Plastic Concrete for Cut-Off Walls: Novel Insights into the Microstructural Properties and Uniaxial Mechanical Behaviour over Time

Das zunehmende Alter baulicher Infrastruktur ist in vielen Ländern ein Grund zur Sorge, welcher häufig erst dann ins öffentliche Bewusstsein rückt, wenn es zu einem katastrophalen Versagen eines Infrastrukturbauwerks kommt. Bei Erddämmen sind verschiedene Versagensarten möglich, z. B. kann ein Böschungsbruch durch das Eindringen von Wasser unterhalb des Dammkörpers auftreten, wodurch die innere Reibung verringert wird und die Böschung ins Gleiten geraten kann. Um dies zu vermeiden, wurden weltweit verschiedene Sanierungs- und Ertüchtigungsprogramme für Dämme eingeleitet, um die ordnungsgemäße Funktion und Sicherheit dieser kritischen Infrastrukturen zu gewährleisten. ... mehrEine in der Praxis etablierte Lösung, ist die Planung und der Bau von Dichtwänden aus Dichtwandmassen wie Plastic Concrete.
Trotz seiner unbestreitbar vorteilhaften Materialeigenschaften ist Plastic Concrete noch nicht umfassend erforscht worden. Bislang wird Plastic Concrete bei der Bemessung von Dichtwänden als linear-elastischer Werkstoff betrachtet. Sein zweifellos vorhandenes duktiles und plastisches Verhalten wird vernachlässigt, nicht zuletzt, weil es an geeigneten konstitutiven Gesetzen und fundierten wissenschaftlichen Untersuchungen fehlt. Nur wenige Studien waren umfangreich genug, um das Materialverhalten über einen längeren Zeitraum zuverlässig abzuschätzen. Daher ist es bisher nicht gelungen, systematisch ein Stoffmodell für Plastic Concrete zu entwickeln. Insbesondere das Ausmaß, in dem die Mischungszusammensetzung das mikrostrukturelle und mechanische Verhalten von Plastic Concrete beeinflusst, ist bisher unklar. Darüber hinaus wurden bisher keine umfassenden Untersuchungen durchgeführt, um die vorhandene Literatur über Plastic Concrete zu überprüfen und allgemeingültige Gesetzmäßigkeiten festzustellen. Die vorliegende Arbeit zielt daher darauf ab, diese Lücke zu schließen und die ersten Schritte für ein umfassendes Verständnis des Materialverhaltens von Plastic Concrete zu setzen.
Zunächst bestätigte eine umfangreiche Literaturstudie, dass der Mischungsentwurf, insbesondere der Bentonitgehalt und die Bentonitart, die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften von Plastic Concrete erheblich beeinflusst. Diese wiederum sind vom Probenalter abhängig, wobei sich die Materialeigenschaften deutlich über die 28-Tage-Marke hinaus verändern. Die Literaturstudie lieferte zudem erste Einblicke in die Materialeigenschaften und zeigte ebenfalls die aktuellen Forschungslücken zum Materialverhalten von Plastic Concrete auf. Vor allem aber zeigte die Literaturstudie, dass das Materialverhalten von Plastic Concrete mit den Grundzügen der Betontechnologie übereinstimmt und daher mit den etablierten Frisch- und Festbetonuntersuchungen beschrieben werden kann.
Die mikrostrukturellen Eigenschaften wurden mittels Quecksilberdruckporosimetrie und Röntgendiffraktometrie untersucht. Die Ergebnisse zeigen hierbei eine signifikante Porenverfeinerung über einen längeren Untersuchungszeitraum von 4 Jahren, die mit einer zunehmenden Festigkeit korrelieren. Darüber hinaus hängt die Porengrößenverteilung vom Mischungsentwurf ab und korreliert mit den verwendeten Ausgangsstoffen. Die mineralogische Untersuchung mittels Röntgendiffraktometrie bestätigt die Existenz typischer kristalliner Produkte aus der Zementhydratation.
