Openwervendag

 

Vascular self-healing optimization and evaluation by means of four-point bending

Gerlinde Lefever Jannes Van Cauwenberghe
Zelfhelend beton is een biologisch geïnspireerde techniek om scheuren in beton te herstellen zonder enige interventie na het scheuren. De techniek is echter nog niet klaar voor massaproductie, waardoor optimalisatie een noodzaak is. In deze scriptie worden enkele nadelen van het gebruik van een vasculair systeem aangehaald en een mogelijke oplossing wordt besproken.

Zelfhelend beton: fictie of realiteit?

Een snee in je vinger en gebarsten beton hebben op zich weinig gemeenschappelijk: het eerste zal na enkele dagen genezen, het laatste niet en kan zelfs leiden tot het instorten van een brug. De complexiteit en functionaliteit van de natuur liggen aan de basis van het biologisch geïnspireerd idee om zelfhelende eigenschappen toe te kennen aan beton. Dit heeft als potentieel de levensduur van onder andere bruggen en gebouwen te verhogen, met als gevolg een lagere CO2-uitstoot. Daarbij gepaard gaan ook een vermindering van inspectie en onderhoud, wat alles samen leidt tot een lagere kost.

 

De performante druksterkte, weerstand tegen hoge temperaturen en relatief lage kost maken van beton hét bouwmateriaal bij uitstek. De treksterkte is weliswaar laag, waardoor betonnen elementen gevoelig zijn voor scheuren. Daarom wordt beton versterkt met stalen wapening (staven en wapeningsnetten) om ook trekkrachten te kunnen opvangen. Deze wapening limiteert de scheurbreedte, maar kan het ontstaan van scheuren niet voorkomen. Agressieve substanties alsook water kunnen via deze weg het beton binnendringen en corrosie van de wapening veroorzaken. Het is daarom van cruciaal belang om scheuren tijdig te dichten en zo de levensduur van de gehele constructie te verhogen.

Onderhoud van structuren is prijzig en meestal maar doeltreffend op korte termijn: een reparatie blijft niet intact, maar zal na verloop van tijd opnieuw hersteld moeten worden. Een bijkomend aspect is de productie van beton zelf, wat gepaard gaat met de uitstoot van broeikasgassen.

De oplossing voor bovenstaande problemen ligt in het zelfhelende vermogen van beton. De inspectie- en onderhoudskost zal verlagen en de constructie kan in gebruik blijven terwijl herstelling optreedt. Implementeren van zelfhelende eigenschappen gaat gepaard met een hogere initiële kost, maar is rendabeler op lange termijn.

Vasculair netwerk, de aders van het beton

Het onderzoek bestaat erin om het concept van zelfhelend beton een stap dichter bij de industrialisatie te brengen. Dit wordt gedaan vanuit drie invalshoeken: eerst de overlevingskans van het vasculair systeem vergroten tijdens het betonstorten, daarnaast de kosten van zowel materiaal als productie verlagen en tenslotte de efficiëntie van de heling kwantificeren.

Het vasculair systeem bestaat uit twee onderdelen: de holle buisjes -de aders- en het reservoir.

Vasculair systeem

Image removed.

                  Figuur 1: Vasculair systeem

Het reservoir, dat de helende vloeistof zal opslaan, is gemaakt uit polyamide en wordt vervaardigd aan de hand van 3D-printen. Het is zo ontworpen dat men kan kiezen hoeveel buisjes (maximaal drie) gekoppeld kunnen worden aan het reservoir.

Voor de holle buisjes werden twee materialen gekozen: Inorganic Phosphate Cement (IPC) en klei. IPC buisjes worden gemaakt met behulp van mallen, gezien de vloeibare toestand bij kamertemperatuur. Het proces is vrij arbeidsintensief, omdat luchtbellen volledig verdwenen moeten zijn. Klei biedt in verscheidene opzichten een voordeel ten opzichte van IPC. Ten eerste kunnen buisjes in klei gemaakt worden aan de hand van een extrusieproces.

Door het gebruik van een hydraulische persmachine, kunnen buisjes makkelijk en snel worden vervaardigd. Een bijkomend voordeel van klei is dat de prijs van het materiaal lager is dan deze van IPC.

Wanneer beton over het vasculair systeem gestort wordt, bestaat de kans dat de holle buisjes breken onder de impact. Er dient in dit geval op zoek te worden gegaan naar de ideale dwarsdoorsnede van een buisje die de weerstand tegen de stroom minimaliseert. Aan de hand van een theoretisch model werd een rugbybalvorm ontwikkeld die deze eigenschap bezit. Om de theorie aan de praktijk te koppelen, werden verschillende dwarsdoorsneden (figuur 2) getest onder een stootbelasting, gesimuleerd door een neerdalende lading zand.

Dwarsdoorsnedes buisjes

Image removed.

       Figuur 2: Dwarsdoorsnedes van buisjes

Met behulp van een rekstrookje, bevestigd op de holle buisjes, kon de doorbuiging gemeten worden. Nadien werd de doorbuiging gelinkt aan de last die door de impact op het buisje werd uitgeoefend. Het buisje met de kleinste last is dan het best bestand tegen de stortingsimpact. Het resultaat van de test bevestigde de theoretische achtergrond: de rugbybalvorm verlaagt de weerstand ten opzichte van de andere geteste vormen.

De testfase

       Na de verbetering van het vasculair systeem kon deze in beton geplaatst worden. Om de efficiëntie van de heling na te gaan, werden balken met afmeting 65cm x 10cm x 10cm getest onder vierpuntsbuiging.

De balken werden eenieder drie maal belast, met een periode van 24 uur tussen elke belasting zodat heling kon optreden.

Samenvattende resultaten

Image removed.

Figuur 3: Samenvatting van de resultaten op balken met klei buisjes

De referentiebalken bevatten geen vasculair systeem, waardoor hun stijfheid bij de eerste belasting hoger is dan van de balken met vasculair systeem. Bij herbelasting kunnen we echter observeren dat de stijfheden van de referentiebalken lager zijn dan deze van de balken met vasculair systeem. Hieruit kan geconcludeerd worden dat heling heeft plaatsgevonden. Wanneer we de resultaten van een tweede en derde belasting bekijken, zien we dat de stijfheden opnieuw zijn afgenomen bij deze derde belasting. We kunnen dus niet met zekerheid stellen dat heling opnieuw heeft plaatsgevonden. De hogere stijfheid bij de derde belasting (in vergelijking met de referentiebalken) is mogelijk nog te wijten aan de eerste heling, gezien het insijpelen van de helende vloeistof in de scheuren niet visueel werd vastgesteld de tweede keer. Zowel met vasculair netwerk van klei als IPC werd heling dus minstens 1 keer geobserveerd; meervoudige heling bleek voorlopig niet mogelijk te zijn. Bij het vergelijken van de resultaten tussen IPC en klei werd geen noemenswaardig verschil gevonden. Klei kan dus met zekerheid gebruikt worden als geleider van helend agens, daar deze verschillende voordelen bezit ten opzichte van IPC.

De grens tussen fictie en realiteit is soms erg klein, en zal vaak nóg verkleinen naarmate de tijd vordert. Zo hopelijk ook voor zelfhelend beton. Het principe is er, maar zonder meervoudige heling is de efficiëntie te klein om echt toe te passen. Doch, de tijd tikt sneller dan je denkt.

Bibliografie

Bibliography

  1. [1]  Kim Van Tittelboom and Nele De Belie. Self-healing in cementitious materials - a review. Materials, 6(6):2182–2217, 2013.

  2. [2]  Victor C Li and Emily Herbert. Robust self-healing concrete for sustainable infrastructure. Journal of Advanced Concrete Technology, 10(6):207–218, 2012.

  3. [3]  K Van Breugel. Is there a market for self-healing cement-based materials. In Proceedings of the first international conference on self-healing materials. Noordwijk aan Zee, The Nether- lands, 2007.

  4. [4]  Waiching Tang, Omid Kardani, and Hongzhi Cui. Robust evaluation of self-healing eciency in cementitious materials–a review. Construction and Building Materials, 81:233–247, 2015.

  5. [5]  Didier Snoeck, Stijn Steuperaert, Kim Van Tittelboom, Peter Dubruel, and Nele De Belie. Visualization of water penetration in cementitious materials with superabsorbent polymers by means of neutron radiography. Cement and Concrete Research, 42(8):1113–1121, 2012.

  6. [6]  HXD Lee, HS Wong, and NR Buenfeld. Potential of superabsorbent polymer for self-sealing cracks in concrete. Advances in Applied Ceramics, 109(5):296–302, 2010.

  7. [7]  MJ Lopez-tendero, P Diaz, JM Lloris, and C Gamon. Optimized hydrogel for application as repairing agents in cement based products. In Proceedings of 3rd International Conference on Self Healing Materials, 2011.

  8. [8]  Mustafa Sahmaran, Mo Li, and Victor C Li. Transport properties of engineered cementitious composites under chloride exposure. ACI Materials Journal, 104(6), 2007.

  9. [9]  Daisuke Homma, Hirozo Mihashi, and Tomoya Nishiwaki. Self-healing capability of fibre reinforced cementitious composites. Journal of Advanced Concrete Technology, 7(2):217– 228, 2009.

    117

  1. [10]  Tomoya Nishiwaki, Marina Koda, Makoto Yamada, Hirozo Mihashi, and Takatsune Kikuta. Experimental study on self-healing capability of frcc using dierent types of synthetic fibers. Journal of Advanced Concrete Technology, 10(6):195–206, 2012.

  2. [11]  Henk M Jonkers, Arjan Thijssen, Gerard Muyzer, Oguzhan Copuroglu, and Erik Schlangen. Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete. Ecological engineering, 36(2):230–235, 2010.

  3. [12]  HM Jonkers. Bacteria-based self-healing concrete. Heron, 56 (1/2), 2011.

  4. [13]  Filipe Bravo Silva, Nico Boon, Nele De Belie, and Willy Verstraete. Industrial application of biological self-healing concrete: challenges and economical feasibility. Journal of Commercial Biotechnology, 21(1), 2015.

  5. [14]  Emily Adelsohn and John Hartsock. Bacteria-infused self-healing concrete. 2015.

  6. [15]  Haoliang Huang, Guang Ye, and Zhonghe Shui. Feasibility of self-healing in cementitious materials–by using capsules or a vascular system? Construction and Building Materials, 63:108–118, 2014.

  7. [16]  E Cailleux and V Pollet. Investigations on the development of self-healing properties in protec- tive coatings for concrete and repair mortars. in proceedings of 2nd international conference on self healing materials. In Proceedings of 2nd International Conference on Self Healing Materials, 2009.

  8. [17]  Zhengxian Yang, John Hollar, Xiaodong He, and Xianming Shi. Laboratory assessment of a self-healing cementitious composite. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2142(1):9–17, 2010.

  9. [18]  Zhengxian Yang, John Hollar, Xiaodong He, and Xianming Shi. A self-healing cementitious composite using oil core/silica gel shell microcapsules. Cement and Concrete Composites, 33(4):506–512, 2011.

  10. [19]  Eleni Tsangouri, Kim Van Tittelboom, Nele De Belie, DG Aggelis, and Danny Van Hemelrijck. Monitoring of autonomous healing process of concrete by acoustic emission and digital image correlation. In 12th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing ’Application of Contemporary non-destructive Testing in Engineering’, Proceedings, pages 581–587, 2013.

  11. [20]  P Minnebo, K Van Tittelboom, and D Van Hemelrijck. Ideal material properties for capsules or vascular system used in cementitious self-healing materials. 2015.

    118

  1. [21]  Benoit Hilloulin, Kim Van Tittelboom, Elke Gruyaert, Nele De Belie, and Ahmed Loukili. Design of polymeric capsules for self-healing concrete. Cement and Concrete Composites, 55:298–307, 2015.

  2. [22]  C Joseph, AD Jeerson, B Isaacs, R Lark, and D Gardner. Experimental investigation of adhesive-based self-healing of cementitious materials. Magazine of Concrete Research, 62(11):831–843, 2010.

  3. [23]  Senot Sangadji and HEJG Schlangen. Porous network concrete: A new approach to make concrete structures self-healing using prefabricated porous layer. In ICSHM 2011: Proceedings of the 3rd International Conference on Self-Healing Materials, Bath, UK, 27-29 June 2011, 2011.

  4. [24]  Senot Sangadji and Erik Schlangen. Novel approach to make concrete structures self-healing using porous network concrete. In Proceedings pro083: 2nd International Conference on Microstructural-related Durability of Cementitious Composites, Amsterdam, The Nether- lands, 11-13 April 2012. RILEM Publications SARL, 2012.

  5. [25]  Kim Van Tittelboom, Nele De Belie, Frank Lehmann, and Christian U Grosse. Acoustic emission analysis for the quantification of autonomous crack healing in concrete. Construction and Building Materials, 28(1):333–341, 2012.

  6. [26]  D Van Hemelrijck. Measurement of displacement and strain fields by digital image correlation (dic), 2014. Course notes.

  7. [27]  D Lecompte, S Bossuyt, S Cooreman, H Sol, and J Vantomme. Study and generation of optimal speckle patterns for dic. In Proceedings of the annual conference and exposition on experimental and applied mechanics, volume 3, pages 1643–9, 2007.

