EINFÜHRUNG

Es besteht derzeit ein großes Interesse an der Entwicklung von Technologien zur Verwendung von Naturfasermaterialien in Zementverbundstoffen. Naturfasern sind weltweit in relativ großen Mengen vorhanden, und pflanzliche Naturfasern werden in den meisten Entwicklungsländern hergestellt. Naturfasern werden schon seit Tausenden von Jahren zur Verstärkung anorganischer Materialien verwendet. Beispiele sind Stroh für Ziegel, Lehm und Pfähle, Gips und Schilf. In diesem Jahrhundert wurden andere Fasern wie Kokosnuss, Bambus, Holzzellulosefasern, Wolle oder Späne, Bastfasern, Blattfasern, Samen- und Fruchtfasern in Produkten auf Zement-Sand-Basis verwendet (Gram, 1983; Paramasivam et al., 1984; Sera et al., 1990; Duvaut et al., 2000; Brahmakumar et al., 2005; Asasutjarit et al., 2007; Ismail, 2007; Zain et al., 2010; Zain et al., 2011; Mulinari et al., 2011). Fasern können entweder als natürliche oder künstliche Fasern klassifiziert werden, wobei die natürlichen Fasern in verschiedene Gruppen unterteilt werden (Fordos, 1989; Kelly-Yong et al., 2011; Feng et al., 2011). Die Verwendung von Naturfasern als Bewehrung in Beton (Zement-Sand-Matrix) wurde in vielen Ländern umfassend untersucht (Rehsi, 1991; Atnaw et al., 2011). Die naturfaserverstärkten Materialien, die bei der Herstellung von Baumaterialien verwendet werden können, basieren derzeit hauptsächlich auf Kokosnuss-, Bambus-, Schilf-, Hennequen- und Sisalfasern (Dawood und Ramli, 2011; Hamid et al., 2011). Die Hauptgründe für die Verwendung von Naturfasern sind, dass sie im Überfluss vorhanden und vergleichsweise billig sind. Naturfaserverbundwerkstoffe bieten außerdem Umweltvorteile wie eine geringere Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Energie-/Materialquellen, geringere Schadstoffemissionen, geringere Treibhausgasemissionen, verbesserte Energierückgewinnung und biologische Abbaubarkeit der Komponenten am Ende der Lebensdauer (Joshi, 2003; Majeed, 2011; Hamzah et al., 2010). Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Dachplatten aus Naturfaserbeton wurde rasch entwickelt und u. a. durch den IT Building Materials Workshop in Großbritannien in Ländern in Mittelamerika, Afrika und Asien verbreitet. Die Methode, bei der Zement oder Betonprodukte mit Naturfasern wie Kokos, Sisal und Jute verstärkt werden, wurde in mindestens 28 Ländern angewandt. Bei der Kombination dieser Fasern mit der Zementmatrix werden die Fasern auf zwei Arten genutzt. Einerseits ermöglichen die Fasern im Frischbeton eine einfache Formgebung des Produkts. Zum anderen erhöht die Faser die Zähigkeit des Materials, so dass das Produkt der Handhabung und einer strukturellen Belastung standhalten kann.

