Du c t i l e C o n c r e t e
D u c t i l e C o n c r e t e
“ As ma l l c r a c ki nc o n c r e t e i s t h e b e g i n n i n g o f a s a ds t o r y f o r e n g i n e e r s , c a ny o u i ma g i n e w h a t a l a r g e o n e c a nd o ? ” s a i da ne n g i n e e r . T h e c o l l a p s e o f r e i n f o r c e dc o n c r e t e b u i l d i n g s i s p r e v e n t a b l e i f f a i l u r e i s d u c t i l e r a t h e r t h a nb r i t t l e w i t hl a r g e e n e r g y d i s s i p a t i o nc a p a c i t y . E n g i n e e r e dc e me n t i t i o u s c o mp o s i t e s ( E C C ) a l s o c a l l e db e n d a b l e c o n c r e t e w e r e f i r s t d e v e l o p e di nt h e mi d 1 9 8 0 s , a n dc o n s i s t o f a mi x t u r e P o r t l a n dc e me n t , w a t e r , s a n da n ds h o r t , d i s c o n t i n u o u s p o l y me r i c f i b e r s , w h o s e v o l u me f r a c t i o ni nt h e mi x i s l i mi t e dt o2 %. On e o f t h e c h i e f a d v a n t a g e s o f E C Ci s t h e i r h i g h l e v e l d u c t i l i t y , ma k i n g t h e ma t e r i a l f a r l e s s s u s c e p t i b l e t o t h e v a r i o u s f o r ms o f c r a c k i n g o r d e g r a d a t i o nt h a t a f f l i c t s t r o n g e r y e t mo r e b r i t t l e f o r ms o f c o n c r e t e , f u r t h e r mo r e , E C Ch a s a s t r a i nc a p a c i t y i nt h e r a n g e o f 3 7 %c o mp a r e d t o. 0 1 %f o r o r d i n a r y c o n c r e t e ; t h e r e f o r e , a c t s l i k e a d u c t i l e
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T h e f i b e r s c r e a t e ma n y mi c r oc r a c k s w i t ha v e r y s p e c i f i c w i d t h( t y p i c a l l y b e l o w1 0 0µ m[ 0 . 0 0 4 i n . ] ) , r a t h e r t h a na f e wv e r y l a r g e c r a c k( a s i no r d i n a r y c o n c r e t e ) , t h i s a l l o w s E C Ct od e f o r mw i t h o u t c a t a s t r o p h i c f a i l u r e . T h e a d v a n t a g e s o f p r o v i d i n g d u c t i l i t y t oc o n c r e t e a r e : 1 Ad u c t i l e R Cs t r u c t u r e ma y t a k e c a r e o f o v e r l o a d i n g , l o a dr e v e r s a l s , i mp a c t a n ds e c o n d a r y s t r e s s e s d u e t od i f f e r e n t i a l s e t t l e me n t s o f f o u n d a t i o n s . 2 Ad u c t i l e r e i n f o r c e dc o n c r e t e s t r u c t u r e g i v e s t h e o c c u p a n t s s u f f i c i e n t t i me t ov a c a t e t h e s t r u c t u r e b y s h o w i n g l a r g e d e f o r ma t i o n s b e f o r e i t s f i n a l c o l l a p s e . 3 Du c t i l i t y p r o p e r t y o f a ma t e r i a l a b s o r b s s h o c k s i n d u c e db y d y n a mi c l o a d s , t h e r e b y r e d u c i n g t h e r i s ko f f a i l u r e d u r i n g a ne a r t h q u a k e .
S e l f He a l i n g C o n c r e t e
S e l f H e a l i n g C o n c r e t e
I n t r o d u c t i o n C o n c r e t e i s t h e mo s t u s e dc o n s t r u c t i o nma t e r i a l w o r l d w i d e d u e t oi t s s t r e n g t h a n dl o wc o s t . C o n c r e t e i s c h a r a c t e r i z e db y a h i g h c o mp r e s s i v e s t r e n g t h , b u t a l o w t e n s i l e s t r e n g t h , s oi t t e n d s t oc r a c kw h e ns u b j e c t e dt ot e n s i o n , w h i c he v e n t u a l l y l e a dt os t r u c t u r a l f a i l u r e . C r a c kf o r ma t i o nh a r d l y a f f e c t s s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s o f c o n s t r u c t i o n ; i n c r e a s e dp e r me a b i l i t y d u e t o mi c r o c r a c kn e t w o r k i n g ma y s u b s t a n t i a l l y r e d u c e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s . T h e r e f o r e , i t w a s n e c e s s a r y t o f i n da w a y t os o l v e t h i s p r o b l e m. On e o f s u c hs o l u t i o n s i s t h e s e l f h e a l i n g c o n De s c r i p t i o n As e l f h e a l i n g ma t e r i a l i s a ma t e r i a l t h a t c a nr e p a i r i t s e l f b a c kt ot h e o r i g i n a l s t a t e . T h i s c o n c e p t h a s b e e nn o t i c e df o r o v e r 2 0y e a r s . T h e r e a r e 2t y p e s o f s e l f h e a l i n g c o n c r e t e :
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B a c t e r i a B a s e dHe a l i n gP r o c e s s S h a p e Me mo r y P o l y me r s B a c t e r i a B a s e dHe a l i n g C o n c r e t e A l s ok n o w na s B i o C o n c r e t e , t h e b a c t e r i a c o me f r o mh i g ha l k a l i n e n a t u r a l s o u r c e s , t h e s e b a c t e r i a a r e S p o r e f o r mi n g a n da l k a l i r e s i s t a n t b a c t e r i a , w h i c hc a nl i v e f o r 2 0 0y e a r s i nd r y c o n d i t i o n s . T h e h e a l i n g a g e n t w o r k s w h e nb a c t e r i a e mb e d d e di n t h e c o n c r e t e c o n v e r t n u t r i e n t s i n t ol i me s t o n e . T h e ma i nme c h a n i s mi s a c h i e v e db y : w e w i l l s t a r t a s u s u a l b yMa k i n g a c o n c r e t e mi x t u r e t h a t c o n t a i n s a p r e c u r s o r , t h e nb a c t e r i a c a l l e dB a c i l l u s p l a n t e di nmi c r oc a p s u l e s ( o r j u s t a d d e dt ot h e mi x t u r e ) t h a t w i l l l a t e r g e r mi n a t e o n c e t h e w a t e r r e a c h e s t h e c r a c k . Ha v i n g b e e na c t i v a t e d , t h e b a c t e r i a s t a r t s t of e e do nt h e c a l c i u ml a c t a t e . A s t h e b a c t e r i a f e e d s o x y g e ni s c o n s u me da n dt h e s o l u b l e c a l c i u ml a c t a t e i s c o n v e r t e dt oi n s o l u b l e l i me s t o n e . T h e l i me s t o n e s o l i d i f i e s o nt h e c r a c k e ds u r f a c e , t h e r e b y s e a l i n g i t u p .
