TIIVISTELMÄ

Tällä hetkellä on suurta kiinnostusta kehittää tekniikkaa, jolla luonnonkuitumateriaaleja käytetään sementtikomposiiteissa. Luonnonkuituja on kohtuullisen suuria määriä kaikkialla maailmassa, ja useimmissa kehitysmaissa tuotetaan luonnollisia kasvikuituja. Luonnonkuituja on käytetty epäorgaanisten materiaalien lujittamiseen tuhansia vuosia. Esimerkkeinä voidaan mainita olki tiiliä, mutaa ja paaluja, kipsiä ja kaislaa varten. Tällä vuosisadalla sementtihiekkapohjaisissa tuotteissa on käytetty myös muita kuituja, kuten kookospähkinää, bambua, puun selluloosakuituja, villaa tai haketta, sänkikuituja, lehtikuituja, siemen- ja hedelmäkuituja (Gram, 1983; Paramasivam ym, 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). Kuidut voidaan luokitella joko luonnonkuituihin tai tekokuituihin, ja luonnonkuidut jaetaan edelleen eri ryhmiin (Fordos, 1989; Kelly-Yong et al., 2011; Feng et al., 2011). Luonnonkuitujen käyttöä raudoituksena betonissa (sementti-hiekka-matriisi) on tutkittu kattavasti monissa maissa (Rehsi, 1991; Atnaw et al., 2011) Luonnonkuituvahvisteisia materiaaleja, joita voidaan käyttää rakennusmateriaalien valmistuksessa, ovat tällä hetkellä lähinnä kookos-, bambu-, ruoko, henequen- ja sisal-kuituun perustuvat luonnonkuituvahvisteiset materiaalit (Dawood ja Ramli, 2011; Hamid et al., 2011). Tärkeimmät syyt luonnonkuitujen käyttöön ovat, että niitä on runsaasti saatavilla ja ne ovat verrattain halpoja. Luonnonkuitukomposiittien väitetään myös tarjoavan ympäristöetuja, kuten vähäisempi riippuvuus uusiutumattomista energialähteistä/materiaalilähteistä, alhaisemmat epäpuhtauspäästöt, alhaisemmat kasvihuonekaasupäästöt, parempi energian talteenotto ja komponenttien biologinen hajoavuus käyttöiän loppuvaiheessa (Joshi, 2003; Majeed, 2011; Hamzah et al., 2010). Luonnonkuitubetonista valmistettujen kattolevyjen valmistusmenetelmä kehitettiin nopeasti ja levitettiin Keski-Amerikan, Afrikan ja Aasian maihin muun muassa Isossa-Britanniassa toimivan IT Building Materials Workshopin kautta. Menetelmää, jossa sementti- tai betonituotteita vahvistetaan luonnonkuiduilla, kuten kookoskuidulla, sisalilla ja juutilla, on sovellettu ainakin 28 maassa. Kun näitä kuituja yhdistetään sementtimatriisiin, kuituja hyödynnetään kahdella tavalla. Toisaalta kuitu tuoreessa betonissa mahdollistaa tuotteen muotoilun yksinkertaisella tavalla. Toisaalta kuitu lisää materiaalin sitkeyttä niin, että tuote kestää käsittelyä ja rakenteellista kuormitusta.

