Selfhealing of Engineered Cementitious [603846]

MSc‐ thesis 

Self‐healing of Engineered  Cementitious  
Composites  (ECC) in Concrete  Repair System 

          Xia Hua  
 July 2010 
   Graduation  committee                                    
 Prof. dr. ir. K. van Breugel   (CMD/Microlab)  
Dr. Guang  Ye   (CMD/Microlab)  
Dr. ir. P. C. J. Hoogenboom    (Structural  Mechanics)  
Ir. L. J. M. Houben   (Coordinator)

To my parents and Xi

TABLE OF CONTENTS  
 
ACKNOWLEDGEMENTS                                                   i 
 
ABSTRACT                                                             ii 
 
1  INTRODUCTION                                                      1 
 
1.1  Problem definition                                                    1 
1.2  Objective  of the research                                              2 
1.3  Outline  of the thesis                                                  2 
 
2  LITERATURE  STUDY                                                    3 
 
2.1  Review  of the Engineered  Cementitious  Composites  (ECC) material           3  
2.1.1  Characteristics  of ECC                                              3 
2.1.2  Additives in ECC                                                   5 
 
2.2  Self ‐healing in concrete materials                                        6 
2.2.1  Introduction                                                       6 
2.2.2  Mechanisms  of self‐healing                                          6 
2.2.3  Conditions  for self‐healing                                           7 
2.2.4  Self‐healing approaches                                              8 
 
2.3  Short  summary                                                      10 

3  METHODOLOGY                                                      11 
 
3.1  Starting  point                                                      11 
3.2  Approach                                                           11 
3.3   Challenge                                                           12 
 
4  EXPERIMENTAL  STUDY                                               13 
 
4.1  Sealing  material and manufacture                                       13 
4.1.1  Introduction                                                      13 
4.1.2  Investigation  of sealing materials                                     13 
 
4.2  Functional  performance  of ECC                                        17 
4.2.1  Introduction                                                      17

4.2.2  Materials  and  mix proportion                                        17 
4.2.3  Specimen  preparation                                             18 
4.2.4  Three‐ point bending test                                           19 
4.2.5  Nano‐computer  tomography  (nano‐CT)                               20 
4.2.6  Environmental  scanning  electron  microscopy  (ESEM)                    22 
4.2.7  Light microscope                                                 23 
 
4.3  Short  summary                                                      23 
 
5  RESULTS  AND DISCUSSION                                              24 
 
5.1  Recovered  mechanical  properties  in ECC                                 24 
5.1.1  Load‐displacement  relation                                         24 
5.1.2  General results of stress‐deflection  curves                             25 
5.1.3  Deflection  hardening  behavior influenced  by the capsules                26 
5.1.4  Deflection  capacity and recovery                                     27 
5.1.5  Flexural strength and recovery                                      28 
5.1.6  Flexural stiffness and recovery                                       30 
 
5.2  Nano ‐CT observation                                                 32 
5.2.1  Identification  of microcracks  in nano‐CT image                         32 
5.2.2  Opening of capsules                                               34 
 
5.3  Light  microscope  and ESEM observations                                 35 
5.3.1  Multiple cracking behavior                                         35 
5.3.2  Observation  of interface  zone                                       36 
5.3.3  Observation  of crack inside                                         36 
5.3.4  Observation  of crack surface                                        37 
 5.4  Discussion  of potential  of self‐healing in ECC                              39 
5.4.1  Influencing  factors                                                39 
5.4.2  Healing efficiency                                                  40 
5.4.3  Short summary                                                    41 
 
6  CONCLUSIONS  AND RECOMMANDATIONS                               42 
 6.1  General  conclusions                                                 42 
6.2   Recommendations                                                   43 
 
REFERENCES                                                        44  
 
APPENDIX                                                           46

ACKNOWLEDGEMENTS  
 
This  research has been  carried  out at the Microlab of the Faculty of Civil Engineering  and 
Geosciences,  Delft University  of Technology,  and  continued  for 8 months from December  2009 
until July 2010. I wish to take this opportunity  to express my gratitude to all those  who helped me 
in this research and successful  completion  of this thesis, especially  the following people: 
 
First of all, I would like to express my sincere  thanks to Dr. G. Ye for introducing  me to this project, 
for his daily supervisions,  discussions  and constant encouragements  throughout  the research. I 
am also very grateful  for his effort to make this project go on smoothly.  
 Second, I really appreciate  Prof. K. van Breugel and  Dr. P. C. J. Hoogenboom  for providing  me the 
general supervisions,  for their  valuable comments  on the research.  
 Third, I would like to thank PhD student H. Huang for his stimulation  and collaboration  on sealing 
material investigation  and  manufacture.  During the study, PhD student J. Zhou also provided me 
some interesting  ideas and guided me to perform some experiments.   
 In addition, I also thank Mr. A. Thijssen from  Microlab  for his assistance  on the nano‐CT scan 
investigation  and  the coordinator  of Structural  Engineering  Ir. L. J. M. Houben for his 
administration  of the graduation  aspect. 
 Last  but not least, I appreciate  my parents and  friends for their  support and  love  in every step I 
have taken during the two years of studying abroad. 
 Xia Hua 
Delft, July 2010
 
i

ABSTRACT  
 
Since the concept of high performance  concrete was raised in the late 1980’s,  it is well known 
that concrete properties  have been  greatly  improved.  However,  a larger number  of existing 
concrete structures  are suffering deterioration  resulting from external or internal  causes even 
during the early stage of service life. Durable  repair of concrete has thus drawn  more attention.  
To this end, the main objective of this research is to develop  and  test a novel method for 
promoting  the self‐healing behavior in concrete repair system. 
 
A new type high performance  fiber reinforced  cementitious  composites  called Engineered  
Cementitious  Composites  (ECC) has been  developed  in recent years, characterized  by high 
ductility and improved  durability  due to the multiple micro‐cracking behavior. In this study, it was 
proposed  that the original ECC with local waste materials  was embedded  with capsules to 
investigate  the self‐healing potential of this modified ECC material. To realize  this self‐healing 
concept, Super Absorbent  Polymers (SAP)  can be used as the water reservoir enclosed in the 
capsules, and then provide  available water for self‐healing process when the capsules are 
ruptured by cracking. Based on this idea, the preliminary  experiments,  concerning  sealing 
materials  and  encapsulation  procedure,  were first carried  out. Three  ECC mixtures focusing on 
the influence of capsule content and  capsule size were involved. In order to induce artificial 
cracks,  three‐point bending tests have been  used to preloaded  ECC specimens  to different 
deflection  levels.  After healing for 28 days, the specimens  have been  tested again in the 
three‐point set‐up.  
 The experimental  results reveal that the recovered  deflection  capacity of damaged  modified ECC 
specimens  can arrive at 65%‐95% of control specimens,  which is higher  than that of specimens  
without capsule. While the recovery of flexural  strength and  stiffness rarely show improvement.  
Compared  to the case of coarse capsules, the specimens  with fine  capsules show more 
reasonable  performance  on mechanical  properties  including  the deflection  capacity, the flexural 
strength and stiffness as well as their  recoveries.  The nano‐CT investigation  confirmed  that 
moisture  transportation  took place  in more than  half of capsules. Under  EDX observation,  the 
relatively  high concentration  of calcium on the crack surface  could  be considered  that  the healing 
product was probably presented  in terms of hydration  product such as calcium hydroxide  or 
calcium silicate hydrate. However no apparent healed crack was found under  ESEM investigation,  
thus it could be inferred  that  the healing efficiency  was not remarkable  in this study. For further 
research, it is suggested  to investigate  the contribution  of the optimal capsule size and the 
sufficient water supplement  to more effective self‐healing behavior. 
ii

1 INTRODUCTION  
1.1  Problem  definition  
 
Concrete  is a strong, versatile and  economical  material that has been  widely  utilized for 
constructions  over the world. Since the concept of high performance  concrete was raised in the 
late 1980’s,  concrete properties  have been  greatly  improved.  However,  a large number of existing 
concrete structures,  such as bridge  decks and pavements  are suffering deterioration  resulting 
from external and  internal causes even during the early stage of service life. In the civil 
engineering  sector of the Netherlands,  premature  failure of structures  leads to a situation where 
about half the budget is spent annually on maintenance  and  repair. For concrete structures  in 
particular,  90% of the repair works focus on repair of cracks caused  by reinforcement  corrosion  
[1]. Due to the brittleness  of concrete,  cracking is unavoidable  in concrete structures.  Cracking 
can introduce  chlorides,  sulphates,  oxygen, alkali  or moisture into  the concrete and accelerate  
further  deterioration  of the whole system. To address this problem, the durability  of concrete 
repairs has drawn  more attention.  Even though the quality of concrete repairs has increased  a lot 
in recent years, realizing durable repairs is still difficult. 
 
As stated above, people have tried to make better and  stronger materials,  which are capable of 
repairing cracks and  restoring their  functionality.  These  materials  can be defined  as self‐healing 
materials.  The starting point for this study is a newly developed  class of high performance  fiber 
reinforced  cementitious  composites  with called Engineered  Cementitious  Composites  (ECC), 
characterized  by high ductility, improved  durability  due  to multiple micro‐cracking behavior and 
lower fiber content [2]. Fine fibers  guarantee  a tight crack width and significant  increase in strain 
capacity. This  ability  of ECC to achieve tight crack width can contribute  to engage self‐healing in a 
variety of environmental  conditions.  Therefore,  ECC as a means of healing invisible  microcracks  
can prolong the service life of structures  meanwhile  reduce the maintenance  cost. Since ECC has 
several special properties,  the use of ECC for concrete repairs was proposed  in the last decade.  In 
a currently running project at Microlab  in TU Delft, a number of experiments  based on the basic 
ECC with local available materials  have been  studied. The preliminary  results indicated that a 
wide range of raw materials  could be used as the basis for the ECC‐like repair materials  [3]. 
 It is well known that fine cracks under  favorable  moisture conditions  has a potential  to heal itself, 
since self‐healing phenomenon  was first directly observed in cracked water pipes in 1937 [4]. A 
common  agreement  is that continued  hydration  of cement particles within the cracks is one of 
the main reasons for the self‐healing. In fact,  a large amount of unhydrated  cement is available in 
most concrete and  especially  in those  concrete with low water/cement  ratio. If cracks occur  in 
the matrix and  water flow through cracked concrete,  then unhydrated  cement reacts with it, 
resulting in new hydration  products.  This  formation  and growth  of new hydration  products will fill 
in the cracks. Thus, additional  water supply at the locations  where cracks are formed is highly 
significant  for successful  completion  of self‐healing. The self‐healing can enhance  the long‐term 
performance  of concrete repairs. For these reasons, this project studies the self‐healing potential 
and mechanical  properties  of ECC material by a novel method. 
1

1.2  Objective  of the research  
 
Since the ECC material has self‐healing potential,  the main objective of this research is to develop 
and test a novel method for promoting  self‐healing behavior in ECC materials.  The encapsulation  
approach  is considered  as novel method of this study.  More specifically,  it is investigated  that 
when cracks rupture embedded  capsules inside the ECC mixture, whether this action can release 
healing agent (water) for further hydration  of cement, without replying on external supply of 
water. This  study will be conducted  as a preliminary  study to get more insight into  a 
cement‐based self‐healing coating of old concrete in concrete repair system.  
 
1.3  Outline of the thesis  
 
This  thesis consists of six chapters. Chapter 1 introduces  the motivation,  objective and  overview 
of this research. Chapter 2 gives a review of the literature  study about the development  of 
cementitious  materials  and  self‐healing behavior. Chapter  3 explains the methodology,  including 
the starting point, challenge  and approach  of the experimental  research. Chapter 4 illustrates  the 
experimental  set‐ups, procedures  of the research program. Chapter 5 presents the results from 
the mechanical  tests and  microscopic  observations  followed by the discussions  concerning  
influencing  factors and  healing efficiency  of the self‐healing behavior. Chapter 6 summarizes  the 
general conclusions  and recommendations  for further  investigation.  
 
