 5 . . . . . r e v e r e . . . . . . . . . . . . . 2 . . . w . . a . . . s . fl u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . . . _ . a . m . 2 . . 2 . _ 2 . 2 . . . . 2 . . . . . . . a - n u ] m . . . . u R h . q _ . . . 1 . . . J . i . l t i f I . . . . s . . . 3 . 1 t i 1 0 2 3 ‘ . 1 . . u c I h . . . f M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 X I Z I 2 5 0 X C ] 0 0 X K 3 1 > — H O H O N O H O H F i r e m a n } . . . 3 . 1 8 . L l u h . . y m w ‘ D D a m a g e T y p e ( e ) S p a c i n g I I M a g n i fi c a t i o n 1 2 5 x 2 5 0 X ' 1 3 5 0 0 X [ : 7 I I M . “ . . . - K N J » . I . . . . . . . . . . . . " 7 . . . . . . I “ Q M O V O V O . . . 2 . . . . . \ . . 1 2 . . . ! . 1 . . . . . . v o w o r fi o w o w fl m r c w o w fl fi w o w o w o w o w o w o w c w o n 1 . . . 5 ‘ . D _ . 2 e a i _ . c I . £ L ¢ $ n . m m m m u w w u w w m m 2 . 4 D a m a g e T y p e ( I ) T o r t u o s i t y 2 7 0 1 1 1 4 2 0 8 5 4 2 0 0 0 0 0 0 0 O — — ~ 2 — ) — — { 0 9 6 S b \ “ 0 9 0 0 ' ' ' ' i . 9 g ( I r . ‘ } f " : : 7 . - 0 9 \ 0 O 0 C ; n : m { ’ < ’ t : ’ 9 , i 3 t 4 u . o ‘ { 1 3 ‘ 1 1 . i 9 2 : ' ‘ 5 C 2 9 ) A n g l e 7 E i E “ g E ‘ I i ‘ 0 i 3 2 D - 3 - ( o 5 D m T I M n ! 9 2 2 a g n 1 2 5 i 0 2 5 fi i s a t i o n 5 0 x x x I E I w ‘ fl ‘ ‘ ; 0 6 9 9 V ‘ Q 9 0 6 ‘ 9 e \ 1 9 p i t . o % i n 6 T ‘ y t a a t o n i 9 ' f 9 a M 3 * 0 e r “ a m a O g r n 1 2 5 e 0 e . 5 0 0 f . i ° X x x n I c g i i 2 5 0 . g x L . 5 2 7 t 3 ; ‘ 1 : ' : . x - _ ; 1 ' - , i 2 i _ . ? ' 7 , i - : : - i t . : . _ I 2 I } » , : . ? 3 0 ; 3 2 ° a 8 3 0 6 ’ 0 0 c Q ‘ d C 2 9 0 0 6 ‘ : ; _ B " 5 9 5 - 1 . E B ‘ . o “ a < G C , m C » 6 3 6 ’ ? ? ) E 1 E < “ o 3 O Q 0 0 0 0 0 g ' ' . . 5 4 3 2 . 1 o 9 9 T — — " $ - ' - _ _ _ _ _ — _ 2 — ‘ 4 D a m a g e T y p e ( h ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n F i g u r e 8 . 2 P l a n a r ( Z - D ) M e a s u r e m e n t s f o r R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X — Y ) 2 7 1 T h i s s t a t i s t i c a l a n a l y s i s c o v e r e d t h e c o m b i n e d r e s u l t s o f fl u o r e s c e n t a n d 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 y a t a l l m a g n i fi c a 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 . T h e r e s u l t s o f s t a t i s t i c a l a n a l y s i s f o r u n r e i n f o r c e d a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s ( c h a n g e s f r o m u n d a m a g e d 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 s 8 . 3 a n d 8 . 4 , r e s p e c t i v e l y . I n t h e c a s e o f u n r e i n f o r c e d s p e c i m e n s ( T a b l e 8 . 3 ) , c o m p r e s s i o n s e e m s t o b e t h e m o s t s e v e r e d a m a g i n g e f f e c t 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 ; i t t e n d s t o m a r k e d l y c h a n g e t h e m i c r o c r a c k s c h a r a c t e r i s t i c s m e a s u r e d o n c r o s s s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o l o a d d i r e c t i o n . T h i s s i m p l y c o n fi r m s t h e f a c t t h a t m i c r o c r a c k g r o w t h p l a n e s t e n d t o b e p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g u n d e r c o m p r e s s i o n . D a m a g i n g e f f e c t s o f fi r e a n d f r e e z e - t h a w o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a r e a l s o s i g n i fi c a n t ; u n l i k e c o m p r e s s i o n , h o w e v e r , fi r e a n d f r e e z e - t h a w d o n o t s e e m t o y i e l d a n y p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n o f m i c r o c r a c k s . I m p a c t d a m a g e m o d e r a t e l y a l t e r s v a r i o u s m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s ; i t s e f f e c t o n c r a c k w i d t h p e r u n i t a r e a w a s s o m e w h a t p r o n o u n c e d , w h i c h m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e n a t u r e o f t h e s u d d e n f a i l u r e d u e t o t h e i n t e r n a l p r e s s u r e p r o d u c e d b y t h e i m p a c t f o r c e . F a t i g u e d a m a g e i n c r e a s e d t h e l e n g t h p e r u n i t a r e a a n d r e d u c e d t h e s p a c i n g o f m i c r o c r a c k s , b u t d i d n o t s i g n i fi c a n t l y a l t e r t h e w i d t h p e r u n i t a r e a o f m i c r o c r a c k s . C o m b i n e d e f f e c t s o f c o m p r e s s i o n f o l l o w e d b y f r e e z e - t h a w d i d n o t y i e l d t h e e x p e c t e d l e v e l o f d a m a g e t o m i c r o c r a c k s y s t e m ; t h i s m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e d i f f e r e n t i n fl u e n c e o f c o m p r e s s i o n a n d f r e e z e - t h a w o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s , h o w e v e r , m o r e s t u d i e s a r e n e e d e d t o m a k e c o n c l u s i v e r e m a r k s . 2 7 2 T a b l e 8 . 3 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r U n r e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( P l a n a r M e a s u r e m e n t s ) ( C h a n g e s f r o m U n d a m a g e d C o n d i t i o n i n P e r c e n t ) F r e e z e - C o m p . + M e a s u r e m e n t s S e c t i o n C o m p . I m p a c t T h a w F r e e z e - T h a w F a t i g u e F i r e S I I S I S L e n g t h p e r X V 8 1 . 1 1 4 . 2 1 . 2 4 0 . 2 3 . 2 1 6 9 . 6 U n i t A r e a I I I I S S Y Z 1 1 . 5 7 . 6 4 . 7 1 1 4 . 6 5 0 . 5 4 1 . 4 S S I S S S P e r i m e t e r p e r X Y 9 2 . 4 6 3 . 4 1 1 . 4 7 3 . 3 5 9 . 8 7 7 . 7 U n i t A r e a I I S I I S Y Z 2 2 . 2 2 1 . 7 3 8 . 9 1 2 . 8 1 4 . 5 4 5 . 6 S I I I I I W i d t h p e r U n i t X Y 1 9 1 . 2 5 . 3 2 1 . 0 1 6 . 4 8 2 . 0 4 1 . 1 2 A r e a I s s I I 3 Y 2 4 1 . 5 3 5 . 4 3 4 . 2 1 1 . 5 1 4 . 5 3 1 . 3 S I I S I S A r e a F r a c t i o n X V 2 1 4 1 0 . 5 1 1 . 3 5 3 . 5 1 4 . 6 1 1 3 I S S S S S Y Z 3 1 . 8 4 3 . 2 6 6 . 8 4 8 . 6 7 4 . 3 8 8 . 6 I S S I I S S p a c i n g X Y - 2 2 . 2 - 6 4 . 9 - 4 7 . 4 - 8 . 6 5 - 2 . 0 4 - 6 7 S I S S S 1 Y 2 — 1 5 . 5 - 8 . 4 - 3 1 . 2 - 4 4 . 5 3 1 . 5 - 1 8 S l I I I I T o r t u o s i t y X Y 2 5 . 1 6 . 3 4 5 . 4 8 2 . 4 7 3 . 0 1 9 . 4 4 I I I I I S Y Z 6 . 4 8 . 4 5 1 . 1 4 . 4 5 8 . 7 1 3 5 . 5 I I I S I 1 A n g l e o f X Y - 1 3 . 4 6 . 2 5 2 . 0 1 1 7 . 8 1 4 . 3 5 . 8 7 O r i e n t a t i o n S I I I S I Y Z 6 1 . 7 1 1 . 7 - 4 . 5 7 1 3 . 6 8 5 8 . 6 - 6 . 6 S S I I I 1 D e g r e e o f X V - 2 3 8 - 6 6 . 5 - l 6 . 6 « 2 2 . 6 - 3 3 . 4 - 2 8 O r i e n t a t i o n l S S S I I y z - 1 5 8 1 . 8 7 5 . 5 4 4 . 8 - I l . 4 1 4 . 6 T a b l e 8 . 4 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( P l a n a r M e a s u r e m e n t s ) ( C h a n g e s f r o m U n d a m a g e d C o n d i t i o n i n P e r c e n t ) C o r r o s i v e E n v i r o n m e n t H o t w a t e r ( S a l t w a t e r ) C . , . . o m p O S I t e M e a s u r e m e n t s S e c t i o n S t e e l C o m p o s 1 t e . . . R e i n f o r c e d R e i n f o r c e d R e i n f o r c e d S . . . p e e i m e n s S p e C I m e n s S p e c 1 m e n s S S S L e n g t h p e r X Y 7 5 . 6 1 1 2 7 0 . 0 U n i t A r e a I I S Y Z 3 3 . 3 1 3 . 7 4 8 . 5 S I I P e r i m e t e r p e r X Y 3 1 . 1 3 7 . 6 1 8 . 5 U n i t A r e a I I I Y Z 5 . 6 7 4 . 5 1 9 . 8 9 S S 1 W i d t h p e r X Y 6 4 . 3 1 0 8 1 6 . 1 U n i t A r e a - I I 1 Y A 7 . 5 8 2 3 . 7 4 . 3 6 S S S . X Y 9 8 . 4 1 8 4 . 7 5 4 . 5 A r e a F r a c t i o n Y Z I I I 3 1 . 1 2 8 . 9 1 5 . 5 S S I . X Y - 2 1 . 6 - 3 3 . 3 - 1 8 . 4 S p a c m g Y Z I I I - 5 . 5 - 3 . 6 - 7 . 7 1 I I l . X Y - 1 . 6 4 - 0 5 7 - 1 . 5 T o r t u o s n v “ Y Z I I I 2 . 2 1 1 . 5 8 - 0 . 8 8 I I 1 A n g l e o f X Y - I 9 . 5 - 3 . 1 - 1 0 . 7 O r i e n t a t i o n S I l Y Z 4 8 . 7 - 2 5 . 1 — 3 . 5 S S 1 D e g r e e o f X Y 6 1 . 5 2 5 - 1 8 . 7 O r i e n t a t i o n I I I Y Z I 1 . 6 5 . 7 - 6 . 8 6 S = S i g n i fi c a n t e f f e c t I = I n s i g n i fi c a n t e f f e c t I n t h e c a s e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s ( T a b l e 8 . 4 ) , c y c l i c e x p o s u r e t o c o r r o s i v e ( s a l t s o l u b l e ) e n v i r o n m e n t a l t e r e d t h e m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s w i t h b o t h s t e e l a n d p o l y m e r c o m p o s i t e r e i n f o r c e m e n t . T h e s e p o i n t s a t t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f t h e w e t — d r y e x p o s u r e c o n d i t i o n s o n t h e b o d y o f c o n c r e t e ( i r r e s p e c t i v e o f t h e t y p e o f r e i n f o r c e m e n t t y p e ) . H o t w a t e r i m m e r s i o n i n c r e a s e d m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ; i t s o v e r a l l e f f e c t o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s , h o w e v e r , w e r e r e l a t i v e l y s m a l l . 8 . 4 . 1 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e s 8 . 3 a n d 8 . 4 p r e s e n t t h e r e s u l t s ( m e a n s a n d s t a n d a r d e r r o r s ) o f s p a t i a l ( 3 - D ) m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s f o r u n r e i n f o r c e d ( u n r e s t r a i n e d ) a n d r e i n f o r c e d ( r e s t r a i n e d ) c o n c r e t e s p e c i m e n s , r e s p e c t i v e l 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 “ A N O V A ” ( t - t e s t ) a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e w a s u s e d t o d e t e c t a n y 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 b e t w e e n m e a s u r e m e n t s m a d e o n c o n c r e t e s p e c i m e n s i n u n d a m a g e d c o n d i t i o n a n d a f t e r d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s . T h e r e s u l t s o f s t a t i s t i c a l a n a l y s i s f o r u n r i e n f o r c e d a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s ( c h a n g e s f r o m u n d a m a g e d c o n d i t i o n s ) a r e s h o w n i n T a b l e s 8 . 5 a n d 8 . 6 , r e s p e c t i v e l y . I n t h e c a s e o f u n r e i n f o r c e d s p e c i m e n s ( T a b l e 8 . 5 ) , c o m p r e s s i o n a n d fi r e d a m a g e y i e l d t h e m o s t p r o n o u n c e d ( 3 - 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 . F r e e z e - t h a w a n d i m p a c t d a m a g e s e e m t o i n c r e a s e t h e w i d t h a n d t h u s t h e v o l u m e f r a c t i o n o f e x i s t i n g m i c r o c r a c k s , w i t h o u t g r e a t l y a l t e r i n g t h e i r s u r f a c e a r e a a n d s p a c i n g o f m i c r o c r a c k s . A g a i n t h e c o m b i n e d e f f e c t s o f c o m p r e s s i o n f o l l o w e d b y f r e e z e - t h a w p r o d u c e l e s s d a m a g i n g e f f e c t o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s t h a n e x p e c t e d . M o r e t h o r o u g h i n v e s t i g a t i o n s a r e n e e d e d t o m a k e c o n c l u s i v e r e m a r k s i n t h i s r e g a r d . 2 7 5 ) 2 m m / m m ( a e r A e c a f r u S c i f i c e p S o A - - . ‘ - v “ v . ' A . A ' . ’ . ' L 1i W i d t h ( m m / m m 3 ) 1 . 2 0 . 8 P - 0 . 6 l — I I I I I I M a g n i fi c a t i o n 1 : 1 1 2 5 x I 2 5 0 X b 2 } 5 0 0 x < 5 6 « 9 “ 8 " “ ” a s " 9 9 9 ° ‘ « 8 ‘ 9 6 1 ’ ‘ 0 x ? 4 5 ° 0 ° 0 4 0 9 D a m a g e T y p e ( a ) S p e c i fi c S u r f a c e A r e a 0 . 0 2 5 0 . 0 2 0 — 0 . 0 1 5 - 0 . 0 1 0 0 . 0 0 5 I I I I I I I M a g n i f i c a t i o n . . s 1 2 5 x € 7 3 2 5 0 X 8 ' 2 1 5 0 0 X D a m a g e T y p e ( b ) W i d t h ) 3 m m / 3 m m ( n o i t c a r F e m u l o V ) m m ( g n i c a p S 0 . 0 1 5 0 . 0 1 0 0 . 0 0 5 0 . 0 0 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 I I I M a g n i fi c a t i o n E l 1 2 5 X I 2 5 0 X 5 2 1 5 0 0 x D a m a g e T y p e ( c ) V o l u m e F r a c t i o n c } ~ 3 1 - e a “ 1 ‘ b e 6 3 “ ? 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S I I S I S S p a c m g - 4 8 . 3 - 1 5 . 6 - 2 1 . 4 - 5 5 . 4 - l 3 . 8 - 4 1 - . S I I I I I T o r t u O S I t y 8 4 . 6 5 . 4 1 5 . 7 4 1 . 2 3 2 . 2 1 8 . 4 7 D e g r e e o f I S I S I l O r ‘ e m a ‘ m “ — 1 1 . 5 7 7 . 8 1 8 . 4 3 8 . 3 1 6 . 5 8 . 7 4 8 ~ S i g n i fi c a n t e f f e c t I - I n s i g n i fi c a n t e f f e c t 2 8 2 T a b l e 8 . 6 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r R e i n f o r c e d ( U n r e s t r a i n e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( S p a t i a l M e a s u r e m e n t s ) ( C h a n g e s f r o m U n d a m a g e d C o n d i t i o n i n P e r c e n t ) C o r r o s i v e E n v i r o n m e n t H o t w a t e r ( S a l t W a t e r ) M e a s u r e m e n t s S t e e l C o m p o s i t e C o m p o s i t e R e i n f o r c e d R e i n f o r c e d R e i n f o r c e d S p e c i m e n s S p e c i m e n s S p e c i m e n s S p e c i fi c S u r f a c e S S S A m “ 1 3 6 1 0 8 1 5 1 W i d t h p e r U n i t S I S V O ' u m e 9 8 . 8 1 3 . 8 4 8 . 7 V o l u m e S S I F r a c t i o n 1 1 3 8 1 . 4 3 6 . 7 . S S S S p a c r n g - 4 7 . 7 - 5 1 . 5 - 5 3 . 7 . . . I I I I o r t u o s r t y - 0 . 8 7 4 . 6 4 - 3 . 4 7 D e g r e e o f I I I O r l e m ‘ m o n - 8 . 7 8 - 5 . 4 8 4 . 8 7 S 2 S i g n i fi c a n t e f f e c t I = I n s i g n i fi c a n t e f f e c t I n t h e c a s e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s ( T a b l e 8 . 6 ) t h e s p a t i a l ( 3 - D ) d a t a s u g g e s t t h a t s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s u f f e r e d s o m e w h a t m o r e d a m a g e t h a n c o m p o s i t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r c y c l i c ( w e t - d r y ) e x p o s u r e t o s a l t s o l u t i o n . T h e ( 3 - D ) d a t a a l s o h i g h l i g h t e d t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f h o t w a t e r i m m e r s i o n o n t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n c o m p o s i t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 8 . 4 . 2 A n a l o g y B e t w e e n U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s 8 . 4 . 2 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e 8 . 5 p r e s e n t s t h e r e s u l t s ( m e a n s a n d s t a n d a r d e r r o r s ) o f a l l m e a s u r e m e n t s i n p l a n e ( 2 - D ) o n h o r i z o n t a l s e c t i o n s ( X Y - p e r p e n d i c u l a r t o l o a d i n g d i r e c t i o n ) f o r u n r e s t r a i n e d ( u n r e i n f o r c e d ) a n d r e s t r a i n e d ( u n r e i n f o r c e d ) n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s . T h e h o r i z o n t a l s e c t i o n s s h o w e d m o r e e x t e n s i v e m i c r o c r a c k i n g t h a n t h e v e r t i c a l s e c t i o n s ( p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) . T h e d a t a p r e s e n t e d h e r e i n c o m b i n e t h e r e s u l t s o f fl u o r e s c e n t a n d E S E M a t t h e t h r e e u s e d m a g n i fi c a t i o n s . T h e r e w e r e m i n o r d i f f e r e n c e s b e t w e e n r e s u l t s o f t h e t w o m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s . w h i c h c o u l d r e s u l t f r o m t h e d i f f e r e n c e s i n s a m p l e p r e p a r a t i o n a n d t h e p r e c i s i o n o f e a c h m i c r o s c o p e . G e n e r a l l y , h i g h e r m a g n i fi c a t i o n l e v e l s s e e m t o a l l o w f a r d e t e c t i o n o f fi n e r m i c r o c r a c k s . 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 ” ( t - t e s t ) a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e w a s u s e d t o d e t e c t a n y s i g n i f i c a n t e f f e c t s o f d i f f e r e n t d a m a g e p h e n o m e n a a n d r e s t r a i n t c o n d i t i o n ( u n r e s t r a i n e d v s . r e s t r a i n e d ) o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s . R e s u l t s o f s t a t i s t i c a l a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n s b e t w e e n u n r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d n o r m a l - s t r e n g t h s p e c i m e n s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 8 . 7 . ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P h t g n g e L ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P r e t e m i r e P S p e c i m e n 0 . 3 ~ ' R e s t r a i n e d U n r e s t r a i n e d 0 . 2 — E % d , 0 . 1 — N \ s \ s 0 . 0 \ , A U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( a ) L e n g t h P e r U n i t A r e a S p e c i m e n 0 . 3 — ' — R e s t r a i n e d U n r e s t r a i n e d 0 . 2 — $ _ f \ s s 0 . 0 \ \ \ U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( b ) P e r i m e t e r P e r U n i t A r e a ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P h t d i W ) 2 m m / 2 m m ( n o i t c a r F a e r A 0 . 0 0 6 I I I 0 . 0 0 5 _ _ S p e c i m e n ‘ R e s t r a i n e d 0 . 0 0 4 , _ I U n r e s t r a i n e d 0 . 0 0 3 — 0 . 0 0 2 — 0 . 0 0 1 — x ; 0 . 0 0 0 \ U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( c ) W i d t h 0 . 0 8 1 I I S p e c i m e n 0 . 0 7 — - . R e s t r a i n e d 0 . 0 6 — U n r e s t r a i n e d 0 . 0 5 — § 0 . 0 4 2 k 0 . 0 3 — E 0 . 0 2 2 k 0 . 0 1 — § 0 . 0 0 \ \ \ U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( ( 1 ) A r e a F r a c t i o n 2 8 6 ) m m ( g n % ~ i % 1 c a / / § p / / S / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / ’ / / y t i s o u t r o T 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 2 . 5 2 . 0 . 3 C I 1 . 0 0 . 5 I I I S p e c i m e n ~ U n r e s t r a i n e d — " v R e s t r a i n e d ~ 1 1 U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( e ) S p a c i n g I I I S p e c i m e n U n r e s t r a i n e d ~ ' . R e s t r a i n e d \ U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( I ) T o r t u o s i t y 2 8 7 I 0 . 0 3 I I I S p e c i m e n E R e s t r a i n e d U ) . ( D 1 i 3 0 . 0 2 _ U n r e s t r a i n e d _ C . 9 ‘ 5 E . 9 O “ 6 , _ fl 9 0 . 0 1 O ? 2 \ i \ 0 . 0 0 . . \ U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( g ) A n g l e o f O r i e n t a t i o n 4 I I I S p e c i m e n 3 . _ . R e s t r a i n e d _ ' U n r e s t r a i n e d D e g r e e o f O r i e n t a t i o n M I , E U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( 1 1 ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n F i g u r e 8 . 5 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X - Y ) ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i f i c a t i o n L e v e l s ) T a b l e 8 . 7 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s F o r U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( P l a n a r M e a s u r e m e n t s ) ( P e r c e n t C h a n g e s V s . U n d a m a g e d C o n d i t i o n ) E n v i r o n m e n t a l E f f e c t s o n C o m p a r i s o n B e t w e e n . . R e s t r a i n e d S p e c i m e n s U n r e s t r a i n e d a n d M e a s u r e m e n t s S e c t i o n R e s t r a i n e d S p e c i m e n s C o l d H o t W e a t h e r W e a t h e r N o D a m a g e 1 I S L e n g t h p e r X Y + 2 . 1 2 + 2 . 4 2 + 5 4 . 2 U n i t A r e a I I S Y Z + 4 . 8 5 + 3 . 5 0 + 4 8 3 I I S P e r i m e t e r p e r X Y + 0 . 8 5 + 1 . 7 5 + 4 8 . 3 U n i t A r e a I I S Y Z + 2 . 3 4 - 3 3 4 + 3 8 8 1 S S W i d t h p e r X Y - 7 . 4 0 + 4 9 4 + 3 4 3 U n i t A r e a I S S Y Z + 1 2 6 + 4 1 . 6 + 3 0 1 1 S S ‘ . . _ X Y + 4 . 1 0 + 2 2 8 + 8 7 8 A r e a F r a c t i o n , Y Z S S S - 5 I . 6 + 4 4 5 + 4 7 5 1 I I . X Y - 5 . 2 6 . 1 . 1 0 + 8 . 2 1 S p a c m g Y Z I I S - 4 . 4 0 - 6 . 5 6 - 4 9 . 6 I I I . X Y + 1 1 4 + 1 3 . 1 - 1 1 . 5 T o r t u O S I t y Y Z I I I - 1 6 . 6 - 2 4 . 8 + 9 . 5 5 I I S A n g l e o f X Y - 7 . 3 3 - 1 3 . 5 + 1 2 8 O r i e n t a t i o n I S I Y Z + 1 5 4 - 4 2 . 6 - 3 3 1 I I 1 D e g r e e o f X Y + 2 . 5 0 - 2 l . 1 - 2 6 . l O r i e n t a t i o n S I S Y Z + 2 5 4 - 5 4 7 - 8 8 . 8 S - — = S i g n i fi c a n t e f f e c t I : I I n s ' g n i fi c a n t e f f e c t B e f o r e a p p l i c a t i o n o f a n y d a m a g i n g e f f e c t , t h e r e w e r e s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a . p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a , w i d t h p e r u n i t a r e a a n d a r e a f r a c t i o n i n b o t h s e c t i o n s ( X Y a n d Y Z ) . a n d i n s p a c i n g , a n g l e o f o r i e n t a t i o n a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n v e r t i c a l s e c t i o n ( Y Z ) b e t w e e n r e s t r a i n e d a n d u n r e s t r a i n e d s p e c i m e n s ( r e s t r a i n t o f s h r i n k a g e m o v e m e n t s i n c r e a s e d t h e e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g , a n d r e d u c e d t h e s p a c i n g o f m i c r o c r a c k s ) . E x p o s u r e t o h o t e n v i r o n m e n t d i d n o t c o v e r a n y s i g n i fi c a n t e f f e c t o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e s t r a i n e d s p e c i m e n s e x c e p t f o r a r e a f r a c t i o n a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n v e r t i c a l s e c t i o n ( Y Z ) . E x p o s u r e t o c o l d e n v i r o n m e n t s h o w e d s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n w i d t h p e r u n i t a r e a a n d a r e a f r a c t i o n i n b o t h ( X Y a n d Y 2 ) s e c t i o n s a n d o n a n g l e o f o r i e n t a t i o n i n v e r t i c a l ( Y Z ) s e c t i o n . 8 . 4 . 2 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e 8 . 6 p r e s e n t s t h e r e s u l t s ( m e a n v a l u e s a n d s t a n d a r d e r r o r s ) f o r a l l m e a s u r e m e n t s i n s p a c e ( 3 - D ) f o r u n r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s . 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 ” ( t - t e s t ) a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e w a s u s e d t o d e t e c t a n y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o f d i f f e r e n t d a m a g e p h e n o m e n a a n d r e s t r a i n t c o n d i t i o n o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s . T h e r e s u l t s o f s t a t i s t i c a l a n a l y s i s a n d t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n u n r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d n o r m a l - s t r e n g t h 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 T a b l e 8 . 8 . B e f o r e a p p l i c a t i o n o f a n y d a m a g i n g e f f e c t , s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s e x i s t b e t w e e n u n r e s t r a i n e d a n d r e s t r a i n e d s p e c i m e n s i n t e r m s o f c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . w i d t h . v o l u m e f r a c t i o n , s p a c i n g a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n . R e s t r a i n t o f s h r i n k a g e m o v e m e n t s i n c r e a s e d t h e e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g a n d r e d u c e d m i c r o c r a c k s p a c i n g . ) 3 m m / 2 m m ( a e r A e c a f r u S c i f i c e p S ) 3 m m / m m ( h t d i W 0 . 4 1 1 1 S p e c i m e n 0 . 3 — " R e s t r a i n e d ’ U n r e s t r a i n e d 0 . 2 — + 0 . 1 — “ 0 . 0 ‘ U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( a ) S p e c i fi c S u r f a c e A r e a 0 . 0 3 I 1 I S p e c i m e n ‘ R e s t r a i n e d 0 . 0 2 _ U n r e s t r a i n e d 0 . 0 1 — i 0 . 0 0 . \ U n d a m g e H o t C o l d D a m a g e T y p e ( b ) W i d t h 2 9 ] ) 3 m m / 3 m m ( n o i t c a r F e m u l o V I8 ) m m ( g n i c a p S 0 . 0 0 6 I 0 . 0 0 5 I 0 . 0 0 4 I 0 . 0 0 3 I 0 . 0 0 2 I 0 . 0 0 1 S p e c i m e n R e s t r a i n e d ' U n r e s t r a i n e d 0 . 0 0 0 U n d a m g e H o t D a m a g e T y p e ( c ) V o l u m e F r a c t i o n C o l d 1 0 0 0 6 0 l — 5 0 _ 4 0 — 2 0 * - S p e c i m e n ' R e s t r a i n e d - 3 U n r e s t r a i n e d 8 R 1 0 U n d a m g e H o t D a m a g e T y p e ( d ) S p a c i n g C o l d 2 . 1 . . . 0 5 5 5 > 8 E e C 8 8 g g O “ a ’ 6 0 1 1 0 0 0 L . 5 + . 0 p r 1 S " 8 \ 8 \ s \ m _ I U n d ( e ) 1 a ' e R U c i m e e n s r t e r s a t n i r n a e i g T e o D r a t m u S p e R U c i m e e n s r t e r s a t H g s e o i n a e i a o fl n i r U n d a m g e o ' e H g D a m a 2 - _ “ I " § g \ s \ 8 \ d n t d n t l l § \ 8 § \ \ S \ T \ d C o y p e d e h T y t e d § l d C o T y p e ( 1 ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n F i g u r e 8 . 6 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r U n r e s t r a i n e d a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i f i c a t i o n V a l u e s ) T a b l e 8 . 8 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r U n r e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) a n d R e s t r a i n e d ( U n r e i n f o r c e d ) N o r m a l - S t r e n g t h S p e c i m e n s ( S p a t i a l M e a s u r e m e n t s ) ( P e r c e n t C h a n g e s V s . U n d a m a g e d C o n d i t i o n ) E n v i r o n m e n t a l E f f e c t s o n C o m p a r i s o n B e t w e e n . . U n r e s t r a l n e d a n d M e a s u r e m e n t s R e s t r a l n e d S p e m m e n s . . R e s t r a i n e d S p e c 1 m e n s H o t W e a t h e r C o l d W e a t h e r N o D a m a g e S p e c i fi c I I S S u r f a c e A r e a + 6 . 7 9 + 1 4 . 7 + 5 8 3 W i d t h p e r I S S U n i t V o l u m e - 1 5 . 0 + 3 8 . 8 + 7 7 . 2 V o l u m e S S S F r a c t i o n — 3 8 . 7 + 3 0 . 1 + 3 2 4 S p a c i n g l I S - 1 2 . 5 - 2 1 . 5 - 3 5 . 2 T o r t u o s i t y 1 . I I + 1 . 5 3 + 7 . 6 9 - 0 . 9 2 D e g r e e o f I l S O r i e n t a t i o n + 2 9 . 1 - l 3 . 3 + 6 5 . 5 S S i g n i fi c a n t e f f e c t I ‘ — l n s i g n i fi c a n t e f f e c t E x p o s u r e t o h o t e n v i r o n m e n t d i d n o t g e n e r a l l y c a u s e a n y s i g n i fi c a n t c h a n g e i n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s o f r e s t r a i n e d n o r m a l - s t r e n g t h s p e c i m e n s . E x p o s u r e t o c o l d e n v i r o n m e n t i n c r e a s e d t h e w i d t h a n d r e d u c e d t h e s p a c i n g o f m i c r o c r a c k s . 8 . 4 . 3 A n a l o g y B e t w e e n N o r m a l - S t r e n g t h a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s 8 . 4 . 3 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e 8 . 7 p r e s e n t s t h e r e s u l t s ( m e a n s a n d s t a n d a r d e r r o r s ) o f a l l p l a n a r ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s o n h o r i z o n t a l ( X Y ) s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g f o r ( u n r e i n f o r c e d - u n r e s t r a i n e d ) n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s . T h e t r e n d s i n m i c r o c r a c k g r o w t h u n d e r d i f f e r e n t d a m a g e p h e n o m e n a a r e d e p i c t e d i n F i g u r e 8 . 7 . R e s u l t s a r e p r e s e n t e d h e r e f o r h o r i z o n t a l s e c t i o n s , w h i c h e x h i b i t e d m o r e s e v e r e c r a c k i n g t h a n v e r t i c a l s e c t i o n s ( p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) . T h e d a t a p r e s e n t e d h e r e i n a r e t h e a v e r a g e v a l u e s o b t a i n e d i n f l u o r e s c e n t a n d E S E M a t t h r e e d i f f e r e n t m a g n i fi c a t i o n s . T h e r e w e r e m i n o r d i f f e r e n c e s b e t w e e n r e s u l t s o f t h e t w o m i c r o s c o p y t e c h n i q u e s , w h i c h c a n b e l a r g e l y a t t r i b u t e d t o t h e a s s o c i a t e d d i f f e r e n c e s i n s a m p l e p r e p a r a t i o n p r o c e d u r e s a n d t h e p r e c i s i o n o f e a c h m i c r o s c o p e . G e n e r a l l y , h i g h e r m a g n i fi c a t i o n l e v e l s s e e m t o p r o v i d e f a r d e t e c t i o n o f m o r e m i c r o c r a c k s . 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 ” ( t - t e s t ) a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e w a s u s e d t o d e t e c t a n y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o f d i f f e r e n t d a m a g e p h e n o m e n a a n d c o n c r e t e s t r e n g t h o n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s . R e s u l t s o f t h e s t a t i s t i c a l a n a l y s i s a n d t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 8 . 9 . 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 w a s f o u n d b e t w e e n n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e i n u n d a m a g e d c o n d i t i o n f o r a l l m e a s u r e m e n t s e x c e p t t h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n t h a t w a s h i g h e r f o r n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . 2 9 5 ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P h t g n e L ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P r e t e m i r e P M i x t u r e 0 . 4 — - 4 " N o r m a l S t r e n g t h H i g h S t r e n g t h 0 . 2 — 0 . 1 [ F — 0 . 0 ' ' ' ‘ U n d m a g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( a ) L e n g t h P e r U n i t A r e a 1 . 5 1 1 1 M i x t u r e 1 N o r m a l S t r e n g t h 1 0 a 1 H i g h S t r e n g t h _ 0 . 5 — U n d m a g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( b ) P e r i m e t e r P e r U n i t A r e a 2 9 6 ) 2 m m / m m ( a e r A t i n U r e P ~ 1 7 / h / t d / i / W / / / / ’ Oo 3 0 ‘ ) 2 m m / 2 m m ( n o i t c a r F a e r A I 0 . 0 4 0 . 0 1 0 . 0 3 — 0 . 0 2 " - M i x t u r e . N o r m a l S t r e n g t h ' H i g h S t r e n g t h 0 . 0 0 1 . 0 0 E - 2 9 . 0 0 E - 3 8 . 0 0 E - 3 7 . 0 0 E - 3 6 . 0 0 E - 3 5 . 0 0 E - 3 4 . 0 0 E — 3 3 . 0 0 5 - 3 2 . 0 0 E - 3 1 . 0 0 E - 3 ( c ) W i d t h P e r U n i t A r e a U n d m a g e I m p a c t D a m a g e T y p e I I I I M i x t u r e ' N o r m a l - S t r e n g t h ' H i g h - S t r e n g t h ( d ) A r e a F r a c t i o n 2 9 7 t . * ‘ s _ + + § ~ 8 P I N § 8 U n d m a g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e y t i s o u t r o T I | I M i x t u r e 3 N o r m a l S t r e n g t h ’ H i g h S t r e n g t h U n d m a g e I m p a c t D a m a g e T y p e ( e ) S p a c i n g M i x t u r e N o r m a l S t r e n g t h H i g h S t r e n g t h U n d m a g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( D T o r t u o s i t y 2 9 8 ) e e r g e d ( n o i t a t n e i r O f o e l g n A 1 5 0 I | | M i x t u r e ‘ N o r m a l S t r e n g t h 1 0 0 H i g h S t r e n g t h . 5 0 - ~ 0 U n d m a g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( g ) A n g l e o f O r i e n t a t i o n 0 3 1 1 I M i x t u r e N o r m a l S t r e n g t h 0 2 _ H i g h S t r e n g t h _ 0 . 1 ~ _ 0 . 0 g i I l U n d m a g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e D e g r e e o f O r i e n t a t i o n ( 1 1 ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n F i g u r e 8 . 7 P l a n a r ( 2 — D ) M e a s u r e m e n t s f o r N o r m a l - S t r e n g t h ( U n r e i n f o r c e d - U n r e s t r a i n e d ) a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s i n H o r i z o n t a l S e c t i o n ( X - Y ) ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i fi c a t i o n L e v e l s ) 2 9 9 T a b l e 8 . 9 R e s u l t s o f N o r m a l - S t r e n g t h a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h S p e c i m e n s C o m p a r i s o n b e t w e e n N o r m a l - C o m p . I m p a c t C o m p . I m p a c t S t r e n g t h a n d R e l a t i v e l y H i g h - M e a s u r e m e n t s S e c t i o n S t r e n g t h C o n c r e t e N o r m a l - S t r e n g t h H i g h - S t r e n g t h D N o C o m p . I m p a c t a m a g e S I S S I S S L e n g t h p e r U n i t X Y 8 1 . 1 1 4 . 2 1 6 6 1 5 1 1 5 . 5 4 8 . 7 - 3 7 . 7 A r e a 1 1 1 1 I 1 1 Y 2 1 1 . 5 7 . 6 1 4 . 5 3 4 . 6 2 7 4 1 5 . 4 - 5 . 8 7 S S S S I I I P e r i m e t e r p e r U n i t X Y 9 2 . 4 6 3 . 4 1 2 8 1 4 3 2 8 . 6 - 2 3 . 3 — 1 8 . 4 A “ 1 1 1 s 1 1 1 Y 2 2 2 . 2 2 1 . 7 2 6 . 5 6 6 . 7 2 1 6 1 . 2 1 - 1 2 . 4 S I I I I S I W i d t h p e r U n i t X Y 1 9 1 . 2 5 . 3 2 1 8 1 8 . 5 1 3 . 6 9 7 . 4 - 6 . 2 5 A r e a 1 s s s 1 1 1 Y Z 4 1 5 3 5 . 4 4 7 . 7 9 8 . 7 - 8 . 5 4 2 3 . 2 5 . 4 1 S I S S I S S A r e a F r a c t i o n X Y 2 1 4 1 0 . 5 9 5 . 6 1 0 0 1 9 . 9 5 2 . 1 - 6 8 . 9 I S S S I I I Y Z 3 1 8 4 3 . 2 5 8 . 6 5 1 8 3 2 . 5 2 1 . 3 — I 1 . 6 I S I I I I 1 S p a c i n g X Y - 2 2 2 - 6 4 . 9 - I 1 . 3 - 2 8 . 5 - I 6 . 5 - 1 9 . 8 - 2 . 5 S l S S I I S Y Z - 1 5 . 5 - 8 4 - 4 4 . 6 — 6 4 . 5 I 5 - 1 7 . 3 - 1 5 S I 1 I I S I T o r t u o s i t y X Y 2 5 I 6 . 3 4 - 1 7 . 2 — 4 6 . 5 4 2 5 1 6 I I I I I I 1 Y 2 6 4 8 . 4 5 - 5 6 — 1 2 . 8 2 . 5 7 1 8 . 7 6 6 I I 1 1 I I I A n g l e o f X Y - 1 3 4 6 . 2 5 - 2 . 2 - 1 2 - 2 6 . 8 - 1 2 . 3 — 3 . 7 5 O r i e n t a t i o n S I I I I I 1 Y 2 6 1 . 7 1 1 7 - 1 4 . 6 2 6 1 6 . 7 1 4 . 6 — 7 . 8 4 S S S I S S 1 D e g r e e o f X Y — 2 3 8 - 6 6 . 5 - 4 4 . 2 - 2 1 . 1 6 1 . 9 - 6 2 . 5 2 1 . 8 O r i e n t a t i o n I S 1 1 I S S Y Z - 1 5 8 1 . 8 - 9 . 4 1 6 . 5 4 - 1 4 4 5 . 7 4 1 . 