Kokosfasern sind landwirtschaftliche Abfallprodukte, die bei der Verarbeitung von Kokosnussöl anfallen und in den tropischen Regionen der Welt, vor allem in Afrika, Asien und Amerika, in großen Mengen vorhanden sind. Kokosfasern werden in der Regel nicht in der Bauindustrie verwendet, sondern häufig als landwirtschaftliche Abfälle entsorgt. Im Zuge des Strebens nach einem erschwinglichen Wohnungsbau sowohl für die ländliche als auch für die städtische Bevölkerung in den Entwicklungsländern wurden jedoch verschiedene Pläne zur Senkung der Kosten für herkömmliche Baumaterialien vorgelegt. Einer der wichtigsten Vorschläge war die Beschaffung, Entwicklung und Verwendung alternativer, nicht konventioneller lokaler Baumaterialien, einschließlich der Möglichkeit, einige landwirtschaftliche Abfälle und Reststoffe als teilweisen oder vollständigen Ersatz für konventionelle Baumaterialien zu verwenden. In Ländern, in denen reichlich landwirtschaftliche Abfälle anfallen, können diese Abfälle als potenzielles Material oder Ersatzmaterial in der Bauindustrie verwendet werden (Olanipekun et al., 2006; Nor et al., 2010). Eine solche Alternative sind Kokosfasern, die im Überfluss produziert werden und das Potenzial haben, als Ersatz für grobe Zuschlagstoffe in Beton verwendet zu werden (Adeyemi, 1998, Zain et al., 2010). Die riesige Menge an Kokosfaserabfällen, die in den Fabriken anfällt. Die derzeitige Entsorgungspraxis der Verbrennung in der Industrie erfolgt in der Regel auf unkontrollierte Weise und trägt erheblich zur Luftverschmutzung bei. Daher wird die Entsorgung dieser Abfälle unter Einhaltung der Umweltvorschriften immer teurer. In einer solchen Situation werden Anstrengungen unternommen, um die Verwendung dieser Nebenprodukte durch die Entwicklung von Mehrwertprodukten zu verbessern. Eine Möglichkeit, diese Abfälle zu entsorgen, wäre die Verwendung von Kokosfasern als Baumaterialien. Ölpalmenschalen (OPS) sind das harte Endokarp, das den Palmkern umgibt.

Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum Verständnis und zur Anwendung von Faserbetonmaterialien finden nach wie vor in der ganzen Welt statt. Diese Aktivitäten umfassen unter anderem die Entwicklung neuer, stärkerer Fasern, besserer faserverstärkter Verbundstoffe und neuer Ersatzstoffe (Fordos, 1989). Die mechanischen Eigenschaften von mit Kokosfasern verstärkten Polyesterverbundwerkstoffen wurden von Mulinari et al. (2011) untersucht. In dieser Arbeit wurde die chemische Modifikation der Kokosfasern durch alkalische Behandlung bestimmt, um sie als Verstärkung in Polyesterharz zu verwenden. Die mechanischen Eigenschaften wurden durch Zug- und Ermüdungstests bewertet. Die Oberflächen der gebrochenen Probekörper wurden untersucht, um die Bruchmechanismen zu bewerten. Die Testergebnisse zeigten eine Verringerung der Ermüdungslebensdauer der Verbundwerkstoffe, wenn eine größere Spannung aufgebracht wurde, was auf die nicht ausreichende Grenzflächenbindung zurückzuführen war.

Gunasekaran und Kumar (2008) haben die Möglichkeiten der Verwendung von Kokosnussschalen als Zuschlagstoff in Beton untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wasseraufnahme der Kokosnussschalen-Zuschlagstoffe mit 24 % hoch war, aber der Brechwert und die Schlagzähigkeit waren vergleichbar mit denen anderer Leichtzuschlagstoffe. Sie stellten fest, dass die durchschnittliche Frischbetondichte und die 28-Tage-Würfel-Druckfestigkeit des Betons mit Kokosnussschalenzuschlag 1975 kg m-1 bzw. 19,1 N mm-1 betrugen. Daraus wird gefolgert, dass sich zerkleinerte Kokosnussschalen als Ersatz für herkömmliche Zuschlagstoffe bei der Herstellung von Leichtbeton eignen.

Eine frühere Studie von Olanipekun et al. (2006) hat gezeigt, dass sich Kokosnussschalen als Ersatz für herkömmliche Zuschlagstoffe bei der Herstellung von Strukturbeton eignen. Die Ergebnisse zeigten auch eine Kostenreduzierung von 30 % bei der Herstellung von Beton aus Kokosnussschalen. Abgesehen von der Verwendung bei der Herstellung von Faserdächern wurde der Verwendung von Kokosfasern als Zuschlagstoff bei der Betonherstellung bisher keine große Aufmerksamkeit geschenkt. Adeyemi (1998) untersuchte jedoch für ein Mischungsverhältnis (1:2:4) die Eignung von Kokosfasern als Ersatz für feine oder grobe Zuschlagstoffe bei der Betonherstellung. Es wurde untersucht, dass die Kokosfasern als leichte Zuschlagstoffe mit geringer Festigkeit besser geeignet waren, wenn sie als Ersatz für herkömmliche grobe Zuschlagstoffe bei der Betonherstellung verwendet wurden. Kokosfasern sind das harte, steinige Endokarp, aber leicht und von natürlicher Größe. Aufgrund der steifen Oberflächen organischen Ursprungs werden sie nicht verunreinigt oder ausgelaugt, so dass keine toxischen Stoffe entstehen, sobald sie in der Betonmatrix gebunden sind. Darüber hinaus sind Kokosfasern leichter als herkömmliche grobe Zuschlagstoffe, so dass der resultierende Beton leicht ist. Daher können sie als guter Ersatz für grobe Gesteinskörnung bei der Herstellung von Konstruktionsbeton in der Bauindustrie verwendet werden.

