10/21/2016 Bridge Lessons Expanded to Example Work ... - Bridge Lessons.pdfX‐DOT’s “Crack...

25
10/21/2016 1 Bridge Lessons Expanded to Concrete Structures Brian D. Merrill, PE Associate Principal Example Work at TxDOT: Design Example Work at TxDOT: Construction & Maintenance Example Work at TxDOT: Construction & Maintenance

Transcript of 10/21/2016 Bridge Lessons Expanded to Example Work ... - Bridge Lessons.pdfX‐DOT’s “Crack...

10/21/2016

1

Bridge Lessons Expanded to Concrete Structures

Brian D. Merrill, PEAssociate Principal

Example Work at TxDOT: Design

Example Work at TxDOT: Construction & Maintenance

Example Work at TxDOT: Construction & Maintenance

10/21/2016

2

Despite what you hear in the media… it’s not all that bad. Texas is:

1st in total number of bridges – by a lot

2nd in lowest in % of deficient bridges (2.6%)

3rd in overall condition

51st in Federal Bridge Funding – since 1956

“Report Card”: Biennial bridge inspections

Learn something from TxDOT?Topics

Alkali‐Silica Reaction (ASR)

Cracking

Specifications

Joints

Post‐Tensioning

TxDOT ASR “discovered” in 1994 ( fab in 1987)    ASR vs DEF

Mainly in post 1986 PS Concrete Beams

1999 specs gave 5 options

Current specs: 8 Options

>120 bridges documented

Up to 1500 Bridges?

>40000 girders possibly impacted (10 yrs)

ASRWhy is ASR mainly in PS Beams?

High/early release strengths 7500 psi in 14 hours

Longer Spans Higher strength

more cement

more alkalis

more heat

10/21/2016

3

Why 1994?

Possible changes in Type III cement chemistry 

due to EPA restrictions? 

Switch from wet to dry process for cement

Blaine fineness changes: faster strength gain = possible change in rate of reactions, higher temps

New admixtures – effect on cement hydration/release of alkalis?

Parking garages

MSE Wall panels

Concrete façade panels

Nuclear structures 

ASR: Non‐TxDOT

Alkali‐Silica Reaction

ASR – what is it?

1)  Alkalis in cement (OH‐) + Reactive Aggregate + water = ASR Gel product (aggregate “dissolves”)

2) ASR Gel Product + Water = Expansion

Where are ASR Affected Bridges?

10/21/2016

4

ASR: Symptoms

Map cracking 

Longitudinal Cracks in prestressed beams

Vertical cracking in columns

Oriented cracking in beam ends and bent/abutment caps

What Does ASR Look Like? PS Beams

What Does ASR Look Like? Other

Cracks form perpendicular to tensile stress

Tensile stresses are the result of material expansion

Confinement (rebar or applied loading) can provide restraint

Crack Orientation:Why are ASR cracks oriented this way? 

10/21/2016

5

ASR Cracking in Prestressed Beams ASR Cracking in Columns

ASR Cracking in Caps

?

?

?

ASR: How bad can it get?

10/21/2016

6

ASR: How bad can it get?

4” PVC

34” Box Beam

ASR: Fundamental Questions

1. Has structural capacity been affected?

a) How can you monitor it?

2. Can we keep it from getting worse?

a) How can you tell if it’ll get worse?

3. How do we prevent ASR in new concrete?

1857 – Structural Assessment

4069 – Mitigation of In‐service ASR

5218 – Service life of Large ASR affected structures

1521 – Lithium Field Trials

4085 – Preventing ASR in New Concrete

4183 – Improved test Procedures for ASR

5722 – Affect of ASR on splices and development

5997 – “D” Region Assessment

IAC: Shear Strength of caps

IAC: Trap Girders

6491 – NDE for ASR/DEF

6436 – Effect of ASR on Rebar Stress

6656 – ASR Testing Modifications

ASR Research by TxDOT ≈ $8‐10M ASR – What have we learned?

1. Structurally not as bad as it looks – for now

a. Cracking in most cases not in core

2. You can slow it down in some cases

3. You can largely prevent it in new concrete – for now

10/21/2016

7

10 ‐ 15% Reduction in Compressive Strength

Reduction in Tensile Strength

Reduced Bond with Rebar/Prestressing Strands

Reduced Stiffness ‐ Increased Cracking

Increased Potential for Damage due to Corrosion

Service Life Implications?

Structural Effects of ASR ASR: What Can Be Done About it?

1. Do nothing and monitor

2. Reduce moisture availability

3. Chemical treatments (ASR only)

4. Physical treatments: confinement

5. Replacement

ASR: Treatment to reduce moisture availability

Silane

Caulk large cracks

Silicone‐resin coating

TxDOT Std. Spec 789

Caulk – not epoxy

Waterproofing (Silane)

Coating

Preventing ASR: TxDOT Std. Spec 421

10+ years at exposure site – 1st of kind in US

Companion samples in Canada

FHWA ‐ TWG Review

10/21/2016

8

Preventing ASR – Prescriptive Specs

1. Replace 20‐35% of cement with F flyash

2. Replace 35‐50% of cement with GGBFS or MFFA

3. Replace 35‐50% of cement with F flyash, GGBFS, MFFA, UFFA, metakaolin, or silica fume. Flyash must be < 35% and SF must be < 10%

4. Use Type IP or IS cements (up to 10% repl. with F ash, GGBFS or SF)

Preventing ASR

5. Replace 35‐50% cement with C ash plus >6% SF, UFFA or metakaolin, but C ash < 35% and SF < 10%

6. LiNO3 at 0.55 gal (30% sol’n) per pound of alkalis

7. Straight cement: alkali content < 3.5 lbs per cy

8. Performance option. Test mix using C1567. 

TxDOT has a MAXIMUM cement content

All aggregates considered reactive 

ASR: Texas’ Aggregate reactivity>60% of coarse aggregate sources

Varibility of Reactivity in Coarse Aggregate

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

ReadyMix Plant

ReadyMix Plant

ReadyMix Plant

Rail Car ReadyMix Plant

PrestessPlant

PrestessPlant

14

Da

y E

xp

an

sio

n, %

ASR: Texas’ Aggregate reactivity>80% of fine aggregate sources

Fine Aggregate C 1260 Testing

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Quarry AsIs

Quarry Quarry PrestressPlant 1

PrestressPlant 2

14 D

ay E

xp

an

sio

n

10/21/2016

9

Topics

Alkali‐Silica Reaction (ASR)

Cracking

Specifications

Joints

Post‐Tensioning

1. “All Concrete Cracks”

2. Structural Engineers cannot change Rule #1

Page 34

Cracking: Two “Rules” 

How many clientswant to hear this?

Who Fails to Reduce Cracking and How?1. Engineer

a) Failure to understand concrete behavior

b) Design deficienciesc) Specificationsd) Contractual requirements

2. Contractora) Handling/placingb) Failure to follow specificationsc) Failure to understand concrete 

behavior3. Concrete Supplier – “harsh” mix

10/21/2016

10

Causes of Cracks per ACI 224.1R‐2

1. Cracking in Plastic Concrete: a) Shrinkage

b) Settlement

2. Cracking in Hardened Concrete: a) Drying shrinkage/restraint,

b) Thermal stresses, 

c) Chemical reaction, 

d) Corrosion, 

e) Construction overloads, 

f) Errors in design/detailing, 

g) External loads: flexure/shear

Page 37

Drying Shrinkage: “All Concrete Shrinks”Specifications1. Shrinkage Affecting Admixtures: “better concrete thru chemistry”

a) Shrinkage Reducing Admixtures – reduce surface tension of water

– Lower strength (12‐15%)

– Negative reaction with air‐entraining agents

b) Shrinkage Compensating Admixtures – cause expansion designed to off‐set shrinkage

2. Optimized Graded Aggregates

a) Reduce paste volume

Use caution! !

Drying Shrinkage: “All Concrete Shrinks”

Detailing1. Shape

2. Restraint 

Drying Shrinkage ‐ Restraint

15’

35’

Partial Contraction Joints

Joints in slab not aligned with joint in walls – lots of cracks

10/21/2016

11

Restrained Shrinkage

PCA: 36” min. dimension ACI: no specific limits** any volume that can have problems with internal stresses due to heat of hydration

TxDOT: >5’ min. dimension FDOT: >36” and V/A >12 

Thermal Stresses – when do you need Mass Concrete Provisions?

Image from lusas.com

Cracking in new concrete structures – 1 year

Reduce potential for DEF 

Thermal Stresses – Why should we care?

Lower cement content Use SCM’s Control placement temperature

Insulate formwork Max T<160F Max ∆T<35F

ConcreteWorks©

Thermal Stresses – TxDOT Controls

Mass Concrete + DEF

10/21/2016

12

Design/Detailing Issues: Rebar Development

Designed using sectional analysis

Cracks noticed < 1 year in service

Emergency shoring required

Design/Detailing Issues: Rebar Development

P-T Bars

Vert Passive Reinf.

