Although concrete is the most widely used construction material, its deficiency in shrinkage and low tensile resistance is undeniable. However, the aforementioned defects can be partially modified by addition of fibers. On the other hand, possibility of adding waste materials in concrete has provided a new ground for use of recycled concrete aggregates in the construction industry. In this study, a constant combination of recyclable coarse and fine concrete aggregates was used to replace the corresponding aggregates at 50% substitution percentage. Moreover, in order to investigate the effects of fibers on mechanical and durability properties of recycled aggregate concrete, the amounts of 0.5%, 1%, and 1.5% steel fibers (ST) and 0.05%, 0.1% and 0.15% polypropylene (PP) fibers by volumes were used individually and in hybrid forms. Compressive strength, tensile strength, flexural strength, ultrasonic pulse velocity (UPV), water absorption, toughness, elastic modulus and shrinkage of samples were investigated. The results of mechanical properties showed that PP fibers reduced the compressive strength while positive impact of steel fibers was evident both in single and hybrid forms. Tensile and flexural strength of samples were improved and the energy absorption of samples containing fibers increased substantially before and after crack presence. Growth in toughness especially in hybrid fiber-reinforced specimens retarded the propagation of cracks. Modulus of elasticity was decreased by the addition of PP fibers while the contrary trend was observed with the addition of steel fibers. PP fibers decreased the ultrasonic pulse velocity slightly and had undesirable effect on water absorption. However, steel fiber caused negligible decline in UPV and a small impact on water absorption. Steel fibers reduce the drying shrinkage by up to 35% when was applied solely. Using fibers also resulted in increasing the ductility of samples in failure. In addition, mechanical properties changes were also evaluated by statistical analysis of MATLAB software and smoothing spline interpolation on compressive, flexural, and indirect tensile strength. Using shell interpolation, the optimization process in areas without laboratory results led to determining optimal theoretical points in a two-parameter system including steel fibers and polypropylene.
Sixteen concrete mixes reinforced with hybrid steel-polybinyl alcohol (PVA) fibers and a control concrete mix with no fiber were tested in order to examine the effect of the micro and macro fibers on the slump and different mechanical properties of concrete. Main variables investigated were length and volume fraction of steel and PVA fibers. The measured mechanical properties of hybrid fiber reinforced concrete were analyzed using the fiber reinforcing index and compared with those recorded from monolithic steel or PVA fiber reinforced concrete. The initial slump of hybrid fiber reinforced concrete decreased with the increase of the aspect ratio and the volume fraction of fibers. In addition, splitting tensile strength, modui of rupture and elasticity, and flexural toughness index of concrete increased with the increase of the fiber reinforcement index. Modulus of rupture and flexural toughness index of hybrid fiber reinforced concrete were higher than those of monolithic fiber reinforced concrete, though the total volume fraction of hybrid fibers was lower than that of monolithic fiber. For enhancing the flexural toughness index of hybrid fiber reinforced concrete, using the steel fiber of 60 mm length was more effective than using the steel fibers combined with 60 mm and 30 mm lengths.
In this paper, hybrid fibers including high elastic modulus steel fiber and low elastic modulus synthetic macro-fiber (HPP) as two elements were used as reinforcement materials in concrete. The flexural toughness, flexural impact and fracture performance of the composites were investigated systematically. Flexural impact strength was analyzed with statistic analyses method; based on ASTM and JSCE method, an improved flexural toughness evaluating method suitable for concrete with synthetic macro-fiber was proposed herein. The experimental results showed that when the total fiber volume fractions ($V_f^a$) were kept as a constant ($V_f^a=1.5%$), compared with single type of steel or HPP fibers, hybrid fibers can significantly improve the toughness, flexural impact life and fracture properties of concrete. Relative residual strength RSI', impact ductile index ${\lambda}$ and fracture energy $G_F$ of concrete combined with hybrid fibers were respectively 66-80%, 5-12 and 121-137 N/m, which indicated that the synergistic effects (or combined effects) between steel fiber and synthetic macro-fiber were good.
In order to evaluate the effect of hybrid fibers on the flexural performance of tunnel segment at room temperature, twelve reinforced self-consolidating concrete (SCC) symmetric inclination beams containing steel fiber, macro polypropylene fiber, micro polypropylene fiber, and their hybridizations were studied under combined loading of flexure and axial compression. The results indicate that the addition of mono steel fiber and hybrid fibers can enhance the ultimate bearing capacity and cracking behavior of tested beams. These improvements can be further enhanced along with increasing the content of steel fiber and macro PP fiber, but reduced with the increase of the reinforcement ratio of beams. The hybrid effect of steel fiber and macro PP fiber was the most obvious. However, the addition of micro PP fibers led to a degradation to the flexural performance of reinforced beams at room temperature. Meanwhile, the hybrid use of steel fiber and micro polypropylene fiber didn't present an obvious improvement to SCC beams. Compared to micro polypropylene fiber, the macro polypropylene fiber plays a more prominent role on affecting the structural behavior of SCC beams. A calculation method for ultimate bearing capacity of flexural SCC symmetric inclination beams at room temperature by taking appropriate effect of hybrid fibers into consideration was proposed. The prediction results using the proposed model are compared with the experimental data in this study and other literature. The results indicate that the proposed model can estimate the ultimate bearing capacity of SCC symmetric inclination beams containing hybrid fibers subjected to combined action of flexure and axial compression at room temperature.
