Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Design of Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete Bridges: A Comparative Study to Conventional Concrete Bridges
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering.
2019 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The use of Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC) in the construction industry started in the 1990s and has since then been used for bridges all over the world. The mechanical properties and the dense matrix result in lower material usage and superior durability compared to conventional concrete, but the implementation of UHPFRC in the Swedish industry has been delayed. The most evident explanation, based on interview with industry representatives, as to why UHPFRC is not commonly used in Sweden are due to the lack of standards and knowledge. UHPFRC also has a high cement content and the cement industry contributes with high carbon dioxide (CO2) emissions to the total CO2 emissions in the world.

This MSc Thesis looks into if a UHPFRC bridge is a feasible alternative to a conventional reinforced concrete structure bridge from design and material usage perspectives, regarding reduction of CO2 emissions. The project’s overall goal is to increase the knowledge in Sweden about the material, regarding the production, mechanical properties and behaviour of UHPFRC, and the design, regarding the difference in design between UHPFRC and conventional concrete bridges.

To examine the material, a UHPFRC mixture with short straight steel fibres was developed. Specimens were tested to see how the different fibre contents affect the mechanical properties and which fibre content that is most favourable. Three different fibre contents were tested: 1.5%, 2.0% and 2.5% of the total volume of the mixture. The tested and evaluated mechanical properties were workability, flexural strength, tensile strength, fracture energy, compressive strength and modulus of elasticity. This study does not contain tests of durability of UHPFRC, however trough the literature review it was investigated to what extent the fibres affect the durability.

It was concluded that an increase in fibre content results in improved mechanical properties, except for workability and in some cases when using a fibre content of 2.5%. The increase in the mechanical properties is due to the increased cracking resistance and the bond strength between the fibres and the matrix. The decrease in the mechanical properties, e.g. characteristic tensile strength and compressive strength of cylinders, for 2.5% in fibre content can be due to uneven fibre distribution and higher amount of air in the specimens which result in less strength. It was concluded that 2.0% in fibre content is most favourable. It was possible to conclude that the degradation of the fibres takes a long time, however not to what extent the fibres will affect the durability.

To evaluate if UHPFRC is a viable economical and environmental alternative to regular concrete bridges, three cases of bridge design are considered. Two cases with UHPFRC (different thickness) and one case with conventional concrete. Up to 2017 only technical guidelines and recommendations for design with UHPFRC existed, but in 2017 the first approved standards in the world were published. The French national standards cover material (NF P18-470, 2016) and design (NF P18-710, 2016) and were used for the design process. The material usage regarding the amount of reinforced UHPFRC/concrete and steel reinforcement as well as the amount of CO2 emissions from the production of cement and steel (fibre and steel reinforcement) used for the bridges in the mid-span and at the support were investigated. The design process was also evaluated.

It was concluded that the UHPFRC bridge with an optimized thickness was 47% lighter than the conventional concrete bridge, but the amount of CO2 emissions was still higher (e.g. 23% from the support). To be able to determine if a UHPFRC bridge is a feasible alternative to a conventional concrete bridge, with regards to the reduction of CO2 emissions, the CO2 emissions have to be observed in a wider perspective than only from the production of cement and steel, e.g. fewer transports and longer lifetime.

Abstract [sv]

Användningen av ultrahögpresterande fiberbetong (UHPFRC) i anläggningsindustrin började på 1990-talet och har sedan dess använts till broar i hela världen. De mekaniska egenskaperna och den täta UHPFRC matrisen resulterar i lägre materialanvändning och bättre beständighet i jämförelse med konventionell betong, men användningen av UHPFRC har inte slagit igenom i den svenska industrin. De största förklaringarna till varför UHPFRC sällan används i Sverige är för att det inte har funnits kunskap och standarder. UHPFRC har också en hög cementhalt och cementindustrin bidrar med höga koldioxid (CO2) utsläpp till de totala CO2 utsläppen i världen.

