Thin bonded cement-based overlays: numerical analysis of factors influencing their debonding under fatigue loading: Fid-Bau Portal

Thin bonded cement-based overlays: numerical analysis of factors influencing their debonding under fatigue loading

Tran, Q.-T. / Toumi, A. / Turatsinze, A.

Abstract The thin bonded cement-based overlay technique is well known nowadays for repair work on large concrete areas. However, these overlays have sometimes posed problems because of their uncertain durability: cracks and interface debonding may occur after a period in service. This paper, associating experiment and simulation approaches, focuses on some key parameters influencing debonding propagation along the concrete overlay-substrate interface. The case of monotonic loading has been treated in a previous contribution, so this work is dedicated to the case of fatigue loading, which is a more realistic representation of exploitation conditions. Based on the cohesive crack concept, a model was built and validated by comparing numerical and experimental results of fatigue tests on overlay-substrate composite specimens. Different factors having an impact on interface debonding under fatigue loading were then investigated. First, the loading level was considered. Then, for the overlay material, the parameters analysed were autogenous shrinkage, Young’s modulus, tensile strength, and types of fibre-reinforcement. For the curing conditions, the relative humidity of the surroundings was taken into account. Concerning the overlay-substrate interface, its normal tensile strength and its bond defects were examined. The numerical analysis allowed the influence of each factor to be evaluated. In particular, the effect of shrinkage on the durability of the composite specimens was clarified. The importance of the capacity of fibres to control debonding by restraining crack opening was proved.

Résumé De nos jours, la technique des rechargements minces adhérents est très connue pour la réparation des structures en béton de grandes surfaces. Toutefois, de tels rechargements posent parfois des problèmes à cause de leur durabilité aléatoire : la fissuration du rechargement et le décollement de l’interface support-réparation peuvent être rencontrés après une période en service. Cet article, couplant l’expérimentation et la modélisation, s’attache à l’étude de quelques paramètres importants influençant la propagation du décollement le long d’une interface ancien-nouveau béton. Le cas des chargements monotones ayant été traité dans la contribution précédente, ce travail est dédié au cas des chargements de fatigue qui sont plus réalistes dans des conditions d’exploitation réelles. En se basant sur le concept de la fissure cohésive, un modèle a été développé et validé par la confrontation entre la prédiction et les résultats expérimentaux obtenus par les essais de flexion de fatigue sur des éprouvettes composites. Puis, différents facteurs influençant le décollement de l’interface support-rechargement sous sollicitation de fatigue ont été numériquement étudiés. D’abord, les niveaux des chargements ont été considérés. Ensuite, pour le rechargement, les paramètres analysés sont le retrait endogène, le module d’élasticité, la résistance en traction et le type de renforcement. Pour la condition de cure, l’humidité relative du milieu ambiant est prise en compte. Concernant l’interface support-rechargement, la résistance en traction et le défaut d’adhérence initial sont les paramètres examinés. Le modèle a permis d’évaluer l’influence de chaque facteur sur la cinétique du décollement de l’interface. En particulier, il a mis en évidence l’effet de retrait sur la durabilité des réparations et le rôle important des fibres qui limitent l’ouverture de fissure du rechargement et par conséquent retardent la propagation du décollement.