INTRODUCTION

There is currently a great deal of interest in developing the technology for using natural fibre materials in cement composites. Włókna naturalne występują w stosunkowo dużych ilościach na całym świecie, a naturalne włókna roślinne są produkowane w większości krajów rozwijających się. Włókna naturalne są stosowane do wzmacniania materiałów nieorganicznych od tysięcy lat. Przykłady obejmują słomę do wyrobu cegieł, błoto i słupy, gips i trzcinę. W tym stuleciu inne włókna, takie jak kokos, bambus, włókna celulozy drzewnej, wełna lub wióry, włókna łykowe, włókna liściowe, włókna nasion i owoców były używane w produktach na bazie cementu i piasku (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). Włókna mogą być klasyfikowane jako naturalne lub wytworzone przez człowieka, a włókna naturalne dzielą się dalej na różne grupy (Fordos, 1989; Kelly-Yong et al., 2011; Feng et al., 2011). Zastosowanie włókien naturalnych jako zbrojenia w betonie (matryca cementowo-piaskowa) zostało wszechstronnie zbadane w wielu krajach (Rehsi, 1991; Atnaw et al., 2011). Materiały zbrojone włóknami naturalnymi, które mogą być stosowane w produkcji materiałów budowlanych, to obecnie głównie te oparte na włóknach kokosowych, bambusowych, trzcinowych, henekenowych i sizalowych (Dawood i Ramli, 2011; Hamid et al., 2011). Głównym powodem stosowania włókien naturalnych jest ich duża dostępność i stosunkowo niska cena. Twierdzi się również, że kompozyty z włókien naturalnych oferują korzyści środowiskowe, takie jak zmniejszona zależność od nieodnawialnych źródeł energii/materiałów, niższa emisja zanieczyszczeń, niższa emisja gazów cieplarnianych, zwiększony odzysk energii i biodegradowalność komponentów po zakończeniu cyklu życia (Joshi, 2003; Majeed, 2011; Hamzah et al., 2010). Odpowiednia metoda produkcji blach dachowych z betonu z włóknami naturalnymi została szybko opracowana i rozpowszechniona w krajach Ameryki Środkowej, Afryki i Azji przez IT Building Materials Workshop w Wielkiej Brytanii i innych. Metoda polegająca na wzmacnianiu wyrobów cementowych lub betonowych włóknami naturalnymi, takimi jak włókna kokosowe, sizalowe i jutowe, została zastosowana w co najmniej 28 krajach. Przy łączeniu tych włókien z matrycą cementową włókna są wykorzystywane na dwa sposoby. Z jednej strony, włókna w świeżym betonie umożliwiają proste formowanie produktu. Z drugiej strony, włókna zwiększają wytrzymałość materiału tak, że produkt może wytrzymać przenoszenie i obciążenie strukturalne.

