Flexural fatigue of high-strength plain and fiber-reinforced concrete: influence of mesostructure and study of size effect

Abstract

Equal fatigue tests in concrete, meaning those performed on exactly equal or homothetic specimens subjected to the same stress levels, present two problems yet to be solved. On the one hand, the high dispersion of the results, which causes the fatigue life in two apparently identical elements to vary by up to two or more orders of magnitude. On the other hand, the size effect, whereby fatigue strength decreases with increasing element size. The aim of this research work is to study these two issues in depth. Regarding the first one, the influence of the dispersion of concrete mesostructure on the dispersion of fatigue results will be studied; in particular, it will be evaluated whether the stochastic arrangement of fibers (in fiber concrete) or pores (in plain concrete) explains the variability of fatigue life. As for the size effect, fatigue tests will be performed on geometrically similar specimens subjected to the same equivalent stress levels. Macroscopic damage indicators, such as crack opening, will be used to determine the magnitude of the size effect and its variation according to the type of concrete (plain concrete and fiber-reinforced with different fiber contents). The results reveal that the arrangement of fibers and pores varies significantly in apparently identical specimens, and that this partly explains the dispersion of fatigue results. However, the estimation of the fatigue response of concrete from its mesostructure requires complex models, comprising several geometrical parameters of various components. In this work, a methodological approach to the problem is made, proposing mesostructure parameters that are reasonably predictive. With respect to the size effect, it is observed that the presence of fibers reduces the size effect on fatigue life, almost nullifying it. Furthermore, it is concluded that the secondary crack opening rate (dCMOD/dn) is an adequate parameter to explain the fatigue life in general, and the size effect in particular.

Los ensayos de fatiga en hormigón iguales, entendiéndose como tales, los realizados en probetas exactamente iguales u homotéticas sometidas a los mismos niveles de tensiones, presentan dos problemáticas aún por resolver. Por un lado, la elevada dispersión de los resultados, que provoca que la vida a fatiga en dos elementos aparentemente idénticos pueda variar hasta en dos o más órdenes de magnitud. Por otro lado, el efecto tamaño, por el cual la resistencia a fatiga disminuye con el aumento del tamaño del elemento. En este trabajo de investigación se pretende profundizar en el estudio de estas dos cuestiones. Con respecto a la primera, se va a estudiar la influencia de la dispersión de la mesoestructura del hormigón en la dispersión de los resultados de fatiga; en particular, se evaluará si la disposición estocástica de las fibras (en hormigón con fibras) o de los poros (en hormigón en masa) explica la variabilidad de la vida a fatiga. En cuanto al efecto tamaño, se realizarán ensayos de fatiga en probetas geométricamente similares sujetas a los mismos niveles de tensión equivalente. A través de indicadores macroscópicos de daño, como la apertura de fisura, se determinará la magnitud del efecto tamaño y su variación en función del tipo de hormigón (en masa y con diferentes contenidos de fibras). Los resultados revelan que la disposición de las fibras y los poros varía significativamente en probetas aparentemente idénticas, y que esto explica en parte la dispersión de los resultados de fatiga. No obstante, la estimación de la respuesta en fatiga del hormigón a partir de su mesoestructura requiere de modelos complejos, que comprendan varios parámetros geométricos de diversos componentes. En este trabajo se realiza una aproximación metodológica al problema, proponiendo parámetros de la mesoestructura que son razonablemente predictivos. Con respecto al efecto tamaño, se observa que la presencia de fibras reduce el efecto tamaño en la vida fatiga, hasta prácticamente anularlo. Además, se concluye que la tasa de apertura de fisura secundaria (dCMOD/dn) es un parámetro adecuado para explicar la vida a fatiga en general, y el efecto tamaño en particular.