Selected Mechanical Properties Analysis of Fibrous Composites Made on the Basis of Fine Waste Aggregate

• Autorzy: Domski J. , Głodkowska W.

Warianty tytułu

PL

Analiza wybranych właściwości mechanicznych fibrokompozytów na bazie drobnego kruszywa odpadowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The presented article concerns environmental protection in terms of limiting consumption of natural resources and carbon dioxide emission. Its subject matter fits in the world-wide tendency consisted with Sustainable Ecological Development. Northern Poland area lacks of coarse aggregate, which is essential to produce ordinary concrete. In this case, in order to obtain wholesome aggregate to concrete production, it is necessary to process much more output in the form of all-in aggregate, increasing work and energy input at the same time. This procedure results in obtaining various aggregate fractions, however over 80% of it is sand with maximum granulation of 4 mm. As the result, most of sand remains unused in numerous piles located nearby the aggregate mines and is treated as post-production waste. These facts made the authors of the article to propose a solution of the existing issue. Therefore, there were analyzed the results of study on sand from two mines located in northern Poland. The analysis covered grading curves, grain median, bulk density in loose state, grain density, quantity of mineral dust, voids and foreign body content. The results of conducted analysis confirmed the possibility of using waste sand as aggregate in cement composites with steel fibres. Additionally, there were also analyzed the results of previous study on mechanical properties of selected hooked steel fibres, which were 50 mm long and had 0.8 mm in diameter. The tensile strength results and the number of bends, that were obtained, were verified with the parameters declared by fibre producers. The main analysis concerned two specific fibrous composites of volumetric content of fibres of 0.42% and 1.2%. These values are considered to be minimal as well as optimal for quantity of fibres in the mixture. In case of these composites, the statistical analysis also included compression strength and tension strength at splitting, modulus of elasticity and residual strength. On the basis of this analysis the curves were proposed describing value changes in compression strength, tension strength at splitting and modulus of elasticity in function of dosed fibres quantity. The presented functions well describe variability of aforementioned qualities, what is confirmed by correlation ratio, which was between 0.76 and 0.94. There was also analysed an interdependence between loading force and crack mode opening displacement (CMOD). On its basis it was possible to determine residual strength and to establish, according to Model Code 2010, fibrous composite classes and also whether it was possible to partially replace ordinary reinforcement with fibrous composites. The results of all these analysis prove that the mechanical properties of fine aggregate composites made on the basis of waste sand with dispersed reinforcement comply with the requirements imposed on construction materials.

