Evaluation of the effects of recycled aggregates on the properties of high performance concrete

Abstract

In recent decades, the use of High Performance Concrete (HPC) has grown vastly, being used in multiple applications with high requirements. However, the use of recycled aggregates (RA) has been mostly limited to conventional concrete. Many studies have defined limiting properties of RA, replacement ratios of natural aggregates and particular techniques to achieve suitable conventional concrete containing RA. Nonetheless, very few studies have been focused on the use of RA in the production of HPC. This study examines the behaviour of High Performance Recycled Aggregate Concrete (HPRAC) in physical, mechanical, durability and structural properties according to the RA content and its quality. RA were sourced from Construction and Demolition Waste of several categories: Recycled Concrete Aggregate (RCA) obtained from 40, 60 and 100 MPa concretes, Ceramic Waste Aggregates (CWA) and Recycled Mixed Aggregates (RMA). In the first experimental phase, the limiting replacement ratios of RA were established in order to achieve comparable HPRAC to the reference HPC with a design strength of 100 MPa. The physical, mechanical and durability properties were studied for concretes containing 20, 50 and 100% of coarse RCA and RMA, and 15 and 30% of fine CWA. According to the mechanical properties, 100% of coarse RCA can be used, as long as RA is sourced from a 60 MPa minimum-strength concrete waste. Nevertheless, durability behaviour was more influenced by the use of RA and replacement ratios of RCA could only be maintained on those obtained from parent concretes with the same quality as the new HPC. Moreover, significant reductions of the RA quality (RCA sourced from 40MPa - strength concretes or RMA) only permitted 20% replacement ratios. On the other hand, the concretes containing fine CWA (up to 30%) reached higher performances than those from conventional HPC. On the second experimental phase, fly ash was used in replacement of 30% of Portland cement in order to enhance the RCA performance. Keeping in mind prestressed concrete as potential application which requires high early-age strength, the concrete mixtures were also subjected to an initial steam curing cycle. The natural aggregates could be completely replaced by RCA sourced from the same quality HPC, producing improved mechanical properties and pore structures. It was determined that when using lower quality aggregates, the use of steam curing was mandatory to fulfil the standard requirements for prestressed concrete. The steam curing had negative effects on the long-term mechanical properties, however the steam-cured HPRAC had greater improvements on the pore structure and the mechanical properties than conventional HPC. The third experimental phase assesses the role of RCA in internal curing whose effect is significant in HPC. The effects of RCA were investigated in the plastic, autogenous and drying shrinkage of HPC, being the second of special interest in concretes with low water-cement ratio. The results revealed that the plastic and drying shrinkage became higher as the quality of the RCA decreased and the replacement ratio increased. However, a reduction in the autogenous shrinkage was proved to be possible by the use of a high content of lower quality RCA, since they acted as internal curing agents. The suitable behaviour of the HPRAC mixtures containing 50 and 100% of RCA sourced from 100 MPa-strength concretes enabled the production of prestressed concrete sleepers. The structural properties of HPRAC were tested on the conventional HPC and on both HPRAC sleepers. The prestressed concrete sleepers were subjected to static and dynamic load tests at rail-seat and centre sections. The structural requirements for prestressed concrete sleepers were extensively verified by sleepers made with HPRAC. Regardless of the replacement ratio, the HPRAC sleepers' results barely differed from those of conventional HPC sleepers.

En les darreres dècades, l’ús de Formigó d’Altes Prestacions (FAP) ha crescut considerablement en múltiples aplicacions d’elevat requeriment. L’ús d’àrids reciclats (AR) ha estat bàsicament limitat a formigons convencionals. Diversos articles han definit propietats limitants dels AR, nivells de substitució i tècniques específiques per tal d’aconseguir formigons amb àrids reciclats que poguessin ser considerats adequats. No obstant, molt pocs estudis s’han dedicat a la utilització dels AR en la producció de FAP. Aquest estudi examina el comportament del Formigó Reciclat d’Altes Prestacions (FRAP) en les propietats físiques, mecàniques, de durabilitat i estructurals d’acord al contingut d’AR i la seva qualitat. Els AR es van obtenir de Residus de Construcció i Demolició de diverses categories: Àrids Reciclats de Formigó (ARF) procedents de formigons de 40, 60 i 100 MPa, Àrids de Residus Ceràmics (ARC) i Àrids Reciclats Mixts (ARM). En la primera fase experimental, es van establir els percentatges de substitució recomanats per tal de que els FRAP fossin comparables al FAP de referència amb una resistència de 100 MPa. Es van estudiar les propietats físiques, mecàniques i de durabilitat de formigons amb 20, 50 i 100% d’ARF i ARM gruixuts, i 15 i 30 % d’ARC fi. D’acord a les propietats mecàniques, es pot utilitzar el 100% d’ARF, sempre que procedeixi de residus de formigons amb un mínim de 60 MPa de resistència. La durabilitat es més susceptible a l’ús d’AR i conseqüentment els nivells de substitució només poden mantenir-se en àrids procedents de residus de formigons de la mateixa qualitat que el nou FAP. També es va detectar que la reducció severa en la qualitat de l’AR (ARF obtingut de formigons de 40 MPa o ARM) només permet la seva utilització en un 20%. D’altra banda, els formigons produïts amb ARC fi (fins a un 30 % de substitució) van assolir prestacions més elevades que aquelles assolides pels FAP convencionals. En la segona fase experimental, es van utilitzar cendres volants en substitució del 30·% de ciment. Tenint en compte el formigó pretesat com a aplicació potencial, el qual requereix d’altes resistències a edats curtes, les mescles de formigó es van sotmetre a un cicle inicial de curat en vapor. Els ARF obtinguts de residus de FAP de la mateixa qualitat poden ser utilitzats en un 100%, produint millores en les propietats mecàniques i en les estructures poroses. Per als formigons amb ARF de qualitats inferiors, es va determinar que l’ús del curat de vapor era imprescindible per tal de complir amb els requeriments normatius per a formigons pretesats. El curat de vapor presentà efectes negatius sobre les propietats mecàniques a llarg termini, però el FRAP va mostrar evolucions superiors en l’estructura porosa que el FAP de referència. En la tercera fase experimental, es va avaluar el rol de l’ARF en el curat intern, la influencia del qual pot ser significativa en FAP. Es van investigar els efectes dels ARF en les retraccions plàstica, autògena i per assecament, essent la segona d’especial interès en formigons amb relacions aigua-ciment baixes. Els resultats van mostrar que la retracció plàstica i per assecament incrementa quan la qualitat dels ARF disminueix i seu nivell de substitució augmenta. No obstant això, la reducció de la retracció autògena es possible amb l’ús d'un alt contingut d’ARF de qualitats inferiors ja que, de fet, actuen com a agents de curat intern. Es va portar a terme un estudi pilot de travesses monobloc de formigó pretesat amb ARF (Article VI). Les travesses de formigó pretesat es van sotmetre a assajos estructurals de càrrega estàtica i dinàmica en les seccions sobre carril i central. Les exigències estructurals per a travesses de formigó pretesat van ser àmpliament assolides per les travesses de FRAP. Amb independència al percentatge de substitució, el comportament de les travesses de FRAP no va mostrar diferències significatives respecte al de les travesses de FAP convencional.