Ultra High-Performance Fiber-Reinforced Concrete (UHPFRC): a review of material properties and design procedures

Abstract

ABSTRACT This paper does a review of the recent achievements on the knowledge of UHPFRC properties and in the development of design procedures. UHPFRC is defined as a new material, with unique properties (high ductility, low permeability, very high strength capacity in compression, higher toughness) in comparison to conventional concrete. It is important to know both material and mechanical properties to fully take advantage of its outstanding properties for structural applications. However, since this is a new material, the current design codes are not well suited and should be reviewed before being applied to UHPFRC. In the first part, the following material properties are addressed: hydration process; permeability; fibers role; mix design; fiber-matrix bond properties workability; mixing procedure; and curing. In the second part, the mechanical properties of the material are discussed, together with some design recommendations. The aspects herein examined are: size effect; compressive and flexural strength; tensile stress-strain relation; shear and punching shear capacity; creep and shrinkage; fracture energy; steel bars anchorage and adherence. Besides, the tensile mechanical characterization is described using inverse analysis based on bending tests data. In the last part, material behavior at high temperature is discussed, including physical-chemical transformations of the concrete, spalling effect, and transient creep. In the latter case, a new Load Induced Thermal Strain (LITS) semi-empirical model is described and compared with UHPC experimental results.RESUMO Este artigo faz uma análise dos recentes avanços nas pesquisas das propriedades do CUADRF e dos seus procedimentos normativos. O CUADRF pode ser definido como um novo material, com propriedades muito superiores (grande ductilidade, baixíssima permeabilidade, altíssima capacidade resistente à compressão e elevada tenacidade) às do concreto convencional. O conhecimento das propriedades mecânicas e do material do CUADRF é importante para que todo o seu potencial seja plenamente utilizado. Entretanto, como este é um novo material, as recomendações normativas atuais não são plenamente válidas. Na primeira parte, as seguintes propriedades do material são descritas: processo de hidratação; permeabilidade; efeito dos diferentes tipos de fibras; definição do traço; aderência entre as fibras e o concreto; trabalhabilidade; procedimentos de mistura; e cura. Na segunda parte, as propriedades mecânicas e algumas recomendações normativas são discutidas. Neste caso são examinados o efeito escala, a resistência à compressão e à flexão, a relação tensão-deformação à tração, a força de cisalhamento e de punção, a fluência e a retração, a energia de fratura, a ancoragem e aderência das barras de aço. Além disso, são descritos alguns métodos de análise inversa para a caracterização do material à tração por meio de ensaios à flexão. Na última parte, é analisado o comportamento do concreto em alta temperatura, incluindo as suas transformações físico-químicas, o efeito de lascamento (“spalling”) e a fluência transiente. Neste último caso, um novo modelo semi-empírico de fluência, baseado no conceito de deformação térmica induzida pelo carregamento ou LITS (Load induced Thermal Strain) é apresentado e comparado com resultados experimentais de CUAD.