Study on performance enhancement of coconut fibres reinforced cementitious composites - Laboratoire Universitaire des Sciences Appliquées de Cherbourg Access content directly
Theses Year : 2021

Study on performance enhancement of coconut fibres reinforced cementitious composites

Etude sur l'amélioration des performances des composites cimentaires renforcés des fibres de coco

Abstract

Natural fibres have been used in daily human life since the dawn of history in a wide range of different applications such as ropes, textiles, mattresses, brushes, and so on. In recent decades, for minimizing impacts on the environment, natural fibres were applied in civil engineering as green alternatives for building construction to partially replace conventional materials and reduce the dependency on them. The usage of natural fibres is thus in perfect harmony with the concept of sustainability. Also, the sources of natural fibres are abundant in many regions over the world. Among the natural fibres, coconut fibre is considered as a good candidate for reinforcement in cement matrix due to its most ductile and energy absorbent properties compared to other plant fibres. Besides, it is necessary to use alternative binders in an attempt to improve the durability of these plant fibres into composites and reduce the negative impact on the environment. A new formulation of mortars is proposed, in which the Portland cement (PC) is totally replaced by calcium sulfoaluminate cement (CSA cement). This study aims to enhance the understanding of an innovative composite material by incorporating coconut fibres into cementitious matrix, which is prepared using two different types of cement, i.e., PC and CSA cement. This approach could, therefore, constitute an alternative solution to waste management and contribute to the development of reinforced mortars, improving comfort performance in buildings. After a review of characteristics of coconut fibres and mechanical performance as well as durability of fibre-reinforced composite, characterization of materials, experimental programs and formulation methodology of mortars are first described in detail. The physical and mechanical properties of raw and treated coconut fibres for their recycling in construction materials are then determined in the next step. The influence of incorporating fibres on the rheological properties (consistency, workability, heat of hydration), physico chemical properties (pH, ATG) and mechanical properties (compressive and flexural strengths, toughness) are analyzed. Also, the coconut fibres orientation and distribution within the hardened mortar matrix are obtained using microscope measurement. This constitutes an innovative part of the cracking behavior of coconut fibre-reinforced mortars. Finally, the relationship between durability and strength of mortar incorporating fibres is studied based on two different environments for curing: carbonation and wetting and drying conditions. These results clearly show that the presence of coconut fibres has significant effects on the properties of cementitious pastes due to the sensitivity of the fibres in the alkaline environment of the cementitious matrix and their highly hydrophilic nature. For instance, as fibre content increases, the flexural strength of mortars increased significantly, causing, by contrast, a decrease in compressive strength. The enhancement toughness and preventing the development of cracks inside reinforced mortars are the most important contributions of fibres. Although the mechanical properties improvement of fibre-reinforced mortars is not always obtained, these values meet the desired mechanical performance for rendering and plastering mortar in masonry in accordance with European standards. The study on the durability of fibre-reinforced mortars indicated that the losses in flexural strength are stronger than those in compressive strength due to the cumulated effect of fibres added under aggressive environments.
Les fibres naturelles ont été utilisées dans la vie humaine quotidienne depuis l'aube de l'histoire dans un large éventail d'applications différentes telles que les cordes, les textiles, les matelas, les brosses, etc. Au cours des dernières décennies, afin de minimiser les impacts sur l'environnement, les fibres naturelles ont été exploitées dans le génie civil comme alternatives écologiques pour la construction de bâtiments dans le but de remplacer partiellement les matériaux conventionnels et réduire la dépendance à leur égard. Par conséquent, l'utilisation de fibres naturelles est en parfaite harmonie avec le concept de durabilité. En outre, les sources de fibres naturelles sont abondantes dans de nombreuses régions du monde. Parmi les fibres naturelles, la fibre de coco est considérée comme un bon candidat pour le renforcement de la matrice cimentaire en raison de ses propriétés les plus ductiles et absorbantes d'énergie par rapport aux autres fibres végétales. En outre, il est nécessaire d'utiliser des liants alternatifs pour tenter d'améliorer la durabilité de ces fibres végétales en composites et ainsi réduire l'impact négatif sur l'environnement. Une nouvelle formulation de mortiers est proposée, dans laquelle le ciment Portland (PC) est totalement remplacé par du ciment au sulfoaluminate de calcium (ciment CSA). Cette étude vise à améliorer la compréhension d'un matériau composite innovant en incorporant des fibres de noix de coco dans des matrices cimentaires préparées à l'aide de deux types de ciment différents, à savoir le ciment PC et CSA. Cette approche pourrait donc constituer une solution alternative à la gestion des déchets et contribuer au développement de mortiers renforcés, améliorant les performances de confort dans les bâtiments. Après un aperçu des fibres de coco et des performances mécaniques des composites renforcés de fibres ainsi que de leur durabilité, la caractérisation des matériaux, les programmes expérimentaux et la méthodologie de formulation du mortier sont d'abord décrits en détail. Les propriétés physiques et mécaniques des fibres de coco brutes et traitées pour leur recyclage dans les matériaux de construction sont ensuite déterminées à l'étape suivante. L'influence de l'incorporation de fibres sur les propriétés rhéologiques (consistance, ouvrabilité, chaleur d'hydratation), les propriétés physico-chimiques (pH, ATG) et les propriétés mécaniques (résistances à la compression et à la flexion, ténacité) sont ensuite analysées. L'orientation et la répartition des fibres de noix de coco dans la matrice de mortier durcie sont également obtenues par mesure au microscope. Ceci constitue une partie innovante du comportement à la fissuration des mortiers renforcés de fibres de coco. Enfin, la relation entre la durabilité et la résistance du mortier incorporant des fibres est étudiée en fonction de deux environnements de durcissement différents : la carbonatation et les conditions de mouillage et de séchage. Ces résultats montrent clairement que la présence de fibres de coco a des effets significatifs sur les propriétés des matrices cimentaires en raison de la sensibilité des fibres à l'environnement alcalin de ces matrices et de leur caractère hautement hydrophile. Par exemple, à mesure que la teneur en fibres augmente, la résistance à la flexion des mortiers a augmenté de manière significative, provoquant, au contraire, une diminution de la résistance à la compression. L'amélioration de la ténacité et la prévention du développement de fissures à l'intérieur des mortiers renforcés sont les contributions les plus importantes des fibres. Bien que l'amélioration des propriétés mécaniques des mortiers renforcés de fibres ne soit pas toujours obtenue, ces valeurs répondent aux performances mécaniques souhaitées pour les mortiers d'enduit et de crépissage de la maçonnerie conformément les normes européennes. L'étude sur la durabilité des mortiers renforcés de fibres a indiqué que les pertes de résistance
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Dates and versions

tel-03240390 , version 1 (28-05-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03240390 , version 1

Cite

Thi Thu Huyen Bui. Study on performance enhancement of coconut fibres reinforced cementitious composites. Civil Engineering. Normandie Université, 2021. English. ⟨NNT : 2021NORMC210⟩. ⟨tel-03240390⟩
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