Die untersuchten mechanischen Eigenschaften korrelieren ebenfalls mit dem gewählten Mischungsentwurf, insbesondere mit dem verwendeten Wasser-, Zement- und Bentonitgehalt. Darüber hinaus steigt die Druck- und Zugfestigkeit mit dem Alter der Proben deutlich an. In dieser Arbeit werden auch erstmals Plastic Concrete-spezifische Modelle zur Abschätzung der mechanischen Eigenschaften entwickelt. Die Druckfestigkeitsentwicklung über die Zeit kann für ein Probenalter von bis zu 4 Jahren durch eine Anpassung des fib Model Code 2020-Zeitentwicklungsmodells angenähert werden. Es wurde festgestellt, dass das Verhältnis von Zug- zu Druckfestigkeit am besten durch eine lineare Annäherung korreliert werden kann. Schließlich hat sich gezeigt, dass der stabilisierte Elastizitätsmodul 𝐸𝐶,𝑆 mit dem gewählten Mischungsentwurf korreliert und aus der entsprechenden Druckfestigkeit abgeschätzt werden kann. Die E-Moduluntersuchungen verdeutlichen auch den signifikanten Einfluss, den der Prüfaufbau bzw. die Prüfnorm, insbesondere die gewählte Verformungsmessmethode, auf den ermittelten E-Modul hat.
Schließlich sind diese Ergebnisse von großem Wert für die zukünftige Bemessung von Dichtwänden aus Plastic Concrete, da damit eine realitätsnahe und präzisere zeitabhängige Bemessung in Zukunft möglich sein wird, die das spezifische Materialverhalten von Plastic Concrete berücksichtigt. Mit den gewonnenen Erkenntnissen können Dichtwände aus Plastic Concrete eine sichere Sickerwasserkontrolle innerhalb und unterhalb von Dämmen durch ein kontrolliertes Materialverhalten gewährleisten.

The worldwide ageing infrastructure is a reason for concern in many countries. Unfortunately, only when a catastrophic failure of some infrastructure occurs, does this topic obtain public awareness. Various failure modes are possible for earthen dams, e.g. slope instability may occur through water seepage below the dam body, in turn reducing internal friction and causing the dam to slip. Therefore, various dam repair and remediation programs have been initiated worldwide to ensure the correct functionality and safety of these critical infrastructures. A standard solution to counter dam seepage is the design and construction of cut-off walls made out of backfill materials such as Plastic Concrete.
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Despite its indisputably beneficial material properties, Plastic Concrete has not yet been thoroughly studied. To date, the design of cut-off walls considers Plastic Concrete to be a linear-elastic material. Its undoubtedly existing ductile and plastic behaviour is neglected, not least due to the lack of appropriate constitutive laws and substantiated scientific investigations. Few studies have been large enough to provide reliable estimates of material behaviour under load during a prolonged period of time. Therefore, no constitutive law specifically for Plastic Concrete exists to date. Especially the extent to which the mixture composition influences Plastic Concrete’s microstructural and mechanical behaviour remains unclear. Furthermore, no comprehensive research has been conducted to review the existing literature on Plastic Concrete and establish possible similarities with varying mix designs. The present thesis, therefore, aims to close this gap and sets the first steps for a comprehensive understanding of Plastic Concrete material behaviour.
Firstly, an extensive literature study confirmed that the mix design, especially bentonite contents and type, significantly influences Plastic Concrete’s microstructural and mechanical properties, which are in turn dependent on sample age, with significant material property changes far beyond the 28-day mark. The literature review further provided first insights into the material properties and highlighted the current research gaps on Plastic Concrete’s material behaviour. Most importantly, the literature review proved that Plastic Concrete’s material behaviour aligns with concrete technology and can, therefore, be studied using the established concrete investigation procedures.
The microstructural properties investigated through MIP and XRD show a significant pore refinement over an extended study period of 4 years, correlating with increased material strength. In addition, the pore size distribution depends on the mix design and correlates to the source materials used. The mineralogical study using XRD confirms the existence of typical crystalline products from cement hydration.
The mechanical properties investigated also correlate to the selected mix design, especially the water, cement and bentonite contents used. In addition, the compressive and tensile strength significantly increase with sample age. This thesis also develops, for the first time, Plastic Concrete specific mechanical property models. The compressive strength development over time can be estimated for a sample age of up to 4 years as a modification of the fib Model Code 2020 time development model. The tensile-to-compressive strength ratio has been established to be best correlated using a linear approximation. Finally, the stabilised elastic modulus 𝐸𝐶,𝑆 has shown to be closely correlated to the Plastic Concrete mix design and can be estimated from the corresponding compressive strength. This thesis also highlights the major impact that the elastic modulus test set-up, most importantly sample deformation measurement techniques, has on the obtained elastic modulus.
Finally, these findings are of significant value for future Plastic Concrete cut-off wall design since a more realistic and accurate time-dependent design will be possible, addressing the specific material behaviour of Plastic Concrete. With the acquired knowledge, Plastic Concrete cut-off walls can safely guarantee seepage control inside and below dams with a controlled material behaviour.