Owing to a dense microstructure, reduced pore space and different fiber inclusions, ultra-high performance concrete (UHPC) has demonstrated a much higher compressive and tensile strength, lower permeability, increased durability and ductility than normal and high performance concretes (HPC). In addition, more than two decades of research on the correlation between the microstructure of ultra-high performance concrete (UHPC) and its mechanical properties demonstrated that by removing coarse aggregates from the concrete mix, thereby eliminating the interfacial transition zone (ITZ) from the microstructure, its mechanical properties can be significantly improved. However, recent experimental works suggest, eliminating the coarse aggregate completely, relinquishes its benefits such as reducing the autogenous shrinkage and lowering the cost of UHPC as it reduces the volume of the relatively expensive binder content.
The primary focus of this study is to apply a multi-level micromechanics based homogenization to investigate the elastic mechanical properties of UHPC. As UHPC is a multi-level composite whose properties are highly influenced by constituents existing at different length scales, a combined analysis of different modeling strategies is required to fully capture and understand its final effective property. Taking this into account, this study combines the tools of molecular dynamics (MD) and different micromechanical tools to parametrically investigate the effects of the different constituents.
Based on the multi-level homogenization and experimental investigation to validate the model’s predictions, the study was able to quantitatively prove the importance of CSH–gel constituents, the unreacted clinker reinforcing effect and the modulus reducing effects of gel and capillary porosity. In addition, the study also indicated the importance of fiber type and orientation. Moreover, it demonstrated the critical ranges for fiber aspect ratio and the significance of fiber interface effect on the final elastic property. Last but not least, the study quantitatively demonstrated the reducing effects of coarse aggregate on the effective property of UHPC.
초고성능 콘크리트(UHPC)는 고밀도 미세구조, 적은 공극률, 함유된 섬유 종류의 차이로 인해 일반 콘크리트나 고성능 콘크리트(HPC)보다 높은 압축 강도와 인장 강도, 낮은 투과율, 고내구성, 고연성 등의 특징을 가지고 있다. 또한, 지난 20여년동안 이루어진 초고성능 콘크리트의 미세구조와 기계적 성질 간의 상관 관계에 대한 연구에 따르면, 콘크리트 혼합물에서 굵은 골재를 배제함으로써 계면 천이 지대(ITZ) 형성을 방지하여 초고성능 콘크리트의 기계적 성질을 현저하게 향상시킬 수 있었다. 있다. 그러나 최근 실험 결과에 따르면 굵은 골재를 혼입하지 않는 경우, 자가 수축 증가, UHPC 제작 비용 증가 등의 단점이 있다.
본 연구에서는 다수준 미세역학(Multi-level micromechanics)을 통해 초고성능 콘크리트의 탄성 및 기계적 특성에 대해 파악하였다. 초고성능 콘크리트는 길이 척도 별로 구성 성분에 의해 크게 영향을 받는 다수준 복합체로서 각각의 수준마다 서로 다른 모델링 방법을 적용하였을 때 최종적으로 초고성능 콘크리트가 갖는 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 분자동역학(Molecular Dynamics)과 여러 미세역학 방법론을 활용하여 초고성능 콘크리트의 구성성분을 조사하였다.
다수준 균질화 모델과 실험 결과를 통해 C-S-H 겔의 중요성, 미반응 클링커의 보강 효과, 겔 및 모세관 다공성의 계수 감소 효과를 정량적으로 확인하였다. 더불어 섬유 유형과 섬유 방향의 중요성에 대한 연구도 진행되었다. 이를 통해 섬유 종횡비의 임계 범위와 최종 탄성 특성에 대한 섬유 계면 효과의 중요성을 확인하였다. 마지막으로 본 연구는 초고성능 콘크리트의 굵은 골재량에 따른 역학적 특성의 감소를 정량적으로 입증하였다.