       
 
  
2

2 LITERATURE  STUDY 
This  chapter intends to review the previous works on the ECC material including  its characteristics  
and  additives in ECC. Moreover,  the literature  study of self‐healing phenomenon  in concrete 
materials  including  the mechanisms,  the conditions  and the approaches  of self‐healing is 
introduced. 
2.1 Review of the ECC material 
 
2.1.1 Characteristics  of ECC 
 
In the last decades, concrete with increasingly  high compressive  strength have been applied to 
civil engineering  since modern building  constructions  rapidly grow towards  high‐rise and diversity. 
The addition of steel fiber and  powders improves a number  of concrete properties.  However,  
most of these materials  still remain brittle. In some cases, the brittleness  increases as the 
compressive  strength goes up, which poses potential  dangers  or fracture failures of the concrete.  
A specially  designed cementitious  material termed as Engineered  Cementitious  Composites  (ECC) 
has been  developed  by Li and  continuously  evolved  over the last twenty years. ECC is 
characterized  by a high ductility in range of 3‐7%,  a tight crack width of around  60μand 
relatively  low fiber content of 2% or less by volume [3]. In terms of main material constituents,  
ECC has  characteristics  similar to regular Fiber Reinforced  Concrete (FRC), including water, 
cement,  sand, fiber and some additives.  Coarse  aggregates  are not used because they tend to 
have negative effects on ductile  behavior of the composite.  So far, various fiber types and 
different cementitious  matrixes have been  used in ECC, but the detail  composition  of ECC must 
obey certain  principles  imposed by micromechanics  considerations.  The most  fundamental  
mechanical  property of ECC is of the ability to carry higher  levels of loading  after first cracking 
while undergoing  large deformation.  The fibers  used in ECC are tailored to work with  the matrix 
for the purpose of constraining  localized brittle fracture and guaranteeing  more uniform 
distribution  of microcracks.  Due to the slip‐hardening  behavior of fibers, ECC can take increasing  
load that generates  new cracks at other sites. It can  be observed from Figure 2.1 that first 
cracking in ECC is followed by increasing  stress accompanied  by a rise in strain. This 
strain‐hardening  behavior of ECC is similar  to ductile  metals.  m
 
Figure 2.1 Types of failure modes in cementitious  materials  [6] 
3

The crack width is another important  indicator,  reflecting  the durability  of a concrete structure.  
ECC exhibits a well crack width self‐controlled  in terms of a flat steady state microcracks  
propagation,  see Figure 2.2. After the tensile deformation  up to around 1% strain, the early 
microcracks  stop widening and remain more or less constant with crack width of around  60μ. 
ECC material can be tailored to form numerous  closely spaced microcracks.  The crack width in 
ECC is much smaller  than  the typical  crack width observed in the reinforced  concrete.  Moreover,  
the self‐control of crack width can be seen  as intrinsic properties  of ECC material,  rather than 
depending  on steel reinforcement  ratio and  structural  dimensions  [7]. Figure 2.2 also shows the 
tensile strain capacity of 5% that is about 300‐ 500 times great than normal concrete [8].  m
 
 
Figure 2.2 Typical tensile stress‐strain curve and crack width development  of ECC [8] 
 
Figure 2.3 The conceptual  trapping mechanism  with load‐displacement  relation [9] 
 
From the aspect of ECC‐concrete repair system, the advantage  of using  ECC as repair material is 
that the trapping mechanism  of ECC can serve  as a means for enhancing  the durability  of repair 
system. It was reported that microcracks  emanated  from the tips of defects on the ECC‐concrete 
interface,  kinked  into  and subsequently  were trapped in the ECC material (Figure 2.3). Due to the 
rapidly rising toughness  of the ECC, additional  load can drive  further  crack extension  into  the 
interface  after kinked crack arrest,  followed by subsequent  kink and arrest  [9]. 
 
4

2.1.2 Additives  in ECC 
 
2.1.2.1  Blast  furnace slag (BFS)  and limestone  powder (LP) 
In order to develop  a new version of ECC with locally available materials,  a number of mixtures 
with blast furnace slag (BFS) and  limestone  powder (LP) instead of fly ash and silica sand 
respectively  have been  investigated  at Delft  University  of Technology.  Portland cement,  BFS and 
LP are used to produce  ECC as matrix materials,  which can enhance the mechanical  properties  
and  durability  of ECC [3]. There are only a small  amount of LP reacting with cement clinker  or 
hydration  products,  thus the limestone  powder usually behaves as an inert filler material. The 
incorporation  of limestone  powder  and Portland cement is conducive  to early compressive  
strength, workability  and  durability  of concrete.  When BFS  is mixed  with Portland cement,  it 
reacts with the calcium which is called the pozzolanic  reaction. It was reported that the addition 
of BFS leads to a lower strength at early age, however it does not have any side  effect on the final 
compressive  strength. Besides LP , BFS is able to improve the durability  of ECC and results in a well 
homogenous  fiber distribution.  The experiments  with different BFS, LP contents and  different 
water‐powder ratios were discussed  [3]. The optimal results of the ECC mix proportion  with 
Portland cement,  BFS and LP were used as a reference  in this study. 
 
2.1.2.2  Super Absorbent  Polymer (SAP) 
Super Absorbent  Polymer (SAP)  is a low cross‐linked polyelectrolyte  which starts to swell when it 
comes into  contact with water, leading  to the formation  of a hydrogel (see Figure 2.4). At the end 
of the last century,  SAP added into  concrete was mainly  used to counteract  autogenous  shrinkage  
or self‐desiccation  of cement paste and  internal  curing agent as well. The application  of SAP can 
be attributed  to its ability  to absorb  amounts of water a few hundred times its own weight, 
release free  water when the relative humidity  (RH)  of the concrete pore  system decreases  caused 
by the cement hydration  [10]. In fact, several studies verified that the addition of SAP in concrete 
not only results in a reduction  of autogenous  shrinkage  but also modifies other microstructure  
properties  of concrete such as porosity,  connectivity  of interface  transition  zone between cement 
paste and  SAP, workability  and  durability.  The main reasons inducing  the change of 
microstructure  especially  the pore  structures,  are summarized  [11],  
i. When SAP is fully filled with water, it acts as soft aggregate.  When it is empty, SAP acts as air 
void in the concrete.  
ii. Non‐uniformity  of the dispersion  of SAP during mixing. 
iii. Water uptake of SPA changes the effective water‐cement ratio in the early hydration  stage 
and water release from SAP leads cement to further  hydrate. 
 
 
Figure 2.4 Dry, collapsed  and a swollen suspension  polymerized  SAP particle [10] 
5

2.2 Self‐healing in concrete  materials  
 
2.2.1 Introduction   
 
Self‐healing is generally defined  as the ability to repair or heal damage  of material itself [12]. In 
natural  materials,  skin tissue and  bone  structures  are perfect examples  of self‐healing behavior. 
Although the mechanisms  of healing in natural  materials  cannot be copied exactly, some forms of 
healing in concrete materials  have been  observed based on the similarity theory. 
 2.2.2 Mechanisms  of self‐healing 
 
Self‐healing behavior in cementitious  materials  has been  demonstrated  by numerous  
experimental  investigations  and  practical experiences  [7,12‐14]. The autogenous  healing 
phenomenon  is that the material has the ability  to seal  itself without external monitoring  or 
human  intervention.  Self‐healing of cracks in concrete is a combination  of the complicated  
chemical and physical  processes.  Up to now, several possible causes can be illustrated  as follows 
(also  schematised  in Figure 2.5):  
 
i. Formation  of calcium carbonate  or calcium hydroxide.  
ii. Blocking cracks by impurities  in the water and  loose concrete particles resulting from crack 
spalling.  
iii. Further  hydration  of the unreacted  cement  or cementitious  materials.  
iv. Expansion  of the hydrated cementitious  matrix in the crack flanks (swelling of C‐S‐H). 
 
    i)     ii)     iii)     iv) 
 
Figure 2.5 Possible mechanisms  for self‐healing [14] 
 
Among these, most studies have indicated that the primary mechanism  is attributed  to the 
crystallization  of calcium carbonate  [7,13]. This  view is sustained  by the fact that precipitated  
calcium carbonate  can often be observed at the outside surfaces of the crack as some white 
residue.  As one of the cement hydration  products dissolved in water, the calcium hydroxide  is 
liberated between the crack surfaces. Then free  calcium ions from cement hydration  react with 
carbon dioxide presented  at water surface, so that self‐healed  crystal is formed, grows at both 
surfaces of crack and finally fills the gap. This  process can be described  as following formulas,  
6

↔+22 + ‐Ca(OH) Ca 2OH  
−+→2+ 2
33 Ca CO CaCO   
According  to Neville [15], self‐healing was mainly  owing to continued  hydration  in his opinion at 
first. But later  he stated that this is only applied to very young concrete [16] and believed that the 
formation  of calcium carbonate  is the most likely  cause of self‐healing. Besides, loose particles 
blocking the crack path was also mentioned  in some studies as a reason for healing cracks. Since 
this was considered  to cause the first fast decrease  of water flow through the cracks [17]. 
 
2.2.3 Conditions  for self‐healing 
 
From the literature  study, it is pointed out that five general criteria should be satisfied to ensure 
self‐healing. These necessary  conditions  to experience  healing of cracks are: 
i. Presence of water 
All the studies so far state that  the presence of water is essential to facilitate healing of the cracks. 
Without water, it is impossible  for the calcium hydroxide  to be leached out of the bulk material 
into  crack [13].  
ii. Presence of chemical  species 
Adequate  concentrations  of certain  critical chemical species for instance  carbonate  ions or 
bicarbonate  ions and  free  calcium ions dissolved in a flow of water, play a direct role to exhibit 
healing mechanisms.  This  is readily available due  to the chemical makeup of cementitious  
materials  and incomplete  hydration  [12,15]. 
iii. Crack width 
Another  important  condition  is the controlled  crack width, which is associated  with the efficiency  
of self‐healing in cementitious  materials.  The crack width to engage noticeable  self‐healing 
behavior falls  below 150μ and preferably  lower than  50μ[7]. The smaller  microcrack  width 
requires less self‐healing products to fill the crack and easier to grow from both surfaces of the 
crack to get connected. m m
iv. Water pressure 
If the water flows go fast through the crack, self‐healing will not take place.  Therefore  the water 
pressure should be not too large and this condition  is influenced  by the ratio between water 
height and the thickness  of the structure for a certain crack width [14]. 
v. Stable crack 
To guarantee  that a crack is not damaged again, the crack should be under  stable condition  and 
the crack width has to be constant instead of variation with time. 
 
 
 
     
7

2.2.4 Self‐healing  approaches  
 
With the developments  of smart materials,  several innovative  approaches  of self‐healing have 
been  promoted  in recent years. The core of these approaches  is capable of continuously  offering 
materials  or energy.  For another,  an ideal  healing agent is supposed  to continuously  sense and 
respond to damage, and recover the material performance  without adverse affecting the matrix 
material properties  [18]. Several approaches  based on this principle can be discussed  below. 
 
2.2.4.1  Encapsulation  
The microcapsules  can be defined  as “particles,  spherical  or irregular, in the size range of about 
50 nm to 2000μor larger, and  composed  of an excipient polymer  matrix (shell or wall) and 
incipient active polymer  (core substance)  ” [19]. The microencapsulated  approach  of 
incorporation  of healing agent was demonstrated  by White  [12], and Figure 2.6 illustrates  this 
autonomic  healing concept. When the crack ruptures embedded  microcapsules,  the healing 
agent is released into  the crack plane  through capillary action.  Then the healing agent contacts 
the embedded  catalyst, triggering  polymerization  that  bonds the crack faces closed.  However,  a 
successful  completion  of the healing process is not easily realized since it combines  a complex set 
of requirements  on storage, rupture, release, transport  and  healing. Furthermore,  some studies 
indicated that specific problems  in terms of the size of microcapsules  and  surface morphology  
significantly  influenced  the healing efficiency  [12]. m
 
 i) 
ii) 
iii) 
 
Figure 2.6 Basic method of the microcapsule  approach:  i) cracks form in the matrix; ii) the crack 
ruptures the microcapsules,  releasing the healing agent into the crack plane through capillary 
action; iii) the healing agent contacts the catalyst, triggering  polymerization  that bonds  the crack 
faces closed  [12]. 
 