Włókna kokosowe są rolniczymi produktami odpadowymi otrzymywanymi w procesie przetwarzania oleju kokosowego i są dostępne w dużych ilościach w tropikalnych regionach świata, zwłaszcza w Afryce, Azji i Ameryce. Włókno kokosowe nie są powszechnie stosowane w przemyśle budowlanym, ale często są wyrzucane jako odpady rolnicze. Jednak w związku z dążeniem do stworzenia przystępnego cenowo systemu mieszkaniowego zarówno dla ludności wiejskiej, jak i miejskiej w krajach rozwijających się, zaproponowano różne rozwiązania mające na celu obniżenie kosztów konwencjonalnych materiałów budowlanych. Jedną z wiodących propozycji jest pozyskiwanie, rozwój i wykorzystanie alternatywnych, niekonwencjonalnych lokalnych materiałów budowlanych, w tym możliwość wykorzystania niektórych odpadów i pozostałości rolniczych jako częściowego lub całkowitego zastąpienia konwencjonalnych materiałów budowlanych. W krajach, w których występują duże ilości odpadów rolniczych, odpady te mogą być wykorzystywane jako potencjalny materiał lub materiał zastępczy w budownictwie (Olanipekun i in., 2006; Nor i in., 2010). Jedną z takich alternatyw jest włókno kokosowe, produkowane w dużych ilościach ma potencjał do wykorzystania jako zastępcze kruszywo grube w betonie (Adeyemi, 1998, Zain et al., 2010). Ogromna ilość odpadów włókna kokosowego, które są produkowane w fabrykach. Obecna praktyka utylizacji odpadów, polegająca na ich spalaniu w przemyśle, odbywa się zwykle w sposób niekontrolowany i przyczynia się w znacznym stopniu do zanieczyszczenia atmosfery. W związku z tym, usuwanie tych pozostałości staje się kosztowne i wymaga spełnienia wymogów przepisów ochrony środowiska. W tej sytuacji, podejmowane są wysiłki w celu poprawy wykorzystania tych produktów ubocznych poprzez rozwój produktów o wartości dodanej. Jednym ze sposobów utylizacji tych odpadów jest wykorzystanie włókna kokosowego do produkcji konstrukcyjnych materiałów budowlanych. Łupina palmy olejowej (OPS) to twardy endokarp otaczający jądro palmy.

Na całym świecie nadal prowadzone są intensywne badania i prace rozwojowe nad zrozumieniem i zastosowaniem materiałów fibrobetonowych. Działania te obejmują m.in. opracowanie nowych, mocniejszych włókien, lepszych kompozytów wzmacnianych włóknami oraz nowych substytutów (Fordos, 1989). Badania właściwości mechanicznych kompozytów poliestrowych wzmacnianych włóknami kokosowymi przeprowadzili Mulinari i wsp. (2011). W pracy tej określono sposób chemicznej modyfikacji włókien kokosowych poprzez obróbkę alkaliczną w celu zastosowania ich jako zbrojenia w żywicy poliestrowej. Właściwości mechaniczne oceniano za pomocą próby rozciągania i próby zmęczeniowej. Zbadano powierzchnie pękniętych próbek w celu oceny mechanizmów pękania. Wyniki badań wykazały spadek trwałości zmęczeniowej kompozytów przy zastosowaniu większych naprężeń, ze względu na wiązanie międzyfazowe, które nie było odpowiednie.

Gunasekaran i Kumar (2008) zbadali możliwości zastosowania skorupy orzecha kokosowego jako kruszywa w betonie. Wyniki wskazały, że absorpcja wody przez kruszywo z łupin orzecha kokosowego była wysoka, około 24%, ale wartość kruszenia i wartość udarności była porównywalna z innymi lekkimi kruszywami. Stwierdzono, że średnia gęstość świeżego betonu i 28-dniowa wytrzymałość na ściskanie kostki w betonie z użyciem kruszywa z łupin orzecha kokosowego wynosiły odpowiednio 1975 kg m-1 i 19,1 N mm-1. Stwierdzono, że pokruszone łupiny orzecha kokosowego są odpowiednie, gdy są stosowane jako substytut konwencjonalnych kruszyw w produkcji betonu lekkiego.

Wcześniejsze badania przeprowadzone przez Olanipekun et al. (2006) wykazały, że łupiny orzecha kokosowego są odpowiednie jako substytut konwencjonalnych kruszyw w produkcji betonu konstrukcyjnego. Wyniki wskazały również na redukcję kosztów o 30% w przypadku betonu produkowanego z łupin orzecha kokosowego. Poza zastosowaniem w produkcji włóknistych materiałów dachowych, inne możliwości wykorzystania włókna kokosowego jako kruszywa w produkcji betonu nie doczekały się poważnego zainteresowania. Jednakże Adeyemi (1998) przeprowadził dla jednego stosunku mieszanki (1:2:4) badanie przydatności włókien kokosowych jako substytutu kruszywa drobnego lub grubego w produkcji betonu. Stwierdzono, że włókna kokosowe są bardziej odpowiednie jako lekkie kruszywo o niskiej wytrzymałości, gdy są stosowane w miejsce zwykłego kruszywa grubego w produkcji betonu. Włókno kokosowe to twardy, kamienny endokarp, ale lekki i naturalnie zwymiarowany. Ze względu na sztywne powierzchnie pochodzenia organicznego, po związaniu w matrycy betonowej nie będą zanieczyszczać ani wypłukiwać substancji toksycznych. Ponadto, włókna kokosowe są lżejsze od konwencjonalnego kruszywa grubego, a więc uzyskany beton będzie lekki. Dlatego może być stosowany jako dobry zamiennik grubego kruszywa do produkcji betonu konstrukcyjnego w przemyśle budowlanym.