8 3 0 0 C o m p r e s s i o n d a m a g e s i g n i fi c a n t l y a f f e c t e d l e n g t h p e r u n i t a r e a , p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a . w i d t h p e r u n i t a r e a , a r e a f r a c t i o n , a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n f o r b o t h n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e , c r a c k t o r t u o s i t y i n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e , a n d c r a c k s p a c i n g i n r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . H o r i z o n t a l ( X Y ) ( p e r p e n d i c u l a r t o l o a d i n g d i r e c t i o n ) s h o w e d m o r e s e v e r e c r a c k g r o w t h a f t e r c o m p r e s s i o n d a m a g e . T h e c r a c k w i d t h p e r u n i t a r e a w a s h i g h e r i n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e t h a n i n r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . a n d t h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n w a s h i g h e r i n n o r m a l s t r e n g t h - c o n c r e t e w h e n c o m p a r e d w i t h r e l a t i v e l y - h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e ; o t h e r m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s 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 i n n o r m a l - s t r e n g t h v s . r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e a f t e r c o m p r e s s i o n d a m a g e . I m p a c t l o a d i n g h a d 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 p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a . w i d t h p e r u n i t a r e a a n d a r e a f r a c t i o n f o r b o t h n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e a n d l e n g t h p e r u n i t a r e a o f r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . 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 n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e , i n t e r m s o f l e n g t h p e r u n i t a r e a , a r e a f r a c t i o n ( X Y ) a n d s p a c i n g ( Y Z ) a f t e r i m p a c t d a m a g e . 8 . 4 . 3 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e 8 . 8 p r e s e n t s t h e r e s u l t s ( m e a n s a n d s t a n d a r d e r r o r s ) o f a l l m e a s u r e m e n t s i n s p a c e ( 3 - D ) f o r ( u n r e i n f o r c e d - u n r c s t r a i n e d ) n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s . 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 ” ( t - t e s t ) , a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e . w a s u s e d t o d e t e c t a n y 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 f d i f f e r e n t d a m a g e p h e n o m e n a a n d c o n c r e t e s t r e n g t h o n m i c r o c r a c k g r o w t h u n d e r a n y d a m a g i n g e f f e c t s . T h e 3 0 1 r e s u l t s o f s t a t i s t i c a l a n a l y s i s a n d t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h 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 T a b l e 8 . 1 0 . I n u n d a m a g e d c o n d i t i o n , t h e r e w a s 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 b e t w e e n n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ( e x c e p t t h a t t h e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n w a s h i g h e r i n n o r m a l — s t r e n g t h c o n c r e t e ) . A p p l i c a t i o n o f c o m p r e s s i o n d a m a g e e f f e c t h a d s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d s p a c i n g f o r b o t h n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ( s p a c i n g w a s r e d u c e d , a n d a l l o t h e r m e a s u r e m e n t s w e r e i n c r e a s e d ) . C o m p r e s s i o n l o a d a l s o h a d a s i g n i fi c a n t e f f e c t o n m i c r o c r a c k t o r t u o s i t y i n c a s e o f n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e ( b u t n o t h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ) . A f t e r c o m p r e s s i o n d a m a g e , t h e r e w e r e 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 n o r m a l - s t r c n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e i n t e r m s o f t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d t o r t u o s i t y o f m i c r o c r a c k s . I m p a c t d a m a g e t r e a t m e n t h a d s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c r a c k w i d t h . v o l u m e f r a c t i o n a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n f o r n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e ( a l l m e a s u r e m e n t s w e r e i n c r e a s e d ) , a n d a l s o o n t h e c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . I t a l s o h a d s i g n i fi c a n t e f f e c t s o n c r a c k w i d t h o f r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . A f t e r a p p l i c a t i o n o f i m p a c t d a m a g e , t h e r e w e r e 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 n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s i n t e r m s o f t h e m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a a n d v o l u m e f r a c t i o n . ) 3 m m / 2 m m ( a e r A e c a f r u S c i f i c e p S ) 3 m m / m m ( h t d i W 0 . 6 I I I 0 . 5 _ M i x t u r e g “ N o r m a l S t r e n g t h 0 4 _ _ ‘ H i g h S t r e n g t h _ 0 . 3 - — 0 . 2 ~ 5 — 0 . 1 — _ _ r 0 . 0 , , \ \ i ’ U n d a m g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( a ) S p e c i fi c S u r f a c e A r e a 0 . 0 2 5 1 1 1 M i x t u r e 0 . 0 2 0 — — ~ ‘ N o r m a l S t r e n g t h H i g h S t r e n g t h 0 . 0 1 5 — - 0 . 0 1 0 + - 2 0 . 0 0 5 - ~ 0 . 0 0 0 U n d a m g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( b ) W i d t h 3 0 3 ) 3 m m / 3 m m ( n o i t c a r F e m u l o V 9 8 7 6 5 4 3 2 1 . . . . . . . . . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 E E E E E E E E E - - - - - - - - — 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 — — h - — — - F — 3 0 0 2 1 0 0 0 0 0 _ — ) m m ( g n i c a p S . x i t u r e N H o i r g m h a S l t S t r e n g t h r e n g t h M : 8 ' 1 I i d m a U n m u l ( c ) V o . . 1 m u M i ‘ ': x N H t o i r e r g m h a S l t r e n g r e n g t h g e I m D a m a g C o m p a e c t T y p e e F r t i p c a I t S o t n h I F E l E fi I R I 1 . 0 0 E - 2 U n d a m g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e 3 0 4 ( d ) S p a c i n g 3 1 1 I M i x t u r e 1 N o r m a l S t r e n g t h 2 _ ' H i g h S t r e n g t h fl . 3 ; U ) 0 . . . — a S a 8 R s 8 w \ \ 0 \ \ U n d a m g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( e ) T o r t u o s i t y 1 . 5 1 I F M i x t u r e C N o r m a l S t r e n g t h . g 1 . 0 — H i g h S t r e n g t h _ 5 “ 5 8 3 0 . 5 — — o i i s I 3 i s 0 . 0 “ ' . U n d a m g e I m p a c t C o m p D a m a g e T y p e ( D D e g r e e o f O r i e n t a t i o n F i g u r e 8 . 8 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r N o r m a l - S t r e n g t h ( U n r e i n f o r c e d - U n r e s t r a i n e d ) a n d R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e S p e c i m e n s ( A v e r a g e o f T h r e e M a g n i f i c a t i o n L e v e l s ) T a b l e 8 . 1 0 R e s u l t s o f S t a t i s t i c a l A n a l y s i s f o r N o r m a l - S t r e n g t h ( U n r e i n f o r c e d / U n r e s t r a i n e d ) a n d R e l a t i v e l y - H i g h S t r e n g t h C o n c r e t e ( S p a t i a l M e a s u r e m e n t s ) ( P e r c e n t C h a n g e s V s . U n d a m a g e d C o n d i t i o n ) C o m p a r i s o n b e t w e e n C o m p . I m p a c t C o m p . I m p a c t N o r m a l - S t r e n g t h a n d M e a s u r e m e n t s R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h . N o N o r m a l - S t r e n g t h n g h - S t r e n g t h D a m a g e C o m p . I m p a c t S p e c i fi c S I S S I S S S u r f a c e A r e a 8 0 2 7 , 6 5 1 2 5 1 2 8 1 6 . 6 4 2 . 5 - 2 8 . 4 W i d t h p e r S S S S I S I U n i t V o l u m e 9 8 . 5 6 8 . 5 2 7 . 6 4 1 . 9 7 . 8 5 4 1 . 6 - 2 . 3 V o l u m e 3 S S S I S S F r a c t i o n 2 1 4 9 6 , 4 1 2 2 1 3 1 1 6 4 7 . 2 - 3 1 . 6 S I S S I I I S p a c i n g - 4 8 3 - 1 5 6 - 6 5 . 1 - 5 5 . 2 - 1 3 . 3 8 . 3 - 0 . 5 S I I I I S I T o r t u o s i t y 8 4 , 6 5 , 4 ] - 2 . 3 0 . 7 7 5 . 7 8 3 6 . 4 1 . 2 7 D e g r e e o f I S I I S I I O r i e n t a t i o n - 1 1 5 7 7 8 - 8 . 2 - 4 5 8 . 7 - 3 . 1 3 . 2 S - — ‘ - S i g n i fi c a n t e f f e c t I = I n s i g n i fi c a n t e f f e c t 8 . 5 D I S C U S S I O N Q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s a n d c o m p a r i s o n b e t w e e n n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r c n g t h c o n c r e t e s h o w e d t h a t m i c r o c r a c k s y s t e m s h a v e c o m p a r a b l e c h a r a c t e r i s t i c s i n u n d a m a g e d s p e c i m e n s o f d i f f e r e n t s t r e n g t h l e v e l s ( a f t e r s i m i l a r c u r i n g a n d a i r d r y i n g c o n d i t i o n s ) . C o m p r e s s i o n l o a d ( u p t o p e a k s t r e s s l e v e l f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g ) n o t i c e a b l y i n c r e a s e d t h e e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g i n b o t h n o r m a l - s t r e n g t h a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s . C o m p r e s s i o n l o a d l e d t o m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n ( i . e . . i n c r e a s e d l e n g t h a n d s u r f a c e a r e a ) a n d w i d e n i n g a n d c o a l e s c e n c e ( i . e . i n c r e a s e d w i d t h ) . T h e n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t 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 ( w h i c h h a d h i g h e r ) a i r c o n t e n t e x h i b i t e d m o r e e x t e n s i v e m i c r o c r a c k g r o w t h ( v s . r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ) u n d e r c o m p r e s s i o n d a m a g e ; 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 c o n c e n t r a t i o n s o f s t r e s s e s a r o u n d a i r v o i d s . T h e r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e e x p e r i e n c e d m o r e m i c r o c r a c k g r o w t h u n d e r i m p a c t d a m a g e . w h i c h c o u l d b e a t t r i b u t e d t o i t s m o r e b r i t t l e n a t u r e w h e n c o m p a r e d w i t h n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . R e s t r a i n t o f s h r i n k a g e m o v e m e n t s l e d t o p r o n o u n c e d m i c r o c r a c k i n g o f ( o t h e r w i s e ) u n d a m a g e d c o n c r e t e , w h i c h c a n b e a t t r i b u t e d t o d e v e l o p m e n t o f r e s t r a i n t s h r i n k a g e t e n s i l e s t r e s s e s . S h o r t - t e r m e x p o s u r e t o c o l d c l i m a t e c a u s e d m o r e m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n t h a n s h o r t t e r m e x p o s u r e t o h o t c l i m a t e s . T h i s c o u l d r e s u l t f r o m d e v e l o p m e n t o f t e n s i l e s t r e s s e s i n c e m e n t p a s t e d u e t o r e s t r a i n t o f i t s t h e r m a l s h r i n k a g e m o v e m e n t s b y a g g r e g a t e s i n c o l d c l i m a t e s ; n o t i n g t h e d i f f e r e n c e s i n c o e f fi c i e n t s o f t h e r m a l e x p a n s i o n o f c e m e n t p a s t e a n d a g g r e g a t e s . U n d e r d a m a g i n g e f f e c t s i n v o l v i n g a p p l i c a t i o n o f ( s t a t i c o r d y n a m i c ) c o m p r e s s i o n l o a d s , h o r i z o n t a l s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n e x h i b i t e d m o r e e x t e n s i v e m i c r o c r a c k i n g t h a n v e r t i c a l d i r e c t i o n s . T h i s c a n b e a t t r i b u t e d t o d e v e l o p m e n t o f t e n s i l e s t r e s s e s ( d u e t o P o i s s o n ’ s e f f e c t s i n p l a n e s p e r p e n d i c u l a r t o c o m p r e s s i v e l o a d i n g d i r e c t i o n ) . 8 . 6 C O N C L U S I O N S T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t l o a d a n d e n v i r o n m e n t a l d a m a g i n g e f f e c t s o n n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m w e r e a s s e s s e d b a s e d o n q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n p l a n e a n d i n s p a c e . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f t h e q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k s y s t e m i n d a m a g e d a n d u n d a m a g e d n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s ( w i t h a n d w i t h o u t s t e e l o r c o m p o s i t e r e i n f o r c e d - r e s t r a i n e d a n d u n r e s t r a i n e d ) y i e l d e d t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s : 1 - C o m p r e s s i o n l o a d i n g a n d fi r e e n d u r a n c e e f f e c t s h a v e t h e m o s t s i g n i fi c a n t e f f e c t o n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k s m e a s u r e m e n t s . C o m p r e s s i o n i n c r e a s e d c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n , t o r t u o s i t y , a n d c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , a n d d e c r e a s e d s p a c i n g i n p l a n e a n d s p a c i n g i n s p a c e , w h i l e fi r e i n c r e a s e d c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a , p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a , a r e a f r a c t i o n , a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d d e c r e a s e d s p a c i n g i n p l a n e a n d s p a c i n g i n s p a c e . 2 - F a t i g u e l o a d i n g h a s t h e l e a s t s i g n i f i c a n t e f f e c t o n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s . F a t i g u e d a m a g e s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a i n s p a c e . 3 - D r o p - w e i g h t i m p a c t l o a d i n g s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d t h e m i c r o c r a c k w i d t h ; c r a c k w i d t h m a y t h u s b e c o n s i d e r e d a n i n d e x f o r a s s e s s i n g t h e e f f e c t s o f i m p a c t l o a d i n g o n c o n c r e t e . 4 - C o r r o s i v e e n v i r o n m e n t s ( s a l t w a t e r ) h a v e m o r e p r o f o u n d e f f e c t o n c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m m o r e t h a n i m m e r s i o n i n h o t w a t e r . S a l t w a t e r s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h , a n d v o l u m e f r a c t i o n b u t r e d u c e d s p a c i n g : 5 - C o m b i n e d d a m a g i n g e f f e c t s ( c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w ) d i d n o t p r o v i d e t h e e x p e c t e d s e v e r e c h a n g e s i n c o n c r e t e m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s ; t h i s m a y g i v e a n i n d i c a t i o n t h a t c o m p r e s s i o n a n d f r e e z e - t h a w d a m a g e e f f e c t s i m p o s e d a s b i a x i a l l o a d i n g o n c o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h r e d u c e d t h e s e v e r i t y o f i n d i v i d u a l d a m a g i n g e f f e c t s . M o r e s t u d i e s a r e n e e d e d t o i n v e s t i g a t e t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m u n d e r c o m b i n e d d a m a g i n g p h e n o m e n a . 6 - C o m p o s i t e r e b a r s r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s d i d n o t s h o w s e v e r e c h a n g e s i n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e d t o s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s w h e n e x p o s e d t o s a l t w a t e r . C r a c k w i d t h d i d n o t i n c r e a s e i n c o m p o s i t e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s c o m p a r e d t o s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s . 7 - R e s t r a i n t o f s h r i n k a g e m o v e m e n t s s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d t h e e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g i n a n o t h e r w i s e u n d a m a g e d n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . 8 - C o n c r e t e e x p e r i e n c e s m o r e m i c r o c r a c k g r o w t h a f t e r a s h o r t p e r i o d o f e x p o s u r e t o c o l d c l i m a t e t h a n h o t c l i m a t e ; m i c r o c r a c k w i d t h s a n d a r e a f r a c t i o n s w e r e e s p e c i a l l y h i g h e r a f t e r e x p o s u r e t o c o l d w e a t h e r v e r s u s h o t w e a t h e r . T h i s o b s e r v a t i o n c o u l d b e a f u n c t i o n o f t h e r e l a t i v e t h e r m a l m o v e m e n t s o f t h e c e m e n t p a s t e v e r s u s a g g r e g a t e s . 9 - U n d a m a g e d c o n c r e t e s p e c i m e n s o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e e x h i b i t e d s i m i l a r m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a f t e r s i m i l a r c u r i n g a n d a i r d r y i n g c o n d i t i o n s ( p r i o r t o a p p l i c a t i o n o f a n y d a m a g e e f f e c t s ) . 1 0 - C o m p r e s s i o n l o a d l e d t o s u b s t a n t i a l m i c r o c r a c k g r o w t h i n r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . C o m p r e s s i o n d a m a g e i n c r e a s e d m i c r o c r a c k l e n g t h , w i d t h a n d a r e a f r a c t i o n i n p l a n e , a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . w i d t h a n d v o l u m e f r a c t i o n i n s p a c e . 3 0 9 1 1 - P l a n a r a n d s p a t i a l m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a r e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t i n n o r m a l - s t r c n g t h v s . r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e u n d e r a p p l i c a t i o n o f c o m p r e s s i o n d a m a g e e f f e c t . 1 2 - R e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e e x p e r i e n c e d m o r e e x t e n s i v e m i c r o c r a c k g r o w t h u n d e r i m p a c t l a d i n g t h a n n o m i a l - s t r e n g t h c o n c r e t e ; t h e m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a w e r e s i g n i fi c a n t l y h i g h e r f o r t h e h i g h - s t r e n g t h m i x t u r e . 1 3 - T o r t u o s i t y , a n g l e o f o r i e n t a t i o n a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n a r e t h e l o w e s t m e a s u r e m e n t s t h a t h a v e b e e n a f f e c t e d b y d a m a g i n g e f f e c t s w h i l e l e n g t h p e r u n i t a r e a ( s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ) a n d a r e a f r a c t i o n ( v o l u m e f r a c t i o n ) a r e t h e h i g h e s t m e a s u r e m e n t s t h a t h a v e b e e n a f f e c t e d b y d a m a g i n g e f f e c t s . T h i s p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e s e m e a s u r e m e n t s c o u l d b e e x c l u d e d f r o m e f f o r t s t o r e l a t e c o n c r e t e p e r f o r m a n c e t o m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s . 3 1 0 C H A P T E R 9 F I E L D A P P L I C A T I O N S 9 . 1 R I G I D P A V E M E N T A P P L I C A T I O N 9 . 1 . 1 P r e f a c e R i g i d p a v e m e n t s a r e p r o n e t o d i s t r e s s a n d c r a c k i n g u n d e r t r a f fi c l o a d s a n d w e a t h e r i n g e f f e c t s . T h e s e d a m a g e m e c h a n i s m s c a n s i g n i fi c a n t l y u n d e r m i n e t h e s e r v i c e a b i l i t y a n d d u r a b i l i t y o f p a v e m e n t s y s t e m s , w i t h a d v e r s e e f f e c t s o n t h e i r l i f e - c y c l e e c o n o m y m ' 1 2 2 F r e e z e - t h a w a t t a c k , a l k a l i - s i l i c a r e a c t i v i t y , f a t i g u e a n d s h r i n k a g e a r e a m o n g f a c t o r s 1 2 3 4 2 6 Q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f c o n t r i b u t i n g t o m i c r o c r a c k d e v e l o p m e n t i n r i g i d p a v e m e n t s . t h e m i c r o c r a c k s y s t e m w o u l d p r o v i d e s u b s t a n t i a l i n s i g h t i n t o h e a l t h c o n d i t i o n o f e x i s t i n g p a v e m e n t s y s t e m s , a n d m a y e m e r g e a s a n e f f e c t i v e t o o l i n m a n a g e m e n t o f t h e t r a n s p o r t a t i o n i n f r a s t r u c t u r e . S u c h q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l d a t a c a n c o m p l e m e n t v i s u a l i n s p e c t i o n w h i c h c a n n o t y i e l d e x p l i c i t d e t a i l s o f c o n c r e t e c o n d i t i o n m ’ m W h i l e v i s u a l i n s p e c t i o n r e l y h e a v i l y o n t h e i n v e s t i g a t o r ’ s e x p e r i e n c e a n d j u d g m e n t , q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l d a t a c a n t h r o u g h s t a t i s t i c a l a n a l y s i s y i e l d r e l i a b l e a n d c o n s i s t e n t o u t c o m e s . T h r o u g h o u t t h e fi r s t p a r t o f t h i s c h a p t e r , t h e q u a n t i t a t i v e p r o p o s e d a p p r o a c h w a s a p p l i e d o n r i g i d p a v e m e n t s l a b f o r t h e p u r p o s e o f m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s a n d t o v e r i f y t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e p r o p o s e d a p p r o a c h . 9 . 1 . 2 P a v e m e n t D e s c r i p t i o n T h e r i g i d p a v e m e n t t h a t w a s s u b j e c t o f t h i s i n v e s t i g a t i o n i s p a r t o f I 4 9 6 f r e e w a y n e a r S h e p a r d S t r e e t i n E a s t L a n s i n g . M i c h i g a n . T h e r o a d h a s f o u r l a n e s . t w o i n e a c h d i r e c t i o n 3 1 1 a n d a d i t c h i n t h e m i d d l e . T h e w i d t h o f e a c h l a n e i s 3 . 6 m ( 1 2 f t ) . T h e i n v e s t i g a t i o n w a s f o c u s e d o n o n e l a n e ( t h e o u t e r w e s t b o u n d l a n e ) o f t h e h i g h w a y ; t h i s s e l e c t i o n b a s e d o n t h e a v a i l a b l e f r e e a r e a s ( n o t o c c u p i e d b y c o n s t r u c t i o n m a c h i n e s ) t a k i n g i n t o c o n s i d e r a t i o n n o t t o i n t e r r u p t w o r k p r o g r e s s i n t h e s i t u . T h e p a v e m e n t s e g m e n t i n t e g r a t e d i s 2 1 . 3 m ( 7 0 f t ) i n l e n g t h a n d 3 . 6 m ( 1 2 f t ) i n w i d t h . T h e p a v e m e n t t h i c k n e s s i s 2 0 c m ( 8 i n c h e s ) , a n d t w o c o n t r a c t i o n j o i n t s w e r e i n c l u d e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e p a v e m e n t s h o w s c r a c k f o r m a t i o n l a r g e l y a t t r i b u t e d t o r e s t r a i n t o f c o n c r e t e s h r i n k a g e . T h i s p h e n o m e n o n c o n s t i t u t e s a v e r y c o m m o n d a m a g e t o t h e p a v e m e n t s a n d o t h e r s l a b s - o n - g r a d e ; t h e r e s t r a i n e d s h r i n k a g e c r a c k s a c c e l e r a t e d e t e r i o r a t i o n o f c o n c r e t e u n d e r e n v i r o n m e n t a l a n d t r a f fi c l o a d e f f e c t s . A l t h o u g h t h e p a v e m e n t w a s i n m o d e r a t e l y d a m a g e d c o n d i t i o n , v i s u a l i n s p e c t i o n i d e n t i fi e d t w o m a j o r c r a c k s a c r o s s t h e w h o l e w i d t h a n d t h r o u g h t h e w h o l e d e p t h o f t h e s l a b , w i t h a v e r a g e w i d t h o f a b o u t 1 2 . 5 m m ( 0 . 5 i n c h ) . E d g e s o f t h e e x p a n s i o n j o i n t s w e r e a l s o d e t e r i o r a t e d u n d e r w e a t h e r i n g a n d t r a f fi c e f f e c t s . F i g u r e 9 . 1 a s h o w s o n e o f t h e r e s t r a i n e d s h r i n k a g e c r a c k s i n a n d F i g u r e 9 . 1 b s h o w s a p a r t i a l - d e p t h p a t c h p l a c e d a t h i g h l y d a m a g e d a r e a s o f t h e c r a c k . F i g u r e 9 . 1 0 p r e s e n t s d e t e r i o r a t i o n a t t h e e d g e o f a n e x p a n s i o n j o i n t . S u c h j o i n t f r a y i n g c o u l d b e a t t r i b u t e d t o m a n y r e a s o n s , s u c h a s s n o w p l o w d a m a g e , l o a d t r a n s f e r a c r o s s t h e j o i n t s ( a n d c r a c k s ) u n d e r t r a f fi c l o a d i n g e f f e c t s , l o c a l i n t r u s i o n o f i n c o m p r e s s i b l e o r d a m a g e d u r i n g j o i n t s a w i n g / f o r m i n g a t t h e t i m e o f c o n s t r u c t i o n . 3 1 2 ( b ) S e c o n d M a j o r C r a c k 3 1 3 ( c ) D e t e r i o r a t i o n a t C o n t r a c t i o n J o i n t F i g u r e 9 . 1 D i f f e r e n t V i e w s o f T h e C o n c r e t e D a m a g e C o n d i t i o n s 9 . 1 . 3 P a v e m e n t S u b - R e g i o n i n g a n d C o r i n g T h e p a v e m e n t s l a b w a s d i v i d e d i n t o s e v e n ( p r e l i m i n a r y n u m b e r ) h o r i z o n t a l a n d t w o v e r t i c a l ( t o p a n d b o t t o m ) s u b - r e g i o n s b a s e d o n t h e v i s u a l e v a l u a t i o n o f d a m a g e c o n d i t i o n s a n d t a r g e t i n g p o w e r o f t e s t ( l - B ) = 0 . 8 w h e r e B i s t h e r i s k o f m a k i n g t y p e 1 1 e r r o r 1 ' 3 . H o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s I I I a n d V w h i c h c o n t a i n s t h e t w o m a j o r c r a c k s a r e c o n s i d e r e d t o h a v e s u f f e r e d s e v e r e l e v e l o f d a m a g e . H o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s 1 1 , I V a n d V I w e r e c o n s i d e r e d t o h a v e s u f f e r e d m o d e r a t e l e v e l s o f d a m a g e d u e t o t h e i r v i c i n i t y t o m a j o r r e s t r a i n e d s h r i n k a g e c r a c k s a n d t h e i r l o c a t i o n f a r fi o m t h e t w o v i s u a l c r a c k s . H o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s I , a n d V I I , o n t h e o t h e r h a n d , w e r e l o c a t e d f a r f r o m t h e t w o m a j o r c r a c k s a n d t h u s c o n s i d e r e d t o h a v e s u f f e r e d r e l a t i v e l y l o w l e v e l s o f d a m a g e a s s h o w n i n F i g u r e 9 . 2 . T h e h o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s w e r e d i v i d e d v e r t i c a l l y i n t o t w o v e r t i c a l s u b - r e g i o n s . 3 1 4 7 ‘ I V V ‘ I I I ‘ I I t n e m e v a P e t e r c n o C e h T f o n o i t a r u g i f n o C g n i r o C d n a g n i n o i g e R - b u S 2 . 9 e r u g i F 3 1 5 D i m e n s i o n s i n M e t e r s ( D i s t o r t e d S c a l e ) T w e n t y - n i n e c o r e s w e r e e x t r a c t e d f r o m t h e p a v e m e n t s l a b ( t a r g e t i n g a p r e c i s i o n i 5 % ) . F i g u r e 9 . 2 a l s o d e p i c t s t h e l o c a t i o n o f c o r e s e x t r a c t e d f r o m d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s . F o u r c o r e s w e r e e x t r a c t e d f r o m h o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s I a n d V I I ( w i t h l o w l e v e l o f d a m a g e ) , t h r e e f r o m h o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s 1 1 , I V , a n d V 1 ( w i t h m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e ) , a n d s i x c o r e s f r o m h o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s I I I a n d V ( w i t h s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) . C o r e d i a m e t e r s w e r e s e l e c t e d t o b e e i t h e r 1 5 c m ( 6 i n c h e s ) ( c o r e s 3 , 7 , 1 0 , 1 3 , 1 6 , 1 9 , 2 2 , 2 5 a n d 2 9 ) o r 1 0 c m ( 4 i n c h e s ) ( t h e r e m a i n i n g c o r e s ) t o s u i t d i f f e r e n t t y p e s o f t e s t s ( m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n s a n d 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 ) ; a l l c o r e s w e r e e x t r a c t e d i n f u l l d e p t h . T h e e x t r a c t e d c o r e s w e r e s t o r e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 0 ° C ( 6 8 ° F ) f o r 3 m o n t h s . C o n c r e t e c o r e s d i d n o t e x h i b i t a n y o b v i o u s s i g n s o f d e t e r i o r a t i o n o r s t e e l c o r r o s i o n . 9 . 1 . 4 E x p e r i m e n t a l M e t h o d o l o g y C o n c r e t e c o r e s w e r e s u b j e c t e d t o t h e f o l l o w i n g e n g i n e e r i n g t e s t s : c o m p r e s s i o n t e s t ( A S T M C 3 9 ) , s p l i t t i n g t e n s i o n t e s t ( A S T M C 9 6 ) a n d p e r m e a b i l i t y ( A S T M C 1 2 0 2 ) . C o m p r e s s i o n a n d s p l i t t i n g t e n s i o n t e s t s w e r e p e r f o r m e d o n t h e w h o l e l e n g t h o f t h e c o r e s , n e g l e c t i n g t h e v e r t i c a l s u b - r e g i o n i n g s c h e m e . P e r m e a b i l i t y t e s t s , o n t h e o t h e r h a n d , w e r e p e r f o r m e d o n 5 c m ( 2 i n c h ) h e i g h t s p e c i m e n s c u t ( u s i n g w e t d i a m o n d c o n c r e t e s a w ) f r o m t o p a n d b o t t o m o f c o r e s r e p r e s e n t i n g t h e t w o v e r t i c a l s u b - r e g i o n s . G r i n d i n g p r o c e s s o f s o m e s p e c i m e n s w a s n e c e s s a r y t o o b t a i n fl a t s u r f a c e s f o r t h e p u r p o s e o f c a p p i n g a n d p e r f o r m a n c e o f c o m p r e s s i o n t e s t s . S p l i t t i n g t e n s i o n t e s t w a s a p p l i e d o n t h e c o r e s a s e x t r a c t e d w i t h o u t s p e c i a l p r e p a r a t i o n . D u r i n g p e r m e a b i l i t y t e s t s o d i u m c h l o r i d e ( N a C l ) a n d S o d i u m H y d r o x i d e ( N a O H ) s o l u t i o n s w e r e p o u r e d a t t h e s a m e t i m e i n t h e s p e c i m e n 3 1 6 m o l d t o a v o i d i n s t a n t a n e o u s fl o w b e f o r e c o n n e c t i n g t h e m o l d s t o t h e i n s t r u m e n t d u e t o e x i s t e n c e o f c r a c k s i n c o r e s e x t r a c t e d f r o m s u b - r e g i o n s I I I a n d V . T a b l e 9 . 1 s u m m a r i z e s t h e t e s t p l a n f o r c o n c r e t e c o r e s . C o m p r e s s i o n a n d s p l i t t i n g t e n s i o n t e s t s w e r e s e l e c t e d t o r e fl e c t c o n c r e t e p e r f o r m a n c e u n d e r t r a f fi c l o a d s a n d p e r m e a b i l i t y t e s t w a s s e l e c t e d t o c o n c r e t e r e s i s t a n c e t o w e a t h e r i n g c o n d i t i o n s . T a b l e 9 . 1 T e s t s P e r f o r m e d o n P a v e m e n t S u b - R e g i o n s T e s t s S u b - R e g i o n # S p l i t t i n g M i c r o s t r u c t u r a l C o m p r e s s i o n P e r m e a b i l i t y T e n s i o n I n v e s t i g a t i o n S u b - R e g i o n s # C o r e s # 2 C o r e s # 1 , 4 , 2 6 C o r e # 2 9 C o r e # 3 l a n d V I I a n d 2 7 a n d 2 8 S u b - R e g i o n s # C o r e s # l 6 C o r e s # 1 4 C o r e s # 5 , 6 , 1 5 C o r e # 7 1 1 , I V , a n d V I a n d 2 5 a n d 2 4 a n d 2 3 S u b - R e g i o n s # C o r e s # 1 0 , C o r e s # 9 C o r e s # 8 , 1 1 , 1 2 , C o r e # 1 3 I I I a n d V 1 9 a n d 2 2 a n d 1 7 1 8 , 2 0 a n d 2 1 9 . 1 . 5 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 C o n c r e t e c o r e s w e r e c u t u s i n g w e t d i a m o n d c o n c r e t e s a w i n t w o h a l v e s ( r e p r e s e n t i n g t h e t w o v e r t i c a l s u b - r e g i o n s ) , a n d e a c h h a l f w a s c u t i n t o t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s [ h o r i z o n t a l ( X Y ) a n d v e r t i c a l ( Y Z ) ] a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 1 1 . A t o t a l o f 5 6 s e c t i o n s w e r e p r e p a r e d f r o m 1 4 c o r e s . S e c t i o n s w e r e c u t , p a r a l l e l a n d p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f t r a f f i c l o a d i n g . T h e t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s a l l o w a c q u i s i t i o n o f p l a n a r ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s w h i c h t h r o u g h s t e r e o l o g i c a l i n t e r p r e t a t i o n , y i e l d i n f o r m a t i o n o n t h e s p a t i a l ( 3 - D ) m i c r o c r a c k s y s t e m i n c o n c r e t e . T h e s e c t i o n s u s e d i n t h e 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 w e r e 7 5 m m ( 3 i n ) s q u a r e w i t h 5 0 m m ( 2 i n ) t h i c k n e s s . F l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y w a s u s e d f o r a c q u i s i t i o n o f m i c r o s c o p i c i m a g e s . T h e s e c t i o n s w e r e p r e p a r e d f o r f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y u s i n g i n k / e p o x y i m p r e g n a t i o n f o l l o w i n g t h e p r o c e d u r e s d e s c r i b e d i n s e c t i o n 4 . 2 . 4 . 2 . P l a n a r ( 2 - D ) a n d s p a t i a l ( 3 - D ) c h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o c r a c k s w e r e d e t e r m i n e d u s i n g t h e e q u a t i o n s p r e s e n t e d e a r l i e r i n p a r t s 5 . 3 . 1 . 1 a n d 6 . 1 . 4 . 1 r e s p e c t i v e l y . T h e c o r r e l a t i o n s b e t w e e n e n g i n e e r i n g 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 q u a n t i f i e d m e a s u r e m e n t s o f m i c r o c r a c k s w e r e c o n s i d e r e d . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s w e r e u s e d t o d e t e c t a n y s i g n i fi c a n c e d i f f e r e n c e s a m o n g s t d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s . C o r e s s u b j e c t e d t o e n g i n e e r i n g m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s t e s t a r e i n t r o d u c e d i n T a b l e 9 . 1 . 9 . 1 . 6 M e c h a n i c a l T e s t R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n C o m p r e s s i o n , s p l i t t i n g t e n s i o n a n d 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 c o n c r e t e c o r e s o b t a i n e d f r o m d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 9 . 2 . C o r r e c t i o n f a c t o r s w e r e a p p l i e d t o c o m p r e s s i o n s t r e n g t h t e s t d a t a w h e n l e n g t h - t o - d i a m e t e r r a t i o d e v i a t e d f r o m 2 . 0 ( A S T M C 3 9 ) . H o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s I I I a n d V c o n t a i n t h e t w o m a j o r c r a c k s a n d w e r e t h u s a s s u m e d t o h a v e s u f f e r e d s e v e r e l e v e l o f d a m a g e . T h e p e r m e a b i l i t y t e s t d a t a , w h i c h a r e p a r t i c u l a r l y s e n s i t i v e t o t h e e x t e n t o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k i n g , c o n fi r m e d t h e m o r e e x t e n s i v e l e v e l o f d a m a g e i n s u b - r e g i o n s I I I a n d V . t h e c o m p r e s s i v e a n d s p l i t t i n g s t r e n g t h t e s t d a t a w e r e i n c o n c l u s i v e a s f a r a s t h e d i f f e r e n c e s i n d a m a g e c o n d i t i o n s o f d i f f e r e n t 3 1 8 s u b - r e g i o n s a r e c o n c e r n e d . S p e c i m e n s o b t a i n e d f r o m t o p s u b - r e g i o n s s h o w e d h i g h e r p e r m e a b i l i t y l e v e l s t h a n t h o s e f r o m b o t t o m s u b - r e g i o 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 m o r e s e v e r e i m p a c t o f 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 o n t o p ( e x p o s e d ) s u b - r e g i o n s . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s o f d a t a d i d n o t c o n fi r m , h o w e v e r a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e , t h e s t a t i s t i c a l s i g n i fi c a n c e o f p e r m e a b i l i t y d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e t o p a n d b o t t o m s u b - r e g i o n s . T a b l e 9 . 2 M e c h a n i c a l a n d T r a n s p o r t P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e C o r e s T e s t s P e r m e a b i l i t y S u b - R e g i o n # C o m p r e s s i o n S p l i t t i n g T e n s i o n ( C o u l o m b s ) ( M P 3 ) ( M P 3 ) T o p B o t t o m S u b - r e g i o n S u b - r e g i o n S u b - r e g i o n s M e a n 3 7 . 8 3 . 3 8 4 4 1 2 4 3 # 1 a n d V I I S t d . D e v . N A N A 4 4 . 3 1 8 . 5 S u b - r e g i o n s M e a n 2 4 . 6 4 . 0 8 5 2 2 4 4 1 # 1 1 , 1 V , a n d V I S t d . D e v . N A 0 . 1 9 3 9 . 1 1 4 . 1 4 S u b - r e g i o n s M e a n 4 3 . 5 4 . 1 4 2 2 4 1 1 1 8 7 # 1 1 1 a n d V S t d . D e v . N A 0 . 3 8 8 7 . 1 2 4 . 6 N A = N o t a p p l i c a b l e 9 . 1 . 7 M i c r o s t r u c t u r a l D a t a a n d D i s c u s s i o n T h e Q m a c T M s o f t w a r e s y s t e m w a s u s e d t o o b t a i n p l a n a r ( 2 - D ) o f m i c r o c r a c k s y s t e m ; q u a n t i t a t i v e d a t a w e r e t h e n d e r i v e d t h r o u g h s t e r e o l o g i c a l a n a l y s i s o f ( 2 - D ) d a t a g e n e r a t e d f o r t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s . 3 1 9 9 . 1 . 7 . 1 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s T a b l e s 9 . 3 a n d 9 . 4 s h o w t h e p l a n a r m e a s u r e m e n t s o f m i c r o c r a c k s ; l e n g t h p e r u n i t a r e a , p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a . w i d t h p e r u n i t a r e a , a r e a f r a c t i o n , a n g l e o f o r i e n t a t i o n , t o r t u o s i t y , s p a c i n g a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n f o r t o p a n d b o t t o m s u b - r e g i o n s r e s p e c t i v e l 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 “ A N O V A ” ( T - t e s t ) a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e s h o w 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 f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n t o p a n d b o t t o m s u b - r e g i o n s i n t e r m s o f m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s i n h o r i z o n t a l ( X Y ) s e c t i o n s . F o r v e r t i c a l ( Y Z ) s e c t i o n s , h o w e v e r . t o p s u b - r e g i o n s e x h i b i t e d h i g h e r l e v e l s o f m i c r o c r a c k l e n g t h a n d p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a . w i d t h a n d a r e a f r a c t i o n . T h i s c o r r o b o r a t e s p e r m e a b i l i t y t e s t d a t a , a n d c a n b e a t t r i b u t e d t o d i r e c t i o n e x p o s u r e o f t o p s u b - r e g i o n s t o l o a d a n d w e a t h e r i n g e f f e c t s . I t a l s o f o u n d t h a t t h e r e i s n o s i g n i fi c a n c e d i f f e r e n c e o f m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a b e t w e e n s u b - r e g i o n I I I ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d s u b - r e g i o n s I a n d 1 1 ( l o w a n d m o d e r a t e l e v e l s o f d a m a g e , r e s p e c t i v e l y ) f o r b o t h t o p a n d b o t t o m v e r t i c a l s u b - r e g i o n s i n s p i t e o f c o r e # 8 i n s u b - r e g i o n I I I s h o w e d m u c h h i g h e r v a l u e s t h a n c o r e s i n s u b - r e g i o n I o r 1 1 . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e i n d i c a t e d s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a b e t w e e n s u b - r e g i o n V ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) v e r s u s s u b - r e g i o n s V I a n d V I I ( m o d e r a t e a n d l o w l e v e l o f d a m a g e , r e s p e c t i v e l y ) ; t h e r e w a s 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 b e t w e e n s u b - r e g i o n s I V a n d V ( b o t h o f w h i c h w e r e r a t e d o f m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e ) . T h e s e m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s c o r r o b o r a t e d t h e o r i g i n a l s u b - r e g i o n s s c h e m e a n d a l s o t h e r e l a t i v e p e r m e a b i l i t y v a l u e s . M e a s u r e m e n t s o f m i c r o c r a c k o r i e n t a t i o n o n h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s e c t i o n s i n d i c a t e t h a t m i c r o c r a c k s p r o p a g a t e d d o m i n a n t l y p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f t r a f fi c f l o w . T a b l e 9 . 3 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r T o p S u b - R e g i o n S u b - . L e n g t h p e r P 5 2 1 8 6 3 ? A r e a W i d t h p e r A n g l e o f r c u i o n # C o r e # S e c t i o n U n i t A r e a A r e a F r a c t i o n U n i t A r e a O r i e n t a t i o n 5 " ( m m / m m 2 ) ( m m / m m 2 ) ( m m 2 / m m 2 ) ( m m / m m 2 ) ( d e g r e e ) X Y 0 . 0 1 0 2 0 . 0 2 9 3 0 . 0 0 0 1 0 8 0 . 0 1 7 9 . 5 I Y Z 0 . 0 5 1 4 0 . 1 4 5 0 . 0 0 1 3 9 9 0 . 0 1 4 4 8 1 . 8 X Y 0 . 0 4 6 1 0 . 1 4 0 6 0 . 0 0 0 3 7 1 0 . 0 0 8 1 8 5 . 2 I 4 Y Z 0 . 0 3 6 2 0 . 1 1 8 8 0 . 0 0 0 2 8 8 0 . 0 0 7 9 9 5 . 6 X Y 0 . 0 3 1 0 . 0 8 7 7 0 . 0 0 0 3 4 0 . 0 0 9 6 1 0 9 . 1 5 Y Z 0 . 0 1 4 1 0 . 0 3 9 4 0 . 0 0 0 1 9 0 . 0 0 9 2 1 1 2 . 8 X Y 0 . 0 3 7 1 0 . 1 0 2 2 0 . 0 0 0 6 5 4 0 . 0 0 9 2 1 1 0 . 1 1 1 6 Y Z 0 . 0 5 2 8 0 . 1 4 0 5 0 . 0 0 0 9 7 6 0 . 0 1 1 3 8 8 . 6 X Y 0 . 0 8 6 1 0 . 2 3 7 5 0 . 0 0 0 8 5 3 0 . 0 0 8 9 0 . 7 8 Y Z 0 . 0 8 8 7 0 . 2 6 0 4 0 . 0 0 1 1 2 8 0 . 0 0 9 4 8 7 . 3 X Y 0 . 0 3 6 3 0 . 0 9 8 6 0 . 0 0 0 5 8 8 0 . 0 1 0 4 8 5 . 3 1 I Y Z 0 . 0 2 9 7 0 . 0 7 9 5 0 . 0 0 0 2 7 2 0 . 0 0 8 1 7 9 . 6 X Y 0 . 0 3 8 5 0 . 1 1 2 2 0 . 0 0 0 5 0 5 0 . 0 0 9 6 1 0 1 . 6 1 1 1 1 2 Y Z 0 . 0 6 2 2 0 . 1 8 6 9 0 . 0 0 0 7 6 1 0 . 0 0 9 8 7 9 . 4 X Y 0 . 0 4 4 0 . 1 1 9 6 0 . 0 0 0 7 6 0 . 0 1 3 1 6 1 . 2 [ V 1 5 Y Z 0 . 0 3 7 6 0 . 1 0 6 7 0 . 0 0 0 7 6 0 . 0 1 2 8 8 0 . 3 X Y 0 . 0 5 5 4 0 . 1 6 4 0 . 0 0 0 5 8 8 0 . 0 0 8 3 8 9 1 8 Y Z 0 . 0 7 5 2 0 . 2 1 1 5 0 . 0 0 0 7 3 6 0 . 0 0 7 6 9 8 . 6 X Y 0 . 0 5 4 8 0 . 1 6 3 7 0 . 0 0 0 7 3 7 0 . 0 0 8 6 1 0 2 2 0 Y Z 0 . 0 8 0 7 0 . 2 2 5 9 0 . 0 0 0 6 9 0 . 0 0 7 1 7 4 . 5 X Y 0 . 0 4 5 5 0 . 1 3 3 3 0 . 0 0 0 4 1 6 0 . 0 0 7 5 9 7 . 7 V 2 1 Y Z 0 . 0 2 9 3 0 . 0 8 2 8 0 . 0 0 0 2 7 8 0 . 0 0 9 1 9 4 . 3 X Y 0 . 0 2 2 5 0 . 0 6 1 3 0 . 0 0 0 1 8 9 0 . 0 0 7 7 7 5 . 6 V I 2 3 Y Z 0 . 0 5 6 2 0 . 1 5 8 2 0 . 0 0 0 7 6 1 0 . 0 0 9 2 9 1 . 6 X Y 0 . 0 4 9 3 0 . 1 4 3 5 0 . 0 0 0 6 3 7 0 . 0 0 9 7 8 8 . 7 2 6 Y Z 0 . 0 6 8 6 0 . 1 9 2 4 0 . 0 0 0 5 9 3 0 . 0 0 7 4 9 9 . 9 X Y 0 . 0 2 9 5 0 . 0 8 2 2 0 . 0 0 0 2 8 0 . 0 0 8 2 1 1 2 . 6 V I I 2 8 Y Z 0 . 0 2 0 8 0 . 0 6 2 4 0 . 0 0 0 3 6 9 0 . 0 1 1 8 9 7 3 2 1 ) x I T a b l e 9 . 3 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r T o p S u b - R e g i o n ( C o n t ) S u b - r e g i o n # C o r e # S e c t i o n T o r t u o s i t y S p a c m g D e g r e e . O f N u m b e r O f ( m m ) O r i e n t a t i o n m i c r o c r a c k s 1 X Y 1 . 3 8 2 . 9 0 0 . 0 5 8 1 0 I Y Z 1 . 3 7 1 . 5 8 0 . 0 5 2 3 4 4 X Y 1 . 3 6 1 . 4 7 0 . 0 8 0 4 0 Y Z 1 . 3 6 1 . 5 7 0 . 0 6 1 3 5 5 X Y 1 . 3 6 1 . 7 7 0 . 1 3 7 2 7 I I Y Z 1 . 3 4 2 . 5 5 0 . 0 6 3 1 3 6 X Y 1 . 3 0 1 . 5 3 0 . 1 4 4 3 6 Y Z 1 . 2 8 1 . 5 1 0 . 1 3 7 3 7 8 X Y 1 . 3 2 1 . 0 3 0 . 0 7 9 7 9 Y Z 1 . 3 6 1 . 0 7 0 . 0 2 4 7 3 I I I 1 1 X Y 1 . 3 3 1 . 5 8 0 . 1 3 0 3 4 Y Z 1 . 3 1 1 . 6 5 0 . 1 1 0 3 1 1 7 X Y 1 . 3 8 1 . 4 5 0 . 0 4 5 4 0 S Y Z 1 . 4 3 1 . 1 8 0 . 0 0 7 6 1 I V 1 5 X Y 1 . 3 1 1 . 6 2 0 . 0 1 8 3 2 Y Z 1 . 3 6 1 . 6 5 0 . 0 2 8 3 1 1 8 X Y 1 . 3 7 1 . 3 1 0 . 0 6 8 4 9 Y Z 1 . 3 4 1 . 0 2 0 . 0 9 0 8 1 V 2 0 X Y 1 . 3 6 1 . 3 3 0 . 1 0 3 4 8 Y Z 1 . 3 3 1 . 0 0 0 . 0 3 9 8 4 2 1 X Y 1 . 3 7 1 . 2 6 0 . 0 9 3 5 3 Y Z 1 . 3 9 1 . 6 8 0 . 0 4 8 3 0 , X Y 1 . 3 2 1 . 7 1 0 . 0 1 3 2 9 V I 2 3 Y Z 1 . 3 6 1 . 2 4 0 . 0 9 1 5 5 2 6 X Y 1 . 3 7 1 . 3 8 0 . 1 5 5 4 4 V I I Y Z 1 . 3 5 1 . 1 0 0 . 0 9 7 7 0 2 8 X Y 1 . 3 4 1 . 5 5 0 . 1 2 6 3 5 Y Z 1 . 3 7 2 . 1 6 0 . 0 2 7 1 8 ) o ) C t b T a b l e 9 . 4 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r B o t t o m S u b - R e g i o n P e r i m e t e r S u b - ' L e n g t h p e r p e r U n i t A r e a W i d t h p e r A n g l e o f r e g i o n # C o r e # S e c t i o n U n i t A r e ? A r e a F r a z c t i o n U n i t A r e ? O r i e n t a t i o n ( m m / m m ) ( m m / m m 2 ) ( m m / m m 2 ) ( m m / m m ) ( d e g r e e ) X Y 0 . 0 2 9 7 0 . 0 7 8 3 0 . 0 0 0 3 2 3 0 . 0 0 9 1 8 5 . 2 1 Y Z 0 . 0 3 9 3 0 . 1 1 2 5 0 . 0 0 0 4 6 6 0 . 0 0 9 4 8 0 . 9 X Y 0 . 0 2 2 2 0 . 0 7 0 2 0 . 0 0 0 1 8 6 0 . 0 0 8 3 8 0 . 1 I 4 Y Z 0 . 0 1 9 4 0 . 0 6 9 0 . 0 0 1 4 5 1 0 . 0 0 6 2 9 5 . 5 X Y 0 . 0 2 1 6 0 . 0 5 7 5 0 . 0 0 0 2 1 3 0 . 0 0 8 2 9 2 . 6 5 Y 2 0 . 0 2 3 9 0 . 0 6 7 7 0 . 0 0 0 2 9 0 . 0 0 8 9 9 8 . 4 X Y 0 . 0 2 3 9 0 . 0 8 2 8 0 . 0 0 0 3 8 2 0 . 0 0 7 7 8 5 . 6 1 1 6 Y Z 0 . 0 3 9 3 0 . 1 1 8 7 0 . 0 0 0 4 5 3 0 . 0 0 8 1 7 3 . 5 X Y 0 . 0 7 8 4 0 . 2 2 7 0 . 0 0 0 9 4 6 0 . 0 0 8 3 9 8 8 Y Z 0 . 0 5 4 9 0 . 1 5 1 8 0 . 0 0 0 6 0 4 0 . 0 0 8 9 8 3 . 7 X Y 0 . 0 3 6 9 0 . 1 0 4 7 0 . 0 0 0 6 0 4 0 . 0 0 9 8 8 8 . 1 1 1 Y Z 0 . 0 1 4 6 0 . 0 3 8 8 0 . 0 0 0 1 7 6 0 . 0 0 7 7 8 6 X Y 0 . 0 3 3 5 0 . 0 9 3 0 . 0 0 0 3 3 1 0 . 0 0 9 9 9 I I I 1 2 Y Z 0 . 0 4 0 . 1 2 0 1 0 . 0 0 0 5 6 3 0 . 0 0 9 5 1 0 3 . 8 X Y 0 . 0 1 9 8 0 . 0 5 2 4 0 . 0 0 0 2 6 7 0 . 0 0 9 6 1 1 3 . 2 I V 1 5 Y Z 0 . 0 1 3 6 0 . 0 3 6 2 0 . 0 0 0 1 0 5 0 . 0 0 7 7 8 6 . 2 X Y 0 . 0 5 4 6 0 . 1 5 0 4 0 . 0 0 0 4 8 2 0 . 0 0 7 3 8 5 . 3 1 8 Y Z 0 . 0 5 5 6 0 . 1 5 2 8 0 . 0 0 0 4 3 9 0 . 0 0 6 5 9 7 . 1 X Y 0 . 0 4 3 1 0 . 1 2 3 4 0 . 0 0 0 4 9 6 0 . 0 0 8 7 6 5 . 5 2 0 Y Z 0 . 0 9 3 3 0 . 2 6 0 5 0 . 0 0 1 4 8 0 . 0 0 7 9 8 5 . 5 X Y 0 . 0 3 0 8 0 . 0 9 0 8 0 . 0 0 0 4 2 5 0 . 0 0 8 9 8 3 . 7 V 2 1 Y Z 0 . 0 2 1 4 0 . 0 6 1 6 0 . 0 0 0 1 8 7 0 . 0 0 7 8 8 7 . 1 X Y 0 . 0 1 7 8 0 . 0 5 3 3 0 . 0 0 0 2 5 3 0 . 0 1 7 9 . 8 V 1 2 3 Y Z 0 . 0 1 9 9 0 . 0 6 6 3 0 . 0 0 0 4 2 5 0 . 0 1 1 2 6 7 . 8 X Y 0 . 0 2 6 3 0 . 0 7 7 4 0 . 0 0 0 4 3 6 0 . 0 0 9 8 9 6 . 2 2 6 Y Z 0 . 0 1 8 9 0 . 0 5 6 3 0 . 0 0 0 1 4 7 0 . 0 0 6 9 1 0 6 . 4 X Y 0 . 0 3 6 5 0 . 1 0 4 0 . 0 0 0 4 5 6 0 . 0 0 9 5 8 6 V I I 2 8 Y Z 0 . 0 2 3 3 0 . 0 7 2 6 0 . 0 0 0 5 7 2 0 . 0 1 4 3 7 4 . 1 T a b l e 9 . 4 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r B o t t o m S u b - R e g i o n ( C o n t . ) S u b - r e g i o n # C o r e # S e c t i o n T o r t u o s i t y S p a c m g D e g r e e . O f N u m b e r O I ( m m ) O r i e n t a t i o n m i c r o c r a c k s 1 X Y 1 . 2 8 1 . 7 1 0 . 0 7 2 2 9 I Y Z 1 . 3 7 1 . 4 3 0 . 1 0 4 4 1 4 X Y 1 . 2 6 1 . 8 6 0 . 0 8 6 2 2 Y Z 1 . 3 7 1 . 7 1 0 . 0 9 3 3 0 5 X Y 1 . 3 0 1 . 7 7 0 . 0 5 8 2 7 I I Y Z 1 . 3 6 1 . 8 0 0 . 1 0 6 2 6 6 X Y 1 . 3 4 1 . 8 0 0 . 0 4 4 2 6 Y Z 1 . 3 8 1 . 3 8 0 . 0 9 5 4 4 8 X Y 1 . 3 5 1 . 0 5 0 . 1 2 1 7 6 Y Z 1 . 3 3 1 . 2 4 0 . 0 8 8 5 5 I l l 1 1 X Y 1 . 3 7 1 . 6 5 0 . 1 6 0 3 1 Y Z 1 . 3 2 2 . 1 1 0 . 1 9 5 1 9 1 2 X Y 1 . 3 4 1 . 6 0 0 . 1 1 3 3 3 " Y Z 1 . 3 9 1 . 4 2 0 . 1 0 2 4 2 I V 1 5 X Y 1 . 2 8 2 . 0 0 0 . 0 3 4 2 1 Y Z 1 . 3 1 2 . 2 3 0 . 2 3 8 1 7 1 8 X Y 1 . 3 4 1 . 2 5 0 . 0 1 0 5 4 Y Z 1 . 3 2 1 . 1 4 0 . 0 8 5 6 5 V 2 0 X Y 1 . 3 6 1 . 4 2 0 . 1 0 6 4 2 Y Z 1 . 3 2 1 . 0 2 0 . 0 3 1 8 1 2 ] X Y 1 . 3 8 1 . 7 1 0 . 0 2 8 2 9 Y Z 1 . 3 5 1 . 8 4 0 . 1 3 0 2 5 . , X Y 1 . 3 9 2 . 1 6 0 . 1 0 2 1 8 V I 2 . ) _ Y 7 . 1 . 5 0 2 . 1 6 0 . 1 1 3 1 8 2 6 X Y 1 . 3 7 1 . 8 0 0 . 0 0 0 2 6 V I I Y Z 1 . 4 2 1 . 9 6 0 . 0 7 4 2 2 2 8 X Y 1 . 3 6 1 . 6 2 0 . 0 8 7 3 2 Y Z 1 . 3 7 2 . 3 0 0 . 1 3 2 1 6 9 . 1 . 7 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e 9 . 3 s h o w s t h e s p a t i a l ( 3 - D ) m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s f o r h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s u b - r e g i o n s : t h e f o l l o w i n g m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a r e p r e s e n t e d : s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n , s p a c i n g . t o r t u o s i t y , a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n . 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 ” ( F - T e s t ) f o l l o w e d b y T u k e y ’ s s t a t i s t i c a l p r o c e d u r e H 4 i n d i c a t e d s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n s p e c i fi c s u r f a c e a r e a b e t w e e n s u b - r e g i o n I I I ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d s u b - r e g i o n s I . I I a n d I V ( l o w a n d m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e , r e s p e c t i v e l y ) ; s u b - r e g i o n 1 1 1 s h o w e d h i g h e r v a l u e s o f m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w h i l e m e a s u r e m e n t s f o r o t h e r s u b - r e g i o n s 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 . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f m i c r o c r a c k s p a c i n g t e s t d a t a a l s o i n d i c a t e d t h a t i n s u b - r e g i o n s V ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) . m i c r o c r a c k s w e r e m o r e c l o s e l y s p a c e d t h a n i n o t h e r s u b - r e g i o n s ( I V , V I a n d V I I ) w h i c h e x h i b i t e d s t a t i s t i c a l l y c o m p a r a b l e l e v e l s o f m i c r o c r a c k s p a c i n g . T h e s e ( 3 - D ) m i c r o c r a c k d a t a f u r t h e r v a l i d a t e t h e ( 2 - D ) m i c r o c r a c k d a t a a n d p e r m e a b i l i t y m e a s u r e m e n t s w h i c h a l l i n d i c a t e h i g h e r d a m a g e l e v e l s n e a r v i s i b l e c r a c k s y s t e m s . F i g u r e 9 . 4 i l l u s t r a t e s t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n c h a n g e s i n p e r m e a b i l i t y m e a s u r e m e n t s a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . M o r e e x t e n s i v e m i c r o c r a c k i n g i s o b s e r v e d t o r a i s e c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y , w h i c h s u p p o r t s p r a c t i c a l v a l u e o f q u a n t i t a t i v e m i c r o c r a c k s t u d i e s t o c o n d i t i o n a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e s y s t e m s . 3 2 5 B B B E B S A 8 5 . 8 8 : 9 o S o m u m V w B B Q S B A n a 3 < I T I 3 2 6 ( b ) W i d t h B o t t o m : 5 1 T o p 1 1 I I I S u b - r e g i o n L o c a t i c 1 v \ l S u b - r e g i o n N u m b e r v i V I l I I ( a ) S p e c i fi c S u r f a c e A r e a 0 . 1 2 . 0 0 6 a : 6 T o p = B o t t o m S u b - r e g i o n N u m b e r I V \ } v i V I I I I S u b - r e g i o n L o c a t i c ) 3 m m / 3 m m ( n o i t c a r F e m u l o V 0 0 0 1 2 I | 1 1 1 F S u b - r e g i o n L o c a t i c B o t t o m 6 . 1 T o p 0 . 0 0 0 8 — 0 . 0 0 0 4 — I I I I I I I V V V I V I I S u b - r e g i o n N u m b e r ( 0 ) V o l u m e F r a c t i o n 2 4 0 l I I l I I S u b - r e g i o n L o c a t i o n . B o t t o m : 4 T o p A 1 6 0 — _ a \ E 8 c 8 8 0 — \ t — x t \ \ Z : : ~ = . \ : 5 ; : : E E : \ a ; : 1 3 : I I I I I I V V V I V I I S u b - r e g i o n N u m b e r ( ( 1 ) S p a c i n g 3 2 7 ' V I I I I I I I S u b - r e g i o n L o c a t i o n ' B o t t o m . : T o p § E 1 . 4 — Q — a t 8 \ g 1 3 S O _ _ . 1 — ' Q \ x \ I I I I I I I V V V I V I I S u b — r e g i o n N u m b e r ( e ) T o r t u o s i t y 0 ' 5 I l l I I I S u b - r e g i o n L o c a t i o n o 4 _ B o t t o m - . 5 ‘ T O P 5 E 0 . 3 + — 5 3 0 . 2 - _ C D ' 5 ; C D ‘ 3 ’ 0 . 1 - + 0 . 0 1 ' : 1 1 I l l S u b - r e g i o n N u m b e r ( 1 ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n F i g u r e 9 . 3 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r H o r i z o n t a l a n d V e r t i c a l S u b - r e g i o n s 3 2 8 ) o / O ( a e r A e c a f r u S c i f i c e p S n i e g n a h C ) o 3 b t < 2 0 0 I I I I S u b - r e g i o n L o c a t i o 1 0 0 I _ B O t t o m - T o p Q _ I 1 - 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 C h a n g e i n P e r m e a b i l i t y ( ° / o ) F i g u r e 9 . 4 C h a n g e s i n S p e c i fi c S u r f a c e A r e a V e r s u s C h a n g e s i n P e r m e a b i l i t y 9 . 1 . 8 A s s e s s m e n t o f t h e A d e q u a c y o f t h e N u m b e r o f C o r e s a n d S u b - r e g i o n s A s u b - r e g i o n m a y b e a s s u m e d t o c o m p r i s e a p o p u l a t i o n o f i n fi n i t e n u m b e r o f c o r e s . S u f fi c i e n t n u m b e r o f c o r e s s h o u l d b e e x t r a c t e d f r o m e a c h s u b - r e g i o n t o p r o v i d e a s t a t i s t i c a l l y v i a b l e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e w h o l e p o p u l a t i o n . T h e m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a ( S W ) w a s u s e d a s t h e k e y m e a s u r e t o e s t a b l i s h t h e r e q u i r e d n u m b e r o f s a m p l e s . A n o r m a l d i s t r i b u t i o n w a s a s s u m e d f o r m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . w i t h u n k n o w n fi n i t e v a r i a n c e . T h e r e p r e s e n t a t i v e a v e r a g e n u m b e r o f c o r e s ( n ) a t d e s i r e d l e v e l o f c o n f i d e n c e f o r e a c h s u b - r e g i o n c a n t h e n b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e t a r g e t e d c o n fi d e n c e c o e f f i c i e n t ( l - o r / 2 ) , h a l f - w i d t h ( h ) a n d p l a n n i n g v a l u e o f p o p u l a t i o n s t a n d a r d d e v i a t i o n u s i n g e q u a t i o n 6 . 5 2 . I n t h e c u r r e n t s t u d y . a 9 5 % l e v e l o f c o n fi d e n c e a n d i 2 . 5 % p r e c i s i o n w e r e c o n s i d e r e d r e a s o n a b l e i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e r e f o r e , 1 - 0 1 i s e q u a l t o 0 . 9 5 , ( i . e . . o r = 0 . 0 5 , a n d 1 - 0 1 / 2 = 0 . 9 7 5 ) . H e n c e 2 = 1 . 9 6 a n d h = 0 0 2 5 ' 1 2 S t a n d a r d d e v i a t i o n o f s p e c i fi c s u r f a c e a r e a w i t h i n e a c h s u b - r e g i o n w a s c a l c u l a t e d , a n d t h e n t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s p e r e a c h s u b - r e g i o n w a s d e t e r m i n e d u s i n g t h e a b o v e e q u a t i o n 6 . 5 2 ( T a b l e 9 . 5 ) . T h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s t o m e e t t h e t a r g e t e d l e v e l s o f c o n fi d e n c e a n d p r e c i s i o n d e p e n d i n g o n t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n f o r e a c h s u b - r e g i o n , g e n e r a l l y b e l o w 4 . T h e n u m b e r o f c o r e s a c t u a l l y e x t r a c t e d f r o m d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s i s t h u s g e n e r a l l y s u f fi c i e n t t o a c h i e v e t h e t a r g e t e d l e v e l s o f c o n fi d e n c e a n d p r e c i s i o n . A d e q u a c y o f t h e n u m b e r o f s u b - r e g i o n s u s e d i n t h e s t u d y m a y b e a s s e s s e d u s i n g t h e v a r i a n c e o f m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a b e t w e e n d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s . A n a l y s i s o f v a r i a n c e " A N O V A ” i s t h e p r i m a r y s t a t i s t i c a l m e t h o d e m p l o y e d f o r c o m p a r a t i v e e v a l u a t i o n o f d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s ( s e e s e c t i o n 6 . 2 . 2 . 4 ) . T h e m i n i m u m r a n g e w a s o b t a i n e d u s i n g e q u a t i o n 6 . 5 3 . I n t h e c u r r e n t s t u d y , t h e p o w e r o f t h e t e s t ( 1 - B ) i s s e l e c t e d t o b e 0 . 8 , w i t h o r = 0 . 0 5 ( n o t i n g t h a t t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n s u b - r e g i o n s a r e e x p e c t e d t o b e m o r e t h a n t h o s e b e t w e e n c o r e s ) , w i t h 6 d e g r e e s o f f r e e d o m ( r - l ) . F o r t o p s u b - r e g i o n s V = 0 . 0 2 8 1 2 3 a n d o = 0 . 0 1 2 4 6 3 . a n d t h u s t h e r a t i o V / o i s 2 . 2 5 . F r o m t h e t a b l e s f o r d e t e r m i n i n g s a m p l e s i z e f o r a n a l y s i s o f v a r i a n c e ( f i x e d f a c t o r l e v e l m o d e ) , ” 3 a t V / o = 2 . 0 , t h e r e q u i r e d n u m b e r o f s u b - r e g i o n s i s 8 a n d a t V / 0 = 2 . 5 0 i t i s 6 . B y i n t e r p r e t a t i o n . t h e r e q u i r e d n u m b e r o f s u b - r e g i o n s t o a c h i e v e t h e r e q u i r e d p o w e r o f t h e e x p e r i m e n t i s 7 w h i c h i s t h e s a m e o f t h e p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s . F o r b o t t o m s u b - r e g i o n s V = 0 . 0 3 6 9 7 1 a n d o = 0 . 0 1 5 1 8 4 , a n d t h u s t h e r a t i o V / 0 = 2 . 4 3 . F r o m t h e t a b l e s a n d b y i n t e r p r e t a t i o n . t h e r e q u i r e d n u m b e r o f s u b - r e g i o n s i s 6 . 2 . H e n c e t h e p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s s a t i s fi e s t h e t a r g e t e d p o w e r o f e x p e r i m e n t s ( 0 . 8 ) . 3 3 0 J ) D b T a b l e 9 . 5 R e q u i r e d N u m b e r o f C o r e s P e r S u b - R e g i o n 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 T o p S u b - r e g i o n B o t t o m S u b - r e g i o n S t a n d a r d S t a n d a r d D e v i a t i o n R e q u i r e d D e v i a t i o n S u b - r e g i o n # o f S p e c i f i c N u m b e r o f S u b - r e g i o n # o f S p e c i fi c R e q u i r e d S u r f a c e C o r e s S u r f a c e N u m b e r o f A r e a A r e a C o r e s I 0 . 0 1 7 1 . 7 8 1 0 . 0 1 0 5 0 . 6 8 1 1 0 . 0 1 5 1 . 4 4 1 1 0 . 0 0 5 9 0 . 2 2 1 1 1 0 . 0 3 5 7 . 6 4 1 1 1 0 . 0 2 8 4 . 9 I V N A N A I V N A N A V 0 . 0 1 7 1 . 2 7 V 0 . 0 2 2 2 . 9 8 V 1 N A N A V 1 N A N A V I I 0 . 0 2 6 4 . 2 4 V I I 0 . 0 0 7 4 0 . 3 4 N A N o t a p p l i c a b l e 9 . 2 R E I N F O R C E D C O N C R E T E B R I D G E D E C K 9 . 2 . 1 P r e f a c e A l a r g e n u m b e r o f c o n c r e t e b r i d g e d e c k s s u f f e r f r o m p r e m a t u r e d e t e r i o r a t i o n a n d 1 2 8 , 1 2 9 c r a c k i n g . S t e e l c o r r o s i o n i s c o n s i d e r e d t o b e t h e m a i n c a u s e o f d a m a g e t o c o n c r e t e 1 3 0 . 1 3 1 b r i d g e s . B e s i d e s s t e e l c o r r o s i o n , a l k a l i - s i l i c a r e a c t i v i t y , d r y i n g a n d t h e r m a l s h r i n k a g e , a n d f r e e z e - t h a w a t t a c k a r e t h e m a j o r f a c t o r s c o n t r i b u t i n g t o d e t e r i o r a t i o n o f 3 2 - 1 3 4 . . . . . . . . ’ K e e p i n g c o n c r e t e b r i d g e s i n r e l i a b l e c o n d i t i o n f o r s e r V i c e r e q u i r e s c o n c r e t e b r i d g e s . l f r e q u e n t i n s p e c t i o n a n d m a i n t e n a n c e . V i s u a l o r n o n - d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s m a y n o t p r o v i d e s u f fi c i e n t i n f o r m a t i o n t h o r o u g h a s s e s s m e n t o f t h e h e a l t h c o n d i t i o n o f m a j o r i n f r a s t r u c t u r e s y s t e m s . I n t e r n a l m i c r o c r a c k i n g i s t h e p r i m a r y p h y s i c a l m a n i f e s t a t i o n o f m o s t d a m a g e a n d d e t e r i o r a t i o n p h e n o m e n a i n c o n c r e t e ; s t a t i s t i c a l l y v i a b l e q u a n t i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m c o u l d t h u s p r o v i d e v a l u a b l e i n f o r m a t i o n f o r j u d g i n g t h e h e a l t h c o n d i t i o n o f c o n c r e t e a n d m a k i n g c r i t i c a l d e c i s i o n s o n ' 3 5 ‘ 1 3 6 A r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e d e c k l o c a t e d c o s t l y m a i n t e n a n c e a n d r e p a i r p r a c t i c e s . i n A l b i o n . M i c h i g a n w a s s u b j e c t e d t o q u a n t i t a t i v e m i c r o c r a c k a n a l y s i s f o r a s s e s s m e n t o f i t s h e a l t h c o n d i t i o n u s i n g t h e p r o p o s e d a p p r o a c h i n s e c t i o n 6 . 2 . 9 . 2 . 2 D e s c r i p t i o n o f t h e B r i d g e T h e b r i d g e u n d e r i n v e s t i g a t i o n i s l o c a t e d i n A l b i o n , M i c h i g a n o v e r 1 - 9 4 a t E x i t 1 2 1 ; i t w a s b u i l t i n 1 9 8 0 . T h e b r i d g e h a s f o u r l a n e s ( t w o i n e a c h d i r e c t i o n ) , a n d h a s t w o m a i n i n t e r n a l s u p p o r t s a n d t w o a b u t m e n t s . O n e o f t h e s e d i r e c t i o n s w a s c l o s e d t o t r a f fi c w h i l e t h e o t h e r w a s o p e n e d . T h e c l o s e d d i r e c t i o n w a s t h e s u b j e c t o f t h e c u r r e n t s t u d y . E a c h s u p p o r t i n t h e b r i d g e c o n t a i n s 2 f r a m e s ; o n e f o r e a c h d i r e c t i o n . a n d e a c h f r a m e h a s 3 3 3 2 c o l u m n s . T h e b r i d g e d e c k s l a b r e s t e d o n 1 2 m a i n g i r d e r s ( 6 i n e a c h d i r e c t i o n ) . T h e t w o l a n 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 6 8 . 3 m ( 2 0 5 f t ) l o n g w i t h t o t a l w i d t h o f 8 m ( 2 4 f t ) . T h e b r i d g e d e c k i s 2 2 . 5 c m ( 9 i n c h e s ) t h i c k , a n d h a s o n e e x p a n s i o n j o i n t . F i g u r e 9 . 5 s h o w s a g e n e r a l v i e w f o r t h e b r i d g e . T h e b r i d g e d e c k s h o w s c r a c k c o n fi g u r a t i o n s l a r g e l y a t t r i b u t e d t o 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 ( a t t r i b u t e d t o d e i c e r s a l t a p p l i c a t i o n i n w i n t e r ) . V i s u a l i n s p e c t i o n s i d e n t i fi e d c l o s e t o 5 0 v i s i b l e c r a c k s o n t h e b r i d g e d e c k . F i g u r e 9 . 5 G e n e r a l V i e w o f T h e B r i d g e 3 3 3 T h e c r a c k w i d t h s g e n e r a l l y r a n g e d f r o m 1 0 t o 2 0 m ( 3 / 8 t o 3 / 4 i n c h e s ) , w i t h a w i d e r a n g e o f c r a c k l e n g t h s . F i g u r e s 9 . 6 a t h r o u g h 9 . 6 c p r e s e n t t y p i c a l s u r f a c e c r a c k s w h i c h s e e m t o b e c a u s e d l a r g e l y b y t h e e x p a n s i v e f o r c e s a s s o c i a t e d w i t h 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 ; r e s t r a i n t o f b r i d g e d e c k . S h r i n k a g e m o v e m e n t c o u l d a l s o c o n t r i b u t e t o f o r m a t i o n o f t h e s e c r a c k s . ( a ) R a n d o m C r a c k s P a r t i a l l y P a r a l l e l t o T r a f fi c D i r e c t i o n 3 3 4 ( b ) T r a n s v e r s e C r a c k P a r t i a l l y P e r p e n d i c u l a r t o T r a f fi c D i r e c t i o n ( c ) T r a n s v e r s e C r a c k s A c r o s s t h e B r i d g e D e c k “ P e r p e n d i c u l a r t o T r a f fi c D i r e c t i o n ” F i g u r e 9 . 6 T y p i c a l S u r f a c e C r a c k s o f t h e B r i d g e D e c k 3 3 5 9 . 2 . 3 S u b - R e g i o n i n g a n d C o r i n g o f T h e B r i d g e D e c k T h e b r i d g e d e c k w a s d i v i d e d i n t o t h r e e p r e l i m i n a r y s u b - r e g i o n s b a s e d o n t h e d e g r e e o f d a m a g e : s u b - r e g i o n 1 ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) ; s u b - r e g i o n I I ( m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e ) ; a n d s u b - r e g i o n I I I ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) . T h e t a r g e t e d p o w e r o f s t a t i s t i c a l a n a l y s e s i n t h i s i n v e s t i g a t i o n ( l - B ) w a s s e l e c t e d t o b e 0 . 8 , w h e r e [ 3 i s t h e r i s k o f m a k i n g t y p e 1 1 e r r o r . ” S u b - r e g i o n s I , I I a n d 1 1 1 a r e 8 x 2 3 . 3 m ( 2 4 x 7 0 f t ) , 8 x 1 8 . 3 m ( 2 4 x 5 5 a ) , a n d 8 x 2 6 . 7 m ( 2 4 x 8 0 f t ) . r e s p e c t i v e l y . T h e t o t a l n u m b e r o f v i s i b l e c r a c k s i n s u b - r e g i o n s I , I I a n d I I I a r e 2 5 . 1 2 a n d 6 . r e s p e c t i v e l y . A t o t a l o f 3 2 c o r e s o f 1 0 c m ( 4 i n ) d i a m e t e r w e r e e x t r a c t e d f r o m t h e b r i d g e d e c k : 1 4 f r o m s u b - r e g i o n I ( w i t h s e v e r e l e v e l d a m a g e ) ; 1 1 f r o m s u b - r e g i o n I I ( w i t h m o d e r a t e d a m a g e ) ; a n d 7 f r o m s u b - r e g i o n I I I ( w i t h l o w l e v e l o f d a m a g e ) . S o m e c o r e l o c a t i o n s w e r e c h o s e n o v e r o r n e a r t h e v i s i b l e s u r f a c e c r a c k s , w h i l e o t h e r s w e r e e x t r a c t e d f a r f r o m c r a c k s , a s s h o w n i n F i g u r e 9 . 7 . A b o u t h a l f o f t h e c o r e s w e r e e x t r a c t e d f r o m l o c a t i o n s o v e r o r n e a r v i s i b l e c r a c k s . T h e 1 - 9 4 f r e e w a y u n d e r n e a t h t h e b r i d g e r e m a i n e d o p e n t o t r a f fi c d u r i n g t h e c o r i n g p r o c e s s . T h e r e f o r e , i n o r d e r t o a v o i d a n y r i s k o f c o r e s f a l l i n g t h r o u g h o n t o t h e t r a f fi c , c o r e s w e r e n o t e x t r a c t e d n o f u l l d e p t h . T h e c o r e s e x t r a c t e d f r o m t h e d e c k w e r e t y p i c a l l y 1 2 . 5 c m ( 5 i n ) h i g h , w h i c h l i m i t e d t h e a n a l y s i s t o o n e v e r t i c a l s u b - r e g i o n . C o r e s w e r e s t o r e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 0 ° C ( 6 8 ° F ) f o r 3 m o n t h s . D u r i n g e x t r a c t i o n o f c o r e s i t w a s o b s e r v e d t h a t s t e e l r e i n f o r c e m e n t h a s s u f f e r e d s e v e r e c o r r o s i o n a n d n o t i c e a b l e l o s s o f c r o s s - s e c t i o n a l a r e a . D u r i n g t h e c o r i n g p r o c e s s , s o m e c o r e s ( e s p e c i a l l y t h o s e f r o m s u b - r e g i o n I ) w e r e b r o k e n i n t o t w o p i e c e s b e c a u s e a c c u m u l a t e d r u s t l a y e r s c a u s e d f u l l s e p a r a t i o n b e t w e e n c o n c r e t e a n d s t e e l r e i n f o r c e m e n t . T h e s e c o r e s w e r e e l i m i n a t e d f r o m t h e i n v e s t i g a t i o n d u e t o d i f fi c u l t i e s i n c u t t i n g a n d s a m p l e p r e p a r a t i o n . S o m e c r a c k s 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 w e r e v i s i b l y 3 3 6 ) u l . L b \ o b s e r v e d i n s o m e c o r e s e s p e c i a l l y t h o s e t h a t w e r e e x t r a c t e d o v e r / n e a r v i s u a l c r a c k s . 9 . 2 . 