Kookoskuidut ovat kookosöljyn jalostuksessa syntyviä maatalouden jätetuotteita, joita on saatavilla suuria määriä maailman trooppisilla alueilla, erityisesti Afrikassa, Aasiassa ja Amerikassa. Kookoskuituja ei yleisesti käytetä rakennusteollisuudessa, vaan ne usein dumpataan maatalousjätteenä. Kehitysmaiden maaseutu- ja kaupunkiväestön pyrkiessä saamaan kohtuuhintaisia asuntoja on kuitenkin esitetty erilaisia suunnitelmia, joissa keskitytään perinteisten rakennusmateriaalien kustannusten alentamiseen. Yksi etualalla olevista ehdotuksista on ollut vaihtoehtoisten, ei-tavanomaisten paikallisten rakennusmateriaalien hankinta, kehittäminen ja käyttö, mukaan lukien mahdollisuus käyttää joitakin maatalousjätteitä ja -jäännöksiä korvaamaan osittain tai kokonaan tavanomaisia rakennusmateriaaleja. Maissa, joissa maatalousjätteitä syntyy runsaasti, näitä jätteitä voidaan käyttää potentiaalisena materiaalina tai korvaavana materiaalina rakennusteollisuudessa (Olanipekun et al., 2006; Nor et al., 2010). Yksi tällainen vaihtoehto on kookoskuitu, jota tuotetaan runsaasti ja jota voidaan käyttää korvaavana karkeana kiviaineksena betonissa (Adeyemi, 1998, Zain et al., 2010). Tehtaissa syntyy valtava määrä kookoskuitujätettä. Nykyinen jätteiden hävittämiskäytäntö, joka on jätteiden polttaminen teollisuudessa, on yleensä hallitsematon ja edistää merkittävästi ilmakehän saastumista. Näin ollen näiden jätteiden hävittäminen ympäristömääräysten vaatimusten mukaisesti tulee kalliiksi. Tällaisessa tilanteessa näiden sivutuotteiden käyttöä pyritään parantamaan kehittämällä lisäarvotuotteita. Yksi tapa hävittää nämä jätteet olisi kookoskuitujen hyödyntäminen rakentavissa rakennusmateriaaleissa. Öljypalmun kuori (OPS) on kova endokarppi, joka ympäröi palmun ydintä.

Kuitubetonimateriaalien ymmärtämiseksi ja soveltamiseksi tehdään edelleen laajaa tutkimus- ja kehitystyötä eri puolilla maailmaa. Tähän toimintaan kuuluu muun muassa uusien, vahvempien kuitujen, parempien kuituvahvisteisten komposiittien ja uusien korvaavien materiaalien kehittäminen (Fordos, 1989). Kookoskuiduilla vahvistettujen polyesterikomposiittien mekaaniset ominaisuudet Mulinari et al. (2011). Tässä työssä määritettiin kookoskuitujen kemiallinen modifiointi emäskäsittelyllä, jotta niitä voitaisiin käyttää polyesterihartsin lujitteena. Mekaanisia ominaisuuksia arvioitiin veto- ja väsytyskokeilla. Murtuneiden näytteiden pinnat tutkittiin murtumismekanismien arvioimiseksi. Koetulokset osoittivat komposiittien väsymiskestävyyden pienenevän, kun niihin kohdistettiin suurempi jännitys, mikä johtui sidosrajapinnasta, joka ei ollut riittävä.

Gunasekaran ja Kumar (2008) ovat tutkineet mahdollisuuksia käyttää kookoskuorta kiviaineksena betonissa. Tulokset osoittivat, että kookoskuoren aggregaatin vedenimukyky oli suuri, noin 24 %, mutta murskausarvo ja iskunkestävyys olivat verrattavissa muihin kevyisiin aggregaatteihin. He havaitsivat, että kookoskuoren kiviainesta käyttävän betonin keskimääräinen tuoreen betonin tiheys oli 1975 kg m-1 ja 28 päivän kuution puristuslujuus 19,1 N mm-1. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että murskatut kookospähkinänkuoret soveltuvat, kun niitä käytetään tavanomaisten kiviainesten korvikkeena kevytbetonin valmistuksessa.

Olanipekun et al. (2006) aiemmassa tutkimuksessa on osoitettu, että kookospähkinänkuori soveltuu tavanomaisten kiviainesten korvikkeeksi rakenteellisen betonin valmistuksessa. Tulokset osoittivat myös, että kookoskuorista valmistetun betonin kustannukset alenevat 30 %. Sen lisäksi, että kookoskuorta käytetään kuitukattomateriaalin valmistuksessa, ei ole kiinnitetty vakavasti huomiota muuhun mahdollisuuteen käyttää kookoskuitua kiviaineksena betonin valmistuksessa. Adeyemi (1998) tutki kuitenkin yhdellä sekoitussuhteella (1:2:4) kookoskuidun soveltuvuutta joko hienon tai karkean kiviaineksen korvikkeeksi betonin valmistuksessa. Siinä tutkittiin, että kookoskuidut soveltuivat paremmin alhaisen lujuuden antavaksi kevyeksi kiviainekseksi, kun niitä käytettiin korvaamaan tavallista karkeaa kiviainesta betonin valmistuksessa. Kookoskuitu on kovaa kivistä endokarppia, mutta kevyttä ja luonnollisen kokoista. Orgaanista alkuperää olevien jäykkien pintojen vuoksi ne eivät saastuta tai huuhtoutu tuottaen myrkyllisiä aineita, kun ne ovat sitoutuneet betonimatriisiin. Lisäksi kookoskuidut ovat kevyempiä kuin perinteinen karkea kiviaines, joten lopputuloksena syntyvä betoni on kevyttä. Siksi sitä voidaan käyttää hyvänä karkean kiviaineksen korvikkeena rakenteellisen betonin valmistuksessa rakennusteollisuudessa.