W pracy przedstawiono wyniki badania przeprowadzonego na temat wykorzystania kompozytów z siekanych włókien kokosowych w betonie jako zamienników konwencjonalnego kruszywa grubego. Porównano również właściwości fizyczne i mechaniczne zwykłego betonu z betonem z kompozytów z włókien kokosowych. Głównym celem było zachęcenie do wykorzystania tych pozornie odpadowych produktów jako materiałów budowlanych w tanim budownictwie mieszkaniowym oraz tam, gdzie tłuczeń kamienny jest kosztowny do produkcji lekkiego betonu. Oczekiwano również, że posłuży to do zachęcenia deweloperów mieszkaniowych do inwestowania w budowę domów z wykorzystaniem tych tanich materiałów.

MATERIAŁY I METODY

Badania materiałowe
Włókna kokosowe: Włókna kokosowe zebrano ze sklepu, który pochodził ze Sri Lanki. Uzyskano je po ekstrakcji oleju w fabryce z zewnętrznego obrzeża owocu orzecha kokosowego. Skorupy zostały następnie dokładnie umyte i suszone na powietrzu przez pięć dni w temperaturze otoczenia, a następnie klasyfikowane zgodnie z normą ASTM C330 (2009). Włókna pocięto ostrymi nożyczkami, zachowując długość od 15 do 35 mm. Pocięte włókna suszono w piecu w temperaturze 80°C przez 5 godzin, a następnie schładzano w eksykatorach. Posiekane włókna wykorzystano do określenia długości, średnicy, grubości, wilgotności naturalnej, zdolności absorpcji wody i gęstości włókien.

Kruszywa: Kruszywo grube w postaci rozdrobnionego granitu zostało zebrane z surowców pochodzenia iglastego. Wielkość cząstek mieści się w zakresie od 5 do 20 mm. Do mieszanki betonowej użyto piasku rzecznego jako drobnego kruszywa zgodnie z normą ASTM C33 (2006). Wszystkie cząstki przeszły przez sito ASTM nr 4 o otworze 4,75 mm, ale zatrzymały się na sicie nr 230, o otworze 63 μm.

Cement i woda: Do mieszania betonu użyto cementu portlandzkiego zwykłego typu, którego właściwości potwierdzają wymóg ASTM typ I, a wodę pobrano ze stanowiska laboratoryjnego.

Przygotowanie próbek do badań: W celu określenia różnych właściwości betonu odlano kostki betonowe o wymiarach 100x100x100 mm oraz pryzmaty o wymiarach 100x100x300 mm zarówno dla betonu zwykłego jak i zbrojonego włóknem kokosowym. Do wykonania próbek użyto mieszanki w proporcji wagowej 1:2:3 składającej się z cementu portlandzkiego, piasku rzecznego, kruszonego kamienia i włókna kokosowego. Stosunek wody do cementu w mieszance wynosił 0,4. Stosunek wody do cementu utrzymywano na stałym poziomie przy różnym udziale objętościowym włókien. Do szybkiego wiązania betonu użyto również kleju o nazwie seal frost. Na 1 kg cementu zużyto 70 gramów szronu uszczelniającego. Przygotowując próbki, najpierw wymieszano w maszynie piasek z cementem, a następnie dodano pokruszone kamienie. W przypadku betonu zbrojonego włóknami, do mieszanki dodawano również włókna, tzw. metoda premix. Wszystkie składniki mieszano za pomocą maszyny do mieszania betonu. Urabialność świeżego betonu badano bezpośrednio po ostatecznym wymieszaniu betonu za pomocą testu na spadek. Aby uniknąć pustek, do zagęszczania użyto młota i wibratora. Kostki i pryzmaty odlewano wypełniając każdą formę w trzech warstwach; każdą warstwę zagęszczano normalnie 25 uderzeniami stalowego pręta o średnicy 16 mm przed wylaniem następnej warstwy, a do zagęszczania pryzm stosowano wibrator. Dla betonu zwykłego i betonu z włóknami kokosowymi uzyskano odpowiednio 54 i 38 mm wartości granicy plastyczności, co oznacza wysoką i średnią urabialność. Wszystkie próbki pozostawiono w formach na 24 h w celu związania w temperaturze otoczenia. Następnie wyjęto je z formy i przeniesiono do zbiornika do utwardzania. Temperatura utwardzania wynosiła 30±2°C. Mieszanki betonowe i próbki przygotowano zgodnie z wymaganiami norm ASTM C330 (2009), ASTM C469, (1987) i BS 8110-1.

Badanie wytrzymałości na ściskanie: Do określenia wytrzymałości na ściskanie betonu zbrojonego włóknami kokosowymi zastosowano dwa typy uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej. Maszyna wytrzymałościowa Avery Denison produkowana jest w Wielkiej Brytanii. Prędkość obciążania tej maszyny wynosi 10-3000 kN min-1. Eksperymenty przeprowadzono przy użyciu tej maszyny z prędkością obciążania 136 KN min-1. Raz w roku konieczna jest kalibracja tej maszyny. Do określenia wytrzymałości na ściskanie betonu zbrojonego włóknem kokosowym wykorzystano również maszynę wytrzymałościową Dartec. Maszyna ta może automatycznie wykreślać wykres zależności obciążenia od odległości. Z podanego wykresu lub danych możliwe jest wykonanie wykresu naprężenie-odkształcenie dla danej próbki. Nośność tej maszyny wynosi do 500 KN. Prędkość ściskania tej maszyny wynosi od 0.00015 do 2.0 mm sec-1. Eksperyment został przeprowadzony przy użyciu tej maszyny z prędkością ściskania 0,00015 mm sec-1. Badanie wytrzymałości na ściskanie betonu zwykłego i zbrojonego włóknem kokosowym przeprowadzono w celu określenia obciążenia niszczącego, wytrzymałości na ściskanie, liczby pęknięć, ich długości i szerokości oraz obserwacji zależności naprężenie-odkształcenie. Badania statyczne wykonano przy użyciu maszyny wytrzymałościowej DARTEC. Eksperymentalną próbę wytrzymałości na ściskanie przeprowadzono w laboratorium, jak pokazano na Rys. 1.

Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM): Skaningowy mikroskop elektronowy został użyty do określenia grubości i przekroju poprzecznego włókien. SEM jest zdolny do wytwarzania obrazów o wysokiej rozdzielczości powierzchni próbki. SEM może uchwycić znacznie mniejsze cechy niż standardowy mikroskop, do prawie 2 nanometrów. W klasycznym skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), elektrony są termicznie emitowane z wolframu lub lantanu heksaboridu (LaB6) katody i są przyspieszane w kierunku anody alternatywnie, elektrony mogą być emitowane poprzez emisję pola (FE). Wolfram jest używany, ponieważ ma najwyższą temperaturę topnienia i najniższe ciśnienie pary ze wszystkich metali, co pozwala mu być ogrzewane do emisji elektronów. Kiedy pierwotna wiązka elektronów oddziałuje z próbki, elektrony tracą energię przez powtarzające się rozpraszanie i absorpcję w łezkowatej objętości próbki znanej jako objętości interakcji, która rozciąga się od mniej niż 100 nm do około 5 μm w do powierzchni.

