Vegetable Fiber Reinforced Calcium Aluminate Cement based composites for construction materials VFRCCs
Authors:   , Gorgani Nourjemal 
Published: July 2023

Vegetable Fiber Reinforced Cement Composite Materials (VFRCC) have emerged as a potential construction material, providing adequate load-bearing capacity and ductility for non-structural applications. VFRCC have good mechanical properties (strength and ductility) which make them potentially suitable for non-structural construction applications. The improved capacity of this material is due to the fact that, unlike ordinary mortar, a reinforcement is introduced that is distributed throughout the section of the piece, allowing the fibers to work throughout the entire tensile block. Commonly publications analyze the mechanical behavior of these materials in bending mode, their durability properties, chemical compositions and the micro-structure of matrix. The objective of this doctoral thesis is to evaluate the mechanical behavior of VFRCC as a non-structural construction material.

In this context, a cement-based matrix will be used which will be optimized by incorporating two different additives, a pozzolanic addition and two types of vegetable fibers (VF) as reinforcing elements, that will be introduced into the matrix in different proportions. The mechanical behavior will be carried out by means of three-point bending tests and four mechanical parameters will be analyzed, depending on the level of applied load: Limit of proportionality (LOP), maximum resistance to bending (MOR), Modulus of elasticity (MOE ) and specific energy. The durability of the material will also be studied through an accelerated aging treatment consisting of 10 dry-wet cycles. The chemical composition of the matrix will also be analyzed by X-Ray diffractometry (XRD) and the micro-structure by scanning electron microscopy (SEM) and backscattered electron microscopy (BSEM) and atomic composition by energy dispersive X-Ray spectroscopy (EDX).

In terms of mechanical performance, it was found that the composites containing 10% cotton linter fiber with the polycarboxylate additive incorporated, exhibited higher flexural strength compared to the flax fiber composites, with good and sufficient deformability and ductility. At the same time, the influence of CAC on VFRCC demonstrated that this cement matrix could be a viable alternative to an OPC matrix in terms of VF durability for this type of material, compared to those conventional PV-OPC.

Los materiales Compuestos de Cemento Reforzado con Fibras Vegetales (CCRFV) han surgido como un potencial material de construcción, proporcionando una capacidad de carga y ductilidad adecuadas para aplicaciones no estructurales. Los CCRFV poseen unas buenas propiedades mecánicas (resistencia y ductilidad) que los hacen potencialmente adecuados para aplicaciones constructivas no estructurales. La capacidad mejorada de este material se debe al hecho de que, a diferencia del mortero ordinario, se introduce un refuerzo que se distribuye en toda la sección de la pieza, permitiendo que las fibras funcionen en todo el bloque de tracción completo. Comúnmente, las publicaciones analizan el comportamiento mecánico de estos materiales a flexión, sus propiedades de durabilidad, composiciones químicas y microestructura de la matriz. El objetivo de esta tesis doctoral es evaluar el comportamiento mecánico de los CCRVF como un material de construcción no estructural. En este contexto, se utilizará una matriz a base de cemento que se optimizará incorporando dos aditivos distintos, una adición puzolánica y dos tipos de fibras vegetales (FV) como elementos de refuerzo, que se introducirán en la matriz en diferentes proporciones. El comportamiento mecánico se llevará a cabo mediante ensayos de flexión de tres puntos y se analizarán, en función del nivel de carga aplicada, cuatro parámetros mecánicos: Límite de proporcionalidad (LOP), resistencia máxima a flexión (MOR), Módulo de elasticidad (MOE) y Energia específica. También se estudiará la durabilidad del material mediante un tratamiento de envejecimiento acelerado compuesto por 10 ciclos seco-húmedo. También se analizarán la composición química de la matriz mediante difractometria de rayos x (DRX) y la microestructura mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de electrones retrodispersados (BSEM) y composición atómica mediante espectroscòpia de rayos X con dispersión de energia (EDX). En términos de rendimiento mecánico, se encontró que los compuestos que contenían 10% de algodón con el aditivo de policarboxilato incorporado, exhibieron mayor resistencia a la flexión en comparación con los compuestos de fibra de lino, con una buena y suficiente capacidad de deformación y ductilidad. Al mismo tiempo, la influencia del CAC en los CCRFV demostró que esta matriz de cemento podría ser una alternativa viable a una matriz de OPC en términos de durabilidad de las FV para este tipo de material, en comparación con los FV-OPC convencionales. También se observó que los ciclos de envejecimiento acelerado tenían un efecto mayor en la propia matriz de CAC que en las FV, lo que indica que esta matriz podría ser una alternativa viable para producir CCRFV durable. En términos de adición puzolánica en matriz CAC, los resultados de los análisis BSEM/SEM y XRD revelaron que, con concentraciones más altas de puzolana, el humo de sílice no reacciona por completo con el CAC, por lo que aparecía un excedente de partículas de SF en la microestructura de la matriz. Según los resultados de XRD, las nuevas fases de la strätlingita (C2ASH8) estaban presentes en mezclas con bajo contenido de SF. Simultáneamente, la incorporación de humo de sílice en CCRFV pareció minimizar aún más la degradación de la fibra. Esta tesis doctoral proporciona conocimientos y datos que pueden ayudar a futuras investigaciones y contribuir al desarrollo futuro de estrategias de diseño de CCRFV.