  8. [28]  Dr Nick McCormick and Dr Jerry Lord. Digital image correlation. Materials today, 13(12), 2010.

  9. [29]  P Minnebo, DG Aggelis, and D Van Hemelrijck. Monitoring of self-healing activation by means of acoustic emission and digital image correlation. 2015.

  10. [30]  TECH PLAS. The tech plas way: Plastic extrusion process. [Online; accessed 27-December- 2015].

  11. [31]  Wikipedia. Extrusion — wikipedia, the free encyclopedia, 2015. [Online; accessed 27- December-2015].

    119

  1. [32]  Nele De Belie, Kim Van Tittelboom, E Tsangouri, G Karaiskos, Didier Snoeck, Jianyun Wang, Maria Adelaide Pereira Gomes De Araujo, and D Van Hemelrijck. Autonomous regeneration of concrete structures by incorporation of self-healing mechanisms. In International Conference on the Regeneration and Conservation of Concrete Structures (RCCS), pages 1–10, 2015.

  2. [33]  Kim Van Tittelboom, Jianyun Wang, Maria Araújo, Didier Snoeck, Elke Gruyaert, Brenda Debbaut, Hannelore Derluyn, Veerle Cnudde, Eleni Tsangouri, Danny Van Hemelrijck, et al. Comparison of dierent approaches for self-healing concrete in a large-scale lab test. Con- struction and Building Materials, 107:125–137, 2016.

  3. [34]  M Alshaaer, H Cuypers, G Mosselmans, H Rahier, and J Wastiels. Evaluation of a low tem- perature hardening inorganic phosphate cement for high-temperature applications. Cement and Concrete Research, 41(1):38–45, 2011.

  4. [35]  S Verbruggen, T Tysmans, and J Wastiels. Trc or cfrp strengthening for reinforced concrete beams: An experimental study of the cracking behaviour. Engineering Structures, 77:49–56, 2014.

  5. [36]  E Verwimp, T Tysmans, M Mollaert, and S Berg. Experimental and numerical buckling analysis of a thin trc dome. Thin-Walled Structures, 94:89–97, 2015.

  6. [37]  J Blom, M El Kadi, J Wastiels, and DG Aggelis. Bending fracture of textile reinforced cement laminates monitored by acoustic emission: Influence of aspect ratio. Construction and Building Materials, 70:370–378, 2014.

  7. [38]  S De Sutter, O Remy, and T Tysmans. Design and structural feasibility study of a lightweight floor system for renovation. In 19th Int Conf Compos Mater, 2013.

  8. [39]  Harald Budelmann, Karim Hariri, Hans-Werner Krauss, and Tim Malonn. Eects of a clay additive on the properties of no-slump concrete. In Advances in Construction Materials 2007, pages 731–739. Springer, 2007.

  9. [40]  F Van Duin. Duurzaam keramiek. [Online; accessed 16-February-2016].

  10. [41]  i.materialize. 3d printing service. [Online; accessed 8-February-2016].

  11. [42]  Joong Kyu Jeon, WooSeok Kim, Chan Ki Jeon, and Jin Cheol Kim. Processing and me- chanical properties of macro polyamide fiber reinforced concrete. Materials, 7(12):7634, 2014.

  12. [43]  De Neef Conchem. Construction chemicals. [Online; accessed 23-May-2016]. 120

  1. [44]  Michael Zabarankin. Minimum-resistance shapes in linear continuum mechanics. In Proceed- ings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, volume 469, page 20130206. The Royal Society, 2013.

  2. [45]  O Pironneau. On optimum design in fluid mechanics. Journal of Fluid Mechanics, 64:97–110, 6 1974.

  3. [46]  Thomas D Montenegro-Johnson and Eric Lauga. The other optimal stokes drag profile. Journal of Fluid Mechanics, 762, 1 2015.

  4. [47]  NK Gupta, MA Iqbal, and GS Sekhon. Eect of projectile nose shape, impact velocity and target thickness on deformation behavior of aluminum plates. International Journal of Solids and Structures, 44(10):3411–3439, 2007.

  5. [48]  W Shiu, F Victor Donzé, and L Daudeville. Penetration prediction of missiles with dierent nose shapes by the discrete element numerical approach. Computers and Structures, 86(21 and 22):2079–2086, 2008.

  6. [49]  DG Aggelis. Dynamics of structures, elastic wave propagation, 2014. Course notes. 

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Civil Engineering
Publicatiejaar
2016
Promotor
Danny Van Hemelrijck
Kernwoorden