PL

Prezentowany artykuł dotyczy ochrony środowiska w aspekcie ograniczania zużycia surowców naturalnych oraz emisji dwutlenku węgla. Swoją tematyką wpisuje się on w ogólnoświatową tendencję związaną z tzw. Zrównoważonym Rozwojem Środowiska. Obszary Polski północnej są ubogie w kruszywo grube, które jest niezbędne przy produkcji tradycyjnych betonów. W tej sytuacji, aby uzyskać pełnowartościowe kruszywo do betonów, należy przerobić znacznie większą ilość urobku w postaci pospółki, przy jednoczesnym zwiększeniu nakładu pracy i energii. W efekcie tych zabiegów uzyskuje się różne frakcje kruszywa, jednak w znacznej części, bo w ponad 80%, jest to piasek o uziarnieniu do 4 mm. Sytuacja ta sprawia, że w obszarze kopalń kruszyw, znajdują się liczne hałdy piasku, traktowane jako odpad poprodukcyjny. Argumenty te skłoniły autorów niniejszego artykułu, aby zaproponować rozwiązanie zaistniałego problemu. Przeprowadzono analizę wyników badań piasku, pochodzącego z dwóch kopalń z obszaru Polski północnej, która obejmowała: krzywą przesiewu, ziarno mediana, gęstość nasypową w stanie luźnym, gęstość ziaren, zawartość pyłów mineralnych, jamistość oraz zawartość ciał obcych. Wyniki z przeprowadzonej analizy potwierdziły możliwość wykorzystania piasku jako kruszywa w kompozytach cementowych z dodatkiem włókien stalowych. Dodatkowo przeanalizowano uzyskane, w ramach wcześniej przeprowadzonych badań, właściwości mechaniczne wybranych haczykowatych włókien stalowych o średnicy 0,8 mm i długości 50 mm. Zweryfikowano uzyskane wytrzymałości na rozciąganie oraz liczbę przegięć z parametrami deklarowanymi przez producenta włókien. Zasadnicza analiza dotyczyła dwóch specyficznych fibrokompozytów o objętościowej zawartości włókien 0,42% i 1,2%, uznanych za minimalną i optymalną ilość włókien w mieszance. Dla tych kompozytów przeprowadzono analizę statystyczną obejmującą wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie przy rozłupywaniu, moduł sprężystości i wytrzymałości resztkowe badanych fibrokompozytów. Na podstawie przeprowadzonej analizy zaproponowano krzywe opisujące zmianę wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu oraz modułu sprężystości w funkcji ilości dozowanych włókien. Przedstawione funkcje dobrze charakteryzują zmienność wyżej wymienionych cech, o czym świadczy współczynnik korelacji, który zawierał się w przedziale od 0,76 do 0,94. Przeanalizowano również zależność pomiędzy siłą obciążającą a szerokością rozwarcia rysy (CMOD). Na jej podstawie możliwe było określenie wytrzymałości resztkowych, zaś zgodnie z ModelCode 2010, ustalono klasy fibrokompozytów oraz ustalono, czy możliwe jest częściowe zastąpienie zbrojenia tradycyjnego fibrokompozytem. Wyniki z przeprowadzonych analiz dowodzą, że właściwości mechaniczne drobnokruszywowych kompozytów wykonanych na bazie piasków odpadowych ze zbrojeniem rozproszonym odpowiadają wymaganiom stawianym budowlanym materiałom konstrukcyjnym.

Słowa kluczowe

EN

waste sand; fine aggregate; composite; steel fibre

PL

piasek odpadowy; kruszywo drobnoziarniste; kompozyt; włókna stalowe

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2017
• Tom: Tom 19
• Strony: 81--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Domski J.

• Koszalin University of Technology

autor

Głodkowska W.