In dieser Studie wurden die Ergebnisse einer Untersuchung über die Verwendung von gehackten Kokosfasern in Beton als Ersatz für herkömmliche grobe Gesteinskörnung vorgestellt. Außerdem wurden die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Normalbeton mit denen von Beton aus Kokosfaserverbundstoffen verglichen. Das Hauptziel bestand darin, die Verwendung dieser scheinbaren Abfallprodukte als Baumaterialien im preisgünstigen Wohnungsbau zu fördern und dort, wo gebrochene Steine für die Herstellung von Leichtbeton zu teuer sind. Es sollte auch dazu dienen, Bauträger zu ermutigen, in den Bau von Häusern zu investieren, die diese kostengünstigen Materialien enthalten.

MATERIALIEN UND METHODEN

Materialuntersuchungen
Kokosnussfasern: Kokosnussfasern wurden in einem Geschäft in Sri Lanka gesammelt. Sie wurden nach der Ölextraktion in der Fabrik aus der äußeren Peripherie der Kokosnussfrucht gewonnen. Die Schalen wurden dann gründlich gewaschen und fünf Tage lang bei Raumtemperatur an der Luft getrocknet und später gemäß ASTM C330 (2009) sortiert. Die Fasern wurden mit einer scharfen Schere geschnitten, wobei eine Länge von 15 bis 35 mm beibehalten wurde. Die zerkleinerten Fasern wurden 5 Stunden lang bei 80 °C im Ofen getrocknet und anschließend in Exsikkatoren abgekühlt. Die zerkleinerten Fasern wurden zur Bestimmung der Länge, des Durchmessers, der Dicke, der natürlichen Feuchtigkeit, der Wasseraufnahmekapazität und der Dichte der Fasern verwendet.

Aggregate: Die grobe Gesteinskörnung in Form von gebrochenem Granit wurde aus magmatischem Ursprung gewonnen. Die verwendete Korngröße liegt zwischen 5 und 20 mm. Flusssand als feine Gesteinskörnung wurde zum Mischen des Betons gemäß der ASTM-Norm C33 (2006) verwendet. Alle Partikel, die das ASTM-Sieb Nr. 4 mit einer Maschenweite von 4,75 mm passieren, bleiben auf dem Sieb Nr. 230 mit einer Maschenweite von 63 μm zurück.

Zement und Wasser: Gewöhnlicher Portlandzement, dessen Eigenschaften den Anforderungen von ASTM Typ I entsprechen, wurde zum Mischen des Betons verwendet, und das Wasser wurde im Labor entnommen.