4 E x p e r i m e n t a l M e t h o d o l o g y I n o r d e r t o e v a l u a t e d a m a g e c o n d i t i o n s o f t h e b r i d g e d e c k , c o r e s f r o m e a c h s u b - r e g i o n w e r e s u b j e c t e d t o t h e f o l l o w i n g t e s t s : c o m p r e s s i o n ( A S T M C 3 9 ) . s p l i t t i n g t e n s i o n ( A S T M C 9 6 ) a n d p e r m e a b i l i t y ( A S T M C 1 2 0 2 ) . T h e c o r e s w e r e c u t i n t o 5 c m ( 2 i n ) h e i g h t c y l i n d e r s . u s i n g w e t d i a m o n d c o n c r e t e s a w , f o r t h e p e r f o r m a n c e o f p e r m e a b i l i t y t e s t s . S o m e s p e c i m e n s w e r e g r o u n d i n o r d e r t o o b t a i n f l a t s u r f a c e s f o r c a p p i n g a n d p e r f o r m a n c e o f c o m p r e s s i o n t e s t s . S p l i t t i n g t e n s i o n t e s t s w e r e p e r f o r m e d o n t h e c o r e s a s e x t r a c t e d w i t h o u t s p e c i a l p r e p a r a t i o n . D u r i n g p e r m e a b i l i t y t e s t s , b o t h s o d i u m c h l o r i d e ( N a C l ) a n d s o d i u m h y d r o x i d e ( N a O H ) s o l u t i o n s w e r e p o u r e d a t t h e s a m e t i m e b e f o r e c o n n e c t i n g t h e m o l d s t o t h e i n s t r u m e n t . T h e t w o s o l u t i o n s w e r e p o u r e d i n t h e s a m e t i m e t o a v o i d a n y i n s t a n t a n e o u s f l o w s d u e t o t h e p r e s e n c e o f m a j o r c r a c k s i n t h e s p e c i m e n s . C o m p r e s s i o n a n d s p l i t t i n g t e n s i o n t e s t s p r o v i d e d m e a s u r e o f t h e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f d e t e r i o r a t e d c o n c r e t e . P e r m e a b i l i t y t e s t s p r o v i d e d i n d i c a t i o n s f o r t h e d u r a b i l i t 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 . C o r e s e x t r a c t e d o v e r / n e a r a n d f a r f r o m c r a c k s w e r e s u b j e c t e d t o t h e s a m e t e s t s f o r t h e p u r p o s e o f c o m p a r i s o n s . T a b l e 9 . 6 s u m m a r i z e s t h e t e s t p l a n f o r c o n c r e t e c o r e s e x t r a c t e d f r o m t h e b r i d g e d e c k . ; 3 : 0 : I 3 4 \ 5 e ) _ 5 § “ J ? D i 8 ‘ 1 : 3 1 / 3 1 0 1 g ) a e ) m g e a a g d I n o i f m a g o a m e d a r - b l d f e o f v e u o l l S e l v e e e t v l a e e r l r e e d v o e m s ( w o l ( ( I I I I I I 3 n n n } 1 t 2 f 9 3 o 3 n i g e o o o s i i i r g g g e I e e e t I r r r e - - - M b b b u u u S S S n i e 3 s I , fi : 3 fl D g e i r - b u S n o i s n e m i s s k D c k a c r c a r c e l e b l i b i h t r s o N i s v i v I I r I m a 0 n o i g e e o n r / f r e r a v r f - o b s u e s S r e r o C o C 6 3 S ” % r 3 1 3 D . ” L 1 1 3 3 8 ‘ — E x p a n s i o n J o i n t — — \ N U 2 4 . 4 fl 1 6 . 8 _ . . . . _ _ _ 2 1 . 3 _ . 0 1 : ] F i g u r e 9 . 7 P l a n o f t h e B r i d g e D e c k U n d e r I n v e s t i g a t i o n T a b l e 9 . 6 D e t a i l s o f T e s t P l a n T e s t s S u b - R e g i o n # . S p l i t t i n g . . M i c r o s t r u c t u r a l C o m p r e S S i o n . P e r m e a b i l i t y . . T e n s m n I n v e s t i g a t i o n S u b - R e g i o n # C o r e s # 5 + C o r e s # 3 + C o r e s # 2 ‘ , C o r e s # 1 * , 4 I , 6 I , l a n d 1 2 * a n d 7 * 1 0 ‘ a n d 1 1 + 8 + , 9 I , 1 3 + a n d 1 4 + S u b - R e g i o n # C o r e s # 2 0 I C o r e s # 1 7 , C o r e s # 2 1 S C o r e s # 1 5 . , 1 6 + , 1 1 a n d 2 5 + a n d 1 9 * a n d 2 3 + 1 8 , 2 2 + a n d 2 4 + S u b - R e g i o n # + + C o r e s # 2 7 + , C o r e s # 2 6 + , 2 8 ‘ 1 1 1 C o r e # 3 0 C o r e # 3 1 a n d 2 9 + a n d 3 2 + * C o r e s o v e r / n e a r v i s i b l e c r a c k s + C o r e s f a r f r o m v i s i b l e c r a c k s 9 . 2 . 5 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 c h e m e F o r t h e p u r p o s e o f m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s , c o n c r e t e c o r e s w e r e c u t u s i n g a w e t d i a m o n d c o n c r e t e s a w i n t o t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s [ h o r i z o n t a l ( X Y ) a n d v e r t i c a l ( Y Z ) ] a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 1 1 . S e c t i o n s w e r e c u t ; o n e i n t h e d i r e c t i o n o f t h e a p p l i e d t r a f fi c l o a d s , a n d t h e s e c o n d i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e d i r e c t i o n o f t r a f fi c l o a d i n g . T h e a i m o f c u t t i n g t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s i s t o o b t a i n p l a n a r ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s w h i c h w e r e i n c o r p o r a t e d i n t o s t e r e o l o g i c a l a n a l y s e s f o r q u a n t i fi c a t i o n o f t h e ( 3 - D ) m i c r o c r a c k s y s t e m . A f t e r s e c t i o n i n g , 7 5 m m x 7 5 m m x 5 0 m m ( 3 i n x 3 i n x 2 i n ) s p e c i m e n s w e r e c u t f r o m h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s e c t i o n s . E n v i r o n m e n t a l 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 y ( E S E M ) w a s u s e d f o r a c q u i s i t i o n o f m i c r o s c o p i c i m a g e a c q u i s i t i o n . T h e c u t s e c t i o n s w e r e p r e p a r e d u s i n g W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n f o l l o w i n g t h e p r o c e d u r e s p r e s e n t e d i n s e c t i o n 4 . 2 . 4 . 1 . T h e m a g n i fi c a t i o n u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i s 1 2 5 X , w i t h 1 4 4 i m a g e s c a p t u r e d f r o m e a c h s e c t i o n t o c o v e r 3 3 9 4 % o f s e c t i o n a r e a ; t h e t o t a l n u m b e r o f i m a g e s c a p t u r e d i n t h e i n v e s t i g a t i o n i s 4 3 2 0 . P l a n a r ( 2 - D ) a n d s p a t i a l ( 3 - D ) c h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o c r a c k s w e r e d e t e r m i n e d u s i n g e q u a t i o n s p r e s e n t e d i n p a r t s 5 . 3 . 1 . 1 a n d 6 . 1 . 4 . 1 r e s p e c t i v e l y . C o r e s w h i c h w e r e s u b j e c t e d t o m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 9 . 6 . 9 . 2 . 6 M e c h a n i c a l T e s t R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n T h e c o m p r e s s i o n , s p l i t t i n g t e n s i o n a n d 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 c o n c r e t e c o r e s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 9 . 7 . C o r r e c t i o n f a c t o r s w e r e a p p l i e d t o c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t d a t a w h e n l e n g t h - t o - d i a m e t e r r a t i o d e v i a t e d f r o m 2 . 0 ( A S T M C 3 9 ) . G e n e r a l l y , i t c a n b e n o t e d t h a t c o m p r e s s i v e a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h s o f c o n c r e t e c o r e s w e r e n o t s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t i n v a r i o u s s u b - r e g i o n s . P e r m e a b i l i t y , h o w e v e r , w a s h i g h e r f o r s u b - r e g i o n I ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d l o w e r f o r s u b - r e g i o n l l ( m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e ) a n d I I I ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) . T h e h i g h p e r m e a b i l i t y o f s u b - r e g i o n I i s r e fl e c t e d o n t h e s e v e r e m i c r o c r a c k i n g i n t h i s s u b - r e g i o n . C o r e s e x t r a c t e d o v e r / n e a r c r a c k s w e r e l o w e r i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d h i g h e r i n p e r m e a b i l i t y w h e n c o m p a r e d w i t h c o r e s e x t r a c t e d f a r f r o m c r a c k s . H o w e v e r , d u e t o t h e l i m i t a t i o n o f t h e n u m b e r o f c o r e s d e s i g n a t e d f o r p h y s i c a l a n d t r a n s p o r t p r o p e r t i e s . t h e o b t a i n e d r e s u l t s o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s m a y n o t b e r e p r e s e n t a t i v e b u t a r e o n l y a n a p p r o x i m a t i o n o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e i n t h e b r i d g e d e c k . 3 4 0 T a b l e 9 . 7 M e c h a n i c a l a n d T r a n s p o r t P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e C o r e s . S p l i t t i n g C o m p r e s s 1 v e . . . S u b - R e g i o n # S t r e n g t h T e n s d e P e r m e a b i l i t y ( M P a ) S t r e n g t h ( C o u l o m b s ) ( M P a ) S u b - M e a n 3 2 . 4 2 . 4 9 4 5 8 2 R e g i o n I S d . D e v . 6 0 . 1 2 1 3 0 8 . 1 5 S u b - M e a n 2 6 . 3 2 . 0 4 2 8 2 3 . 6 7 R e g i o n ” S d . D e v . 1 4 . 7 0 1 7 9 9 . 0 9 S u b - M e a n 3 0 2 . 2 3 2 0 0 9 . 5 R e g i o n I I I S d . D C V . N A N A 5 3 3 8 6 O v e r / n e a r M e a n 2 8 . 3 2 . 2 2 3 9 9 3 C r a c k s S d . D e v 1 2 . 4 0 . 2 6 1 7 2 4 . 5 2 F a r f r o m M e a n 3 6 . 7 2 . 2 8 2 1 2 7 . 3 C r a c k s S d . D e v . 0 . 0 9 0 . 2 7 1 1 8 1 . 1 N A = N o t a p p l i c a b l e S d . D e v . = S t a n d a r d d e v i a t i o n 9 . 2 . 7 M i c r o s t r u c t u r a l D a t a a n d D i s c u s s i o n 9 . 2 . 7 . I P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s T a b l e 9 . 8 p r e s e n t s t h e p l a n a r m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s . 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 ” ( T - t e s t ) a t 9 0 % l e v e l o f c o n fi d e n c e r e v e a l e d 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 b e t w e e n h o r i z o n t a l ( X Y ) a n d v e r t i c a l ( Y Z ) s e c t i o n s f r o m a l l s u b - r e g i o n s i n t e r m s o f t h e q u a n t i fi e d f e a t u r e s o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m . T h i s i s c o n s i s t e n t w i t h t h e h y p o t h e s i s t h a t c o r r o s i o n o f s t e e l i s t h e m a i n s o u r c e o f d a m a g e t o b r i d g e d e c k s ; w i t h r e i n f o r c i n g s t e e l r u n n i n g i n p e r p e n d i c u l a r d i r e c t i o n s , m a j o r d i f f e r e n c e s i n m i c r o c r a c k i n t e n s i t y o n h o r i z o n t a l v e r s u s v e r t i c a l s e c t i o n s w o u l d n o t b e e x p e c t e d . T a b l e 9 . 8 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s S u b - ‘ . L e n g t h p e r P 1 3 6 3 ? ? ? A r e a W i d t h p e r A n g l e o f r e g i o n # C o r e # S e c t i o n U n i t A r e a A r e a F r a c t i o n U n i t A r e a O r i e n t a t i o n “ ( m m / m m 2 ) ( m m / m m 2 ) ( m m 2 / m m 2 ) 1 ( m m / m m 2 ) ( d e g r e e ) X Y 0 . 1 3 6 0 . 4 0 3 0 . 0 0 5 0 . 0 1 2 6 1 . 9 4 1 1 * Y 2 0 . 0 9 5 0 . 3 5 2 0 . 0 0 4 0 . 0 1 7 7 . 9 4 6 X Y 0 . 2 2 9 0 . 6 8 7 0 . 0 0 8 0 . 0 1 1 8 4 . 6 1 6 4 * Y Z 0 . 1 8 9 0 . 7 0 1 0 . 0 1 0 . 0 1 5 8 5 . 6 4 6 X Y 0 . 2 4 6 0 . 9 3 4 0 . 0 1 8 0 . 0 1 5 9 1 . 6 3 2 6 * Y Z 0 . 1 7 9 0 . 4 1 3 0 . 0 0 4 0 . 0 0 9 1 0 1 . 5 4 9 X Y 0 . 1 0 6 0 . 2 5 6 0 . 0 0 2 0 . 0 0 6 4 4 . 6 7 4 8 + Y Z 0 . 0 5 6 0 . 1 4 6 0 . 0 0 1 0 . 0 0 8 5 6 . 8 7 5 X Y 0 . 1 6 8 0 . 6 5 9 0 . 0 0 6 0 . 0 0 9 9 0 . 9 8 1 9 * Y Z 0 . 2 5 7 0 . 7 7 9 0 . 0 1 3 0 . 0 1 4 9 1 . 6 7 6 X Y 0 . 1 6 6 0 . 6 1 5 0 . 0 0 4 0 . 0 0 7 2 3 . 8 7 5 1 3 + 1 7 2 0 . 2 0 3 0 . 7 1 9 0 . 0 0 4 0 . 0 0 5 7 5 . 5 7 4 X Y 0 . 2 0 3 0 . 6 5 8 0 . 0 0 7 0 . 0 0 8 7 4 . 6 5 9 1 1 4 * Y Z 0 . 2 5 5 0 . 6 8 8 0 . 0 0 9 0 . 0 1 3 8 4 . 6 9 7 X Y 0 . 2 1 3 0 . 7 8 9 0 . 0 1 5 0 . 0 1 3 6 6 . 8 7 4 1 5 * Y Z 0 . 1 4 3 0 . 5 5 5 0 . 0 0 6 0 . 0 0 9 9 5 . 8 7 4 X Y 0 . 0 6 2 0 . 1 8 0 . 0 0 2 0 . 0 1 9 3 . 6 4 5 1 6 + Y Z 0 . 0 4 5 0 . 1 0 3 0 . 0 0 1 0 . 0 0 9 7 1 . 5 4 3 X Y 0 . 1 6 6 0 . 5 5 8 0 . 0 0 5 0 . 0 0 8 1 1 3 . 6 8 4 1 8 * Y Z 0 . 2 2 3 0 . 6 0 3 0 . 0 0 9 0 . 0 1 3 9 6 . 6 4 5 X Y 0 . 0 9 8 0 . 2 8 7 0 . 0 0 2 0 . 0 0 6 7 9 . 6 4 9 2 2 + Y Z 0 . 0 8 9 0 . 1 9 8 0 . 0 0 1 0 . 0 0 5 6 5 . 6 4 1 X Y 0 . 1 2 3 0 . 3 3 6 0 . 0 0 3 0 . 0 0 7 8 5 . 6 7 4 1 1 2 4 + Y Z 0 . 0 5 6 0 . 1 4 9 0 . 0 0 2 0 . 0 1 8 1 . 5 4 7 X Y 0 . 0 4 6 0 . 1 0 3 0 0 . 0 0 5 9 2 . 7 1 3 2 6 J r Y Z 0 . 0 3 6 0 . 8 8 8 0 . 0 0 5 0 . 0 0 6 8 7 . 6 5 5 X Y 0 . 0 6 9 0 . 1 9 8 0 . 0 0 2 0 . 0 0 9 3 4 . 6 4 7 2 8 * Y Z 0 . 1 1 4 0 . 3 0 6 0 . 0 0 3 0 . 0 0 7 7 4 . 2 3 5 X Y 0 . 0 4 6 0 . 1 2 3 0 . 0 0 1 0 . 0 0 5 7 1 . 6 5 1 1 1 3 2 * v z 0 . 0 3 6 0 . 0 9 5 0 0 . 0 0 5 1 0 0 . 0 6 T a b l e 9 . 8 P l a n a r ( 2 - D ) M e a s u r e m e n t s ( C o n t . ) S u b - r e g i o n # C o r e # S e c t i o n T o r t u o s i t y 8 8 3 : ? 0 1 : 3 1 : 3 2 : N E T 3 I 2 2 3 8 0 I x v 1 . 3 1 1 . 1 0 0 . 0 6 0 8 0 1 * v z 1 . 3 6 1 . 1 6 0 . 0 1 2 6 4 x v 1 . 2 5 0 . 8 6 0 . 0 8 0 1 0 1 4 * v z 1 . 3 7 0 . 9 6 0 . 0 2 6 8 8 x v 1 . 3 1 0 . 8 3 0 . 2 3 1 1 1 2 6 * v z 1 . 2 4 1 . 0 3 0 . 0 0 8 7 9 1 x v 1 . 4 0 1 . 1 3 0 . 0 1 0 6 7 8 " v z 1 . 3 2 1 . 3 8 0 . 0 0 6 4 4 x v 1 . 3 3 1 . 0 6 0 . 0 1 6 7 5 9 * v z 1 . 3 6 0 . 7 4 0 . 0 1 1 1 2 5 x v 1 . 3 5 1 . 0 6 0 . 1 1 3 7 5 1 3 * v z 1 . 3 7 0 . 8 7 0 . 0 1 4 1 0 0 x v 1 . 2 2 1 . 0 0 0 . 0 6 5 8 4 1 4 + v z 1 . 2 7 ' 0 . 8 0 0 . 1 3 0 1 1 5 x v 1 . 3 4 0 . 9 2 0 . 0 6 5 9 1 1 5 * v z 1 . 3 7 1 . 1 0 0 . 0 0 8 7 1 x v 1 . 3 4 1 . 2 6 0 . 1 3 2 5 1 1 6 “ " v z 1 . 3 6 1 . 5 3 0 . 1 5 7 3 6 1 1 x v 1 . 3 9 1 . 0 7 0 . 0 3 1 7 4 1 8 * v z 1 . 4 1 0 . 8 8 0 . 0 1 1 9 8 x v 1 . 2 8 1 . 1 3 0 . 0 0 1 6 7 2 2 + v z 1 . 3 4 1 . 2 9 0 . 0 4 6 5 9 x v 1 . 3 5 1 . 1 6 0 . 0 0 5 6 4 2 4 + v z 1 . 3 0 1 . 4 2 0 . 0 2 4 4 2 x v 1 . 3 1 1 . 6 0 0 . 0 0 2 3 3 2 6 " v z 1 . 2 8 1 . 7 1 0 . 1 8 7 3 0 1 1 1 x v 1 . 3 7 1 . 3 1 0 . 1 3 6 4 9 2 8 * v z 1 . 3 6 1 . 0 5 0 . 0 0 6 7 6 x v 1 . 3 4 1 . 6 2 0 . 0 1 3 3 2 3 2 + v z 1 . 3 1 1 . 7 1 0 . 0 6 3 2 9 * C o r e s o v e r / n e a r v i s i b l e c r a c k s + C o r e s f a r f r o m v i s i b l e c r a c k s 3 4 3 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 s u b - r e g i o n 1 ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d s u b - r e g i o n I I I ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) i n t e r m s o f m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a . p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a . w i d t h p e r u n i t a r e a , a r e a f r a c t i o n , s p a c i n g a n d n u m b e r o f c r a c k s . S u b - r e g i o n s 1 ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d I l l ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) w e r e s t a t i s t i c a l l y s i m i l a r i n t e r m s o f t h e a n g l e o f o r i e n t a t i o n , t o r t u o s i t y . a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n o f m i c r o c r a c k o n b o t h h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s e c t i o n s . 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 s u b - r e g i o n I ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d I I ( m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e ) , a n d a l s o b e t w e e n 1 1 a n d s u b - r e g i o n I I I ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) i n t e r m s o f a l l m i c r o c r a c k o n h o r i z o n t a l o r v e r t i c a l s e c t i o n s . T h i s m a y g i v e a n i n d i c a t i o n t h a t m o s t o f t h e d e t e r i o r a t i o n i n t h e b r i d g e d e c k i s c o n c e n t r a t e d i n s u b - r e g i o n I . 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 a l s o f o u n d b e t w e e n c o r e s e x t r a c t e d o v e r / n e a r v i s i b l e c r a c k s a n d c o r e s e x t r a c t e d f a r f r o m v i s i b l e c r a c k s ( f o r a l l s u b - r e g i o n s ) i n t e r m s o f m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a a n d a r e a f r a c t i o n . T h i s m a y l e a d t o t h e c o n c l u s i o n t h a t c o a l e s c e n c e o f m i c r o c r a c k s h a s l e d t o f o r m a t i o n o f m a c r o c r a c k s n e a r v i s i b l e c r a c k s . T h e r e i s n o d i s t i n c t t r e n d o f m i c r o c r a c k s a n g l e o f o r i e n t a t i o n w a s o b s e r v e d ; t h i s m a y b e a t t r i b u t e d t o t h a t c o m b i n a t i o n o f s t e e l c o r r o s i o n , t r a f fi c l o a d s a n d d r y i n g s h r i n k a g e a r e t h e m a i n c a u s e o f m i c r o c r a c k s . 9 . 2 . 7 . 2 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s F i g u r e 9 . 8 p r e s e n t s t h e q u a n t i fi e d i n s p a c e m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s i n d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s . 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 ” ( F - T e s t ) , f o l l o w e d b y T u k e y ’ s I 4 p r o c e d u r e l i n d i c a t e d t h a t t h e r e a r e 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 i n m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h . v o l u m e f r a c t i o n , a n d s p a c i n g b e t w e e n s u b - r e g i o n 1 ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d s u b - r e g i o n [ 1 1 ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) ; t h e r e w e r e , h o w e v e r , n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n t o r t u o s i t y a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n . S t a t i s t i c a l a n a l y s i s a l s o i n d i c a t e d 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 b e t w e e n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s o f s u b - r e g i o n 1 ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) a n d s u b - r e g i o n I I ( m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e ) . 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 s u b - r e g i o n I I ( m o d e r a t e l e v e l o f d a m a g e ) a n d s u b - r e g i o n I I I ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) i n t e r m s o f m i c r o c r a c k w i d t h w h i l e b u t n o o t h e r m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s . T h e s p a t i a l r e s u l t s a r e i n g e n e r a l a g r e e m e n t w i t h t h e p l a n a r m e a s u r e m e n t s l e a d i n g t o t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e r e i s a d i r e c t r e l a t i o n s h i p b e t w e e n v i s i b l e s u r f a c e d a m a g e ( c r a c k s ) a n d i n t e r n a l d a m a g e ( m i c r o c r a c k s ) ; m o s t i n t e r n a l d a m a g e o c c u r s i n s u b - r e g i o n I w h i c h a l s o e x h i b i t s s e v e r e v i s i b l e s u r f a c e c r a c k s ; o n t h e o t h e r h a n d . t h e i n t e r n a l d a m a g e i n s u b - r e g i o n I I I w a s l i m i t e d w h e r e v i s i b l e s u r f a c e d a m a g e w a s a l s o l i m i t e d . F i g u r e 9 . 9 c o m p a r e s t h e q u a n t i fi e d f e a t u r e s o f m i c r o c r a c k s f o r c o r e s o b t a i n e d o v e r / n e a r v i s i b l e c r a c k s v e r s u s t h o s e o b t a i n e d f a r f r o m v i s i b l e c r a c k s . A g a i n . v i c i n i t y t o v i s i b l e s u r f a c e c r a c k s i m p l i e s s e v e r e i n t e r n a l m i c r o c r a c k i n g . T h e m o r e s e v e r e m i c r o c r a c k i n g i n s u b - r e g i o n 1 v e r s u s s u b - r e g i o n 1 1 1 c a n b e u s e d t o e x p l a i n t h e h i g h e r p e r m e a b i l i t y v a l u e s m e a s u r e d i n s u b - r e g i o n I v e r s u s s u b - r e g i o n l I l . 0 . < — - * ) 3 m m / 2 m m 0 ( . N a e r A e c a f r . . 0 . . u S c i f i c e p S * — H 0 . o W W o ‘ o ' O T ) 3 m m / m ” o i m O “ o ' ( h + / / t / d 1 ” o b ‘ O / + i W / / / / / / / / / / / / 7 W { r 3 4 6 ( b ) W i d t h 0 . 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 4 — I I S u b - r e g i o n N u m b e r 0 . 0 0 8 ~ ( a ) S p e c i fi c S u r f a c e A r e a ’ 2 I I S u b - r e g i o n N u m b e r ) 3 m m / 3 m m ( n o i t c a r F e m u l o V ) m m ( g n i c a p S 0 . 0 1 , 1 I 0 . 0 1 0 — I , I 0 . 0 0 5 — \ \ \ i 0 . 0 0 § g $ l e l S u b - r e g i l d n N u m l i l e r ( 0 ) V o l u m e F r a c t i o n 8 0 i i i 7 0 — 6 0 L \ \ 4 6 . . § 3 0 + I \ § T { S a . 0 a S S I I I I I I S u b - r e g i o n N u m b e r ( d ) S p a c i n g 3 4 7 - 1 . I \ 3 . \ 1 \ 6 0 2 . 8 . \ \ \ \ \ \ \ \ \ E \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ S c o s z m t O C o 0 9 8 0 1 I § § 1 . 4 1 3 5 1 . 3 0 - — 1 2 5 2 . 1 S u b - r e g i o n N u m b e r ( e ) T o r t u o s i t y l . § O . 2 0 1 . 0 . 0 0 S u b - r e g i o n N u m b e r ( 1 ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n u r e m e n t s f o r A l l S u b - r e g i o n s F i g u r e 9 . 8 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s ) 3 m m / 2 m m ( a e r A e c a f r u S c i f i c e p S “ + / / fi / / / 7 W ) 3 m m / m m ( h t d I 0 1 . oo 0 i W 1 / / / / / / / / 7 / / / / 0 . 3 , 0 . 2 + 0 . 1 — \ F a r N e a r C o r e L o c a t i o n 0 . 0 ( a ) S p e c i fi c S u r f a c e A r e a 0 . 0 0 9 0 . 0 0 8 — 2 0 . 0 0 7 _ 0 . 0 0 6 — T 0 . 0 0 4 + 0 . 0 0 3 § F a r N e a r C o r e L o c a t i o n ( b ) W i d t h I I — T A W S ) 3 m m / 3 m m ( n o i t c a r F e m u l o V ) m m ( g n i c a p S 0 . 0 1 0 . 0 1 0 0 . 0 0 5 0 . 0 0 - 8 0 T \ ‘ S S F a r C o r e L o c a t i o n ( c ) V o l u m e F r a c t i o n 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 : I : \ . C o r e L o c a t i o n ( d ) S p a c i n g 3 5 0 — 1 . 4 0 1 1 1 . 3 5 1 — T \ a g 1 . 3 0 — T \ \ \ + . 9 \ S 1 . 2 5 — X \ + 1 . 2 0 § § C o r e L o c a t i o n ( 1 ) D e g r e e o f O r i e n t a t i o n F i g u r e 9 . 9 S p a t i a l ( 3 - D ) M e a s u r e m e n t s f o r C o r e s E x t r a c t e d O v e r / N e a r a n d F a r f r o m C r a c k s 3 5 9 . 2 . 8 A s s e s s m e n t t h e A d e q u a c y o f t h e N u m b e r o f C o r e s a n d S u b - R e g i o n s A s u b - r e g i o n m a y b e a s s u m e d t o c o m p r i s e a p o p u l a t i o n o f i n fi n i t e n u m b e r o f c o r e s . S u f fi c i e n t n u m b e r o f c o r e s s h o u l d b e e x t r a c t e d f r o m e a c h s u b - r e g i o n t o p r o v i d e a s t a t i s t i c a l l y v i a b l e r e p r e s e n t a t i o n o f t h e w h o l e p o p u l a t i o n . T h e m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ( S V C ) w a s u s e d a s t h e k e y m e a s u r e t o e s t a b l i s h t h e r e q u i r e d n u m b e r o f s a m p l e s . A n o r m a l d i s t r i b u t i o n w a s a s s u m e d f o r m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . w i t h u n k n o w n f i n i t e v a r i a n c e . T h e r e p r e s e n t a t i v e a v e r a g e n u m b e r o f c o r e s ( n ) a t d e s i r e d l e v e l o f c o n fi d e n c e f o r e a c h s u b - r e g i o n c a n t h e n b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e t a r g e t e d c o n fi d e n c e c o e f fi c i e n t ( 1 - 0 1 / 2 ) , h a l f - w i d t h ( h ) a n d p l a n n i n g v a l u e o f p o p u l a t i o n s t a n d a r d d e v i a t i o n u s i n g e q u a t i o n 6 . 5 2 . I n t h i s i n v e s t i g a t i o n , a 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e a n d i : 5 % p r e c i s i o n w e r e c o n s i d e r e d r e a s o n a b l e f o r t h i s i n v e s t i g a t i o n , t h e r e f o r e . 1 - 0 1 i s e q u a l t o 0 . 9 0 ( i . e . . 0 1 = 0 . 1 a n d 1 - 0 1 / 2 = 0 . 9 5 ) . H e n c e , 2 = 1 . 6 4 5 a n d h = 0 . 0 5 . l ' 3 S t a n d a r d d e v i a t i o n o f s p e c i f i c s u r f a c e a r e a w i t h i n e a c h s u b - r e g i o n w a s c a l c u l a t e d . a n d t h e n t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s p e r e a c h s u b - r e g i o n w a s d e t e r m i n e d u s i n g E q u a t i o n 6 . 5 2 . T h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s t o m e e t t h e t a r g e t e d l e v e l s o f c o n fi d e n c e a n d p r e c i s i o n d e p e n d o n t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n f o r e a c h s u b - r e g i o n a r e 5 . 4 . 6 . 1 , a n d 2 . 7 c o r e s f o r s u b - r c g i o n s I , I I a n d 1 1 1 , r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a c t u a l e x t r a c t e d n u m b e r o f c o r e s i s s a t i s f a c t o r y f o r s u b - r e g i o n s I a n d I I I , b u t o n e m o r e c o r e i s n e e d e d f o r s u b - r e g i o n 1 1 . C o m p a r i s o n s b e t w e e n t h e r e q u i r e d a n d t h e a c t u a l n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n a r e i l l u s t r a t e d i n T a b l e 9 . 9 . A d e q u a c y o f t h e n u m b e r o f s u b - r e g i o n s u s e d i n t h e s t u d y m a y b e a s s e s s e d u s i n g t h e v a r i a n c e o f m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a b e t w e e n d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s . A n a l y s i s o f v a r i a n c e “ A N O V A ” i s t h e p r i m a r y s t a t i s t i c a l m e t h o d e m p l o y e d f o r c o m p a r a t i v e e v a l u a t i o n o f d i f f e r e n t s u b - r e g i o n s ( s e e s e c t i o n 6 . 2 . 2 . 4 ) . T h e m i n i m u m r a n g e w a s o b t a i n e d u s i n g e q u a t i o n 6 . 5 3 . I n t h e c u r r e n t s t u d y , t h e p o w e r o f t h e t e s t ( 1 - [ 3 ) i s s e l e c t e d t o b e 0 . 8 . w i t h 0 1 = 0 . 0 5 ( n o t i n g t h a t t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n s u b - r e g i o n s a r e e x p e c t e d t o b e m o r e t h a n t h o s e b e t w e e n c o r e s ) , w i t h 2 d e g r e e s o f f r e e d o m ( r - l ) . F o r t h e d a t a 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 , i t w a s f o u n d V = 0 . 1 5 5 3 a n d o = 0 . 0 7 7 8 8 1 , a n d t h u s t h e r a t i o V / o = 1 . 9 9 . F r o m t h e t a b l e s f o r d e t e r m i n i n g s a m p l e s i z e f o r a n a l y s i s o f v a r i a n c e ” 3 a t V / o 2 2 . 0 , t h e r e q u i r e d n u m b e r o f s u b - r e g i o n s i s e q u a l t o ( f i x e d f a c t o r l e v e l m o d e ) . 4 w h i c h m e a n s t h a t t h e p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s n e e d s t o b e i n c r e a s e d b y o n e , o r a l t e r n a t i v e l y t h e p o w e r o f t h e e x p e r i m e n t m a y n e e d t o b e r e - e v a l u a t e d ( d e c r e a s e d ) . T a b l e 9 . 9 C o m p a r i s o n o f T h e R e q u i r e d a n d A c t u a l N u m b e r o f C o r e s P e r S u b - r e g i o n f o r M i c r o c r a c k A n a l y s i s S u b - r e I i o n E x t r a c t e d R e q u i r e d I S N u m b e r o f N u m b e r o f C o m m e n t N u m b e r C o r e s C o r e s S u b - r e g i o n I 7 5 . 4 S a t i s f a c t o r y S u b - r e g i o n 1 1 5 6 . 1 N e e d s O n e m o r e c o r e S u b - r e g i o n I I I 3 2 . 7 S a t i s f a c t o r y 9 . 3 C O N C L U S I O N S R i g i d p a v e m e n t s l a b a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e d e c k w e r e s u b j e c t e d t o t h e p r o p o s e d a p p r o a c h t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s . T h e p a v e m e n t s l a b w a s d i v i d e d i n t o s e v e n h o r i z o n t a l a n d t w o v e r t i c a l s u b - r e g i o n s a n d t h e b r i d e d e c k w a s d i v i d e d i n t o 3 h o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s t a r g e t i n g a p o w e r o f 0 . 8 f o r s t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k d a t a . A n u m b e r o f c o n c r e t e c o r e s w e r e o b t a i n e d f r o m e a c h s u b - r e g i o n , t a r g e t i n g a p r e c i s i o n l e v e l o f + 2 5 % a n d i 5 % f o r p a v e m e n t s l a b a n d b r i d e d e c k r e s p e c t i v e l y i n q u a n t i t a t i v e a n a l y s e s o f m i c r o c r a c k s y s t e m s . C o r e s w e r e c u t i n t o t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s , w h i c h w e r e p r e p a r e d f o r t h e a u t o m a t e d a c q u i s i t i o n o f m i c r o s c o p i c i m a g e s t h r o u g h f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . Q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s e s w e r e c o n d u c t e d f o r p l a n a r a n d s p a t i a l m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s . M e c h a n i c a l a n d t r a n s p o r t p r o p e r t i e s ( c o m p r e s s i v e a n d s p l i t t i n g s t r e n g t h , a n d p e r m e a b i l i t y ) o f c o n c r e t e c o r e s w e r e a l s o d e t e r m i n e d . S t a t i s t i c a l p r o c e d u r e s w e r e e m p l o y e d t o d e t e r m i n e t h e a d e q u a c y o f t h e n u m b e r o f c o r e s a n d s u b - r e g i o n s f o r a c h i e v i n g t h e t a r g e t e d p o w e r a n d p r e c i s i o n l e v e l s . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s w e r e d r a w n : 1 - D u r i n g p a v e m e n t i n v e s t i g a t i o n , a s f a r a s v e r t i c a l ( t o p a n d b o t t o m ) s u b - r e g i o n s a r e c o n c e r n e d . t h e d i f f e r e n c e s i n p e r m e a b i l i t y a n d q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s w e r e n o t s t a t i s t i c a l l y s i g n i f i c a n t . b u t g e n e r a l l y p o i n t e d o f h i g h e r d a m a g e l e v e l s t o t o p ( e x p o s e d ) s u b - r e g i o n s . 2 - D u r i n g b r i d g e d e c k i n v e s t i g a t i o n , 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 s u b - r e g i o n 1 ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) v e r s u s s u b - r e g i o n I I I ( l o w l e v e l o f d a m a g e ) i n t e r m s o f m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a . p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a , w i d t h p e r 3 5 4 u n i t a r e a . a r e a f r a c t i o n a n d s p a c i n g ( p l a n a r m e a s u r e m e n t s ) a n d m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a . w i d t h . v o l u m e f r a c t i o n a n d s p a c i n g . T h e q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a l s o i n d i c a t e d s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t r i s e i n m i c r o c r a c k a r e a f r a c t i o n ( p l a n a r ) a n d v o l u m e f r a c t i o n ( s p a t i a l ) f o r c o r e s e x t r a c t e d o v e r / n e a r v i s i b l e c r a c k s 3 - P e r m e a b i l i t y t e s t d a t a c o r r e l a t e d w e l l w i t h q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k d a t a . T h e r e w e r e s t a t i s t i c a l l y s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n p e r m e a b i l i t y a n d m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s b e t w e e n s u b - r e g i o n s r a t e d d i f f e r e n t l y i n t e r m s o f v i s i b l e m a n i f e s t a t i o n s o f d a m a g e . S u b - r c g i o n s w i t h h i g h e r m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a a n d c l o s e r m i c r o c r a c k s p a c i n g e x h i b i t e d h i g h e r p e r m e a b i l i t y l e v e l s . 4 - T h e 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 c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e i n c r e a s e i n p e r m e a b i l i t y c o m p a r e d t o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s . T h i s m a y s u g g e s t t h a t p e r m e a b i l i t y i s m o r e s e n s i t i v e t h a n m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e t o c e r t a i n l e v e l s o f d a m a g e a n d m i c r o c r a c k i n g : p e r m e a b i l i t y t e s t s t h u s p r o v i d e m o r e i n s i g h t s i n t o c o n c r e t e q u a l i t y a n d h e a l t h c o n d i t i o n t h a n i s p o s s i b l e b y o n l y m e c h a n i c a l t e s t s . G i v e n t h e s i g n i fi c a n t i m p a c t o f p e r m e a b i l i t y o n d u r a b i l i t y u n d e r w e a t h e r i n g e f f e c t s . t h i s fi n d i n g i n d i c a t e s t h a t m e c h a n i c a l t e s t r e s u l t s a l o n e m a y n o t t r u l y r e f l e c t o n d u r a b i l i t y a n d r e m a i n i n g s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e p a v e m e n t s . a n d q u a n t i t a t i v e m i c r o c r a c k d a t a c a n p r o v i d e r e l i a b l e i n s i g h t i n t o h e a l t h c o n d i t i o n s a n d d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . 5 - S p a t i a l ( 3 - D ) m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s a r e m o r e p r e f e r r e d t h a n p l a n a r ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s t o i n v e s t i g a t e t h e d e g r e e o f d a m a g e d i s t r i b u t i o n a l o n g c o n c r e t e s t r u c t u r e s . M i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a i s t h e m o s t r e l i a b l e m e a s u r e m e n t t o b e u s e d a s t h e v i a b l e p r o b e o f c o n d i t i o n a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e . S p a t i a l ( 3 - D ) d a t a p r o v i d e a m o r e t h o r o u g h a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e d a m a g e c o n d i t i o n s t h a n p l a n a r ( 2 - D ) d a t a . ) : C U 0 6 - T h e p r o p o s e d s t a t i s t i c a l a p p r o a c h t o d e t e r m i n e t h e s u f f i c i e n t n u m b e r o f s u b - r e g i o n s a n d n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n w a s s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o a c h i e v e t h e t a r g e t e d p o w e r o f e x p e r i m e n t a n d p r e c i s i o n o f t h e r e s u l t s . 