 
8

2.2.4.2  Hollow glass  fibers 
The use of hollow glass fibers (Figure 2.7 (A)) follows  the similar  concept as the microcapsules.  
Glass  is a typical brittle material,  once  the glass fibers  break, the healing agents flow into  the 
matrix cracks and  heal them so that the mechanical  properties  of concrete can be regained to a 
certain  extent. The key advantage  of hollow fibers  approach  is that the fibers  can be placed at any 
location depending  on the operational  requirement  to deal with specific failure threats (Figure 
2.7 (B)).  In order to quickly  and easily see the internal  damage in composite  materials,  a damage 
visual enhancement  method  was designed by Pang and Bond [12]. In their  work, the fibers  filled 
with healing agent were mixed  with fluorescent  dye to monitor the healing process (Figure 2.7 
(C)). 
 
  
  
(A)                                (B) 
 
(C) 
 
Figure 2.7 (A) Hollow glass fibers; (B) hollow glass fibers embedded  in carbon fiber‐reinforced  
composites  laminate;  (C) damage visual  enhancement  in composite  laminate by the bleeding 
action  of a fluorescent  dye from hollow glass fibers [12] 
 
Li [20] utilized hollow glass fibers  embedded  in ECC material to investigate  the feasibility  of 
passive smart self‐healing via experimental  tests. The sensing and  actuation  mechanisms  were 
validated by observation  of ESEM and the effect of recovery was validated by regaining  of flexural 
stiffness. He also concluded  that the study of the biomimetic  self‐healing technique  presently  was 
still in the experimental  stage, and plenty of issues  remain such as how to effectively  fill and place 
the hollow glass fibers  in large‐scale applications.  
 
 
9

2.2.4.3  Bacteria 
On the other hand, it is found that bacteria incorporated  in the concrete matrix as self‐healing 
agent probably catalyzes the autonomous  repair of cracks [21]. Basically, bacteria of the genus 
bacillus were used for the biological  production  of calcium carbonate ‐based minerals.  Such 
bacteria added in the cement matrix prior to casting should keep  viable for prolonged  periods. 
Once integrated  in the concrete matrix,  it should be able to produce  amounts of minerals needed 
to plug or seal  freshly formed cracks. In this sense, integrated  bacteria would thus represent  an 
internal  self‐healing agent which autonomously  decreases  matrix permeability  upon cracks 
formation.  The scenario is schematically  shown in the following figure. 
 
 
 
Figure 2.8 Scenario of crack‐healing by concrete‐immobilized  bacteria.  Bacteria  on fresh crack 
surface become activated  due to water ingression,  start to multiply and precipitate  minerals such 
as calcite, which eventually  seal  the crack and protect  the steel reinforcement  from further 
external chemical attack [12]. 
 
2.3 Short summary  
 
From the above literature  study, it is known that the ECC material itself has healing potential 
primarily for the fine  cracks. On the other hand, the self‐healing process can be only realized in 
the presence of water, thus it is proposed  to use SAP based on its high capacity of absorption  as a 
water carrier in the mixture to realize  the self‐healing of ECC. The detailed methodology  will be 
introduced  in the next chapter.  
  
 
10

3 METHODOLOGY 
3.1 Starting point 
 
The idea of this research comes from an “embedded  capsules”  approach  to repair material itself. 
Two starting points were proposed  in this study to realize  the self‐healing process in concrete 
repair system. As mentioned  in the introduction,  the first starting point is to use ECC material in 
studying the healing potential.  Because  ECC exhibits the high strain capacity and tight crack width 
control, those  unique properties  can promote the occurrence  of self‐healing. The second starting 
point is related to the saturated  SAP, here SAP is considered  as a water carrier enclosed in 
capsules since it is able to absorb a large amount of water, and the water released from SAP has 
the function of promoting  the further  hydration  of the cement. 
 
3.2 Approach  
 
The core question of this thesis can be simply  stated as whether water can be released from the 
embedded  capsules thereby promoting  self‐healing in ECC material. The first task is to find a 
proper  way to seal  the saturated  SAP. To realize  healed  cracks in laboratory  conditions,  the 
capsules are ruptured by inducing artificial  cracks for releasing water. Finally, mechanical  test and 
microscopic  observation  will be carried  out to assess  the quality  of self‐healing. The overview of 
this approach  can be illustrated  in the following  Figure 3.1. 
 
 
 
Figure 3.1 Basic approach  of the self‐healing concept 
   
  
11

3.3 Challenge  
 
From the approach  presented  in the previous section, there are three main challenges  involving 
sealing material and manufacture,  cracking pattern during preloading  and self‐healing 
observation,  which will be discussed  as below, 
iv. Sealing material and manufacture  
The suitable sealing material should try to meet a set of requirement  on physical, chemical 
features and mechanical  properties  at the same time. For instance, it is expected to has a 
stable capacity of water storage, and be sensitive to cracks whilst it is asked for a good bond 
strength between the sealing material and the matrix. On the other hand, the manufacture  
of capsules could be difficult without rolling  machine.  Since dry SAP powders used in this 
experiment  has a small particle size of 300μin diameter,  after swelling  it becomes softer, 
such that it is difficult to be gathered to form a ball.  m
v. Cracking pattern during preloading  
The second challenge  is to determine  the crack propagation  through the capsules. In this 
research, the capsule consists of saturated  SAP particles as the core and sealing shell as the 
outer surface.  When the capsules are incorporated  into  ECC, the bond strength at interfacial  
transition  zone (ITZ) between the sealing shell and  the cement‐based  matrix needs to be 
stronger than  the strength of capsule itself, to ensure  the artificial  cracks propagate  through 
the capsules instead of passing around  the capsules. This  can be illustrated  in Figure 3.2. 
 
Cement‐based  matrix 
 ITZ Sealing shell
Saturated  SAP 
 
Figure 3.2 Ideal  pattern of the crack passing through SAP 
 
vi. Self‐healing observation  
Since the mechanical  test until final failure will damage the specimen,  how  to monitor the 
internal  crack pattern in the case of ensuring the integrity of specimen,  that is another 
problem for this study to assess  the quality of self‐healing in ECC material. 
 
12

4 EXPERIMENTAL  STUDY  
4.1 Sealing material and manufacture  
 
4.1.1 Introduction  
 
Since further  hydration  can only be realized in the presence of water or solution, SAP particles 
can be introduced  as a water reservoir in cementitious  composites.  In order to cause the capsules 
to release the entrained  water at the right time, the outer surface of saturated  SAP needs to be 
sealed by a protected  layer. In this research, the ideal sealing material can be defined  as that 
which meets the following three requirements.  The first is to appear impervious  to leakage of 
water before inducing  the microcracks.  Second, this material should be sensitive to cracking, 
allowing  the broken of capsules occurs at a certain level  before arriving at ultimate strength of 
ECC material. Last  requirement  is the proper interfacial  bond strength. This  strength of interface 
between the capsule and the matrix requires being stronger than the strength of the capsule, to 
guarantee  that cracks can propagate  through the capsules rather than around them. Thus high 
bond strength at the interface  is one of the important  factors contributed  to cracks passing 
through the capsules.  
 
Besides the intrinsic properties  of sealing material,  the diameter  of capsule and the surface 
morphology  also highly influence  capsule cracking behavior. Normally  the use of capsules 
embedded  in composite  materials  has a negative effect on the mechanical  properties  such as 
strength and ductility, especially  when the diameter  is relatively  larger compared  to the specimen  
size, this disadvantage  should therefore  be minimized  in this research. 
 
4.1.2 Investigation  of sealing materials  
 
4.1.2.1  Selection  of sealing materials  
In this experiment,  two sealing materials  were prepared:  paraffin wax and epoxy‐cement material. 
The reason for taking advantage  of wax is that the wax generally has an excellent water resistant 
property, stable chemical characteristics.  But it is a brittle material that cannot be mixed  via a 
mixer. Moreover  the bond capacity of wax could be relatively weaker due to the smooth surface. 
In this research, keep  water available for self‐healing behavior is the crucial requirement.  Another 
alternative  is to use the epoxy‐cement material,  since the water‐soluble epoxy blended with a 
number  of cement can maintain better compatibility  with the surrounding  matrix. The 
composition  of this epoxy‐cement is presented  in Appendix  A.  
 
4.1.2.2  Encapsulation  procedure  
As above mentioned,  the size of capsule is not allowed to be large. Here the capsules used in this 
experiment  were made into  two groups with an average diameter of 8mm and 5mm, called 
“coarse capsule” and  “fine capsule” respectively.  The complete  procedure  of sealing saturated  
SAP particles is shown in Figure 4.1. In the first step, every single  saturated  SAP particle with a 
13

small  size could be more easily gathered and shaped into  a ball when CEM I 52.5N was utilized to 
form a surface cover. To finish this process, the saturated  SAP particles were sieved by 2.4mm  size 
of sieve, to separate them from the excess cement. It is important  to control the rate of shaking. 
If the amount of cement is less, the thin surface cover would not form. However,  excess cement 
will absorb  more water from saturated  SAP particles. To maximize  the contained  water inside 
capsules, one method of avoiding water loss was to cure these balls  in water at a temperature  of 
20 for 7 days, in order to achieve the hydration  of cement and keep the SAP particles fully 
absorbing  water. Afterwards,  the out surface  of ball was sealed by a shell of wax or epoxy‐cement, 
respectively.  For the first case, paraffin wax was heated  up to 105 and  then kept a ball into 
this hot solution for 2 seconds. Finally, wax microsphere  was obtained from rapid cooling of the 
suspension  of molten wax droplets  and it was cured  under  room condition.  For the second case, 
5 wt% epoxy and 100 wt% cement was mixed  by hand and then rolled a ball in the epoxy‐cement 
paste until smooth. After this, the ball was cured in RH 100% at 20 for 7 days. In such a way, 
saturated  SAP particles were made into  two types of capsules (Figure 4.2).  C°


 
Figure 4.1 Flow chart of the encapsulation  
14

(A) Saturated  SAP particles                       (B) Shaped by cement  cover 
     
 
(C) Sealed by paraffin wax                        (D) Sealed by epoxy‐cement paste 
 
Figure 4.2 Manufacture  of the capsules 
 
4.1.2.3  Evaluation  of sealing effect 
To investigate  the sealing effect of two different materials,  10 groups of capsules for each sealing 
material were cured  under room condition  (RH  70% at 23 ) and  the mass losses of these 
capsules due  to the evaporation  were measured.  The weight of capsules was recorded within 
three consecutive  days after encapsulation  procedure.   C°
 
Figure 4.3 demonstrates  the results of water loss in the capsules against time for two sealing 
materials  respectively.   As seen  in Figure 5.1 (A), the curves of remaining  water seem  to 
approach  a horizontal.  The lowest point still keeps water inside above 99% by weight after 3 days’ 
curing in air, which means almost no water loss from the capsules. While it can be observed in 
Figure 5.1(B) that,  when the capsules sealed with epoxy‐cement paste, the mass of remaining  
water decreases  rapidly within the first 24 hours and  finally the average weight percentage  is 
approximately  below 85%. Compared  with  sealed with paraffin wax, there is a relatively  large 
water loss in the capsules when using  epoxy‐cement paste. Thus paraffin wax was preferred  as 
the sealing material in the later experiment.  
 
15

9596979899100101102103104105
0 2 04 06 0Time (h) Remaining  water (%) 
80
 
(A) Capsules sealed by paraffin wax, curing at 23 RH 70%  C°
7580859095100105
0 2 04 06 08Time (h)Remaining  water  (%)
0
 
(B) Capsules sealed by epoxy‐cement paste, curing at 23 RH 70%  C°
Figure 4.3 Comparison  of mass loss of capsules sealed different sealing materials  
16

4.2 Functional  performance  of ECC 
 
4.2.1 Introduction  
 
This  chapter focused on proposing  the experimental  program and  set‐ups used in this research. 
To study the functional  performance  of healed  ECC, the overview of the experimental  program 
can be designed as following  steps. After preparation  of ECC specimens  embedded  with the 
capsules, the principal task is to introduce  cracks to these specimens.  For this end, the ECC 
specimens  are under  three‐point bend to form cracks inside. After healing for 28 days, the 
specimens  will be tested again  in three‐point bending.  Meanwhile,  the reference  without 
capsules is parallel tested for comparison.  The crack pattern and  the healing products can be 
observed by Nano‐CT, environment  scanning  electron  microscopy  (ESEM) and light microscope  
techniques  to verify whether the self‐healing phenomenon  takes place.  
 4.2.2 Materials  and mix proportion  
 
As mentioned  above, various modified ECC incorporating  local waste materials  have been 
developed  to optimize ECC mix proportion  and investigate  the self‐healing properties.  BFS as the 
main cement replacement  material in the Netherlands  shows  a potential  of pozzolanic  reaction 
but these reactions need  to be activated by the hydration  products of Portland cement. In mix 
design, the Portland cement  and BFS  were used as cementitious  materials,  and  the limestone 
powder  was considered  as inert filler material. In this thesis, one mixture of ECC was chosen as a 
reference  and other two mixtures of ECC mixed  with blending additional  capsules compared  with 
the reference.  As shown in Table 4.1, three mixtures were prepared  in all for comparison  purpose, 
including  M1‐M3. M1 without capsules was a trial mixture as the reference,  M2 and M3 contains 
the same capsule content of 2% of cement weight, but with capsule size of 8mm in diameter 
(coarse  capsule) and 5mm in diameter (fine capsule) respectively.  The water to binder ratio, 
water to powder  ratio and  superplasticizer  content were therefore  constants  to reach similar 
workability  for each mixture.  The details for the material properties  and the composition  of each 
mixture are presented  in Appendix  B. In all mixtures,  the polyvinyl  alcohol (PVA)  fiber with a 
length of 8mm and  a diameter  of 40μwas used with the contents of 2% by total volume. In 
order to control the amount of water inside capsules and  prepare the specimen  better, the 
weight of saturated  SAP (shown in Appendix  B) was converted  into  the number  of capsules, see 
Appendix  C. m
 
        
17

Table 4.1 Mix proportion  of ECC (by weight) 
Mix   CEM I  Limestone  BFS  Saturated   Water Water/powdera  Super‐  PVA fiber 
 Number  42.5N Powder    SAP    ratio  plasticizer  (by volume) 
M1b  1  2  1.2  0  1.092  0.26  0.030   2% 
M2c  1  2  1.2 0.02 
(0.46% by volume) 1.092  0.26  0.030   2% 
M3d  1  2  1.2 0.02 
(0.23% by volume) 1.092  0.26  0.030   2% 
Remark:  a Powder includes cement, BFS and limestone  powder 
         b Mixture without capsules (reference)  
c Mixture  with capsule size of 8mm (coarse capsule) 
d Mixture  with capsule size of 5mm (fine capsule) 
 
4.2.3 Specimen  preparation  
 
The ECC specimen  preparation  followed the procedure  described  in [3]. In the first place, the 
solid materials,  CEM I 42.5, BFS and limestone  powder were mixed with a HOBART mixer for 2 
minutes at low speed.  Then water and  superplasticizer  were added at low speed mixing for 1 
minute, followed by high speed for 2 minutes. At last, the PVA fibers  were added at low speed 
and the sample was mixed at high speed for another  2 minutes.  In the case of ECC specimen  with 
capsules inside, the capsules were mainly  arranged in the center region of the specimen  within 
the stacking sequence  to increase  the opening probability  of capsules. The distribution  of the 
capsules embedded  in ECC specimen  can be illustrated  in Figure 4.4. Because  the capsules were 
not strong enough to resist the mixing process, they were added into  the specimen  layer  by layer 
by hand in the final step. After 1 day curing in moulds covered with plastic sheet, the specimens  
were cured  under  sealed condition  at a temperature  of 20 for another  27 or 55 days before 
testing. The specimens  with the dimension  of 160mmC°
×40mm×40mm were carefully  ground 
with P120 sand papers before the mechanical  test. 
 
 
Front Profile Capsule 
 Top 
Specimen  
 
Figure 4.4 Distribution  of capsules embedded  in the specimen  
18

4.2.4 Three‐point bending test 
 
In this research, the three‐point bending test was the main method to induce artificial cracks and 
also characterize  the mechanical  properties  of the modified ECC material. 
4.2.4.1  Experimental  set‐up 
As seen  in Figure 4.5, the support span of three‐point bending test set‐up is 110mm and the load 
is located in the middle of the specimen.  The configuration  of three‐point bending test set‐up is 
explained  more in Appendix  D. Two linear variable differential  transducers  (LVDTs) are fixed on 
both  sides of the set‐up to measure the vertical deformation  at mid cross‐section of the specimen.  
The test was conducted  under  deformation  control at a constant speed of 0.01  mm/s.  At least 
two measures  were done  for each mixture, and  the flexural strength and  deflection  were 
calculated  based  on the average results of these measures.  
 
 
 
Figure 4.5 Three‐point bending test set‐up 
 
4.2.4.2  Experimental  program 
As shown in Figure 4.6, the overall program  for three‐point bending test includes three  different 
schemes for each mixture,  resulting in nine  combinations  in total. In order to roughly  estimate 
how  much deflection  is preloaded  to, the samples from scheme A was bended  until final failure 
at first to derive the flexural stress‐deflection  relation. Based on the results from scheme A 
(reference),  the preloaded  levels of schemes B and  C were then determined.  The deflection  of 
1.0mm  was selected  since it is approximately  equal  to half the ultimate strength. Meanwhile  the 
deflection  of 1.3 mm  is well below ultimate deflection  of the mixture.  For schemes B and C, the 
samples were cured  in sealed condition  at 20 for 28 days and  preloaded  to the specified 
deflection  levels, afterwards,  the preloaded  samples were further  cured  under  sealed condition  
for another  28 days before testing. C°
19

Remark: X stands for M1, M2, and M3 respectively.  Therefore,  3 mixtures and 3 schemes for each 
mixture, resulting in 9 combinations  in total. 
Figure 4.6 Bending test program of ECC material 
 
4.2.5 Nano‐computer  tomography  (nano‐CT) 
 
4.2.5.1  Experimental  set‐up 
The nano‐CT instrument  is based on the same general principle as other micro‐CT systems, while 
the improvement  of nano‐CT is that it provides the focal spot size in the submicron  range and 
capable of resolving image features as small  as 200nm,  thereby achieving  stable and  ultra 
high‐resolution  images. The principle of nano‐CT system is depicted in Figure 4.7. It can be seen 
that the sample is placed on the object stage between X‐ray source and array detector. When the 
sample is rotated within the x‐ray cone beam, the CT scanner firstly  acquires the complete  
geometry  of the component  by generating  a series of x‐ray images. The resulting X‐ray absorption  
image including  information  about sample features for instance the position and the density  is 
projected  onto the digital detector, which will be available for the numerical  3D reconstruction  of 
the volume data. This  output is a 2D X‐ray image,  where differences  in gray‐scales reflect changes 
in density  of the sample.  Darker regions correspond  to a material of low‐density  such as pores 
whilst lighter  regions correspond  a material of high‐density such as cement. A full 3D data set is 
created by collecting  2D images though a 360  degrees rotation, then these volumetric  data are 
reconstructed  to visualize a virtual 3D volume. 
 
The NANOTOM  is a very compact laboratory  system, which is particularly  suit for the 3D 
inspection  of small  and  complex samples such as mineral samples and  composite  materials,  etc. 
The sample size is allowed to 120mm in diameter,  150mm in height and 1kg in weight. Based on 
3D analysis  with submicrometer  resolution,  any internal  difference  in material,  density  and 
porosity can be measured.  Hence this system is perfect tool for examination  of the samples for 
internal  cracks,  inclusions  and porosity and more. On the other hand, the NANOTOM  includes the 
software package for system control, data acquisition,  image analysis  and  realistic 3D 
visualization,  to ensure  optimum  image quality and high volume reconstruction  speeds.  Software 
20

Image J (free license) was applied to generate 3D image and further analyze the cracking pattern. 
 
 
 
 
Figure 4.7 Schematic  representation  of nano‐CT system 
 
4.2.5.2  Experimental  program 
As mentioned  in Chapter 3.3,  the important  advantage  of nano‐CT is that the non‐destructive 
technique  can show the internal  crack pattern meanwhile  keep  the integrity  of the specimens.  
Therefore,  nano‐CT was used to view  that how  the cracks propagated  within ECC material in this 
research. The experimental  program  is shown in Figure 4.8, the nano‐CT only aims at a situation 
that the specimen  contains capsules. The scanning was carried  out within the specified location 
(Figure 4.4) where all the capsules were distributed.  In order to study the internal differences  
before and  after healing, the images from the same position and  the same scan direction are 
guaranteed  for each specimen.  On the other hand, the images from front, top and  profile 
direction (Figure 4.4) are conducive  to observe the healed  cracks from multiple directions.   
 
 
 
Figure 4.8 Nano‐ CT program of the preloaded  ECC 
 
21

4.2.6 Environmental  scanning electron microscopy  (ESEM) 
 
4.2.6.1  Experimental  set‐up 
Environmental  scanning electron microscopy  (ESEM)  was preferred  in this study to analyze the 
quality  of self‐healing products formed inside the crack. This  technique  can provide  insight into 
the chemical composition  of healing products and therefore  identify the self‐healing behavior in 
ECC material. The ESEM retains all performance  advantages  of a conventional  SEM (Figure 4.9), 
moreover  eliminates  the high vacuum constraint  on the sample environment.  The electron  gun at 
the top of the column creates a electron  beam, and  then the electrons are accelerated  and 
focused by a series of magnetic  lenses and apertures.  A set of scanning coils deflects  the electron 
beam  in a scanning pattern over the sample surface and  the objective lens offers the final 
focusing. The interactions  between the beam  electrons  and  the sample atoms will generate a 
variety of signals in forms of secondary  electrons  (SE), backscattered  electrons (BSE) and 
characteristic  X‐rays, and emerging  signals  can be detected and reconstructed  into  a virtual image 
displayed  on the monitor screens. 
 
 
 
Figure 4.9 Schematic  of a scanning electron microscopy  
 
4.2.6.2  Sample preparation 
To observe  the crack inside, samples from M2 and M3 series (with capsules) after 28 days’ curing 
were examined  under ESEM. Since it is desired  that components  inside the capsule can be clearly 
seen, the sample was not impregnated  with a low‐viscosity epoxy. Sample preparation  for BSE 
imaging followed the steps below. At first, the specimen  was cut into  a small  piece  with the 
dimension  of 20mm×20mm×30mm,  and then was ground with sand paper from p300‐ p4000  for 
about half minute each. During the grinding process, ethyl glycol was used instead of water in 
order to keep its probable products integral. For the case of EDX (Energy dispersive  X‐ray 
spectroscopy),  samples were dealt with by a small  chisel to maintain the fractal surface. 
 
22

4.2.7 Light microscope  
 
As shown in Figure 4.10, a transmitted  light microscope  Leica MZ6  with cold light sources (CLS150) 
was used in this study to observe the typical  crack pattern. This  modular  stereomicroscope  can 
create brilliant three‐dimensional  images of spatial object and Leica cold light sources provide 
strong light intensity even within small  space. In addition, the CLS 150 has been  specially  adapted 
for automated  control of the new transmitted  light base via the powerful software of LAS (Leica 
Application  Suite). Through the serial interface,  brightness  and  the electronic  shutter  can  be 
controlled  using  the computer.  
 
 
 
Figure 4.10  Light microscope  
 
4.3 Short summary  
 
At the beginning  of this chapter,  the preliminary  experiment  for investigating  two sealing 
materials  was introduced.  Based on using  the paraffin wax as the sealing material,  the mechanical  
testing program  and  several microscopic  observations  were purposed  and  introduced  to explore 
the functional  performance  of healed  ECC. The next chapter will present the experimental  results 
and discussions.   
 
 
 
  
23

5 RESULTS AND DISCUSSION  
5.1 Recovered  mechanical properties  in ECC 
 
Several techniques  have been used in examining  self‐healing behavior. In this section, the 
self‐healing in ECC is evaluated  from the point of view  of mechanical  properties.  
 
5.1.1 Load‐displacement  relation 
 
The displacement  controlled  three‐point bending test records the load‐displacement  relationship.  
One example of load‐displacement  curve at three different stages of loading is given in Figure 5.1 
(A). As indicated,  there is an initial linear‐elastic  part up to the first crack strength. The following 
is of the propagation  of cracks, more microcracks  are formed and developed  in the specimen  but 
the loading  continues  to increase  during this stage which is called hardening  and  the material is 
still capable of resisting higher  levels of loading up to a maximum.  After the peak load is reached, 
the applied load becomes to go down, a single macrocrack  has appeared  and  the material has 
started to soften.  
 Compared  with the control samples bended  until final failure (scheme A), the preloaded  samples 
(schemes  B and C) have different stages, as described  in Figure 5.1 (B).  When the desired 
preloading  level is arrived  the specimen  then is unloaded.  After healing period, the specimen  is 
reloaded under  three‐point bending test again. Because of reopening  of the cracks resulted from 
the preloading  stage, the load‐displacement  curve of reloading  presents differences  in terms of 
deflection,  stress, and stiffness, which are discussed  further  below respectively.  The calculation  of 
conversion  from load‐displacement  relation stress‐deflection  curve is explained  in Appendix  D.  
 
Displacement  (mm)Load (kN)
 Softening  
Propagation  of cracks 
 Linear‐elastic 
(A) Control samples (scheme A) 
24

Displacement  (mm)Load (kN)
Unloading  
Reloading   Preloading  
Curing for 28 days 
 
(B) Preloaded  samples (schemes B and C) 
Figure 5.1 Comparison  of load‐displacement  curves for different schemes  
 
5.1.2 General  results of stress‐deflection  curves 
 
To represent  the typical  feature of different mixtures and schemes,  the general results of 
stress‐deflection  curves from three‐point bending test are presented  in Figures 5.2‐5.4. For 
comparison  of mechanical  properties  in Figures 5.6,  5.7 and  5.9,  the value shown in column 
charts were calculated  based on the average results of at least two experimental  results, after 
removal of the maximum  and  minimum.  All results in Figures 5.2‐5.4, 5.6, 5.7 and 5.9 were 
derived  from the stress‐deflection  curves which are given in Appendix  E. 
 
M1 series (no capsule)
0246810121416
01234Deflection  (mm)Bending stress  (MPa)Scheme A
Scheme B
Scheme C
 
Figure 5.2 Bending stress‐deflection  curves of M1 series 
25

M2 series (coarse capsule)
0246810121416
0123Deflection  (mm)Bending stress  (MPa)
4Scheme A
Scheme B
Scheme C
 
Figure 5.3 Bending stress‐deflection  curves of M2 series 
M3 series (fine capsule)
0246810121416
01234Deflection  (mm)Bending stress  (MPa)Scheme A
Scheme B
Scheme C
 
Figure 5.4 Bending stress‐deflection  curves of M3 series 
 
5.1.3 Deflection  hardening  behavior influenced  by the capsules 
 
Figures 5.5 shows the bending stress‐deflection  curves of series M1‐M3 under scheme A (control 
scheme).  As expected,  M1 (no capsule) present a typical  deflection  hardening  behavior, which 
characterized  by a straight, linear part up to first cracking, then followed by a bent over and 
consequent  plateau curve until final failure. When comparing  the linear‐elastic  curves between 
reference  (M1) and other two mixtures (M2 and M3), it can be observed that once  linear part of 
M2 and  M3 (with capsules) ends, a shorter bend over part is followed by a decrease  of flexural 
stress at a rapid rate, which implies  final failure takes place  quickly. Thus one conclusion  can be 
drawn  that the capsules have a negative effect on deflection  hardening  behavior of ECC. 
 
26

Scheme A (bend to  final failure)
0246810121416
0123Deflection  (mm)Bending stress (MPa)
4M1
M2
M3
 
Figure 5.5 Comparison  of deflection  hardening  behavior from different mixtures 
 
5.1.4 Deflection  capacity and recovery 
 
In this study, deflection  capacity is a concern to evaluate the self‐healing behavior in ECC material. 
Deflection  capacity is defined as the deflection  which corresponds  to the maximum  bending 
stress (flexural strength).  And the recovery of the deflection  capacity can be computed  according  
to the following  formula: 
−=deflection  capacityscheme controlNormalized  value ( )controlY                             (1) 
where scheme Y stands for scheme A, scheme B and scheme C, control = scheme A 
 
Figure 5.6 (A) provides the results of the deflection  capacity for three mixtures under  three 
schemes.  It is found that M3 (fine capsule) has a higher  deflection  capacity compared  with  M2 
(coarse  capsule). In most cases, the deflection  capacity of M3 under  each scheme exceeds that of 
the corresponding  parallel scheme of M2. The possible reason is that the properties  of matrix 
such as toughness  in ECC are changed to more extent by the capsules with large size.  
 As shown in Figure 5.5 (B), M2 and M3 (with capsules) both clearly reveal the desirable  recovery 
of deflection  capacity in schemes B and  C. The preloaded  samples from M2 and  M3 (with 
capsules) can  reach about 70%‐90%,  80%‐90% of its control deflection  capacity, respectively.  
While the reference  from M1 (no capsule) only arrives at 60%‐80% that of the control specimen.  
Moreover,  the recovery level  of M3 (fine capsule) is slightly higher  than M2 (coarse capsule), and 
this is another  support for that the large capsule size exerts more reduction  of deflection  
capacity.  
 It also can be observed from Figure 5.6, scheme B (bend to 1.0mm deflection)  shows higher 
values of deflection  capacity as well as its recovery, compared  with  scheme C (bend to 1.3mm 
deflection).  From the self‐healing point of view, the results reflect that the self‐healing tend to 
occur  in small  cracks. 
27

01234
M1 M2 M3
Mixture designationDeflection  capacity (mm)Scheme A Scheme B Scheme C
 
(A) Deflection  capacity 
0%20%40%60%80%100%120%140%
M1 M2 M3
Mixture designationNormailized  deflection  capacityScheme A Scheme B Scheme C
 
(B) Normalized  deflection  capacity 
Figure 5.6 Comparison  of deflection  capacity and its recovery from different mixtures 
 
 
5.1.5 Flexural strength and recovery 
 The recovery of flexural  strength can be calculated  as followed:    
−=flexural strengthscheme controlNormalized  value ( )controlY
                             (2) 
where scheme Y stands for scheme A, scheme B and scheme C, control = scheme A 
 The recovery of flexural strength is shown in Figure 5.7. It is noticed that the flexural strength 
from M1 (no capsule) under  all schemes exceeds the performance  of M2 and M3 (with capsules).  
This  indicates that the capsules inside the specimen  will reduce the flexural strength of ECC 
composite  due  to the disturbance  of fiber, matrix and  fiber‐matrix interface  properties.  When 
compared  the difference  between the mixtures with capsules inside, the flexural strength of M3 
28

(fine capsule) under three schemes is higher  than that of M2 (coarse capsule), especially  for 
scheme C shown in Figure 5.7 (A). From the view  of normalized  flexural strength (Figure 5.7 (B)), 
the values from M3 (fine capsule) nearly remain at a level  of 100% of control value, which almost 
arrives at the same recovery level  of M1 (no capsule). These  seem  to indicate that small  capsule 
size attains beneficial  influence  on flexural  strength and its recovery compared  with large capsule 
size. 
 
On the other hand, it should be note that the flexural strength of M2 (with capsules) under 
scheme C (bend to 1.3mm deflection)  exhibits a sharp reduction,  and is recovered  only about 
60% of the control specimen.  This  may be explained  that the flexural strength was already 
reached during  the preloading  stage for the case of 1.3mm  deflection  level.  A single  macrocrack  
was likely  to be generated  and  this can be further  confirmed  by the microscopic  observation  in 
the later  section. 
 
02468101214161820
M1 M2 M3Mixture designationFlexural strength (MPa)Scheme A Scheme B Scheme C
 
(A) Flexural  strength 
0%20%40%60%80%100%120%140%
M1 M2 M3Mixture designationNormailized   flexural strength Scheme A Scheme B Scheme C
 
(B) Normalized  flexural strength 
Figure 5.7 Comparison  of flexural  strength and its recovery from different mixtures 
 
29

5.1.6 Flexural stiffness and recovery 
 
Stiffness  measurement  was used to monitor the extent of self‐healing within preloaded  ECC 
specimens.  In this research, the flexural stiffness is the equivalent  slope of initial linear‐elastic 
stage of flexural stress‐deflection  curve as shown in Figure 5.8, stiffness and  its recovery can be 
calculated  by the following formulas respectively:   
σθ==ΔStiffness tan  [MPa / mm]L                                            (3)
 
−=flexural stiffnessscheme controlNormalized  value ( )controlY
                             (4)
 
where scheme Y stands for scheme A, scheme B and scheme C, control = scheme A 
 
0246810121416
012345Deflection  (mm)Bending stress  (MPa)
 Flexural strength 
 Linear‐elastic stage 
σ
θ 0.4*Flexural  strength 
ΔL
Figure 5.8 Stress‐deflection  curve for stiffness calculation  
 
Figure 5.9 presents the comparison  of flexural  strength and  its recovery from different mixtures.  
From Figure 5.9 (A), it can be seen  that the flexural stiffness from M1 (no capsule) under  control 
scheme A is relatively  lower compared  with that of M2 and M3 (with capsules) under  the same 
scheme. This  is as expected,  the capsules behave as the normal aggregates,  and  their presence 
increases the flexural stiffness of ECC. However,  this trend is reversed in preloaded  schemes B and 
C, M1 (no capsule) has slight higher  stiffness than  M3 and M2 (with capsules) in most cases. This 
is probably because  once  the cracks formed during the preloading  stage, there is little resistance  
to load and tend to cause a reduction  of stiffness. 
 By comparing  the recovery of flexural stiffness from Figure 5.9 (B), the level  of stiffness retained 
of M3 (fine capsule) is not remarkable  than that of the reference  M1 (no capsule), but it has an 
enhancement  compared  with M2 (coarse  capsule). It can be considered  that fine capsule leads to 
more reasonable  recovery compared  with coarse capsule since fine capsules has relatively  less 
influence on the matrix toughness  and  fiber‐matrix interface  properties.  This  finding  is also 
supported  by the deflection  and flexural strength recovery as described  earlier. 
 
30

051015202530
M1 M2 M3Mixture designationFlexural stiffness (Mpa/mm)Scheme A Scheme B Scheme C
 
(A) Flexural  stiffness 
0%20%40%60%80%100%120%140%
M1 M2 M3Mixture designationNormailized   flexural stiffness Scheme A Scheme B Scheme C
 
(B) Normalized  flexural stiffness 
Figure 5.9 Comparison  of flexural  stiffness and its recovery from different mixtures 
 
              
31

5.2 Nano‐CT observation  
 
5.2.1 Identification  of microcracks  in nano‐ CT image  
 
As mentioned  before, in order to check how  the cracks develop  in the interface zone between the 
capsule and the cement‐based matrix, the crack pattern before and after curing was investigated  
with nano‐CT scan. First of all, Figure 5.10 illustrates  the components  of the ECC material 
represent  in the nano‐CT 2D images according  to the grey‐level  histogram.  The pore  and void 
inside the capsule are presented  by the darkest,  while the lightest corresponds  to cement‐based 
matrix and  the medium  gray  is an indication  of the capsule. Due to the similarity of density 
between the paraffin wax and  the SAP, the wax shell and the saturated  SAP particles are very 
difficult to be distinguished  in this gray‐level  image. 
 
 Void inside Capsule Matrix 
Crack 
Saturated  SAP
Pore 
Figure 5.10  Explanation  of 2D nano‐CT images 
 On the other hand, how  the cracking actually propagates  (passing through or around capsules) 
seems difficult to be observed from these 2D images. However,  the difference  inside the capsule 
before and  after curing can provide  an insight into  the moisture transportation  aspect. Here it 
could be assumed,  that capsules after 28 days’ curing are generally divided into  two types: 
opened and  closed. Two examples  in Figure 5.11 compare the difference  between two images 
before and  after curing at the same location of the specimen.  It is clearly seen  that the opened 
capsule can be considered  as in terms of an obvious enlargement  of dark region compared  with 
the initial image. On the contrary there is little change in the closed one.  The conclusion  can be 
made from the opened capsule is that the water is already released from the capsules and  the 
moisture  transport  takes place  due to relative humidity  (RH)  gradient.  
 
32

8 mm 
“Opened”
“Closed” 
        (A)  Before  curing_28  days old                  After curing_56  days old 
 
 “Opened”8 mm 
“Closed” 
(B) Before  curing_28  days old                  After curing_56  days old 
Figure 5.11  Two examples  for comparison  of nano‐CT images  before and after 28 days’ curing 
 
In order to further  verify whether the opening of capsules is induced by the cracking, it is 
interesting  to check the crack pattern by 3D reconstruction  view.  Figure 5.12 corresponding  to 
above two examples  shows that, some apparent cracking patterns are revealed on the wax shell 
of the opened capsule, and it can be seen from the closed capsule, there is also cracking pattern 
on the shell. Therefore  it cannot be established  that once  the cracks pass through the wax shell 
the water will be released from the capsules, this may occur  due to the dense structure of 
paraffin wax and the smaller preloaded  level.  Based on above reasons, the useful  information  can 
be inferred from this 3D view is that the capsules with the wax shell is possible to be opened by 
the cracking.  
 
33

“Opened”“Opened”
“Closed” 
“Closed” 
                 (A)                                       (B) 
Figure 5.12  3D view of the cracking pattern 
 
5.2.2 Opening of capsules  
 
In this section, the opening possibility  of capsules will be discussed.  All capsules which might be 
opened by the cracks from the preloaded  specimens  (schemes  B and  C) of M2, M3 series (with 
capsules) were checked based on the principle of “opened”  and “closed”. Figure 5.13 gives a 
summary  of opened ratio of capsules, and point out that there are more than 50% capsules being 
opened during  the preloading  stage in this research. More statistical  information  is summarized  
in Appendix  F. 
 
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%
M2 M3Mixture designationOpened ratio of capsulesScheme B Scheme C
 
Figure 5.13  Summary  of opened ratio of capsules in preloaded  specimens  
 
    
34

5.3 Light microscope and  ESEM observations  
 
5.3.1 Multiple  cracking behavior 
 
The multiple cracking behavior of ECC is one of the distinct differences  from normal concrete.  
Because  of the fiber bridging effect, the cracks can progressively  open. When the cement‐based 
matrix starts to crack, the fibers  will slip out the matrix. With the matrix  crack extends, the fibers 
can be completely  pulled out from the matrix. As a result of this process, the ECC is able to take 
the increasing  load and  forms new cracks at other sites. Figure 5.14  obtained by the light 
microscope  shows the typical  crack pattern of multiple cracking behavior. The bridging effect of 
fibers  observed under  ESEM is also shown in Figure 5.15. 
 
 200 μm 
Figure 5.14  Typical crack pattern in ECC specimen   
 
   
 
Figure 5.15  Fibers  bridging effect  in ECC specimen  
 
      
35

5.3.2 Observation  of interface zone 
 
Besides, the crack path at the interface  between the capsule and  the cement‐based matrix was 
also studied by ESEM technique.  One thing is clear  from the Figure 5.16: when the crack 
propagates  across  the wax shell, the crack width appears smaller  than that of developing  in the 
matrix. This  is most probably associated  with the characteristic  of paraffin wax with a dense 
laminated  structure.  In some cases, the cracks go around instead of passing through the capsules, 
see Figure 5.17. This  is caused by the weaker bond strength at the interface  zone compared  with 
that of the capsule itself. 
 
  
 Wax shell 
Matrix Crack pathCrack path  
on the wax shell 
Figure 5.16  Crack pattern on the wax shell 
          
 Saturated  SAP 
Wax shell Saturated  SAP 
Pass through 
Around  
Matrix 
Figure 5.17 Interface between the capsule and the matrix 
 
5.3.3 Observation  of crack inside 
 Another  main purpose of ESEM observation  is to investigate  whether there is healing product 
being formed inside the cracks. Figure 5.18  explains what is “crack inside” and  “crack surface” 
separately.  For M2 and  M3 series (with capsules),  the failed specimens  from schemes B and  C 
(preloaded)  were used to prepare samples for ESEM observation.  Unfortunately,  no apparent 
healing product for instance calcium carbonate  crystals with prismatic shape  was found within 
the cracks. However,  as shown in Figure 5.19,  calcium hydroxide  in the shape of hexagonal  
platelet can be observed near the crack surface.  
  
36

Crack  
Under  ESEM 
Cut Crack inside: 
 
Figure 5.18  Illustration  of crack inside and crack surface 
 
  
 
Figure 5.19  Preloaded  sample after 28 days’ curing 
 
5.3.4 Observation  of crack surface 
 
Finally, Semi quantitative  chemical characterization  by EDX of the preloaded  ECC specimens  using 
an ESEM was carried  out to reveal the composition  inside the microcracks.  One sample cut from 
cross‐section of the crack and  another sample with normal cross‐section (non‐crack) from the 
same specimen  as a reference  for comparison  purpose (Figures 5.20 and 5.21). Table 5.1 
summarizes  the results of weight percentage  of element calcium at the specified location. More 
detailed information  is listed in Appendix  G. It can be seen  that the calcium content at the crack 
surface accounts for more percentage  (10% larger) than that of the calcium at the non‐crack 
surface.  Another  evidence is of the elemental  mapping (MAPing)  by EDX analysis  as shown in 
Table 5.1 and  Figure 5.22. As mentioned  in Chapter 2.2.2, the healing products could  be 
presented  in terms of three substances,  including  calcium carbonate  (CaCO 3), calcium hydroxide  
(Ca(OH) 2) and  calcium silicate hydrate (CSH). In this research, it could be explained  that the 
specimen  was cured  in sealed condition,  the available carbon dioxide (CO 2) dissolved in water is 
little, such that  it is difficult to form the calcium carbonate.  Hence, the high concentration  of 
calcium could indicate that the healing product is probably hydration  product, such as calcium 
hydroxide  or calcium silicate hydrate. Under  ESEM
Cut 
Crack surface: 
37

4  3 
1  
2  
Figure 5.20 ESEM images  of crack surface  
  
 6  5  
Figure 5.21  ESEM images  of non‐ crack surface (reference)  
 
Table 5.1 Summary  of Calcium  (Ca) weight percentage 
Sample  Location   Ca Wt%  Average Wt% 
  1  42.05 
Crack   2  42.51 
surface  3  48.87 
  4  38.66 43.02 
Non‐crack  5  33.06 
surface (reference)   6  34.68 33.87 
 
   
 
(A) Analysis area                      (B) Distribution  of the element calcium 
Figure 5.22  MAPing  analysis on the crack surface 
38

5.4 Discussion  of potential  of self‐healing in ECC 
 
5.4.1 Influencing  factors  
 
In this research, six mechanical  indicators  are involved: deflection  capacity, flexural strength, 
stiffness and  their  normalized  values. Two factors (capsule content and  capsule size) were 
designed to explore the self‐healing potential  of ECC material, and they are discussed  as below, 
 
vii. Capsule content (no capsule & with capsules) 
As mentioned  in Chapter 4.2.2, the ECC specimens  without capsule (M1) and with capsules (M2 
and M3) were taken into  account to investigate  how  the capsules influence the healing properties.  
When comparing  the magnitude  of deflection  capacity between M1 (without capsule) and  M2 
and  M3 (with capsules) at each parallel scheme, the reference  M1 (without capsule) always 
exceeds the performance  of M2 and M3. The same trend also occurs in most cases  of the flexural 
strength and  stiffness. This can be explained  that,  the capsule itself behaves as the normal 
aggregate,  and  the presence of aggregates  disturbs the matrix properties  especially  the fiber 
distribution  of the ECC composite  and has negative influences  on the mechanical  properties.   
 
However,  from the results of recovered  mechanical  properties,  it is noticed that the deflection  
capacity from the specimens  with capsules (M2 and M3) can recover about 65%‐95% from 
control specimens,  which is higher  than  that of the reference  specimens  without capsule (M1). 
While, there is a slight reduction  from aspect of flexural strength recovery expect M2 (coarse 
capsule) under  scheme 3 (bend to 1.3mm deflection)  that  is with a significant  drop.  In this case, 
the specimen  was already preloaded  to a single macrocrack  and offered little resistance  to reload. 
In addition, approximately  60% in average of flexural stiffness is regained for specimens  with 
capsules (M2 and  M3), this recovery level is much lower (about 20%) than that of the reference  
without capsule (M1). Hence, there is an enhanced  recovery of deflection  capacity but a reduced 
recovery of flexural  strength and stiffness more or less, and  it may be explained  that the water 
released from the capsules is partially contributed  to promote the self‐healing of cracks in this 
research. Further  discussion  of healing efficiency  will be presented  in the next paragraph.  
 
viii. Capsule size (coarse capsule & fine capsule) 
From the literature  study, it is suggested  that the size range of microcapsule  is from 50nm to 
2000μor larger [19]. But manufacture  of microcapsules  is difficult in this research due  to no 
available rolling machine  at that time. In such a case, M2 with capsule diameter  of 8mm (coarse 
capsule) and M3 with capsule diameter of 5mm (fine capsule) were designed in this research, to 
compare the influence of capsule size on the performance  of ECC. It is clear  from Figures 5.5, 5.6 
and 5.8 that small  capsule size shows  higher deflection  capacity, flexural strength, stiffness as well 
as their  recovery for almost all the cases  compared  with larger capsule size. For the crack pattern, 
it can be seen in Figure 5.22  that when the capsules are made in large size, once  the preloading  is 
slightly larger than  a certain level, the ECC specimen  tends to generate a single macrocrack  and 
less new cracks are formed after reloading.  In contrast, the specimen  with small  capsule size has m
39

more even distribution  of multiple cracks. Thus small capsule size has more benefits  on 
mechanical  properties  and mechanical  recovery and cracking pattern since it changes matrix and 
fiber‐matrix properties  to a less extent.  
 
Macrocrack  
 
Coarse_1.0mm           Fine_1.0mm           Coarse_1.3mm         Fine_1.3mm  
(A)  28 days old (before reloading)  
 
Coarse_1.0mm           Fine_1.0mm           Coarse_1.3mm         Fine_1.3mm  
(B)  56 days old (after reloading)  
Figure 5.22  Comparison  of crack pattern for M2 (coarse capsules) and M3 (fine capsules) under 
scheme B (preloaded  to 1.0mm) and scheme C (preloaded  to 1.3mm) 
 
5.4.2 Healing  efficiency  
 
Although it was indicated that the recovery level  of deflection  capacity was enhanced  while the 
recovery of flexural  strength and  stiffness had a reduction  more or less compared  with  the 
reference.  Even though the high concentration  of calcium on crack surface was found via EDX 
analysis, based on this, it could be considered  that the healing product was presented  in terms of 
calcium hydroxide  or calcium silicate hydrate. But no apparent healed  crack was observed under 
ESEM, maybe since the product was too little and  the healing efficiency  was low. Here the 
possible reasons of that are discussed  in this section. 
 The crucial reason of low healing efficiency  is that the amount of available water is not sufficient.  
Here the healing efficiency  can be explained  in terms of moisture  transportation  in the preloaded  
ECC specimens.  In this study, when the capsule is opened, the moisture  is firstly  desorbed  form 
the SAP particles and moves to the crack surface.  It can be assumed  that the crack is immediately  
in high humidity environment  (RH 99%), then the moisture  movement  takes place by diffusion 
40

which is driven by the humidity  gradient. According  to Huang [24], the numerical  simulation  was 
established  to show the relationship  between the distance  of moisture  transport  into the mortar 
and  the time, see Figure 5.23. It indicates that the moisture  will move far away from the crack 
surfaces with the increase  of curing time. Similar  to that,  in this study it was confirmed  that 
moisture  had moved to the crack surface, but when the water supply is limited, the moisture 
content left on the crack surfaces is too little to produce more healing products in short curing 
period. Thus the sufficient water supplement  is essential for desirable  healing efficiency.  The 
amount of water for further hydration  of unhydrated  cement will be investigated  in the further 
research.  
 
Since the moisture  transportation  can be considered  as the function of time, the curing time 
becomes another  factor influencing  the healing efficiency.  However,  when the amount of water is 
sufficient,  the curing time is not a decisive  factor for self‐healing.  
 
0.5h 0.5h1h1h2h 2h
crack8h8h
05101520253035404550
0 2 04 06 08 0 1Z (mm)
00X (mm)  
Figure 5.23  Water penetration  depth in cracked cementitious  mortar during wetting process [24] 
 
5.4.3 Short summary  
 
Back to the core question,  whether the self‐healing occurs in the modified ECC material?  It can be 
viewed  from two aspects. On the one hand, both capsule sizes (coarse  capsule with 8mm in 
diameter  and fine  capsule with 5mm in diameter)  used in this research, are relatively large from 
the view of micro scale.  The capsules act as the aggregates  embedded  into ECC, and thus their 
influence on the mechanical  properties  of ECC cannot be ignored. As discussed  above, the 
capsule itself has a negative effect on the micromechanics.  However on the other hand, it is 
expected that the capsules can provide  water available to heal the cracks. This  could  enhance the 
mechanical  properties.  Therefore  as an access of the water supply, the capsule exerts a positive 
effect on mechanical  properties.  These  two aspects seem to be contradictory,  that could explain 
why the enhancement  as well as the reduction  were presented  in this research. From the view  of 
healing product, it could be said the self‐healing occur  due to a little healing product presented  as 
the high concentration  of calcium, but this behavior is not apparent.  It can be inferred  that 
optimize the capsule size will be contributed  to minimize the negative effect and  provide 
sufficient water will promote more effective self‐healing behavior.
41

6 GENERAL  CONCLUSIONS  AND RECOMMENDATIONS  
6.1 General conclusions   
 
In this thesis, the self‐healing potential  of the ECC material by means of available water released 
from the capsules containing  the water saturated  SAP has been  investigated.  Based on the 
experimental  results of mechanical  test and  microscopic  observation,  the following  conclusions  
can be drawn,  
 
The mass of water is almost not influenced  by the curing time when the paraffin wax is used as 
sealing material. Due to its better capacity of water storage compared  to that of epoxy‐cement 
paste, the paraffin wax was preferred  as the sealing material in this research.  
 Recovery of mechanical  properties  are regarded as the indicators  of the self‐healing efficiency.  
The recovery of deflection  capacity, flexural strength and stiffness were examined  in this research. 
The recovered  deflection  capacity was enhanced  while the improvement  on flexural  strength and 
stiffness were rarely shown. It could be considered  that the self‐healing efficiency  was not 
remarkable,  since the mechanical  properties  were not significantly  improved.  
 
The ECC specimens  with the small  capsule size of 5mm in diameter  have preferable  performance  
in mechanical  properties  and their  recovery as well as in crack pattern. Similar  to normal concrete,  
the mechanical  properties  of a cementitious  material are highly influenced  by the capsule size. 
Based on the results, the smaller  capsule size is conducive  to the self‐healing behavior.  
 
Under  nano‐CT technique  and  ESEM observation,  it could be confirmed  that  moisture 
transportation  took place  in more than half of capsules. Sufficient  water supplement  plays a 
major  role on promoting  the self‐healing process. In this research, the low efficiency  of healing 
was thus mainly  attributed  to the insufficient  water supply.  
 The observed healing product probably is of the hydration  product such as calcium hydroxide  or 
calcium silicate hydrate. This  finding indicates that the self‐healing phenomenon  probably 
occurred.  Unfortunately  no apparent healed  crack was observed,  it could be concluded  that the 
cracks were likely  to undergo the self‐healing process, but it is not a very effective healing in this 
research. 
42

6.2 Recommendations  
 
Several feasible improvements  and  further research to realize  the self‐healing of cementitious  
materials  in concrete repair system can be given as following,  
 
i. Alternative  sealing material  
As discussed  before, a suitable sealing material is not only capable  of storing water, but also has 
high bond strength at the interface between the sealing material and the cementitious  matrix. 
The capsule is considered  as the weakest element in the composite  and the interface  bond of 
sealing material directly determines  on the crack pattern, which influences  the release of healing 
agent. Thus selection of a proper  sealing material is crucial as a basis for further  study. 
 ii. Alternative  water reservoir 
Liapor particle is a promising  candidate  for carrying water instead of SAP. It has a high water 
absorption  capacity (30%‐40% by weight) and the particle is roughly  spherical  with a diameter of 
1‐10mm. Therefore,  it can be made into  a small  capsule. As known, the capsule size significantly 
influences  the mechanical  properties  of the composite.  Moreover,  control of capsule size is 
essential to the uniform distribution  of capsules and  the probability  of capsule opening. The 
application  of liapor needs to be studied further. 
 iii. Encapsulation  procedure  
From the point of view  of producing  the capsules, It is important  to find an effective method to 
manufacture  capsules quickly  and  easily. A rolling  machine  (Figure 6.1) is suggested  in future 
study.  This  rotary barrel tumbler results in economic,  quiet and efficient operation  for tumbling 
small  parts [25]. 

Figure 6.1 Rotary barrel tumbler 
 
iv. Effective healing agent 
Currently,  sodium silicate used as the microencapsulated  healing agent was embedded  in a 
concrete mixture [26]. The sodium silicate reacts with the calcium hydroxide  and forms a gel‐like 
material (calcium‐silica‐hydrate) that will heal the crack and block the pores. The advantage  is 
that the gel hardens in about one week and the recovery of the strength can reach 26 percent of 
its original strength. It is believed that a more effective healing agent can contribute  to the 
self‐healing process.  
43

REFERENCES  
 
[1] M. G. Grantham,  Diagnosis,  inspection,  testing and repair of reinforced  concrete structures,  M. 
G. Associates,  1999, p.3‐5 
[2] Li V.C., Kanda T., Engineered  cementitious  composites  for structural  application,   ASCE J. 
Materials  in Civil Engineering,  1998, Vol.10, No.2, p.66‐69 
[3] Zhou,J.  Qian, S. Ye, G. Breguel, K van and Li, V.C., Development  of Engineered  Cementitious  
Composites  with Limestone  Powder and  Blast Furnace Slag, submitted  to Materials  and 
Stuctures,  2009 
[4] Huan  He, Zhangqi Guo, Piet stroeven,  Martijn  Stroeven,  Lambertus  Johannes  Sluys, 
Self‐healing capacity of concrete – computer  simulation  study of unhydrated  cement structure,  
Image Anal Stereol  2007, p.137‐143 
[5] Tsuji M., Okuyama  A., Enoki K. and  Suksawang  S., Development  of new concrete admixture  
preventing  from leakage of water through cracks, JCA Proc. Of Cement & Concrete  52, 1998, 
p.418‐ 423 
[6] Li V.C., Engineered  Cementitious  Composites  (ECC) – Tailored Composites   though  
Micromechanical  Modeling,  Fiber Reinforced  Concrete:  Present and the   Future,  Canadian  
Society  of Civil Engineers,  1998, p.64‐97 
[7] Yingzi Yang, Michael D. Lepech, En‐Hua Yang, Victor C. Li, Autogenous  healing of engineered  
cementitious  composites  under  wet‐dry cycles, Cement and  Concrete  Research 39, 2009, p. 
382‐ 390 
[8] Mustafa  Sahmaran,  Victor C. Li, Durability  properties  of micro‐cracked ECC containing  high 
volumes fly ash, Cement and Concrete  Research 39, 2009, p. 1033‐1043 
[9] Toshiro Kamada, Victor C. Li, The effects of surface preparation  on the fracture behavior of 
ECC/concrete  repair system, Cement and Concrete  Composites  22, 2000, p.423‐431 
[10] Romildo D. Toledo Filho, Eugenia F. Silva, Anne N.M. Lopes, Effect of super absorbent  polymers  
(SAP)  on the workability  of concrete,  RILEM‐TC SAP Chapter 5, 2009 
[11] Guang Ye, Klaas van Breugel, Effect of SAP on the Harding Process of Binder Paste and 
Microstructure  Development  in Concrete  (Porosity,  morphology,  connectivity),  RILEM‐TC SAP 
Chapter 6, 2009 
[12] S. van der  Zwaag (ed), Self healing materials:  an alternative  approach  to 20 centuries of 
material science, 2007 
[13] S. Qian, J. Zhou, M.R. de Rooij, E. Schlangen,  G. Ye, K. van Breugel, Self‐healing behavior of 
strain hardening  cementitious  composites  incorporating  local waste materials,  Cement and 
Concrete  Composites  31, 2009, p.613‐621 
[14] E. Schlangen,  Fracture Mechanics,  CT5146 Lecture Notes, Delft University  of Technology,  2007 
[15] A. Neville, Properties  of Concrete,  1995, p. 328 
[16] A. Neville, Autogeous  Healing‐ A concrete Miracle, Concrete  International,  2002, p. 76‐82 
[17] Nynke Ter Heide, Crack healing in hydrating  concrete,  Master thesis, Delft University  of 
Technology,  2005 
[18] Dong Yang Wu, Sam Meure, David Solomon,  Self‐healing polymeric  materials:  A review of 
recent developments,  Prog. Polym. Sci. 33, 2008, p.479‐522 
[19] R. Arshady  (ed), Microspheres,  microcapsules  and  liposome,  Vol.1: preparation  and  chemical 
44

45 
 application,  Citus  Books, 1999 
[20] Victor C. Li, Yun Mook Lim, Yin‐Wen Chan, Feasibility  study of a passive smart self‐healing 
cementitious  composite,  Compisites  part B, 1998, p.819‐827 
[21] Henk M. Jonkers, Arjan  Thijssen, Gerard Muyzer, Oguzhan Copuroglu,  Erik Schlangen,  
Application  of bacteria as self‐healing agent for the development  of sustainable  concrete,  
Ecological  Engineering,  2009 
[22] Haoliang Huang, Guang Ye, Klaas van Breugel, Numerical  simulation  on moisture transport  in 
cracked cement‐basis materials,  2010 
[23] McMASTER ‐CARR, http://www.mcmaster.com/#barrel ‐tumblers/=7yvslm 
[24] Susan Wilson, Cost effective self healing concrete developed  at URI, 2010

APPENDIX  A Mix proportion  of epoxy‐cement  material 
 
Mix proportion                                                                      
CEM I   Epoxy  Hardener   Epoxy/hardener   Water  Water/cement  Epoxy/cement  
52.5N [g]  [g]  [g]  ratio  [g]  ratio  ratio 
20  0.6135  0.7730  1:1.26  5.6135  0.300  0.05 
 
46

APPENDIX  B Mix design  of ECC
 
Material property and mix proportion  of M1 
Density  Mix proportion   Weight Volume Diameter  Component  
[g/cm3]  (by weight)  [g]  [cm3]  [mm] 
Portland cement  3.15   1  550  175    
BFS  2.85  1.2  660  232 
  
  
  
        
        Limestone  
powder 2.70   2  1100  407    
Water  1.00   1.092  601  601
Super‐plasticizer  1.17  0.030  16.5  14
PVA fiber  1.30  0.02 
(by volume) 37.1   29    
Saturated  SAP 
inside capsule  0 
(by CEM weight) 0  0    
Number of 
capsules  0 
(0% by volume)      
Capsule size 0 
Water/powder
ratioMaterial property and mix proportion  of M2 
Density  Mix proportion   Weight Volume Diameter  Component  
[g/cm3]  (by weight)  [g]  [cm3]  [mm] 
Portland cement  3.15   1  550  175    
BFS  2.85  1.2  660  232
       