An experimental work was carried out to study the effect of hybrid fiber on the tension stiffening and cracking characteristics of geopolymer concrete (GPC). A total of 24 concentrically reinforced concrete specimens were cast and tested under uniaxial tension. The grade of concrete considered was M40. The variables mainly consist of the volume fraction of crimped steel fibers (0.5 and 1.0%) and basalt fibers (0.1, 0.2 and 0.3%). The load deformation response was recorded using LVDT's. At all the stages of loading after the first cracking, crack width and crack spacing were measured. The addition of fibers in hybrid form significantly improved the tension stiffening effect. In this study, the combination of 0.5% steel fiber and 0.2% basalt fiber gave a better comparison than the other combinations.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.5
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pp.48-59
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2021
In this study, experiments were conducted to investigate the compressive·flexural performances of single fiber-reinforced mortar (FRM) using only steel fiber or carbon fiber which has different material properties as well as hybrid FRM using a mixture of steel and carbon fibers. The mortar specimens incorporated steel and carbon fibers in the mix proportions of 1+0%, 0.75+0.25%, 0.5+0.5%, 0.25+0.75% and 0+1% by volume at a total volume fraction of 1.0%. Their mechanical performance was compared and examined with a plain mortar without fiber at 28 days of age. The experiments of mortar showed that the hybrid FRM using a mixture of 0.75% steel fibers + 0.25% carbon fibers had the highest compressive and flexural strength, confirming by thus the synergistic reinforcing effect of the hybrid FRM. On the contrast, in the case of hybrid FRM using a mixture of 0.5% steel fibers + 0.5% carbon fibers witnessed the highest flexural toughness, suggesting as a result the optimal fiber mixing ratio of hybrid FRM to improve the strength and flexural toughness at the same time. Moreover, the fracture surface was observed through a scanning electron microscope (SEM) for image analysis of the FRM specimen. These results were of great help for images analysis of hybrid reinforcing fibers in cement matrix.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2010.05a
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pp.437-438
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2010
This study was carry out to evaluate the effect of flexural behavior according to using hybrid steel fiber in UHPC. The evaluation of the flexural behavior of UHPC using hybrid fibers showed that the admixing of hybrid steel fibers at a volumic ratio of 2% increased the flexural strength by more than 27% (maximum 50%) compared to the use of steel fibers only. A ratio of 1.5% was seen to provide flexural strength exceeding the current strength of UHPC.
Reactive powder concrete (RPC) is a type of ultra-high strength cement-based material with a dense microstructure, which is made of ultra-fine powders. RPC demonstrate a very brittle behavior, thus adding fibers improves its mechanical properties. In this study, it was attempted to investigate the effect of using steel and polyvinyl alcohol (PVA) fibers as well as their combination on the properties of RPC. In this regard, hooked-end crimped steel fibers together with short PVA fibers were utilized. Steel and PVA fibers were used with the maximum volume fraction of 3% and 0.75%, respectively, and also different combinations of these fibers were used with the maximum volume fraction of 1% in the concrete mixes. In total, 107 concrete specimens were prepared, and the effect of fiber type and volume fraction on the physico-mechanical properties of RPC including compressive strength, tensile strength, modulus of elasticity, density, and failure mode was explored. In addition, the effect of the curing type on the properties of compressive strength, modulus of elasticity, and density of RPC was evaluated. Finally, coefficients for conversion of cubic compressive strength to cylindrical one for the RPC specimens were obtained under the two curing regimes of heat treatment and standard water curing.
This study presents the experimental results performed to evaluate the effects of Polyvinyl-alcohol (PVA) and Polypropylene (PP) fibers on the fresh and residual mechanical properties of the hybrid fiber reinforced SCC before and after the exposure of 250℃, 500℃ and 750℃ temperatures. The compressive and splitting tensile strength, modulus of rupture (MOR), ultrasonic pulse velocity (UPV) as well as toughness and weight loss were investigated at different temperatures. PVA and PP fibers were added into SCC mixtures having only macro steel fiber and also having binary hybridization of both macro and micro steel fiber. The results showed that the use of micro steel fiber replaced by macro steel fiber improved the fresh and hardened properties compared to the use of only macro steel fiber. Moreover, it was emphasized that PVA or PP enhanced the residual flexural performance of SCC, generally, while it negatively influenced the workability, weight loss, UPV and the residual strengths with regards to the use of single steel fiber and binary steel fiber hybridization. Compared to the effect of synthetic fibers, PP had slightly more positive effect in the view of workability while PVA enhanced the residual mechanical properties more.
The past earthquakes revealed the importance of the design of moment-resisting reinforced concrete framed structures with ductile behavior. Due to seismic activity, failures in framed structures are widespread in beam-column joints. Hence, the joints must be designed to possess sufficient strength and stiffness. This paper investigates the effects of fibers on the ductility of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete (HFRSCC) when subjected to seismic actions; overcoming bottlenecks at the beam-column joints has been studied by adding low modulus sisal fiber and high modulus steel fiber. For this, the optimized dose of hooked end steel fiber content (1.5%) was kept constant, and the sisal fiber content was varied at the rate of 0.1%, up to 0.3%. The seismic performance parameters, such as load-displacement behavior, ductility, energy absorption capacity, stiffness degradation, and energy dissipation capacity, were studied. The ductility factor and the cumulative energy dissipation capacity of the hybrid fiber (steel fiber, 1.5% and sisal fiber, 0.2%) added beam-column joint specimen is 100% and 121% greater than the control specimen, respectively. And also the stiffness of the hybrid fiber reinforced specimen is 100% higher than the control specimen. Thus, the test results showed that adding hybrid fibers instead of mono fibers could significantly enhance the seismic performance parameters. Therefore, the hybrid fiber reinforced concrete with 1.5% steel and 0.2% sisal fiber can be effectively used to design structures in seismic-prone areas.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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