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 . u s i n g m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a i n d i c a t e d t h a t t h e s e l e c t e d n u m b e r o f c o r e s a n d s u b - r c g i o n s a r e r e a s o n a b l e ( w i t h s o m e m i n o r c o m p r o m i s e ) t o m e e t t h e t a r g e t e d l e v e l s o f c o n f i d e n c e . p r e c i s i o n a n d p o w e r . C H A P T E R 1 0 D E V E L O P M E N T O F C O N C R E T E M l C R O C R A C K - P R O P E R T Y R E L A T I O N S H I P S 1 0 . 1 P R E F A C E A t s o m e l e v e l , t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e m a y b e r e l a t e d t o i t s m i c r o s t r u c t u r e . C o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e e n c o m p a s s e s a w i d e r a n g e o f s t r u c t u r a l s c a l e s , a n d i t i s g e n e r a l l y a s s u m e d t h a t b e h a v i o r a t o n e l e v e l c a n b e e x p l a i n e d i n t e r m s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e o b s e r v e d a t a l o w e r l e v e l . T h e m i c r o s t r u c t u r e o f c o n c r e t e i s t o o c o m p l e x a n d r a n d o m t o a l l o w f o r d e v e l o p m e n t o f e x a c t a n a l y t i c a l f o r m u l a s ( a t t h i s t i m e ) t h a t d e s c r i b e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t u r a l ” 1 3 8 M o s t p r e v i o u s s t u d i e s h a v e f o c u s e d o n r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n c o n c r e t e b e h a v i o r a n d q u a l i t a t i v e c h a n g e s i n i t s m i c r o s t r u c t u r e d u r i n g h y d r a t i o n o f c e m e n t p a s t e , b u t h a v e n o t a b l e t o e x p r e s s t h e s e r e l a t i o n s h i p s i n n u m e r i c a l ( q u a n t i t a t i v e ) f o r m a t . A l t h o u g h c o n c r e t e p e r f o r m a n c e ( 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 s t r e n g t h ) d e p e n d s t o a l a r g e e x t e n t o n t h e a m o u n t a n d d i s t r i b u t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s t h a t a r e i n i t i a t e d b y i n t e r n a l r e s t r a i n t o f s h r i n k a g e a n d g r o w n u n d e r 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 , q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n c o n c r e t e p e r f o r m a n c e a n d m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s h a v e n o t b e e n d e v e l o p e d y e t . F e w i n v e s t i g a t o r s h a v e t r i e d t o c o r r e l a t e c o n c r e t e p e r f o r m a n c e t o i t s d a m a g e c o n d i t i o n a n d l . I 3 9 r e p o r t e d t h a t c o n c r e t e t e n s i l e s t r e n g t h d e c r e a s e d m i c r o s t r u c t u r e . G e t t u e t a s i g n i fi c a n t l y a f t e r c o m p r e s s i o n l o a d i n g i n a p e r p e n d i c u l a r d i r e c t i o n . T h e d r o p i n 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 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 i s w e l l k n o w n . ' 4 0 C o n c r e t e p e r m e a b i l i t y o f t e n i n c r e a s e s 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 . 1 4 0 " 4 l Z h a n g I 4 2 d e t e c t e d - - - . - 1 4 3 . 1 4 4 a n i n c r e a s e i n p o r e s p e c 1 fi c s u r f a c e a r e a u n d e r fl e x u r a l f a t i g u e . D i e n e s e t a l 3 5 7 d e v e l o p e d a m o d e l t h a t r e l a t e d t h e p e r m e a b i l i t y o f c r y s t a l l i n e r o c k s t o c r a c k s h a p e f a c t o r , a v e r a g e c r a c k r a d i u s a n d s p a c i n g , a n d f r a c t i o n o f i n t e r c o n n e c t e d c r a c k s . T h e r e l a t i v e l a c k o f i n f o r m a t i o n o n c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s m a y 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 q u a n t i f y i n g c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e . T h r o u g h o u t t h e c u r r e n t s t u d y , t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n c o n c r e t e p r o p e r t i e s ( p e r m e a b i l i t y a n d fl e x u r a l s t r e n g t h ) a n d m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s ( p l a n a r a n d s p a t i a l ) w e r e d e v e l o p e d u s i n g i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s t e c h n i q u e s i n c o n j u n c t i o n w i t h fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . T h e o r e t i c a l p r i n c i p l e s w e r e e m p l o y e d t o j u s t i f y t h e e m p i r i c a l s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s . 1 0 . 2 E X P E R I M E N T A L A N D M I C R O S T R U C T U R A L A N A L Y S I S P R O G R A M T w o c o n c r e t e m i x t u r e s ( n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h ) w i t h d i f f e r e n t i n g r e d i e n t s a n d p r o p o r t i o n s w e r e c o n s i d e r e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m . T y p e 1 P o r t l a n d c e m e n t . n a t u r a l s a n d a n d 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 9 m m ( 3 / 4 i n ) a s c o a r s e a g g r e g a t e w e r e u s e d i n b o t h m i x t u r e s . M i x t u r e I ( n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e ) c o m p r i s e d c e m e n t : fi 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 : w a t e r a t 1 : 1 . 5 9 : 1 . 9 8 : 0 . 4 8 5 m a s s r a t i o s . t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f 3 9 M P a ( 5 6 5 0 p s i ) . T h i s m i x w a s a i r - e n t r a i n e d , a n d p r o v i d e d a n a i r c o n t e n t o f 3 . 5 p e r c e n t w i t h a s l u m p o f 1 9 0 m m ( 7 . 5 i n ) . M i x t u r e I I ( r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ) c o m p r i s e d c e m e n t : fi 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 : w a t e r a t o f 1 : 1 . 7 : 1 . 9 : 0 . 4 0 4 m a s s r a t i o s . t a r g e t i n g 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f 4 4 M P a ( 6 3 7 4 p s i ) . T h i s m i x p r o v i d e d 1 . 9 p e r c e n t a i r c o n t e n t a n d a s l u m p o f 6 4 m m ( 2 . 5 i n ) c y l i n d e r s p e c i m e n s . 1 0 2 m m ( 4 i n ) d i a m e t e r b y 2 0 3 m m ( 8 i n ) h e i g h t w e r e p r e p a r e d f o r c o m p r e s s i o n t e s t s , a n d p r i s m a t i c s p e c i m e n s o f 7 6 X 7 6 X 3 0 5 q m m ( 3 X 3 X 1 2 i n ) d i m e n s i o n s w e r e m a d e 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 . M o l d e d 3 5 8 s p e c i m e n s w e r e k e p t m o i s t f o r 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 c m o l d e d a n d m o i s t c u r e d a t 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r 2 8 d a y s , a n d t h e n c o n d i t i o n e d a t 5 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a t 2 2 ° C ( 7 2 ° F ) f o r a n o t h e r 2 8 d a y s p r i o r t o t e s t i n g . T h r e e 1 0 0 m m d i a m e t e r x 2 0 0 m m h e i g h t c y l i n d e r ( 4 X 8 i n ) f r o m e a c h m i x t u r e w e r e t e s t e d f o r 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 w e n t y f o u r 1 0 2 X 7 6 x 4 0 6 m m ( 4 X 2 X 1 6 i n ) p r i s m s a n d t w e n t y f o u r 1 0 0 m m d i a m e t e r x 2 0 0 m m h e i g h t c y l i n d e r ( 4 X 8 i n ) f r o m e a c h m i x t u r e w e r e u s e d f o r a p p l i c a t i o n o f d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s a n d s u b s e q u e n t i n v e s t i g a t i o n o f m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a n d e n g i n e e r i n g p e r f o r m a n c e . T h r e e p r i s m s a n d c y l i n d e r s w e r e r e s e r v e d t o b e u s e d a s c o n t r o l ( u n d a m a g e d ) s p e c i m e n s f o r c o m p a r i s o n p u r p o s e s ; p r i s m a t i c s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o 4 p o i n t fl e x u r a l l o a d i n g ( A S T M C 7 8 ) , w h i l e c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o c h l o r i d e p e r m e a b i l i t y ( A S T M C 1 2 0 2 ) t e s t s . T h e d a m a g i n g e f f e c t s c o n s i d e r e d i n t h e s t u d y a r e : 1 - C o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k s t r e s s w i t h i m m e d i a t e u n l o a d i n g ( A S T M C 3 9 ) 2 - E x p o s u r e t o fi r e a t 4 2 5 ° C ( 8 0 0 ° F ) f o r 3 h o u r s 3 - C o m p r e s s i o n l o a d i n g t o 8 0 % o f u l t i m a t e s t r e n g t h f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g a n d e x p o s u r e t o fi r e a t 4 2 5 ° C ( 8 0 0 ° F ) f o r 3 h o u r s 4 - 3 0 0 c y c l e s ( 7 5 d a y s ) o f f r e e z e - t h a w i n w a t e r ( A S T M C 6 6 6 ) 5 - C o m p r e s s i o n l o a d i n g t o 8 0 % o f u l t i m a t e s t r e n g t h f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g a n d e x p o s u r e t o 3 0 0 c y c l e s ( 7 5 d a y s ) o f f r e e z e - t h a w i n w a t e r A f t e r a p p l i c a t i o n o f d a m a g i n g e f f e c t s , p r i s m a t i c s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o t h e 4 - p o i n t f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t ( A S T M C 7 8 ) , a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s w e r e s u b j e c t e d t o 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 ( A S T M C 1 2 0 2 ) . S o m e s p e c i m e n s w e r e c u t i n t o t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s f o r t h e p u r p o s e o f 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 c h e m a t i c o f 3 5 9 h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s e c t i o n s c u t i n t o p r i s m a t i c a n d 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 a r e p r e v i o u s l y p r e s e n t e d i n F i g u r e 7 . 1 . F o r t h e p u r p o s e o f m i c r o s c o p i c i n v e s t i g a t i o n . c u t s e c t i o n s w e r e p r e p a r e d u s i n g t h e m e t h o d d e s c r i b e d i n s e c t i o n 4 . 2 . 4 . 2 f o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . E a c h s e c t i o n w a s i n v e s t i g a t e d a t 2 5 0 X m a g n i f i c a t i o n ; a t o t a l o f 2 5 6 i m a g e s w e r e c a p t u r e d f r o m e a c h s e c t i o n . P l a n a r a n d s p a t i a l m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s w e r e o b t a i n e d u s i n g e q u a t i o n s p r o v i d e d i n s e c t i o n s 5 . 3 . 1 . 1 a n d 6 . 1 . 4 . 1 . r e s p e c t i v e l y . 1 0 . 3 E X P E R I M E N T A L R E S U L T S C h a n g e s i n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y c a u s e d b y d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s f o r b o t h M i x t u r e s l a n d I I a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 1 0 . 1 . F r o m T a b l e 1 0 . 1 i t c a n b e n o t i c e d t h a t a l l d a m a g e p h e n o m e n a d e c r e a s e d fl e x u r a l s t r e n g t h a n d i n c r e a s e d p e r m e a b i l i t y , M i x 1 1 ( w i t h h i g h e r s t r e n g t h ) s h o w e d l e s s r e d u c t i o n i n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d a l s o l e s s i n c r e a s e i n p e r m e a b i l i t y u n d e r d a m a g i n g e f f e c t s w h e n c o m p a r e d w i t h M i x I o f l o w e r s t r e n g t h . I t i s a l s o o b s e r v e d t h a t e x p o s u r e t o e l e v a t e d t e m p e r a t u r e h a s t h e m o s t s e v e r e e f f e c t o n b o t h f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y . A t 1 0 % l e v e l o f s i g n i fi c a n c e , e x p o s u r e t o 8 0 % o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d t h e n e l e v a t e d t e m p e r a t u r e ( 8 0 % c o m p r e s s i o n + fi r e ) c a u s e d t h e s e v e r e l e v e l o f d a m a g e t o f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y a s e x p o s u r e t o fi r e a l o n e . T h e d a m a g i n g e f f e c t s c o m p r i s i n g 8 0 % o f c o m p r e s s i o n s t r e n g t h t h e n f r e e z e - t h a w c y c l e s ( 8 0 % c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w ) c a u s e d ( s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t a t 1 0 % l e v e l o f s i g n i f i c a n c e ) m o r e d a m a g i n g e f f e c t s t h a n f r e e z e - t h a w a b o v e f o r M i x 1 ( b u t n o t M i x I I ) . F i g u r e s 1 0 . 1 t h r o u g h 1 0 . 4 p r e s e n t t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t d a m a g e p h e n o m e n a o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y o f M i x I a n d M i x 1 1 . 3 6 0 T a b l e 1 0 . ] C h a n g e s ( % ) i n F l e x u r a l S t r e n g t h a n d P e r m e a b i l i t y C a u s e d b y D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s M i x I I ( R e l a t i v e l y H i g h - M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) S t r e n g t h ) D a m a g e T y p e F l e x u r a l P e r m e a b i l i t y F l e x u r a l P e r m e a b i l i t y S t r e n g t h ( M P a ) ( C o u l o m b s ) S t r e n g t h ( M P a ) ( C o u l o m b s ) ( P r i s m a t i c ( C y l i n d r i c a l ( P r i s m a t i c ( C y l i n d r i c a l S p e c i m e n s ) S p e c i m e n s ) S p e c i m e n s ) S p e c i m e n s ) U n d a m a g e d - - - - 1 0 0 % 4 2 . 3 8 4 . 2 - 2 5 . 1 1 6 . 7 C o m p r e s s i o n F i r e - 9 2 . 3 8 4 . 5 - 8 3 . 3 7 6 . 8 8 0 % C o m p . + - 7 6 . 9 6 5 . 6 - 8 5 . 7 7 8 . 4 F i r e F r e e z e - T h a w - 3 2 . 7 3 4 . 7 - 2 3 . 8 2 6 . 2 8 0 % C o m p . + - 5 0 3 9 . 9 - 2 8 . 6 3 0 . 2 F r e e z e - T h a w 1 0 . 4 R E S U L T S O F M I C R O S T R U C T U R A L A N A L Y S I S T a b l e s 1 0 . 2 a n d 1 0 . 3 s h o w c h a n g e s ( % ) i n p l a n a r m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s d u e t o d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s f o r M i x 1 a n d M i x 1 1 , r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t l e n g t h . w i d t h , p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a a n d a r e a f r a c t i o n o f m i c r o c r a c k s a r e i n c r e a s e d a f t e r e x p o s u r e t o d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s f o r b o t h M i x 1 a n d M i x 1 1 . S p a c i n g h a s b e e n d e c r e a s e d a f t e r a p p l y i n g d a m a g i n g e f f e c t s f o r M i x 1 a n d 1 1 ( n e g a t i v e s i g n i n t a b l e v a l u e s m e a n s m e a s u r e m e n t s d e c r e a s e d a f t e r a p p l y i n g d a m a g i n g e f f e c t s ) . T o r t u o s i t y a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n d i d n o t s h o w a c o n s t a n t t r e n d a f t e r a p p l y i n g d a m a g i n g e f f e c t s ; t h e y 3 6 1 ) a P M ( h t g n e r t S l a r u x e l F fl u c t u a t e d b e t w e e n i n c r e a s e s a n d d e c r e a s e s . S o m e s p e c i m e n s s h o w e d d i f f e r e n t t r e n d s i n t o r t u o s i t y a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n b e t w e e n h o r i z o n t a l ( X Y ) a n d v e r t i c a l ( Y Z ) s e c t i o n s . D a m a g e T y p e F i g u r e 1 0 . 1 F l e x u r a l S t r e n g t h o f M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s 3 6 2 ) s b m o l u o c ( y t i l i b a e m r e P + / / / / / / ) a P M ( h t g n e r t S l a r u / x e l F / / / 1 0 0 0 0 9 0 0 0 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 D a m a g e T y p e F i g u r e 1 0 . 2 P e r m e a b i l i t y o f M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s m g . 3 - i 8 9 A x v ” W e 9 . 9 6 9 . 8 0 % ‘ ( 9 ‘ 0 9 6 ’ 1 “ “ “ 0 0 8 “ \ Q Q 1 e . 2 7 3 D a m a g e T y p e F i g u r e 1 0 . 3 F l e x u r a l S t r e n g t h o f M i x I I ( R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s 3 6 3 9 0 0 0 1 1 1 1 1 W 8 0 0 0 — Q — s \ 2 g 7 0 0 0 ~ — \ — 9 , 3 § 3 m 6 0 0 0 _ \ ‘ ‘ 1 8 \ § 8 \ \ a 5 0 0 0 — § § — 4 0 0 0 § k * $ 9 6 6 ( 0 , 5 6 w e . 3 6 ” , 3 ( 1 5 " 0 0 6 . 9 0 “ n g @ 0 1 9 “ 0 0 0 n g ( P I S S @ 0 3 0 Q $ 6 $ 0 0 1 0 D a m a g e T y p e F i g u r e 1 0 . 4 P e r m e a b i l i t y o f M i x 1 1 ( R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h ) A f t e r D i f f e r e n t D a m a g i n g E f f e c t s 3 6 4 T a b l e 1 0 . 2 C h a n g e s ( % ) i n P l a n a r M e a s u r e m e n t s f o r M i x I L A C P A C A A C W C P 7 1 4 1 ’ T c p ( 2 ( 1 ) D a m a g e ( m m / m m z ) ( m m / m m 2 ) ( m m 2 / m m 2 ) ( m m / m m 2 ) ( m m ) E f f e c t s 8 6 0 1 1 0 1 1 P r i s m a t i c S p e c i m e n s 1 0 0 % X Y 6 8 . 0 1 9 . 0 1 3 7 . 6 1 6 . 8 - l 3 . 9 0 0 . 2 0 6 1 . 9 C o m p Y Z 1 3 . 7 0 9 . 3 0 1 4 . 7 4 . 2 - l 1 . 3 - 1 . 1 0 6 4 . 7 X Y 8 3 . 1 5 2 . 0 3 1 3 3 0 . 2 - 4 6 . 8 3 . 6 0 2 1 . 0 F i r e Y Z 4 6 . 2 2 7 . 7 0 1 1 8 . 9 1 3 . 0 - 6 0 . 7 4 . 9 0 - l 7 . 1 3 0 % C o m p X Y 1 4 6 . 2 5 5 . 8 5 1 3 3 0 . 8 - 6 . 5 0 3 . 0 0 - 4 2 . 3 + F i r e Y Z 1 5 . 9 0 4 . 3 0 1 3 . 1 3 . 5 - 4 9 . 3 - 0 . 6 0 2 7 . 2 F r e e z e - x v 2 8 . 6 8 . 9 0 3 7 . 9 6 . 5 0 3 . 1 0 - 1 . 7 0 - 1 2 0 T h a w Y Z 2 1 . 8 2 7 . 8 2 9 . 3 2 1 . 9 - 3 8 . 7 - 5 . 5 0 - 5 8 . 2 8 0 % C o m p x v 6 1 . 3 5 9 . 2 1 8 4 . 7 2 4 . 2 - 2 . 8 0 4 . 1 0 - 4 2 2 + F r e e z e - T h a w Y Z 8 1 . 0 8 2 . 7 1 0 7 . 1 1 8 . 3 - 3 9 . 6 6 . 5 0 1 4 6 . 9 C y l i n d r i c a l S p e c i m e n s 1 0 0 0 0 X Y 8 4 . 9 8 2 . 1 8 3 . 5 5 - 1 5 . 4 - 2 . 1 2 1 . 1 C o m p Y Z 4 1 . 3 7 1 . 6 6 0 . 2 7 . 3 - 5 . 0 1 1 . 3 1 5 . 5 X Y 1 9 4 . 8 2 1 4 . 9 3 5 3 . 7 2 3 . 3 ~ 2 8 . 2 2 . 9 2 2 5 5 . 9 F i r e Y Z 1 2 8 . 7 3 6 6 1 3 7 1 6 . 1 - 3 1 . 5 4 . 6 - 1 4 8 0 % C o m p X Y 7 0 . 2 8 3 . 1 5 7 . 5 4 . 9 - l 7 . 5 - 6 - 3 0 . 7 + F i r e Y Z 4 4 . 4 1 5 1 4 5 3 5 . 7 4 - 2 0 . 6 5 . 3 - 3 0 . 3 l i ‘ r e e z e - X Y 5 4 . 5 6 2 . 2 5 0 3 . 5 - 1 5 . 7 - 2 . 6 1 1 . 6 T h a w Y Z 3 0 8 2 . 6 3 0 1 0 . 7 6 - 6 . 0 3 1 . 5 1 7 7 . 3 8 0 % C ° m p x v 1 4 . 5 1 6 . 8 3 7 . 5 4 . 6 - 5 5 1 . 0 6 - 3 + F r e e z e - T h a w Y Z 8 5 . 2 2 2 7 9 1 0 1 4 . 2 - 2 1 . 7 - 3 . - 8 7 . 4 T a b l e 1 0 . 3 C h a n g e s ( % ) i n P l a n a r M e a s u r e m e n t s f o r M i x [ 1 L A C P A C A A C W C P 7 % ‘ P T ( ‘ [ ) Q C . » D a m a g e ( m m / m m z ) ( m m / m m 2 ) ( m m 2 / m m 2 ) ( m m / m m z ) ( m m ) E f f C C t S S e c t i o n P r i s m a t i c S p e c i m e n s 1 0 0 % X Y 8 4 . 3 2 6 . 5 6 5 . 5 6 . 1 - 1 5 . 5 0 . 8 9 2 3 . 2 C o m p Y Z 1 1 . 6 6 . 6 3 . 5 1 . 2 - 3 . 4 1 . 2 - 4 5 . 7 X Y 6 7 . 5 1 1 5 1 8 8 1 2 . 4 - 3 3 . 4 2 . 2 1 3 . 3 F i r e Y Z 1 0 7 . 4 2 1 2 1 5 0 1 1 . 7 - 5 5 . 1 1 . 5 - 1 7 . 4 8 0 % x v 1 1 6 . 6 7 7 . 3 7 8 . 8 1 8 . 8 - 2 6 4 - 1 . 2 1 1 . 4 C o m p + F i r e Y Z 5 1 . 4 5 2 . 2 6 4 . 3 1 0 . 5 - l 4 . 8 - 2 . 2 5 5 . 6 F r e e z e - X Y 3 1 . 7 3 . 4 3 0 5 . 5 - 6 . 4 2 . 5 - 4 5 . 8 T h a w Y Z 4 1 1 3 . 5 4 1 . 1 6 . 3 - 7 . 7 - 4 . 6 - l 4 . 7 8 0 % C o m p + X Y 5 7 . 8 3 3 . 1 8 8 . 4 1 3 . 9 - 2 6 . 6 4 . 7 1 1 5 . 6 F r e e z e - T h a w Y Z 3 1 . 5 1 5 . 4 5 5 . 1 1 0 . 1 - 2 1 . 1 - 1 . 6 - 2 2 . 6 C y l i n d r i c a l S p e c i m e n s 1 0 0 % X Y 6 5 . 8 4 4 . 2 8 0 . 4 1 0 - 2 3 . 3 1 . 7 1 1 2 . 5 C o m p Y Z 2 3 . 2 2 9 . 4 2 5 . 7 5 . 4 - 9 . 8 2 . 5 4 5 . 8 X Y 8 2 . 2 6 6 . 5 1 2 4 7 . 1 - 3 5 . 6 - 9 . 7 - 3 1 . 5 F i r e Y Z 1 4 . 5 6 . 8 1 6 . 3 1 1 . 4 - 2 . 7 - 6 . 3 7 8 . 3 8 0 % x v 7 1 . 1 5 5 . 5 9 8 . 7 8 . 2 - 1 5 . 3 3 . 3 2 2 . 6 C o m p + F i r e Y 7 . 3 5 . 5 4 4 . 6 3 6 . 4 6 . 4 - 1 1 . 8 - 6 . 4 - 1 7 . 8 F r e e z e - X V 5 9 7 3 7 1 0 0 . 6 1 1 - 3 2 . 3 - 1 2 . 3 - 1 5 T h a w Y Z 2 2 . 5 1 2 4 7 . 7 1 4 . 1 1 0 . 5 - 5 . 8 2 2 3 . 3 8 0 % , C o m p + X Y 1 2 . 9 1 . 5 1 4 6 . 7 - 1 9 . 6 - 1 2 . 4 2 6 . 7 F r e e z e - T h a w Y Z 2 3 . 8 1 7 . 7 1 1 4 4 6 . 1 - 4 . 8 - 8 . 8 - 1 1 8 3 6 6 G e n e r a l l y c h a n g e s i n l e n g t h , w i d t h , p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a , a r e a f r a c t i o n a n d s p a c i n g i n M i x 1 w e r e l a r g e r t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n M i x 1 1 ( w i t h h i g h e r s t r e n g t h ) . S e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o l o a d d i r e c t i o n ( X Y ) u n d e r t h e e f f e c t o f 1 0 0 % c o m p r e s s i o n , 8 0 % c o m p r e s s i o n + fi r e . a n d 8 0 % c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w e x h i b i t e d g r e a t e r i n c r e a s e s i n c r a c k l e n g t h a n d p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a a n d a r e a f r a c t i o n w h e n c o m p a r e d w i t h s e c t i o n s p a r a l l e l t o l o a d d i r e c t i o n ( Y Z ) f o r b o t h M i x t u r e s I a n d I I . E x p o s u r e t o 8 0 % c o m p r e s s i o n + fi r e d a m a g i n g e f f e c t h a d t h e m o s t s e v e r e e f f e c t o n c o n c r e t e m i c r o c r a c k i n g , w h i l e 8 0 % c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w h a d t h e l e a s t s e v e r e e f f e c t . U n d e r 8 0 % c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w . t h e m i c r o c r a c k s y s t e m w a s n o t a s s e v e r e l y d a m a g e d ( i n b o t h M i x t u r e I a n d I l — c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s ) c o m p a r e d w i t h u n d e r f r e e z e - t h a w e x p o s u r e a l o n e . T a b l e s 1 0 . 4 a n d 1 0 . 5 s h o w p r e s e n t c h a n g e s ( % ) i n s p a t i a l m e a s u r e m e n t s d u e t o d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s f o r M i x 1 a n d M i x 1 1 , r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a , w i d t h , a n d v o l u m e f r a c t i o n w e r e i n c r e a s e d a f t e r a p p l i c a t i o n o f d a m a g i n g e f f e c t s f o r b o t h M i x t u r e s I a n d I I . M i c r o c r a c k s p a c i n g i n s p a c e w a s d e c r e a s e d a f t e r a p p l i c a t i o n o f d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s f o r b o t h M i x t u r e s I a n d I I . N o c o n s i s t e n t d a m a g i n g e f f e c t s o n t o r t u o s i t y a n d o r i e n t a t i o n o f m i c r o c r a c k w e r e d e t e c t e d . C h a n g e s i n m i c r o c r a c k s u r f a c e a r e a , w i t h , v o l u m e f r a c t i o n , a n d s p a c i n g w e r e l a r g e r i n M i x 1 t h a n i n M i x 1 1 . A s w i t h t h e i n - p l a n e m e a s u r e m e n t s , 8 0 % c o m p r e s s i o n + fi r e s h o w e d t h e m o s t s e v e r e d a m a g i n g e f f e c t o n t h e ( 3 - D ) m i c r o c r a c k s y s t e m , w h i l e 8 0 % c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w p r o d u c e d t h e l e a s t d a m a g i n g e f f e c t s . T h e e f f e c t o f 8 0 % c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w o n t h e m i c r o c r a c k s y s t e m f o r ( i n b o t h M i x t u r e I a n d I I ) w e r e c o m p a r a b l e t o t h e d a m a g i n g e f f e c t o f f r e e z e - t h a w e x p o s u r e a l o n e . T h i s m a y g i v e a n i n d i c a t i o n t h a t t h e c o m b i n a t i o n o f c o m p r e s s i o n a n d f r e e z e - t h a w d a m a g e t r e a t m e n t s i m p o s e d b i a x i a l e f f e c t s o n c o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h r e d u c e d t h e s e v e r i t y o f i n d i v i d u a l d a m a g e t r e a t m e n t ; t h i s fi n d i n g i s . h o w e v e r , n e e d s a d d i t i o n a l s t u d y . F i r e c a u s e d g r e a t e r d a m a g e t o c o n c r e t e m i x t u r e s t h a n e x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w b e c a u s e fi r e t e n d s t o e x h i b i t i n t e r n a l p r e s s u r e a n d t h u s d a m a g e t o c o n c r e t e s t r u c t u r e , w h i c h a i r e n t r a i n m e n t o f c o n c r e t e c o n t r o l s t h e s t r e s s a n d t h u s t h e d a m a g e c a u s e d b y f r e e z e - t h a w t r e a t m e n t s . L o n g e r - t e r m e x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w c y c l e s c o u l d a l s o p r o n o u n c e t h e d a m a g e t o c o n c r e t e . T a b l e 1 0 . 4 C h a n g e s ( % ) i n S p a t i a l M e a s u r e m e n t s f o r M i x I § V C ‘ W e s c h M ‘ s n g c h D a m a g e ( m m ‘ / m m 3 ) ( m m / m m 3 ) ( m m 3 / m m 3 ) ( m m ) E f f e c t s P r i s m a t i c S p e c i m e n s 1 0 0 % C o m p 1 5 . 1 1 0 1 6 . 9 - 1 1 . 6 - 1 . 4 4 1 4 . 6 F i r e 3 7 . 1 1 8 . 3 2 9 . 7 - 5 9 . 6 4 . 3 1 0 . 8 8 0 % C o m p + F i r e 2 3 . 9 1 8 . 9 5 0 . 7 - 1 9 . 4 1 . 1 9 - 6 . 6 7 F r e e z e - T h a w 9 . 1 2 6 . 7 5 1 0 . 8 - 1 0 . 1 - 3 . 6 - 1 1 . 7 8 0 % C o m p + F r e e z e - T h a w 1 5 . 2 5 3 3 . 2 1 3 . 8 - 8 . 5 6 1 . 2 8 2 9 . 9 C y l i n d r i c a l S p e c i m e n s 1 0 0 % C o m p 3 9 . 8 1 1 . 3 3 3 . 7 - 1 8 . 5 - 1 . 1 1 1 . 5 F i r e 8 4 . 6 1 4 . 8 7 4 . 9 - 4 3 . 6 3 . 7 5 3 1 . 9 8 0 % C o m p + F i r e 6 2 . 4 5 . 2 8 5 1 . 4 - 3 8 . 4 - 1 . 6 5 - 7 . 6 2 F r e e z e - T h a w 3 7 . 1 1 . 6 9 3 0 . 1 - 2 7 2 . 0 8 8 . 4 8 0 % C o m p + F r e e z e - T h a w 3 6 4 . 9 5 6 4 . 5 - 2 6 . 5 - 1 . 9 1 - 1 3 . 2 3 6 8 T a b l e 1 0 . 5 C h a n g e s ( % ) i n S p a t i a l M e a s u r e m e n t s f o r M i x I I D a m a g e S v c W e s c h 7 9 6 ‘ s T c s . . E f f e c t s ( m m z / m m 3 ) ( m m / m m 3 ) ( m m 3 / m m 3 ) ( m m ) ( m m / m m ) Q C 8 P r i s m a t i c S p e c i m e n s 1 0 0 % C o m p 1 8 . 4 5 . 5 4 1 3 . 6 - 1 1 . 6 2 . 4 4 - 2 2 . 6 F i r e 4 4 . 8 9 . 7 3 5 . 6 - 2 8 . 1 1 . 4 1 8 . 0 8 8 0 % C o m p + W e 2 0 . 5 8 . 1 1 3 7 . 7 - 1 3 . 5 — 1 . 2 2 2 6 . 7 F r e e z e - T h a w 5 . 8 4 4 . 6 8 8 . 4 2 - 4 . 6 1 - 2 . 4 5 - 3 1 . 8 8 0 % C o m p + F r e e z e - T h a w 1 3 . 7 4 7 . 1 7 6 . 5 — 9 . 8 7 1 . 8 8 3 8 . 6 C y l i n d r i c a l S p e c i m e n s 1 0 0 % C o m p 2 8 . 8 8 . 7 0 2 1 . 3 - 8 . 8 0 1 . 3 2 3 . 8 F i r e 5 0 . 3 1 4 . 6 2 8 . 8 - 3 3 . 5 - 7 0 5 7 . 1 8 8 0 % C o m p + F i r e 4 4 . 8 8 . 6 0 3 3 . 4 - 1 0 5 - 2 7 4 . 5 0 F r e e z e - T h a w 2 6 . 1 2 4 . 2 1 0 . 0 - 2 0 . 7 - 7 . 8 4 3 1 . 5 7 8 0 % C o m p + F r e e z e - T h a w 1 2 . 9 7 1 9 . 0 1 1 . 3 7 - 1 . 9 1 - 9 . 3 4 - 2 1 . 8 3 6 9 1 0 . 5 M I C R O C R A C K - P R O P E R T Y R E L A T I O N S H I P S C h a n g e s i n s p a t i a l m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y a n d fl e x u r a l s t r e n g t h u n d e r d i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s w e r e u s e d t o d e v e l o p t h e m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s w e r e u s e d t o r e d u c e t h e n u m b e r o f v a r i a b l e s ( s p e c i f i c s u r f a c e a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n , s p a c i n g , t o r t u o s i t y . a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n ) t h a t d i d n o t h a v e s i g n i fi c a n t 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 r f l e x u r a l s t r e n g t h . C o r r e l a t i o n s b e t w e e n t h e c h a n g e s i n e a c h o f m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n p e r m e a b i l i t y / fl e x u r a l s t r e n g t h w e r e i n v e s t i g a t e d ; 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 t h e n p e r f o r m e d t o d e t e c t w h e t h e r t h e s e v a r i a b l e s h a v e a n y 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 n c r e t e p e r m e a b i l i t y o r fl e x u r a l s t r e n g t h . T h e r e s u l t s o f c o r r e l a t i o n a n a l y s i s ( c o e f fi c i e n t s o f c o r r e l a t i o n ) a r e s h o w n i n T a b l e 1 0 . 6 . C o e f f i c i e n t s o f c o r r e l a t i o n b e t w e e n c h a n g e s i n t o r t u o s i t y a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n s s h o w e d t h e l e a s t v a l u e s f o r M i x 1 1 i n t h e c a s e o f fl e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y . c h a n g e s i n t o r t u o s i t y s h o w e d t h e l e a s t v a l u e f o r M i x 1 i n c a s e o f p e r m e a b i l i t y a n d c h a n g e s i n d e g r e e o f o r i e n t a t i o n s h o w e d t h e l e a s t c o e f fi c i e n t o f c o r r e l a t i o n f o r M i x 1 i n c a s e o f fl e x u r a l s t r e n g t h . E x a m p l e s o f g o o d a n d p o o r c o r r e l a t i o n s f o r M i x t u r e I a n d I I a r e s h o w n i n F i g u r e 1 0 . 5 a n d 1 0 . 6 . A n a l y s i s o f v a r i a n c e “ A N O V A ” ( T - t e s t ) a t 5 % l e v e l o f s i g n i f i c a n c e a l s o 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 e f f e c t s o f c h a n g e s i n t o r t u o s i t y a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n o n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y o r fl e x u r a l s t r e n g t h f o r M i x 1 1 . a n 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 c h a n g e s i n m i c r o c r a c k t o r t u o s i t y o n t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n p e r m e a b i l i t y o r c h a n g e s i n t h e m i c r o c r a c k d e g r e e o f o r i e n t a t i o n o n t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n f l e x u r a l s t r e n g t h f o r M i x 1 . H e n c e , t o r t u o s i t y a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n w e r e e l i m i n a t e d f r o m t r i a l s t o c o r r e l a t e d a m a g e t o e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s T a b l e 1 0 . 6 C o r r e l a t i o n C o e f f i c i e n t s b e t w e e n C h a n g e s i n S p a t i a l M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e C o r r e s p o n d i n g C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h a n d P e r m e a b i l i t y M i x 1 1 ( R e l a t i v e l y H i g h - M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) S t r e n g t h ) F l e x u r a l . . F l e x u r a l . . M e a s u r e m e n t s S t r e n g t h P e r m e a b i l i t y S t r e n g t h P e r m e a b i l i t y S p e c i f i c S u r f a c e A r e a - ( ) . 9 7 0 . 6 3 - 0 . 7 2 0 . 8 4 W i d t h - 0 . 3 1 0 . 9 1 - 0 . 8 7 0 . 3 5 V o l u m e F r a c t i o n - 0 . 7 5 0 . 2 3 - 0 . 9 6 0 . 8 2 S p a c i n g 0 . 8 5 - 0 . 2 5 0 . 7 3 - 0 . 4 8 T o r t u o s i t y - 0 . 9 1 0 . 1 6 0 . 1 5 - 0 . 0 9 D e g r e e o f O r i e n t a t i o n - 0 . 0 2 0 . 6 - 0 . 4 8 - 0 . 2 4 w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s . N o n l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l s w e r e e m p l o y e d t o d e v e l o p t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s a n d m i c r o c r a c k s y s t e m i n c o n c r e t e . S c a t t e r p l o t s f o r d i f f e r e n t c h a n g e s i n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s v e r s u s c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n p e r m e a b i l i t y a n d fl e x u r a l s t r e n g t h f o r m i x I a n d 1 1 ( F i g u r e s 1 0 . 7 a n d 1 0 . 8 ) w e r e p r o d u c e d t o h e l p i n p r o v i d i n g t h e t y p e o f t h e n o n l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l s . 3 7 1 I . ? u . g 9 L 2 E 9 2 X C D L r ’ t d J I 1 r 6 > Q c 2 ? 3 ‘ 1 1 X : C r 1 1 ) 0 ‘ 1 : W o D I d T C H o ( a ) G o r r e l a t i o n D E G R E E D E G R E E W I D T H ( b ) P o o r C o r r e l a t i o n F i g u r e 1 0 . 5 E x a m p l e s o f G o o d a n d P o o r C o r r e l a t i o n s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) 3 7 2 V O L U M E 2 ’ 1 1 ‘ O : m D X X C L _ I ’ J I ) a 2 V O L U M E ( a ) G o o d C o r r e l a t i o n T O R T U O I S T Y E 8 = ’ r 8 2 a E 0 2 a t r _ - 8 2 ‘ T O R T U O I S T Y ( b ) P o o r C o r r e l a t i o n F i g u r e 1 0 . 6 E x a m p l e s o f G o o d a n d P o o r C o r r e l a t i o n s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x I I ( R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h ) 3 7 3 1 0 0 I 1 1 1 1 1 E x ; ( I ) . 2 . e _ 2 a . ) 5 0 2 3 S ( U . . C O ‘ 6 0 “ r ( U 8 0 . § 2 . E - 5 0 - ~ 8 5 S P E C I F I C g W I D T H 5 1 V O L U M E - 1 0 0 1 I I 1 I I S P A C I N G 4 0 0 - 9 0 - 8 0 - 7 0 - 6 0 ~ 5 0 ~ 4 0 - 3 0 C h a n g e i n F l e x u r a l S t r e n g t h ( % ) ( a ) F l e x u r a l S t r e n g t h 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 ‘ U ) . 9 E 3 8 5 0 — e 2 6 . C O x U ( U 1 3 9 . 9 . . 2 2 0 E 8 S P E C I F I C g W I D T H 5 . V O L U M E - 5 0 1 1 I 1 1 S P A C I N G 3 O 4 0 5 0 6 0 7 O 8 O 9 0 C h a n g e i n P e r m e a b i l i t y ( % ) ( b ) P e r m e a b i l i t y F i g u r e 1 0 . 