Test wytrzymałości na rozciąganie włókna kokosowego: Aby określić wytrzymałość na rozciąganie włókna kokosowego, Hounsfield maszyna do badania wytrzymałości na rozciąganie był używany. Maszyna ta umożliwia automatyczne wykreślanie wykresu zależności obciążenia od wydłużenia. Na podstawie tych danych można wyznaczyć naprężenie i odkształcenie do zniszczenia włókien kokosowych. Przeprowadzono próbę rozciągania włókien kokosowych w celu zbadania zachowania się włókien pod obciążeniem rozciągającym, maksymalnego wydłużenia włókien pod obciążeniem rozciągającym oraz punktu zerwania. Do przeprowadzenia tego eksperymentu użyto maszyny wytrzymałościowej do rozciągania Hounsfielda. Po zakończeniu badań, maszyna ta może automatycznie wykreślić wykres zależności obciążenia od wydłużenia. Na podstawie danych obciążenie-wydłużenie można uzyskać wartości naprężenia i odkształcenia w następujący sposób:

W próbie rozciągania poddano cztery różne grubości włókien. Włókna umieszczano w szczęce maszyny wytrzymałościowej o długości pomiarowej (długość włókna w świetle od jednej szczęki do drugiej) 35 mm. Po szczelnym zamocowaniu włókien w szczęce, maszyna rozpoczynała dalszą część próby. Generalnie szczęki ciągną włókno w dwóch przeciwnych kierunkach. Włókno rozpada się samoczynnie po osiągnięciu swojego ostatecznego rozprężenia. Punkt, w którym włókno się rozpada jest znany jako punkt zerwania. Wszystkie testy zostały wykonane z prędkością 15 mm min-1.

WYNIKI I DYSKUSJA

Struktura fizyczna włókna kokosowego: Skaningowy Mikrograf Elektronowy (SEM) został użyty do obserwacji fizycznego formowania się włókien kokosowych. Rysunki 2-4 przedstawiają zdjęcia SEM odpowiednio wiązki włókien, powierzchni włókien i przekroju poprzecznego włókien.

Z Rys. 2 zaobserwowano, że włókno ogólnie patrząc z otwartymi oczami jest ostatecznie połączone z 5/6 pojedynczych włókien. Po lewej stronie Rys. 2 pokazano pojedyncze włókna, których jest 5 do 6 razy mniej niż innych włókien. Zauważono również, że powierzchnia włókna kokosowego nie jest gładka, patrz rys. 3. Dzięki temu w matrycy może ono tworzyć silne wiązania z innymi materiałami. Na przekroju poprzecznym włókna wyraźnie widać otwór w jego środku oraz małe otwory wokół niego, co ilustruje Rys. 4. Szacuje się, że 15-20% otworów istnieje w porównaniu z pojedynczym przekrojem poprzecznym włókna.

Właściwości fizyczne włókna
Długość włókna kokosowego: Ogólnie, naturalne długości włókien kokosowych wynoszą od 60-230 mm. Długość włókien mierzono za pomocą stalowej linijki i losowo wybierano 30 sztuk w celu ustalenia długości włókna kokosowego. Jednakże w niniejszym badaniu zastosowano cięte włókna kokosowe o wymiarach 15-35 mm.

Średnica włókna kokosowego: Do określenia średnicy włókna kokosowego zastosowano mikrometr z dokładnością do 0,01 mm. Zaobserwowano, że średnica włókna kokosowego wynosi od 0,17-0,24 mm.

Wilgotność naturalna włókna kokosowego: Aby określić wilgotność naturalną, włókna najpierw suszono na wolnym powietrzu przez 5 dni, a następnie te same włókna suszono w piecu w temperaturze 80°C przez 5 h. Masy włókien mierzono przy użyciu elektronicznej wagi stołowej z dokładnością do 0,01 g. Wilgotność naturalną H obliczono przy użyciu równania 1 i stwierdzono, że wilgotność naturalna włókna kokosowego wynosi 12,2%. Można zauważyć, że wartości procentowe wilgotności są prawie podobne dla różnych rodzajów próbek włókien kokosowych:

gdzie, Wd i WO oznaczają odpowiednio masę włókien suszonych powietrzem i suszonych w piecu.