Els materials compostos de Ciment Reforçat amb Fibres Vegetals (CCRFV) han sorgit com un possible material de construcció, proporcionant una capacitat de carrega i ductilitat adequades per a aplicacions no estructurals. Els CCRFV tenen unes bones propietats mecàniques (resistència i ductilitat) que els fan potencialment adequats per a aplicacions constructives no estructurals.
La capacitat millorada d'aquest material es deu al fet que, a diferencia del morter ordinari, se n'introdueix un que es distribueix en tota la secció de la peca, permetent que les fibres funcionin a tot el bloc de tracció complet. Comunament, les publicacions analitzen el comportament mecànic d’aquests materials a flexió, les seves propietats de durabilitat, composicions químiques i microestructura de la matriu.
L´objectiu d´aquesta tesi doctoral es avaluar el comportament mecànic dels CCRVF
com un material de construcció no estructural. En aquest context, s’utilitzarà una matriu a base de ciment que s’optimitzarà incorporant dos additius diferents, una addició putzolànica i dos tipus de fibres vegetals (FV) com a elements de reforç, que s’introduiran a la matriu en diferents proporcions. El comportament mecànic es dura a terme mitjançant assaigs de flexió de tres punts i s'analitzaran, segons el nivell de carrega aplicada, quatre paràmetres mecànics: Límit de proporcionalitat (LOP), resistència màxima a flexió (MOR), Mòdul d'elasticitat (MOE) i Energia
especifica. També s’estudiarà la durabilitat del material mitjançant un tractament d'envelliment accelerat compost per 10 cicles secs-humit. També s'analitzaran la composició química de la matriu mitjançant difractometria de raigs x (DRX) i la microestructura mitjançant microscopia electrònica d'escombrada (SEM) i microscopia d'electrons retrodispersats (BSEM) i composició atòmica mitjançant espectroscopia de raigs X amb dispersió d'energia (EDX).
En termes de rendiment mecànic, es va trobar que els compostos que contenien 10% de coto i amb Sika Viscocrete incorporat, van exhibir mes resistència a flexió en comparació dels compostos de fibra de lli, amb una bona i suficient capacitat de deformació i ductilitat.
Simultàniament, la influencia del CAC als CCRFV va demostrar que aquesta matriu de ciment podria ser una alternativa viable a una matriu de ciment Portland comú en termes de durabilitat de les FV en aquests materials, en comparació dels FV-OPC convencionals.
També, es va observar que els cicles d'envelliment accelerat tenien un efecte mes gran a la mateixa matriu de CAC que a les FV, cosa que indica que aquesta matriu podria ser una alternativa viable per produir CCRFV durables. En termes d’addició putzolànica en matriu CAC, els resultats de les anàlisis BSEM/SEM i XRD van revelar que, amb concentracions mes altes de puzolana, el fum de sílice no reacciona del tot amb el CAC, per la qual cosa apareixia un excedent de partícules de SF a la microestructura de la matriu. Segons els resultats de XRD, les noves fases de la stratlingita (C2ASH8) estaven presents en barreges amb baix contingut de SF.
Simultàniament, la incorporació de fum de sílice a CCRFV va semblar minimitzar encara mes la degradació de la fibra. Aquesta tesi doctoral proporciona coneixements i dades que poden ajudar
a investigar futures i contribuir al desenvolupament futur d’estratègies de disseny de CCRFV.