• Koszalin University of Technology

Bibliografia

• Al-Harthy, A.S., Abdel Halim, M., Taha, R., & Al-Jabri, K.S. (2007). The properties of concrete made with fine dune sand. Construction and Building Materials, 21, 1803-1808.
• Błaszczyński, T., & Król, M. (2015). Usage of Green Concrete Technology in Civil Engineering. Procedia Engineering, 122, 296-301.
• Błaszczyński, T., & Przybylska-Fałek, M. (2015). Steel Fibre Reinforced Concrete as a Structural Material. Procedia Engineering, 122, 282-289.
• Brandt, A. M. (2008). Fibre reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering. Composite Structures, 86(1-3), 3-9.
• Bywalski, C., & Kaminski, M. (2011). Estimation of the bending stiffness of rectangular reinforced concrete beams made of steel fibre reinforced concrete. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 11(3), 553-571.
• Bywalski, C., Kamiński, M., Maszczak, M., & Balbus, Ł. (2015). Influence of steel fibres addition on mechanical and selected rheological properties of steel fibre high-strength reinforced concrete. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(3), 742-750.
• Cartuxo, F., de Brito, J., Evangelista, L., Jiménez, J.R., & Ledesma, E.F. (2015). Rheological behaviour of concrete made with fine recycled concrete aggregates – Influence of the superplasticizer. Construction and Building Materials, 89, 36-47.
• Chiaia, B., Fantilli, A.P., & Vallini P.P. (2007). Evaluation of minimum reinforcement ratio in FRC members and application to tunnel linings. Materials and Structures, 40, 593-604.
• di Prisco, M., Plizzari, G., & Vandewalle, L. (2009). Fibre reinforced concrete: new design perspectives. Materials and Structures, 42(9), 1261-1281.
• Domski, J. (2015). Long-term Study on Fibre Reinforced Fine Aggregate Concrete Beams Based on Waste Sand. Rocznik Ochrona Środowiska, 17, 188-199.
• Domski, J. (2016). A blurred border between ordinary concrete and SFRC. Construction and Building Materials, 112, 247-252.
• Domski, J., & Katzer, J. (2013). Load-deflection characteristic of fibre concrete based on waste ceramic aggregate. Rocznik Ochrona Środowiska, 15, 213-230.
• Domski, J., Katzer, J., & Fajto, D. (2012). Load-CMOD characteristics of FRCC based on waste ceramic aggregate. Rocznik Ochrona Środowiska, 14, 69-80.
• fib Bulletin 55. (2010). Model Code (wyd. First complete draft). Lausanne: International Federation for Structural Concrete.
• Głodkowska, W., & Kobaka, J. (2009). Application of Waste Sands for Making Industrial Floors. Rocznik Ochrona Środowiska, 11, 193-206.
• Głodkowska, W., & Kobaka, J. (2012). The Model of Brittle Matrix Composites for Distribution of Steel Fibres. Journal of Civil Engineering and Management, 18(1), 145-150.
• Głodkowska, W., & Kobaka, J. (2013). Modelling of properties and distribution of steel fibres within a fine aggregate concrete. Construction and Building Materials, 44, 645-653.
• Głodkowska, W., & Laskowska-Bury, J. (2015). Waste Sands as a Valuable Aggregates to Produce Fibre-composites. Rocznik Ochrona Środowiska, 17, 507-525.
• Głodkowska, W., Lehmann, M., & Ziarkiewicz, M. (2015). Wytrzymałości resztkowe fibrokompozytu na bazie piasku odpadowego. Materiały budowlane, 513(5), 75-77.
• Hendriks, C., & Janssen, G. (2003). Use of recycled materials in construction. Materials and Structures, 36, 604-608.
• Katzer, J., & Domski, J. (2012). Quality and mechanical properties of engineered steel fibres used as reinforcement for concrete. Constructionand Building Materials, (34), 243-248.
• Maidl, B.R. (1995). Steel Fibre reinforced Concrete. Berlin: Ernst & Sohn.
• Meyer, C. (2009). The greening of the concrete industry. Cement & Concrete composites, 31, 601-605.
• Naaman, A.E. (1985). Fiber reinforcement for concrete. Concrete International: Design and Construction, 21-25.
• Naaman, A.E. (2003). Engineered Steel Fibres with Optimal Properties for Reinforcement of Cement Composites. Journal of Advanced Concrete Technology, 1(3), 241-252.
• Rudzki, M., Bugdol, M., & Ponikiewski, T. (2013). Determination of steel fibers orientation in SCC using computed tomography and digital image analysis methods. Cement Wapno Beton, 18(5), 257-263.
• Sadowska-Buraczewska, B., & Rutkowski, P. (2013). Concrete with Recycled HSC/HPC Aggregates in Sustainable Development. Rocznik Ochrona Środowiska, 15, 2175-2184.
• Seitl, S., Keršner, Z., Bílek, V., & Knésl, Z. (2010). Fatigue parameters of cement-based composites with various types of fibers. Key Engineering Materials, 417, 129-132.
• Siddique, R. (2008). Waste Materials and By-Products in Concrete. Berlin: Springer.
• Soares, D., de Brito, J., Ferreira, J., & Pacheco, J. (2014). In situ materials characterization of full-scale recycled aggregates concrete structures. Construction and Building Materials, 71, 237-245.
• Ulsen, C., Kahn, H., Hawlitschek, G., Masini, E. A., & Angulo , S. C. (2013). Separability studies of construction and demolition waste recycled sand. Waste Management, 33, 656–662.
• Yazıcı, Ş., İnan, G., & Tabak, V. (2007). Effect of aspect ratio and volume fraction of steel fiber on the mechanical properties of SFRC. Construction and Building Materials, 21, 1250–1253.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).