Development of sustainable high performance fiber-reinforced concretes by using calcium sulfoaluminate cement

Nowadays, the demand for using high performance fiber-reinforced concrete (HPFRC) with improved qualities is widely increased throughout the world. As it is commonly known, for the production of a high performance concrete (HPC) matrix, a large amount of binder is normally used. The production of ordinary Portland cement (OPC) as the binder of concrete accounts for 7% of CO2 emission, in which has a notable environmental impacts, and subsequently results in unsustainable concrete. This study is aimed at replacing OPC with innovative cements like calcium sulfoaluminate cement (CSA) and Type K cement to develop more sustainable HPFRC. Hence, twenty four different concrete mixes were developed and their mechanical, physical, durability and microstructural properties have been assessed. The first objective of this study is to study the influence of CSA cement on the properties of HPC. Additionally, CSA-blended mixes with OPC, and also ternary mix containing slag were produced to investigate the effect of blended binder on the features of HPC. The second objective of this study is to evaluate the effect of different metallic and non-metallic fibers at constant fiber content of 1% on the properties of HPFRC. Also, the effect of fiber hybridization on the engineering properties of HPFRC was studied. The results of this study indicate that the full replacement of OPC with Type K cement had insignificant influence on the mechanical properties of HPC, while the addition of CSA cement led to an increase in the strengths of HPC. Among different cement based concrete developed in this study, the best performing mix was attained by the concrete containing pure CSA cement. The addition of CSA cement results in a reduced shrinkage deformation, improved durability properties, and enhanced bond between cement matrix and fibers. The results of HPFRC indicate that the addition of double hooked-end (DHE) steel fibers significantly increased the engineering properties of concrete. A deflection-hardening behavior was attained in the flexural performance of HPFRC containing at least 0.5% DHE steel fibers. The findings of this study are of great interest to structural engineers and have the potential to significantly contribute toward expanding the use of HPFRC to different structural applications.

Negli ultimi anni, la richiesta di utilizzo di calcestruzzo fibrorinforzato ad alte prestazioni (HPFRC) di qualità migliorate è notevolmente aumentata in tutto il mondo. Come è noto, per la produzione di una matrice di calcestruzzo ad alte prestazioni (HPC), si richiede normalmente una grande quantità di legante. La produzione di cemento Portland ordinario (OPC) come legante di cemento rappresenta il 7% delle emissioni di CO2, quindi ha un notevole impatto ambientale e, conseguentemente, si traduce in calcestruzzo non sostenibile. Questo studio ha lo scopo di sostituire l'OPC con cementi innovativi come il cemento solfoalluminoso di calcio (CSA) e il cemento di tipo K per sviluppare un HPFRC più sostenibile. Quindi, sono state sviluppate ventiquattro diverse miscele di calcestruzzo e sono state valutate le loro proprietà meccaniche, fisiche, di durabilità e microstrutturali. Il primo obiettivo di questo studio è stato valutare l'influenza del cemento CSA sulle proprietà di HPC. Sono state prodotte miscele ottenute con CSA, con OPC e anche loppa di altoforno (miscele ternarie) per studiare l'effetto del legante miscelato sulle caratteristiche dell'HPC. Il secondo obiettivo di questo studio è stato valutare l'effetto di diverse fibre metalliche e non metalliche, addizionate ad un contenuto di fibre costante dell'1%, sulle proprietà di HPFRC. Inoltre, è stato studiato l'effetto dell'ibridazione delle fibre sulle proprietà ingegneristiche di HPFRC. I risultati di questa ricerca ha evidenziato che la sostituzione completa di OPC con cemento di tipo K non ha avuto un'influenza significativa sulle proprietà meccaniche di HPC, mentre l'aggiunta di cemento CSA ha portato ad un aumento di resistenza dei HPC. Tra i diversi calcestruzzi a base cementizia sviluppati, il mix più performante è stato il calcestruzzo contenente puro CSA. L'aggiunta di legante CSA ha comportato una riduzione della deformazione da ritiro, migliori proprietà di durabilità ed un maggiore legame tra matrice di cemento e fibre. I risultati di HPFRC indicano che l'aggiunta di fibre d'acciaio a doppio uncino (DHE) ha aumentato significativamente le proprietà meccaniche del calcestruzzo. Un comportamento incrudente è stato rilevato nella risposta flessionale di un HPFRC contenente almeno 0,5% di fibre d'acciaio DHE. I risultati ottenuti sono di grande interesse per gli ingegneri strutturisti e hanno il potenziale per contribuire in modo significativo ad un maggiore utilizzo di HPFRC in diverse applicazioni strutturali.