Vorbereitung der Probekörper: Betonwürfel mit den Maßen 100x100x100 mm und Prismen mit den Maßen 100x100x300 mm wurden sowohl für normalen als auch für kokosfaserverstärkten Beton gegossen, um die verschiedenen Eigenschaften des Betons zu bestimmen. Das Mischungsverhältnis von 1:2:3 nach Gewicht von gewöhnlichem Portlandzement, Flusssand, Schotter und Kokosfasern wurde zum Gießen der Probekörper verwendet. Der Wasserzementwert wurde mit 0,4 angesetzt. Der Wasser-/Zementwert wurde bei allen unterschiedlichen Volumenprozentsätzen der Fasern konstant gehalten. Für die schnelle Aushärtung des Betons wurde ein Klebstoff namens „Seal Frost“ verwendet. Pro 1 kg Zement wurden 70 g Dichtungskleber verwendet. Bei der Herstellung der Probekörper wurden zunächst Sand und Zement in der Maschine ordnungsgemäß gemischt und dann gebrochene Steine hinzugefügt. Bei faserverstärktem Beton wurden der Mischung auch Fasern zugesetzt, die als Vormischung bekannt sind. Alle Bestandteile wurden mit Hilfe einer Betonmischmaschine ordnungsgemäß gemischt. Die Verarbeitbarkeit des Frischbetons wurde unmittelbar nach dem endgültigen Mischen des Betons mit einem Setztest untersucht. Um Hohlräume zu vermeiden, wurden Hammer und Rüttler zur Verdichtung eingesetzt. Die Würfel und Prismen wurden gegossen, indem jede Form in drei Schichten gefüllt wurde; jede Schicht wurde mit 25 Schlägen eines Stahlstabs von 16 mm Durchmesser normal verdichtet, bevor die nächste Schicht gegossen wurde; für Prismen wurde ein Rüttler verwendet. Die Setzmaße betrugen 54 mm für Normalbeton und 38 mm für Kokosfaserbeton, was einer hohen bzw. mittleren Verarbeitbarkeit entspricht. Alle Probekörper wurden 24 Stunden lang in den Formen belassen, um bei Raumtemperatur auszuhärten. Danach wurden sie aus der Form genommen und in ein Aushärtungsbecken gebracht. Die Aushärtungstemperatur betrug 30±2°C. Die Betonmischungen und die Probekörper wurden in Übereinstimmung mit den Bestimmungen der Normen ASTM C330 (2009), ASTM C469 (1987) und BS 8110-1 hergestellt.

Druckfestigkeitsprüfung: Zur Bestimmung der Druckfestigkeit von kokosfaserverstärktem Beton wurden zwei Arten von Universalprüfmaschinen verwendet. Die Avery Denison Prüfmaschine wird im Vereinigten Königreich hergestellt. Die Belastungsrate dieser Maschine beträgt 10-3000 kN min-1. Die Experimente wurden mit dieser Maschine mit einer Belastungsrate von 136 KN min-1 durchgeführt. Einmal im Jahr muss diese Maschine kalibriert werden. Die Dartec-Prüfmaschine wurde auch zur Bestimmung der Druckfestigkeit von kokosfaserverstärktem Beton verwendet. Diese Maschine kann automatisch ein Diagramm von Belastung und Entfernung erstellen. Aus dem gegebenen Diagramm oder den Daten kann ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für eine bestimmte Probe erstellt werden. Die Belastungskapazität dieser Maschine beträgt bis zu 500 KN. Die Druckgeschwindigkeit dieser Maschine liegt zwischen 0,00015 und 2,0 mm sec-1. Das Experiment wurde mit dieser Maschine mit einer Druckrate von 0,00015 mm sec-1 durchgeführt. Die Druckfestigkeitsprüfung von normalem und kokosfaserverstärktem Beton wurde durchgeführt, um die Bruchlast, die Druckfestigkeit, die Anzahl der Risse sowie deren Länge und Breite zu ermitteln und schließlich die Spannungs-Dehnungs-Beziehung zu beobachten. Statische Belastungstests wurden mit einer DARTEC Prüfmaschine durchgeführt. Die experimentelle Druckfestigkeitsprüfung wurde im Labor durchgeführt, wie in Abb. 1 dargestellt.

Rasterelektronenmikroskop (SEM): Das Rasterelektronenmikroskop wurde verwendet, um die Dicke und den Querschnitt der Fasern zu bestimmen. Das REM ist in der Lage, hochauflösende Bilder von der Oberfläche einer Probe zu erstellen. Ein SEM kann viel kleinere Merkmale als ein Standardmikroskop auflösen, bis hinunter zu fast 2 Nanometern. In einem klassischen Rasterelektronenmikroskop (REM) werden Elektronen thermionisch aus einer Wolfram- oder Lanthanhexaborid (LaB6)-Kathode emittiert und zu einer Anode beschleunigt; alternativ können Elektronen über Feldemission (FE) emittiert werden. Wolfram wird verwendet, weil es von allen Metallen den höchsten Schmelzpunkt und den niedrigsten Dampfdruck hat, so dass es für die Elektronenemission erhitzt werden kann. Wenn der Primärelektronenstrahl mit der Probe wechselwirkt, verlieren die Elektronen Energie durch wiederholte Streuung und Absorption innerhalb eines tropfenförmigen Volumens der Probe, das als Wechselwirkungsvolumen bezeichnet wird und sich von weniger als 100 nm bis etwa 5 μm in die Oberfläche erstreckt.