Wchłanianie wody: Podczas mieszania i suszenia matrycy, włókna absorbują wodę i rozszerzają się. Pęcznienie włókien wypycha beton, przynajmniej na poziomie mikro. Następnie, pod koniec procesu suszenia, włókna tracą wilgoć i kurczą się z powrotem do swoich pierwotnych wymiarów, pozostawiając wokół siebie bardzo drobne puste przestrzenie. Wodochłonność W obliczono za pomocą równania 2:

gdzie, Wsw i Wad oznaczają odpowiednio masę włókien nasączonych wodą pitną i masę włókien wysuszonych na powietrzu. Pomiary przeprowadzono w odstępach 24 h przez 7 dni. Dane doświadczalne wykazały, że maksymalna absorpcja wody przez włókno kokosowe występuje w ciągu pierwszych 24 h i wzrasta do 120 h.

Po 120 h, włókno przechodzi w stan pełnego nasycenia i stan ten trwa do końca, jak pokazano na Rys. 5.

Gęstość włókna: Gęstość każdego włókna jest ważnym parametrem. Dla materiałów kompozytowych, gęstość włókien ma znaczący wpływ. Masa włókna w matrycy kompozytowej zależy od gęstości włókna. Gęstość włókna kokosowego, ρf, została obliczona przy użyciu równania 3 i stwierdzono, że gęstość włókna kokosowego wynosi 1,18 g cm-3. Zauważono, że gęstości włókien kokosowych są prawie takie same dla różnych typów próbek:

gdzie, mf jest masą włókna, mw jest masą wody, mw* jest masą wody pomniejszoną o objętość włókna, ρw jest gęstością wody.

Właściwości mechaniczne włókna
Wytrzymałość włókna kokosowego na rozciąganie: Badanie wytrzymałości na rozciąganie włókna kokosowego przeprowadzono w celu zbadania zachowania się włókna pod obciążeniem rozciągającym, maksymalnego wydłużenia włókien pod obciążeniem rozciągającym i punktu zerwania. Do przeprowadzenia tego eksperymentu użyto maszyny wytrzymałościowej do rozciągania Hounsfielda. Do badań przyjęto cztery różne grubości włókien i otrzymano następujące wyniki, jak podano w tabeli 1. Rys. 6 i 7 przedstawiają wykres zależności obciążenia od wydłużenia włókien kokosowych dla próbek 2 i 3, odpowiednio.

Dane doświadczalne wykazały, że średnia wytrzymałość włókna kokosowego wynosi 19,51 MPa, a odkształcenie do zniszczenia 2,83. Zaobserwowano również, że wytrzymałość i odkształcenie do zniszczenia nie zależą od powierzchni włókna. Nie zawsze im większa powierzchnia włókna tym większa wytrzymałość i odkształcenie do zniszczenia.

Głównie wytrzymałość włókien zależy od ich składu chemicznego, procesu separacji włókien, obróbki, wilgotności, temperatury itp.

Gęstość betonu zwykłego i zbrojonego włóknami kokosowymi: Masa i objętość betonu zwykłego i zbrojonego włóknami została zmierzona przed badaniem wytrzymałości na ściskanie. Uzyskaną masę każdego z betonów podzielono przez jego objętość, aby uzyskać gęstość. Na rysunku 8 przedstawiono gęstość betonu zwykłego i zbrojonego włóknami. Wynik eksperymentu wykazał, że gęstość betonu zwykłego jest większa niż betonu zbrojonego włóknami. Zaobserwowano również, że gęstość betonu zmniejsza się wraz ze wzrostem objętości włókna kokosowego w konwencjonalnym kruszywie grubym, jak pokazano na Rys. 8.

