Sustainable multi-layered concrete composites: Optimization of materials, time-dependent characteristics, and performance assessment

Abstract

The growing world population and urbanization have turned the construction sector into one of the largest consumers of resources. Retrofitting of infrastructures stands out as a sustainable approach, offering the extension of their lifespan, reducing the need for new construction materials, and minimizing environmental impact through resource-efficient actions. This dissertation aims to leverage the synergy between circular economy principles and decarbonization strategies in multi-layered concrete composites. Through a holistic literature review, layer-to-layer bonding mechanisms and their key controlling parameters, as well as specific characterization methods, were first identified and discussed. Given the recognized knowledge gap, the effect of casting and curing temperature on the performance of epoxy-bonded normal concrete-to-concrete (NC-NC) composites was investigated. A temperature increase from 5 °C to 55 °C led to reduced bond strength by up to 65%. The experimental results and analysis identified the differential setting time between the epoxy and fresh overlay, reaching 5 hours at 55 °C, as the dominant factor.A new generation of circular ultra high-performance concrete (UHPC) overlays with lower carbon impact was proposed next, in an effort to address environmental and economic issues. The newly developed recycling approach included the milling and thermal activation of concrete waste, recovering the hydration capacity by increasing the content of reactive phases in the recycled concrete powder to 25%. Using a set of test methods across the powder, paste, and mixture scales, the fresh and hardened state properties of the samples, where ordinary Portland cement (OPC) was partially or fully replaced, were quantified. A non-proprietary UHPC with rapid yield stress development was developed. The resulting UHPC, that contained 30% recycled concrete, not only enabled casting of 60% sloped overlays but also demonstrated compressive and flexural strengths of 140 MPa and 27 MPa, respectively, comparable to those of the OPC reference specimen, while reducing shrinkage deformation by 28%. Finally, the concept of smart infrastructure integrated with distributed fiber optic sensors (DFOS) was employed to assess the impact of concrete overlay mixture composition and geometric features on the development of restrained shrinkage stresses and resulting failures. Developing this advanced characterization technique provided a comprehensive set of data and firsthand insights into the magnitude and spatial distribution of restrained shrinkage in UHPC-NC composites, alongside crack formation over extended durations. By addressing the challenges related to mixture design, time-dependent properties, and fabrication processes, the outcome of this research is expected to advance the technology and broaden the range of applications of advanced multi-layered concrete composites, contributing to the field of sustainable infrastructure development.

Die wachsende Weltbevölkerung und die Urbanisierung haben den Bausektor zu einem der größten Ressourcenverbraucher gemacht. Die Nachrüstung von Infrastrukturen ist ein nachhaltiger Ansatz, der ihre Lebensdauer verlängert, den Bedarf an neuen Baumaterialien verringert und die Umweltauswirkungen durch ressourceneffiziente Maßnahmen minimiert. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Synergie zwischen Prinzipien der Kreislaufwirtschaft und Dekarbonisierungsstrategien in mehrschichtigen Betonverbundstoffen zu nutzen. Durch eine ganzheitliche Literaturrecherche wurden zunächst die Mechanismen der Schicht-zu-Schicht-Verbindung und ihre wichtigsten Kontrollparameter sowie spezifische Charakterisierungsmethoden identifiziert und diskutiert. Angesichts der erkannten Wissenslücke wurde die Auswirkung der Gieß- und Aushärtungstemperatur auf die Leistung von epoxidgebundenen Normalbeton-Beton-Verbundstoffen (NC-NC) untersucht. Eine Temperaturerhöhung von 5 °C auf 55 °C führte zu einer Verringerung der Verbundfestigkeit um bis zu 65 %. Die experimentellen Ergebnisse und die Analyse ergaben, dass die unterschiedliche Abbindezeit zwischen dem Epoxidharz und dem frischen Belag, die bei 55 °C 5 Stunden betrug, der wichtigste Faktor war.Als Nächstes wurde eine neue Generation kreisförmiger UHPC-Beläge (Ultra High Performance Concrete) mit geringerer Kohlenstoffbelastung vorgeschlagen, um ökologische und wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen. Der neu entwickelte Recyclingansatz umfasste das Mahlen und die thermische Aktivierung von Betonabfällen, wobei die Hydratationskapazität durch Erhöhung des Gehalts an reaktiven Phasen im recycelten Betonpulver auf 25 % wiederhergestellt wurde. Mithilfe einer Reihe von Prüfverfahren für Pulver, Zementleim und Mischungen wurden die Frisch- und Festigkeitseigenschaften der Proben, bei denen gewöhnlicher Portlandzement (OPC) teilweise oder vollständig ersetzt wurde, quantifiziert. Es wurde ein herstellerneutraler UHPC mit schneller Fließspannungsentwicklung entwickelt. Der resultierende UHPC, der 30 % Recyclingbeton enthielt, ermöglichte nicht nur das Gießen von 60 % geneigten Deckschichten, sondern wies auch Druck- und Biegezugfestigkeiten von 140 MPa bzw. 27 MPa auf, die mit denen der OPC-Referenzprobe vergleichbar waren, während die Schwindverformung um 28 % reduziert wurde. Schließlich wurde das Konzept der intelligenten Infrastruktur mit verteilten faseroptischen Sensoren (DFOS) eingesetzt, um die Auswirkungen der Zusammensetzung der Betonmischung und der geometrischen Merkmale auf die Entwicklung von Schwindungsspannungen und die daraus resultierenden Versagen zu bewerten. Die Entwicklung dieser fortschrittlichen Charakterisierungstechnik lieferte einen umfassenden Datensatz und Einblicke aus erster Hand in das Ausmaß und die räumliche Verteilung des eingeschränkten Schwindens in UHPC-NC-Verbundstoffen sowie in die Rissbildung über längere Zeiträume. Durch die Bewältigung der Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Mischungsdesign, den zeitabhängigen Eigenschaften und den Herstellungsprozessen wird erwartet, dass die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit die Technologie vorantreiben und das Anwendungsspektrum fortschrittlicher mehrschichtiger Betonverbundwerkstoffe erweitern und so zur Entwicklung einer nachhaltigen Infrastruktur beitragen.