Tässä tutkimuksessa raportoitiin tulokset tutkimuksesta, joka tehtiin hienonnettujen kookoskuitukomposiittien hyödyntämisestä betonissa tavanomaisen karkean kiviaineksen korvikkeena. Tavallisen betonin fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia verrataan myös kookoskuitukomposiitista valmistettuun betoniin. Päätavoitteena oli kannustaa käyttämään näitä näennäisiä jätetuotteita rakennusmateriaaleina edullisissa asunnoissa ja siellä, missä murskatut kivet ovat kalliita kevytbetonin valmistuksessa. Tarkoituksena oli myös kannustaa asuntorakentajia investoimaan talonrakentamiseen, jossa käytetään näitä edullisia materiaaleja.

MATERIAALIT JA MENETELMÄT

Materiaalitutkimukset
Kookoskuidut: Kookoskuidut kerättiin Sri Lankasta peräisin olevasta kaupasta. Se saatiin tehtaassa tapahtuneen öljyn uuttamisen jälkeen kookospähkinän hedelmän ulkokehästä. Kuoret pestiin kunnolla ja kuivattiin ilmassa viisi päivää huoneenlämmössä, minkä jälkeen ne luokiteltiin ASTM C330 (2009) -standardin mukaisesti. Kuidut pilkottiin terävillä saksilla, joiden pituus oli 15-35 mm. Pilkotut kuidut kuivattiin uunissa 80 °C:ssa 5 tunnin ajan ja käytettiin eksikaattoreita jäähdyttämiseen. Pilkotuista kuiduista määritettiin kuitujen pituus, halkaisija, paksuus, luonnollinen kosteus, vedenimukyky ja tiheys.

Aggregaatit: Murskatun graniitin muodossa oleva karkea kiviaines kerättiin vulkaanisesta alkuperästä. Käytetty raekoko vaihtelee välillä 5-20 mm. Hienona kiviaineksena käytettiin jokihiekkaa, jota käytettiin betonin sekoittamiseen ASTM-standardin C33 (2006) mukaisesti. Kaikki hiukkaset läpäisivät ASTM:n seulan nro 4 aukon 4,75 mm, mutta jäivät seulaan nro 230, aukko 63 μm.

Sementti ja vesi: Betonin sekoittamiseen käytettiin tavallista portlandsementtiä, jonka ominaisuudet täyttävät ASTM:n tyypin I vaatimukset, ja vesi kerättiin laboratorion telineestä.