P-T AnchorBlockout

Design/Detailing Issues: Rebar Development

Same Project – Diff Bents

Full P-T

Design/Detailing Issues:

Creep

Rebar Development+

Material Behavior

10/21/2016

13

Design/Detailing Issues: Addition/Accumulation of Stresses

Max M & V

PTBursting stresses

Can’t “Double-count”reinforcing

Design/Detailing Issues: Addition/Accumulation of Stresses

Contractual IssuesSPEED OF CONSTRUCTION – PERFECT STORM

Engr: 4000 psi

Contr. Orders 7500 psiNeeds 4000 in 2 days(Time/strength penalties)

$

Supplies 8500 psi Owner unhappy with cracks!

Topics

Alkali‐Silica Reaction (ASR)

Cracking

Specifications

Joints

Post‐Tensioning

10/21/2016

14

Define Quality Properties: strength, permeability, volume change, ASR resistance,…

Test methods (timing: 28 days, 56 days,…)

Acceptance criteria – sampling and testing variability

What if criteria are not met?

Reject?

Reduce payment?

Specifying Concrete

Performance Specs for Concrete: ACI 329 R‐14Cracking: Crack resistance of concrete mix – ASTM C1581 (Ring Test)

No mention of parameters or tests for in‐situ cracks X‐DOT’s “Crack Free” Spec: Up to 30% pay reduction based on crack density in bridge decks30% increase in bid prices ‐ paid more for the same “quality”

TxDOT: HPC Performance Option since 2004 – no takers

Specifying Concrete

Performance Specs for Concrete: ACI 329 R‐14

Performance Specs (per SHRP2 R07) 

Pros

Contractor “Innovation”

Contractor assumes risk

Flexibility in materials and processes

Pay adjustment for performance

Cons

Less Agency control

Reduced opportunities for smaller contractors

Hard to determine perf. criteria/tests

Blurred roles between Contr/Agency

Contractor assumes risk

The “Truth”:

Contractors/suppliers don’t innovate to improve performance – they innovate to save money/increase profits

I’ve never met a contractor who can’t mess up a good material

Performance Specs = “Innovation”?

10/21/2016

15

Performance Specs – Rocks in the Road

Better for negotiated price than low bid

Risk factors: Project duration

Material changes, seasons,…

Reliability/repeatability of tests

Service life

How do you measure performance?

How long does a test take? Frequency?

What properties define durability?

Strength? Higher strength = more cracks?

Permeability? What if it cracks?

Quality Properties/Tests?

SB: f’c = 8000 psi884 lf cracks

NB: f’c = 4000 psi554 lf cracks

Performance f’c SCC Removed overdesign Slump ranges Mix design options

Prescriptive Mix Design Options (ASR) Aggregate gradations Optimized gradations Max cement content Limits for sulfates Min/max w/c ratio

TxDOT Concrete Specifications: Performance or Prescriptive?Really a Hybrid Spec

P/S beams: 6000 psi max release; 8500 psi max f’c

Lot’s of standard details 

LRFD Design/Detailing Manuals

Std Bridge Deck: 8.5” with2.5” clear cover

Columns,…: 2” clear cover

All are exposed elements

TxDOT Design/Spec Practices for Bridges

10/21/2016

16

TxDOT District‐Specific Design/Spec Items

10/21/2016

17

Use the strength you NEED

High strength does not mean “crack free”

High Strength can result in MORE cracks

High cement factor: more creep and shrinkage

Admixtures usually needed (water reducer)

more difficult to place (ice, nitrogen,…)

HS concrete is more brittle

Specifications: Concrete Strength Specifications:Concrete Strength

8’x10’ Column

Calc Avg Stress: <500 psi

f’c = 5000 psi

Wanted it to be “strong”

Thermal cracking + DEF

Louetta Rd Deck Photos

Southboundf´c = 8000884 lf cracks

Northboundf´c = 4000554 lf cracks

Specifications: Concrete StrengthHigh Performance Concrete Between the Cracks

Cracking due to drying shrinkage

TxDOT Prescriptive Mix Design Options ‐HPC

1. Replace 20‐35% of cement with F flyash

2. Replace 35‐50% of cement with GGBFS or MFFA

3. Replace 35‐50% of cement with F flyash, GGBFS, MFFA, UFFA, metakaolin, or silica fume. Flyashmust be < 35% and SF must be < 10%

4. Use Type IP or IS cements (up to 10% repl. with F ash, GGBFS or SF)

10/21/2016

18

5. Replace 35‐50% cement with C ash plus >6% SF, UFFA or metakaolin, but C ash < 35% and SF < 10%

6. LiNO3 at 0.55 gal (30% sol’n) per pound of alkalis

7. Straight cement: alkali content < 3.5 lbs per cy

8. Performance option. Test mix for permeability. Max cement content enforced 

TxDOT Prescriptive Mix Design Options ‐HPC Topics

Alkali‐Silica Reaction (ASR)

Cracking

Specifications

Joints

Post‐Tensioning

Why Do We Need Bridge Joints?