7 T r e n d s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x I ( N o r m a l - S t r e n g t h ) ) % ( s c i t s i r e t c a r a h C k I S c a r c o r c i M n i e g n a h C 1 u l i J L \ ' 5 0 1 1 1 1 I 1 4 0 r - — 3 0 _ — 2 0 h , + O l — _ . - 1 0 » — _ I S P E C I F I C - 2 0 — d " W I D T H ~ V O L U M E - 3 0 J I I ' I 1 - - S P A C I N G - 9 0 - 8 0 - 7 0 - 6 0 - 5 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 C h a n g e i n F l e x u r a l S t r e n g t h ( % ) ( a ) F l e x u r a l S t r e n g t h 5 0 1 I I 1 1 1 e \ . ° , 5 0 H 1 8 3 0 : , 4 0 — — i 3 3 0 - H E g 2 0 ~ — — O 9 5 , 1 0 — — E 8 0 — 2 . § 2 - 1 0 ~ . E 3 g ) - 2 0 1 — . + - S P E C I F I C 8 3 0 _ - W I D T H 8 V O L U M E - 4 0 I 1 g 4 I I ' S P A C I N G 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 O 8 0 C h a n g e i n P e r m e a b i l i t y ( % ) ( b ) P e r m e a b i l i t y F i g u r e 1 0 . 8 T r e n d s b e t w e e n C h a n g e s i n F l e x u r a l S t r e n g t h / P e r m e a b i l i t y a n d M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i s t i c s f o r M i x 1 1 ( R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h ) F i g u r e s 1 0 . 7 a n d 1 0 . 8 i n d i c a t e d t h a t t h e r e l a t i o n s h i p s o f c h a n g e s i n v o l u m e f r a c t i o n a n d s p a c i n g v e r s u s c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y m a y b e a s s u m e d l i n e a r f o r M i x 1 a n d M i x 1 1 . W h i l e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n c h a n g e s i n s p e c i f i c s u r f a c e a r e a a n d w i d t h v e r s u s c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y m a y b e a s s u m e d n o n l i n e a r , t h e b e s t a s s u m p t i o n ( fi t t i n g c u r v e ) f o r t h e s e r e l a t i o n s h i p s w e r e l o g o r s q u a r e f u n c t i o n s . H o w e v e r . s e v e r a l f u n c t i o n s a n d c o m b i n a t i o n s w e r e a s s u m e d w h i l e s t a t i s t i c s s o f t w a r e w a s u s e d t O d e t e r m i n e t h e d i f f e r e n t v a r i a b l e a n d t h e l e a s t e r r o r . T h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s h i p s w e r e d e v e l o p e d : M i x 1 ( n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e ) a / i ‘ = — 2 . 9 7 1 6 g ( 0 . 8 , . . . ) — 4 . 6 3 ( a W . . , . ) 2 — 0 . 6 6 6 V , . ( . + 0 . 7 1 a 2 , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 . 1 ) P : p = 0 . 8 4 8 . 8 ‘ , . ( . + 5 5 . 7 ( l . n d l / V ( . _ . . ) 2 — 0 . 6 8 6 V ” . + 0 . 5 6 a 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 2 ) M i x 1 1 ( r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ) 0 1 7 : 4 ( 0 8 ' , , . ) 2 — 3 5 . 1 L o g I a W , . , , . ) — 1 . 5 6 1 V , . . + 0 . 3 2 5 6 / 1 , . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 . 3 ) a p = — 1 2 3 2 6 g ( a s , . , 4 ) + 2 3 . 8 1 0 1 m e ) 2 + 5 . 8 9 a I / , . , . — 0 . 9 5 ( 3 / 1 , . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 . 4 ) w h e r e . ( W = c h a n g e ( % ) i n c o n c r e t e f l e x u r a l s t r e n g t h ( 3 , 0 = c h a n g e ( % ) i n c o n c r e t e p e r m e a b i l i t y 0 S ” . = c h a n g e ( % ) i n m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a f i l l / ( . 5 . = c h a n g e ( % ) i n m i c r o c r a c k w i d t h 0 1 ’ ” . = c h a n g e ( % ) i n m i c r o c r a c k v o l u m e f a c t i o n ( 7 4 m = c h a n g e ( % ) i n m i c r o c r a c k s p a c i n g i n s p a c e E r r o r s i n p r e d i c t i o n o f a b o v e p r o d u c e d n o n l i n e a r m o d e l s ( v e r s u s t e s t d a t a ) a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 1 0 . 7 . T a b l e 1 0 . 7 E r r o r s i n P r e d i c a t i o n o f T h e D e v e l o p e d M o d e l s f o r M i x t u r e s I a n d I I C h a n g e s i n C h a n g e s i n C h a n g e s i n F l e x u r a l F l e x u r a l P e r m e a b i l i t y C h a n g e s i n S t r e n g t h ( % ) S t r e n g t h ( % ) E r r o r s ( E x p e r i m e n t a l ) P e r m e a b i l i t y E r r o r s ( E x p e r i m e n t a l ) ( M o d e l ) ( % ) ( % ) ( % ) ( M o d e l ) ( % ) M i x 1 ( N o r m a l - S t r e n g t h ) - 4 2 . 3 - 3 7 . 5 - 1 1 . 2 8 4 . 2 8 7 . 2 3 . 6 - 9 2 . 3 - 8 6 . 2 - 6 . 6 8 4 . 5 8 7 . 9 4 - 7 6 . 9 - 7 1 . 6 - 6 . 9 4 6 5 . 6 6 8 . 3 4 . 1 6 - 3 2 . 7 - 2 9 . 1 - 1 0 . 7 3 4 . 7 3 6 . 2 4 . 4 1 - 5 ( ) - 4 5 . 4 - 9 . 2 1 3 9 . 9 4 2 . 5 6 . 4 1 M i x 1 1 ( R e l a t i v e l y H i g h - S t r e n g t h ) ~ 2 5 . 1 - 3 3 . 1 3 1 . 9 1 6 . 7 2 4 . 5 4 6 . 7 - 8 3 . 8 - 7 0 . 4 - 1 5 . 9 7 6 . 8 8 3 . 1 8 . 2 - 8 5 . 7 - 7 4 . 7 - l 2 . 7 7 8 . 4 9 . 4 - 6 . 3 9 - 2 3 . 8 - 2 8 1 7 . 7 2 6 . 2 2 1 . 4 - l 8 . 3 — 2 8 . 6 - 2 8 . 1 - 1 . 4 5 3 0 . 2 3 5 . 6 1 7 . 9 1 0 . 6 V E R I F I C A T I O N O F T H E D E V E L O P E D M O D E L S ” 3 " 4 4 t o d e s c r i b e t h e fl u i d fl o w i n A t h e o r e t i c a l m o d e l d e v e l o p e d b y G u e g u e n a n d D i e n e s r o c k s w a s u s e d i n t h e c u r r e n t s t u d y t o e v a l u a t e a n d v e r i f y t h e d e v e l o p e d e x p e r i m e n t a l m o d e l . T h e t h e o r e t i c a l m o d e l w a s . h o w e v e r , d e v e l o p e d b a s i c a l l y t o d e t e m i i n e p e r m e a b i l i t y a s s u m i n g t h a t fl u i d s fl o w t h r o u g h p i p e s ( c o n t i n u o u s p o r e s ) i n s i d e r o c k s . a n d t h e n t h e m o d e l w a s m o d i fi e d f o r c r a c k s i n w h i c h c a s e t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e . . - . 1 4 3 . 1 4 4 p e r m e a b i l i t y a n d p o r o s u y i n r o c k s w a s a s f o l l o w s : w h e r e . p = p e r m e a b i l i t y f : t h e f r a c t i o n o f t h e c o n n e c t e d p i p e s : 0 £ 7 5 I w = a v e r a g e h a l f - c r a c k a p e r t u r e 6 7 1 — p o r o s i t y I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e d e v e l o p e d e m p i r i c a l m o d e l . t h e r a t i o b e t w e e n p e r m e a b i l i t y O f u n d a m a g e d t o d a m a g e d s p e c i m e n s w a s i n v e s t i g a t e d b a s e d o n t h e t h e o r e t i c a l m o d e l ( E q . 1 0 . 5 ) . T h e f o l l o w i n g r e l a t i o n w a s u s e d : 7 2 ' 1 1 ' f " ” = ‘ f ” " ” ” , ¢ " " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 . 6 ) ' 0 " f a ” ' 1 7 - F 1 7 w h e r e , t h e s u b s c r i p t “ ‘ u n " r e f e r s t o u n d a m a g e d s p e c i m e n s a n d “ ( 1 ” r e f e r s t o d a m a g e d s p e c i m e n s . I n l i g h t o f p e r c o l a t i o n t h e o r y . t h e f r a c t i o n o f c o n n e c t e d p i p e s c a n b e e x p r e s s e d i n t e r m s O f c r a c k v o l u m e f r a c t i o n a n d a v e r a g e h a l f - c r a c k a p e r t u r e a s a v e r a g e c r a c k w i d t h . T h e p o r o s i t y o f c o n c r e t e d e p e n d s m a i n l y o n t h e s p e c i fi c s u r f a c e a r e a a n d s p a c i n g O f f e a t u r e s ; t h e r e f o r e . p o r o s i t y i n t h e m o d e l m a y b e e x p r e s s e d a s c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a / c r a c k s p a c i n g . E q u a t i o n 1 0 . 6 c a n b e r e w r i t t e n i n t h e f o l l o w i n g f o r m : _ 3 1 1 ) : ” : 8 3 1 ' ( ' 1 7 " W ( M m 1 ( 1 8 ' 1 " ; ) = _ , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 0 . 7 ) ' . 2 ’ . . ’ 1 ‘ I ‘ S I I ‘ i l I I ‘ - “ ’ ’ 1 6 » ! w h e r e . S V C = c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a i t = c r a c k s p a c i n g 3 7 8 T h e r a t i o o f p e r m e a b i l i t y o f u n d a m a g e d t o d a m a g e d c o n c r e t e O b t a i n e d f r o m t h e m o d i f i e d t h e o r e t i c a l m o d e l ( E q . 1 0 . 7 ) w a s c a l c u l a t e d f o r d i f f e r e n t d a m a g i n g t r e a t m e n t s w i t h t h e t w o 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 s t u d y . T h e s e v a l u e s w e r e c o m p a r e d w i t h t h e r a t i o o b t a i n e d f r o m t h e d e v e l o p e d e x p e r i m e n t a l m o d e l s ( E q . 1 0 . 2 a n d 1 0 . 4 ) . F i g u r e 1 0 . 9 p r e s e n t 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 w o m o d e l s f o r n o r m a l a n d h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e m i x t u r e s . T h e r e i s g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n t h e m o d i fi e d t h e o r e t i c a l a n d t h e d e v e l o p e d e x p e r i m e n t a l m o d e l s . T h e b e s t a g r e e m e n t b e t w e e n t w o m o d e l s w a s o b s e r v e d i n t h e c a s e o f 1 0 0 % c o m p r e s s i o n d a m a g e , w h i l e t h e l e a s t a g r e e m e n t w a s i n t h e c a s e o f c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w d a m a g e . S o m e o f t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o m o d e l s m a y 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 t h e o r e t i c a l m o d e l w a s m a i n l y d e v e l o p e d f o r r o c k s w h i c h a r e s i g n i l i c a n t l y l e s s p o r o u s t h a n c o n c r e t e a n d h a v e f a r l e s s c o n n e c t e d v o i d s a n d c r a c k s w h i c h c o m p a r e d w i t h t h e h e t e r o g e n e o u s a n d m u l t i p h a s e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e . 3 7 9 ) d e g a m a d / d e g a m a d n u ( y t i l i b a e m r e P ) d e g a m a d / d e g a m a d n u ( y t i l i b a e m r e P 5 0 4 5 6 . 1 “ } . 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 i l P r i s m T h e o 1 | 3 P r i s m E x p . C y l i n d e r T h e o C y l i n d e r E x p E S E u 1 0 0 % C F 8 C F T 8 0 % C o o \ ° + F + F 1 T h e o = T h e o r e t i c a l m o d e l D a m a g e T r e a t m e n t E x p = E x p e r i m e n t a l m o d e l C = C o m p r e s s i o n F = F i r e . F T = F r e e z e - t h a w ( a ) M i x 1 ( N o r m a l - S t r e n g t h C o n c r e t e ) I I P r i é m T h e o ' 1 3 P r i s m E x p I C y l i n d e r T h e o g m C y l i n d e r E x p 1 0 0 % c F 8 0 % c + F T 8 0 % c + F F T D a m a g e T r e a t m e n t ( b ) M i x 1 1 ( H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e ) F i g u r e 1 0 . 9 C o m p a r i s o n b e t w e e n M o d i f i e d T h e o r e t i c a l a n d D e v e l o p e d E x p e r i m e n t a l M o d e l s 3 8 0 1 0 . 7 C O N C L U S I O N S C o n c r e t e s p e c i m e n s f r o m t w o c o n c r e t e m i x t u r e 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 d a m a g i n g e f f e c t s : d a m a g e d s p e c i m e n s w e r e t e s t e d t o a s s e s s t h e e f f e c t s O f d a m a g i n g p h e n o m e n a o n c o n c r e t e e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s a n d q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s w e r e d r a w n : 1 - D i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s r e d u c 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 a n d i n c r e a s e d i t s p e m i e a b i l i t y ; t h e s e e f f e c t s w e r e m o r e p r o n o u n c e d f o r t h e c o n c r e t e m i x w i t h l o w e r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 2 - F i r e t r e a t m e n t a n d e x p o s u r e t o 8 0 % c o m p r e s s i v e s t r e s s f o l l o w e d b y f i r e c a u s e d t h e m o s t s e v e r e d a m a g e t o c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m . F i r e i n c r e a s e d t h e m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a o f n o r m a l - s t r e n g t h p r i s m a t i c a n d 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 b y 3 7 % a n d 8 5 % , r e s p e c t i v e l y . a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 5 0 % a n d 7 5 % , r e s p e c t i v e l y . F i r e a l s o i n c r e a s e d t h e m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a O f p r i s m a t i c a n d c y l i n d r i c a l h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s b y 4 5 % a n d 5 0 % , r e s p e c t i v e l y , a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 3 5 % a n d 2 8 % . r e s p e c t i v e l y . 3 - E x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w c y c l e s c a u s e d t h e l e a s t s e v e r e c h a n g e s i n m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s w h e n c o m p a r e d w i t h o t h e r d a m a g e p h e n o m e n a c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . F r e e z e - t h a w i n c r e a s e d t h e m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f n o r m a l - s t r e n g t h p r i s m a t i c a n d 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 b y 9 % a n d 3 7 % , r e s p e c t i v e l y , a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 1 0 % a n d 3 0 % , r e s p e c t i v e l y . F r e e z e - t h a w a l s o i n c r e a s e d m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a O f t h e h i g h - s t r e n g t h p r i s m a t i c a n d 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 b y 5 % a n d 2 6 % , r e s p e c t i v e l y . a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 8 % a n d 1 0 % . r e s p e c t i v e l y . 0 u O ) L ( I 4 - E x p o s u r e o f c o n c r e t e t o 8 0 % o f i t s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h p r i o r t o e x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w c y c l e s c a u s e d s i m i l a r d a m a g e t o m i c r o c r a c k s y s t e m a s t h e c a s e w h e r e f r e e z e - t h a w c y c l e s w e r e a p p l i e d a l o n e ; t h i s m a y g i v e a n i n d i c a t i o n t h a t t h e c o m b i n a t i o n o f c o m p r e s s i o n a n d f r e e z e - t h a w d a m a g e t r e a t m e n t s i m p o s e d a b i a x i a l l o a d i n g o n c o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h r e d u c e d t h e s e v e r i t y O f i n d i v i d u a l d a m a g i n g e f f e c t s . 5 - C h a n g e s i n m i c r o c r a c k t o r t u o s i t y a n d d e g r e e O f o r i e n t a t i o n i n s p a c e u n d e r d i f f e r e n t d a m a g e t r e a t m e n t s w e r e l e a s t c o r r e l a t e d w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n c o n c r e t e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y . T h i s p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e s e m e a s u r e m e n t s c o u l d b e e x c l u d e d f o r m e f f o r t s t o r e l a t e c o n c r e t e p e r f o r m a n c e t o m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s . 6 - N o n l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s e s w e r e u s e d t o d e v e l o p e m p i r i c a l m o d e l s b e t w e e n c h a n g e s i n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y o f c o n c r e t e v e r s u s t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s ( u n d e r d a m a g i n g p h e n o m e n a ) i n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s ; s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d s p a c i n g . F u r t h e r w o r k i n t h i s a r e a c a n p r o v i d e d e e p i n s i g h t i n t o m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s o f c o n c r e t e . 7 - A t h e o r e t i c a l m o d e l d e v e l o p e d t o p r e d i c t p e r m e a b i l i t y i n r o c k s w a s m o d i fi e d a n d u s e d t o e v a l u a t e t h e d e v e l o p e d e x p e r i m e n t a l m o d e l . T h e r e w a s a g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n t h e t w o m o d e l s . T h e t w o m o d e l s c a n b e s a t i s f a c t o r i l y u s e d s e p a r a t e l y o r t o g e t h e r t o r e l a t e c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e t o i t s p e r f o r m a n c e . C H A P T E R 1 1 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S T h r o u g h o u t t h e r e s e a r c h s t u d y a c o m p r e h e n s i v e q u a n t i t a t i v e a p p r o a c h t o q u a n t i f y c o n c r e t e m i c r o c r a c k s w a s d e v e l o p e d . T h e d e v e l o p e d a p p r o a c h i n c l u d e s s t a t i s t i c a l b a s i s f o r c o n c r e t e s a m p l i n g , s p e c i m e n p r e p a r a t i o n m e t h o d s f o r a u t o m a t e d m i c r o c r a c k d e t e c t i o n , i m a g e p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s f o r E S E M a n d fl u o r e s c e n t m i c r o g r a p h s , s t e r e o l o g i c a l r e l a t i o n s h i p s t o i n t e r p r e t m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s i n s p a c e . T h e p r o p o s e d a p p r o a c h w a s s u c c e s s f u l l y a p p l i e d o n c o n c r e t e m i x t u r e s i n t h e l a b o r a t o r y a n d o n fi l e d s t r u c t u r e s . C o n c r e t e m i c r o c r a c k - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s w e r e a l s o d e v e l o p e d i n t h e s t u d y . T h e p r o p o s e d a p p r o a c h a n d t h e d e v e l o p e d r e l a t i o n s h i p s c a n p r o v i d e d e e p i n s i g h t i n t o f u n d a m e n t a l o f c o n c r e t e p e r f o r m a n c e u n d e r 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 - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s a l s o e n a b l e p r a c t i c a l 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 o w a r d s a s s e s s m e n t o f i n f r a s t r u c t u r e h e a l t h c o n d i t i o n s . T h r o u g h o u t t h e s t u d y , t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s w e r e d r a w n : 1 — S p e c i m e n P r e p a r a t i o n a n d I m a g e P r o c e s s i n g & A n a l y s i s A u t o m a t e d q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s a n d v o i d s s y s t e m s r e q u i r e s p r o p e r s e l e c t i o n o f i m a g e p r o c e s s i n g O p e r a t i o n s c o m p l e m e n t e d w i t h a p p r o p r i a t e s a m p l e p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e s w h i c h h i g h l i g h t m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a g a i n s t t h e b o d y o f t h e c o n c r e t e . T h e a c c o m p l i s h m e n t s a n d c o n c l u s i o n s O f t h i s a s p e c t O f t h e s t u d y a r e s u m m a r i z e d b e l o w : 1 . 1 - A r e fi n e d s p e c i m e n p r e p a r a t i o n t e c h n i q u e w a s d e v e l o p e d t o p r e p a r e c o n c r e t e 3 8 3 s p e c i m e n s f o r E S E M i n v e s t i g a t i o n b y W o o d ’ s m e t a l i m p r e g n a t i o n . A n e w t w o - s t a g e s p e c i m e n p r e p a r a t i o n m e t h o d w a s d e v e l o p e d t o p r e p a r e c o n c r e t e s p e c i m e n s f o r fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y i n v e s t i g a t i o n . T h i s t w o - s t a g e a p p r o a c h fi r s t i m p r e g n a t e s c o n c r e t e w i t h i n k , w h i c h i s c u r e d t o fi l l c a p i l l a r y p o r e s ; s u b s e q u e n t l y , m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a r e i m p r e g n a t e d w i t h fl u o r e s c e n t e p o x y d y e . 1 . 2 - A u t o m a t i c t h r e s h o l d s c h e m e s b e s t s u i t i n g a u t o m a t e d i d e n t i f i c a t i o n o f m i c r o c r a c k s a n d v o i d s i n p r e p a r e d c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e i d e n t i fi e d ; t h e s e s c h e m e s g r e a t l y f a c i l i t a t e a u t o m a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s . I m a g e p r o c e s s i n g s c e n a r i o s w e r e d e v e l o p e d f o r d e t a c h m e n t O f i n t e r s e c t i n g m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a n d a l s o s e p a r a t i o n o f c o n n e c t e d v o i d s f o r a c c u r a t e q u a n t i fi c a t i o n o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k a n d v o i d s y s t e m . 1 . 3 - I m a g e a n a l y s i s s c h e m e s w e r e d e v e l o p e d t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n m i c r o c r a c k s a n d v o i d s a n d t o i d e n t i f y n o i s e i n c o n c r e t e m i c r o s c o p y i m a g e s . F o r m f a c t o r ( l e n g t h — w i d t h r a t i o ) o f “ 3 . 5 " w a s f o u n d t o d i s t i n g u i s h m i c r o c r a c k s f r o m v o i d s a t m a g n i fi c a t i o n s 1 2 5 X , 2 5 0 X . a n d 5 0 0 x . R e c o g n i z i n g a n d fi l t e r i n g o u t n o i s e ( p r o d u c e d d u e t o p o o r s p e c i m e n p r e p a r a t i o n a n d / o r s e t t i n g o f i n s t r u m e n t a t i o n ) f r o m c o n c r e t e m i c r o g r a p h s w e r 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 l e n g t h O f f e a t u r e s o f i n t e r e s t w i t h n o i s e a n d a d d r e s s i n g t h e c r i t i c a l l e n g t h o f t h e n o i s e . T h e c r i t i c a l l e n g t h r a n g e d f r o m 2 5 p i x e l s t o 3 5 p i x e l s b a s e d u p o n t h e u s e d m a g n i fi c a t i o n f a c t o r . I I - M o r p h o l o g i c a l O p e r a t i o n s a n d M a t h e m a t i c a l F o r m u l a t i o n s A n i m a g e p r o c e s s i n g m e t h o d o l o g y w a s d e v e l o p e d f o r a u t o m a t e d 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 O f c o n c r e t e , e m p h a s i z i n g m i c r o c r a c k a n d v o i d s y s t e m s . A r a n g e o f ( 2 - D ) 3 8 4 m a t h e m a t i c a l f o r m u l a t i o n s w a s u s e d t o q u a n t i f y p l a n a r m i c r o s t r u c t u r a l f e a t u r e s o f c o n c r e t e . S t e r e o l o g i c a l p r i n c i p l e s w e r e u s e d t o d e r i v e q u a n t i t a t i v e i n f o r m a t i o n o n t h e ( 3 - D ) m i c r o s t r u c t u r e o f c o n c r e t e b a s e d o n p l a n a r m e a s u r e m e n t s . T h e p r o p o s e d f o r m u l a t i o n s p r o v i d e a s o l i d b a s i s f o r s o f t w a r e d e v e l o p m e n t t o w a r d s a q u a n t i t a t i v e 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 o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k s a n d v o i d s y s t e m s . T h e k e y i s s u e s i n v o l v e d i n t h e p r o p o s e d a p p r o a c h t o p r o c e s s i n g a n d a n a l y s i s o f c o n c r e t e m i c r o s c o p i c i m a g e s a r e s u m m a r i z e d b e l o w : l I . 1 - T h r e s h o l d i n g . f o l l o w e d b y o p e n i n g , c l o s i n g , a n d h o l e - fi l l o p e r a t i o n s p r o v i d e t h e b a s i s t o p r o c e s s c o n c r e t e m i c r o g r a p h s w i t h s u b s t a n t i a l n o i s e . I n t h e c a s e o f i m a g e s w i t h l i m i t e d n o i s e . t h r e s h o l d i n g f o l l o w e d b y c l o s i n g , o p e n i n g , a n d h o l e - fi l l p r o v i d e d a b e t t e r a p p r o a c h t o r e m o v e n o i s e a n d p r e s e r v e f e a t u r e s o f i n t e r e s t ( m i c r o c r a c k s a n d v o i d s ) . O p e n i n g o p e r a t i o n s i n b o t h c a u s e s g e n e r a l l y r e q u i r e o n e t o t h r e e i t e r a t i o n s ; c l o s i n g o p e r a t i o n s r e q u i r e o n e t o f o u r . 1 1 . 2 - P l a n a r q u a n t i fi c a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n v o l v e d f o r m u l a t i o n s o f l e n g t h p e r u n i t a r e a . p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a , w i d t h p e r u n i t a r e a . a r e a f r a c t i o n . d e g r e e o f o r i e n t a t i o n , s p a c i n g . a n d t o r t u o s i t y . 1 1 . 3 - P l a n a r q u a n t i fi c a t i o n o f t h e v o i d s y s t e m i n v o l v e d f o r m u l a t i o n o f e q u i v a l e n t d i a m e t e r . n u m b e r p e r u n i t a r e a . a s p e c t r a t i o , f o r m f a c t o r , c o m p a c t n e s s , a n d r o u n d n e s s . I l . 4 - L i m i t e d q u a n t i fi c a t i o n o f p l a n a r a g g r e g a t e s c h a r a c t e r i s t i c s c o v e r e d a n g u l a r i t y , c o m p l e x i t y . a n d n o n e q u i a x i a l i t y i n d e x . 1 1 . 5 - P l a n a r c h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o c r a c k s o n t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e u s e d i n s t e r e o l o g i c a l f o r m u l a t i o n s t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n . s p a c i n g , w i d t h . d e g r e e o f o r i e n t a t i o n a n d t o r t u o s i t y i n s p a c e . 3 8 5 1 1 . 6 — P l a n a r c h a r a c t e r i s t i c s o f v o i d s o n t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s w e r e u s e d i n s t e r e o l o g i c a l f o r m u l a t i o n s t o q u a n t i f y t h e v o l u m e f r a c t i o n . n u m b e r p e r u n i t v o l u m e , s p e c i f i c s u r f a c e a r e a , s p a c i n g . a n d d i a m e t e r o f v o i d s i n s p a c e . 1 1 . 7 - L i m i t e d a p p l i c a t i o n o f s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p a l s t o p l a n a r m e a s u r e m e n t o f a g g r e g a t e s , a s s u m i n g d i s c g e o m e t r y , y i e l d e d f o r m u l a t i o n s f o r ( 3 - D ) c o m p l e x i t y i n d e x , t h i c k n e s s a n d n u m b e r p e r u n i t v o l u m e O f a g g r e g a t e s . L i m i t e d a p p l i c a t i o n O f s t e r e o l o g i c a l p r i n c i p a l s O f f i b e r s . a s s u m i n g c y l i n d r i c a l s h a p e . y i e l d e d f o r m u l a t i o n s f o r n u m b e r p e r u n i t v o l u m e a n d d i a m e t e r O f f i b e r s . l l l - S t a t i s t i c a l S a m p l i n g f o r Q u a n t i t a t i v e M i c r o s c o p i c I n v e s t i g a t i o n A c o m p r e h e n s i v e s t a t i s t i c a l l y - b a s e d m e t h o d o l o g y w a s d e v e l o p e d f o r s a m p l i n g o f c o n c r e t e s y s t e m s f o r t h e p u r p o s e o f q u a n t i fi c a t i o n m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s i s o f c o n c r e t e . T h e a c c o m p l i s h m e n t s o f t h i s a s p e c t o f t h e s t u d y a r e s u m m a r i z e d b e l o w : 1 1 1 . 1 - T h e p r o p o s e d a p p r o a c h s t a r t s w i t h d i v i d i n g t h e c o n c r e t e s y s t e m i n t o a p r e l i m i n a r y n u m b e r o f s u b - r e g i o n s w i t h i n w h i c h d a m a g e l e v e l i s r e l a t i v e l y u n i f o r m . A r e p r e s e n t a t i v e n u m b e r o f c o r e s s h o u l d t h e n b e t a k e n f r o m e a c h s u b - r e g i o n ; t h e m i c r o s c o p i c i n v e s t i g a t i o n s h o u l d a l s o c o v e r a r e p r e s e n t a t i v e f r a c t i o n O f s e c t i o n e d c o n c r e t e s u r f a c e ( t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n a r e c u t f o r e a c h s p e c i m e n f o r s t e r e o l o g i c a l a n a l y s e s ) . S t a t i s t i c a l c r i t e r i a t o g e t h e r w i t h d a t a g e n e r a t e d f o r 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 n d d i f f e r e n t d a m a g e c o n d i t i o n s a t v a r i o u s m a g n i fi c a t i o n l e v e l s i n o r d e r t o s e l e c t t h e r e q u i r e d f r a c t i o n o f a r e a t o b e s c a n n e d a n d t h e r e q u i r e d n u m b e r o f c o r e s t o b e t a k e n f r o m e a c h s u b - r e g i o n t o y i e l d r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s . 1 1 1 2 — A t 1 2 5 X a n d 2 5 0 X m a g n i fi c a t i o n l e v e l s . s c a n n e d a r e a s s h o u l d c o v e r 0 . 5 % a n d 2 % 3 8 6 o f c o n c r e t e s u r f a c e a r e a . r e s p e c t i v e l y , t o y i e l d r e p r e s e n t a t i v e r e s u l t s . A t 5 0 0 x m a g n i f i c a t i o n , s c a n n i n g o f 0 . 5 % s u r f a c e a r e a w o u l d b e g e n e r a l l y s u f fi c i e n t , n o t i n g t h a t h i g h e r f r a c t i o n s o f s c a n n e d s u r f a c e a r e a i m p l y m a j o r t i m e a n d c o s t e x p e n d i t u r e s . A s f a r a s t h e r e q u i r e d n u m b e r O f c o r e s p e r s u b - r e g i o n i s c o n c e r n e d , a p r e c i s i o n l e v e l O f 5 % s e e m e d t o p r o v i d e a r e a s o n a b l e b a l a n c e b e t w e e n a p p l i c a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e a p p r o a c h . 1 1 1 . 3 - t h e t y p e o f d a m a g e c o n s i d e r e d ( l o a d t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g ) p r o d u c e a s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t i n c r e a s e i n t h e l e n g t h p e r u n i t a r e a ( a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ) o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k , f o r d a m a g e d s p e c i m e n s , t h e c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a w a s g r e a t e r o n s e c t i o n s n o r m a l t o t h e d i r e c t i o n o f c o m p r e s s i v e l o a d i n g ( w h e n c o m p a r e d t o t h o s e p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f l o a d i n g ) . C o n c r e t e m i x t u r e c o m p o s i t i o n a l s o i n f l u e n c e s t h e m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a ( a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a ) o f d a m a g e d s p e c i m e n s . l V - Q u a l i t a t i v e I n v e s t i g a t i o n o f C o n c r e t e C h a n g e s i n c o n c r e t e p r o p e r t i e s a s s o c i a t e d w i t h v a r i o u s d a m a g i n g e f f e c t s w e r e q u a n t i fi e d . O b s e r v a t i o n s w e r e a l s o m a d e o n m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s o f c o n c r e t e p r i o r t o a n d a f t e r s u c h d a m a g i n g e f f e c t s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : V 1 . 1 - D i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s ( c o m p r e s s i o n , i m p a c t , f r e e z e - t h a w , f a t i g u e , f r e e z e - t h a w + c o m p r e s s i o n ) p r o d u c e d d i f f e r e n t c h a n g e s i n t h e e x t e n t a n d n a t u r e o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n w i t h i n c o n c r e t e . C o m p r e s s i o n i n c r e a s e d t h e l e n g t h , w i d t h a n d a r e a f r a c t i o n o f m i c r o c r a c k s ; f a t i g u e i n c r e a s e d t h e n u m b e r O f m i c r o c r a c k s , f r e e z e - t h a w p r o d u c e d a l e s s t o r t u o u s m i c r o c r a c k g r o w t h . a n d i m p a c t i n c r e a s e d t h e w i d t h O f m i c r o c r a c k d e n s i t y i n c r e a s e d n o t i c e a b l y i n s e c t i o n s p e r p e n d i c u l a r t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n w h e n c o m p a r e d t O t h e p a r a l l e l w i t h s e c t i o n s l o a d i n g d i r e c t i o n . I V . 2 - C o m b i n e d d a m a g e p r o c e s s e s d o n o t a l w a y s h a v e t h e e x p e c t e d a d v e r s e e f f e c t s o n c o n c r e t e s t r e n g t h ; f o r e x a m p l e . f r e e z e - t h a w d a m a g e e f f e c t a n d c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w d a m a g e e f f e c t a l m o s t h a s t h e s a m e i n fl u e n c e o n c o n c r e t e fl e x u r a l s t r e n g t h . 1 V . 3 - D i f f e r e n c e s i n t h e e x t e n t a n d p a t t e r n o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n r e fl e c t e d o n t h e d e t e r i o r a t i o n o f d i f f e r e n t p r o p e r t i e s ( fl e x u r a l s t r e n g t h , i m p a c t r e s i s t a n c e a n d p e r m e a b i l i t y ) o f c o n c r e t e a f t e r d a m a g i n g e f f e c t s . D a m a g i n g p h e n o m e n a d o n o t h a v e s i m i l a r e f f e c t s o n d i f f e r e n t p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . C o m p r e s s i o n d a m a g e s h a r p l y i n c r e a s e s 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 i m p a c t d a m a g e h a s o n l y s l i g h t e f f e c t s o n p e r m e a b i l i t y . C o m p r e s s i o n d a m a g e a l s o n o t i c e a b l y l o w e r s 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 . F a t i g u e l o a d i n g w a s m o r e d a m a g i n g t o fl e x u r a l s t r e n g t h . C o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k f o l l o w e d b y i m m e d i a t e u n l o a d i n g p r o v e d t o b e p a r t i c u l a r l y d a m a g i n g t o c o n c r e t e w h e n c o m p a r e d w i t h t h e o t h e r d a m a g i n g p h e n o m e n a 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 . I V . 4 - M i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n u n d e r c o m p r e s s i o n d a m a g e s e e m s t o r e d u c e t h e d i f f e r e n c e s i n p r o p e r t i e s O f h i g h - s t r e n g t h v e r s u s n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . l V . 5 - U n d a m a g e d c o n c r e t e ( a f t e r n o r m a l c u r i n g a n d a i r d r y i n g ) i n c o r p o r a t e s m i c r o c r a c k s , w h i c h l a r g e l y o c c u r o f i n t e r f a c e s o f c e m e n t p a s t e a n d c o a r s e a g g r e g a t e s . V a r i o u s d a m a g i n g e f f e c t s ( f r e e z e - t h a w , e l e v a t e d t e m p e r a t u r e , r e s t r a i n e d s h r i n k a g e i n n o r m a l , h o t a n d c o l d t e m p e r a t u r e , a n d c o m p r e s s i o n ) p r o d u c e d m a r k e d c h a n g e s i n t h e n a t u r e , a n d e x t e n t o f c o n c r e t e m i c r o c r a c k i n g 3 8 8 I V . 