Den här masteruppsatsen skrevs för att undersöka om en UHPFRC bro är ett möjligt alternativ till en konventionell betongbro ur dimensionering- och materialanvändningssynpunkt med avseende på reduktion av CO2 utsläpp. Projektets övergripande mål är att öka kunskapen om materialet, med avseende på tillverkningen, de mekaniska egenskaperna och beteendet av UHPFRC, och dimensionering, med avseende på skillnaden i dimensionering mellan UHPFRC broar och konventionella betongbroar.

I materialdelen utvecklades ett UHPFRC recept med korta raka stålfibrer. Provkroppar testades för att se hur olika fiberinnehåll påverkade de mekaniska egenskaperna och vilket fiberinnehåll som var mest gynnsamt. Tre olika fiberinnehåll testades: 1.5%, 2.0% och 2.5% av total volym av blandningen. De mekaniska egenskaperna som testades och utvärderades var bearbetbarheten, böjhållfasthet, draghållfasthet, fraktur energi, tryckhållfasthet och elasticitetsmodul. Beständigheten av UHPFRC testades aldrig men i vilken omfattning fibrerna påverkar beständigheten undersöktes i den litteraturstudie som skrevs inför testerna och tillverkningen av UHPFRC.

Det konstaterades att en ökning i fiberinnehåll resulterade i en ökning av de mekaniska egenskaperna, förutom för bearbetbarheten och i vissa fall när ett fiberinnehåll av 2.5% användes. Ökningen av de mekaniska egenskaperna berodde på det ökande sprickmotståndet och bindningsstyrka mellan fibrerna och matrisen. Minskningen av de mekaniska egenskaperna, till exempel den karakteristiska drag- och tryckhållfastheten, när ett fiberinnehåll på 2.5% i cylindrar användes kan bero på ojämn fiberfördelning och större mängd luft i provkropparna vilket resulterar i lägre hållfasthet. Det konstaterades att ett fiberinnehåll på 2.0% var det mest gynnsamma. Det kunde inte konstateras i vilken omfattning fibrerna påverkar beständigheten men det kunde konstateras att nedbrytningen av fibrerna tar lång tid.

I dimensioneringsdelen utformades tre slakarmerade balkbroöverbyggnader, i två fall var överbyggnaden med UHPFRC (olika tjocklekar) och i ett fall var den med konventionell betong. Fram till 2017 fanns det bara tekniska riktlinjer och rekommendationer för UHPFRC men 2017 publicerades de första godkända standarderna i världen. De franska nationella standarderna täcker material (NF P18-470, 2016) och dimensionering (NF P18-710, 2016) och användes vid dimensioneringen. Materialanvändningen med avseende på mängd armerad UHPFRC/betong och slakarmering och mängd CO2 utsläpp från produktionen av cement och stål (fibrer och slakarmering) som användes till broarna i mittenspannet och vid stöden undersöktes. Även dimensioneringsprocessen utvärderades.

Det konstaterades att UHPFRC bron med optimerad tjocklek var 47% lättare än betongbron men mängden CO2 utsläpp var fortfarande högre (till exempel 23% högre från stödet). Det konstaterades att om det ska vara möjligt att fastställa att en UHPFRC bro är ett möjligt alternativ till en konventionell betongbro, med avseende på reduktion av CO2 utsläpp, måste CO2 utsläppen ses från ett bredare perspektiv än från bara produktion av cement och stål, till exempel mindre transporter och längre livslängd.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 259
Keywords [en]
Bridge design, CO2 emissions, Mechanical properties and behaviour, Straight short steel fibres, UHPC, UHPFRC
Keywords [sv]
Bro dimensionering, CO2 utsläpp, Korta raka stålfibrer, Mekaniska egenskaper och beteende, UHPC, UHPFRC
National Category
Civil Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-75183OAI: oai:DiVA.org:ltu-75183DiVA, id: diva2:1333765
Educational program
Civil Engineering, master's level
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-08-13 Created: 2019-07-01 Last updated: 2019-08-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(16946 kB)29 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 16946 kBChecksum SHA-512
0db5404c0a2c883ad9da1ffdaf71a45dc443ec47ee777bf3de63ff10c7db42206c092b7912ab1f016ae02c3f6f0c2f4466a3959a0684291e6ec2cef9a1078fa3
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering
Civil Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 29 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 70 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf