Date of Award

11-2023

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Civil Engineering

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Bilal El Ariss

Abstract

Recycling construction waste material offers a sustainable solution to the problem of disposing of concrete construction and demolition waste. The use of basalt fibers (BF) and basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) reinforcing bars in concrete structures made of recycled concrete aggregate (RCA) would prolong their service life and reduce the maintenance cost. This research aims to investigate the potential use of BF, RCA, and BFRP reinforcing bars to produce sustainable and steel-free structural concrete. The study consisted of material characterization testing, numerical simulation, and large-scale beam testing.
Material characterization tests were performed on normal-strength concrete (NSC) and high-strength concrete (HSC). The RCA replacement in characterization tests varied as 30, 60, and 100%. Three different sizes of BF i.e., 20, 43, and 50-mm in length were used in the characterization tests. The volume fraction (vf) of BF varied in the range of 0.5-1.5%. Fresh and hardened properties of concrete mixtures with different RCA replacement ratios and various combinations and volume fractions of BF were examined. Plain concrete mixtures made with RCA exhibited inferior properties relative to those made with natural aggregates (NA). The negative effect of RCA was more pronounced for HSC than NSC. The incorporation of BF improved the tensile properties of NA- and RCAbased concrete mixtures. The effectiveness of BF in improving the properties of concrete tended to be more pronounced for NSC than HSC.
New tensile softening constitutive laws characterizing the post-cracking behavior of NA- and RCA-based concrete mixtures were established using an inverse analysis of characterization test data. The new tensile softening laws were used as input data in numerical simulation models of large-scale concrete beams made with RCA, BF, and BFRP reinforcing bars. The accuracy and validity of the numerical models developed in the present study were examined through a comparative analysis with experimental results of large-scale concrete beams tested in the UAEU laboratory. Experimental tests revealed that the addition of BF had an insignificant effect on the shear capacity of NA-based beams, irrespective of BF sizes and combinations. However, the beam with RCA exhibited a strength gain of 51% with the addition of the BF. The developed numerical models predicted the shear capacity of the tested beams with good accuracy.
A parametric study was conducted to examine the effect of varying the RCA replacement percentage and BF volume fraction on the shear behavior of BFRP-reinforced concrete beams. Test variables comprised RCA replacement (30, 60, and 100%) and BF volume fractions (0.5, 1.0, and 1.5%). Results of the parametric study indicated that the incorporation of the RCA in concrete mixture resulted in strength reduction of the beam models in the range of 10-28%. The inclusion of BF at a vf of 0.5% to the beam models with 30 and 60% RCA fully restored the original shear capacity of the control beam model with NA. The addition of BF at vf = 1.5% to the beam model with 100% RCA restored 93% of the original shear capacity of the control beam model with NA. Research findings are anticipated to contribute to the advancement of the concept of circular economy through the development of sustainable construction materials and simulation models capable of predicting the shear behavior of concrete beams made of RCA and BF internally reinforced with BFRP composite reinforcing bars.

Arabic Abstract


صيف ودراسة أداء القص الانشائي للجسور الخرسانية المصنوعة من الركام الخرساني المعاد تدويره والمسلحة بألياف وقضبان البازنت