6 - V a r i a t i o n s i n t h e e x t e n t a n d p a t t e r n 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 n e t w o r k i n g ( a n d i n i t i a t i o n o f n e w m i c r o c r a c k s ) r e f l e c t o n t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n d i f f e r e n t p r o p e r t i e s ( c o m p r e s s i v e . fl e x u r a l . a n d s p l i t t i n g 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 . I V . 7 - D a m a g i n g e f f e c t s ( e . g . , f i r e e n d u r a n c e ) c a u s e n o t o n l y 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 u t a l s o i n t r o d u c e n e w c e m e n t p a s t e m i c r o c r a c k s y i e l d p a r t i c u l a r l y s e v e r e d a m a g e t o e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . I V . 8 - U n d e r c o m p r e s s i o n l o a d i n g t o p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s , a m o r e d i s t r i b u t e d s y s t e m o f f i n e r m i c r o c r a c k s i n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e y i e l d s l e s s d a m a g e t o p e r f o r m a n c e t h a n a l e s s d i s t r i b u t e d s y s t e m o f m i c r o c r a c k s w i t h l a r g e r w i d t h s . V - Q u a n t i t a t i v e A n a l y s i s o f C o n c r e t e T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t l o a d a n d e n v i r o n m e n t a l d a m a g i n g e f f e c t s o n n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m w e r e a s s e s s e d b a s e d o n q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f t h e m i c r o c r a c k s y s t e m i n p l a n e a n d i n s p a c e . S t a t i s t i c a l a n a l y s e s o f t h e q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k s y s t e m i n d a m a g e d a n d u n d a m a g e d n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s ( w i t h a n d w i t h o u t s t e e l o r c o m p o s i t e r e i n f o r c e d - r e s t r a i n e d a n d u n r e s t r a i n e d ) y i e l d e d t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s : V . 1 - C o m p r e s s i o n l o a d i n g a n d fi r e e n d u r a n c e h a v e t h e m o s t s i g n i f i c a n t e f f e c t o n n o r m a l - s t r c n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k s m e a s u r e m e n t s . C o m p r e s s i o n i n c r e a s e d c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a . w i d t h . v o l u m e f r a c t i o n , t o r t u o s i t y , a n d c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n . t o r t u o s i t y a n d d e c r e a s e d s p a c i n g i n p l a n e a n d s p a c i n g i n s p a c e , w h i l e fi r e i n c r e a s e d c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a . p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a . a r e a f r a c t i o n , a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a . w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d d e c r e a s e d s p a c i n g i n p l a n e a n d s p a c i n g i n s p a c e . V . 2 - F a t i g u e l o a d i n g h a s t h e l e a s t s i g n i fi c a n t d a m a g i n g e f f e c t o n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s . F a t i g u e d a m a g e s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a i n s p a c e . V . 3 — I m p a c t l o a d i n g d o e s n o t h a v e t h e s a m e s e v e r e e f f e c t o n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k s a s c o m p r e s s i o n o r fi r e e n d u r a n c e ; i m p a c t l o a d i n g m a i n l y i n c r e a s e d m i c r o c r a c k w i d t h i n p l a n e a n d i n s p a c e . V . 4 - c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t ( s a l t w a t e r ) h a s p r o f o u n d e f f e c t o n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o c r a c k s : i t i n c r e a s e d c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a , p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a , w i d t h p e r u n i t a r e a , a r e a f r a c t i o n , a n d c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d d e c r e a s e d s p a c i n g i n p l a n e a n d s p a c i n g i n s p a c e , w h i l e i t d o e s n o t h a v e s i g n i fi c a n t e f f e c t o n t o r t u o s i t y o r d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n s p a c e . V . 5 - H o t w a t e r i m m e r s i o n h a s s i g n i fi c a n t e f f e c t o n l e n g t h p e r u n i t a r e a , s p a c i n g i n p l a n e , c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h a n d s p a c i n g i n s p a c e o f n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . V . 6 - C o m b i n e d d a m a g i n g e f f e c t s ( c o m p r e s s i o n + f r e e z e - t h a w ) d o e s n o t p r o v i d e s e v e r d a m a g i n g e f f e c t c o m p a r e d t o c o m p r e s s i o n d a m a g e o r f r e e z e - t h a w d a m a g e ( e a c h a l o n e ) f o r n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e , h o w e v e r , m o r e s t u d i e s a r e n e e d e d t o r e a c h c o n c l u s i v e r e m a r k s . V . 7 - C o m p o s i t e r e b a r s r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s d i d n o t s h o w s e v e r e c h a n g e s i n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e ( s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o r v o l u m e f r a c t i o n ) c o m p a r e d t o s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s . V . 8 - R e s t r a i n t o f s h r i n k a g e m o v e m e n t s s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d t h e e x t e n t o f m i c r o c r a c k i n g i n a n o t h e r w i s e u n d a m a g e d n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . V . 9 - N o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e e x p e r i e n c e s m o r e m i c r o c r a c k g r o w t h a f t e r a s h o r t p e r i o d o f e x p o s u r e t o c o l d c l i m a t e t h a n h o t c l i m a t e . T h i s O b s e r v a t i o n c o u l d b e a f u n c t i o n o f t h e r e l a t i v e t h e r m a l m o v e m e n t s o f t h e c e m e n t p a s t e v e r s u s a g g r e g a t e s . V . 1 0 - U n d a m a g e d c o n c r e t e s p e c i m e n s o f n o r m a l - s t r e n g t h a n d r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e e x h i b i t e d s i m i l a r m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a f t e r s i m i l a r c u r i n g a n d a i r d r y i n g c o n d i t i o n s ( p r i o r t o a p p l i c a t i o n O f a n y d a m a g e e f f e c t s ) . V I 1 - C o m p r e s s i o n l o a d l e d t o s u b s t a n t i a l m i c r o c r a c k g r o w t h i n r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e . C o m p r e s s i o n d a m a g e i n c r e a s e d m i c r o c r a c k l e n g t h , w i d t h a n d a r e a f r a c t i o n i n p l a n e . a n d s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h a n d v o l u m e f r a c t i o n i n s p a c e . V . 1 2 - P l a n a r a n d s p a t i a l m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a r e s i g n i fi c a n t l y d i f f e r e n t i n n o r m a l - s t r e n g t h v s . r e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e u n d e r a p p l i c a t i o n O f c o m p r e s s i o n d a m a g e e f f e c t . V . 1 3 - R e l a t i v e l y h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e e x p e r i e n c e d m o r e e x t e n s i v e m i c r o c r a c k g r o w t h u n d e r i m p a c t l a d i n g t h a n n o r m a l - s t r e n g t h c o n c r e t e . V . 1 4 - T o r t u o s i t y . a n g l e o f o r i e n t a t i o n a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n a r e t h e l o w e s t m e a s u r e m e n t s t h a t h a v e b e e n a f f e c t e d b y d a m a g i n g e f f e c t s w h i l e l e n g t h p e r u n i t a r e a ( s p e c i f i c s u r f a c e a r e a ) a n d a r e a f r a c t i o n ( v o l u m e f r a c t i o n ) a r e t h e h i g h e s t m e a s u r e m e n t s t h a t h a v e b e e n a f f e c t e d b y d a m a g i n g e f f e c t s . T h e r e f o r e t h e y m a y b e u s e d a s i n d i c e s t o e v a l u a t e c o n c r e t e c o n d i t i o n r a t h e r t h a n n u m b e r o f c r a c k s . V I - F i l e d A p p l i c a t i o n o f t h e D e v e l o p e d A p p r o a c h R i g i d p a v e m e n t s l a b a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e d e c k w e r e s u b j e c t e d t o t h e p r o p o s e d a p p r o a c h t o q u a n t i f y m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s . T h e p a v e m e n t s l a b w a s d i v i d e d i n t o s e v e n h o r i z o n t a l a n d t w o v e r t i c a l s u b - r e g i o n s a n d t h e b r i d e d e c k w a s d i v i d e d i n t o 3 h o r i z o n t a l s u b - r e g i o n s t a r g e t i n g a p o w e r o f 0 . 8 f o r s t a t i s t i c a l a n a l y s e s O f q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k d a t a . A n u m b e r O f c o n c r e t e c o r e s w e r e o b t a i n e d f r o m e a c h s u b - r e g i o n , t a r g e t i n g a p r e c i s i o n l e v e l o f + 2 5 % a n d + 5 % f o r p a v e m e n t s l a b a n d b r i d e d e c k r e s p e c t i v e l y i n q u a n t i t a t i v e a n a l y s e s O f m i c r o c r a c k s y s t e m s . C o r e s w e r e c u t i n t o t w o p e r p e n d i c u l a r s e c t i o n s . w h i c h w e r e p r e p a r e d f o r t h e a u t o m a t e d a c q u i s i t i o n O f m i c r o s c o p i c i m a g e s t h r o u g h fl u o r e s c e n t m i c r o s c o p y . Q u a n t i t a t i v e m i c r o s t r u c t u r a l a n a l y s e s w e r e c o n d u c t e d f o r p l a n a r a n d s p a t i a l m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s . M e c h a n i c a l a n d t r a n s p o r t p r o p e r t i e s ( c o m p r e s s i v e a n d s p l i t t i n g s t r e n g t h , a n d p e r m e a b i l i t y ) o f c o n c r e t e c o r e s w e r e a l s o d e t e r m i n e d . S t a t i s t i c a l p r o c e d u r e s w e r e e m p l o y e d t o d e t e r m i n e t h e a d e q u a c y o f t h e n u m b e r o f c o r e s a n d s u b - r e g i o n s f o r a c h i e v i n g t h e t a r g e t e d p o w e r a n d p r e c i s i o n l e v e l s . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s w e r e d r a w n : V 1 . 1 - D u r i n g p a v e m e n t i n v e s t i g a t i o n , a s f a r a s v e r t i c a l ( t o p a n d b o t t o m ) s u b - r e g i o n s a r e c o n c e r n e d , t h e d i f f e r e n c e s i n p e r m e a b i l i t y a n d q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s w e r e n o t s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t . b u t g e n e r a l l y p o i n t e d o f h i g h e r d a m a g e l e v e l s t o t o p ( e x p o s e d ) s u b - r e g i o n s . V 1 . 2 - D u r i n g b r i d g e d e c k i n v e s t i g a t i o n , 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 s u b - r e g i o n 1 ( s e v e r e l e v e l o f d a m a g e ) v e r s u s s u b - r e g i o n I I I ( l o w l e v e l O f d a m a g e ) i n t e r m s o f m i c r o c r a c k l e n g t h p e r u n i t a r e a , p e r i m e t e r p e r u n i t a r e a , w i d t h p e r u n i t a r e a . a r e a f r a c t i o n a n d s p a c i n g ( p l a n a r m e a s u r e m e n t s ) a n d m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a , w i d t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d s p a c i n g . T h e q u a n t i f i e d m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a l s o i n d i c a t e d s t a t i s t i c a l l y s i g n i fi c a n t r i s e i n m i c r o c r a c k a r e a f r a c t i o n ( p l a n a r ) a n d v o l u m e f r a c t i o n ( s p a t i a l ) f o r c o r e s e x t r a c t e d o v e r / n e a r v i s i b l e c r a c k s V 1 . 3 - P e r m e a b i l i t y t e s t d a t a c o r r e l a t e d w e l l w i t h q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k d a t a . T h e r e w e r e s t a t i s t i c a l l y s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s b e t w e e n p e r m e a b i l i t y a n d m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s b e t w e e n s u b - r e g i o n s r a t e d d i f f e r e n t l y i n t e r m s o f v i s i b l e m a n i f e s t a t i o n s o f d a m a g e . S u b - r c g i o n s w i t h h i g h e r m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a a n d c l o s e r m i c r o c r a c k s p a c i n g e x h i b i t e d h i g h e r p e r m e a b i l i t y l e v e l s . V 1 . 4 - T h e 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 c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e i n c r e a s e i n p e r m e a b i l i t y c o m p a r e d t o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s . T h i s m a y s u g g e s t t h a t p e r m e a b i l i t y i s m o r e s e n s i t i v e t h a n m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e t o c e r t a i n l e v e l s o f d a m a g e a n d m i c r o c r a c k i n g : p e r m e a b i l i t y t e s t s t h u s p r o v i d e m o r e i n s i g h t s i n t o c o n c r e t e q u a l i t y a n d h e a l t h c o n d i t i o n t h a n i s p o s s i b l e b y o n l y m e c h a n i c a l t e s t s . G i v e n t h e s i g n i fi c a n t i m p a c t o f p e r m e a b i l i t y o n d u r a b i l i t y u n d e r w e a t h e r i n g e f f e c t s . t h i s fi n d i n g i n d i c a t e s t h a t m e c h a n i c a l t e s t r e s u l t s a l o n e m a y n o t t r u l y r e fl e c t o n d u r a b i l i t y a n d r e m a i n i n g s e r v i c e l i f e o f c o n c r e t e p a v e m e n t s . a n d q u a n t i t a t i v e m i c r o c r a c k d a t a c a n p r o v i d e r e l i a b l e i n s i g h t i n t o h e a l t h c o n d i t i o n s a n d d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e . V 1 . 5 - S p a t i a l ( 3 - D ) m i c r o c r a c k m e a s u r e m e n t s a r e m o r e p r e f e r r e d t h a n p l a n a r ( 2 - D ) m e a s u r e m e n t s t o i n v e s t i g a t e t h e d e g r e e O f d a m a g e d i s t r i b u t i o n a l o n g c o n c r e t e s t r u c t u r e s . M i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a i s t h e m o s t r e l i a b l e m e a s u r e m e n t t o b e u s e d a s t h e v i a b l e p r o b e o f c o n d i t i o n a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e . S p a t i a l ( 3 - D ) d a t a p r o v i d e a m o r e t h o r o u g h a s s e s s m e n t o f c o n c r e t e d a m a g e c o n d i t i o n s t h a n p l a n a r ( 2 - D ) d a t a . V 1 . 6 - T h e p r o p o s e d s t a t i s t i c a l a p p r o a c h t o d e t e r m i n e t h e s u f fi c i e n t n u m b e r o f s u b - r e g i o n s a n d n u m b e r o f c o r e s p e r s u b - r e g i o n w a s s u c c e s s f u l a p p l i e d t o a c h i e v e t h e t a r g e t e d p o w e r o f e x p e r i m e n t a n d p r e c i s i o n O f t h e r e s u l t s . 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 . u s i n g m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a i n d i c a t e d t h a t t h e s e l e c t e d n u m b e r o f c o r e s a n d s u b - r e g i o n s a r e r e a s o n a b l e ( w i t h s o m e m i n o r c o m p r o m i s e ) t o m e e t t h e t a r g e t e d l e v e l s o f c o n f i d e n c e . p r e c i s i o n a n d p o w e r . V I I - C o n c r e t e M i c r o c r a c k - P r o p e g t y R e l a t i o n s h i p s C o n c r e t e s p e c i m e n s f r o m t w o c o n c r e t e m i x t u r e 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 d a m a g i n g e f f e c t s : d a m a g e d s p e c i m e n s w e r e t e s t e d t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f d a m a g i n g p h e n o m e n a o n c o n c r e t e e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s a n d q u a n t i fi e d m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s w e r e d r a w n : V I I . 1 - D i f f e r e n t d a m a g i n g e f f e c t s r e d u c 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 a n d i n c r e a s e d i t s p e r m e a b i l i t y ; t h e s e e f f e c t s w e r e m o r e p r o n o u n c e d f o r t h e c o n c r e t e m i x w i t h l o w e r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . V I I . 2 - F i r e t r e a t m e n t a n d e x p o s u r e t o 8 0 % c o m p r e s s i v e s t r e s s f o l l o w e d b y fi r e c a u s e d t h e m o s t s e v e r e d a m a g e t o c o n c r e t e m i c r o c r a c k s y s t e m . F i r e i n c r e a s e d t h e m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a o f n o r m a l - s t r e n g t h p r i s m a t i c a n d 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 b y 3 7 % a n d 8 5 % . r e s p e c t i v e l y , a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 5 0 % a n d 7 5 % , r e s p e c t i v e l y . F i r e a l s o i n c r e a s e d t h e m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a O f p r i s m a t i c a n d c y l i n d r i c a l h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e s p e c i m e n s b y 4 5 % a n d 5 0 % . r e s p e c t i v e l y , a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 3 5 % a n d 2 8 % , r e s p e c t i v e l y . 3 9 4 V I I . 3 - E x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w c y c l e s c a u s e d t h e l e a s t s e v e r e c h a n g e s i n m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s w h e n c o m p a r e d w i t h o t h e r d a m a g e p h e n o m e n a c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . F r e e z e - t h a w i n c r e a s e d t h e m i c r o c r a c k s p e c i fi c s u r f a c e a r e a o f n o r m a l - s t r e n g t h p r i s m a t i c a n d 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 b y 9 % a n d 3 7 % , r e s p e c t i v e l y , a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 1 0 % a n d 3 0 % , r e s p e c t i v e l y . F r e e z e - t h a w a l s o i n c r e a s e d m i c r o c r a c k s p e c i f i c s u r f a c e a r e a o f t h e h i g h - s t r e n g t h p r i s m a t i c a n d 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 b y 5 % a n d 2 6 % . r e s p e c t i v e l y . a n d i n c r e a s e d m i c r o c r a c k v o l u m e f r a c t i o n b y 8 % a n d 1 0 % , r e s p e c t i v e l y . V l l . 4 - E x p o s u r e o f c o n c r e t e t o 8 0 % o f i t s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h p r i o r t o e x p o s u r e t o f r e e z e - t h a w c y c l e s c a u s e d s i m i l a r d a m a g e t o m i c r o c r a c k s y s t e m a s t h e c a s e w h e r e f r e e z e - t h a w c y c l e s w e r e a p p l i e d a l o n e ; t h i s m a y g i v e a n i n d i c a t i o n t h a t t h e c o m b i n a t i o n o f c o m p r e s s i o n a n d f r e e z e - t h a w d a m a g e t r e a t m e n t s i m p o s e d a b i a x i a l l o a d i n g o n c o n c r e t e s p e c i m e n s w h i c h r e d u c e d t h e s e v e r i t y O f i n d i v i d u a l d a m a g i n g e f f e c t s . V I I . 5 — C h a n g e s i n m i c r o c r a c k t o r t u o s i t y a n d d e g r e e o f o r i e n t a t i o n i n s p a c e u n d e r d i f f e r e n t d a m a g e t r e a t m e n t s w e r e l e a s t c o r r e l a t e d w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s i n c o n c r e t e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y . T h i s p r o v i d e s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e s e m e a s u r e m e n t s c o u l d b e e x c l u d e d f o r m e f f o r t s t o r e l a t e c o n c r e t e p e r f o r m a n c e t O m i c r o c r a c k a t t r i b u t e s . V l l . 6 - N o n l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s e s w e r e u s e d t o d e v e l o p e m p i r i c a l m o d e l s b e t w e e n c h a n g e s i n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d p e r m e a b i l i t y O f c o n c r e t e v e r s u s t h e c o r r e s p o n d i n g c h a n g e s ( u n d e r d a m a g i n g p h e n o m e n a ) i n m i c r o c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s ; s p e c i fi c s u r f a c e a r e a , w i d t h . v o l u m e f r a c t i o n a n d s p a c i n g . F u r t h e r w o r k i n t h i s a r e a c a n p r o v i d e d e e p i n s i g h t i n t o m i c r o s t r u c t u r e - p r o p e r t y r e l a t i o n s h i p s O f c o n c r e t e . 3 9 5 I V I I . 7 - A t h e o r e t i c a l m o d e l d e v e l o p e d t o p r e d i c t p e r m e a b i l i t y i n r o c k s w a s m o d i fi e d a n d u s e d t o e v a l u a t e t h e d e v e l o p e d e x p e r i m e n t a l m o d e l . T h e r e w a s a g o o d a g r e e m e n t b e t w e e n t h e t w o m o d e l s . T h e t w o m o d e l s c a n b e s a t i s f a c t o r i l y u s e d s e p a r a t e l y o r t o g e t h e r t o r e l a t e c o n c r e t e m i c r o s t r u c t u r e t o i t s p e r f o r m a n c e . L I T E R A T U R E C I T E D 1 . V a n M i e r , J . G . M . . ” F r a c t u r e P r o c e s s e s o f C o n c r e t e , ” C R C P r e s s , 1 9 9 6 , p p . 4 - 6 . 3 8 - 5 3 , 8 8 - 1 1 6 & 2 1 5 - 2 3 4 . 2 . N i l s e n , A U . a n d M o n t e i r o . P . J . M . , “ C o n c r e t e : A T h r e e P h a s e M a t e r i a l , ” 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 . 2 3 , N o . 1 , J a n u a r y 1 9 9 3 , p p . 1 4 7 - 1 5 1 . 3 . M e h t a , P K , a n d M o n t e i r o . P . J . M . , “ C o n c r e t e , M i c r o 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 . 1 9 9 3 . p p . 2 7 - 3 3 , 8 0 - 8 3 , & 1 2 9 - 1 3 2 . 4 . M e h t a , K . , “ H i g h - P e r f o r m a n c e C o n c r e t e D u r a b i l i t y A f f e c t e d b y M a n y F a c t o r s , ” C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n , V . 3 7 , N o . 5 , M a y 1 9 9 2 , p p . 3 6 7 - 3 7 0 . 5 . V i c t o r , C . L i . a n d M o h a m e d M . , “ T o u g h e n i n g i n C e m e n t B a s e d C o m p o s i t e s . P a r t I : C e m e n t . M o r t a r , a n d 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 C o m p o s i t e s , V . 1 8 , 1 9 9 6 , p p . 2 2 3 - 2 3 7 . 6 . R o b e r . H . . a n d C a m p b e l l - A l l e n . D . , ” H a n d b o o k o f S t r u c t u r a l C o n c r e t e , ” E d i t e d b y K o n g , F . K . . E v a n s , R . H . . C o h e n , E . , a n d R o l l , F . , C h a p t e r 4 , 1 9 8 3 , p p . 4 . 4 - 6 . 6 a n d . 5 . 4 - 5 . 8 . 7 . Y o u n g . J . F . , “ T h e M i c r o s t r u c t u r e o f H a r d e n e d P o r t l a n d C e m e n t P a s t e , ” C r e e p a n d S h r i n k a g e i n C o n c r e t e S t r u c t u r e s , E d i t e d b y B a z a n t , Z . P . , a n d W i t t m a n n , F . H , J o h n . W i l e y & S o n s L t d . 1 9 8 2 . p p . 3 - 2 2 . 8 . D i a m o n d , S . , “ C e m e n t P a s t e M i c r o s t r u c t u r e i n C o n c r e t e , ” M i c r o s t r u c t u r a l D e v e l o p m e n t D u r i n g H y d r a t i o n o f C e m e n t , M a t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y , S y m p o s i a P r o c e e d i n g s , B o s t o n . M a s s a c h u s e t t s , U S A , V . 8 5 , D e c e m b e r 2 - 4 . 1 9 8 6 , p p . 2 1 - 3 1 . 9 . W i n s l o w , D . . a n d L i u , D . , “ T h e P o r e S t r u c t u r e O f P a s t e 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 . 2 0 , N o . 2 , 1 9 9 0 . p p . 2 2 7 - 2 3 5 . 1 0 . S t J o h n , D . A . , P o l l e , A . W . , a n d S i m s , 1 . , “ C o n c r e t e P e t r o g r a p h y , ” J o h n W i l e y & S o n s I n c . , 1 9 9 8 , p p . 1 0 - 4 6 , 2 2 3 — 2 4 6 , 2 8 3 , 2 8 6 - 2 8 7 , 2 8 9 . 1 1 . L a n g e . D . A . , J e n n i n g s , H . M . , a n d S h a h , S . H . , “ T h e I n fl u e n c e o f P o r e S t r u c t u r e o n t h e P r o p e r t i e s o f C e m e n t P a s t e : I n i t i a l O b s e r v a t i o n s a b o u t R e s e a r c h — i n - P r o g r e s s , ” P o r e S t r u c t u r e a n d P e r m e a b i l i t y o f C e m e n t i t i o u s M a t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y , S y m p o s i a P r o c e e d i n g s . B o s t o n , M a s s a c h u s e t t s . U S A , V . 1 3 7 , N o v e m b e r 1 9 9 9 , p p . 4 7 - 5 4 . 1 2 . P o p o v i c s . 8 . , “ S t r e n g t h a n d R e l a t e d P r o p e r t i e s O f C o n c r e t e , A Q u a n t i t a t i v e A p p r o a c h . ” J o h n W i e l y & S o n s , I n c . , 1 9 9 8 , p p . 3 0 6 - 3 0 9 . 1 3 . L a n g e . D . A . , J e n n i n g s . H . M . , a n d S h a h , S . H . , “ 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 P o r o s i t y o f t h e S u r f a c e L a y e r o f C o n c r e t e a n d t h e I n g r e s s o f A g g r e s s i v e I o n s . ” P o r e 3 9 7 ‘ 1 ‘ ! S t r u c t u r e a n d P e r m e a b i l i t y O f C e m e n t i t i o u s M a t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y , S y m p o s i a P r o c e e d i n g s . B o s t o n , M a s s a c h u s e t t s . U . S . A . , V . 1 3 7 , N o v e m b e r 1 9 9 9 , p p . 2 7 9 - 2 8 4 . 1 4 . D e q u i e d t . A . S . , C o s t e r , M . , C h e r m a n t , L . , a n d C h e r m a n t , J . L . , “ S t u d y o f P h a s e D i s p e r s i o n i n C o n c r e t e b y I m a g e A n a l y s i s , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . 2 1 5 - 2 2 6 . 1 5 . T a y l o r . F . H . W . . “ B o u n d W a t e r i n C e m e n t P a s t e s a n d i t s S i g n i fi c a n c e f o r P o r e S o l u t i o n C o m p o s i t i o n s . ” M i c r o s t r u c t u r a l D e v e l o p m e n t D u r i n g H y d r a t i o n o f C e m e n t , M a t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y , S y m p o s i a P r o c e e d i n g s , B o s t o n , M a s s a c h u s e t t s , U . S . A . , V . 8 5 , D e c e m b e r 2 - 4 . 1 9 8 6 . p p . 4 7 - 5 4 . 1 6 . D i a m o n d , S . , a n d H u a n g , J . , “ T h e I T Z i n C o n c r e t e — A D i f f e r e n t V i e w B a s e d o n I m a g e A n a l y s i s a n d S E M O b s e r v a t i o n s , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . l 7 9 - 1 8 8 . 1 7 . D i a m o n d . S . . " C o n s i d e r a t i o n s i n I m a g e A n a l y s i s A s A p p l i e d t o I n v e s t i g a t i o n o f T h e I T Z i n C o n c r e t e . ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . l 7 l - l 7 8 . 1 8 . A C 1 M a n u a l o f C o n c r e t e P r a c t i c e . 1 9 9 5 , P a r t 1 . “ M a t e r i a l s a n d G e n e r a l p r o p e r t i e s o f C o n c r e t e , " A C I 2 0 1 . / R - 9 2 . 1 9 . M i n d e s s . S . . a n d Y o u n g . . I . F . . “ 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 . p p . 3 6 4 - 3 7 2 . 2 0 . N e m a t i , K . M . . M o n t e i r o , J . M . . a n d S c r i v e n e r , K . L . , “ A n a l y s i s O f C o m p r e s s i v e S t r e s s - l n d u c e d C r a c k s i n C o n c r e t e . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 8 , N o . 5 , S e p t e m b e r - O c t o b e r 1 9 9 8 . p p . 6 1 7 - 6 3 0 . 2 1 . Z h a n g . M . l - I . . “ M i c r o s t r u c t u r e , C r a c k P r o p a g a t i o n , a n d M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f C e m e n t P a s t e s C o n t a i n i n g H i g h V o l u m e o f F 1 y A s h e 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 . 2 5 . N o . 6 . 1 9 9 5 , p p ] 1 6 5 - 1 1 7 8 . 2 2 . L o o . Y . H . . “ 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 u n d e r U n i a x i a l C o m p r e s s i o n , ” M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V 4 7 , N o . 1 7 0 , M a r c h 1 9 9 5 , p p . 8 3 - 9 1 . 2 3 . X u a n h u i . C . a n d Y o n g q i . L . , “ D a m a g e P r o c e s s i n H a r d e n e d C e m e n t P a s t e , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l . V . 9 3 , N o . 4 , J u l y - A u g u s t 1 9 9 6 , p p . 3 7 8 - 3 8 5 . 2 4 . N a j j a r , W . S . . a n d H o v e r K . C . , “ N e u t r o n R a d i o g r a p h y f o r M i c r o c r a c k i n g S t u d i e s o f C o n c r e t e C y l i n d e r s S u b j e c t e d t o C o n c e n t r i c a n d E c c e n t r i c C o m p r e s s i v e L o a d s , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l . V . 8 6 . N o . 4 . J u l y - A u g u s t 1 9 8 9 , p p . 3 5 4 - 3 5 9 . 2 5 . L i . 7 . . . , a n d S h a h , S . P . , ” L o c a l i z a t i o n 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 u n d e r U n i a x i a l T e n s i o n . ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 l , N 0 4 , J u l y — A u g u s t , 1 9 9 4 . p p . 3 7 2 - 3 8 1 . i 2 6 . T j i p t o b r o t o , P . , a n d H a n s e n , W . , “ T e n s i l e S t r a i n H a r d e n i n g C o m p o s i t e s C o n t a i n i n g D i s c o n t i n u o u s F i b e r s . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 0 , N o . 1 , J a n u a r y - F e b r u a r y . 1 9 9 3 . p p . l 6 - 2 5 . 2 7 . V a n M i e r , J . G . M . . “ M o d e I F r a c t u r e o f C o n c r e t e : D i s c o n t i n u o u s C r a c k G r o w t h a n d C r a c k I n t e r f a c e G r a i n B r i d g i n g . ” 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 . 2 1 , N o . 1 , 1 9 9 1 , p p . l - 1 5 . 2 8 . W a n g . J . , N a v i , P . . a n d H u e t . P . , “ N u m e r i c a l A n a l y s i s o f C r a c k P r o p a g a t i o n i n T e n s i o n S p e c i m e n s o f C o n c r e t e C o n s i d e r e d a s a 2 D M u l t i c r a c k e d G r a n u l a r C o m p o s i 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 . 3 0 , J a n u a r y - F e b r u a r y 1 9 9 7 , p p ] 1 - 2 1 . 2 9 . M i s h a s h i , 1 6 1 . , a n d N o m u r a . N . , “ M i c r o c r a c k i n g a n d T e n s i o n - S o f t e n i n g P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 1 4 . 1 9 9 2 , p p . 9 1 - 1 0 3 . 3 0 . L i . Z . , “ M i c r o c r a c k C h a r a c t e r i z a t i o n i n C o n c r e t e u n d e r U n i a x i a l T e n s i o n . ” M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h . V . 4 8 . N o . 1 7 6 . S e p t e m b e r 1 9 9 6 , p p . 2 1 9 - 2 2 8 . 3 1 . G i u r i a n i . E . , a n d p L i z z a r i , G . . “ I n t e r r e l a t i o n O f S p l i t t i n g a n d F l e x u r a l C r a c k s i n R C . B e a m s . " J o u r n a l O f S t r u e t u r a l E n g i n e e r i n g , V . 1 2 4 , N o . 9 , S e p t e m b e r 1 9 9 8 , p p . 1 0 3 2 - 1 0 4 0 . 3 2 . L u b i n . G . . a n d C h e n g - T z u . H . . “ F a t i g u 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 C y c l i c L o a d i n g . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 5 , N o . 5 , S e p t e m b e r - O c t o b e r 1 9 9 8 , p p . 5 7 5 - 5 8 1 . 3 3 . 1 - l i d e y u k i . 1 1 . . f l a k . S . . a n d T i r a t h , M . , “ M e c h a n i s m O f F a t i g u e C r a c k G r o w t h i n C o n c r e t e . ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 1 4 , 1 9 9 2 , p p . 8 3 - 8 9 . 3 4 . S c h l a n g e n , E . , a n d V a n M i e r , J . G . M . . “ E x p e r i m e n t a l a n d N u m e r i c a l A n a l y s i s O f M i c r o m e c h a n i s m s o f F r a c t u r e o f C e m e n t - B a s e d C o m p o s i t e s , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s V . 1 4 , 1 9 9 2 , p p . 1 0 5 - 1 1 8 . 3 5 . R e i n h a r d t . H . W . . C o r n e l i s s e n . H . A . W . , a n d H o r d i j k . D . A . , “ T e n s i l e T e s t a n d F a i l u r e A n a l y s i s o f C o n c r e t 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 . A S C E . V . 1 1 2 , 1 9 8 6 . p p . 2 4 6 2 - 2 4 7 7 . 3 6 . M a z a r s . . I . . V e r t h a u d . Y . . a n d R a m a t a n i , S . , “ T h e U n i l a t e r a l B e h a v i o r o f D a m a g e d C o n c r e t e . " E n g i n e e r i n g F r a c t u r e M e c h a n i c s V . 3 5 , N . 4 / 5 , 1 9 9 0 , p p . 6 2 9 - 6 3 5 . 3 7 . W e i s u . Y . . a n d T h o m a s . H . , “ F a t i g u 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 i n U n e a s i l y a n d B i a x i a l C o m p r e s s i o n , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 2 , N o . 1 , J a n u a r y - I ’ c b r u a r y 1 9 9 5 . p p . 7 l - 8 l . 3 8 . . l a c o b s e n , S . . M a r c h a n d , J . , a n d H o m a i n , H . . “ S E M O b s e r v a t i o n s o f t h e M i c r o s t r u c t u r e o f F r o s t D e t e r i o r a t e d a n d s e l f - H e a l e d C o n c r e t e 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 . 2 5 . N o . 8 , 1 9 9 5 , p p ] 7 8 1 - 1 7 9 0 . — = 8 1 3 9 . J a c b s e n . 8 . , G r a n , H . C . , S e l l e v o l d . E . J . , a n d B a k k e , J . A . , “ H i g h S t r e n g t h C o n c r e t e - F r e e z e / T h a w t e s t i n g a n d C r a c k i n g , ” 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 . 