DOI: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.106093
تاريخ النشر: 2024-02-28
المؤلف: Siew Choo Chin وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص واستخدامات الخيزران
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الخصائص الميكانيكية للخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة التي تضم ألياف البامبو الطبيعية وألياف البازلت، مع تباين محتوى ألياف البازلت عند 0%، 0.25%، 0.50%، 0.75%، و1.00%. تم تقييم الأداء الميكانيكي من خلال اختبارات الضغط، والانقسام الشد، وقوة الانحناء التي أجريت في 7، 14، و28 يومًا. أشارت النتائج إلى أن زيادة نسبة الألياف تقلل من انكماش الخرسانة. ومن الجدير بالذكر أن الجمع بين 0.75% من ألياف البازلت و1% من ألياف البامبو حقق الأداء الميكانيكي الأمثل.
أظهر تحليل الانحدار أنه بينما أثرت ألياف البامبو سلبًا على قوة الضغط والانقسام الشد، فإن الآثار السلبية تضاءلت مع تقدم عمر الخرسانة. على العكس، عززت ألياف البازلت هذه القوى. من حيث قوة الانحناء، كان لألياف البامبو تأثير إيجابي، بينما أظهرت ألياف البازلت تأثيرًا سلبيًا. بشكل عام، تستنتج الدراسة أن الجمع بين ألياف البامبو والبازلت يمكن أن يحسن بشكل فعال الخصائص الميكانيكية للخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة، التي تضم أنواعًا متعددة من الألياف لتعزيز خصائص المادة. تركز صناعة البناء بشكل متزايد على المواد الخضراء والمستدامة، حيث تعتبر الخرسانة أكثر مواد البناء الاصطناعية انتشارًا على مستوى العالم. تُضاف الألياف إلى الخرسانة لتقليل التشققات الناتجة عن الانكماش البلاستيكي والجفاف، حيث تتأثر فعاليتها بعوامل مثل نسبة الماء إلى الأسمنت، ونسب الألياف، والأقطار، والأطوال. بينما يمكن أن تحسن ألياف مثل الفولاذ، والبولي بروبيلين، والزجاج، والبوليستر، والكربون من متانة الخرسانة، فإنها تقدم أيضًا تحديات، بما في ذلك التكاليف العالية والآثار البيئية المرتبطة بإنتاجها.
تسلط الورقة الضوء على ألياف البازلت والبامبو كبدائل واعدة لتحسين خصائص الخرسانة. توفر ألياف البازلت، المستمدة من الصخور البركانية، مزايا مثل القوة العالية، ومعامل المرونة، والثبات الحراري. استكشفت العديد من الدراسات فوائدها في تطبيقات الخرسانة. على العكس، تُعرف ألياف البامبو، التي تتوفر بكثرة في منطقة آسيا والمحيط الهادئ، باستدامتها، وتكلفتها المنخفضة، وخصائصها الميكانيكية المواتية، مما يجعلها خيارًا جذابًا للبناء. تمهد المقدمة الطريق لمزيد من التحقيق في إمكانيات هذه الألياف في تطوير حلول خرسانية أكثر متانة وصديقة للبيئة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC) ASTM النوع الأول كالرابط الأساسي، بينما شكلت المجاميع الخشنة الطبيعية 70-80% من وزن الخرسانة. تم اختيار المجاميع الخشنة لتكون قادرة على المرور عبر منخل 10 مم والاحتفاظ بها على منخل 5 مم. تم الحصول على المجاميع الدقيقة من الحصى الصخري المستخرج من نهر بالقرب من جامعة ماليزيا باهانغ، وكانت بحجم 2.36 مم وأقل وتم تجفيفها بالهواء قبل الاستخدام.
شملت الإجراءات التجريبية اختبارًا منهجيًا لمخاليط الخرسانة لتقييم خصائصها وأدائها. يتم مناقشة نتائج هذه التجارب بالتفصيل، مع تسليط الضوء على آثار خيارات المواد على الخصائص العامة للخرسانة.
المناقشة
تستعرض قسم المناقشة في ورقة البحث دراسات متنوعة حول الخصائص الميكانيكية للخرسانة المدعمة بالألياف الطبيعية والمعادن، وتحديدًا ألياف البامبو والبازلت. أظهر زو وآخرون تحسينات كبيرة في قوة الضغط، والشد، والانحناء مع ألياف البازلت، بينما حددت كافيثا وكالا 1% من ألياف البامبو كالأمثل لتعزيز قوة الخرسانة. أكد كوماراسامي وآخرون أن الخصائص الميكانيكية تتحسن حتى 2% من محتوى ألياف البامبو. تشير الأدبيات إلى أن التهجين بين ألياف البامبو والبازلت يمكن أن ينتج خصائص ميكانيكية متفوقة مقارنة بأنواع الألياف الفردية، حيث أظهرت الدراسات أن ألياف البازلت تعزز اللدونة ومقاومة الصدمات، بينما تحسن ألياف البامبو تأثيرات جسر الشقوق.
