Reinforced concrete (RC) does not provide sufficient resistance against impacts and blast loads, and the brittle structure of RC fails to protect against fractures due to the lack of shock absorption. Investigations on improving its resistance against explosion and impact have been actively conducted on high-performance fiber-reinforced cementitious composites (HPFRCCs), such as fiber-reinforced concrete and ultra-high-performance concrete. For these HPFRCCs, however, tensile strength and toughness are still significantly lower compared to compressive strength due to their limited fiber volume fraction. Therefore, in this study, the tensile behavior of slurry-infiltrated fiber-reinforced cementitious composites (SIFRCCs), which can accommodate a large number of steel fibers, was analyzed under static and dynamic loading to improve the shortcomings of RC and to enhance its explosion and impact resistance. The fiber volume fractions of SIFRCCs were set to 4%, 5%, and 6%, and three strain rate levels (maximum strain rate: 250 s-1) were applied. As a result, the tensile strength exceeded 15 MPa under static load, and the dynamic tensile strength reached a maximum of 40 MPa. In addition, tensile characteristics, such as tensile strength, deformation capacity, and energy absorption capacity, were improved as the fiber volume fraction and strain rate increased.
Sayed Mohammad Hossein Izadi;Mahdi Fakoor;Babak Mirzavand
Steel and Composite Structures
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v.53
no.1
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pp.91-101
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2024
A cost-effective fabrication method suitable for research purposes is proposed in this study. The elastic modulus of the fabricated functionally graded materials is evaluated and compared using two experimental methods: the three-point bending test and the tensile test, with a focus on the fiber volume fraction of the FGM layers. New methods for computing the elastic modulus are introduced, which are based on Castigliano's theorem and the secant modulus concept, incorporating the non-linear behavior of the material. Additionally, the mode I fracture toughness of the FGM layers is measured accurately using the three-point bending test and finite element analysis, and the influence of varying fiber volume fractions on this parameter is investigated through statistical analysis. Results indicate that while an increase in fiber volume fraction correlates with a rise in elastic modulus, it does not necessarily lead to an enhancement in mode I fracture toughness, highlighting the complex interactions between material composition and mechanical properties.
The steel fiber reinforced concrete (SFRC) shows better performance under dynamic loading than conventional concrete in virtue of its good ductility. In this paper, a series of quasi-static experiments were carried out on the SFRC with volume fractions from 0 to 6%. The compressive strength increases by 38% while the tension strength increases by 106% when the fraction is 6.0%. The contact explosion tests were also performed on the ${\Phi}40{\times}6cm$ circular SFRC slabs of different volume fractions with 20 g RDX charges placed on their surfaces. The volume of spalling pit decreases rapidly with the increase of steel fiber fraction with a decline of 80% when the fraction is 6%, which is same as the crack density. Based on the experimental results, the fitting formulae are given, which can be used to predict individually the change tendencies of the blast crater volume, the spalling pit volume and the crack density in slabs with the increase of the steel fiber fraction. The new formulae of the thickness of damage region are established, whose predictions agree well with our test results and others. This is of great practical significance for experimental investigations and engineering applications.
Theoretical expressions were dcrived for the numher of fibers per unit cross-sectional area in fiber reinforced concrete, with due consideration given to the effects of the surrounding boundaries. The number of fibers per unit cross-sectional area in steel fiber reinforced concrete was also measured experimentally for the specimens incorporating various volume fractions of fibers of different types. Statistical evaluation of the measured value was then performed in order to assess the differences in fiber concentration at different location on tbe cross section. Degree of reorientation of steel fibers in concrete occuring during vibration was examined by com¬paring the differences in the computed and measur'ed values of the number of fibers per unit cross-sectional area.
In this paper, the effect of the type and amount of fibers on the physicomechanical properties of concrete containing fine recycled refractory brick (RRB) and natural aggregate subjected to elevated temperatures was investigated. For this purpose, forta-ferro (FF), polypropylene (PP), and polyvinyl alcohol (PVA) fibers with the volume fractions of 0, 0.25, and 0.5%, as well as steel fibers with the volume fractions of 0, 0.75, and 1.5% were used in the concrete containing RRB fine aggregate replacing natural sand by 0 and 100%. In total, 162 concrete specimens from 18 different mix designs were prepared and tested in the temperature groups of 23, 400, and $800^{\circ}C$. After experiencing heat, the concrete properties including the compressive strength, ultrasonic pulse velocity (UPV), weight loss, and surface appearance were evaluated and compared with the corresponding results of the reference (unheated) specimens. The results show that using RRB fine aggregate replacing natural fine aggregate by 100% led to an increase in the concrete compressive strength in almost all the mixes, and only in the PVA-containing mixes a decrease in strength was observed. Furthermore, UPV values at $800^{\circ}C$ for all the concrete mixes containing RRB fine aggregate were above those of the natural aggregate concrete specimens. Finally, regarding the compressive strength and UPV results, steel fibers demonstrated a better performance relative to other fiber types.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.2A
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pp.105-113
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2011
This study evaluated the effects of fibers on the mechanical properties and chemical solution resistance of porous concrete with fiber type (jute, pulp, PVA and nylon fiber) and fiber volume fraction (0.0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%). The tests that were carried out to analysis the properties of porous concrete included compressive strength, void ratio, pH value, and chemical solution exposure with varying type and volume fraction of fiber were conducted. The type and volume fraction of fiber also affected the void ratio, compressive strength, flexural strength and chemical solution exposure. Increased volume fractions of fiber resulted in improved properties of the compressive strength, flexural strength and void ratio. However, the difference between the measured pH value and chemical resistance of porous concrete with fiber type and volume fraction was not significant.
In the present paper experimental and numerical analysis of hook-ended steel fiber reinforced concrete is carried out. The experimental tests are performed on notched beams loaded in 3-point bending using fiber volume fractions up to 1.5%. The numerical analysis of fiber reinforced concrete beams is performed at meso scale. The concrete is discretized with 3D solid finite elements and microplane model is used as a constitutive law. The fibers are modelled by randomly generated 1D truss finite elements, which are connected with concrete matrix by discrete bond-slip relationship. It is demonstrated that the presented approach, which is based on the modelling of concrete matrix using microplane model, able to realistically replicate experimental results. In all investigated cases failure is due to the pull-out of fibers. It is shown that with increase of volume content of fibers the effective bond strength and slip capacity of fibers decreases.
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures
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v.4
no.4
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pp.15-21
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2013
This study carried out finite element deflection analysis of cylindrical shell structures made of composite materials, which is based on the micro-mechanical approach for different fiber-volume fractions. The finite element (FE) models for composite structures using multi-scale approaches described in this paper is attractive not only because it shows excellent accuracy in analysis but also it shows the effect of the material combination. New results reported in this paper are focused on the significant effects of the fiber-volume fraction for various parameters, such as fiber angles, layup sequences, and length-thickness ratios. It may be concluded from this study that the combination effect of fiber and matrix, largely governing the dynamic characteristics of composite shell structures, should not be neglected and thus the optimal combination could be used to design such civil structures for better dynamic performance.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.11
no.2
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pp.391-401
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2017
In this study, the effects of water-to-binder (W/B) ratio and replacement ratio of blast furnace slag (BFS) on the compressive strength of concrete were first investigated to determine an optimized mixture. Then, using the optimized high-strength concrete (HSC) mixture, hooked steel fibers with various aspect ratios and volume fractions were used as additives and the resulting mechanical properties under compression and flexure were evaluated. Test results indicated that replacement ratios of BFS from 50 to 60% were optimal in maximizing the compressive strength of steam-cured HSCs with various W/B ratios. The use of hooked steel fibers with the aspect ratio of 80 led to better mechanical performance under both compression and flexure than those with the aspect ratio of 65. By increasing the fiber aspect ratio from 65 to 80, the hooked steel fiber volume content could be reduced by 0.25% without any significant deterioration of energy absorption capacity. Lastly, complete material models of steel-fiber-reinforced HSCs were proposed for structural design from Lee's model and the RILEM TC 162-TDF recommendations.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.2
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pp.69-78
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2023
This paper investigates the effects of aspect ratio and volume fraction of hooked-end normal-strength steel fibers on the compressive and flexural properties of high-strength concrete with specified compressive strength of 60 MPa. Three types of hooked-end steel fibers with aspect ratios of 64, 67 and 80 were considered and three volume fractions of 0.25%, 0.50% and 0.75% for each steel fiber were respectively added into each high-strength concrete mixture. The test results indicated that the addition of normal-strength steel fibers is effective to improve compressive and flexural properties of high-strength concrete but fiber aspect ratio had little effect on the modulus of elasticity and compressive strength. As steel fiber content and aspect ratio increased, flexural beahvior of notched high-strength concrete beams was effectively improved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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