S e l f H e a l i n g C o n c r e t e S e l f He a l i n gC o n c r e t e
2018
S h a p e Me mo r yP o l y me r s Ne ws ma r t ma t e r i a l s ( S MP ) t h a t c a nr e t u r nt ot h e i r i n i t i a l s t a t e b y c h a n g i n g b a c kt h e i r f o r mu p o na p p l y i n g a s t i mu l u s . T h e p o l y me r s u s e da r e s e mi c r y s t a l l i n e p o l y me r s t h a t h a v e a p r e d e f i n e ds h a p e me mo r i z e di nt h e i r s t r u c t u r e . T h e h e a l i n gme c h a n i s m: Wh e na c r a c ko c c u r s , t h e s y s t e mw i l l b e t r i g g e r e d , h e n c e , t h e s h a p e me mo r y p o l y me r w i t h i nt h e c r a c kg e t s a c t i v a t e dt h r o u g hh e a t i n g ( i nt h e f o r mo f d i r e c t h e a t , o r a ne l e c t r i c a l c u r r e n t ) , a s s o o na s i t ’ s a c t i v a t e d , t h e s h a p e me mo r y e f f e c t t a k e s p l a c e , d u e t ot h e r e s t r a i n e dn a t u r e o f t h e t e n d o n , a t e n s i l e f o r c e i s g e n e r a t e d ; h e n c e t h e c r a c kc l o s e s o ni t s e l f , t h e nt h e s e l f h e a l i n g s t a r t s t a k i n g p l a c e a n dt h e i n t e r n a l s t r u c t u r a l c h a n g e s a r e r e v e r s e dt o i t s o r i g i n a l s t a t e . Ad v a n t a g e s o f S HC : S a f e t y : S i n c e c r a c k s i nS HCa r e e a s y t oc l o s e , t h e r e f o r e t h e g e n e r a l s a f e t y o f a c o n s t r u c t i o ni s i n c r e a s e d . C o s t : I t i s o b v i o u s t h a t t h e i n i t i a l c o s t o f c o n s t r u c t i o nu s i n g S HCi s h i g h e r , h o w e v e r , o nt h e l o n g t e r m, d u r a b l e c o n c r e t e i s mu c hmo r e c o s t e f f i c i e n t d u e t ot h e l o wc o s t o f ma i n t e n a n c e , d u r a b i l i t y a n dt h e l o n g l i f e s p a no f t h e c o n s t r u c t i o n . Du r a b i l i t y : A c c o r d i n g t or e s e a r c ha n de x p e r i me n t a t i o nb a c t e r i a b a s e dS HC i s d e n s e r a n dmo r e d u r a b l e t h a nc o n c r e t e .
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Di s a d v a n t a g e s o f S HC : T h e r e a r e t w ok e y o b s t a c l e s t h a t n e e dt ob e o v e r c o me i f s e l f h e a l i n g c o n c r e t e i s t ot r a n s f o r mc o n c r e t e c o n s t r u c t i o ni nt h e n e x t d e c a d e . S e l f h e a l i n g c o n c r e t e r e d u c e s c o mp r e s s i v e s t r e n g t h , d u e t oc l a y w h i c hi s n e c e s s a r y t oh e l pc o n c r e t e t ot u r ni n t oS HC , a n dt h e v o l u me i s c o n s t a n t , s ot h e v o l u me o f c o n c r e t e i t s e l f w i l l b e r e d u c e dt oma k e c l a y t a k e p l a c e s ot h i s w i l l r e d u c e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h , w h i c hi n t r o d u c e s p r o b l e ms i ns p e c i a l i z e da p p l i c a t i o n s w h e r e h i g h e r c o mp r e s s i v e s t r e n g t hi s n e e d e d . T h e s e c o n dd i s a d v a n t a g e i s t h e c o s t o f s e l f h e a l i n g c o n c r e t e i s a b o u t d o u b l e t h a t o f c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . L a s t b u t n o t l e a s t , S HCa p p e a r s t ob e mu c hmo r e e f f i c i e n t t h a n u s u a l c o n c r e t e . I t w i l l d e f i n i t e l y r e s h a p e t h e f u t u r e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b u i l d i n g s . Da y a f t e r d a y , s c i e n c e s k e e pg o i n g f u r t h e r , n e wma t e r i a l s a r e b e i n g d i s c o v e r e d , o n e d a y s c i e n c e ma y i n v e n t a n e wma t e r i a l b e t t e r t h a nc o n c r e t e , a n dw e a r e w a i t i n g ‌