تهدف الأبحاث الحالية إلى تحسين الجمع بين ألياف البامبو والبازلت في الخرسانة لتعزيز المتانة وتقليل الهشاشة. تم إنشاء مجموعتين من الخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة مع نسب متغيرة من ألياف البازلت (0.25%، 0.5%، 0.75%، و1%) مع 1% و1.5% من ألياف البامبو. وجدت الدراسة أن الخلطة المثلى لقوة الضغط كانت 0.75% من ألياف البازلت مع 1% من ألياف البامبو، محققة قوة ضغط قدرها 43.6 ميغاباسكال و45.8 ميغاباسكال للمجموعتين المعنيتين، وهو ما يزيد بنسبة 8.87% و14.36% عن الخلطة الضابطة. كما أن البحث أسس نماذج تنبؤية للخصائص الميكانيكية للخرسانة المسلحة بالألياف الهجينة، مما يشير إلى أن ألياف البازلت تساهم بشكل كبير في القوة، بينما تتناقص الآثار السلبية لألياف البامبو مع تقدم العمر. تؤكد هذه النتائج على الإمكانية لاستخدام أنظمة الألياف الهجينة في ممارسات البناء المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.106093
Publication Date: 2024-02-28
Author(s): Siew Choo Chin et al.
Primary Topic: Bamboo properties and applications
Overview
This study investigates the mechanical properties of hybrid fibre reinforced concrete incorporating natural bamboo and basalt fibres, with basalt fibre content varying at 0%, 0.25%, 0.50%, 0.75%, and 1.00%. The mechanical performance was assessed through compressive, splitting tensile, and flexural strength tests conducted at 7, 14, and 28 days. Results indicated that increasing the percentage of fibres decreased the concrete slump. Notably, a combination of 0.75% basalt fibres and 1% bamboo fibres yielded optimal mechanical performance.
Regression analysis revealed that while bamboo fibres negatively impacted compressive and splitting tensile strengths, the adverse effects diminished as the concrete aged. Conversely, basalt fibres enhanced these strengths. In terms of flexural strength, bamboo fibres had a positive effect, whereas basalt fibres exhibited a negative impact. Overall, the study concludes that the combination of bamboo and basalt fibres can effectively improve the mechanical properties of hybrid fibre reinforced concrete.
Introduction
The introduction of the research paper discusses hybrid fibre-reinforced concrete, which incorporates multiple types of fibres to enhance the material’s properties. The construction industry is increasingly focused on green and sustainable materials, with concrete being the most prevalent man-made construction material globally. Fibres are added to concrete to mitigate cracking from plastic and drying shrinkage, with their effectiveness influenced by factors such as water-cement ratio, fibre percentages, diameters, and lengths. While fibres like steel, polypropylene, glass, polyester, and carbon can improve concrete durability, they also present challenges, including high costs and environmental impacts associated with their production.
The paper highlights basalt and bamboo fibres as promising alternatives for enhancing concrete properties. Basalt fibres, derived from volcanic rock, offer advantages such as high strength, elastic modulus, and thermal stability. Numerous studies have explored their benefits in concrete applications. Conversely, bamboo fibres, which are abundant in the Asia Pacific region, are recognized for their sustainability, low cost, and favorable mechanical properties, making them an attractive option for construction. The introduction sets the stage for further investigation into the potential of these fibres in developing more durable and environmentally friendly concrete solutions.
Methods
In this study, Ordinary Portland Cement (OPC) ASTM Type I was utilized as the primary binder, while natural coarse aggregates constituted 70-80% of the concrete’s weight. The coarse aggregates were selected to pass through a 10 mm sieve and be retained on a 5 mm sieve. Fine aggregates, sourced from flint shingle obtained from a river near Universiti Malaysia Pahang, were sized at 2.36 mm and below and were air-dried prior to use.
The experimental procedure involved systematic testing of the concrete mixtures to evaluate their properties and performance. The results of these experiments are discussed in detail, highlighting the implications of the material choices on the overall concrete characteristics.
Discussion
The discussion section of the research paper reviews various studies on the mechanical properties of concrete reinforced with natural and mineral fibers, specifically Bamboo and Basalt fibers. Zhou et al. demonstrated significant improvements in compressive, tensile, and flexural strengths with Basalt fibers, while Kavitha and Kala identified 1% Bamboo fiber as optimal for enhancing concrete strength. Kumarasamy et al. confirmed that mechanical properties improve up to 2% Bamboo fiber content. The literature indicates that hybridization of Bamboo and Basalt fibers can yield superior mechanical properties compared to single fiber types, with studies showing that Basalt fibers enhance ductility and impact resistance, while Bamboo fibers improve crack-bridging effects.
The current research aims to optimize the combination of Bamboo and Basalt fibers in concrete to enhance toughness and reduce brittleness. Two hybrid fiber concrete groups were created with varying percentages of Basalt fibers (0.25%, 0.5%, 0.75%, and 1%) combined with 1% and 1.5% Bamboo fibers. The study found that the optimal mix for compressive strength was 0.75% Basalt fiber with 1% Bamboo fiber, achieving a compressive strength of 43.6 MPa and 45.8 MPa for the respective groups, which is 8.87% and 14.36% higher than the control mix. The research also established predictive models for the mechanical properties of hybrid fiber-reinforced concrete, indicating that Basalt fibers significantly contribute to strength, while the negative impact of Bamboo fibers diminishes with age. These findings underscore the potential for using hybrid fiber systems in sustainable construction practices.