Performance of SIMCON in Structural Retrofitting Under Freeze–Thaw Exposure

Öz

This study investigates the freeze-thaw (F-T) durability and mechanical performance of Slurry Infiltrated Mat Concrete (SIMCON) produced with two different binders, Portland cement (CEM I 42.5R) and calcium aluminate cement (CAC). SIMCON composites were fabricated by infiltrating cement pastes into randomly oriented steel wool mats, aiming for improved fiber distribution and matrix-reinforcement interaction. Specimens were subjected to 0, 15, and 30 F-T cycles and evaluated on the basis of unit weight, ultrasonic pulse velocity (UPV), flexural strength, and compressive strength. The results showed that all properties deteriorated with increasing number of cycles; however, CAC-based composites consistently outperformed their CEM I counterparts. After 30 cycles, CAC specimens retained 54% higher compressive strength and exhibited slower deterioration rates in UPV and flexural strength. The superior performance of CAC is attributed to its denser, more stable microstructure and its improved resistance to internal cracking and moisture damage. These findings demonstrate that CAC is a promising binder for SIMCON in infrastructure and retrofit applications exposed to harsh environmental conditions where long-term durability is critical.

Anahtar Kelimeler

• Slurry-Infiltrated Mat Concrete (SIMCON)
• Freeze-Thaw Durability
• Calcium Aluminate Cement (CAC)
• Fiber-Reinforced Cement Composite
• Retrofitting Material

Donma-Çözülme Etkisi Altında Yapısal Güçlendirme Uygulamalarında Kullanılan SIMCON'un Performansı

Öz

Bu çalışma, portland çimentosu (CEM I 42.5R) ve kalsiyum alüminat çimentosunu (CAC) bağlayıcı olarak kullanarak üretilen çimento bulamacı emdirilmiş ağ şeklinde lif içeren beton (SIMCON) kompozitlerinin donma-çözülme (D-Ç) dayanımı ve mekanik performansını incelemektedir. SIMCON numuneleri, kontrollü olarak hazırlanmış çimento hamurlarının rastgele yerleştirilmiş çelik lif ağlarına emdirilmesiyle üretilmiş; bu sayede daha iyi lif dağılımı ile çimento – çelik lif arasındaki bağın ve yük transferinin geliştitirilmesi hedeflenmiştir. Numuneler 0, 15 ve 30 D-Ç çevrimine tabi tutulmuş ve birim hacim ağırlığı, ultrasonik geçiş hızı (UPV), eğilme dayanımı ve basınç dayanımı açısından değerlendirilmiştir. Sonuçlar, çevrim sayısının artmasıyla tüm özelliklerde bozulma olduğunu göstermiş; ancak CAC esaslı kompozitlerin CEM I içeren muadillerine kıyasla daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. 30 çevrim sonunda, CAC numuneleri %54 oranında daha yüksek basınç dayanımı elde etmiş ve UPV ile eğilme dayanımında daha yavaş bozulma göstermiştir. CAC’nin üstün performansı, daha yoğun ve kararlı mikro yapısına ve iç çatlaklara ve neme karşı üstün direncine atfedilmiştir. Bu bulgular, uzun ömürlü dayanımın kritik olduğu zorlu çevresel koşullara maruz altyapı ve güçlendirme uygulamalarında SIMCON için CAC’nin umut vadeden bir bağlayıcı olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• SIMCON
• Donma-Çözülme Dayanımı
• Kalsiyum Alüminat Çimentosu (CAC)
• Lifli Beton Kompozitler
• Yapısal Güçlendirme Malzemesi

Kaynakça

1. Balaguru, P. N., & Ramakrishnan, V. (1986). Freeze-Thaw Durability of Fiber Reinforced Concrete. 83(3). https://doi.org/10.14359/10438
2. Balamuralikrishnan, R., & Jeyasehar, C. A. (2009). Retrofitting of RC Beams with Externally Bonded Simcon Laminates. 3(1). https://doi.org/10.2174/1874149500903010034
3. Bayasi, Z., & Zeng, J. (1997). Flexural Behavior of Slurry Infiltrated Mat Concrete (SIMCON). Journal of Materials in Civil Engineering, 9(4), 194–199. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(1997)9:4(194)
4. Canbaz, M., & Albayrak, U. (2018). Properties of Ancient Style Handmade Clay Bricks Using Bottom Ash. Anadolu University Journal of Science and Technology A- Applied Sciences and Engineering, 19(1), 104–113. https://doi.org/10.18038/aubtda.332855
5. E. Dogan, H. Hill, & N. Krstulovic-Opara. (2000). Suggested Design Guidelines for Seismic Retrofit with SIMCON and SIFCON. SP-185: High-Performance Fiber Reinforced Concrete in Infrastructural Repair and Retrofit, 185, 207–248. https://doi.org/10.14359/5717
6. Fagerlund, G. (1977). The critical degree of saturation method of assessing the freeze/thaw resistance of concrete. Matériaux et Construction, 10(4), 217–229. https://doi.org/10.1007/BF02478693
7. J. Zeng, P. K., and Z. Bayasi. (2000). Slurry Infiltrated Mat Concrete (SIMCON) for Rehabilitation of Bridges and Pavements. ACI Symposium Publication, 185. https://doi.org/10.14359/5710
8. Jeyasehar, C. A., & Ravichandran, K. (2013). Cyclic behaviour of beam column joint retrofitted with SIMCON laminates. Asian Journal of Civil Engineering, 14(2), 269–288. SID. https://sid.ir/paper/299021/en

9. Li, V. C. (2003). On Engineered Cementitious Composites (ECC): A Review of the Material and Its Applications. Journal of Advanced Concrete Technology, 1(3), 215–230. https://doi.org/10.3151/jact.1.215
10. Murakami, H., & Zeng, J. Y. (1998). Experimental and analytical study of SIMCON tension members. Mechanics of Materials, 28(1–4), 181–195. https://doi.org/10.1016/S0167-6636(97)00060-4
11. Powers, T. C. (1945). A Working Hypothesis for Further Studies of Frost Resistance of Concrete. ACI Journal Proceedings, 41(1). https://doi.org/10.14359/8684
12. Pyo, S., Wille, K., El-Tawil, S., & Naaman, A. E. (2015). Strain rate dependent properties of ultra high performance fiber reinforced concrete (UHP-FRC) under tension. Cement and Concrete Composites, 56, 15–24. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2014.10.002
13. Qanber, A. S. G., Yas, M. H., & Kadhum, M. M. (2023). Numerical and Experimental Behavior Analysis of Slabs Strengthened Using Steel Plates and Slurry-Infiltrated Mat Concrete (SIMCON) Laminates. Infrastructures, 8(5), 85. https://doi.org/10.3390/infrastructures8050085
14. Scrivener, K. (2003). Calcium Aluminate Cements. In J. Newman & B. S. Choo (Eds.), Advanced Concrete Technology 1: Constituent Materials. Elsevier. ISBN: 978-0-08-048998-8