Porównanie właściwości betonu zwykłego i zbrojonego włóknami: Beton zwykły i wzmocniony włóknami obciążono obciążeniem statycznym, aby poznać ostateczną wytrzymałość na ściskanie betonu o różnej objętości włókien, jak pokazano na Rys. 9. Zmierzono również liczbę, długość i szerokość pęknięć dla betonu zwykłego i betonu zbrojonego włóknami kokosowymi po obciążeniu statycznym, jak pokazano na Rys. 10 do 12. Zależność naprężenie-odkształcenie oraz moduł sprężystości betonu zwykłego i betonu zbrojonego włóknami kokosowymi przedstawiono odpowiednio na rys. 13 i 14.

Na podstawie wyników badań (rys. 9) stwierdzono, że wytrzymałość na ściskanie zmniejsza się stopniowo wraz ze wzrostem procentowej zawartości włókien w betonie konwencjonalnym. Dla betonu konwencjonalnego z 0% udziałem włókien uzyskano najwyższe wartości wytrzymałości na ściskanie dla określonych proporcji mieszanki. W przypadku liczby pęknięć, długości i szerokości betonu wzmocnionego włóknami wykazano optymistyczne zachowanie w porównaniu z betonem zwykłym. Stwierdzono, że wytrzymałość betonu zależy od wytrzymałości, sztywności i gęstości kruszywa grubego. Ogólnie rzecz biorąc, mniejsza gęstość powoduje mniejszą wytrzymałość. Zwiększony procent objętościowy włókna kokosowego obniża gęstość betonu, a tym samym daje mniejszą wytrzymałość na ściskanie.

Liczbę, długość i szerokość pęknięć zmierzono zarówno dla betonu zwykłego, jak i zbrojonego włóknem kokosowym po obciążeniu statycznym. Pęknięcia były liczone na tych powierzchniach, na których rozwinęły się bardziej niż na innych. Dane doświadczalne wykazały, że rozwój pęknięć jest mniejszy w betonie zbrojonym włóknami. Siedem procent objętości betonu zbrojonego włóknami rozwinęło najmniej pęknięć spośród pozostałych betonów zbrojonych włóknami. Rysunek 10 przedstawia liczbę pęknięć w betonie zwykłym i betonie o różnej procentowej zawartości włókien. Beton zwykły rozwinął więcej pęknięć w porównaniu z betonem zbrojonym włóknami. Generalnie w betonie pęknięcia pojawiają się, gdy naprężenie osiąga moduł rozerwania betonu. W przypadku wszystkich próbek pęknięcia pojawiły się w środkowej części wysokości kostek betonowych. Pionowy układ pęknięć wskazuje, że były to pęknięcia zginające. Na podstawie badań można stwierdzić, że rozstaw pęknięć w betonie zwykłym był największy, a następnie w betonie zbrojonym o różnym udziale objętościowym włókien.

Dane doświadczalne wykazały, że długość pęknięcia jest mniejsza w betonie zbrojonym włóknami w porównaniu z betonem zwykłym. Istnieje liniowa zależność pomiędzy długością pęknięcia i charakterem obciążenia. Dla wszystkich betonów, większa długość pęknięcia została stwierdzona przy 80% obciążeniu statycznym. Dlatego też beton zbrojony włóknami kokosowymi może ograniczyć długość pęknięć. Długość pęknięć w betonie zwykłym i zbrojonym włóknami pokazano na Rys. 11.