توفر إعادة تدوير مخلفات البناء حلاً مستداماً لمشكلة التخلص من مخلفات البناء والهدم الخرسانية. إن استخدام ألياف البازلت (BF) وقضبان التسليح من البوليمر المقوى بالألياف البازلتية (BFRP) في المنشآت الخرسانية المصنوعة من الركام الخرساني المعاد تدويره (RCA) من شأنه أن يطيل العمر الافتراضي ويقلل من تكلفة الصيانة. يهدف هذا البحث إلى دراسة إمكانية استخدام BF وRCA وBFRP لإنتاج خرسانة مسلحة مستدامة وخالية من الفولاذ. وتضمنت الدراسة اختبار توصيف المواد، والتحليل الرقمي، واختبار الجسور الخرسانية المسلحة بأبعاد كبيرة.
تم إجراء اختبارات توصيف المواد على الخرسانة القوة العادية (NSC) والخرسانة عالية القوة (HSC). تباين استبدال RCA في اختبارات التوصيف بين 30 و60 و100% تم استخدام ثلاث مقاسات مختلفة من BF، تحديداً 20 و43 و50 ملم في اختبارات التوصيف. يتراوح نسبة الـBF من كتلة الخلطة (Vf) بين 0.5-1.5%. تم فحص الخواص الطازجة والصلبة للخلطات الخرسانية ذات نسب استبدال مختلفة لـRCA وتركيبات ونسب مختلفة لـBF. أظهرت الخلطات الخرسانية غير المسلحة المصنوعة من RCA خصائص أقل جودة مقارنة بتلك المصنوعة من NA. كان التأثير السلبي لـRCA أكثر وضوحاً بالنسبة لـHSC مقارنة بـNSC. أدى دمج BF إلى تحسين خصائص الشد للخلطات الخرسانية المعتمدة على NA وRCA. تميل فعالية BF في تحسين خواص الخرسانة إلى أن تكون أكثر وضوحاً بالنسبة للـNSC مقارنة بالـHSC.
تم إنشاء قوانين تأسيسية جديدة لتليين الشد لتوصيف سلوك ما بعد التصدع للخلطات الخرسانية المعتمدة على NA وRCA باستخدام تحليل عسكي لبيانات اختبار التوصيف. تم استخدام قوانين تليين الشد المنشأة كبيانات مدخلة في نماذج المحاكاة الرقمية للجسور الخرسانية ذات الأبعاد الكبيرة المصنوعة من RCA وBF وقضبان التسليح BFRP. تم فحص دقة وصلاحية النماذج الرقمية التي تم تطويرها في هذه الدراسة من خلال تحليل مقارن مع النتائج التجريبية للجسور الخرسانية ذات الأبعاد الكبيرة التي تم اختبارها في مختبر جامعة الإمارات العربية المتحدة. كشفت الاختبارات التجريبية أن إضافة BF كان له تأثير ضئيل على قدرة القص للجسور المعتمدة على NA بغض النظر عن مقاسات BF. ومع ذلك، أظهرت الجسور التي تحتوي على RCA زيادة في القوة بنسبة 51% مع إضافة BF. لقد تنبأت نماذج المحاكاة الرقمية بقدرة القص للجسور التي تم اختبارها بدقة جيدة.
تم استخدام نماذج المحاكاة لإجراء دراسة لفحص تأثير اختلاف نسبة استبدال RCA ونسبة BF على سلوك القص للجسور الخرسانية المسلحة بـBFRP. ‎اشتملت متغيرات هذه الدراسة على نسبة استبدال RCA (30 و60 و100%) ونسبة الـBF من كتلة الخلطة (0.5 و1.0 و1.5%). أشارت نتائج هذه الدراسة إلى أن دمج RCA في الخلطة الخرسانية أدى إلى تقليل قوة نماذج الجسور الخرسانية بنسبة تتراوح بين 10-28%. أدى استخدام BF عند Vfبنسبة 0.5% في نماذج الجسور الخرسانية التي تحتوي على 30 و60% RCA إلى استعادة قدرة القص الأصلية لنموذج الجسور المصنوعة من NA بالكامل. أدى إضافة BF عند Vf بنسبة 1.5% إلى نماذج الجسور الخرسانية التي تحتوي على 100% RCA إلى استعادة 93% من قدرة من قدرة القص الأصلية لنموذج الجسور المصنوعة من NA بالكامل. من المتوقع أن تساهم نتانج هذه الدراسة في تطوير مفهوم الاقتصاد الدائري من خلال تطوير مواد بناء مستدامة ونماذج محاكاة قادرة على التنبؤ بسلوك القص للجسور الخرسانية المصنوعة من RCA وBF المسلحة داخلياً بقضبان BFRP.

Download

Share

COinS