Effects of roughness on the strength and fracturing processes in Mortar-Granite interface under tensile loading

Ghasem Shams, Patrice Rivard, Omid Moradian

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoCalgary 2022: 75th Canadian Geotechnical Conference

Session: T15

RÉSUMÉ: La rupture en traction et le détachement des interfaces roche-béton dans les ouvrages de génie civil, tels que les barrages poids, sont considérés comme des facteurs critiques dans le contrôle de la stabilité de ces ouvrages. Malgré de nombreuses études sur l'effet de la rugosité de l'interface sur la résistance au cisaillement de telles structures bi-matériaux, très peu d'études ont étudié l'influence de la rugosité sur les interfaces roche-béton sous chargement de traction. Dans cette étude, des techniques d'émission acoustique (AE) et de corrélation d'images numériques (DIC) ont été utilisées pour évaluer l'effet de la rugosité de l'interface sur la résistance et les propriétés de rupture des échantillons de granit-mortier sous une charge de traction directe. Nos résultats ont montré que la résistance à la traction des interfaces roche-mortier augmente avec la rugosité de l'interface. Les données AE ont révélé que la fracture macroscopique générée est composée uniquement de microfissures de traction pour les spécimens à interface lisse, alors qu'elle est composée à la fois de microfissures de traction et de cisaillement pour les spécimens à interface rugueuse. Les microfissures étant plus résistantes au cisaillement qu'à la rupture en traction, l'augmentation du nombre de microfissures de cisaillement avec la rugosité de l'interface explique l'augmentation de la résistance à la traction avec la rugosité. Les échantillons avec des interfaces rugueuses ont également montré un comportement de fracturation plus ductile. Les résultats du DIC ont indiqué que la zone de processus de fracture est principalement concentrée le long de l'interface, tandis que les fractures finales ne traversaient pas ces zones de concentration de déformation. En revanche, la zone de processus AE a mieux déterminé la localisation des fractures macroscopiques. Nos résultats suggèrent que les mesures AE peuvent expliquer pourquoi nous obtenons différentes valeurs de résistance pour le même matériau dans des expériences similaires (par exemple, des spécimens de roche-mortier avec des interfaces rugueuses et lisses). Les résultats de cette étude peuvent améliorer notre compréhension de la résistance à la traction et du comportement des interfaces roche-béton, conduisant à une conception plus sûre des structures d’ingénierie.

ABSTRACT: Tensile failure and detachment of rock-concrete interfaces in civil engineering structures, such as gravity dams, are considered critical factors in controlling the stability of these structures. Despite many studies on the effect of the interface's roughness on the shear strength of such bi-material structures, very few studies have investigated the influence of the roughness on the rock-concrete interfaces under tensile loading. In this study, acoustic emission (AE) and digital image correlation (DIC) techniques were used to evaluate the effect of the interface's roughness on the strength and the fracture properties of granite-mortar specimens under direct tensile loading. Our results showed that the tensile strength of the rock-mortar interfaces increases with the interface's roughness. AE data revealed that the generated macroscopic fracture is composed of only tensile microcracks for specimens with a smooth interface, while it is composed of both tensile and shear microcracks for rough interface specimens. Since microcracks are more resistant to shear than tensile failure, the increase in the number of shear microcracks with interface roughness explains the increase in tensile strength with roughness. Specimens with rough interfaces also showed more ductile fracturing behavior. The DIC results indicated that the fracture process zone is mainly concentrated along the interface, while the final fractures did not pass those strain concentration zones. In contrast, the AE process zone better determined the location of the macroscopic fractures. Our results suggest that the AE measurements can explain why we get different strength values for the same material in similar experiments (e.g., rock-mortar specimens with rough and smooth interfaces). The findings of this study can improve our understanding of the tensile strength and behavior of rock-concrete interfaces, leading to the safer design of engineering structures.

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