Koekappaleiden valmistelu: Sekä tavallisesta että kookoskuituvahvisteisesta betonista valettiin 100x100x100 mm:n kokoiset betonikuutiot ja 100x100x300 mm:n kokoiset prismat betonin eri ominaisuuksien määrittämistä varten. Koekappaleiden valamiseen käytettiin tavallisen portlandsementin, jokihiekan, murskatun kiven ja kookoskuidun sekoitussuhteita 1:2:3 painon mukaan. Vesi/sementtisuhteena käytettiin 0,4. Vesi/sementtisuhde pidettiin vakiona kaikissa kuitujen eri tilavuusprosenteissa. Betonin nopeaan kovettumiseen käytettiin myös tiivistepakkaseksi nimettyä liimaa. Tiivistyshuurretta käytettiin 70 grammaa 1 kilogrammaa sementtiä kohti. Koekappaleiden valmistuksessa sekoitettiin ensin hiekka ja sementti kunnolla koneessa, minkä jälkeen lisättiin murskattuja kiviä. Kuituvahvisteisen betonin tapauksessa seokseen lisättiin myös kuituja, joita kutsutaan esisekoitusmenetelmäksi. Kaikki ainesosat sekoitettiin kunnolla betoniseoskoneen avulla. Tuoreen betonin työstettävyys tutkittiin välittömästi betonin lopullisen sekoituksen jälkeen murtumakokeen avulla. Tiivistämiseen käytettiin vasaraa ja tärytintä tyhjätilan välttämiseksi. Kuutiot ja prismat valettiin täyttämällä kukin muotti kolmessa kerroksessa; kukin kerros tiivistettiin normaalisti 25 iskulla halkaisijaltaan 16 mm:n terästangolla ennen seuraavan kerroksen valamista, ja prismoissa käytettiin täryttimiä. Kookoskuitubetonilla saavutettiin 54 mm:n ja kookoskuitubetonilla 38 mm:n notkeusarvot, jotka edustavat hyvää ja keskinkertaista työstettävyyttä. Kaikkien koekappaleiden annettiin jähmettyä muoteissa 24 tuntia huoneenlämmössä. Ne poistettiin muotista ja siirrettiin kovettumissäiliöön. Kovettumislämpötila oli 30 ± 2 °C. Betoniseokset ja koekappaleet valmistettiin standardien ASTM C330 (2009), ASTM C469, (1987) ja BS 8110-1 määräysten mukaisesti.

Puristuslujuuskoe: Kookoskuituvahvisteisen betonin puristuslujuuden määrittämiseen käytettiin kahta erityyppistä yleistestauskonetta. Avery Denison -testauskone on valmistettu Yhdistyneessä kuningaskunnassa. Tämän koneen kuormitusnopeus on 10-3000 kN min-1. Kokeet tehtiin tällä koneella, jonka kuormitusnopeus oli 136 KN min-1. Kone on kalibroitava kerran vuodessa. Dartec-testauskonetta käytettiin myös kookoskuituvahvisteisen betonin puristuslujuuden määrittämiseen. Tällä laitteella voidaan piirtää automaattisesti kuvaaja kuorman ja etäisyyden välisestä riippuvuudesta. Annetusta kuvaajasta tai tiedoista on mahdollista laatia tietyn näytteen jännitys-venymäkuvaaja. Tämän koneen kuormituskapasiteetti on enintään 500 KN. Tämän koneen puristusnopeus on 0,00015-2,0 mm sek-1. Koe on tehty tällä koneella, jonka puristusnopeus on 0,00015 mm sek-1. Tavallisen ja kookoskuituvahvisteisen betonin puristuslujuuskoe suoritettiin murtokuormituksen, puristuslujuuden, halkeamien lukumäärän sekä niiden pituuden ja leveyden selvittämiseksi ja lopuksi jännitys-venymäsuhteen havaitsemiseksi. Staattinen kuormituskoe tehtiin DARTEC-testauslaitteella. Kokeellinen puristuslujuuskoe tehtiin laboratoriossa kuvan 1 mukaisesti.

Pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM): Pyyhkäisyelektronimikroskooppia käytettiin kuitujen paksuuden ja poikkileikkauksen määrittämiseen. SEM pystyy tuottamaan näytteen pinnasta korkean resoluution kuvia. SEM pystyy erottamaan paljon pienempiä piirteitä kuin tavallinen mikroskooppi, jopa lähes 2 nanometriä. Klassisessa pyyhkäisyelektronimikroskoopissa (Scanning Electron Microscope, SEM) elektronit emittoituvat termisesti volframi- tai lantaaniheksaboridikatodista (LaB6) ja kiihdytetään kohti anodia. Vaihtoehtoisesti elektronit voidaan emittoida kenttäemissiolla (Field Emission, FE). Volframia käytetään, koska sillä on kaikista metalleista korkein sulamispiste ja alhaisin höyrynpaine, minkä ansiosta sitä voidaan lämmittää elektroniemissiota varten. Kun primaarinen elektronisuihku on vuorovaikutuksessa näytteen kanssa, elektronit menettävät energiaa toistuvalla sironnalla ja absorptiolla näytteen pisaranmuotoisessa tilavuudessa, jota kutsutaan vuorovaikutustilavuudeksi ja joka ulottuu alle 100 nm:n etäisyydeltä noin 5 μm:n etäisyydelle pinnasta.