Zugfestigkeitsprüfung von Kokosfasern: Zur Bestimmung der Zugfestigkeit von Kokosfasern wurde eine Hounsfield-Zugprüfmaschine verwendet. Diese Maschine kann automatisch ein Diagramm zwischen Belastung und Dehnung erstellen. Aus den gegebenen Daten können die Spannung und die Dehnung bis zum Versagen der Kokosfasern ermittelt werden. Die Zugfestigkeitsprüfung von Kokosfasern wurde durchgeführt, um das Verhalten der Fasern unter Zugbelastung, die maximale Ausdehnung der Fasern unter Zugbelastung und die Bruchstelle zu untersuchen. Für die Durchführung dieses Experiments wurde eine Hounsfield-Zugprüfmaschine verwendet. Nach Abschluss der Prüfung kann diese Maschine automatisch ein Diagramm Last vs. Dehnung erstellen. Aus den Kraft-Dehnungs-Daten lassen sich die Werte für Spannung und Dehnung wie folgt ableiten:

Vier verschiedene Faserdicken wurden im Zugversuch getestet. Die Fasern wurden in die Backe der Zugprüfmaschine mit einer Messlänge (freie Faserlänge von einer Backe zur anderen) von 35 mm eingelegt. Nachdem sie fest in die Klemmbacken eingepasst waren, begann die Maschine mit dem Prüfvorgang. Im Allgemeinen ziehen die Backen die Faser in zwei entgegengesetzte Richtungen. Die Faser bricht automatisch zusammen, wenn sie ihre endgültige Ausdehnung erreicht hat. Der Punkt, an dem die Faser zusammenbricht, wird als Bruchstelle bezeichnet. Alle Tests wurden mit einer Geschwindigkeit von 15 mm min-1 durchgeführt.

ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Physikalische Struktur der Kokosfaser: Zur Beobachtung der physikalischen Bildung der Kokosfasern wurde eine Rasterelektronenmikroskopie (REM) durchgeführt. Die Abbildungen 2-4 zeigen die REM-Aufnahmen des Faserbündels, der Faseroberfläche bzw. des Faserquerschnitts.

Aus Abb. 2 geht hervor, dass die Faser, die im Allgemeinen mit offenen Augen betrachtet wird, schließlich mit 5/6 Einzelfasern verbunden ist. Die linke Seite von Abb. 2 zeigt die Einzelfaser, die 5 bis 6 Mal weniger als andere Fasern ist. Es wurde auch festgestellt, dass die Oberfläche der Kokosfasern nicht glatt ist (siehe Abb. 3). Daher kann sie in einer Matrix eine starke Bindung mit anderen Materialien eingehen. Der Querschnitt der Faser zeigt deutlich ein Loch in der Mitte und kleine Löcher rundherum, wie in Abb. 4 dargestellt. Es wird grob geschätzt, dass 15-20% der Löcher im Vergleich zu einem einzelnen Faserquerschnitt vorhanden sind.

Physikalische Eigenschaften der Faser
Länge der Kokosfasern: Im Allgemeinen liegen die natürlichen Längen der Kokosfasern zwischen 60-230 mm. Die Länge der Fasern wurde mit einem Stahllineal gemessen und 30 Stücke wurden zufällig ausgewählt, um die Länge der Kokosfasern zu ermitteln. In dieser Studie wurden jedoch gehackte Kokosfasern mit einer Größe von 15-35 mm verwendet.

Durchmesser der Kokosfasern: Zur Bestimmung des Durchmessers der Kokosfasern wurde ein Mikrometer mit einer Genauigkeit von 0,01 mm verwendet. Es wurde festgestellt, dass der Durchmesser der Kokosfasern zwischen 0,17 und 0,24 mm liegt.