Dane doświadczalne wykazały, że szerokość pęknięcia jest mniejsza w betonie zbrojonym włóknami w porównaniu z betonem zwykłym, jak pokazano na Rys. 12. W przypadku betonu wzmocnionego włóknami o objętości 1% szerokość rysy zmniejsza się wraz ze spadkiem obciążenia. Z drugiej strony, szerokość rysy w 3, 5 i 7% wykazała różne wyniki przy obciążeniu statycznym. Wyraźnie widać, że szerokość rysy w betonie zwykłym jest większa niż w przypadku wszystkich zawartości objętościowych włókien. Zatem beton zbrojony włóknami kokosowymi może ograniczyć szerokość rysy. Co więcej, zamknięte pęknięcia lub większa liczba pęknięć prowadzi do mniejszej szerokości pęknięcia. Powodem takiego zachowania jest fakt, że odstępy między rysami są funkcją zarówno wytrzymałości na rozciąganie, jak i wytrzymałości wiązania betonu. Spadek wytrzymałości na rozciąganie betonu jest spowodowany spadkiem jego wytrzymałości na udział procentowy włókien, a następnie spadkiem wytrzymałości wiązania betonu. Po dodaniu różnych procentowych udziałów objętościowych włókien do betonu konwencjonalnego, w związku z tym w miejscu pęknięcia wymagana jest mniejsza odległość, aby siła rozciągająca we włóknie została przeniesiona do otaczającego betonu, co oznacza mniejszy odstęp między pęknięciami.

Na podstawie wykresu obciążenia (KN) w stosunku do odległości (mm) i danych wykreślono krzywą naprężenie-odkształcenie dla betonu zwykłego i zbrojonego włóknami. Na rysunku 13 przedstawiono zależność naprężenie-odkształcenie dla betonu zwykłego i zbrojonego włóknami.

Zauważono, że beton zwykły wykazuje większe naprężenia niż beton z domieszką włókien. W konsekwencji, beton z mieszanką włókien wykazuje wyższe wartości odkształceń niż beton konwencjonalny. Sugeruje to, że beton z włóknami nie może wytrzymać większego obciążenia i wykazuje kruche zniszczenie w końcowych fazach obciążenia.

Moduł sprężystości to nachylenie krzywej naprężenie-odkształcenie. Krzywe naprężenie-odkształcenie często nie są wykresami prostoliniowymi, co wskazuje, że moduł zmienia się wraz z wielkością odkształcenia. W tym przypadku początkowe nachylenie jest zwykle używane jako moduł. Moduł sprężystości jest również nazywany modułem Youngsa. W celu określenia modułu sprężystości obliczono tangens krzywej naprężenie-odkształcenie dla materiału zwykłego i wzmocnionego włóknem kokosowym. Na rysunku 14 przedstawiono moduł sprężystości betonu zwykłego i zbrojonego włóknami. Wyniki eksperymentu wykazały również, że moduł sprężystości jest nieco wyższy w betonie zwykłym w porównaniu z betonem zbrojonym włóknami. Należy zauważyć, że beton z 3% zawartością włókien wykazuje większy moduł sprężystości niż beton z 1% zawartością włókien. Jest to głównie spowodowane mniejszą wartością sztywności włókna kokosowego w porównaniu do żwiru. Na rozwój wartości E betonu wpływa rodzaj grubego kruszywa, rodzaj cementu, stosunek w/c mieszanki, wielkość kruszywa i wiek utwardzania (Alexander i Milne, 1995). Ogólnie rzecz biorąc, moduł sprężystości betonu zależy od sztywności kruszywa grubego. Również strefa międzyfazowa pomiędzy kruszywem a pastą oraz właściwości sprężyste materiałów składowych wpływają na moduł sprężystości betonu.

Podsumowanie

W pracy przedstawiono wyniki programu doświadczalnego badającego właściwości fizyczne i mechaniczne betonu zbrojonego zawierającego różny procent objętościowy włókna kokosowego. Na podstawie wyników eksperymentalnych i obserwacji można sformułować następujące wnioski:

ACKNOWLEDGEMENTS

Badanie to zostało przeprowadzone w Laboratorium Konstrukcji Ciężkich, School of Computing, IT and Engineering, University of East London, UK oraz School of Civil Engineering, Linton University College, Legenda Education Group, Malaysia. Autorzy pragną podziękować pracownikom laboratorium za pomoc w wykonaniu próbek i badaniach.