Kookoskuidun vetolujuuskoe: Kookoskuidun vetolujuuden määrittelemiseksi käytettiin Hounsfieldin vetolujuuskoetta. Tämä laite voi piirtää automaattisesti kuorman ja venymän välisen kuvaajan. Annetuista tiedoista voidaan määrittää kookoskuitujen jännitys ja venymä murtumiseen asti. Kookoskuitujen vetolujuuskoe suoritettiin, jotta voitiin tutkia kuitujen käyttäytymistä vetokuormituksen alaisena, kuitujen enimmäisvenymää vetokuormituksen alaisena ja murtumispistettä. Kokeessa käytettiin Hounsfieldin vetokoetta. Täydellisen testauksen jälkeen tämä laite voi piirtää automaattisesti kuvaajan Kuormitus vs. venymä. Kuormitus-venymä -tiedoista saadaan jännityksen ja venymän arvo seuraavasti:

Vetolujuuskokeessa testattiin neljää eripaksuista kuitua. Kuidut sovitettiin vetokoekoneen leukoihin, joiden mittapituus (kuidun vapaa pituus leuasta toiseen) oli 35 mm. Kun kuidut oli sovitettu tiukasti leukoihin, kone aloitti testin etenemisen. Yleensä leuat vetävät kuitua kahteen vastakkaiseen suuntaan. Kuitu katkeaa automaattisesti, kun se on saavuttanut lopullisen laajenemiskykynsä. Kohta, jossa kuitu murtuu, tunnetaan murtumispisteenä. Kaikki testit tehtiin nopeudella 15 mm min-1.

TULOKSET JA KESKUSTELU

Kookoskuidun fysikaalinen rakenne: Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvausta (SEM) käytettiin kookoskuitujen fysikaalisen muodostumisen havainnointiin. Kuvissa 2-4 esitetään SEM-kuva kuitukimpusta, kuitujen pinnasta ja kuitujen poikkileikkauksesta.

Kuvasta 2 on havaittu, että yleensä avoimin silmin katsottuna kuituun on lopulta kiinnittynyt 5/6 yksittäistä kuitua. Kuvan 2 vasemmassa reunassa näkyi yksittäinen kuitu, jota on 5-6 kertaa vähemmän kuin muita kuituja. Lisäksi on havaittu, että kookoskuitujen pinta ei ole sileä (ks. kuva 3). Matriisissa se voi siis muodostaa vahvan sidoksen muiden materiaalien kanssa. Kuidun poikkileikkauksessa on selvästi nähtävissä reikä sen keskellä ja pieniä reikiä sen ympärillä, kuten kuvassa 4 on esitetty. On karkeasti arvioitu, että kuitujen yksittäiseen poikkileikkaukseen verrattuna 15-20 prosenttia kuiduista on reikiä.

Kuitujen fysikaaliset ominaisuudet
Kookoskuitujen pituus: Yleensä kookoskuitujen luonnolliset pituudet ovat 60-230 mm. Kuitujen pituudet mitattiin teräsviivaimella ja 30 kappaletta valittiin satunnaisesti kookoskuitujen pituuden selvittämiseksi. Tässä tutkimuksessa käytettiin kuitenkin pilkottuja kookoskuituja, joiden koko oli 15-35 mm.

Kookoskuidun halkaisija: Kookoskuidun halkaisijan määrittämiseksi käytettiin mikrometriä, jonka tarkkuus oli 0,01 mm. Havaittiin, että kookoskuitujen halkaisija on 0,17-0,24 mm.