2 5 , N o . 8 , 1 9 9 5 . p p . l 7 7 5 - l 7 8 0 . 4 0 . S e l l e c k . S . F . , L a n d i s . E . N . . “ P e t e r s o n , M . L . , a n d S h a h , S . P . , “ U l t r a s o n i c I n v e s t i g a t i o n o f C o n c r e t e w i t h D i s t r i b u t e d D a m a g e , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 5 , N o . 1 , J a n u a r y - F e b r u a r y 1 9 9 8 , p p . 2 7 - 3 6 . 4 1 . G o l t e r m a n n , P . . “ M e c h a n i c a l P r e d i c t i o n s o f C o n c r e t e D e t e r i o r a t i o n - P a r t 2 : C l a s s i f i c a t i o n o f C r a c k P a t t e r n s , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 2 . N o . 1 . J a n u a r y - F e b r u a r y 1 9 9 5 . p p . 5 8 ~ 6 3 . 4 2 . S h a h . S . P . , W e i s s . W . J . , a n d Y a n g , W . . ” S h r i n k a g e C r a c k i n g - C a n I t B e P r e v e n t e d ? , ” 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 9 8 , p p . 5 1 - 5 5 . 4 3 . 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 , 8 . , “ C o n t r o l o f P l a s t i c S h r i n k a g e C r a c k i n g W i t h S p e c i a l t y c e l l u l o s e F i b e r s , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 5 , N o . 4 , J u l y - A u g u s t 1 9 9 8 . p p . 4 2 9 - 4 3 5 . 4 4 . Z o n g j i n , L . , F a m i n g , L . , A l l a n , 2 . , E r i c , L . , a n d S h a h , S . P . , “ A p p l i c a t i o n o f A c o u s t i c E m i s s i o n T e c h n i q u e t o D e t e c t i o n o f 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 n C o n c r e t e , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l . V . 9 5 . N o . 1 . J a n u a r y - F e b r u a r y 1 9 9 8 , p p . 6 8 - 7 6 . 4 5 . M e h t a . K P . “ D u r a b i l i t y - C r i t i c a l I s s u e s f o r t h e F u t u r e , ” C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , J u l y 1 9 9 7 , p p . 2 7 - 3 3 . 4 6 . S h a y a n , A . , a n d Q u i c k , G . W . , “ M i c r o s c o p i c F e a t u r e s O f C r a c k e d a n d U n c r a c k e d C o n c r e t e R a i l w a y s S l e e p e r s , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 8 9 , N o . 4 , J u l y - A u g u s t , 1 9 9 2 , p p . 3 4 8 - 3 6 1 . 4 7 . G i l l o t . . I . E . . a n d S o l e s , J . A . , “ P e t r o g r a p h y o f C o n c r e t e C o r e s f r o m N e w B r u n s w i c k , R e l a t i n g t o t h e D u r a b i l i t y P r o b l e m , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 1 5 , 1 9 9 3 , p p . l O l - l l 4 . 4 8 . S a m a h . H R , a n d H o v e r K . C . , “ I n fl u e n c e o f M i c r o c r a c k i n g o n t h e M a s s T r a n s p o r t P r o p e r t i e s 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 . 9 8 , N o . 4 , J u l y - A u g u s t , 1 9 9 2 , p p . 4 1 6 - 4 2 4 . 4 9 . E n . Y . . a n d B e a u d o i n , J . J . , “ M i c r o c r a c k i n g a s a P r e c u r s o r t o D e l a y e d E t t r i n g i t e F o r m a t i o n i n C e m e n t S y s t e m 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 . 2 6 , N o . 1 0 , 1 9 9 6 , p p . l 4 9 3 - 1 4 9 8 . 5 0 . S a h u , S . . B a d g e r . S . , O s g o o d . B . , a n d T a u l o w , N . , “ P e t r o g r a p h i c A n a l y s i s o f C o n c r e t e D e t e r i o r a t i o n b y F e a t u r e R e l o c a t i o n , ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h B r o a d 8 0 t h A n n u a l M e e t i n g , J a n u a r y 7 - 1 1 , 2 0 0 1 , W a s h i n g t o n , D C . 4 0 0 5 1 . R 0 8 5 1 . P . . G o d a r t . N . , R o b e r t , L . , G e r v a i s , P . J . , a n d B r u h a t , D . , “ I n v e s t i g a t i o n O f t h e B a s i c C r e e p o f C o n c r e t e b y A c o u s t i c E m i s s 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 , V 2 7 , 1 9 9 4 , p p . 5 1 0 - 5 1 4 . 5 2 . B a z a n t , P . Z . , a n d Y u n p i n g . X . . “ D r y i n g C r e e p o f C o n c r e t e : C o n s t i t u t i v e M o d e l a n d N e w E x p e r i m e n t s S e p a r a t i n g I t s M e c h a n i s m s , ” M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s . V . 2 7 , 1 9 9 4 , p p . 3 - 1 4 . 5 3 . C a s t e l . A . , F r a n c o i s . R . , a n d A r i l g u i e , G . , ” E f f e c t O f L o a d i n g o n C a r b o n a t i o n P e n e t r a t i o n i n R e i n f o r c e d C o n c r e 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 2 9 . 1 9 9 9 , p p . 5 6 l - 5 6 5 . 5 4 . F r a n c o i s . R . , a n d A r l i g u i e . G . , “ E f f e c t o f M i c r o c r a c k i n g a n d C r a c k i n g o n t h e D e v e l o p m e n t o f C o r r o s i o n i n R e i n f o r c e d C o n c r e t e M e m b e r s , ” M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V . 5 1 . A p r i l 1 9 9 9 . p p . l 4 3 - 1 5 0 . 5 5 . A r y a . C . . a n d O f o r i - D a r k o , F . K . , “ I n fl u e n c e o f C r a c k F r e q u e n c y o n 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 , ” 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 . 2 6 , N o . 3 , 1 9 9 6 , p p . 3 4 4 - 3 5 3 . 5 6 . C h e r m a n t , J . . 1 . . . “ W h y A u t o m a t i c I m a g e A n a l y s i s ? A n I n t r o d u c t i o n t o T h i s I s s u e . ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . 1 2 7 - 1 3 1 . 5 7 . . I o h n . C . R u s s , “ T h e I m a g e P r o c e s s i n g H a n d b o o k , ” C R C P r e s s , 1 9 9 2 , p p . l - 7 . 5 8 . M o u r e t , M . , R i n g o t . E . , a n d B a s c o u l , A . , “ I m a g e A n a l y s i s : A T o o l F o r T h e C h a r a c t e r i z a t i o n o f H y d r a t i o n o f C e m e n t i n C o n c r e t e - M e t r o l o g i c a l A s p e c t s o f M a g n i f i c a t i o n o n M e a s u r e m e n t , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o i s t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . 2 0 1 - 2 0 6 . 5 9 . M i s h a s h i . H . , a n d N o m u r a . N . , “ M i c r o c r a c k i n g a n d T e n s i o n - S o f t e n i n g P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 1 4 , 1 9 9 2 , p p . 9 1 - 1 0 3 . 6 0 . S e l l e c k , S . F . . L a n d i s , E . N . , “ P e t e r s o n , M . L . , a n d S h a h , S . P . , “ U l t r a s o n i c I n v e s t i g a t i o n o f C o n c r e t e w i t h D i s t r i b u t e d D a m a g e , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 5 . N o . 1 , J a n u a r y - F e b r u a r y 1 9 9 8 . p p . 2 7 - 3 6 . 6 ] . S a k a t a . Y . . a n d O h t s u . M . , “ C r a c k E v a l u a t i o n i n C o n c r e t e M e m b e r s B a s e d o n U l t r a s o n i c S p e c t r o s c o p y . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l . V . 9 2 . N o . 6 . N o v e m b e r - D e c e m b e r , 1 9 9 5 . p p . 6 8 6 - 6 9 8 . 6 2 . P i n g . G . , Z h o n g z i , X . . P i n g . X . , a n d B e a u d o i n , J . , “ A n A . C . I m p e d a n c e S p e c t r o s c o p y S t u d y o f M i c r o - C r a c k i n g i n C e m e n t - B a s e d C o m p o s i t e s D u r i n g C o m p r e s s i v e L o a d i n g , ” 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 . 2 3 , 1 9 9 3 , p p . 6 7 5 - 6 8 2 . 4 0 1 6 3 . Z o n g j i n , L . , F a m i n g , L , A l l a n Z . . E r i c , L . . a n d S h a h , S . P . , “ A p p l i c a t i o n o f A c o u s t i c E m i s s i o n T e c h n i q u e t o d e t e c t i o n o f 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 n 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 . 9 5 . N o . 1 , J a n u a r y 1 9 9 8 , p p . 6 8 - 7 6 . 6 4 . N i l l c s o n . K . . a n d B r o d e r e s e n , K . . “ P o r e s a n d C r a c k s i n C e m e n t e d W a s t e a n d 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 2 2 , 1 9 9 2 , p p . 4 0 5 - 4 1 7 . 6 5 . P e t e r s o n . K . W . . S w a r t z . R . A . , S u t t e r , L L , a n d V a n D a m , T . J . . “ A i r V o i d A n a l y s i s O f H a r d e n e d C o n c r e t e w i t h a F l a t b e d S c a n n e r , ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h B o a r d , 8 0 ‘ h A n n u a l M e e t i n g . W a s h i n g t o n , D C . J a n u a r y 7 - 1 1 , 2 0 0 1 . p p . l - 2 4 . 6 6 . B e c k e r . J . . M . , G r o u s s o n . S . . a n d J o u r l i n . M . , “ S u r f a c e S t a t e A n a l y s i s b y M e a n s o f C o n f o c a l M i c r o s c o p y . ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . 2 5 5 - 2 5 9 . 6 7 . L i v i n g s t o n . R . A . , M a n g h n a n i . M . , a n d P r a s a d . M . , “ C h a r a c t e r i z a t i o n o f P o r t l a n d C e m e n t C o n c r e t e M i c r o s t r u c t u r e U s i n g t h e S c a n n i n g A c o u s t i c M i c r o s c o p 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 2 9 , 1 9 9 9 . p p . 2 7 8 - 2 9 1 . 6 8 . D i a m o n d , S . , a n d M i n d e s s . 8 . , “ S E M I n v e s t i g a t i o n o f F r a c t u r e S u r f a c e s U s i n g S t e r e o P a i r s : I I I F r a c t u r e S u r f a c e s o f M o r t a r 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 . 2 4 , N o . 6 . 1 9 9 4 . p p ] 1 4 0 - 1 1 5 2 . 6 9 . D a n i l a t o s , G . D . . “ I n t r o d u c t i o n t o t h e E S E M I n s t r u m e n t , ” M i c r o s c o p y R e s e a r c h a n d T e c h n i c a l J o u r n a l . V 2 5 . 1 9 9 3 . p p . 3 5 4 - 3 6 1 . 7 0 . E l e c t r O S c a n C o r p o r a t i o n , “ E S E M M o d e l 2 0 2 0 , E n v i r o n m e n t a l 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 y . O r i e n t a t i o n G u i d e t o O p e r a t i o n s D i s p l a y I n t e r f a c e R e f e r e n c e . ” V 1 , V 2 . a n d V 4 . S e p t e m b e r 1 9 9 4 , p p . 1 . l - l . 3 5 . 2 . 4 1 - 2 . 4 6 , a n d 2 . 1 - 2 . 6 . 7 1 . M a r u s i n . S . L . . “ S a m p l e P r e p a r a t i o n - t h e K e y t o E S M S t u d i e d o f F a i l e d C o n c r e t e . ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s . V . 1 7 , 1 9 9 5 , p p . 3 1 1 - 3 1 8 . 7 2 . S t u t z m a n . P . . N i s t . S p e c i m e n P r e p a r a t i o n . [ O n l i n e l A v a i l a b l e l i t i p z fi ' w \ \ \ v . c c e . c c . u i u c . c d u . i = ' I a n g e ’ m i c r o . D e c e m b e r 1 3 . 1 9 9 9 . 7 3 . H o m a i n , H . , M a r c h a n d , J , A m m o u c h e , A . , C o m m e n e , J . P . , a n d M o r a n v i l l e , M . , “ M i c r o s c o p i c O b s e r v a t i o n s o f C r a c k s i n C o n c r e t e - A n e w S a m p l e P r e p a r a t i o n T e c h n i q u e U s i n g D y e I m p r e g n a t i o n . ” 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 . 2 6 . N o . 4 . 1 9 9 6 , p p . 5 7 3 - 5 8 3 . 7 4 . G r a n , H . C . , “ F l u o r e s c e n t L i q u i d R e p l a c e m e n t T e c h n i q u e . A m e a n s o f C r a c k D e t e c t i o n a n d W a t e r : B i n d e r r a t i o D e t e r m i n a t i o n i n H i g h S t r e n g t h C o n c r e t e 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 . 2 5 . N o . 5 . 1 9 9 5 , p p . l O 6 3 — 1 0 7 4 . 4 0 2 7 5 . R u s s . . l . C . . “ I m a g e A n a l y s i s o f t h e M i c r o s t r u c t u r e o f M a t e r i a l s : I m a g e s o f M a t e r i a l s . ” E d i t e d b y D a v i d . B . W . . A l a n , R P , a n d R o n a l d . G . , O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s . I 9 9 1 . p p . 3 3 8 - 3 7 3 . 7 6 . S t a n g , H . , M o b a s h e r , B . . a n d S h a h , S . P . , “ Q u a n t i t a t i v e D a m a g e C h a r a c t e r i z a t i o n i n 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 , ” 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 2 0 , 1 9 9 0 . p p . 5 4 0 - 5 5 8 . 7 7 . R u s s . . l . C . . “ C o m p u t e r - A s s i s t e d M i c r o s c o p y . t h e M e a s u r e m e n t a n d A n a l y s i s O f I m a g e s . ” P l e n u m P r e s s . 1 9 9 0 . p p . 2 0 - 2 5 , 1 0 5 - 1 1 5 & 1 3 4 - 1 4 8 . 7 8 . C o s t e r . M . , a n d C h e r m a n t , J . L . , “ I m a g e A n a l y s i s a n d M a t h e m a t i c a l M o r p h o l o g y f o r 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 e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s . V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . l 3 3 - 1 5 1 . 7 9 . A m m o u c h c . A . . R i s s , J . , B r e y s s e , D . , a n d M a r c h a n d , J . , “ I m a g e A n a l y s i s f o r t h e A u t o m a t e d S t u d y o f M i c r o c r a c k s i n C o n c r e t e , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 . p p . 2 6 7 - 2 7 8 . 8 0 . C h e r m a n t , J . L . , C h e r m a n t , L . , C o s t e r , M . , a n d D e q u i e d t , A . 8 . . “ S o m e F i e l d s o f A p p l i c a t i o n s o f A u t o m a t i c I m a g e A n a l y s i s i n C i v i l E n g i n e e r i n g . ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , 1 5 7 - 1 6 9 . 8 1 . C h i a i a . B . . M i e r , v a n , J . G . M . . a n d V e r v u u r t , A . . “ C r a c k G r o w t h M e c h a n i s m s i n F o u r D i f f e r e n t C o n c r e t e s : M i c r o s c o p i c O b s e r v a t i o n s a n d F r a c t a l A n a l y s i 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 . 2 8 . N o . 1 . 1 9 9 8 , p p . 1 0 3 - 1 1 4 . 8 2 . K o n i n , A . . F r a n c o i s . R . , a n d A r l i g u i e . G . , “ A n a l y s i s O f P r o g r e s s i v e D a m a g e t o R e i n f o r c e d O r d i n a r y a n d H i g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e i n R e l a t i o n t o L o a d i n g , ” M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s , V 3 1 . J a n u a r y - F e b r u a r y , 1 9 9 8 , p p . 2 7 - 3 5 . 8 3 . K o s c , S . , G u l e r . M . , B a h i a . H . , a n d M a s a d . E . , “ D i s t r i b u t i o n O f S t r a i n s W i t h i n A s p h a l t B i n d e r s i n H M A U s i n g I m a g i n g a n d F i n i t e E l e m e n t T e c h n i q u e s . ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h B o a r d 7 9 l h A n n u a l M e e t i n g . W a s h i n g t o n , D C , J a n u a r y 1 1 - 1 5 . 2 0 0 0 . p p . l - 2 1 . 8 4 . G a r b o c z i . E . J . , B e n t z . P . D . . Q u e n a r d , D . A . , K u n z e l , H . M . , B a r u c h e l , J . , P e y r i n , F . , a n d M a r t y s . N . S . . “ M i c r o s t r u c t u r e a n d T r a n s p o r t P r o p e r t i e s O f P o r o u s B u i l d i n g M a t e r i a l s . 1 1 : T h r e e - D i m e n s i o n a l X - r a y T o m o g r a p h i c S t u d i e s , ” M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s , V 3 3 , 2 0 0 0 . p p . 1 4 7 - 1 5 3 . 8 5 . . I o u r l i n . M . , R o u x , B e r n a r d . a n d F a u r e , R . , “ R e c o g n i t i o n O f C l i n k e r P h a s e d b y A u t o m a t i c I m a g e A n a l y s i s , “ C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 , 2 0 7 - 2 1 4 . 8 6 . R i n g o t . E . a n d B a s c o u l . A . . “ A b o u t t h e A n a l y s i s 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 , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s . V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . 2 6 1 - 2 6 6 . 4 0 3 8 7 . L a n g e . D . A . , “ 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 C h a r a c t e r i z a t i o n o f P o r e S t r u c t u r e o f C e m e n t - B a s e d M a t e r i a l 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 . 2 4 , N o . 5 , 1 9 9 4 , p p . 8 4 1 - 8 5 3 . 8 8 . U n d e r w o o d . E . E . . “ Q u a n t i t a t i v e S t e r e o l o g y , ” A d d i s o n - W e s l e y P u b l i s h i n g C o m p a n y , 1 9 7 0 . p p . 4 8 - 7 9 & 8 0 - 1 0 5 . 8 9 . K u o . C . Y . , a n d F r e e m a n . R . B . , “ I m a g i n g I n d i c e s F o r Q u a n t i fi c a t i o n o f S h a p e , A n g u l a r i t y , a n d S u r f a c e T e x t u r e o f A g g r e g a t e , ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h B o a r d , 7 9 ' h A n n u a l M e e t i n g . W a s h i n g t o n , D C , J a n u a r y 9 - 1 3 , 2 0 0 0 , p p . 1 - 2 2 . 9 0 . A l i g i z a k i , K . K . . a n d C a d y , P . D . , “ A i r C o n t e n t a n d S i z e D i s t r i b u t i o n o f A i r V o i d s i n H a r d e n e d C e m e n t P a s t e s U s i n g T h e S e c t i o n - A n a l y s i s M e t h o d , ” 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 2 9 , 1 9 9 9 . p p . 2 7 3 - 2 8 0 . 9 1 . P l e a u , R . , P i g e o n . M . , a n d L a u r e n c o t . J . L . , “ S o m e F i n d i n g s o n T h e U s e f u l n e s s o f I m a g e A n a l y s i s F o r D e t e r m i n a t i o n T h e C h a r a c t e r i s t i c s o f T h e A i r - V o i d S y s t e m o n H a r d e n e d C o n c r e t e , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 . 2 3 7 - 2 4 6 . 9 2 . D e q u i e d t . A . S . , C o s t e r , M . , C h e r m a n t , L . , a n d C h e r m a n t , J . L . “ D i s t a n c e s B e t w e e n A i r - V o i d s i n C o n c r e t e b y A u t o m a t i c M e t h o d , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 . 2 4 7 - 2 5 4 . 9 3 . M o w a r , S . . Z a m a n , M . , S t e a m s , D . W . , a n d R o e g i e r s . J . C . , “ M i c r o - M e c h a n i s m s o f P o r e C o l l a p s e i n L i m e s t o n e , ” J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , V . 1 5 , 1 9 9 6 . p p . 2 2 l - 2 3 5 . 9 4 . R u s s . J . C . , “ P r a c t i c a l S t e r e o l o g y , ” P l e n u m P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 8 6 . p p . 1 0 3 - 1 2 0 . 9 5 . W e i b e l . R . W . , “ S t e r e o l o g i c a l M e t h o d s ; P r a c t i c a l f o r B i o l o g i c a l M o r p h o m e t r y , ” V o l u m e 1 . A c a d e m i c P r e s s , 1 9 7 9 , p p . 1 - 3 & 4 0 - 4 5 . 9 6 . U n d e r w o o d , E . E . , “ B a s i c S t e r e o l o g y ; F o u r t h l n t e m a t i o n a l C o n g r e s s f o r S t e r e o l o g y . ” N a t i o n a l B u r e a u o f S t a n d a r d s , G a i t h e r s b u r g , M a r y l a n d , U . S . A . , S e p t e m b e r 4 - 9 , 1 9 7 5 , p p . 5 0 9 - 5 1 2 . 9 7 . P e t r o v . 1 . . a n d S c h l e g e l , E . , “ A p p l i c a t i o n o f A u t o m a t i c I m a g e A n a l y s i s f o r t h e I n v e s t i g a t i o n o f A u t o c l a v e d A e r a t e d C o n c r e t e S t r u c t u r 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 . 2 4 , N 5 . 1 9 9 4 . p p . 8 3 0 - 8 4 0 . 9 8 . D e h o f f . R . T . , a n d R h i n e s , F . . N . , “ Q u a n t i t a t i v e M i c r o s c o p y : S u r f a c e A r e a a n d L e n g t h i n V o l u m e , ” M c G r a w - H i l l , I n c . , 1 9 6 8 , p p . 1 0 2 - 1 2 5 & 1 4 9 , 1 9 6 . 9 9 . S t r o e v e n . P . , S t r o e v e n . A . P . , a n d D a l h u i e s n , D . H . , “ I m a g e A n a l y s i s i f N a t u r a l C o n c r e t e S a m p l e s b y A u t o m a t e d a n d M a n u a l P r o c e d u r e s . ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s . V . 2 3 , 2 0 0 1 , p p . 2 2 7 - 2 3 6 . 4 0 4 1 0 0 . C h e r m a n t , J . L . , C h r e m a n t , L . , C o s t e r , M . , a n d D e q u i e d t , A . 8 . , “ S o m e F i e l d s O f A p p l i c a t i o n s o f A u t o m a t i c I m a g e A n a l y s i s i n C i v i l E n g i n e e r i n g , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s , V . 2 3 , 2 0 0 1 . p p . 1 5 7 - 1 6 9 . 1 0 1 . . M o b a s h e r , B . , S t a n g , H . , a n d S h a h , S . P . , “ M i c r o c r a c k i n g 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 , ” 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 2 0 , 1 9 9 0 , p p . 6 6 5 - 6 7 6 . 1 0 2 . W e i b e l , R . W . , “ S t e r e o l o g i c a l M e t h o d s ; T h e o r e t i c a l F o u n d a t i o n s . ” V o l u m e 2 , A c a d e m i c P r e s s , 1 9 8 0 , p p ] 1 6 - 1 2 5 & 2 6 1 - 2 6 3 . 1 0 3 . D e h o f f . R T , “ T h e D e t e r m i n a t i o n O f t h e S i z e D i s t r i b u t i o n o f E l l i p s o i d a l P a r t i c l e s F r o m M e a s u r e m e n t s M a d e o n R a n d o m P l a n e S e c t i o n s , ” T r a n s a c t i o n s O f t h e M e t a l l u r g i c a l S o c i e t y o f A I M E , V . 2 2 4 , J u n e 1 9 6 2 , p p . 4 7 4 - 4 7 7 . 1 0 4 . A S T M C 1 8 3 - 9 7 , “ P r a c t i c e f o r S a m p l i n g a n d t h e A m o u n t o f T e s t i n g o f H y d r a u i c C e m e n t . ” A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V 4 , 2 0 0 0 . 1 0 5 . L 1 . K . S . . “ A C o m p o u n d S a m p l i n g S c h e m e f o r A c c e p t i n g 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 2 6 . 1 9 9 3 , p p . 5 1 7 - 5 2 1 . 1 0 6 . A S T M C 2 9 5 - 9 8 . “ G u i d e f o r P e t r o g r a p h i c E x a m i n a t i o n o f A g g r e g a t e s f o r C o n c r e t e , ” A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V 4 , 2 0 0 0 . 1 0 7 . A S T M C 8 5 6 - 9 5 6 ] , “ P r a c t i c e f o r P e t r o g r a h i c E x a m i n a t i o n O f H a r d e n e d C o n c r e t e , ” A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , ” V 4 . 2 0 0 0 . 1 0 8 . A S T M C 4 5 7 - 9 8 , “ T e s t M e t h o d f o r M i c r o s c o p i c a l D e t e r m i n a t i o n o f P a r a m e t e r s o f t h e A i r - V o i d S y s t e m i n H a r d e n e d C o n c r e t e . “ A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , V 4 , 2 0 0 0 . 1 0 9 . A S T M C 1 3 5 6 M - 9 6 , T e s t M e t h o d f o r t h e Q u a n t i t a t i v e D e t e r m i n a t i o n o f P h a s e s i n P o r t l a n d C e m e n t C l i n k e r b y M i c r o s c o p i c a l P o i n t - C o u n t P r o c e d u r e [ M e t r i c ] , ” A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s . ” V 4 . 2 0 0 0 . l 1 0 . T a b s h , S . W . . a n d A s w a d . A . . “ S t a t i s t i c s o f H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e C y l i n d e r s . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 4 , N o . 5 , S e p t e m b e r - O c t o b e r 1 9 9 7 , p p . 3 6 1 - 3 6 4 . l 1 1 . K r i v i a k . G . J . , a n d S c a n l o n , A . . “ E s t i m a t i o n o f 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 i n E x i s t i n g S t r u c t u r e s B a s e d o n i n S i t u T e s t D a t a , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 8 4 , N o . 3 , M a y - . l u n e , 1 9 8 7 , p p . 2 3 5 - 2 4 5 . 1 1 2 . N e t t e r . J . , W a s s e r m a n . W . , a n d W h i t m o r e , G . A . , “ A p p l i e d S t a t i s t i c s , ” S i m o n & S c h u s t e r I n c . , 4 ‘ " e d . , 1 9 9 3 . p p . 2 1 8 - 2 9 4 & 6 5 1 - 6 6 4 . 1 1 3 . M i l t o n . J . S . , a n d A r n o l d . J . C . , “ P r o b a b i l i t y a n d S t a t i s t i c s i n t h e E n g i n e e r i n g a n d C o m p u t i n g S c i e n c e . ” M c G r a w - H i l l , I n c . , 1 9 8 6 . p p . 6 3 3 - 6 3 9 & 5 9 0 - 5 9 1 . 4 0 5 1 1 4 . D e v o r e . J . L . , “ P r o b a b i l i t y a n d S t a t i s t i c s f o r E n g i n e e r i n g a n d T h e S c i e n c e s . ” D u x b u r y P r e s s , 1 9 9 0 . p p . 3 7 1 - 3 8 5 & 6 7 9 - 6 8 0 . 1 1 5 . A i m i n . X . . a n d A h m a d 8 . , “ I n v e s t i g a t i o n o f C o n c r e t e F r o m B r i d g e S t r u c t u r e s M a d e W i t h B l e n d e d C e m e n t s . ” P r o c e e d i n g s - C o n f e r e n c e o f t h e A u s t r a l i a n R o a d R e s e a r c h B o a r d . A R R B , V . 1 7 . N o . 4 , 1 9 9 4 . p p . 1 5 6 - 1 8 0 . 1 1 6 . S h a y a n , A . . M o r r i s . H . , a n d D o o l a n , T . , “ I n v e s t i g a t i o n o f C r a c k i n g o f P r e c a s t C o n c r e t e B r i d g e P i l e s S u b m e r g e d i n T i d a l R i v e r i n N o r t h e r n N S W , ” P r o c e e d i n g s - C o n f e r e n c e o f t h e A u s t r a l i a n R o a d R e s e a r c h B o a r d , A R R B , V . 1 7 , N o . 4 , 1 9 9 4 , p p . 1 1 8 - 1 4 1 . I 1 7 . T a y . D . C . K . . a n d T a m . C . T . . “ I n S i t u I n v e s t i g a t i o n o f t h e S t r e n g t h o f D e t e r i o r a t e d C o n c r e t e . ” C o n s t r u c t i o n a d B u i l d i n g M a t e r i a l s . V . 1 0 , N o . 1 . F e b 1 9 9 6 , p p . 1 7 - 2 6 . 1 1 8 . R i n g o t . E . . “ A u t o m a t i c Q u a n t i fi c a t i o n o f M i c r o c r a c k s N e t w o r k b y S t e r e o l o g i c a l M e t h o d o f T o t a l P r o j e c t i o n i n M o r t a r s a n d C o n c r e t e 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 . 1 8 . N o . 1 , 1 9 8 8 . p p . 3 5 - 4 3 . 1 1 9 . E m m a n u e l . K . . a n d D a v i d D . . “ S u b m i c r o c r a c k i n g i n C e m e n t P a s t e a n d M o r t a r , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l . V . 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 . 4 9 1 - 5 0 0 . 1 2 0 . W o r t i n g , D . , B a l a d i , G . . B u c h , N . , a n d B o w e r , S . , “ P a v e m e n t D i s t r e s s a n d S e l e c t i o n o f R e h a b i l i t a t i o n a l t e r n a t i v e s : M i c h i g a n P r a c t i c e , ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d , N o . 1 6 2 9 , N o v . 1 9 9 8 . p p . 2 1 4 - 2 2 5 . I 2 1 — V e p a . T . S . . G e o r g e . K . P . . a n d S h e k h a r a n , A . R a j a , “ P r e d i c t i o n o f P a v e m e n t l i f e . ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d . N o . 1 5 2 4 . S e p . 1 9 9 6 , p p . 1 3 7 - 1 4 4 . 1 2 2 - M c N e r n e y , M . T . . a n d M c C u l l o u g h , B . F . . “ F a t i g u e C r a c k i n g i n R i g i d A i r fi e l d P a v e m e n t s a t L a r g e C o m m e r c i a l - S e r v i c e A i r p o r t s , ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d , N o . 1 7 0 3 , 2 0 0 0 . p p . 6 5 - 7 1 . 1 2 2 - A l - Q a d i , I L , a n d A b O - Q u d a i s , S . A . . ” J o i n t W i d t h a n d F r e e z e / T h a w e f f e c t s o n J o i n t S e a l a n t P e r f o r m a n c e , ” J o u r n a l O f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g , V . 1 2 1 , N o . 3 , M a y - . l u n 1 9 9 3 , p p . 2 6 2 - 2 6 6 . 1 2 4 - C u t t e l l . G . D . . S n y d e r , M . B . , V a n d e n b o s s c h e , J . M . . a n d W a d e , M . J . , “ P e r f o r m a n c e o f R i g i d P a v e m e n t s C o n t a i n i n g R e c y c l e d C o n c r e t e A g g r e g a t e s , ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d . N o . 1 5 7 4 . N o v . 1 9 9 6 . P P . 8 9 - 9 8 . 1 2 5 - R a m s a m o o j , D . V . . “ F r a c t u r e o f H i g h w a y a n d A i r p o r t P a v e m e n t s . ” E n g i n e e r i n g F r a c t u r e M e c h a n i c s . V . 4 4 . N o . 4 , M a r . l 9 9 3 , p p . 6 0 9 — 6 2 6 . 4 0 6 1 2 6 - H e a t h , A . C . . a n d R o e s l e r , J . R . “ T o p - d o w n C r a c k i n g O f R i g i d P a v e m e n t s C o n s t r u c t e d w i t h F a s t - s e t t i n g H y d r a u l i c C e m e n t C o n c r e t e . ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d . N o . 1 7 2 1 . 2 0 0 0 . p p . 3 - 1 2 . 1 2 7 - T a y a b j i . S . D . , S t e o h a n o s , P . J . , a n d D a v i s , W . P . , “ E v a l u a t i o n a n d R e h a b i l i t a t i o n D e s i g n O f 1 - 4 9 5 i n D e l w a r e , ” T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h R e c o r d , N o . 1 4 4 9 , D e c . 1 9 9 4 , p p . 1 5 9 - 1 6 8 . 1 2 8 - C h a m b e r l i n , W . P . . “ L o n g - T e r m E v a l u a t i o n o f U n p r o t e c t e d C o n c r e t e B r i d g e D e c k s . ” R e s e a r c h R e p o r t . N e w Y o r k S t a t e 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 . E n g i n e e r i n g R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t B u r e a u , N o v . 1 9 8 5 , p p . 1 - 1 0 . 1 2 9 - R e n g a s w a m y . N . S . . B a l a s u b r a m a n i a n , T . M . , S r i n i v a s a n , S . , M a h a d e v a L . Y . . a n d B a p u . R . H . , “ C o r r o s i o n S u r v e y o f B r i d g e s , ” I n d i a n C o n c r e t e J o u r n a l , V . 6 1 , N o . 6 , J u n e 1 9 8 7 . p p . 1 4 7 - 1 5 1 . 1 3 0 - W e y e r s , R . 1 3 . . “ S e r v i c e L i f e M o d e f o r C o n c r e t e S t r u c t u r e s i n C h l o r i d e L a d e n E n v i r o n m e n t s . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 5 , N o . 4 , J u l - A u g 1 9 9 8 , p p . 4 4 5 - 4 5 3 . 1 3 1 - V a l . D . V . . S t e w a r t , M . , G . , a n d M e l c h e r s , R . B , “ E f f e c 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 o n R e l i a b i l i t y O f H i g h w a y B r i d g e s , ” E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s , V . 2 0 , N o . 1 1 , N o v . 1 9 9 8 , p p . 1 0 1 0 — 1 0 1 9 . 1 3 2 - P a u l s s o n , J . , a n d S i l f w e r b r a n d . J . . “ D u r a b i l i t y o f R e p a i r e d B r i d g e D e c k O v e r l a y s , ” C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , V . 2 0 , N o . 2 , F e b . 1 9 9 8 , p p . 7 6 - 8 2 . 1 3 3 - B a b a e i . K . , “ S o l u t i o n s t O C o n c r e t e B r i d g e D e c k C r a c k i n g , ” C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , V . 1 9 . N o . 7 . J u l y 1 9 9 7 . p p . 3 4 - 3 7 . 1 3 4 - C a r s e , A . . “ M e a s u r e m e n t s o f C o n c r e t e E x p a n s i v e S t r a i n s D u e t o A l k a l i - S i l i c a R e a c t i o n i n A u s t r a l i a n C o n c r e t e S t r u c t u r e 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 . 2 0 , N o . 3 . M a y 1 9 9 0 . p p . 3 7 6 - 3 8 4 . I 3 5 - M o h a m m a d , M . S . , a n d F l o y d , 0 . S . , “ M i c r o c r a c k i n g o f H i g h a n d N o r m a l S t r e n g t h C o n e r e t e s U n d e r S h o r t - a n d L o n g - T e r m L o a d i n g s , ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 8 6 , N o . 2 , M a r c h - A p r i l 1 9 8 9 , p p . 1 1 7 - 1 2 7 . 1 3 6 - R a m o n . L . C . . F l o y d , 0 . S . . a n d A r t h u r H . N . , “ M i c r o c r a c k i n g a n d B e h a v i o r o f H i g h S t r e n g t h C o n c r e t e S u b j e c t t o S h o r t - T e r m L o a d i n g . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 1 1 . M a y - . I u n e 1 9 8 1 , p p . 1 7 9 - 1 8 6 . 1 3 7 - S c r i v e n e r , K . L . , “ T h e m i c r o s t r u c t u r e o f C o n c r e t e , ” M a t e r i a l S c i e n c e O f C o n c r e t e 1 , E d i t e d b y S k a l n y , J . P . . T h e A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y , I n c . , 1 9 8 9 , p p . 1 2 7 - 1 6 1 . 1 3 8 - G a r b o c z i . B I a n d B e n t z , D . P . , “ M i c r o s t r u c t u r e - P r o p e r t y R e l a t i o n s h i p s i n C o n c r e t e : F r o m N a n o m e t e r s t o C e n t i m e t e r s , ” 2 n d C A N M E T / A C I I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m . 4 0 7 “ 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 o s A n g e l e s , N e v a d a , J u n e 1 1 - 1 4 , 1 9 9 5 , p p . 5 7 3 - 5 8 5 . 1 3 9 - G e t t u . R . . A g u a d o , A . . a n d O l i v e i r a , M . O . F . , “ D a m a g e i n H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e D u e t o M o n o t o n i c a n d C y c l i c C o m p r e s s i o n - A S t u d y B a s e d o n S p l i t t i n g T e n s i l e S t r e n g t h . ” A C 1 M a t e r i a l s J o u r n a l , V . 9 3 , N o . 6 , N o v e r m b e r - D e c e m b e r 1 9 9 6 . p p . 5 1 9 - 5 2 3 . 1 4 0 - S a i t o , M . , O h t a , M . , a n d l s h i m o r i , H . , “ 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 S u b j e c t e d t o F r e e z e — T h a w D a m a g e , ” C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s V . 1 6 , 1 9 9 4 , p p . 2 3 3 - 2 3 9 . 1 4 1 - K o n i n . A . , F r a n c o i s . R . , a n d A r l i g u i e , G . , “ A n a l y s i s o f P r o g r e s s i v e D a m a g e t o R e i n f o r c e d O r d i n a r y a n d H i g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e i n r e l a t i o n t o L o a d i n g , ” M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s . V . 3 1 . . l a n u a r y - F e b r u a r y 1 9 9 8 , p p . 2 7 - 3 5 . 1 4 2 . Z h a n g , B . , “ R e l a t i o n s h i p B e t w e e n P o r e S t r u c t u r e a n d M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f O r d i n a r y C o n c r e t e U n d e r B e n d i n g F a t i g u 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 . 2 8 , N o . 5 . 1 9 9 8 , p p . 6 9 9 - 7 1 1 . 1 4 3 - G u e g u e n , Y . . a n d D i e n e s , J . . “ T r a n s p o r t P r o p e r t i e s O f R o c k s f r o m S t a t i s t i c s a n d P e r c o l a t i o n , ” M a t h e m a t i c a l G e o l o g y , V . 2 1 , N o . 1 , 1 9 8 9 , p p . 1 - 1 3 . 1 4 4 - G u e g u e n , Y . . D a v i d , C . , a n d D a r o t , M . , “ M o d e l s a n d T i m e C o n s t a n t s f o r P e r m e a b i l i t y E v o l u t i o n , ” G e o p h y s i c a l R e s e a r c h L e t t e r s , V . 1 3 , N o . 5 , M a y 1 9 8 6 , p p . 4 6 0 - 4 6 3 . 4 0 8 i - . . a . ” ; “ I ' ; f . ’ I 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 2 1 I I I I I I I I I I I I I I I I L I I I I I I I