Mechanical Characteristics Investigation of Ultra High Performance Concrete Using Design of Experiment and Response Surface Methodology

Abstract

Attention to the mechanical properties of concrete for higher strength and ductility and also the increase in its durability has resulted in the innovation for several types of concrete. Ultra high performance concrete (UHPC) is one of the latest concrete with the unique properties such as high compressive strength, exhibiting tensile and flexural strength with increase in energy absorption (toughness), high durability, improved resistance against freezing- thawing and various chemical attacks. UHPC represents the highest development of high performance concrete in different curing conditions. One of the main disadvantages of UHPC is huge amounts of binder content used for producing UHPC. The purpose of this study was to improve the mechanical properties of UHPC relative to using local materials in two different phases: The purpose of phase one was to find the models of 7, 14 and 28-day compressive strength, 28-day splitting tensile strength, modulus of rupture, and flexural toughness of Ultra High Performance Concrete, as well as, study on the interaction and correlation of five variables including silica fume (SF), cement, steel fibers, superplasticizer (SP), and w/c ratio. The models are valid for mixes made with 1.0 part sand, 0.15-0.30 part silica fume amount, 0.70-1.30 part cement amount, 0.10- 0.20 part steel fiber, 0.04- 0.08 part superplasticizer (all values by sand weight) and 0.18- 0.32 water cementitious material ratio. In phase two, the effect of quartz powder (Qp), quartz sand (Qs), and different water curing temperatures on UHPC performance was investigated, the correlation between these variables and mechanical properties were found. The offered models are valid for the variables between: quartz powder 0 to 20% of cement substitution, quartz sand 0 to 50% of aggregate substitution, and water curing temperature 25 to 95 ºC. The experiments were designed by central composition with α=1 (face centered). The response surface methodology was analyzed between the variables and responses. The correlation of variables and mathematical models in terms of coded variables were established by ANOVA. Keywords: Ultra high performance concrete, strength, durability, silica fume, steel fiber, quality sand, modelling.

ÖZ: Betonda hedeflenen yüksek mukavemet ve esneklik nedeni ile betonun dayanıklılığı ve beton çeşitliliğinde gelişmeler olmaktadır. Ultra yüksek performanslı beton ise gelişmiş beton türleri içeriside yüksek basınç mukavemeti, çekme dayanımı, basmada çekme dayanımı, artırılmış enerji emme kapasitesi, yüksek dayanıklılık, donma çözünme dayanımı, ve kimyasallara karşı direnci ile öne çıkan bir beton türüdür. Bu özelliklerinden dolayı çeşitli kür şartlarında geliştirilmiş özellikleri olan bir betondur. Ultra yüksek perfoamanslı betonun en olumsuz tarafı ise yüksek miktarlarda bağlayıcı malzeme kullanımı ihtiyacıdır. Bundan dolayı bu araştırmanın amacı kullanılan bağlayıcı miktarını azaltmak için çalışma yapmaktır. Yapılacak olan çalışmada iki farklı faz kullanılacaktır: Birinci faz 7, 14 ve 28 günlük basınç dayanımı, 28 günlük yarmada çekme dayanımı, kopma modülü ve basma tokluğunun ultra performanslı beton için modellenmesidir. Bu çalışmada ayrıca beş farklı değişken olan silis dumanı miktarı, çimento miktarı, çelik elyaf hacmi, super akışkanlaştırıcı miktarı, ve su çimento oranı arasındaki ilişkiye de bakılacaktır. Elde edilen modelerin geçerliliği ise 1 oranında kum, 0,15-0,30 oranı arasında değişen silis dumanı, 0,70-1,30 oranı arasında değişen çimento, 0,10-0,20 oranı arasında değişen çelik elyaf, 0,04-0,08 oranı arasında değişen super akışkanlaştırıcı ve 0,18-0,32 oranı arasında değişen su çimento oranı için geçerlidir. Buradaki oranlamalarda ise kumun ağırlığı esas alımnıştır. İkinci fazda ise kuvarz tozunun, kuvarz kumunun ve farklı kür sıcklıklarının ultra yüksek performanslı betonun mekanik özelliklerine olan etkisi ve ayrıca bu malzemelerin kendi aralarındaki ilişkilere bakılmıştır. Elede edilen modeller ise sadece kuvarz kumunun çimento ile yüzde 0-20 arasındaki ikamesi, kuvarz kumunun yüzde 0-50 arasında agrega ile ikamesi, ve su kür sıcaklığının 25-95ºC olan şartlar için geçerlidir. Deney tasarımları ise merkezi kompoze metodunun α=1 olduğu durum için yapılmış olup korelasyon ANOVA kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: ultra yüksek performanslı beton, mukavemet, dayanım, silis dumanı, çelik elyaf, kuvarz kumu, modelleme.