Kookoskuitujen luonnollinen kosteus: Luonnollisen kosteuden määrittämiseksi kuituja kuivattiin ensin avoilmassa 5 päivän ajan ja sitten samoja kuituja kuivattiin uunissa 80 °C:n lämpötilassa 5 h. Kuitujen paino mitattiin elektronisella penkkivaakakoneella 0,01 g:n tarkkuudella. Luonnollinen kosteus H laskettiin yhtälön 1 avulla, ja todettiin, että kookoskuitujen luonnollinen kosteus on 12,2 %. Voidaan havaita, että kosteusprosentit ovat lähes samanlaisia erityyppisille kookoskuitunäytteille:

joissa Wd ja WO ovat ilmakuivattujen kuitujen ja uunikuivattujen kuitujen painot.

Veden absorptio: Sekoitettaessa ja kuivattaessa matriisia kuidut imevät vettä ja laajenevat. Kuitujen turpoaminen työntää betonia pois ainakin mikrotasolla. Kuivausprosessin lopussa kuidut menettävät kosteutta ja kutistuvat takaisin lähes alkuperäisiin mittoihinsa jättäen ympärilleen hyvin hienoja onteloita. Vedenimukyky W laskettiin yhtälön 2 avulla:

jossa Wsw ja Wad ovat vastaavasti juomavedessä liotettujen kuitujen paino ja ilmakuivattujen kuitujen paino. Mittaukset suoritettiin 24 tunnin välein 7 päivän ajan. Kokeelliset tiedot ovat osoittaneet, että kookoskuidun veden imeytyminen on suurimmillaan ensimmäisen 24 tunnin aikana ja kasvaa aina 120 tuntiin asti.

120 h kuluttua kuitu on täysin kyllästynyt, ja tämä tila jatkuu viimeiseksi, kuten kuvassa 5 on esitetty.

Kuidun tiheys: Kunkin kuidun tiheys on tärkeä parametri. Komposiittimateriaaleissa kuidun tiheydellä on merkittävä vaikutus. Kuidun paino komposiittimatriisissa riippuu kuidun tiheydestä. Kookoskuidun tiheys ρf laskettiin yhtälön 3 avulla, ja todettiin, että kookoskuidun tiheys on 1,18 g cm-3. Havaittiin, että kookoskuitujen tiheydet ovat lähes samat erityyppisissä näytteissä:

joissa mf on kuidun massa, mw on veden massa, mw* on veden massa vähennettynä kuidun tilavuudella, ρw on veden tiheys.

Kuidun mekaaniset ominaisuudet
Kookoskuidun vetolujuus: Kookoskuidun vetolujuuskoe suoritettiin, jotta voitiin tutkia kuidun käyttäytymistä vetokuormituksen alaisena, kuitujen enimmäisvenymää vetokuormituksen alaisena ja murtumispistettä. Kokeessa käytettiin Hounsfieldin vetokoetta. Otettiin neljä eripaksuista kuitua ja saatiin seuraavat tulokset, jotka on esitetty taulukossa 1. Kuvissa 6 ja 7 esitetään kookoskuitujen kuorman ja pidennyksen välinen riippuvuus näytteiden 2 ja 3 osalta.

Kokeelliset tiedot ovat osoittaneet, että kookoskuitujen keskimääräinen lujuus on 19,51 MPa ja murtovenymä on 2,83. Lisäksi havaittiin, että lujuus ja murtovenymä eivät riipu kuidun pinta-alasta. Mitä suurempi kuitupinta-ala on, sitä suurempi lujuus ja murtovenymä ei aina ole.

Pääasiassa kuidun lujuus riippuu sen ja kemiallisesta koostumuksesta, kuitujen erottumisprosessista, käsittelystä, kosteudesta, lämpötilasta jne.

Tavallisen ja kookoskuituvahvisteisen betonin tiheys: Tavallisen ja kuituvahvisteisen betonin paino ja tilavuus mitattiin ennen puristuslujuuskoetta. Kunkin betonin saatu paino jaettiin sen tilavuudella tiheyden määrittämiseksi. Kuvassa 8 esitetään tavallisen ja kuituvahvisteisen betonin tiheys. Koetulokset osoittavat, että tavallisen betonin tiheys on suurempi kuin kuituvahvisteisen betonin. On myös havaittu, että betonin tiheys on pienentynyt, kun kookoskuitujen tilavuus on kasvanut tavanomaisen karkean kiviaineksen tilavuuden kasvaessa, kuten kuvassa 8 on esitetty.

Vertailu tavallisen ja kuituvahvisteisen betonin ominaisuuksista: Tavallista ja kuituvahvistettua betonia kuormitettiin staattisella kuormituksella, jotta saatiin selville eri kuitutilavuuden betonin murtopuristuslujuus, kuten kuvassa 9 esitetään. Halkeamien lukumäärä, pituus ja leveys mitattiin myös sekä tavallisesta että kookoskuituvahvisteisesta betonista sen jälkeen, kun sitä oli kuormitettu staattisella kuormituksella, kuten kuvissa 10-12 esitetään. Myös tavallisen betonin ja kookoskuituvahvisteisen betonin jännitys-venymäsuhde ja kimmomoduuli on esitetty kuvissa 13 ja 14.

Kokeiden tuloksista (kuva 9) havaittiin, että puristuslujuus laski vähitellen kuitujen tilavuusprosentin kasvaessa tavanomaisessa betonissa. Tavanomaisella betonilla, jossa kuitutilavuusprosentti on 0 %, on korkeimmat puristuslujuusarvot määritellyllä sekoitussuhteella. Kuituvahvisteisen betonin halkeamien lukumäärän, pituuden ja leveyden osalta betoni käyttäytyi optimistisesti tavalliseen betoniin verrattuna. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että betonin lujuus riippuu karkean kiviaineksen lujuudesta, jäykkyydestä ja tiheydestä. Yleensä alhaisempi tiheys aiheuttaa alhaisemman lujuuden. Suurempi kookoskuitujen tilavuusprosentti alentaa betonin tiheyttä ja antaa siten pienemmän puristuslujuuden.

Halkeamien lukumäärä, pituus ja leveys mitattiin sekä tavallisesta että kookoskuituvahvisteisesta betonista sen jälkeen, kun sitä oli kuormitettu staattisella kuormituksella. Halkeamat laskettiin niihin pintoihin, joihin kehittyi enemmän kuin muihin pintoihin. Kokeelliset tiedot osoittivat, että halkeamien kehittyminen on vähäisempää kuituvahvisteisessa betonissa. Seitsemän prosenttia kuituvahvisteisesta betonista on kehittänyt vähiten halkeamia muista kuituvahvisteisista betoneista. Kuvassa 10 esitetään halkeamien lukumäärä tavallisessa betonissa ja eri kuitutilavuusprosentteihin perustuvassa betonissa. Tavallisessa betonissa on enemmän halkeamia kuin kuituvahvisteisessa betonissa. Yleensä betonissa syntyy halkeamia, kun jännitys saavuttaa betonin murtumismoduulin. Kaikissa näytteissä halkeama ilmestyi betonikuutioiden keskimmäiseen korkeusasemaan. Halkeamien pystysuora kuvio osoittaa, että ne olivat taivutushalkeamia. Kokeesta käy ilmi, että tavallisen betonin halkeamaväli oli suurin ja sitten raudoitetun betonin eri kuitutilavuusprosenttien välillä.

Kokeelliset tiedot ovat osoittaneet, että halkeaman pituus on pienempi kuituvahvisteisessa betonissa kuin tavallisessa betonissa. Halkeaman pituuden ja kuormituksen luonteen välillä on lineaarinen yhteys. Kaikkien betonien osalta on havaittu, että halkeaman pituus on suurempi, kun staattinen kuormitus on 80 %. Näin ollen kookoskuituvahvisteinen betoni voi rajoittaa halkeaman pituutta. Halkeamien pituus tavallisessa ja kuituvahvisteisessa betonissa on esitetty kuvassa 11.