Natürliche Feuchtigkeit der Kokosfasern: Zur Bestimmung der natürlichen Feuchtigkeit wurden die Fasern zunächst 5 Tage lang an der Luft getrocknet und dann 5 Stunden lang in einem Ofen bei 80°C getrocknet. Die Gewichte der Fasern wurden mit einer elektronischen Tischwaage mit einer Genauigkeit von 0,01 g gemessen. Es zeigt sich, dass die Feuchtigkeitsprozentsätze für verschiedene Arten von Kokosfaserproben fast gleich sind:

wobei Wd und WO das Gewicht der luftgetrockneten bzw. ofengetrockneten Fasern sind.

Wasseraufnahme: Während des Mischens und Trocknens der Matrix nehmen die Fasern Wasser auf und dehnen sich aus. Durch das Aufquellen der Fasern wird der Beton zumindest auf der Mikroebene weggedrückt. Am Ende des Trocknungsprozesses verlieren die Fasern die Feuchtigkeit und schrumpfen fast auf ihre ursprünglichen Abmessungen zurück, wobei sie sehr feine Hohlräume um sich herum hinterlassen. Die Wasseraufnahmekapazität W wurde mit Hilfe von Gleichung 2 berechnet:

wobei Wsw und Wad das Gewicht der in Trinkwasser eingeweichten Fasern bzw. das Gewicht der luftgetrockneten Fasern sind. Die Messungen wurden in Abständen von 24 Stunden über 7 Tage durchgeführt. Die experimentellen Daten haben gezeigt, dass die maximale Wasseraufnahme der Kokosfasern in den ersten 24 h auftritt und bis zu 120 h ansteigt.

Nach 120 Stunden sind die Fasern vollständig gesättigt, und dieser Zustand hält bis zum Ende an, wie in Abb. 5 dargestellt.

Dichte der Fasern: Die Dichte der einzelnen Fasern ist ein wichtiger Parameter. Bei Verbundwerkstoffen hat die Dichte der Fasern einen erheblichen Einfluss. Das Gewicht der Fasern in einer Verbundstoffmatrix hängt von der Dichte der Fasern ab. Die Dichte von Kokosfasern, ρf, wurde mit Hilfe von Gleichung 3 berechnet und ergab, dass die Dichte von Kokosfasern 1,18 g cm-3 beträgt. Es wurde festgestellt, dass die Dichten der Kokosfasern für die verschiedenen Probentypen fast gleich sind:

wobei mf die Masse der Faser, mw die Masse des Wassers, mw* die Masse des Wassers reduziert um das Faservolumen und ρw die Dichte des Wassers ist.

Mechanische Eigenschaften der Fasern
Zugfestigkeit der Kokosfasern: Die Zugfestigkeitsprüfung der Kokosfasern wurde durchgeführt, um das Verhalten der Fasern unter Zugbelastung, die maximale Ausdehnung der Fasern unter Zugbelastung und die Bruchstelle zu untersuchen. Für die Durchführung dieses Experiments wurde eine Hounsfield-Zugprüfmaschine verwendet. Es wurden vier verschiedene Faserdicken verwendet und die folgenden Ergebnisse erzielt (siehe Tabelle 1). Abb. 6 und 7 zeigen die Belastung im Verhältnis zur Dehnung der Kokosfasern für die Proben 2 bzw. 3.

Die experimentellen Daten haben gezeigt, dass die durchschnittliche Festigkeit der Kokosfasern 19,51 MPa und die Bruchdehnung 2,83 beträgt. Es wurde auch festgestellt, dass die Festigkeit und die Dehnung bis zum Bruch nicht von der Faserfläche abhängen. Je größer die Faserfläche ist, desto höher sind nicht immer die Festigkeit und die Bruchdehnung.

Die Festigkeit der Fasern hängt hauptsächlich von ihrer chemischen Zusammensetzung, dem Prozess der Faserabtrennung, der Behandlung, der Feuchtigkeit, der Temperatur usw. ab.

Dichte von Normalbeton und faserverstärktem Beton: Das Gewicht und das Volumen von Normalbeton und faserverstärktem Beton wurden vor der Druckfestigkeitsprüfung gemessen. Das erhaltene Gewicht jedes Betons wurde durch sein Volumen geteilt, um die Dichte zu ermitteln. In Abbildung 8 ist die Dichte von Normalbeton und faserverstärktem Beton dargestellt. Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass die Dichte von Normalbeton höher ist als die von faserverstärktem Beton. Es wird auch beobachtet, dass die Dichte des Betons mit der Zunahme des Volumens der Kokosfasern in der herkömmlichen groben Gesteinskörnung abnimmt, wie in Abb. 8 dargestellt.

Vergleich der Eigenschaften von einfachem und faserverstärktem Beton: Normalbeton und faserbewehrter Beton wurden statisch belastet, um die Enddruckfestigkeit von Beton mit unterschiedlichem Faservolumen zu ermitteln (siehe Abb. 9). Die Anzahl, Länge und Breite der Risse wurde sowohl bei Normalbeton als auch bei faserverstärktem Beton nach statischer Belastung gemessen (siehe Abb. 10 bis 12). Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung und der Elastizitätsmodul von Normalbeton und kokosfaserverstärktem Beton sind in Abb. 13 bzw. 14 dargestellt.

Aus den Prüfergebnissen (Abb. 9) geht hervor, dass die Druckfestigkeit mit zunehmendem Faseranteil im herkömmlichen Beton allmählich abnimmt. Für den konventionellen Beton mit 0 % Faservolumen wurden die höchsten Druckfestigkeitswerte für das angegebene Mischungsverhältnis ermittelt. Die Rissanzahl, -länge und -breite von faserverstärktem Beton zeigt ein optimistisches Verhalten im Vergleich zu Normalbeton. Daraus wird geschlossen, dass die Betonfestigkeit von der Festigkeit, Steifigkeit und Dichte der groben Zuschläge abhängt. Im Allgemeinen führt eine geringere Dichte zu einer geringeren Festigkeit. Ein erhöhter Volumenanteil an Kokosfasern senkt die Dichte des Betons und führt somit zu einer geringeren Druckfestigkeit.

Die Anzahl, Länge und Breite der Risse wurde sowohl bei normalem als auch bei kokosfaserverstärktem Beton nach statischer Belastung gemessen. Die Risse wurden an den Oberflächen gezählt, an denen sie sich stärker entwickelten als an anderen Oberflächen. Die experimentellen Daten haben gezeigt, dass die Rissentwicklung bei faserverstärktem Beton geringer ist. Sieben Prozent des faserverstärkten Betons haben die geringste Anzahl von Rissen unter den übrigen faserverstärkten Betonen entwickelt. Abb. 10 zeigt die Anzahl der Risse von Normalbeton und den verschiedenen Faservolumenanteilen von Beton. Normaler Beton hat im Vergleich zu faserverstärktem Beton mehr Risse entwickelt. Im Allgemeinen treten in Beton Risse auf, wenn die Spannung den Bruchmodul des Betons erreicht. Bei allen Probekörpern trat der Riss in der mittleren Höhenposition der Betonwürfel auf. Der vertikale Verlauf der Risse zeigt, dass es sich um Biegerisse handelt. Aus den Versuchen geht hervor, dass die Rissabstände bei Normalbeton am größten waren, gefolgt von den verschiedenen Faservolumenprozentsätzen des Stahlbetons.

Experimentelle Daten haben gezeigt, dass die Risslänge bei faserverstärktem Beton im Vergleich zu Normalbeton geringer ist. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Risslänge und der Art der Belastung. Bei allen Betonen wurde die größere Risslänge bei 80 % der statischen Belastung festgestellt. Daher kann Kokosfaserbeton die Risslänge begrenzen. Die Risslängen von normalem und faserverstärktem Beton sind in Abb. 11 dargestellt.

Experimentelle Daten haben gezeigt, dass die Rissbreite bei faserverstärktem Beton im Vergleich zu normalem Beton geringer ist, wie in Abb. 12 dargestellt. Im Falle von Beton mit 1 % Faservolumen nimmt die Rissbreite mit abnehmender Belastung ab. Andererseits zeigte die Rissbreite bei 3, 5 und 7% bei der statischen Belastung unterschiedliche Ergebnisse. Es hat sich deutlich gezeigt, dass die Rissbreite bei Normalbeton größer ist als bei allen Faservolumengehalten. Kokosfaserverstärkter Beton kann also die Rissbreite begrenzen. Außerdem führen geschlossene Rissabstände oder eine größere Anzahl von Rissen zu einer geringeren Rissbreite. Der Grund für dieses Verhalten ist, dass der Rissabstand sowohl von der Zugfestigkeit als auch von der Verbundfestigkeit des Betons abhängig ist. Die Abnahme der Zugfestigkeit des Betons ist darauf zurückzuführen, dass die Festigkeit mit dem Anteil des Faservolumens abnimmt und dann die Verbundfestigkeit des Betons sinkt. Wenn die unterschiedlichen Faservolumenprozentsätze dem konventionellen Beton hinzugefügt werden, ist die Rissposition ein kürzerer Abstand für die Zugkraft in der Faser erforderlich, um auf den umgebenden Beton übertragen zu werden, was einen kürzeren Rissabstand impliziert.

Unter Verwendung des Diagramms Belastung (KN) gegen Entfernung (mm) und der Daten wurde die Spannungs-Dehnungskurve sowohl für einfachen als auch für faserverstärkten Beton aufgezeichnet. Abbildung 13 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Normalbeton und faserverstärktem Beton. 11:

Es ist zu beobachten, dass normaler Beton eine höhere Spannung aufweist als der faserverstärkte Beton. Folglich weist der Faservolumenbeton höhere Dehnungswerte auf als der herkömmliche Beton. Das bedeutet, dass Faserbeton keiner größeren Belastung standhalten kann und in den Endstadien der Belastung spröde versagt.

Der Elastizitätsmodul ist die Steigung einer Spannungs-Dehnungskurve. Spannungs-Dehnungs-Kurven sind oft keine geradlinigen Verläufe, was darauf hinweist, dass sich der Elastizitätsmodul mit der Höhe der Dehnung ändert. In diesem Fall wird normalerweise die anfängliche Steigung als Modul verwendet. Der Elastizitätsmodul wird auch als Youngs-Modul bezeichnet. Zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls wurde der Tangens der Spannungs-/Dehnungskurve von glattem und mit Kokosfasern verstärktem Material berechnet. Abbildung 14 zeigt den Elastizitätsmodul von normalem und faserverstärktem Beton. Die Versuchsergebnisse haben auch gezeigt, dass der Elastizitätsmodul von Normalbeton im Vergleich zu faserverstärktem Beton etwas höher ist. Es ist bemerkenswert, dass Beton mit 3 % Faservolumen einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als Beton mit 1 % Faservolumen. Dies ist hauptsächlich auf den geringeren Steifigkeitswert der Kokosfasern im Vergleich zu Kies zurückzuführen. Die Entwicklung der E-Werte von Beton wird durch die Art der groben Gesteinskörnung, die Art des Zements, den w/z-Wert der Mischung, die Größe der Gesteinskörnung und das Aushärtungsalter beeinflusst (Alexander und Milne, 1995). Im Allgemeinen hängt der Elastizitätsmodul von Beton von der Steifigkeit der groben Gesteinskörnung ab. Auch die Grenzfläche zwischen den Gesteinskörnungen und dem Zementleim sowie die elastischen Eigenschaften der Bestandteile beeinflussen den Elastizitätsmodul des Betons.

ZUSAMMENFASSUNG

In dieser Studie wurden die Ergebnisse eines Versuchsprogramms zur Untersuchung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Stahlbeton mit unterschiedlichen Volumenanteilen an Kokosfasern vorgestellt. Auf der Grundlage der experimentellen Ergebnisse und Beobachtungen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

HINWEISE

Diese Studie wurde im Heavy Structures Laboratory durchgeführt, School of Computing, IT and Engineering, University of East London, UK und School of Civil Engineering, Linton University College, Legenda Education Group, Malaysia durchgeführt. Die Autoren danken den Technikern des Labors für ihre Unterstützung bei der Herstellung und Prüfung der Proben.