     0.26 
Total 2964  1457  
  
  
  
        
        Limestone  
powder 2.70   2  1100  407    
Water  1.00   1.092  601  601
Super‐plasticizer  1.17  0.030  16.5  14
PVA fiber  1.30  0.02 
(by volume) 37.1   29    
Saturated  SAP 
inside capsule  2% 
(by CEM weight) 11.0  6.7
Number of 
capsules  25 
(0.46% by volume)      
Capsule size 8 
Water/powder
ratio       
     0.26 
Total 2975  1465
47

Material property and mix proportion  of M3 
Density  Mix proportion   Weight Volume Diameter  Component  
[g/cm3]  (by weight)  [g]  [cm3]  [mm] 
Portland cement  3.15   1  550  175    
BFS  2.85  1.2  660  232 
   
  
  
  
  
        
        Limestone  
powder 2.70   2  1100  407    
Water  1.00   1.092  601  601
Super‐plasticizer  1.17  0.030  16.5  14
PVA fiber  1.30  0.02 
(by volume) 37.1   29    
Saturated  SAP 
inside capsule  2% 
(by CEM weight) 11.0  3.3
Number of 
capsules  50 
(0.23% by volume)      
Capsule size 5 
Water/powder
ratio              
       
     0.26 
Total 2975  1461     
 
48

APPENDIX  C Converting  the weight of SAP into the number of capsules 
 
Basically, capsules in the same series were controlled  to be the similar  size according  to different 
requirements  of capsule size (M2: diameter  of 8mm,  M3: diameter of 5mm). During the making 
process of capsules, saturated  SAP particles were shaped into  a ball by a thin cover of cement,  and 
less cement was remained  especially  after curing them in water for 7 days. On the other hand, dry 
SAP powder  can absorb  amounts of free  water many times than its own weight. Based on above 
two points, the weight of cement cover and  SAP particles can be assumed  to be neglected,  the 
weight of ball is therefore  considered  as the weight of water only. As a result, the calculation  of 
“saturated  SAP” with 2% weight ratio of cement in Appendix  B, means the amount of free  water 
needed for healing, which is represented  by Wwater. 
 This  section interprets  that how  to convert the amount of free  water into  the number of capsules. 
First, the saturated  SAP particles after shaping  by cement cover and 7 days’ curing in water is 
called a” ball”, and the weight of a ball actually is the weight of water as explained  above. In order 
to investigate  the weight of a ball, 100 balls were divided into  10 groups and each group included 
10 balls. Each group of balls  was weighed by electric  balance, and then the average weight of one 
ball (W
ball) can be evaluated.  Due to accidental  errors, it was proposed  that the number  of 
capsules for different mixtures was multiplied  by a magnification  factor 1.1, then it follows  that: 
=water
capsules
ballWN1 . 1W 
The following table gives the experimental  results and  calculation  of the number of capsules for 
two different mixtures.
 Experimental  results and calculation  of the number of capsules  
Capsule size   M2: diameter of 8mm  M3: diameter of 5mm 
Group   Weight of saturated  SAP [g]  Weight of saturated  SAP [g] 
1  0.8694  0,4101 
2  0.8793  0,4310 
3  0.7360  0,3874 
4  0.8945  0,4363 
5  0.8121  0,4102 
6  0.7475  0,3976 
7  0.6763  0,4227 
8  0.7698  0,3830 
9  0.7271  0,4039 
10  1.0014  0,4701 
Average  0.8113  0,4152 
Wball  0.0811  0,0416 
Wwater  11.0  g  11.0  g 
Ncapsules  149.14≈150  291.40≈300 
Ncapsules per specimen   150/ 6=25   300/ 6=50  
49

50 
 APPENDIX  D Three‐point bending test configuration  and bending stress calculation  
 
 
Bending stress at mid‐span: σ== = = ⋅ =2
22M( F / 2 ) * L ( F / 2 ) * 5 50.002578125F[kN mm ] 2.578125F[MPa]W ( 1/6)*b*h ( 1/6)*40*40  
 F
ASpecimen
M=F/2*LL=55mm
110mm b=40mm
h=40mm 
                         Test set‐up                                             Section A‐A
                                        Moment diagramA
160mm

APPENDIX  E Bending stress‐deflection  curves 
 
M1a (no capsule_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress  (MPa)M1a‐1
M1a‐2M1b (preloaded  to 1.0mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M1b‐1
M1b‐2M1c (preloaded  to 1.3mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M1c‐1
M1c‐2
M1c‐3
M1c‐4
 
 
M1b (no capsule_56days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M1b‐1
M1b‐2M1c  (no capsule_56days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M1c‐1
M1c‐2
M1c‐3
M1c‐4
 
 
 
 
 
51

M2a (Capsule  size of 8mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M2a‐1
M2a‐2
M2a‐3M2b (preloaded  to 1.0mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M2b‐1
M2b‐2
M2b‐3
M2b‐4M2c (preloaded  to 1.3mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M2c‐1
M2c‐2
 
 
M2b (Capsule size of 8mm_56days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M2b‐1
M2b‐2
M2b‐3
M2b‐4M2c (Capsule size of 8mm_56days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M2c‐1
M2c‐2
 
 
 
 
 
52

M3a (Capsule  size of 5mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M3a‐1
M3a‐2
M3a‐3
M3a‐4M3b (preloaded  to 1.0mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M3b‐1
M3b‐2
M3b‐3M3c (preloaded  to 1.3mm_28days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M3c‐1
M3c‐2
M3c‐3
 
 
M3b (Capsule size of 5mm_56days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M3b‐1
M3b‐2
M3b‐3M3c (Capsule size of 5mm_56days  old)
0246810121416
01234
Deflection  (mm)Bending stress (MPa)M3c‐1
M3c‐2
M3c‐3
 
 
53

APPENDIX  F Results of opened ratio of capsules under nano‐CT observation 
 
 
Number of opened capsules  Number of closed capsules Sample Front  Right  Average  Front  Right  Average Total capsules Opened ratio
M2b‐ 1  6  6  6  3  4  4  10  63% 
M2b‐ 2  8  7  8  4  4  4  12  65% 
M2b‐ 3  4  4  4  6  6  6  10  40% 
M2c‐1  5  5  5  3  3  3  8  63% 
M2c‐2  4  4  4  4  4  4  8  50% 
M2c‐3  5  5  5  4  3  4  9  59% 
M3b‐1  5  5  5  6  6  6  11  45% 
M3b‐ 2  6  6  6  5  5  5  11  55% 
M3b‐ 3  8  7  8  7  6  7  14  54% 
M3c‐1  12  11  12  7  6  7  18  64% 
M3c‐2  9  7  8  5  7  6  14  57% 
M3c‐3  9  9  9  8  9  9  18  51% 
 
 
 
54

APPENDIX  G Results of EDX of the preloaded  ECC specimens  
Crack surface‐‐‐Location  1 
Element  Wt %  At %  K‐ Ratio  Z  A  F 
C  5.14  9.53  0.0156  1.0500  0.2884  1.0010 
O  42.74  59.53  0.0625  1.0323  0.1417  1.0001 
Mg  1.25  1.15  0.0056  0.9902  0.4497  1.0028 
Al  1.64  1.35  0.0093  0.9610  0.5870  1.0050 
Si  4.82  3.82  0.0337  0.9890  0.7031  1.0064 
S  0.63  0.44  0.0053  0.9767  0.8478  1.0206 
K  0.66  0.37  0.0066  0.9394  0.9724  1.0991 
Ca  42.05  23.38  0.3994  0.9615  0.9873  1.0005 
Fe  1.07  0.43  0.0090  0.8742  0.9643  1.0000 
Total  100.00  100.00        
 
Crack surface‐‐‐Location  2 
Element  Wt %  At %  K‐ Ratio  Z  A  F 
C  6.24  11.58  0.0186  1.0501  0.2831  1.0010 
O  40.61  56.61  0.0581  1.0324  0.1385  1.0001 
Mg  1.34  1.23  0.0061  0.9903  0.4554  1.0030 
Al  1.82  1.50  0.0104  0.9612  0.5920  1.0052 
Si  5.35  4.25  0.0376  0.9891  0.7058  1.0065 
S  0.67  0.47  0.0057  0.9768  0.8454  1.0206 
K  0.70  0.40  0.0070  0.9396  0.9710  1.0988 
Ca  42.51  23.65  0.4032  0.9616  0.9860  1.0003 
Fe  0.77  0.31  0.0064  0.8744  0.9636  1.0000 
Total  100.00  100.00        Crack surface‐‐‐Location  3 
Element  Wt %  At %  K‐ Ratio  Z  A  F 
C  4.85  9.51  0.0153  1.0546  0.2989  1.0011 
O  37.07  54.56  0.0488  1.0368  0.1268  1.0001 
Mg  1.13  1.10  0.0050  0.9944  0.4456  1.0029 
Al  1.47  1.29  0.0083  0.9651  0.5836  1.0052 
Si  4.17  3.50  0.0293  0.9932  0.7015  1.0074 
S  0.50  0.37  0.0043  0.9820  0.8513  1.0241 
K  0.87  0.53  0.0090  0.9440  0.9743  1.1156 
Ca  48.87  28.71  0.4665  0.9660  0.9877  1.0004 
Fe  1.06  0.45  0.0089  0.8787  0.9564  1.0000 
Total  100.00  100.00        
 
Crack surface‐‐‐Location  4 
Element  Wt %  At %  K‐ Ratio  Z  A  F 
C  7.12  12.80  0.0209  1.0476  0.2794  1.0009 
O  42.87  57.88  0.0649  1.0300  0.1470  1.0001 
Mg  1.60  1.42  0.0073  0.9880  0.4600  1.0030 
Al  2.01  1.61  0.0115  0.9589  0.5944  1.0050 
Si  5.75  4.42  0.0403  0.9868  0.7061  1.0059 
S  0.54  0.37  0.0045  0.9739  0.8427  1.0187 
K  0.67  0.37  0.0066  0.9371  0.9704  1.0898 
Ca  38.66  20.83  0.3656  0.9591  0.9858  1.0003 
Fe  0.77  0.30  0.0065  0.8719  0.9681  1.0000 
Total  100.00  100.00        
55

Non‐crack surface‐‐‐Location 5 
Element  Wt %  At %  K‐ Ratio  Z  A  F 
C  9.01  15.36  0.0264  1.0431  0.2808  1.0008 
O  46.64  59.67  0.0766  1.0256  0.1600  1.0001 
Mg  1.60  1.34  0.0073  0.9839  0.4632  1.0028 
Al  2.11  1.60  0.0121  0.9549  0.5978  1.0047 
Si  5.85  4.26  0.0409  0.9828  0.7084  1.0051 
S  0.48  0.31  0.0040  0.9688  0.8435  1.0162 
K  0.72  0.38  0.0070  0.9326  0.9717  1.0775 
Ca  33.06  16.88  0.3115  0.9546  0.9867  1.0003 
Fe  0.54  0.20  0.0045  0.8675  0.9746  1.0000 
Total  100.00  100.00        Non‐crack surface‐‐‐Location 6 
Element  Wt %  At %  K‐ Ratio  Z  A  F 
C  6.65  11.70  0.0193  1.0457  0.2778  1.0009 
O  45.88  60.62  0.0807  1.0281  0.1711  1.0002 
Mg  1.71  1.48  0.0085  0.9863  0.5037  1.0032 
Al  2.24  1.75  0.0137  0.9572  0.6352  1.0053 
Si  6.82  5.13  0.0499  0.9851  0.7384  1.0056 
S  0.54  0.35  0.0045  0.9717  0.8558  1.0174 
K  0.64  0.35  0.0063  0.9352  0.9716  1.0823 
Ca  34.68  18.29  0.3273  0.9572  0.9857  1.0004 
Fe  0.85  0.32  0.0072  0.8700  0.9763  1.0000 
Total  100.00  100.00        
 
 
56

Similar Posts