Kokeelliset tiedot ovat osoittaneet, että halkeaman leveys on pienempi kuituvahvisteisessa betonissa kuin tavallisessa betonissa, kuten kuvassa 12 on esitetty. 1 % kuitutilavuutta sisältävän betonin tapauksessa halkeaman leveys pienenee kuormituksen pienentyessä. Toisaalta halkeaman leveys 3, 5 ja 7 prosentissa oli erilainen staattisessa kuormituksessa. On selvästi käynyt ilmi, että tavallisen betonin leveys on suurempi kuin kaikkien kuitupitoisuuksien. Kookoskuituvahvisteinen betoni voi siis rajoittaa halkeaman leveyttä. Lisäksi suljetut halkeamat tai suurempi määrä halkeamia johtaa pienempään halkeaman leveyteen. Tämä johtuu siitä, että halkeamaväli on sekä betonin vetolujuuden että sidoslujuuden funktio. Betonin vetolujuuden aleneminen johtuu kuitujen tilavuusprosentin osuuden aiheuttamasta lujuuden alenemisesta ja sen jälkeen betonin sidoslujuuden alenemisesta. Kun eri kuitujen tilavuusprosentti lisätään tavanomaiseen betoniin, niin halkeaman sijaintiin tarvitaan lyhyempi matka, jotta kuidun vetovoima siirtyy takaisin ympäröivään betoniin, mikä merkitsee lyhyempää halkeamaväliä.

Käyttämällä kuorman (KN) vs. etäisyyden (mm) kuvaajaa ja dataa piirrettiin jännitys-muodonmuutos-käyrä sekä tavalliselle että kuituvahvisteiselle betonille. Kuvassa 13 esitetään tavallisen ja kuituvahvisteisen betonin jännitys-muodonmuutos-suhde.

Havainnoista voidaan havaita, että tavallisella betonilla on korkeampi jännitys kuin kuitumäärään sekoitetulla betonilla. Näin ollen kuitutilavuusbetoni osoittaa suurempia jännitysarvoja kuin tavanomainen betoni. Se merkitsee, että kuitutilavuusbetoni ei kestä suurempaa kuormitusta ja osoittaa haurasta murtumista kuormituksen loppuvaiheessa.

Kimmomoduuli on jännitys-muodonmuutos-käyrän kaltevuus. Jännitys-venymäkäyrät eivät useinkaan ole suoraviivaisia kuvaajia, mikä osoittaa, että moduuli muuttuu venymän suuruuden mukaan. Tällöin moduulina käytetään yleensä alkuperäistä kaltevuutta. Kimmomoduulia kutsutaan myös nimellä Youngsin moduuli. Kimmomoduulin määrittämiseksi laskettiin tavallisen ja kookoskuituvahvisteisen materiaalin jännitys-venymäkäyrän tangentti. Kuvassa 14 esitetään tavallisen ja kuituvahvisteisen betonin kimmomoduuli. Kokeelliset tulokset ovat myös osoittaneet, että tavallisen betonin kimmomoduuli on hieman korkeampi kuin kuituvahvisteisen betonin. On huomattavaa, että 3 prosentin kuitutilavuuden betonilla on suurempi kimmomoduuli kuin 1 prosentin kuitutilavuuden betonilla. Tämä johtuu pääasiassa kookoskuitujen pienemmästä jäykkyydestä soraan verrattuna. Betonin E:n arvojen kehittymiseen vaikuttavat karkean kiviaineksen tyyppi, sementin tyyppi, seoksen w/c-suhde, kiviaineksen koko ja kovettumisikä (Alexander ja Milne, 1995). Yleisesti ottaen betonin kimmokerroin riippuu karkean kiviaineksen jäykkyydestä. Myös kiviaineksen ja massan välinen rajapintavyöhyke sekä komponenttimateriaalien elastiset ominaisuudet vaikuttavat betonin kimmomoduuliin.

yhteenveto

Tässä tutkimuksessa esiteltiin tulokset kokeellisesta ohjelmasta, jossa tutkittiin eri tilavuusprosentteina kookoskuitua sisältävän teräsbetonin fysikaalisia ja mekaanisia ominaisuuksia. Kokeellisten tulosten ja havaintojen perusteella voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset:

–

LÄHTEET

Tutkimus suoritettiin Raskaiden rakenteiden laboratoriossa, School of Computing, IT and Engineering, University of East London, Iso-Britannia ja School of Civil Engineering, Linton University College, Legenda Education Group, Malesia, ja kirjoittajat haluavat kiittää laboratorion teknikkoja avusta näytteiden valmistuksessa ja testauksessa.