Allow thermal expansion and contraction

Allow translation & rotation of the structure

Other Joint Functions: seals

Keep water,… off of substructure

Protect exposed concrete edges

10/21/2016

19

Minimizing Joints – the TxDOT Way

Joints and the 90% “Rule”

90% of new bridges use PS beams

“Poor‐Boy” Continuous slabs vs Continuous spans

Don’t eliminate joints completely

Minimizing Joints – the TxDOT Way

Don’t eliminate joints completely

Change the way we build foundations

Moves the maintenance problem

Don’t make prestressed beams continuous over the bents

Not worth the trouble

Fully Continuous Units “Poor‐Boy” Continuous Spans

400’ maximum unit length

Continuous slab on simple span beams

Controlled Joint

10/21/2016

20

“Zip-strip”3/4” Chamfer orSteel Angle

Controlled Joint

4”

Undesirable

Construction, Control or Expansion Joint

Preferred Method for Control Joints

1” Fiber Board

Can You saw‐cut the controlled joint? NO!

10/21/2016

21

Preferred Method for Expansion Joints

Constr. Jt

Armor Joint (AJ)

Sealed Expansion Joints (SEJ)

Fabric Joint Underseal

Header Type Joint

Asphalt Plug

Finger Joint 

Modular Joint

TxDOT Joint Types

Topics

Alkali‐Silica Reaction (ASR)

Cracking

Specifications

Joints

Post‐Tensioning

PT/Grouting Issues

Grout Issues

Going forward – Design/Specification

10/21/2016

22

Chlorides in Grout

5 bents, 5 tendons per bent , 14‐19 strands per tendon

A

B

Petrography

Significant segregation of “A” material

Many large air voids

excess moisture present

“A” material weak and brittle

“B” material appeared normal in strength 

Scanning Election Energy Dispersive Spectroscopy/  

X‐ray Fluorescence/ Ion Chromatography

“A” material

High levels of Chlorides > 21000 ppm

High Na and K levels

Relatively low Ca levels

“B” Material

Normal hydration

Cl levels exceed specs (>800 ppm)

Unused grout (dry): approx 1300 ppm of Cl2nd lot: very low Cl

10/21/2016

23

Contributing factors

Grout storage

Too long (up to 9 months, past shelf life)

Too hot (>120F)

Mixing/pumping issues

Several blow‐outs reported

Inconsistent procedures

“burping” tendons

Pumping pressure/speed

National Issue

“What starts in Texas changes the world”

FHWA memo dated 11/23/2011 

ASTM C150: no limits on Cl content in cement

Most suppliers weren’t testing their cement sources (they are now!)

Suspect grout produced from 2002 to 2010 –16M lbs of grout that went to 38 states

Grout Segregation w/o Chlorides

10/21/2016

24

PT Design/Specification

PTI/ASBI M50.3 Grouted PT Guide Spec

New Industry standard

Updated material requirements

Inspection/Testing requirements

Protection Levels

Adoption by State DOT’s

PTI Protection Levels – Spec in PlansProtection from Structure

High Medium Low

Aggressiveness of Environmen

tHigh

Med

ium

Low

PL‐1

PL‐2(Bridges)

PL‐3

Protection Level 1A – Std grout Protection Level 1B – Engineered grout

Perm. grout cap

10/21/2016

25

Protection Level 2  Protection Level 3

PL‐2 • Elec. Isolation,• Monitorable,• Inspectable

PTI M55.1‐12

Material testing

4 grout classes

Pre‐grouting

Injection req’ts

Field testing

Post‐grout Insp 

PTI Grouting Spec 

Contractor: “A gambler who never gets to shuffle, cut or deal”

Low Bidder: “a contractor who wonders what he left out”

Engineer’s estimate: “the cost of construction in heaven”

Bid: “a wild guess carried out to 2 decimal places”

Critical path method: “mgmnt technique for losing your shirt under perfect control”

Definitions: